К 2020 году устаревшие энергосети в России будут заменены интеллектуальными энергетическими системами.«Умная» сеть обеспечит потребителям выгодное для них регулирование нагрузок и реакцию сети на любые аварийные ситуации в режиме реального времени.
25 мая 2005 года в Москве перестали работать светофоры, было обесточено метро, а на железной дороге остановились десятки электропоездов. Тысячи домов и офисов остались без света до глубокой ночи. Экс-глава РАО ЕЭС России Анатолий Чубайс признал случившееся «беспрецедентно тяжелой аварией каскадного типа». Главной причиной был назван износ оборудования, которое не менялось на подстанции Чагино с 1958 года.
В конце декабря 2010 года случился не менее масштабный энергоколлапс, затронувший крупнейший российский аэропорт «Домодедово». Тогда в Москве прошел ледяной дождь: на земле, ветвях деревьев, линиях электропередач образовалась ледяная корка, под ее тяжестью оборвались электропровода, и вышли из строя электроподстанции, питающие Домодедово.
Аэровокзальный комплекс оказался полностью обесточен, отключились системы регистрации пассажиров, информационные системы, не работала система сортировки багажа. До устранения энергоаварии крупнейший аэропорт страны полностью закрыли. В результате были сорваны поездки тысяч людей. Последовали сотни судебных исков от пассажиров. Социально-экономический ущерб от подобной аварии измерялся в сотнях миллионов рублей.
Положение российской элетроэнергетики и в «мирные» дни можно охарактеризовать как близкое к аварийному. По данным Федеральной сетевой компании (ОАО «ФСК ЕЭС»), 15% подстанций 6-10/0,4 кВ находится в неудовлетворительном состоянии, а более 40% воздушных и масляных выключателей давно отработали свои сроки. По причине изношенности электросетей потери энергии достигают 20-30% вместо обычных для Европы 6-8%. Около 60% электросетей и вовсе нуждаются в перекладке. При этом проблема не только в высоком уровне морального и физического износа основных электроэнергетических фондов. Наша страна заметно отстает от Европы и по ряду других показателей: надежности, экономичности, эффективности использования топлива, техническому уровню. Европа и США, столкнувшиеся с подобными проблемами, стали решать их на 10 лет раньше, говорят в ФСК ЕЭС.
Благодаря совместным усилиям западных энергетиков, ученых и властей мировая энергетическая отрасль обрела новую концепцию — появились интеллектуальные электроэнергетические системы (Smart Grid — «умные» сети).
УМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ — концепция
На Западе понятие Smart Grid связывают с интеграцией возобновляемых источников энергии с электроэнергетическими системами и формированием активных и адаптивных свойств распределительных сетей (например, самодиагностика и самовосстановление). Кроме того, акцент делается на устройствах учета, соединенных в единую информационную сеть и позволяющих оптимизировать расход энергии в разное время суток.
Россия, в отличие от Запада, взяла за основу расширенное толкование понятия «умная» применительно к сети. Это, в частности, объясняется тем, что в нашей стране уровень изношенности объектов электроэнергетики достаточно высок. Влияние этого фактора усиливается на фоне объявленной руководством страны всеобщей модернизации и внедрения инноваций.
Так, для России «умные» сети — это, прежде всего, одновременное и обязательно инновационное преобразование всех субъектовэлектроэнергетики. Суть проекта в следующем: под ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СЕТЬЮ в России понимается комплекс электрооборудования (воздушные линии передачи, трансформаторы, выключатели и т.д.), подключенный к генерирующим источникам и потребителям. При этом используются новые принципы, технологии передачи и управления процессом. Таким образом, предполагается объединение на технологическом уровне электрических сетей, потребителей и производителей электроэнергии в единую автоматизированную систему. Система с активно-адаптивной сетью будет обладать новыми свойствами — самодиагностикой и самовосстановлением (например, в случае обледенения проводов). В автоматическом режиме она способна выявить самые «слабые» участки сети и изменять ее работу для предотвращения возникновения технологических нарушений. «Умные» электрические сети позволят резервировать мощности на случай нештатных ситуаций в энергосистеме, а также накапливать избыток электроэнергии, используя его в часы пиковых нагрузок.
