Новости при интелигентните електроенергийни мрежи (Smart Grid)

ЕлектроенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 1, 2013

Още през 2010 г. в броеве 2 и 3 на списание Енерджи ревю, верни на принципа първи да информираме своите читатели за авангардните тенденции в енергетиката, публикувахме две статии, които засягаха предпоставките за развитие, характеристиките, особеностите, техническите и икономическите аспекти на интелигентните електроенергийни мрежи (Smart Grid). Прогресът в тази област продължава с бързи темпове, поради което се появиха не само нови технически средства за реализацията им, но и редица новости в тяхната структура и действие. Вече съществуват реално работещи електроенергийни мрежи, до голяма степен отговарящи на Smart Grid концепцията, като трябва да се подчертае, че тяхната реализация е пряко свързана и с множество други методи за намаляване на консумацията на електроенергия и нежеланите загуби при нейното потребление. Същевременно всички прогнози сочат нарастване с времето на консумираната в света електроенергия с около 75% през 2020 г. в сравнение с 2000 г., което е допълнителен важен стимул за по-ефективното й използване.

Настоящият материал е посветен на съществените нововъведения в Smart Grid технологиите през последните две години.

Новости в същността на Smart Grid

Пренасяната електроенергия във всяка съвременна електроенергийна система непрекъснато се мени и за поддържане на необходимия баланс между производство и консумация към системата се включват и изключват енергийни източници, т. е. производството е като следствие на нуждите. Този отдавна установен метод “производството следва консумацията” (Generation Following the Load) нееднократно е показвал своя недостатък, когато желаната консумация става по-голяма от максимално възможната доставяна енергия - временно изключване на товари или допускане мрежовата честота да намалее под допустимата си долна граница. За избягване на това напоследък бе разработена концепцията “консумацията да следва производството” (Load to Follow Generation) като допълнение към предната с английски термин Demand Dispatch и която да осигури допълнително добър баланс между производството и консумацията. След нейната поява като идея през 2008 г. бързо бе установено, че тя особено успешно може да се използва само в Smart Grid, които разполагат с достатъчно мощни алтернативни източници, включително технически средства за натрупване на електроенергия. Предстоят сериозни обсъждания в световен мащаб за начините на въвеждане на новата концепция (включително разяснителна работа сред потребителите), но два от тях вече са ясни. Първият е въвеждане в Smart Grid на повече от две цени на тока в различните части на денонощието с дистанционно (от доставчика на електроенергия) превключване на тарифите на електромерите. Така потребителите сами ще изключват част от електроуредите си (например бойлерите) и ненужно включени консуматори (например осветлението в помещения без хора) преди преминаването към по-високата тарифа. В опростен вид този начин реално се прилага от десетилетия под името Demand Response (DR), като операторите едновременно с включването на генератори в часовете на най-голямо натоварване изключват и някои специфични консуматори. Съчетаването му със свойствата на Smart Grid със сигурност ще има по-голям ефект, отколкото поотделното използване на DR и Smart Grid (т. нар. Synergy). Вторият начин е въвеждане на поощрения за малка консумация, например едни цени на тока до определена месечна консумация и по-високи над нея.

Също напълно възможно е потребителите да осигурят част от необходимата им електроенергия от собствени източници, например осветлението на дома от вятърния си генератор или акумулаторната батерия на електромобила. Очакванията от практическото въвеждане на тази концепция са многобройни - намаляване на върховите натоварвания, намаляване на възникващите повреди в мрежата и съответно по-голяма сигурност на работата на консуматорите, повишаване на к. п. д. на електропреносната система (главно заради намалените загуби при преноса), намаляване на цената на тока, както и отделяния СО2.

В бр.1/2012 г. на списание Енерджи ревю бяха разгледани основните особености на постояннотоковите електроенергийни мрежи (HVDC). Работи се сериозно те да заемат своето място в Smart Grid концепцията, преди всичко поради по-малките загуби на електроенергия при пренасянето й (средно 3% на 1000 km). Те могат да спомогнат и за създаването на световна Smart Grid структура, обхващаща Европа, Азия и Америка, едно от сериозните предимства на която ще е сравнително равномерното натоварване на мрежата през цялото денонощие, тъй като върховите натоварвания в различните часови зони няма да съвпадат по време.

Независимо от концепцията на Smart Grid за децентрализирано енергопроизводство от малки алтернативни източници се разработват и концентрирани на едно място мощни източници, ползващи слънчевата енергия и тази на вятъра. Най-големите за Европа са планираната в Северна Африка слънчева електроцентрала (стойността на проекта е 45 милиарда евро) и вятърни електроцентрали в северните морета между Англия, Ирландия, Дания и Скандинавския полуостров и тези в Средиземно море между Франция, Корсика, Сардиния и Италия.

