Вступление

Микросеть — это небольшая по своему масштабу энергосистема с разнообразной конфигурацией выработки и распределения электроэнергии (в некоторых случаях используется и тепловая энергия). Такая система состоит из комбинации генераторов, нагрузок, систем преобразования энергии, систем мониторинга и автоматизации (АСУ ТП). Микросеть может быть рассмотрена в двух вариациях, а именно сетевой и островной. Данная классификация применяется по всему миру, и к каждой из вариаций требуется свой собственный подход. Научный и практический интерес к созданию микросетей наблюдается с конца 1990-х годов (в России с конца 2000-х). Это произошло из-за бурного развития возобновляемой энергетики, как в РФ, так и за границей.

Кроме того, на рынке появились эффективные и стабильные решения для смягчения колебаний мощности и частоты в сети и для усиления устойчивости сети. Гибкость интеграции ресурсов, экономическая эффективность и общая ценовая доступность являются причинами повышенного внимания к микросетям.

В данном исследовании авторы уделяют основное внимание обзору существующих решений по микросетям в энергетике по всему миру. В основном рассматриваются такие аспекты, как проектирование, внедрение, пусконаладочные работы (ПНР), тестирование и эксплуатация, техническое обслуживание. Помимо вышеперечисленного, в последнее время микросети обсуждаются с точки зрения схем и конфигураций источников, проникновения ресурсов (в случаях применения генерации на основе ископаемых видов топлива), политики и стандартов, государственной поддержки и экономического анализа. Однако в данной статье будут рассмотрены в основном технические аспекты внедрения таких систем [1].

«Дорожная карта» развития микросетей будущего

Гибкость и устойчивость работы микросети может быть использована для жизнеспособного планирования и проектирования. Таким образом, будут достигаться доступность по цене, безопасность, повышенная эффективность использования и экономическая эффективность, а также снижение воздействия на окружающую среду. Для инженеров-проектировщиков гораздо более важна техническая эффективность при эксплуатации системы. Но любая технологическая эффективность обязательно должна подкрепляться достаточными экономическими показателями и быть рентабельна. Это подразумевает, что все люди, вовлечённые в проект (политики, проектировщики, эксплуатирующий персонал), должны чётко представлять проектные решения и их экономический эффект, чтобы связать расширение системы и её автоматизацию.

Всё это требует высокой заинтересованности и глубокой вовлечённости сторон. Выравнивание технической и технологической эффективности за счёт инноваций в технологиях с приемлемым уровнем модернизации с высокой отказоустойчивостью и стабильной работой системы неизбежно. Это же касается выбросов в окружающую среду и утилизации оборудования. Отдельное внимание нужно обратить на наличие и доступность ресурсов, а также на возможные ограничения их использования, при использовании, например, дизельных генераторов учитывается стоимость завоза топлива.

В отличие от иных генераторов, возобновляемые источники энергии (ВИЭ) не требуют постоянного завоза топлива (если речь идёт про солнечную и ветровую энергетику). В таком случае рассматривается только лишь завоз запчастей и комплектующих системы. Но на текущий момент технический потенциал установок ВИЭ сильно зависит от местности и в некоторых случаях невозможен для применения. Таким образом, развитие и применение ВИЭ в микросетях поднимает широкий спектр проблем [1].

Политика и управление финансами в этих процессах занимают далеко не последнюю роль. Для поддержки микросетей с ВИЭ государства Европы, Россия и некоторые другие страны принимают различные стимулирующие политики. Властями принимаются законы, по которым даётся приоритет выработки электроэнергии на ВИЭ, устанавливаются «зелёные» тарифы. В целом, в отдельных регионах России и некоторых странах Европы генерация электроэнергии на возобновляемых источниках носит чисто дотационный характер.

В связи с особенностями генерации и потребления электроэнергии в микросетях, в которых большую роль играют график потребления, характер потребления и быстрота изменения нагрузки, согласование на уровнях техники и политики может быть осложнённым. В разработке концепции (политики) микросети имеется два подхода: нисходящий и восходящий.

