Развитие альтернативных источников и малых систем генерации привело к возникновению большого числа независимых производителей электроэнергии. При этом большие изменения претерпели и потребители электроэнергии. Для того, чтобы управлять энергосистемой в новых реалиях, нужны новые принципы регулирования генерации и потребления, основанные на использовании цифровых технологий. Именно так и появился термин «цифровая энергетика». Но, помимо повышения эффективности использования разнообразных способов генерации электроэнергии, цифровые технологии позволяют реализовать в энергосистеме и принципиально новые функции.
Важнейшей характеристикой энергосистемы является баланс мощности. Согласно ГОСТ, он определяется как «система показателей, характеризующая соответствие суммы значений нагрузки энергосистемы и потребной резервной мощности величине располагаемой мощности энергосистемы». Проще говоря, должен соблюдаться баланс между мощностью нагрузки, с одной стороны, а также суммой вырабатываемой и поступающей в систему электроэнергии, с другой стороны. Также должны быть предусмотрены некоторые резервные мощности.
Аналоговая энергетика
Традиционный подход предусматривает наличие небольшого количества электростанций большой мощности. Какие-либо средства накопления электроэнергии в таких энергосистемах либо отсутствуют, либо есть в единичных экземплярах и решают только частные задачи (как, скажем, гидроаккумулирующая станция в Сергиевом Посаде, призванная сглаживать пики энергопотребления Москвы).
Построение энергосистемы на основе аналоговых принципов подразумевает переключение потоков электроэнергии из централизованной диспетчерской. Это может быть как ручное управление (например, на основе текущих данных о работе крупнейших потребителей электроэнергии в регионе), так и переключение в автоматическом режиме по заданной программе, а также на основе анализа текущей ситуации. Для управления автоматикой может использоваться вычислительная техника, тем не менее, такая энергосистема все равно будет аналоговой из-за лежащих в ее основе принципов поддержания баланса мощности.
Переключение потоков энергии в системе (например, переключение части поставляемой мощности от одних потребителей другим, экспорт энергии в соседний регион или импорт из него и т. д.) регулируют баланс очень приблизительно. Более тонкая подстройка происходит за счет изменения частоты генерации в небольших пределах.
Наиболее мощными потребителями электроэнергии, как правило, являются электродвигатели в промышленности и объектах инфраструктуры. Снижение частоты тока в сети приводит к снижению числа оборотов электродвигателей и, соответственно, уменьшению потребляемой ими мощности. Повышение частоты ведет к увеличению энергопотребления, чем компенсируется недостаточная нагруженность генераторов. В том случае, если электродвигатель установлен, например, в подъемнике или токарном станке, то зависимость между частотой и мощностью, как правило, линейная. Если же речь идет о вентиляторах или насосах, где электродвигатель нагружен на устройство с лопастями, прокачивающее воздух или жидкость, то зависимость мощности от частоты имеет третий, а иногда и более высокий порядок. Отклонение частоты в ту или иную сторону от номинала приводит к снижению КПД генераторов на электростанциях. Конструкция генераторов рассчитывается таким образом, чтобы падение выработки электроэнергии при снижении частоты в сети было меньше, чем падение энергопотребления.
В автономных системах энергоснабжения допускается отклонение частоты генерации на 5 Гц в большую или меньшую сторону относительно номинального значения 50 Гц.
Поскольку до недавнего времени передача электроэнергии осуществлялась главным образом на переменном токе, актуальной задачей была работа электростанций и потребителей в пределах большого числа регионов на единой частоте. Речь идет не о том, что поддерживается единый стандарт 50 Гц в определенных пределах, а об абсолютно точном равенстве частоты во всех элементах энергосистемы. Это позволяет соседним странам и соседним регионам внутри страны свободно обмениваться электроэнергией. Территория, на которой обеспечивается единство частоты всех присоединенных к энергосистеме генераторов, называется синхронной зоной. Задача создания таких зон впервые в мире была решена советскими учеными. К 1978 году сложилась так называемая Первая синхронная зона, охватывающая сейчас все регионы России, кроме расположенных на Дальнем Востоке (там часть энергосистем являются автономными, а другая часть объединена во Вторую синхронную зону), а также ряд республик бывшего СССР. Согласно действующим нормам, на протяжении недели отклонение частоты в сети от номинального значения 50 Гц не должно превышать 0,4 Гц. Также допускаются кратковременные изменения частоты не более, чем на 0,8 Гц от номинального значения. Тем не менее, такого небольшого изменения частоты оказывается вполне достаточно для точной регулировки баланса мощности в гигантской энергосистеме. Безусловно, это был настоящий триумф аналоговых технологий!