Энергокластерная экономика ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СЕТИ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНУЮ СЕТЬ ФСК обещает построить в несколько этапов. Первый этап уже завершен: разработана концепция построенияИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СЕТИ в Единой национальной электрической сети (ЕНЭС) до 2020 года.
Второй и третий этапы реализуются параллельно: работа над созданием интерфейсов, способных связать модернизированные объекты магистрального электросетевого хозяйства с генерацией и потребителями, проводится одновременно с развитием пилотных проектов, в рамках которых отрабатываются технологии для создания ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ электрической СЕТИ.
До конца 2012 года для иннограда «Сколково» будут построены первые в России две подземные подстанции 220 кВ общей мощностью 252 МВА.
В ФСК утверждают, что многие технологии, делающие сеть «умной», уже активно используются. Например, подстанции ЕНЭС активно оснащаются электрогазовыми распределительными устройствами, позволяющими обеспечивать более высокий уровень безопасности и надежности энергообъектов и снижающими вероятность системных аварий. Широко внедряется оборудование на основе силовой электроники, предназначенное для коммутации больших нагрузок, управления мощными электродвигателями, устройствами освещения, а также различные системы управления и наблюдения, мониторинга, защиты и учета электроэнергии.
Характерный пример — строительство энергетического кольца 330 кВт в Санкт-Петербурге, начатое в 2007 году. Применение кольцевой схемы предполагает наличие нескольких центров питания у каждого элемента кольца — подстанций, линий электропередач, что существенно повысит энергобезопасность объектов кольца и исключит ограничения энергоснабжения в случае технологических аварий. В строительство энергокольца, которое завершится в 2012 году, ФСК инвестировало 32,3 млрд. рублей.
Кроме того, важнейшим элементом ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СЕТИ является цифровая подстанция. Ее идея заключается в создании систем контроля, защиты и управления, собирающих и обрабатывающих весь объем информации о состоянииэлектрической сети, а также осуществляющих управление оборудованием в цифровом формате. Проект предусматривает разработку и внедрение на подстанциях оптических цифровых измерительных трансформаторов и комплексов цифровой аппаратуры нового поколения. Первый пусковой комплекс цифровой подстанции ФСК ЕЭС уже введен в строй в декабре 2010 года в Москве. Основное назначение экспериментальной цифровой подстанции — отработка различных инновационных технологий перед их внедрением на действующих энергообъектах ЕНЭС. Подстанция нового поколения обеспечивает высокую точность и единообразие всех измерений, а автоматизация позволяет снизить влияние человеческого фактора на работу сети, повысить ее надежность и снизить потери при транспортировке электроэнергии. Также снижается себестоимость энергии, сокращаются затраты на эксплуатацию.
На цифровых подстанциях установлены высоковольтные цифровые измерительные оптические трансформаторы тока и напряжения, многофункциональные приборы измерений и учета, система синхронизации, новая система отображения и управления подстанцией.
Сегодня ОАО «ФСК ЕЭС» работает над внедрением сетевого накопления энергии на базе подстанций 220 кВ «Псоу» (Сочи) и 330 кВ «Волхов-Северная» (Санкт-Петербург).
И все же для того, чтобы электроэнергетическая система начала работать как единая интеллектуальная система, недостаточно внедрения отдельных «умных» сегментов на объектах ЕНЭС. Чтобы все технологии заработали как единое целое, в ФСК готовы создать единое информационно-технологическое пространство на отдельных территориях — так называемые энергокластеры.
