научная статья по теме ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»

№ 1

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2014

УДК 621.311.1

© 2014 г. ВОРОПАЙ Н.И., СТЕННИКОВ В.А.1

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Рассматривается концепция интегрированных интеллектуальных энергетических систем с учетом специфики российской энергетики. Вводится трехслойная структура в трех измерениях, представляющая различные аспекты рассмотрения интегрированных интеллектуальных энергетических систем. Формулируются задачи исследований таких систем на разных уровнях.

Введение. Энергетика по сути является инфраструктурной отраслью, ее задача — обеспечение энергоснабжения потребителей с требуемой надежностью и приемлемым качеством энергоносителя. Инфраструктурная роль особенно присуща электроэнергетическим, газо- и теплоснабжающим системам, имеющим развитую транспортно-распределительную сетевую инфраструктуру. Эти энергетические системы обычно подразделяются на производственно-транспортные (крупные электростанции и теплоэлектроцентрали, крупные котельные, газовые месторождения, подземные газохранилища, транспортные электрические и трубопроводные сети) и системы энергоснабжения, представляющие собой распределительные электрические и трубопроводные сети, до недавнего времени не имевшие энергетических источников, а в последние десятилетия включающие установки распределенной генерации. Важное значение имеют системы энергоснабжения современных городов и промышленных центров с развитой энергетической инфраструктурой, включающей электроснабжающие, газоснабжающие и теплоснабжающие системы, к которой в последнее время относят и системы хладоснабжения [1].

Производственно-транспортные энергетические системы обладают определенной интеграцией в плане использования энергоносителя одной системы в другой (например, газ как топливо на электростанциях и котельных, электроэнергия на газоперекачивающих агрегатах и др.), взаимозаменяемости энергоносителей, особенно в аварийных условиях (например, мазут вместо газа на электростанциях и котельных и др.), комплексного использования первичного энергоносителя для производства нескольких конечных энергоносителей (например, газ как топливо на теплоэлектроцентралях для производства электроэнергии и тепла). Указанная интеграция определяет ведущую роль рассматриваемых энергетических систем в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК), при этом в результате оптимизации ТЭК устанавливаются рациональные масштабы взаимодействия и взаимовлияния производственно-транспортных энергетических систем, их функционирование и управление ими исследуются независимо. Производственно-транспортные энергетические системы в силу их масштабности имеют повышенное внимание по обеспечению эффективности, надежности и качества их функционирования, рациональности развития. Для обеспечения эффективности и надежности этих систем и качества энергоснабжения используются развитые

1Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН), г. Иркутск.

технологии и средства регулирования и автоматики для управления их функционированием [2, 3].

Энергетическая инфраструктура городов и промышленных центров представлена, как правило, централизованными системами либо на базе ТЭЦ с комбинированным производством электрической и тепловой энергии, либо на базе котельных и загородных электростанций с раздельным производством этих видов энергии. Энергетическая инфраструктура городов включает также газораспределительные сети, доводящие газ до конкретных потребителей. Эти системы нередко отличаются большими масштабами, значительной мощностью и объединяют десятки и даже сотни тысяч потребителей. Они имеют упрощенные схемы распределения энергоносителей, недостаточно оснащены средствами регулирования и автоматики, что не позволяет управлять ими в режиме реального времени, приводит к повышенным финансовым и материальным затратам и значительным потерям энергии [2, 3].

Задачи управления развитием и функционированием систем энергоснабжения городов и промышленных центров решаются раздельно по типам систем, часто не связанных между собой получаемых решений [4—6]. Комплексное рассмотрение проблем энергоснабжения регионов [7, 8] ограничивается оптимизацией проектных решений в рамках региональных ТЭК без их дооптимизации на уровне систем энергоснабжения городов и промышленных центров и без исследования режимов работы этих систем и управления ими. В связи с этим организация скоординированного процесса развития и эксплуатации систем и рассмотрение разных типов в виде единой интегрированной системы энергоснабжения позволит значительно повысить их безопасность, надежность, экономичность и экологичность. Неизбежное развитие распределенной генерации на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии на уровне систем энергоснабжения и непосредственно у потребителей, и их интеграция в централизованные системы требуют реализации новых принципов их построения и создания интеллектуальных систем управления ими с развитым информационно-коммуникационным обеспечением. Объединение разрозненных систем разного уровня в единый технологический комплекс обеспечит реализацию новых функциональных возможностей, применение более совершенных технологий в эксплуатации и создание интегрированных централизованно-распределенных систем с координированным управлением их режимами и активным участием потребителей в процессе энергоснабжения.