Синхронизация работы генераторов аналоговыми методами осуществляется весьма сложным способом. Выбираются одна или несколько электростанций, которые объявляются частотными, остальные электростанции синхронизируют свою работу с ними. Детальное описание процесса синхронизации выходит за рамки статьи.
Изменения в генерации, накоплении и передаче электроэнергии
Современной тенденцией является широкое использование распределенной генерации. Причем это не обязательно только ветряки и солнечные батареи, а также биогазовые установки у фермеров. Электростанция, работающая на природном газе — вполне традиционное решение, но современные технологии позволяют сделать ее компактной. Вы можете заказать такую электростанцию, выполненную в виде стандартного контейнера, и установить, скажем, во дворе своего дома, если это позволяет местное законодательство. И все эти небольшие электростанции могут продавать излишки в энергосистему региона.
Поскольку альтернативная генерация зависит от погодных условий, требуется накопитель электроэнергии. В большинстве случаев его роль выполняет аккумулятор. Благодаря ему потребитель может пользоваться всеми благами цивилизации, которые несет электричество, даже в пасмурный безветренный день. Но, если потребитель продает часть вырабатываемой электроэнергии, то управление его накопителем со стороны энергосистемы позволит решить проблему разницы по времени между пиками генерации альтернативными источниками и пиками потребления в сети.
Магистральные линии электропередачи все чаще работают не на переменном, а на постоянном токе. Это позволяет увеличить дальность передачи электроэнергии и уменьшить потери.
Из этого можно сделать вывод, что уже в обозримом будущем энергосистемы станут настолько сложными, что централизованное управление ими станет невозможным. Предпочтение будет отдано децентрализованным системам управления. Наилучшей технологией для построения таких систем является «Интернет вещей». В условиях, когда распределенная генерация будет давать основную часть мощности, а линии электропередач будут переведены на постоянный ток, бессмысленно использовать частотные электростанции для синхронизации. Естественно, генераторы все так же будут работать синхронно, но это будет достигаться иными способами, например, посредством передачи сигнала точного времени со спутника.
Изменения в нагрузке
В современном мире электромоторы на переменном токе как основные потребители электроэнергии, постепенно уходят на второй план. Большое количество электроэнергии потребляют, например, зарядные станции для электромобилей. Все чаще отопление жилых домов и нагрев воды в них осуществляются электричеством. Энергопотребление перечисленных видов нагрузки почти не зависит от частоты тока в сети. Да и в промышленности, а также на инфраструктурных объектах, все чаще применяются частотно-регулируемые приводы, частота вращения которых, а, значит, и потребляемая мощность, от частоты тока в сети не зависят.
Это не означает, что зарядные станции, мощные электронагреватели и частотно-регулируемые приводы недопустимо включать в ныне существующие аналоговые энергосистемы. Но отсутствие возможности регулировки энергопотребления путем изменения частоты тока в сети вынуждает энергетиков держать дополнительные резервные мощности генерации. И это все закладывается в тарифы.
Не будем сбрасывать со счетов и наметившуюся, пока только за рубежом, тенденцию перевода на постоянный ток не только передачи электроэнергии на большие расстояния, но и энергоснабжения крупных корпоративных потребителей. Балансировка энергосистемы за счет изменения частоты в таких условиях становится просто невозможной.
Отличия цифровой электроэнергетики от аналоговой
Решить проблемы, связанные с изменением структуры генерации и потребления электроэнергии можно только переходом к цифровой энергетике. Главным отличием цифровой энергетики от аналоговой является то, что регулировка энергопотребления в нагрузке для обеспечения баланса мощности осуществляется не путем изменения частоты переменного тока, а путем управления нагрузкой цифровым способом.
