I. ВВЕДЕНИЕ

Концепция умной энергосистемы «Smart Grid» [1] часто ассоциируется с рядом технологий, необходимых для эффективной интеграции возрастающих мощностей распределённой генерации и систем регулирования нагрузки в распределительные электроэнергетические сети. В данной статье рассматривается Европейская распределительная электроэнергетическая сеть и связанные с ней текущие разработки в рамках проекта «REALISEGRID» [2], разработанного в рамках Европейской Седьмой Рамочной Программы (7РП/FP7). FP7 является основным финансовым инструментом Европейского Союза (ЕС) для поддержки международного сотрудничества научно-исследовательской деятельности практически во всех научных областях. Причиной разработки данного проекта послужила тенденция, устойчиво проявляющаяся в Европе в последнее десятилетие – массовое внедрение возобновляемой и нетрадиционной генерации.

Прогнозируемость таких источников генерации значительно хуже, чем у традиционных, и в общем масштабе сети уменьшается с ростом их количества в энергосистеме. Европейские системные операторы должны быть готовы к усиливающемуся внедрению малой распределённой генерации, которая также имеет плохую наблюдаемость  и не поддаются прямому контролю и управлению системных операторов. Реакцией на вышеописанные вызовы времени может стать строительство новых ЛЭП сверхвысокого напряжения на переменном токе для увеличения пропускной способности сети, повышения её устойчивости и надежности. С другой стороны, в рамках проекта «REALISEGRID» рассмотрены иные инновационные альтернативы и решения, способные также обеспечить повышение надежности и эффективности электропередачи.

В рамках вышеописанных проблем деуглефикация электроэнергетической системы требует последовательной модернизации общеевропейской системы передачи и распределения электроэнергии посредством технических, рыночных и регулирующих воздействий на плановые, нормальные и аварийные режимы работы сети.

Можно предвидеть два основных взаимодополняющих курса для такой модернизации.

- Устойчивое расширение энергосети, делающее возможным возросшую пропускную способность. Это может быть достигнуто с помощью класса инновационных и гибких технологий.

- Оптимизация существующих сетевых фондов посредством их эксплуатации ближе к пределам, системной безопасности. В таком случае требуются более совершенные технологии и устройства для контроля режима и управления им.

Стратегический план технологического объединения, разработанный в рамках проекта «REALISEGRID», является целевым технологическим планом Европейских системных операторов, который анализирует интеграцию передовых технологий электропередачи в  Европейскую энергосистему на среднесрочную перспективу (до 2030 г.). Безопасная интеграция будет требовать всё больше и больше совместных эксплуатационных испытаний и интенсивных компьютерных моделирований поведения энергосистемы, что приведет к новым общеевропейским пределам системной безопасности.

В целом, нынешний стратегический план направлен на разъяснение системным операторам недостатков «зрелости» каждой из изучаемых  технологических альтернатив. В  таком случае в стратегическом плане предусматриваются 10-летние интервалы для каждой технологии, которые устанавливают очередность решения ключевых проблем в течение ожидаемого жизненного цикла технологии до достижения ей т.н. «уровня зрелости системного оператора».

В процессе разработки стратегического плана использовалась доступная техническая и научная литература от системных операторов, партнеров, технических экспертов и текущих проектов, связанных с финансированием FP7. Так же принимались во внимание хорошо известные документы: цели Европейской энергетической политики на 2020 год; видение «Европейской инициативы по электрическим сетям» (EEGI) на период  до 2020 года [3]; «10-летний план развития электрических сетей» Европейской сети системных операторов передачи электроэнергии (ENTSO-E) [4]; документ ЕС по приоритетам энергетической инфраструктуры на 2020 год и далее [5].