Във финансов аспект последното изследване на Electric Power Research Institute в САЩ показва, че вложените средства в изграждането на интелигентни електроенергийни мрежи ще донесат 4 до 5 пъти по-големи приходи, но не се уточнява в какъв срок ще стане това.

Разработването на SG има 5 задължителни етапа.

- Разработка на основните градивни блокове на мрежата - слънчеви и вятърни електроцентрали, алуминиеви проводници за далекопроводи с носещо стоманено жило и работна температура до 250 °С, кабели високо напрежение с алуминиев екран и по-голяма дължина между два комутационни модула за увеличаване на надеждността на системата, кабели на основата на свръхпроводници с около 40% по-малки загуби, подземни кабели средно напрежение без допълнителна защита срещу механични въздействия (Direct Buried Cable), годни за рециклиране кабели при извеждането им от експлоатация с извличане на метала и пластмасите, принадлежности към проводниците и кабелите, комутатори, прибори за максималнотокова защита (Fault Current Limiter) - например такъв прибор за 12 kV-ова мрежа издържа ток на късо съединение до 63 kA, като при възникването му веднага го намалява на 30 kA, а след 10 ms на 7 kA, методи за монтаж и поддръжка на кабелите и приборите, интелигентни електромери. При това трябва да се има предвид, че за разлика от съществуващите електропреносни мрежи, в Smart Grid електроенергията ще се предава “в двете посоки” и количеството й може да бъде много неравномерно разпределено във времето.

- Симулиране на работата на Smart Grid с цел оценка на нейните качества и евентуални слаби места при изграждането им.

- Разработка на методи за контрол на състоянието на мрежата и автоматично установяване на местата на евентуални повреди, заедно с необходимите сензори и измервателни прибори. Контролът е силно децентрализиран и е необходимо събирането на данните в един централен диспечерски пункт. Например на всеки стълб на въздушните линии се монтират сензори за измерване на температурата на всеки от проводниците и сензор за температурата в стълба. Това позволява да се избягва прегряването и съответно се увеличава максималната предавана мощност между 30% и 95%. В кабели също се монтират такива сензори (през известно разстояние) и събираните от тях данни се предават до диспечерски пункт по оптично влакно в кабела. Засега това е възможно в кабели с дължина до 30 km. Методите за контрол включват и алгоритми за наблюдаване на работата на елементите на Smart Grid, които позволяват бързо откриване на възникнал проблем и вземане на решение от операторите за отстраняването му. Типичен пример са интелигентните сензори (Smart Sensor) за контрол на оборудването в трансформаторните подстанции.

- Създаване на необходимите комуникации за контрол и управление на подстанциите на мрежата и за дистанционно отчитане на консумираната електроенергия.

- Създаване на технически решения за безотказна работа на мрежата. Един от тях е т. нар. самовъзстановяваща се мрежа (Self-Healing Network), която при прекъсване на електрозахранването на даден консуматор автоматично го възстановява.

Важно е да се има предвид, че освен данни за показанията на електромерите (Usage Data) по Smart Grid могат да се обменят още 4 вида данни - за формата на напрежението и тока на мрежата (Oscillography), от сензорите за състоянието на мрежата (Telemetry), команди за управление и съобщения (Asynchronous Event Messages) и команди за задействане на устройства и за обработка на някои от предшестващите данни (Meta-data).

Важното място, което заемат Smart Grid, се подчертава от двата нови стандарта IEEE802.15.4g-2012 и IEEE802.16-2012, касаещи различни аспекти на изграждането на интелигентни електроенергийни мрежи.

Оптимизация на Smart Grid

Вече е утвърдено мнението, че ключово условие за добрия контрол на работата на интелигентните електроенергийни мрежи и получаване на максимална ефективност от използването им е тяхната оптимизация. Една от нейните задачи е подобряване на надеждността и намаляване (очаква се с около 20%) на сумите за отстраняване на възникващите повреди, които в световен мащаб според статистиката са около 100 милиарда USD годишно. Друга цел е намаляване на загубите при пренасяне на енергията, стесняване на производствените толеранси на елементите, схемите и системите на Smart Grid. И не по-малко важно е подобряването на параметрите на Smart Grid, свързани с утвърждаването им на пазара - осигуряване на повече електроенергия по дадена мрежа, намаляване на допълнителните работи по подържането, както и на вредните емисии. Оптимизация е необходима и в непрекъснатия контрол на напрежението и предаваната мощност по мрежите, на контрола на многобройните сензори и измервателни уреди, на неизбежно съществуващите ограничения в работата на Smart Grid, както и на проблема за зареждане на електромобили от тях.

