Интернет энергии
MicroGrid
Малая распределенная энергетика

Энергосектор долгое время отмечался стабильностью, но и он не устоял: пережил череду кризисов. В результате оказался не приспособлен к новым рыночным условиям, в которых появился еще один фактор – субсидии на возобновляемые источники. Благодаря этим субсидиям возобновляемые источники энергии (ВИЭ) стали все популярнее. Здесь и появилось место для продвижения и реализации концепции микрогридов.

MicroGrid – система, которая включает собственные источники генерации энергии и в кризисные ситуации способна взять на себя задачу удовлетворения спроса потребителей. Это своего рода уменьшенная версия централизованной системы электроснабжения.

Микрогрид, как правило, работает при подключении к общей центральной сети, но в любой момент он может отключиться и работать за счет своей собственной генерации энергии. И самое важное – эти «умные» электросети способны успешно использовать вышеупомянутые возобновляемые источники энергии.

В локальной изолированной сети микрогрид нет четкой границы мощности. Основные негативные факторы применения ВИЭ и их воздействия на локальную сеть кроются в самом принципе выработки энергии, так как она зависит от климатических условий. Например, исключается чисто островной режим работы: ВИЭ отключаются оператором сети при появлении островного режима, в котором участвуют или участвовали бы только альтернативные источники. Второй важный фактор — это высокая волатильность при выработке самой энергии. Также можно отметить слабую прогнозируемость объема выработанной энергии.TAdviser выпустил новую Карту «Цифровизация промышленности»: свыше 250 разработчиков и поставщиков услуг 23.1 т

В обозримом будущем концепция «Интернета энергии» сформирует рынок таким образом, что электроэнергетическая инфраструктура станет более распределенной и доступной, как сотовая связь и интернет. По данным отчета Redenex «Макро возможности микрогенерации»^[1], распределенная генерация, в том числе на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в ближайшее время станет доминирующим направлением в мировых инвестициях в энергетическом комплексе.

«Интернет энергии» — это концепция, которая предполагает создание локальной энергетической инфраструктуры (микроэнергосистема или микрогрид), в которую интегрируются производители и потребители энергии и в рамках которой они могут свободно обмениваться энергией. Концепция построена на абсолютно иной архитектуре, которая, в отличие от традиционной, представляет собой децентрализованную электроэнергетическую систему. Здесь реализовано интеллектуальное управление потоками электроэнергии, осуществляемое за счет одноранговых энергетических трансакций между ее пользователями. Энергетическая трансакция — акт взаимодействия двух и более субъектов микроэнергосистемы, который состоит из трех слоев энергоинформационного обмена: финансово-договорного, информационно-управляющего и физического (электрического)^[2].

Малая «умная» энергетика

«Интернет энергии» — это концепция, которая предполагает создание локальной энергетической инфраструктуры (микроэнергосистема или микрогрид), в которую интегрируются производители и потребители энергии и в рамках которой они могут свободно обмениваться энергией. Концепция построена на абсолютно иной архитектуре, которая, в отличие от традиционной, представляет собой децентрализованную электроэнергетическую систему. Здесь реализовано интеллектуальное управление потоками электроэнергии, осуществляемое за счет одноранговых энергетических трансакций между ее пользователями. Энергетическая трансакция — акт взаимодействия двух и более субъектов микроэнергосистемы, который состоит из трех слоев энергоинформационного обмена: финансово-договорного, информационно-управляющего и физического (электрического).

Для функционирования такой микроэнергосистемы необходимы программно-аппаратные комплексы с распределенной архитектурой и системами управления, построенные с применением различных методов искусственного интеллекта, которые обеспечат:

• синтез договорных условий (смарт-контракты);
• выдачу управляющих воздействий на силовое оборудование, соответствующих договорным условиям и обеспечивающих выполнение технологических ограничений;
• реализацию энергообмена на физическом уровне.

