Настоящее и будущее энергетических систем

Мировая энергетика – на пороге глобальных перемен. Информационные технологии, внедряемые в энергетические системы, дают новые возможности управления отраслью и улучшают обслуживание потребителей.

И это только начало. Какими станут энергетические системы будущего, сейчас даже трудно представить, однако если проанализировать современные тенденции, то некоторые прогнозы сделать можно.

В наиболее развитых странах все шире распространяются сенсорные технологии и устройства, такие, как синхрофазоры (системы одновременного измерения параметров всех фаз переменного тока), которые особенно важны для подключения возобновляемых источников к общей энергетической сети, увеличения объемов надежно доставляемой энергии и передачи данных в диспетчерские центры коммунальных служб. На подстанциях и объектах генерации вводятся «умные» системы распределения, а у потребителей устанавливаются «умные» счетчики.

Что нас ждет дальше? Как говорят эксперты, грядет новая архитектура энергосистем, с распределенными «умными» функциями. Распределенная «умная» функциональность включает обработку цифровых сигналов и установку программных средств в разных точках энергетической инфраструктуры для ее гибкой автоматизации. Средства обработки соединяются друг с другом через сеть. При этом они могут выполнять эксплуатационные и деловые функции без централизованного управления как в автономном режиме, так и в режиме совместной работы. Эти системы могут быть полностью распределенными или сочетать распределенные элементы с централизованным управлением и координацией.

К примеру, как заявляют специалисты ведущих зарубежных компаний, работающих в этой области, передовые системы управления напряжением и силой тока смогут использовать распределенную «умную» платформу для сокращения потерь в распределительных каналах и повышения качества электроэнергии. Использование распределенных «умных» функций поможет коммунальным службам внедрять масштабируемые системы, интегрировать больше распределенных возобновляемых источников энергии и повышать эффективность эксплуатации энергетических сетей.
Изменения ждут и сети. Новые времена подразумевают новые потребности, и сети энергосистем будущего должны им соответствовать. Как говорят эксперты крупнейших западных компаний, в инфраструктурно-архитектурной области появятся постоянно доступные проводные сети с малой задержкой для связи между подстанциями и диспетчерскими центрами, а также надежные, хорошо защищенные беспроводные полевые сети для автоматизации распределения энергии, координации мобильных ремонтных групп и работы с «умными» счетчиками. И уже сегодня энергетические компании переходят к архитектурам Ethernet/IP и внедряют сети с многопротокольной коммутацией по меткам (MPLS), чтобы лучше справиться с переходом от традиционных систем к новым решениям, включающим синхрофазоры и системы удаленной защиты.

Что касается полевых коммуникаций, то, как заявляет генеральный менеджер подразделения по разработке решений Cisco Smart Grid Лора Ипсен, сегодня преобладает двухуровневая архитектура, состоящая из полевой сети (Field Area Network, FAN) и целого ряда специализированных сетей – например, районных (Neighbourhood Area Network, NAN) для поддержки «умных» счетчиков, а также систем защиты распределительных каналов и средств управления, работающих с низкой задержкой.

Такая полевая сеть основана на широкополосной беспроводной технологии, установленной либо в принадлежащих заказчику частных каналах, либо в выделенных виртуальных частных сетях, работающих в лицензируемом или нелицензируемом диапазоне. Она создается для мониторинга и контроля все более многочисленных распределенных источников энергии и для поддержки предстоящего перехода от централизованного к распределенному одноранговому управлению сетевыми устройствами.

Полномасштабная комплексная коммуникационная IP-сеть будущего позволит коммунальным службам управлять распространением «умных» датчиков и устройств (включая домашние устройства, отделенные от коммунальной службы потребительским счетчиком), внедрять передовые мобильные системы автоматизации, передавать данные, поступающие с «умных» счетчиков, и поддерживать передачу больших объемов измерительной и управляющей информации в режиме, близком к реальному времени.

В качестве одного из примеров такой «интеллектуальной» электросети можно привести проект, осуществленный властями японского города Иокогама. Сам проект, в принципе, должен был решить другие задачи. В частности, в рамках проекта жители города устанавливали у себя в домах системы генерации электроэнергии (солнечные электростанции), чтобы снизить потребление электричества. Но для контроля и управления ими старые сети не годились, и тогда была создана интеллектуальная электросеть.

Речь идет о накоплении, хранении и циркулировании электроэнергии в масштабах одного микрорайона. Например, в хорошую погоду, когда установленные солнечные батареи подают много энергии, ее можно накапливать в аккумуляторе электромобилей, которые будут выступать в роли электрических батарей. А в те дни, когда погода плохая, эта накопленная энергия может использоваться для работы электроприборов внутри дома, а неизрасходованная энергия может даже передаваться другим домам. Для контроля этих процессов обычные электрические сети были превращены в информационные, где благодаря системе «умных» датчиков эти процессы отслеживаются почти в реальном времени, что позволяет существенно увеличить управляемость системы и обеспечить экономию электроэнергии. Что интересно, необходимое оборудование устанавливалось на коммерческой основе. В итоге, для жильцов реальная выгода заключалась в том, что они будут меньше закупать электричества у компаний.