В действащата в САЩ National Energy Technology Laboratory (NETL) е разработена Smart Grid Performance Feedback Program с цел оптимизиране на работата по овладяване на особеностите на SG и тяхното изграждане чрез споделяне на опита на различните работещи в тази област и избягване на добре познатите на специалистите повторения на едни и същи грешки поради липса на достатъчно информация от други групи. В програмата, която по своята същност е валидна за специалисти от произволна страна, има четири основни пункта.

- Непрекъснато наблюдение на всички дейности по работата върху Smart Grid, вкл. проектиране, практическа разработка, тестване и поддръжка, като не по-малко важни са дейностите по изготвяне на необходимата документация при спазване на законите и държавните разпоредби. С резултатите от това наблюдение трябва бързо да се запознават всички работещи в областта.

- Извършване на обективна оценка на всички получени резултати с цел полезни изводи за подобряване на бъдещата работа.

- Осигуряване на изпращането на достоверни данни и информация за извършените дейности с полезни заключения и препоръки.

- Запознаване на обществеността с постигнатите резултати и осигуряване на обучение за овладяването им.

От реализацията и приложението на тази програма се очакват множество положителни резултати при разработката и въвеждането в експлоатация на Smart Grid в различните държави. От тях могат да се отбележат подобряване на к. п. д. и ефикасността на Smart Grid, получаване на по-добро отношение получени ползи/направени разходи, успешна разработка на правила и стандарти за ползване на Smart Grid и максимално ефективно използване на предимствата им.

Извън тази програма важен елемент в оптимизацията на Smart Grid е натрупването на статистика за повредите и изводи от нея за подобряване на функционирането.

Необходимост от комуникации

На фиг. 1 е показана типична интелигентна електроенергийна мрежа, като с оранжеви линии е показано двупосочното движение на електроенергията, а със сини линии - също двупосочният обмен на комуникационни данни. Благодарение на управлението чрез комуникационната мрежа се осигурява споменатата възможност за регулиране на консумацията. Реализирането на комуникационната мрежа може да става по различни начини. Един от тях е съществуваща клетъчна компютърна мрежа, като всеки източник и консуматор на SG има свой IP адрес. Разработени са електромери и маршрутизатори с необходимите програмни продукти за бързо вграждане в Smart Grid, като обикновено производителят на комуникационно оборудване предлага и професионална техническа помощ. Към комуникационната мрежа могат да се свързват още фотоволтаици и електромобили. Сред предимствата са малките капиталовложения поради използването на готова мрежа, осъществяване на връзки тип точка до точка (Point-to-Point), лесно инсталиране на устройствата (от типа Plug-and-Play), криптиране на обменяните данни. Не по-малко важно е, че маршрутизаторите (Adaptive Grid Router) могат да свързват устройства на S Smart Grid чрез WAN, LAN и HAN. За вграждане в електромери са създадени модули (Cellular Module) за съхраняване на данните от измерването и изпращането им по мрежата. Освен това модулът може да се включва и изключва дистанционно, да контролира мрежовото напрежение и регистрира повреди по електрическата мрежа.

Според създателите на OpenWay System, надеждна система за Smart Grid, към нея освен електромери и измерители на консумацията на газ, могат да се свързват фотоволтаици и електромобили. Тя дава информация на потребителите за консумираната енергия върху екрана на специално разработеното устройство OpenWay Collection Engine. То избира и обработва данните, които могат да се четат дистанционно по мрежата. За увеличаване на обхвата се използват безжични рутери с 3 обхвата (900 MHz, 2,4 GHz и 5,8 GHz).

Друг пример е мрежата Echelon LonWorks, понастоящем използвана от над 35 милиона домакинства с близо 100 милиона прибори, която работи в съответствие със стандарта ISO/IEC14908.1. Специално за нея са разработени интелигентни приемопредаватели (Smart Transceiver), осигуряващи и връзка по електрическата мрежа. Всички те работят със специален процесор. Чрез LonWorks са реализирани мрежи от електромери с надеждност над 99%.

За осигуряване на бърз и ефективен контрол и защита на Smart Grid е необходимо измерване на параметрите веднъж на всеки период, което означава събиране на голямо количество данни и бързото им пренасяне. В споменатата лаборатория NETL е разработен проект за използване като преносна среда на мрежата високо напрежение Една от експериментално реализираните връзки е по 69-киловолтова мрежа, като на разстояние 8 km е постигната скорост 10 Mbps.

Многобройните предимства и доказаната ефективност на Интернет протоколите са предпоставка за използването им в Smart Grid системи. Разработена е експериментална мрежа на основата на протокола IPv6 за връзка между електромери на разстояние до 1,5 km. Като преносна среда се използва както електрическата мрежа ниско напрежение, така и безжични връзки в нелицензираните обхвати 435 MHz и 2,4 GHz при скорост на обмен на данните 250 kbps.