Полный перечень перспективных технологий с обоснованием выбора каждой из них был предложен исследовательским проектом REALISEGRID и обсуждался  с системными операторами и заинтересованными сторонами энергосистемы. Затем основные технологии были подразделены на 4 основные группы:

1) Пассивное оборудование (P), в основном связано с высоковольтными устройствами передачи переменного тока (HVAC), которые включают в себя подземные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE);  линии с элегазовой изоляцией (GILs);  высокотемпературные проводники (HTCs), так же известные как высокотемпературные проводники с низким падением напряжения (HTLS), которые базируются на достижениях в области композитных материалов; высокотемпературные сверхпроводящие кабели (HTS), работающие при крайне низкой температуре и обеспечивающие очень низкие сопротивления; линии высокого напряжения, оснащенные инновационными опорами.

2) Активное оборудование (А), способно активно управлять сетью при увеличении пропускной способности системы передачи электроэнергии для повышения устойчивости системы или сглаживания возможных межсистемных колебаний. Эти технологии включают в себя такие устройства, как фазосдвигающие трансформаторы (линейные регуляторы) (PSTs), передачи постоянного тока (HVDC), гибкие системы передачи переменного тока (FACTS) и токоограничители коротких замыканий (FCLs).

3) Оборудование системы мониторинга в режиме реального времени (RT), базируется на передовых аппаратных и программных компонентах, используемых для обнаружения нагрузок и пределов эксплуатации характерных элементов системы в режиме реального времени, а так же для контроля общего состояния системы по динамической устойчивости. Эти технологии включают в себя систему мониторинга переходных режимов (WAMS) и линии с контролем и оцениванием тепловыделения в режиме реального времени (так же известные как умные линии), способные динамически увеличивать пропускную способность ЛЭП с помощью контроля температуры проводников.

4) Оборудование эксплуатационных воздействий системного оператора (ITO), основано на некоторых новых технологиях, ожидающих внедрения в развивающихся распределительных сетях и воздействующих на деятельность системного оператора: умные приборы учета и технологии хранения электроэнергии. Технологии хранения включают в себя гидроаккумулирующие электростанции; аккумулирование энергии с использованием сжатого воздуха; кинетический накопитель энергии (маховик); сверхпроводящий магнитный накопитель; натрий-серные аккумуляторные батареи.

Стоит отметить, что выбранные технологии были рассмотрены независимо друг от друга, хотя они могут быть внедрены совместно в целях дальнейшего усиления их воздействий.

II. ОБЗОР ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

А. Пассивные технологии

Подземные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) представляют большой потенциал для электропередачи. Такие кабели все больше и больше используются для применения в передачах постоянного тока (HVDC). Дальнейший ввод в эксплуатацию кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на переменном токе, несмотря на современный технический прогресс, затруднен, поскольку стоимостный  барьер по сравнению с традиционными решениями по-прежнему высок и останется таковым в связи с присущей данной технологии повышенной сложности. Однако стоимостный барьер может быть сокращен, если рассмотреть все виды выгод, вытекающих из этой технологии, а именно, пониженные потери в течение всего жизненного цикла, сроки процедур получения разрешений, визуальные воздействия и т.д.

Линия с элегазовой изоляцией (GIL) является проверенной, но всё еще не получившей широкого распространения технологией, преимущественно используемой в малогабаритных установках (эксплуатация тоннелей, мостов или других существующих объектов инфраструктуры). Такая линия электропередачи позволяет передавать значительно большую  мощность, нежели традиционные решения и XLPE-кабели. Тем не менее, эта технология сталкивается с большими экологическими проблемами  с точки зрения выбросов элегаза (фторида серы), которые гораздо более вредные, чем выбросы CO₂. Кроме того, затраты на производство и эксплуатацию таких линий относительно  традиционных решений остаются высокими. Текущий уровень зрелости этой технологии, основанный на ожидаемых результатах анализа её преимуществ и недостатков, требует дальнейшего совершенствования. Внедрение этой технологии, вероятно, продолжится рамках отраслевых применений в существующих неэлектрических инфраструктурных объектах,  многое будет зависеть от успешности применения линий с элегазовой изоляцией в планируемых проектах в Европе (как в туннеле Бреннер [4]).