Энергокластер представляет собой предприятие генерации и транспортировки энергии, а также компании, осуществляющие услуги в области инжиниринга, энергосервиса, энергетического машино- и приборостроения, образовательные учреждения. Первые кластеры уже реализуются на Дальнем Востоке, утверждает председатель правления ОАО «ФСК ЕЭС» Олег Бударгин. Они обеспечат энергоснабжение Эльгинского месторождения и порта Ванино. К концу 2012 года ФСК создаст условия для обеспечения комплекса электроэнергией в объеме 83 МВт, а к концу 2014 года — 134 МВт. Будут построены три подстанции 220 кВ, две линии электропередачи 220 кВ протяженностью 268 км каждая. В рамках пилотных проектов будет реализовано внедрение в стандартную автоматизированную систему управления технологическими процессами подстанций систем с использованием оптоволоконных кабелей для передачи оцифрованной информации. Это повысит надежность электроснабжения, сгладит графики нагрузки сетей и позволит контролировать основные параметры транзита электроэнергии в режиме реального времени. В ФСК сформированы предложения по созданию энергокластеров ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ электрической СЕТИ в ОЭС Северо-Запада и ОЭС Волги. Точные параметры будущих проектов пока не разглашаются.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ электрические СЕТИ — драйвер модернизации
Не исключено, что «умные» сети не только будут способствовать модернизации российской энергосистемы, но и помогут создать новую электротехническую базу для производства оборудования. На последнем Санкт-Петербургском международном экономическом форуме ФСК подписала ряд ключевых соглашений не только с крупнейшими мировыми, но и с отечественными производителями: Hyundai Heavy Industries Ltd., Morgan Stanley, ВТБ Капитал, «Профотек», «Хевел», «РТСофт». Пока у ФСК лучше получается привлечь в Россию ведущие западные технологии, нежели обновлять сетевую инфраструктуру с помощью отечественных производителей.
К примеру, Hyundai Heavy Industries обеспечит проектирование, строительство, а также последующую эксплуатацию завода по производству комплектных распределительных устройств с электрогазовой изоляцией (КРУЭ) в Приморском крае. Планируется, что завод будет производить КРУЭ классом напряжения 110~550 кВ. Помимо возведения завода ФСК и HHI планируют создать научно-исследовательский центр, в задачи которого войдет отработка различных инновационных технологий перед их внедрением в работу на действующих энергообъектах ЕНЭС.
Также ФСК ведет переговоры с корпорацией Siemens о создании инжинирингового центра для выявления и последующего внедрения наиболее прогрессивных и универсальных методов конструирования бизнеса в электроэнергетике.
Впрочем, отечественным производителям тоже есть что предложить энергетикам. В июле на подстанции «Выборгская» в Ленинградской области был введен в строй СТАТКОМ — статический компенсатор реактивной мощности. Это почти полностью отечественная разработка. Автор — столичное ОАО «НТЦ Электроэнергетики». Уникальное оборудование позволяет не только регулировать уровень и качество напряжения в электрических сетях, но и повышает их пропускную способность. Уже в ближайшем будущем аналогичное устройство будет установлено в Забайкальском крае на подстанции «Могоча» — будущем преобразовательном комплексе, который обеспечит связь между энергосистемами Сибири и Дальнего Востока.
Кроме того, ФСК совместно с российскими производителями развивает проекты по модернизации и техническому перевооружению электросетевого комплекса. Среди них — осуществляемая вместе с ОАО «Электрозавод» программа замены устаревших трансформаторов на их современные аналоги, отвечающие повышенным стандартам надежности. В рамках первого этапа программы, в 2011-2013 годах, планируется заменить 30 единиц силового оборудования общей мощностью 2392 мВа.
В активной стадии реализации соглашение между ФСК и энергомашиностроительной корпорацией «Силовые машины» о строительстве завода по производству силовых трансформаторов в Санкт-Петербурге. Оно предусматривает строительство завода по производству высоковольтного электротехнического оборудования на площадях «Силовых машин», в поселке Металлострой Колпинского района Санкт-Петербурга. Технологическим партнером «Силовых машин» выступит японская компания Toshiba, с которой будет создано совместное предприятие. Завершить строительство завода предполагается в 2013 году.
