Ставшая в последние годы популярной в мире концепция «Умного города» ставит целью городского управления обеспечение безопасной и устойчивой среды для граждан, их высокого уровня жизни. Такой подход предъявляет серьезные требования к системе энергоснабжения города: она должна быть надежной, эффективной и устойчивой к атакам, доступной и избыточной по мощности. Входящие в энергосистему компоненты генерации, передачи, распределения и управления энергией должны быть модульными, автоматизированными, надежными, безопасными и контролируемыми.
В журнале Power & Energy (т. 20, № 5 за 2022 г.) опубликована статья китайских авторов (Лои Лей Лай, Хао Тянь Чжан) с описанием трёх проектов, реализованных в городах Китая в соответствии с указанными принципами построения интеллектуальной энергетики.
Система управления гибридной генерацией и сетью
Первый проект – мульти-энергетическая система управления в г. Голмуд (провинция Цинхай), которая координирует генерацию в составе ветроэнергетических установок мощностью 400 МВт, фотоэлектрических установок мощностью 200 МВт, солнечных тепловых установок мощностью 50 МВт и аккумуляторной батареи мощностью 50 МВт.
Система управления в реальном времени интегрирует данные измерений о рабочих состояниях ветрогенераторов, солнечных панелей и коллекторов, накопителей энергии. На основе инструкций и планов (на день вперед и внутри дня), получаемых от системы автоматизации региональной сети, рассчитываются решения по управлению генерацией и накопителями с целью минимизации отклонения от целевых значений с учетом возможностей сети в реальном времени. Данные о состоянии системы, её взаимодействия с другими системами и статистика направляются в центр управления платформы для хранения и аналитики.
Мульти-энергетическая система может работать в двух режимах управления. В общем режиме команды по управлению генерацией на базе ВИЭ рассчитываются региональным диспетчерским центром и выдаются электростанциям напрямую. В локальном режиме управления региональный диспетчер выдает только целевое значение активной мощности и напряжения на стороне линии 330 кВ, на основе которого система сама делает расчеты и выдает команды электростанциям и накопителям.
При обнаружении аномальных событий и небезопасных состояний, таких как перегрузка линии и перенапряжение на шинах, система автоматически ускоряет период расчета и управления до 10 с.
Описанное решение эксплуатируется с января 2019 года. Диапазон адаптивной регулировки частоты составляет 48,0 ÷ 50,5 Гц, напряжения – 0,9 ÷ 1,1 относительных единиц. Время реакции с устоявшимся реактивным напряжением составляет ≤ 3 с, переходным реактивным напряжением ≤ 100 мс. Время начала первичной частотной модуляции составляет ≤ 1 с; время реакции и время регулирования составляют, соответственно, ≤ 5 с и ≤ 10 с. Время реакции инерции составляет ≤ 200 мс, а ошибка управления регулированием активной мощности оказывается в пределах ±2%.
Время расчетной оценки при реагировании системы на колебания составляет ≤ 1 мин, отклонение управления ≤ 2%. Годовая выработка электроэнергии на ВИЭ составляет около 1,26 млрд кВт·ч, это экономит около 0,4 млн тонн угля в год.
Гибридная система переменного и постоянного тока
Второй проект реализован в г. Тонгли, пригороде г. Сучжоу (провинция Цзянсу). Это гибридная распределенная система возобновляемой энергии переменного и постоянного тока, построенная Государственной сетевой корпорацией (SGCC) и правительством провинции Цзянсу в рамках проекта муниципального правительства г. Сучжоу «Зеленый Тонгли».
Проект был запущен в октябре 2018 года. Он решил проблемы координации и обмена информацией между системой управления и защиты и ключевым оборудованием переменного и постоянного тока (силовыми электронными трансформаторами и контроллерами тока короткого замыкания).
Благодаря этому максимальный уровень использования ВИЭ в системе может быть увеличен с 30 до 40%, что позволит заместить потребление около 110 млн т угля в год и сократить выбросы углекислого газа на 250 тыс. т на угольных электростанциях в Сучжоу. Низковольтная система распределения постоянного тока минимизирует количество требуемых распределительных линий и снижает потери мощности, достигая годовой экономии электроэнергии около 500 МВт⋅ч. Функции силовых электронных (твердотельных) трансформаторов (электрическая изоляция, компенсация реактивной мощности и активная фильтрация) используются для эффективного подавления влияния колебаний выработки на качество электроэнергии. Ежегодные экономические потери потребителей электроэнергии могут быть сокращены примерно на 3 млн юаней.
Послеаварийная система поддержки принятия решений
Третий проект создает систему поддержки принятия решений по восстановлению электроснабжения в режиме онлайн и реализуется в г. Циндао (провинция Шаньдун). Задачи системы – быстрое восстановление электроснабжения и предотвращение экстремальных аварийных ситуаций в целях обеспечения электроснабжения нагрузок региональной энергосистемы.
Система включает интеллектуальные устройства, подключенные к Интернету вещей (IoT) и электрической сети. В системе выделяются три модуля: мониторинга сети, аварийного ремонта и управления восстановлением в реальном времени.
Оценка состояния сетей в случае аварии производится в два этапа. На первом этапе система управления распределением (DMS) и система диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) предоставляют информацию об убытках в результате аварии и типе неисправности. Беспилотные летательные аппараты проводят идентификацию неисправности по видео для определения повреждений и типа необходимых восстановительных работ. На втором этапе аварийно-ремонтная группа по прибытии подтверждает и дополняет полученную информацию, после чего составляется оптимальный план аварийного ремонта.
Дальнейшие шаги системы – оценка стоимости восстановления электроснабжения, оптимизация схемы восстановления, реализация плана восстановления и мониторинг процесса восстановления.
Проект был введен в эксплуатацию в июне 2020 года. Система позволяет принимать решения по восстановлению сети в режиме онлайн на уровне минут, улучшает возможности восстановления электроснабжения региональной электросети и повышает уровень обслуживания электроснабжения.
В режиме раннего оповещения время принятия решений по предотвращению и контролю потенциальных рисков электросети не превышает 10 минут. Пассивный ремонт после аварии заменяется активным предупреждением до аварии. Общее время устранения аварий, связанных с отключением электроэнергии, сокращается как минимум на 30%, значительно сокращаются потери от отключения электроэнергии региональной электросети в экстремальных погодных условиях. Реализованы онлайн-прогнозирование, оповещение и предотвращение рисков, а также управление электросетью в случае стихийных бедствий. Уровень рисков работы электросети, вызванных внешними катастрофами, гарантированно составляет менее 20%.
В заключение авторы приводят ряд проблем, выявленных в ходе реализации проектов. Это недостаточность существующих вспомогательных средств принятия решений, отсутствие эффективного совместного принятия решений между различными уровнями диспетчеризации, невозможность своевременного получения и интеграции данных всех уровней планирования, а также отсутствие инструментов онлайн-оценки для экстренных нужд.
***
Передовой, революционный характер трех описанных решений определяется изменением функции электрических сетей и сетевых компаний. Электрические сети из инфраструктуры транспорта электроэнергии превращаются в описанных проектах в технологические платформы интеграции распределенных источников энергии, а сетевые компании – в операторов распределенных энергосистем, отвечающих за их системную надежность и качество электроэнергии в них. При этом используются как инструменты управления режимом, включая управление инверторами ВИЭ, так и новые архитектурные решения, такие как частичный переход на постоянный ток.
Более подробно с оригиналом статьи можно ознакомиться в Power & Energy Magazine (т. 20, № 5 за 2022 год).
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России