Увеличение масштабов распределенной генерации и расширение использования когенерации приведет к возрастанию роли распределительных электрических и трубопроводных сетей по сравнению с транспортными сетями вследствие приближения выработки электроэнергии и тепла к их потреблению. Функционирование рынков газа, электроэнергии и тепла и активность потребителей в управлении собственным энергопотреблением вызывают существенную неопределенность в режимах транспортных электрической, газовой и тепловой сетей. Высокая доля распределенной генерации электроэнергии и тепла, прежде всего, на базе возобновляемых источников энергии, в т. ч. непосредственно у потребителей, приведет к существенному изменению свойств энергетических систем, как производственно-транспортных, так и систем энергоснабжения. Эти факторы требуют пересмотра принципов построения производственно-транспортных энергетических систем и систем энергоснабжения, в т. ч. на уровне потребителей, а также управления их режимами на основе интеграции этих систем.

Состояние проблемы. Существующий уровень интеграции производственно-транспортных энергетических систем отмечен выше. Необходимость усиления такой интеграции не столь очевидна и требует дополнительных исследований.

На протяжении последнего десятилетия обсуждается проблема создания интеллектуальных электроэнергетических систем (ЭЭС) — Smart Grids [9—13]. Во многих странах это обусловлено несколькими основными факторами: ожидаемым широким распространением сильно флуктуирующих возобновляемых источников энергии, дополнительным спросом на электроэнергию, связанным с постепенным переходом на

3 Энергетика, № 1

65

Рис. 1. Энергетический хаб

электромобили, развитием информационных технологий, позволяющих создать качественно новые высокоэффективные системы мониторинга и управления ЭЭС. В России развивается концепция активно-адаптивной сети, учитывая прежде всего, передающую электрическую сеть, но и распределительные сети [11, 12]. Активно-адаптивная сеть, как аналог Smart Grid, предполагает использование современных систем измерения, сбора, обработки и передачи данных, активных элементов, изменяющих топологию сети и воздействующих на генерацию и потребителей, системы управления в реальном времени, позволяющей адекватно реагировать на изменяющуюся ситуацию в ЭЭС, системы мониторинга и прогнозирования состояния ЭЭС в реальном времени.

В Китае акцент сделан на передающую высоковольтную сеть в плане оснащения ее высокоточными системами синхронизированных векторных измерений на базе PMU, современными системами передачи и обработки информации и создания широкомасштабных систем мониторинга режимов (WAMS) и управления ими (WACS) [14, 15]. В Европе, США и других странах не отрицается важность этого направления, однако основное внимание уделяется распределительной электрической сети и активности потребителей. Во всех странах технология интеллектуальных ЭЭС по сути является государственной политикой технологического развития электроэнергетики будущего.

Идеология Smart Grid используется и в системах газоснабжения [16—18]. Основные исследования и результаты концентрируются на газораспределительных сетях и конкретно — на системах интеллектуальных измерений, обработки и представления текущей информации потребителю. Пионером в этой области является Япония. Проводятся соответствующие работы в странах ЕС, хотя здесь отношение к данной проблеме достаточно осторожное [18].

До последнего времени интеграция систем электро-, тепло- и газоснабжения рассматривалась на уровне источников электроэнергии и тепла — ТЭЦ [3, 7], которые фактически связывают системы энергоснабжения и производственно-транспортные энергетические. Ситуация в системах энергоснабжения радикально изменилась после появления технологий и экономических механизмов их использования в плане альтернативных возможностей для потребителей в активном выборе приборов использования энергии — теплоснабжения от ТЭЦ либо электроотопления, электрические или газовые печи у бытовых потребителей и др. Обобщением этих возможностей стало введение понятия энергетического хаба (рис. 1) [19].

В результате такой интеграции систем энергоснабжения на уровнях производства и потребления энергоносителей возникла необходимость совместного рассмотрения электрических, тепловых и газовых распределительных сетей для решения общих задач оптимизации потокораспределения в интегрированных системах энергоснабжения [20—24], оптимизации суточных режимов при их диспетчеризации [25—27], анализа надежности энергоснабжения при использовании интегрированных систем [28, 29] и т.д.

В работе [30] энергетика представлена как инфраструктурная система систем, включающая системы газо-, тепло-, электроснабж

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком