Електричні мережі стають "розумними"

13 січня 2021Світлана Олійник, спеціально для "Української енергетики"

В Україні завершуються роботи над Концепцією впровадження Smart Grid до 2035 року

Аварії в електричних мережах є звичним явищем для споживачів в Україні. У 2019 році середня тривалість планових відключень для клієнтів становила 478 хвилин, що є втричі більше, ніж у країнах ЄС. Середня тривалість позапланових відключень в Україні становила 683 хвилини, що в 7 разів перевищує європейські показники. Крім того, технологічні втрати електроенергії під час її передачі та розподілу в українських мережах склали близько 12% від загального обсягу, що є більш ніж в півтора раза більше, ніж середньоєвропейський рівень, і більше ніж удвічі перевищує показники розвинених країн.

Впровадження "розумних" мереж (Smart Grid) допоможе вирішити цю та інші проблеми в енергетиці. Міністерство енергетики повідомляє, що вже завершуються роботи над відповідною концепцією. "Українська енергетика" проаналізувала, які конкретно заходи планується реалізувати і який результат вони мають дати.

Smart Grid і боротьба із піковими навантаженнями і аваріями

Людство дедалі більше покладається на електроприлади. Якщо раніше в наших домівках були лише телевізори, холодильники, пральні машини та праски, то тепер у нас з'явилися мікрохвильовки, електрочайники, тостери, посудомийки, морозильники, кондиціонери, комп'ютери, а інколи – електрокари або електросамокати. А що вже казати про сучасні промислові виробництва! Це свідчить про зростаючу потребу в електроенергії, а отже, і навантаження на електричні мережі. Хоча наразі через пандемію коронавірусу спостерігається зниження ділової активності, ця тенденція ненадовго.

Згідно з прогнозами Міжнародного енергетичного агентства (МЕА), у період до 2030 року зростання попиту на електроенергію в 1,5-2 рази перевищуватиме зростання попиту на первинні енергоносії. В таких умовах світ зіткнеться з дефіцитом резервів генерації, особливо під час пікових навантажень.

Водночас спостерігається зростання використання відновлюваних джерел енергії. Отримана завдяки ним електроенергія може ефективно допомагати в періоди пікових навантажень або аварій. Але як це реалізувати?

Сучасна практика в енергетичній галузі підкреслює економічну доцільність об'єднання національних електричних систем в транснаціональні. Це дає можливість безперешкодного обміну електроенергією між регионами та країнами.

Однак складність функціонування таких систем вимагає впровадження ефективних інструментів для керування, контролю і захисту. В міжнародній практиці за останнє десятиліття сформувалася концепція Smart Grid для вирішення складних викликів у енергетичних об'єднаннях.

“За визначеннями, які включено у словник Інституту інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE), Smart Grid – це електрична система, яка може інтелектуально інтегрувати роботу всіх її компонентів (генераторів, мереж, споживачів електроенергії) з метою забезпечення стійкого та надійного електропостачання. В українських технічних матеріалах термін "smart grid" іноді замінюють на "розумні електричні мережі" або "інтелектуальні електричні мережі". Це означає набір базових технологій, які перетворюють існуючі електричні мережі на інтелектуальні,” – зазначає Юрій Варецький, професор кафедри електроенергетики та систем управління Національного університету "Львівська політехніка".

Основні елементи “розумних” електричних мереж

Реалізація підходів "розумних" електромереж вимагає впровадження і розгортання автоматизованих систем контролю, інтелектуального керування та захисту, з метою minimізації людського фактора. Це дозволить значно знизити показник SAIDI (індекс середньої тривалості перерв електропостачання), підкреслює експерт.

Фахівець пояснює, що йдеться про оптимізацію управлінських процесів. Нині основними проблемами енергосистеми є аварії та недостатня надійність. Вони виникають через те, що в комплексних енергосистемах часто система аварійного захисту працює без узгодження між собою, а фахівці не можуть врахувати можливі зміни конфігурації електричних мереж або електростанцій, які можуть стати причинами таких ситуацій.

“Аварії в електричній системі можуть рухатися дуже стрімко – менш ніж за секунду, і в разі неправильної роботи системи протиаварійного захисту можуть викликати черговість відключень у цілих регіонах, – пояснює Юрій Варецький. – Енергетична система є складною автоматизованою технічною системою, що представляє собою розгалужену мережу електричних структур різних класів напруги. Це є частина паралельних механізмів для роботи електростанцій різної потужності з різними технічними характеристиками. Людина фізично не в змозі реагувати на постійні зміни та потенційні збурення в енергетичній системі, які відбуваються на різних етапах генерації, передачі та розподілу енергії, тому стає важливим застосування автоматизованих систем управління та релейного захисту. Все більше контролю передається інтелектуальним системам. Більше того, одне й те ж пошкодження в енергосистемі під час різних режимів (з різними схемами з'єднання трансформаторів, електроліній тощо) може спричинити різні наслідки. Тому часто використовують довгострокове моделювання, прогнозуючи розвиток конкретних ситуацій із загальним моніторингом системи. Сучасні методи спостереження, управління та захисту враховують ці моменти”.