Анализ и безопасность

Вспоминая опыт японцев, главное, что надо отметить, – новые «интеллектуальные» сети позволяют лучше анализировать данные о потреблении электроэнергии. Вообще, возвращаясь к энергосистеме будущего, аналитические системы должны будут играть в ней заметную роль. В частности, как прогнозируют эксперты компании Emerson, аналитические системы будут принимать данные из множества источников – таких, как «умные» счетчики, «умные» распределительные устройства и устройства для подстанций, а также фазоры (датчики для измерения параметров фаз переменного тока). Передовые аналитические системы позволят автоматическим системам, сотрудникам и клиентам коммунальных служб быстрее принимать обоснованные решения. В результате управление потоком информации станет более эффективным. Оптимизировать управление данными помогут инструментальные средства, работающие на уровне коммуникационной сети. Современные технологии управления данными будут использоваться в центрах обработки данных коммунальных служб и в сетевых «облаках», где будет накапливаться информация. Чтобы выделить из лавины данных полезную информацию и передать ее специалистам, будут использоваться средства визуализации и «умные» системы предупреждений.

Благодаря этому должна существенно повыситься безопасность энергосистемы. Когда контроль за системой осуществляется миллионами «умных» сетевых и пользовательских устройств, она более защищена как от террористических атак, так и обычных чрезвычайных ситуаций. «Умные» датчики смогут своевременно подать сигнал об опасности и даже отключать ненадежные участки системы, благодаря чему общая энергосистема будет фактически неуязвима.

Впрочем, именно здесь есть и «ложка дегтя», ведь критически важное значение технологии «умных» сетей и предоставляемых ими услуг делает эту технологию важной целью террористических атак. Именно поэтому, как считают эксперты, передовые разработчики таких сетей и устройств к ним не должны ждать появления соответствующих законов и стандартов, а в упреждающем порядке оценивать уязвимость своих систем, разрабатывать меры безопасности и планировать контрмеры на случай чрезвычайных ситуаций.

К их чести, работы в этом направлении ведутся непрерывно. И в качестве примера можно привести совместную работу компаний Cisco и Harris Corporation, заключивших контракт на построение сети WAN для WECC (Западный координационный совет по электроэнергии, крупнейшая в Северной Америке региональная организация в сфере регулирования энергетики, отвечает за согласованную работу и надежность электросистемы на западе США, в Канаде и северной части Мексики). Идея построения новой сети возникла у правительства США после того, как ураган Айрин (тропический циклон, начавшийся в конце августа 2011 года) вызвал отключения электроэнергии на всем восточном побережье страны.

После ввода в эксплуатацию сеть WAN Западного координационного совета по электроэнергии будет помогать обнаруживать и устранять сбои в работе региональных электросистем, охватывающих всю Канаду, четырнадцать штатов США, включая Калифорнию, и северную часть мексиканского штата Нижняя Калифорния.

Новая сеть будет построена на базе MPLS (многопротокольной коммутации на основе меток), чтобы связать девятнадцать объектов в западной части США с двумя крупными центрами обработки данных в штатах Вашингтон и Колорадо в рамках Североамериканской синхрофазорной инициативы (NASPI). Синхрофазоры были выбраны за их способность отображать в режиме реального времени результаты синхронизированных замеров с частотой 30 или 60 ГЦ для США и 25 или 50 ГЦ для Европы. Приборы для измерения фазоров (PMU) определяют синхрофазоры, используя замеры напряжения в сети и синусоиду тока. Измерения выполняются с высокой скоростью, им присваиваются временные метки, что позволяет объединять данные от разных объектов и дает четкую картину происходящего в энергосистеме. Синхрофазоры обеспечивают более точное представление о нагрузке на электросети, и, следовательно, их можно использовать для корректирующих действий, чтобы поддерживать безотказную работу системы.

Чтобы технология работала как полагается, необходимы безопасные и надежные измерения и коммуникационная инфраструктура, которую строят компании Cisco и Harris. Их конечная цель заключается в монтаже более 250 новых или модернизированных приборов PMU по всему региону. Это определит слабые места и обеспечит управление системами на возобновляемых источниках энергии. К тому же полученные данные можно будет использовать для определения параметров электросетей и внедрения моделей их построения, а также для анализа происшествий. В итоге, новые сети должны обеспечить прогнозируемую обработку отказа и конвергенцию сети, поддерживать передачу данных с низкими задержками, поддерживать возможность использования устройств повышенной надежности. Кроме того, новая сеть будет обеспечивать одновременную поддержку различных протоколов и стандартов, а также бòльшую управляемость и безопасность без дополнительных нагрузок на приборы PMU.



Ослепительное будущее

Все, о чем мы говорили до сих пор, либо уже внедряется, либо начнет повсеместно внедряться в ближайшее время. А если взглянуть чуть дальше?

Возможно, более совершенные информационные технологии помогут решить одну из важнейших проблем мировой энергетики – проблему хранения энергии. Хранение электроэнергии может сделать энергетические сети более надежными и стабильными, повысить качество энергии и предоставить потребителям функции управления энергетическими потоками. Технологии хранения энергии, способные динамично реагировать на колебания спроса и предложения, становятся коммерчески выгодными при условии развертывания технологии Smart Grid. Вполне возможно, что с помощью аккумуляторов, подобных тем, что устанавливаются в электромобилях, мы сможем добиться настоящего прорыва в инженерной и экономической областях.

Информационные технологии помогут контролировать процесс хранения электроэнергии, позволяя использовать аккумуляторы с максимальной эффективностью. А дальше, кто знает… Может быть, именно очередная новинка информационных технологий вновь полностью изменит всю энергетику.