Высокотемпературные проводники (HTCs) способны выдерживать более высокие рабочие температуры, таким образом, обеспечивая передачу большей мощности  по сравнению с обычными проводниками. Они могут увеличить пропускную способность без влияния на установленную полосу отчуждения ЛЭП и, в целом, без модификаций опор ЛЭП. Они все чаще применяются европейскими системными операторами. HTCs охватывают широкий набор крайне разных технологий с точки зрения возможностей по пропускной способности и по уровня капитальных затрат. Это объясняет расхождение точек зрения, наблюдаемое между производителями оборудования и системными операторами: правильный выбор проводника должен следовать за углубленным анализом энергосистемы, включающим в себя эксплуатационные и климатические условия, проблемы усталости оборудования и вопросы безопасности, наряду с общими капитальными затратами. Выгоды в плане пропускной способности могут достигать 30% для наиболее часто используемых объектов с высокотемпературными проводниками, а передача мощности с использованием композитного типа проводников может быть более чем в 2 раза больше. Высокотемпературный проводник стоит, как правило, больше, чем традиционный сталеалюминиевый проводник. Показатели затрат должны быть рассчитаны с учетом электрических потерь, возможных затрат на усиление конструкции, монтаж и техническое обслуживание. Оценка эксплуатационных качеств на протяжении жизненного цикла за счет лучшего понимания линий с замененными проводниками (посредством моделирования и тестирования на выносливость) имеет важное значение для дальнейшего расширения использования высокотемпературных проводников.

Среди изученных технологий, высокотемпературные сверхпроводящие кабели (HTS) – самые далекие от коммерческого использования. Некоторые оптимистичные эксперты предполагают первое использование HTS только к 2020 году благодаря второму поколению материалов (оксид иттрия-бария-меди, также известный как YBCO) и передовым методам нанесения покрытия. Затраты и размер криогенных холодильных установок будет оставаться основным препятствием для внедрения HTS. Полевые тестовые испытания в рамках очень специфических ситуаций (короткие расстояния, плотная городская застройка, применение постоянного тока) будут способствовать дальнейшему развитию HTS.

Развитие инновационных опор ЛЭП [3] постепенно стимулируется системными операторами с целью снижения влияния на окружающую среду воздушных линий (например, с точки зрения визуального воздействия и уровня электромагнитного поля). Некоторые распространённые проблемы исследований и разработки могут быть вынесены  системными операторами на уровень ЕС, а именно эко-проектирование опор ЛЭП. Затраты на внедрение инновационных опор, как ожидается, будут компенсированы, в частности, за счёт преимуществ с точки зрения обслуживания, поскольку подобные конструкции  в меньшей степени подвержены структурным повреждениям.

Б. Активные технологии

Токоограничители (FCLs) включают в себя технологии с разной степенью зрелости. При исследовании новых концепций (высокотемпературный сверхпроводящий токоограничитель, твердотельный токоограничитель, гибридный токоограничитель), по-прежнему остаются технологические проблемы, с которыми придется столкнуться перед коммерческой эксплуатацией (особенно для высокотемпературного сверхпроводящего токоограничителя). Осуществление благоприятных тестовых испытаний системными операторами на уровне ЕС могло бы помочь консолидировать информацию о типах конструкции и материалах, снижении издержек и стандартах.

Фазосдвигающие трансформаторы (PSTs), используемые для управления активной мощностью посредством регулирования разности фаз напряжений между двумя узлами энергосистемы, являются зрелой технологией, используемой системными операторами в Европе для управления перетоком мощности. Разработка совместных моделей PST системными операторами и общих стандартов должна способствовать интеграции PST в системы электропередачи. Наряду с этим, развитие трансграничной торговли электроэнергией и интеграция возобновляемой электроэнергии увеличит потребность в такой технологии, работающей с помощью скоординированного управления, реализованного в рамках межоператорных координационных центров.