Нови технически средства

На първо място са приборите за измерване на различни параметри на електрическата мрежа, като най-голям е делът на електромерите. Тяхната най-разпространена разновидност е за измерване на мощност - през 2011 г. в света са били инсталирани 1,43 милиарда такива електромери (Advanced Meter Reading) AMR, а прогнозите за 2016 г. са за удвояване на броя им, при което ще представляват 35% от всички електромери. Според директива на Европейския съюз през 2020 г. трябва 80% от електромерите да са AMR.

През януари 2013 г. на пазара бяха представени два специализирани процесора за измерване на електроенергия в еднофазни мрежи, които значително улесняват и опростяват реализацията на електромери. Единият (78M6610+LMU) е предназначен предимно за домашно ползване, включително за измерване на енергията при зареждане на електромобили и от инвертори на фотоволтаични панели, докато вторият (78M6610+PSU) е главно за измерване на консумацията в компютърни и телекомуникационни центрове.

Сериозно развитие имат електромери за измерване на множество величини. Един типичен серийно произвеждан прибор измерва над 100 параметъра, между които напрежението и тока, активната, реактивната и привидната мощност, напрежението и тока на хармониците (до 19-тия) и енергията. Резултатите се изписват на дисплея и изпращат по комуникационна линия чрез PROFIBUS DP или MODBUS RTU/ASCII. За индустриални цели (производствени предприятия и подстанции) се използват електромери за напрежение, ток, мощност, cosj, енергия и евентуално честота. Данните от измерването могат да се получават на аналогови изходи като постоянно напрежение и ток.

Друга разновидност са приборите за измерване на качеството на енергията (Power Quality), което означава оценка дали нейните параметри съвпадат с изискванията на определен стандарт. Почти изцяло се използват в индустриални условия, нямат дисплей, а резултатите се изпращат по комуникационна магистрала. Типичен подобен прибор има възможности за измерване на честота, бавни (за регистриране на изключване) и бързи (за нежелани отскоци) промени на напрежението, хармоници (до 50-ия) и тези от интермодулационни изкривявания (до 10-ия), регистрация на грешки (излизане извън нормите на стандарта EN50610), на времедиаграмата и сравнение с оценка на качеството на енергията с нормите на стандарта.

Характерни също са измерителите на хармоници, като за синусоидални напрежения се дава амплитудата и фазата на хармониците, но се извършва същото за единични и двойни правоъгълни импулси. Във всички случаи амплитудите на хармониците са като процент от тази на измервания сигнал.

Една от функциите на Smart Grid е дистанционното включване, изключване и регулиране на действието на консуматори (например включване на определена мощност), типичен прибор, осигуряващ подобна функционалност се свързва към Ethernet, като на екрана на компютър, включен към мрeжата, се получава карта на всички управляеми прибори - климатици, радиатори, вентилатори, електрически печки, перални, бойлери, осветителни тела, охранителна система, електромер. Всеки от приборите е с вградена карта, която получава управляващи сигнали от компютъра и осъществява необходимото управление.

Освен измервателни се използват и други типове прибори. Например множество консуматори поради естеството на своето функциониране генерират напрежения, които оказват влияние върху работата на електроенергийната мрежа. За компенсацията им се използват т. нар. Consumer Backup Generators (BUGS), които чрез работата си приближават напрежението на мрежата до идеалната синусоидална форма. Това има и икономически ефект, тъй като намаляват загубите при преобразуване на енергията от трансформаторите и съответно намалява цената й. Разполагането на BUGS може да е на едно място в електроенергийната мрежа или разпределено (генератори с по-малка мощност на много места).

В Smart Grid едни от източниците на енергия са променливотокови (електрическата мрежа, вятърните турбини), а другите - постояннотокови (фотоволтаиците, акумулаторите за съхранение на енергия). Поради това задължителен елемент са преобразувателите на всеки вид енергия в другия. Те могат да са за големи и малки мощности, като на фиг. 2 е даден външният вид на двупосочен мощен преобразувател (на променливо в постоянно напрежение и обратно) - Bi-directional inverter/charger с постояннотокова мощност 70 MVA и променливотокова 60 MWh.

Европейски проекти

В периода 2011-2012 г. в 22 европейски страни са реализирани 203 проекта, свързани със Smart Grid и разделени в 12 области. От тях 146 са свързани с разпределените източници на енергия (Distributed Energy Resources) DER и новите им области на приложение. Някои от останалите са интегриране на интелигентните измервателни прибори (Integration of Smart Metering), интелигентни електроразпределителни мрежи (Smart Distribution Network), инфраструктура за обслужване на хибридни и електромобили (Infrastructure to host EV/PHEV), автоматизация и контрол на мрежи средно напрежение и интегрирани комуникационни решения.





Top