На канале Leader-ID в Яндекс.Дзен вышла статья “Почему энергосети становятся похожи на интернет”, основанная на интервью с заместителем директора Центра компетенций НТИ “Технологии транспортировки электроэнергии и распределенных интеллектуальных энергосистем” на базе МЭИ Серовым Дмитрием Михайловичем.
По прогнозам фонда стратегического развития энергетики «Форсайт», в ближайшие 10 лет в большой энергетике произойдут кардинальные перемены. Вся бизнес-модель отрасли поменяется, энергия станет дешевле, а участники рынка смогут свободно обмениваться энергоресурсами. Это станет возможно за счет развития малой генерации и распространения новых интеллектуальных устройств: например, энергороутеров, которые умеют автоматически распределять электрическую мощность в зависимости от потребности и нагрузки.
Как энергетика работает сейчас
Электроэнергия сегодня стоит дорого, а отрасль монополизирована.
Энергию производят на крупных станциях — атомных, гидро-, угольных и других — а затем распределяют по высоковольтным сетям. В регионах сбытом занимаются специальные компании, их называют гарантирующими поставщиками. Такие компании работают напрямую с потребителями — предприятиями и конкретными людьми.
Энергосети продают электричество на оптовом рынке, а еще смотрят, чтобы объем генерации покрывал потребности потребителей. Например, электросталеплавильное производство на металлургическом заводе может потреблять энергии, как небольшой город. Сети должны выдать нужную мощность, потому что ее падение критично для крупных производств: некоторое оборудование после остановки будет уже невозможно запустить.
Это график генерации и потребления электричества в энергосистеме Центрального и Северо-Западного федеральных округов
Когда генерации не хватает, сети могут «подкинуть» мощность из другой энергосистемы, если там есть резерв. Например, взять электричество для Москвы у Сибири.
Вот как об этом пишут в отчете объединенного диспетчерского управления энергосистемы «Центр» за лето 2020 года:
В классической системе сети работают с графиками потребления, которые им предоставляют предприятия и другие потребители. Энергетикам нужно выровнять графики с учетом генерации — так, чтобы электричества хватило всем. Увеличение или уменьшение мощности делают по заявкам. Это касается даже небольших потребителей в розничном секторе. Например, чтобы получить на частный жилой дом мощность выше стандартных 15 киловатт, собственнику нужно пройти запутанную процедуру: написать заявку, обосновать потребность, дождаться согласований. А предприятие за превышение установленной мощности могут наказать: ввести режим ограниченного потребления, то есть технически сократить количество входящей энергии.
Энергосети — это интернет
Авторы доклада «Цифровой переход в электроэнергетике России»утверждают, что существующие энергосистемы достигли предела эффективности. По мнению коллектива ученых, наступает новый этап — переход от аналоговых к цифровым способам управления в энергосетях.
Это так называемый интернет энергии — система названа так, поскольку работает по принципам интернета: общедоступность, распределенность, надежность.
Интернет энергии предполагает несколько компонентов.
Интернет вещей. Это лишь часть интернета энергии: устройства смогут самостоятельно «договариваться», сколько электричества потреблять и в какое время. Это и есть выравнивание графиков, которое сейчас часто делают вручную.
Интеллектуальная система распределения энергии. Когда устройства научатся понимать друг друга и прогнозировать нагрузку, ее нужно будет автоматически распределять. Это задача энергороутеров. Как и обычный интернет-роутер, энергороутер обеспечивает допуск в сеть и «делит канал».
Если в одном дачном поселке одновременно включили три сварочных аппарата и есть риск просадки напряжения, роутер позаимствует мощность у соседнего поселка, где сейчас не ведут сварочных работ.
На уровне большой энергосистемы роутер может синхронизировать нагрузки между предприятиями.
Маршрутизаторы, или роутеры энергии, стоят в местах взаимодействия энергосистем и обеспечивают распределение электричества
Накопители энергии. Вместе с энергороутерами могут работать накопители электроэнергии. Они помогают сбалансировать потребление. Если в соседней энергосистеме нет нужной мощности, роутер возьмет ее из накопителя. В случае аварийного отключения электроэнергии накопитель работает как обычный источник бесперебойного питания. Накопители и роутеры совмещают графики нагрузки потребителей и выравнивают баланс, то есть полностью выполняют функции традиционных энергосистем, но в реальном времени и без участия человека.
Цифровые двойники энергосистем и потребителей. Они нужны, чтобы планировать будущие нагрузки. Это особенно важно для предприятий: цифровой двойник цеха позволит смоделировать работу оборудования и понять, сколько энергии нужно для производства каждого изделия.