Технология передачи постоянного тока (HVDC) [3] доказала свою надежность и привлекательность для передачи электроэнергии на дальние расстояния, для кабельных линий глубокого залегания (длинных подводных кабельных линий) и внутренних соединений асинхронных систем. Конвертеры для преобразования переменного тока в постоянный и постоянного тока в переменный имеют решающее значение для развития данной технологии. Самая современная технология, самокоммутирующийся автономный преобразователь напряжения (VSC), является более гибкой, чем более традиционный преобразователь тока с линейной коммутацией (CSC), так как это позволяет независимо управлять активной и реактивной мощностью.  Ключевые преимущества передачи постоянного тока лежат в плоскости повышенной пропускной способности ЛЭП по сравнению с обычной передачей на переменном токе и улучшенной управляемости потока мощности, которая, в свою очередь, может повысить надежность эксплуатации линии. Несмотря на то, что инвестиционные затраты на преобразовательную подстанцию постоянного тока выше, чем на подстанцию переменного тока, общие инвестиционные затраты на линии передачи постоянного тока могут быть ниже, чем на соответствующие им линии переменного тока, если будет достигнуто определенное расстояние передачи (т.н. «расстояние безубыточности»). Это расстояние безубыточности сильно зависит от конкретных параметров проекта (оно, как правило, варьируется между 80 и 120 км для морских подводных кабельных соединений). При наземном применении расстояние безубыточности составляет порядка 700 км [4]. Типичные области применения передачи постоянного тока включают в себя активное управление потоками, взаимосвязь морских ветровых электростанций, функциональные возможности пуска из полностью обесточенного состояния и многополюсные системы постоянного тока. Эта технология является ключевым компонентом будущей структуры европейской энергосистемы. Сложнозамкнутая система постоянного тока появится вместе с коммерческими автоматическими выключателями постоянного тока.

Оборудование гибких систем передачи переменного тока (управляемых линий FACTS) представляет собой семейство устройств силовой электроники, способных повысить управляемость и устойчивость системы переменного тока, а также увеличить пропускную способность электропередачи. Управляемые линии естественным образом сравниваются системными операторами с оборудованием с механическим приводом, обеспечивающим функции управляемости, например, фазосдвигающие трансформаторы (более простое, надежное, безотказное и в целом более дешевое решение, но с ограниченными динамическими возможностями). Устройства гибких линий могут быть классифицированы согласно типу их подключения (параллельное, последовательное и комбинированное). Устройства параллельного подключения обеспечивают соответствующие функции по компенсации реактивной мощности и регулированию напряжения, в то время как последовательные устройства предлагают ключевые преимущества по регулированию потока активной мощности  и повышения устойчивости при переходных процессах.

Вопросы затрат, сложности и надежности представляют собой в настоящее время основные барьеры на пути интеграции этих технологий с точки зрения Европейских системных операторов.  До настоящего времени устройства поперечной компенсации (например, статком, статический тиристорный компенсатор) были наиболее широко распространенными и зрелыми технологиями управляемых линий. Дальнейшее внедрение управляемых линий будет зависеть от технологической возможности поставщиков преодолеть эти барьеры  благодаря большей стандартизации, функциональной совместимости и эффекту масштаба. Основные технологические проблемы заключаются в силовых электронных топологиях (совокупности соединений микросхем) и в освоении новых видов полупроводников вместо кремния. Более удобные для эксплуатации интерфейсы и подтверждение производительности путем проведения полевых испытаний будут способствовать укреплению доверия системных операторов к этим новым технологиям. Как и остальное активное оборудование, управляемые линии, передачи постоянного тока и линейные регуляторы будут иметь решающее значение для будущей интеграции возобновляемых источников энергии в европейскую энергосистему.

В. Технологии режима реального времени

Линии с контролем и оцениванием тепловыделения в режиме реального времени (так же известные, как умные линии RTTR) представляют собой довольно зрелую технологию, основанную на контроле в режиме реального времени температуры линии (кабеля). Данная технология направлена на максимизацию пропускной способность линии при соблюдении конструктивных пределов эксплуатации по температурным ограничениям, что уменьшит, таким образом, потенциальные проблемы перегруженности линий. Развитие этой технологии – это достаточно затрудненный процесс решения практических проблем интеграции: интеграция с другими средствами, взаимодействие и функциональная взаимосвязь с защитным оборудованием, управление умными линиями, контролируемыми в режиме реального времени, взаимодействие с системой SCADA (supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) и использование выходных величин режима реального времени на диспетчерском уровне.