Восходящий подход в основном имеет дело с индивидуальным потребительским спросом, ожиданиями, адаптацией сети, гибкостью, контролем и т. д. Обычно отдельные клиенты стремятся гарантировать свой контроль и участие на оптовых рынках на индивидуальной основе или через розничных торговцев коммунальными услугами, особенно отдельные поколения, привязанные к сетям. В то же время интерес к контролю оптовых рынков может варьироваться от общества к обществу из-за культуры, экономики, правил, политики, осведомлённости и, что более важно, местного участия [1]. Другое дело, что в микросетях в основном потребителями являются частные лица, реже предприятия или же коммунальные службы, что особенно важно в тех случаях, когда микросеть является изолированной. Здесь, поскольку нет выдачи электроэнергии в объединённую энергетическую систему, как такового оптового рынка электроэнергии нет, поэтому используются другие механизмы расчёта между генерацией и потреблением.

Нисходящий подход фокусируется на национальном и региональном уровнях, которые решают глобальные задачи и задачи в рамках мер по охране окружающей среды, экономики и мира. Согласование этих двух основных факторов может обеспечить приемлемую политику устойчивого развития микросетях. Можно сделать вывод от том, что нисходящий подход идёт от государства, а восходящий — от технической составляющей. Точка пересечения этих подходов и является точкой с оптимальными параметрами микросети.

План проектирования и реализации микросети

В европейской практике создания микросетей была выработана специальная методика по оценке условий реализации и их дальнейшему проектированию, а также и воплощению в жизнь проектов. Она состоит из нескольких этапов.

1. Этап технико-экономической оценки

Этот этап выступает в качестве подготовительного для остальных этапов, в то же время он носит важную роль формирования концептуализации проекта и применяемых решений в следующих этапах. Основные факторы являются по сути исходными данными по местности и состоянию энергосистемы: существующая генерация; текущая система управления энергией; доступная целостность и расширяемость; структура сети по генерации; профиль нагрузки и скорость изменения; отказоустойчивость.

2. Этап планирования

Технически расширение системы за счёт адаптации новых технологий и распределённой генерации с разнонаправленными потоками может столкнуться с планировщиками и операторами в надёжной работе в режиме реального времени. Одним из важнейших этапов принятия решений на этапе планирования является определение размера микросети с учётом параметров инвестиций и потребления конечным пользователем [1]. Завышенная или заниженная величина системы может привести к плохой работе, неудовлетворённости клиентов, неоправданно дорогим отправкам топлива и комплектующих. Также это может повысить стоимость системы не только в следствие эксплуатационных расходов, но и на этапе капиталовложения при строительстве.

По вышеперечисленным причинам проведение анализа прогноза достаточной нагрузки через потенциальный спрос с учётом неопределённости и изменения климата, темпов роста и моделью потребления электроэнергии является необходимостью.

3. Этап модернизации и интеграции

На данном этапе проводится предварительное исследование существующей инфраструктуры на предмет существующей инфраструктуры для оценки имеющихся вариантов расширения. Энергоэффективность и надёжность имеют дело с критическим состоянием системы (пиковой нагрузкой, разнообразием спроса и генерации).

4. Этап проектирования и моделирования

Моделирование на основе проектирования возможных проблем (стихийных бедствий, непредвиденных аварий, физических или кибератак, проблем информационной безопасности) является важным измерением, которое в некоторых случаях учитывается при проектировании и внедрении микросетей. В микросетях могут проводиться моделирования следующих негативных факторов:

  • поток нагрузки (разнонаправленный со смешанной генерацией);
  • анализ адаптивности и совместимости элементов микросети;
  • анализ стабильности мощности и напряжения (в существующих линейных и нелинейных источниках);
  • анализ короткого замыкания в различных точках системы;
  • возможность проведения контроля параметров (напряжение и частота в зависимости от спроса/генерации);
  • возможность развития автоматизации — автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) верхнего уровня и применение системы сбора и передачи технологической информации (ССПТИ);
  • соответствие основным принципам устойчивого развития;
  • характеристика ресурса генерации;
  • предложение механизма экономической эффективности (отключение электрической энергии).