В конечном итоге реализация концепции приведет к тому, что энергия станет дешевле, к участникам рынка присоединятся «умные вещи», будет создана сеть мелких генераторов, появятся более эффективные системы накопления энергии и будет создана инфраструктура распределительных сетей 110 кВ и ниже. Добиться этого крайне важно, поскольку одним из трендов развития глобального рынка является рост спроса на энергию, особенно в развивающихся странах. К 2035 году миру понадобится электричества на 60% больше, чем сегодня^[3].

В России, несмотря на общую энергоизбыточность, низкая стоимость генерации с лихвой компенсируется дорогой «мощностью» — затратами на функционирование распределительной инфраструктуры. На конечные цены для потребителя влияют такие факторы, как низкая плотность потребления, высокая стоимость капитала и строительства и низкая загрузка мощностей. Большая доля промышленной нагрузки, социально ориентированная политика, несовершенство рынка и отраслевого регулирования приводят к постоянному росту цен на электроэнергию для бизнеса и постепенно становятся сдерживающим фактором для развития экономики страны, говорится в докладе «Цифровой переход в электроэнергетике России» Центра стратегических разработок (ЦСР). Кроме того, ожидается, что большая часть существующей инфраструктуры достигнет предельных сроков эксплуатации в 2020–2025 годах.

При этом приоритетные промышленные сектора (например, производство систем накопления электроэнергии) лишь начинают формироваться с заметным отставанием от лидеров глобального рынка. Помимо нехватки собственных технологий развитие новой энергетики в стране сдерживает отсутствие необходимого правового и технического регулирования для вывода на рынок новых продуктов и реализации новых бизнес-моделей, отмечается в утвержденной правительством «дорожной карте» по совершенствованию законодательства и устранению административных барьеров НТИ «Энерджинет».

Решить накопившиеся проблемы могут «цифровой переход» и развитие розничного сегмента электроэнергетики, базирующегося на инфраструктуре распределительных сетей 110 кВ и ниже. Для этого необходимо включить в правовое поле новых субъектов (просьюмеров, активных потребителей, агрегаторов), дерегулировать отношения между ними, стандартизировать интерфейсы взаимодействия с единой энергетической системой и трансформировать энергетические рынки, полагают в ЦСР. По прогнозам центра, такой маневр позволит сдерживать рост цен на электроэнергию (на 30–40% к 2035 году по сравнению с инерционным сценарием) и обеспечит российским компаниям потенциальный рынок сбыта размером $40 млрд к тому же году.

Именно такая трансформация предусмотрена «дорожной картой» НТИ «Энерджинет». Ее основная задача — формирование условий для лидерства российских компаний на новых рынках интеллектуальных электрических сетей и предпосылок для опережающей модернизации электроэнергетической инфраструктуры. Метафорой для нового витка развития энергетики авторы НТИ выбрали «Интернет энергии»: речь идет о системах интеллектуальной энергетики на основе открытой сетевой архитектуры, обеспечивающих свободную интеграцию и обмен энергией между производителями и потребителями.

Отметим, что «дорожная карта» охватывает не весь спектр российского энергорынка: за ее рамками остается развитие всей традиционной «большой энергетики» с крупными электростанциями и передающими сетями высокого напряжения, а упор сделан на распределенную генерацию и «умное» потребление как наиболее динамично развивающиеся сегменты. В рамках плана выделены три ключевых направления: надежные и гибкие сети, распределенная энергетика и новые сервисы для конечных потребителей на основе сетевых программных приложений. Приоритетами пилотных проектов должны стать улучшение качества энергоснабжения и развитие энергетики в труднодоступных и изолированных районах.

По замыслу разработчиков речь должна идти не о реализации отдельных проектов, а о формировании комплексных систем и сервисов интеллектуальной энергетики: предполагается создание новой архитектуры энергорынка на основе киберфизических систем, распределенного интеллекта и смарт-контрактов, разработка пакета международных стандартов новой энергетики, а также создание полигонов, экспериментальных площадок. В число приоритетных технологий попали: постсиликоновая силовая электроника, электрохимия, слабый искусственный интеллект, системное управление и моделирование, порождающее проектирование.