Комбинированное использование измерений в режиме реального времени и прогноза погоды может значительно увеличить ценность технологии RTTR для эксплуатации сети: такое использование может стать полезной возможностью для системных операторов в вопросах достижения более высоких показателей пропускной способности при сохранении безопасности и надежности в существующих энергосистемах. При этом выходят на первый план относительно низкие инвестиционных затраты по сравнению с объемом необходимых инвестиций для строительства новых линий электропередачи.

Система мониторинга переходных режимов (WAMS) [3] – это информационная платформа, преследующая цель текущего контроля и диспетчерского управления. Основанная на приборах для измерения комплексных величин тока и напряжения (PMUs), система WAMS позволяет контролировать состояние энергосистемы на больших территориях с целью выявления и дальнейшего противодействия нарушению устойчивости сети.

Эта система раннего предупреждения способствует повышению надежности системы путем предотвращения распространения опасных воздействий на большие территории и оптимизации использования доступных инструментов воздействия в системе. Тем не менее, некоторые критические проблемы НИОКР заключаются в точности и надежности сигнала, в коммуникационных архитектурах и в обработке данных. В дальнейшем для развития системы WAMS будут необходимы стандарты для обработки данных, широкомасштабных демонстраций и совместной работы с другим активным оборудованием, чтобы реализовать преимущества, привнесенные WAMS.

Г. Технологии управляющих воздействий

Хотя технологии хранения электроэнергии непосредственно не подконтрольны системным операторам, они могут оказать существенное влияние на планирование и эксплуатацию энергосети. Хранение энергии может помочь максимально увеличить  стабильность энергосистемы в случае внезапного скачка нагрузки/генерации вследствие непостоянства объема выработки мощности у большинства установок ВИЭ. Хранение также может поддержать системных операторов в вопросах сокращения выбросов CO₂. Исторически так  сложилось, что хранение электроэнергии связано с такими технологиями, как гидроаккумулирующие электростанции и станции аккумулирования энергии с использованием сжатого воздуха. В то же время как другие технологии хранения напрямую не связны с решением крупномасштабных системных проблем.

Тем не менее, есть еще технические и главным образом нормативные вопросы, с которыми придется столкнуться. С точки зрения нормативных вопросов, нерешенными остаются проблемы, связанные с тем, какие участники рынка должны владеть и управлять оборудованием по хранению. Осуществление крупномасштабных моделирований и испытаний по вопросам хранения энергии на европейском уровне, как представляется, – это необходимый шаг для подтверждения преимуществ внедрения технологий хранения энергии.

III. ПРЕОДОЛЕНИЕ БАРЬЕРОВ НЕТЕХНИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ТЕМПА ОСВОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ

Технологии электропередачи, рассмотренные в настоящей статье, показывают различные уровни зрелости. Будущий ввод в действие будет зависеть не только от присущих им внутренних достоинств, но также и от внешних факторов, таких как:

- одобрение  и доверие системных операторов, основанное на широкомасштабных моделированиях, опытах и испытаниях с целью выяснения всех выгоды для системы;

- стандартизация и функциональная совместимость оборудования, обусловленная небольшим числом производителей высокотехнологичного оборудования на международном рынке;

- дефицит квалифицированных инженеров и техников в электроэнергетической системе, что является главной проблемой для электроэнергетики;

- финансирование, которое зависит от нормативной базы и инвестиционных стимулов в месте локации систем передачи;

- административные барьеры, такие как процедуры разрешения и согласования, пока не отлаженные на уровне ЕС.