Важливим елементом Smart Grid, за словами фахівця, є постійна модернізація механізмів балансування виробництва і споживання електроенергії, а також впровадження засобів контрольованого перетворення електричної енергії. Це дозволить споживати ту кількість енергії, яка необхідна для досягнення певних цілей.

Про що йдеться? “Якщо розглянути різні електроприлади, які використовуються в промисловості, то часто вони споживають забагато електроенергії для виконання своїх функцій (механічної роботи, обігріву, освітлення тощо). Для оптимізації процесу та економії електричної енергії в сучасних електричних системах широко застосовуються пристрої контрольованого перетворення енергії з використанням досягнень напівпровідникових технологій. Вони дають можливість використовувати лише ту електричну енергію, що потрібна для виконання завдань з максимальною ефективністю,” – пояснює респондент.

Простий приклад – система освітлення. Наразі ми переходимо від ламп розжарювання до компактних флуоресцентних або світлодіодних. Вони виконують свою функцію освітлення, майже не витрачаючи електроенергії. “Подібні технології також впроваджуються в промисловості, бізнесі та інших сферах. Вони дозволяють оптимізувати споживання електричної енергії в найефективніший спосіб”, – додає Юрій Варецький.

Наступним елементом "розумних" мереж є інтеграція відновлюваних джерел енергії. Використання, наприклад, сонячної, вітрової та гідроенергії здатне знизити споживання невідновлювальних ресурсів, які з часом вичерпуються і стають дедалі дорожчими.

Також одним із напрямків Smart Grid є розвиток микромереж (microgrid). Як пояснив наш співрозмовник, це група джерел і споживачів електроенергії, яка підключена до традиційної електромережі, але може працювати автономно за потреби. Це особливо важливо для віддалених сільських районів, де електропостачання йде по одиночним лініям електропередачі, які часто підлягають пошкодженню через погодні умови, знижуючи надійність електричних поставок.

“Автономна система, оснащена генераторами (включаючи вітрові та сонячні установки), може стати в нагоді. Наявність акумуляторів також є бажаною. Такі microgrid можуть функціонувати практично окремо від основної енергосистеми. Проте, маючи підтримку з боку неї, їхня надійність і якість роботи істотно зростають. У випадку обривів електричних мереж, регіон зможе самостійно постачати себе електроенергією. Більше того, такий регіон може споживати мінімум електроенергії від загальної системи, оскільки йому вигідно використовувати насамперед свою електроенергію, отриману з сонця та вітру. Це підкреслює великі можливості розвитку. Це насправді говорить про регіональну енергонезалежність. Підключення до загальної електромережі забезпечує альтернативний джерело живлення в разі аварій, що підвищує надійність постачань електроенергії для таких споживачів,” – додає Юрій Варецький.

Важливим елементом програми розвитку електричних мереж у напрямку Smart Grid є впровадження засобів накопичення енергії. Ці механізми можуть бути додатковими генераторами в пікові моменти споживання електроенергії та дозволяють дотримуватися економічних режимів роботи традиційних електростанцій.

“Наприклад, протягом дня і ночі спостерігається різний рівень споживання електричної енергії. Для стабільного функціонування енергосистеми необхідно забезпечити відповідність виробництва та споживання електроенергії. Інакше системі загрожують різноманітні аварії. Отже, ми повинні завжди коригувати видачу електричної енергії  відповідно до потреб споживачів,” – уточнює співрозмовник.

Водночас він зазначає, що в українській енергетиці є багато електростанцій, які дуже важко налаштувати до цього. Наприклад, АЕС практично не регулюють виробництво електроенергії, проблему вирішують засоби накопичення. Вони дозволяють зберігати електроенергію під час низького споживання в системі та використовувати її під час високих навантажень.

“В енергетичних системах використовують гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС), які здатні акумулювати електроенергію, перетворюючи її в потенційну енергію води. Наявність двох водойм – нижньої, на рівні якої перебувають генератори-помпи, і верхньої – є необхідним елементом конструкції ГАЕС. У періоди мінімального споживання електроенергії, щоби не знижувати генерацію на проблемних електростанціях у енергосистемі, ГАЕС споживає надлишки електроенергії для перекачування води в верхню водойму. У періоди максимального споживання вода з верхньої водойми подається до турбін ГАЕС, де вона генерує електрику, подібно до традиційної ГЕС. Ось так працює принцип такого системного накопичувача,” – демонструє Юрій Варецький.