Технологии для малой распределенной энергетики

Технологии «Интернета энергии» хорошо подходят для малой распределенной энергетики или микрогрид (англ. MicroGrid). Такие микроэнергосистемы создаются для электроснабжения локальной группы потребителей электроэнергии, которые испытывают трудности с обеспечением надежного и качественного электроснабжения. Как правило, к таким группам относятся потребители в изолированных поселках, не имеющих связей с большой энергосистемой, либо имеющих слабые связи.

Создание микроэнергосистемы предполагает установку распределенных по электрической сети источников энергии как традиционных, так и на основе ВИЭ, а также установку накопителей электроэнергии. Такая локальная энергосистема, включающая разные типы производителей и потребителей электроэнергии, требует применения нового типа систем управления и защиты, которые должны обеспечить их гибкую интеграцию в общую инфраструктуру «Интернета энергии».

Для создания устройств, поддерживающих технологии «Интернета энергии», необходимо проводить специальные испытания на совместимость как на физическом уровне передачи электроэнергии, так и на уровне цифровых систем управления и защиты. Прототипы устройств для реализации этой технологии должны проходить испытания в комплексе с реальными силовыми устройствами, включенными в контур цифрового моделирования. Для проведения таких испытаний необходим комплекс, представляющий собой особую киберфизическую модель микроэнергосистемы, одна часть которой моделируется в цифровом симуляторе реального времени (например, таком как RTDS), а другая часть является реальной электрической сетью с реальными физическими устройствами (генераторами, инверторами, накопителями и др.).

Создание таких киберфизических моделей для малых распределительных сетей для отработки технологии «Интернета энергии» является очень важной задачей на пути к реализации концепции «Интернета энергии», так как позволяет отладить все три слоя энергоинформационного обмена и реализовать на практике механизм энергетических трансакций на этапе разработки продуктов и комплексных решений.

Однако для проведения таких испытаний необходимо симулировать полноценный обмен энергией между цифровой частью модели и ее реальной физической частью. Это позволяет сделать специальное устройство, которое носит название «четырехквадрантный усилитель мощности». Характерной чертой четырехквадрантных усилителей мощности, в отличие от обычных, является их способность не только выдавать мощность, но и потреблять ее. При этом токи и напряжения, рассчитанные в виртуальной модели, инжектируются в реальную электрическую сеть при помощи четырехквадрантных усилителей.

Затем реакция реальной физической части модели оцифровывается и вводится в цифровой симулятор уже на следующем шаге расчета (через 50 мкс). Такие киберфизические модели позволяют, с одной стороны, создавать модели микрогрид большой размерности, включающие накопители ЭЭ, ВИЭ и другое перспективное оборудование в рамках цифрового моделирования, а с другой стороны — в физической части подключать для проведения исследований и испытаний реальное оборудование: энергороутеры, накопители электроэнергии, управляемые интеллектуальные присоединения и др.

«Интернет энергии» в России

29 ноября 2019 года РВК сообщил, что в Центре компетенций НТИ на базе МЭИ «Технологии транспортировки электроэнергии и распределенных интеллектуальных энергосистем» начался этап по вводу в эксплуатацию особого оборудования. Работы выполняются в рамках проекта по разработке архитектуры интернета энергии в целях реализации плана мероприятий «Энерджинет» Национальной технологической инициативы. Подробнее здесь.

Создание полигона «Testbed `Энерджинет`», работающего по технологии Power Hardware in Loop (PHIL), является первым таким проектом в России и одним из немногих в мире. Ввод в эксплуатацию полигона «Testbed `Энерджинет`» станет важной вехой в реализации плана мероприятий «Энерджинет», так как позволит вывести разработки устройств и систем на качественно новый уровень.

Смотрите также

• Экономика России
• Энерджинет - Национальная технологическая инициатива (НТИ)
• Альтернативная энергетика
• Энергетика в России
• Солнечная энергетика (мировой рынок)
• Ветроэнергетика и ветроэнергетические установки (Россия и мир)
• Атомная энергетика. Факты и мифы
• Smart Grid (Умные Сети)
• Электрогенераторы (рынок России)
• АСКУЭ

Примечания