Поэтому реализация видения стратегического плана 2030 потребует дополнительных инновационных системных мероприятий в течение следующих десятилетий. Следующие межсекторальные мероприятия выделяются для поддержки внедрения технологии:

- межоператорные крупномасштабные эксперименты в сфере активных технологий, включая хранение энергии;

- межоператорные согласованные действия на наднациональном (т.е. региональном) уровне;

- исследования в области технологий  функциональной совместимости.

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные выше результаты стратегического планирования могут служить для описания дальнейших перспектив общеевропейской электроэнергетической сети до 2030 года. Это приводит к следующим основным выводам.

1) Концепция «Smart Grid» включает в себя системы передачи в качестве неотъемлемой части будущих электрических сетей в Европе. В реальности  игроки рынка передачи и распределения электроэнергии будут взаимодействовать все больше и больше друг с другом с целью решения концептуальных проблем в проектировании электроэнергетической системы:

- децентрализованная «случайная»  генерации будет расти;

- изменения в правилах и процедурах эксплуатации  будут допускать более управляемые нагрузки.

Оба изменения не должны повлиять на безопасность и надежность системы.

2) Внедрение активных технологий и технологий режима реального времени неминуемо сделает сложнее динамические процессы общеевропейской энергосистемы. Переходные и сетевые неустойчивости будут рассматриваться в будущем краткосрочном оперативном планировании  электроэнергетических систем, требующих большего цифрового моделирования объединенных энергосистем; их сложность будет продолжать расти с целью оценки безопасности системы за пределами границ каждой зоны управления системного оператора.

3) Воздействующие технологии должны облегчить действия системных операторов в течение следующих двадцати лет:

- умная телеметрия на уровне распределительной сети обеспечивает возможности контроля работы сети низкого напряжения: она может быть связана с более «умными» подстанциями для обеспечения системных операторов лучшей наблюдаемостью распределенной генерации и потребления, что в свою очередь будет полезным в реализации подходов реагирования на спрос с целью эффективного управления пиковой нагрузкой.

- сочетание приборов для измерения комплексных величин тока и напряжения (PMUs), передовых вычислительные архитектур и методов цифрового моделирования обеспечит надежное, точное и иерархическое оценивание общеевропейской системы в режиме on-line. Тогда оценка безопасности может осуществляться каждые пять минут, включая моделирование поведения сети во временной области.

- крупные хранилища электроэнергии могут изменить принцип проектирования электрических систем, заключающийся в том, что электроэнергия не может содержаться и храниться. С этого момента, ветровая и солнечная электроэнергия может быть накоплена и использована в часы пиковых нагрузок, а так же в любой момент времени, когда это потребуется. Оборудование для хранения электроэнергии может быть оптимально расположено неподалеку от центров генерации.

1. SmartGrids Technology Platform [Электронный ресурс]. URL: http://www.smartgrids.eu/ (дата обращения: 24.01.2015).
2. REALISEGRID FP7 project [Электронный ресурс]. URL: http://realisegrid.rse-web.it/ (дата обращения: 16.02.2015).
3. A. Vaféas, S. Galant, T. Pagano, «Final WP1 report on cost/benefit analysis of innovative technologies and grid technologies roadmap report validated by the external partners», REALISEGRID Deliverable D1.4.2, 2011 [Электронный ресурс]. URL: http://realisegrid.rse-web.it (дата обращения: 26.12.2014).
4. ENTSO-E «Ten-Year Network Development Plan (TYNDP) 2010-2020», June 2010 2011 [Электронный ресурс]. URL: http://www.entsoe.eu (дата обращения: 01.02.2015).
5. S. Rüberg, H. Ferreira, A. L’Abbate, U. Häger, G. Fulli, Y. Li, J. Schwippe, «Improving network controllability by Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) and by High Voltage Direct Current (HVDC) transmission systems», REALISEGRID Deliverable D1.2.1, Mar. 2010 [Электронный ресурс]. URL:  http://realisegrid.rse-web.it (дата обращения: 18.01.2015).

Все статьи автора «Victor Plekhanov»