5. Инновации и стадия реализации

Постепенная эволюция микросети и добавление новых функций в течение длительного времени с учётом технико-экономической эффективности и надёжности могут иметь ряд нюансов. Экономическая эффективность состоит из двух этапов: микросетевая структура (эксплуатация и генерация), распределение и сбыт (включая управление энергией, сброс нагрузки и т. д.).

По данным американской Национальной лаборатории ВИЭ (NREL), увеличение экономической ценности повышает экономическую эффективность и снижает стоимость жизненного цикла. Оптимизация работы подобной системы — важное решение во время и после модернизации микросети. Оно может применяться с точки зрения производства и потребления энергии, безопасности, эффективности и общей устойчивости, в том числе быть кибербезопасной [1].

6. Эксплуатация и техническое обслуживание

Анализ стоимости жизненного цикла системы включает следующие сегменты: начальный, эксплуатационный, ремонтный, запасной, простой, потери, техническое обслуживание (корректирующее, профилактическое и прогнозирующее) и затраты на утилизацию. Правильное и своевременное техническое обслуживание обеспечивает длительный срок службы всей системы. Кроме того, оно определённо улучшает энергоэффективные характеристики системы, снижает риск различных уровней повреждений, требующих ремонта или замены в будущем.

Концепция работы микросети

Для возможности разграничения управления сегментами микросети во многих странах мира используется иерархическая схема. По данным Министерства энергетики США (DoE), алгоритмы управления микросетью размещаются в разных слоях с необходимым обменом информацией между ними, но с различными реакциями. Обычно рассматривается трёхуровневая иерархия, включающая первичный, вторичный и третичный уровни управления [2].

Первичное (нижний уровень) управление осуществляется в локальных контроллерах, включая внутренние контуры управления напряжением и силой тока и контуры управления распределение мощности. Это обеспечивает стабильную работу и правильное распределение управления между ними.

Кроме того, для повышения качества питания системы и достижения точного распределения мощности могут быть разработаны вторичные подходы управления (средний уровень), которые действуют поверх первичных контуров управления путём отправки регулировочных и компенсационных ссылок.

На третичном уровне (верхний уровень) могут быть применены функции оптимизации и принятия решений, которые дают оптимальные уставки контроллерам более низкого уровня, обеспечивая интеллектуальную и более эффективную работу всей системы. Кроме того, синхронизация и переподключение с внешними сетями основаны на сотрудничестве между вторичным и третичным уровнями. Центр диспетчеризации электроэнергии использует данные ВЭС, СЭС и прогноза нагрузки, представленные каждой системой, для формирования плана диспетчеризации [3].

Благодаря достижениям в области информационно-коммуникационных технологий реализация вышеупомянутых уровней управления может воплощаться в жизнь с помощью централизованного управления.

Выводы

Проведя крупный анализ и собрав основные решения и подходы к проектированию микросетей по всему миру, можно сделать выводы о том, что проблемой оптимальной работы таких систем активно занимаются. Микросети являются высокоинтеллектуальными системами, к которым требуется очень внимательный и проработанный подход, и тогда такие системы призваны оптимально использовать энергетические ресурсы, в том числе и возобновляемые. Микросеть при соответствующем подходе может быть полностью автоматизирована или же объединена с другими микросетями, образуя энергетический кластер.

Для полноценного анализа энергоэффективности и экономичности подхода к построению микросетей, описанного в статье, требуется реализация на основе физико-математической модели с применением минимум двух уровней управления процессами. Для полноценной интеллектуализации необходимо учитывать много факторов и предусмотреть защитные и противоаварийные алгоритмы.