«Мы готовы отдать приоритеты российским производителям электротехнического оборудования, однако только в том случае, если отечественные предприятия смогут предложить продукцию, не уступающую по своим технологическим параметрам зарубежным аналогам, — говорит Олег Бударгин. — Чтобы доработать не соответствующее новым стандартам оборудование, у российских компаний остается еще несколько лет». ФСК есть чем подкрепить свои слова: компания заключила 78 соглашений с отечественными производителями электротехнической продукции. Дело за реализацией. При этом ФСК развивает и собственные исследовательские программы: если в 2008-2009 годах затраты на НИОКР составляли 0,1-0,4 млрд. руб., а в 2010 году был выделен 1 млрд., то в этом году ФСК инвестировала в программу НИОКР уже 3 млрд. С 2012 года объем финансирования увеличится более чем в полтора раза — до 5 млрд. ежегодно. В целом же затраты ФСК ЕЭС на НИОКР в 2010-2014 годах составят порядка 19 млрд. рублей.
Новые технологии для ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
В списке потенциальных заслуг «умных» сетей немало пунктов: до 30% повысится пропускная способность воздушных линий электропередачи и надежность энергоснабжения потребителей, появится возможность на 25-30% сгладить графики нагрузки за счет использования электросетевых накопителей энергии большой мощности, применение новых материалов и технологий для строительства подстанций позволит сократить площади, занимаемые электросетевыми объектами. При этом сами накопители будут основаны на сверхпроводящих, индуктивных технологиях. К слову, во многих странах — Южной Корее, Китае, Австралии, Мексике — программы разработки и внедрения сверхпроводниковых технологий приняты на государственном уровне. Дальше всех в разработке этого проекта продвинулись США, где проект исследования сверхпроводимости имеет мощный фундамент 20-летних разработок, финансируемых Министерством энергетики и частными компаниями. На его основе уже функционируют высокотемпературные сверхпроводниковые (ВТСП) кабели в трех энергетических системах США.
ФСК также ведет разработку и тестирование технологий на высокотемпературной сверхпроводимости. В конце 2009 года компания успешно завершила испытания первой в стране высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии длиной 200 м на напряжение 20 кВ.
В условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации, было получено подтверждение соответствия характеристик ВТСП кабельной линии всем требованиям, заложенным при ее разработке. После успешных испытаний с помощью этой технологии предполагается организовать энергоснабжение ряда районов Москвы и Санкт-Петербурга. «Применение сверхпроводящих кабельных линий позволит существенно сократить потери электроэнергии, позволит обеспечить передачу больших потоков мощности при обычных габаритах кабеля, увеличить срок эксплуатации кабельных линий, повысить уровень их пожарной и экологической безопасности, уменьшить площадь земель в мегаполисах, отчуждаемых под строительство энергообъектов», — утверждает Олег Бударгин.
При помощи ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СЕТИ решится, наконец, и проблема эффективности функционирования электросетевого комплекса: на 25% снизятся потери электроэнергии при ее передаче, что позволит экономить 34-35 млрд. кВт/ч в год (эта цифра эквивалентна годовой выработке электростанцией мощностью 7,5 ГВт). Заодно будет обеспечен и сопутствующий экологический эффект — снизится количество сжигаемого топлива и выбросов углекислого газа в атмосферу. Наконец, суммарный эффект для экономики России в результате реализации проекта «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СЕТИ» составит до 50 млрд. рублей.
По словам директора Института систем энергетики РАН Николая Воропая, возможности ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СЕТИ, в частности — мониторинга и прогнозирования режимов и управления ими, позволят заметно повысить эффективность и адаптивность противоаварийного управления электроэнергетическими системами.
«Американцы обсуждают и футуристические проекты, — говорит член комитета по стратегии при совете директоров ОАО «ФСК ЕЭС» Владимир Дорофеев. — Например, предлагают покрыть всю территорию страны равномерной сетью сверхпроводящих линий электропередач так, чтобы генераторы и потребители энергии размещались там, где им удобно». Однако академик РАН Алексей Макаров добавляет, что «такая сверхпроводящая «медная доска», возможно, снимет все сегодняшние проблемы, но наверняка породит новые, и неизвестно, сколько будет стоить поиск их решений».
Ценность проекта ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ не только в повышении энергетической и экономической эффективности энергосистемы России. Важно и то, что проект способен привести страну к следующему этапу — преодолеть привычный путь ресурсного развития и сделать шаг к практической модернизации России.