Також розробляються чисельні хімічні та механічні акумулятори. Хоча вони дорогі і повільно впроваджуються, споживачі локальних електричних мереж, які використовують вітрові і сонячні установки, часто встановлюють їх, щоб забезпечити надійність та якість електропостачання.

Ключовою метою концепції Smart Grid, на думку співрозмовника, є розробка та широкий доступ до так званих швидкодійних регуляторів потоків потужності та напруги. У енергетичних системах постійно відбуваються зміни споживання, адже в кожному домогосподарстві люди вмикають і вимикають різноманітні побутові прилади. У промислових сферах технологічні процеси теж супроводжуються постійними змінами споживання електроенергії.

“Ці зміни супроводжуються змінами величини струмів, які проходять через трансформатори і лінії електропередачі, викликаючи коливання напруги в пунктах підключення споживачів,– пояснює фахівець. – Це може призвести до зниження функціональних характеристик електричних пристроїв. Якщо коливання напруги перевищують допустимі межі за нормами якості, можуть виникати порушення в роботі або навіть пошкодження. Ці проблеми можуть бути вирішені за допомогою вказаних вище пристроїв, покликаних забезпечити цілеспрямоване регулювання потоків потужності та напруги для підтримання стійкої роботи електричних систем”.

Не можна уявити Smart Grid без інтелектуальних систем обліку електроенергії, які дозволяють дистанційно отримувати покази з сучасних лічильників у вибраних центрах. Це створює можливості для покращення обліку споживачів за спожиту електрику, запобігання її крадіжкам, а також контролює якість електропостачання.

Концепція Smart Grid в Україні

Очевидно, що Україні не варто залишатись відокремленою у глобалізованому світі і ігнорувати ці процеси.

“Smart Grid – це світова тенденція в розвитку електричних систем. Наразі немає ізольованих систем, тому Україна співпрацює з об'єднаними електричними системами Європи. Проблеми системи однієї країни можуть бути вирішені можливостями іншої та навпаки. Це знімає багато питань, які пов'язані з розосередженим (отриманим з відновлювальних джерел) генеруванням, адже в одній державі може бути вітер, а в іншій - ні, і наступного дня навпаки,” – підкреслює Юрій Варецький.

Коли в Україні почнуть впроваджувати елементи Smart Grid?

“Мова йде про концепцію розвитку електричних систем,” – пояснює співрозмовник. – Не можна сказати, що ми запровадимо Smart Grid у певні роки, оскільки розвиток системи вже триває і не має визначеного часу завершення.”

Зараз Міністерство енергетики, за підтримки Світового банку, продовжує доопрацювання проекту концепції впровадження "розумних" мереж в Україні на період до 2035 року. Як повідомляється в "Українська енергетика", однією з основних проблем розвитку електричних мереж в Україні є технологічні втрати електроенергії під час її передачі та розподілу, які у 2019 році становили 11,6% від загального відпуску. Цей рівень втрат перевищує середньоєвропейські показники більше ніж у півтора раза, й більше ніж удвічі - у розвинених країнах.

Виходячи з ситуації в електричних мережах України, це не дивно. Згідно з інформацією, зібраною на онлайн-карті енергетичного сектора України, основні проблеми полягають у високому ступені зносу мережі та відсутності фінансування для їх модернізації. За даними Асоціації операторів розподільних електричних мереж, загальний показник зношення інфраструктури перевищує 70%. Річні втрати через знос інфраструктури складають до 15 мільярдів кВт-год електроенергії.

Україна ставить мету скоротити технологічні втрати електроенергії до 7,5% до 2035 року. Що це означає в цифрах? "Якби такий показник був досягнуто у 2019 році, втрати електроенергії зменшились би на 6 мільярдів кВт-год, що еквівалентно 3 мільйонам тонн спаленого вугілля на ТЕС,"  – зазначили у відповідному Міністерстві. Більша частина цих втрат є нетехнічними (комерційними). Це пов'язано з великою кількістю застарілих лічильників електроенергії та недостатньою надійністю електропостачань.

За даними Міністерства енергетики, середня тривалість відключень клієнтів у 2019 році по Україні становила 478 хвилин для планових відключень і 683 хвилини для позапланових. В ЄС ці показники склали 160 і 102 хвилини відповідно. Поліпшення ситуації має забезпечити реалізація концепції "розумних" мереж в Україні.

Вона передбачає, по-перше, впровадження системи "розумного" обліку. Це повинно зменшити втрати електроенергії в мережі. По-друге, планується автоматизація розподільних мереж, що має суттєво покращити надійність електропостачання. По-третє, запланована масштабна діджиталізація, перехід до концепції безперервного електропостачання (або хоча б з незначними перервами на даному етапі) тощо.