Системы малой генерации. Это альтернативные источники энергии: ветряки, солнечные панели, а также газопоршневые станции. Газопоршневые генераторы уже конкурируют по стоимости выработки электричества с большими станциями. Например, в Тамбове газопоршневая установка генерирует электричество для большого тепличного хозяйства.
Систему с собственными источниками генерации энергии называют микрогридом. Это как бы уменьшенная версия централизованной системы электроснабжения. При этом внутри микрогрида автоматически распределяются потоки собственной и централизованной генерации, есть возможность продажи излишков энергии, а в случае аварии оборудование само переключается на «живую» сеть
Зачем нужен киберфизический полигон
Центр компетенций НТИ по направлению «Технологии транспортировки электроэнергии и распределенных интеллектуальных энергосистем» разработал киберфизический полигон, который позволяет сопрягать реальное электрооборудование и цифровую модель энергосистемы. Например, можно подключить к полигону ветрогенератор и проверить, как он будет работать в разных частях страны.
Дмитрий Серов, заместитель директора Центра компетенций НТИ на базе МЭИ, рассказывает, что самым большим объектом, который моделировали математически, была сеть с 3600 узлов. Это проект по настройке регуляторов возбуждения для гидроэлектростанций:
«Можем смоделировать энергосистему поменьше, например коттеджный поселок. Там свои источники энергии: дизельная станция, солнечная генерация и другие. На полигоне можно протестировать систему управления этими источниками: смоделировать нехватку или избыток генерации, понять, как поведет себя оборудование».
Одна из основных задач полигона — тестировать энергороутеры и другое интеллектуальное оборудование
Киберфизический полигон используют, когда нужно проверить изолированные энергосистемы, например смоделировать обеспечение электричеством городка в Арктике. Сейчас такие населенные пункты получают энергию от бензогенераторов и солнечных панелей. Накопители энергии там применяют редко, а существующие системы дорогие и ненадежные.
«Мы можем математически смоделировать все что угодно. Не обязательно физически подключать солнечную панель, достаточно иметь инвертор с системой управления. Мы можем смоделировать солнце и задать периоды, когда есть генерация, а когда нет», — продолжает Дмитрий Серов.
Заводам интересно тестировать на полигоне готовое оборудование. Например, сделали тестовый образец солнечной панели, и надо понять, как он будет работать в конкретных условиях. Но самым важным проектом на полигоне будет создание микрогридов. В следующем году запланирована научно-исследовательская работа по этой теме.
Киберфизический полигон и традиционная энергетика
При создании полигона ученые Центра компетенций на базе МЭИ впервые в России совместили математическую и электродинамическую модели: грубо говоря, подключили компьютер к электрическому щитку. Благодаря созданию «цифрового двойника» энергосистемы получили возможность подсоединять к полигону реальные электрические машины, которые можно включить, и они будут работать как бы в реальных условиях.
Полигон оказался востребован и в «старой» энергетике. Оказалось, что там с советских времен никто не занимается полноценным «живым» тестированием нового оборудования: так, для систем релейной защиты и автоматики отведен год на тестовую работу, но за это время может не произойти ни одного короткого замыкания.
«Акт будет положительный, период тестирования пройден, но по факту устройство не работало ни разу, потому что не было условий, — приводит пример Дмитрий Серов. — Когда-то были пилотные зоны, специально устраивали короткие замыкания, но сейчас никто не хочет рисковать оборудованием, чтобы проверить какую-то гипотезу. Для этого и предназначены моделирующие комплексы».
В МЭИ обращались разработчики, которые сделали для Северо-Западной энергосистемы новую систему управления силовыми трансформаторами. Это часть традиционной энергетики. Систему не протестировали на полигоне из-за ограниченности сроков, но это выглядело бы так: трансформатор включают в физическую часть полигона, а внешнюю сеть моделируют математически. Затем задают различные энергетические режимы: понижают и повышают напряжение, меняют частоту тока, моделируют аварии.
Киберфизический полигон в МЭИ — пока единственный в России. Этот проект призван открыть новый рынок. Создатели полигона говорят, что не будут патентовать разработку, чтобы не ограничивать развитие науки в этом направлении: технологией и знаниями смогут воспользоваться другие участники рынка энергетики.
Полигон создали в рамках проекта по разработке архитектуры интернета энергии, и он является частью плана мероприятий «Энерджинет» Национальной технологической инициативы.