Другой особенностью цифровой энергетики является возможность реализации полностью децентрализованной системы управления. Следует отметить, что цифровая энергетика при необходимости может существовать и при централизованном управлении. Но реализовать полностью децентрализованное управление можно только на основе цифровых технологий.
Как это работает на практике? Клиент электроэнергетической компании приобретает оборудование со встроенным блоком (или же заказывает установку такого блока в уже имеющуюся у него технику), позволяющим дистанционно управлять данным устройством, переводя его в тот или иной режим, характеризующийся тем или иным энергопотреблением. Например, при нехватке мощности электромобиль будет заряжаться меньшим током, на что потребуется немного больше времени, чем обычно. Естественно, частичная передача управления энергоемким оборудованием энергетикам происходит добровольно. В обмен клиент получает хорошую скидку на электроэнергию, так как энергетикам не нужно держать для него резервные мощности.
На производстве при нехватке мощности в энергосистеме станки переводятся в экономичный режим, характеризующийся пониженной производительностью. Опять-таки, руководство предприятия может выбрать — или очень дешевая электроэнергия, но иногда темпы производства у вас будут снижать извне, либо полная независимость параметров станков от ситуации в энергосистеме, но тогда извольте платить за дополнительные резервные мощности. Здесь можно выбрать оптимальный «тарифный план», как сейчас мы его выбираем для мобильной связи.
Цифровая энергетика позволила по-новому подойти к выбору трансформаторов для подстанций. Применение громоздких, неэкологичных и сложных в обслуживании масляных трансформаторов в наше время оправдано только тем обстоятельством, что у них высокая перегрузочная способность, на уровне 1,5. Более прогрессивные «сухие» трансформаторы имеют перегрузочную способность около 1,1. Повсеместная замена масляных трансформаторов на «сухие» немыслима без цифровизации энергетики, которая позволит распределять нагрузку на трансформаторы, установленные на подстанциях, более равномерно.
Виртуальные электростанции
Мелкие производители электроэнергии не имеют возможности строить отдельные сети для доставки электричества потребителям, так что они поставляют излишки электричества в энергосистему своей страны или своего региона. С другой стороны, большинство потребителей также подключены к этой энергосистеме, имеющей естественным образом монопольное положение на рынке.
Обеспечить конкуренцию и возможность выбора для потребителя позволяет виртуальная электростанция. Она представляет собой компьютерную систему, управляющую генерацией и потреблением у подключенных к ней субъектов рынка электроэнергетики, обеспечивая внутри сообщества баланс мощности. Эта концепция активно продвигается сейчас на рынок компанией Siemens, разработавшей систему DEMS, на базе которой можно создавать виртуальные электростанции.
Следующим шагом на пути к цифровизации энергетики стало создание облачного сервиса DEMS. Подключиться к нему не намного сложнее, чем зарегистрироваться в социальной сети.
На бытовом уровне мы воспринимаем электростанцию как некоторое предприятие, вырабатывающее электричество. Но, с точки зрения электроэнергетики, электростанция — это всего лишь средство, с помощью которого обеспечивается баланс мощности в энергосистеме. Наиболее распространенный случай поддержания такого баланса — генерация с управляемыми параметрами, что и делает обычная электростанция. Но баланс может быть достигнут и путём управления потреблением электроэнергии. Цифровая энергетика сделала возможным создание виртуальных электростанций, не производящих электроэнергию, а только управляющих энергопотреблением.
Такая электростанция, например, действует в Финляндии. Компания Fortum Corporation объединила в нее 70 частных домохозяйств, в которых горячая вода и тепло обеспечиваются электрическими котлами. Когда в энергосистеме наблюдается дефицит мощности, температура воды в котлах немного уменьшается, но при этом не падает ниже установленных в стране норм.
Выводы
Цифровизация может сделать в наши дни с электроэнергетикой то же самое, что она сделала в свое время с телекоммуникационной отраслью. Совсем недавно, связь не только в России, но и в западных странах была вотчиной государственных или полугосударственных монополий. Тарифы были высокие, при переезде менялся номер телефона, возможности для пользовательских настроек сервисов были ограничены. В электроэнергетике также появится реальная конкуренция, выбор поставщика электроэнергии не будет привязан к определенному месту, а условия поставок будет выбирать клиент под свои нужды.