Основною перешкодою у впровадженні концепції Smart Grid в Україні є відсутність фінансування. Щоб подолати цю проблему, вже з 2021 року введено стимулююче тарифоутворення для операторів систем розподілу (ОСР). На переконання представників Міністерства енергетики, воно дозволить ОСР збільшити обсяги інвестицій у модернізацію електромереж і поступово зменшить втрати електроенергії.

Уряд ставить амбітну мету підвищити рівень якості та надійності електропостачання в Україні до кращих світових стандартів за допомогою "розумних" мереж. Це також повинно призвести до зменшення викидів СО2 внаслідок скорочення використання пального на електростанціях.

Південна Корея має стати партнером України у впровадженні Smart Grid. Наприкінці жовтня 2020 року перший заступник міністра енергетики Ольга Буславець підписала меморандум про взаєморозуміння щодо впровадження "розумного" обліку електроенергії між Міністерством енергетики України та корейською КТ Corporation.

Щоб зрозуміти, чому Південну Корею було обрано як партнера, достатньо зауважити, що в цій країні один із найнижчих індексів середньої тривалості відключень електромереж (SAIDI) – 9 хвилин на клієнта протягом року.

“Співпраця з Південною Кореєю – це важливий крок для України, адже вона є світовим лідером з розвитку та впровадження новітніх технологій у енергетиці, зокрема у галузі Smart Grid,” – підкреслили в Міністерстві енергетики.

Який ефект очікується від “розумних” мереж

Впровадження інноваційних технологій в електричній системі зможе вирішити старі проблеми та відкрити нові можливості для розвитку, вважають експерти.

“Основна перевага Smart Grid для споживачів – це підвищення надійності та якості електропостачання,” – наголошує Юрій Варецький. 

“Впровадження смарт-технологій в енергетиці України буде відповідати найкращим європейським стандартам і допоможе підняти управління технологічними процесами та ефективність цього сектору на якісно новий рівень, – переконаний Богдан Серебренніков, експерт DiXi Group. – По-перше, смарт-технології забезпечать кращий та варіативний облік споживання електроенергії. Це буде запорукою більш раціонального використання, в тому числі управління попитом на електроенергію й підвищення енергоефективності. По-друге, оператори мереж зможуть краще та ефективніше керувати процесами виробництва, транспортування і споживання електроенергії. Це позитивно вплине на надійність постачань та їхній якісний рівень.”

Експерт додає, що сьогодні в Україні частка домогосподарств із лічильниками, що забезпечують диференційований облік, залишається дуже низькою. Наприклад, у Швеції всі побутові споживачі обладнані такими системами. Подібна проблема існує і в непобутовому секторі, де автоматичні системи контролю є лише у великих промислових споживачів.

“Ціни на оптових ринках електроенергії коливаються протягом доби залежно від динаміки споживання, – зазначає співрозмовник. – Вночі електрику зазвичай продають дешевше, а вдень, під час пікових навантажень, ціни зростають. Отже, запровадження смарт-обліку дасть змогу впроваджувати динамічні або диференційовані тарифи на роздрібному ринку. Це сприятиме більшій гнучкості в управлінні попитом на енергію з боку споживачів.”

Наприклад, оскільки побутова техніка стає дедалі програмованою (з відкладеним запуском), населення матиме можливість переносити деякі етапи електроспоживання (електрообігрів, прання, автоматизоване приготування їжі і так далі) на нічний період, коли електроенергія є значно дешевшою. Непобутові споживачі також зможуть налаштовувати свої режими електроспоживання, – вважає Богдан Серебренніков. – Це дозволить економити гроші, а також сприятиме стабільності роботи енергосистеми.

Експерт звертає увагу на те, що, крім економічних, також існують екологічні вигоди. Адже для реакції на пікові навантаження часто використовуються вугільні ТЕС, що викликає чисельні пуски та зупинки енергоблоків. Нормалізація графіків споживання завдяки адаптації режимів використання дозволить зменшити участь даних станцій у забезпеченні попиту, що, в свою чергу, зменшить викиди забруднюючих речовин і CO2 в атмосферу, а також зменшить споживання вугілля.

Крім того, запровадження смарт-технологій допоможе в кращій інтеграції об'єктів відновлюваної енергетики в енергосистему та дозволить балансувати змінний графік їх виробництва.

“Розумні” мережі, зазначають фахівці, дозволять знизити експлуатаційні витрати та підвищити надійність електропостачання. Саме воно має стати безперервним. Це можливо завдяки автоматизованому управлінню потоками потужності, координації централізованих та розосереджених механізмів генерації, цифровому моніторингу функціонування електроенергетичної системи та іншим факторам. Цей процес вже триває.

Світлана Олійник, спеціально для "Української енергетики"

Теги:Поділитись