В продолжение все более значимой темы блэкаутов мы публикуем обзор статьи, посвященной вопросам обеспечения надежности и устойчивости сетей в условиях экстремальных погодных явлений и других неблагоприятных воздействий. За последние десятилетия во всем мире происходило множество отключений электроэнергии с катастрофическими социальными и экономическими последствиями. Стоимость отключений электроэнергии бывает огромной. Например, блэкаут в Техасе в 2021 году привел к сотням смертей и ущербу в размере $130 млрд.
В статье, опубликованной в журнале IEEE Power & Energy, т. 21, № 3 за 2023 год (автор - Флорин Капитанеску), рассмотрены факторы, снижающие устойчивость электросетей при разрушительных климатических воздействиях в условиях энергетического перехода, и меры по её повышению. В частности, автор подробно описывает отрицательную зависимость устойчивости электросетей от роста доли ВИЭ в генерации, которую, очевидно, подтвердили недавние события в Испании, Португалии и Франции.
Принципы надежности и устойчивости
На практике сеть эксплуатируется на основе компромисса между эксплуатационными расходами и желаемым уровнем надежности. Этот компромисс устанавливается так называемым критерием надежности N-1, который гласит, что сеть с N доступными компонентами должна быть способна выдерживать в любое время отказ любого отдельного компонента (например, линии электропередачи или генератора), в том числе самого мощного единичного источника энергии.
Можно выделить два класса причин отключений электроэнергии. Первая – это основная причина большинства отключений электроэнергии: временный или постоянный отказ компонента сети (например, из-за коротких замыканий или повреждений линий). Он ухудшает условия эксплуатации сверх пределов, которые может выдержать автоматическая защита сети, и приводит к быстрому и неконтролируемому каскаду отключений компонентов (линий электропередач, электростанций и нагрузки). Вторая – несколько поврежденных или вышедших из строя активов (k активов одновременно) вследствие какого-либо стихийного бедствия (урагана и наводнения).
Отключения первой категории происходят из-за того, что операторы не удовлетворяют критерию надежности N-1: сеть не была обеспечена либо преднамеренно (включая человеческую ошибку), либо из-за ошибок прогнозирования и моделирования работы сети и неточности в инструментах принятия решений. Причинами отключений во второй категории является проектирование электросетей без учета считавшихся маловероятными непредвиденных обстоятельств N-k (k>1), т. е. отказа двух или более компонентов сети.
Устойчивость электросети в этом контексте определяется как способность смягчать экстремальные разрушительные события (стихийные бедствия), обладающие низкой вероятностью и высоким воздействием, и восстанавливаться после них. В эксплуатации это формула «устойчивость = надежность N-k (k>1) + восстановление сети».
Рисунок 1 иллюстрирует связь между надежностью и устойчивостью через вероятность и воздействие событий, которые различаются по вероятности, но пересекаются по воздействию. В частности, плохо управляемые обычные события (непредвиденные обстоятельства N-1) также могут приводить к отключениям с высоким воздействием.
Меры по укреплению надежности и устойчивости электросетей
В качестве примеров автор приводит обширный перечень масштабных отключений, происходивших в разных странах мира, с описанием их причин и последствий.
В 1965 году в ходе отключения на северо-востоке США длительностью 13 часов пострадали 25 млн человек. Причиной стало неисправное защитное реле. 2 июля 1996 года на сетях северо-запада США произошла авария с последующим отключением генерации и нагрузки мощностью 11 ГВт. В 2003 году из-за удара молнии в Швейцарии остановился импорт электроэнергии в Италию, где 56 млн человек остались без света на 16 часов. В 2006 году в ЕС произошло преднамеренное отключение электроэнергии вне пиковой нагрузки, затронувшее 10 млн человек.
Самый большой (по количеству пострадавших - более 620 млн пользователей) блэкаут произошел в 2012 году в энергосистеме Индии, уже тогда испытывавшей дефицит генерации. В 2015 году в Турции вся электросеть рухнула за несколько секунд, на несколько часов оставив без света 70 млн человек. 8 января 2021 года в Хорватии из-за неисправности произошло каскадное отключение из-за перегрузки более 10 линий электропередач и сокращение нагрузки в 1,7 ГВт.
Основными мерами по повышению надежности и устойчивости названы: укрепление сети, замена устаревших активов, контроль растительности вокруг воздушных ЛЭП, улучшение координации между операторами в крупных межсетевых соединениях, увеличение пропускной способности межсетевых соединений между странами для лучшего распределения возобновляемой генерации с удаленных объектов. Предлагается также разработать симуляторы отключения электроэнергии для обучения операторов, использовать инструменты визуализации сети в диспетчерской в режиме реального времени, улучшить наблюдаемость сети, вести анализ событий для проверки и улучшения моделей сети.
Первым шагом в предотвращении отключений является удовлетворение принципов надежности N-1. Этот принцип можно модернизировать до критерия (N-k), который должен быть также интегрирован в методики планирования, но конкретных методов для этого, по мнению автора, пока нет. Операторы обсуждают переход от способа принятия решений на основе жестко детерминированного критерия N-1 к адаптивному методу, основанному на контроле общего риска отключения сети, уровень которого должен оставаться ниже порогового значения. Для этого нужно определить подходящие показатели риска, например, объём недоотпуска энергии на этапе восстановления сети.
Преобразования в электросетях в процессе энергетического перехода
Отрицательное влияние на надежность и устойчивость сетей электропередачи, помимо ураганов, гроз и других погодных явлений, оказывает энергопереход, создающий новые формы нестабильности. Большая доля ВИЭ снижает предсказуемость при эксплуатации, заставляет вводить новые схемы потоков мощности, не предусмотренные при планировании сети, увеличивает пиковые нагрузки, а также снижает управляемость сетей вследствие разброса и уменьшения размера контролируемых активов. Вследствие роста цифровизации растет опасность физических (например, дронами) и кибернетических атак объектов энергетики.
Для борьбы с этими факторами предлагаются следующие решения: мониторинг сети, модернизация управления с помощью линий постоянного тока высокого напряжения (HVDC), использование гибких систем передачи переменного тока и водородных электролизеров. Предлагается использовать возможности более быстрого, по сравнению с обычными генераторами, управления силовой электроникой распределенных источников энергии (DER). Операторы распределительной системы должны координироваться с операторами системы передачи для использования части гибкости DER, имеющейся в распределительной сети, для обеспечения надежности системы передачи. Наконец, перспективным видится соединение энергетических систем разных типов (например, водорода для транспортировки и газа для долгосрочного сезонного хранения электроэнергии).
Автор отмечает фундаментальные изменения в динамике электросетей, порождаемые массовым проникновением распределенных и недиспетчируемых источников энергии. Их высокая доля резко снижает инерцию электросети, которая до сих пор обеспечивалась вращающимися массами синхронных генераторов. ВИЭ не могут обеспечить аналогичный объём реактивной мощности, что усложняет контроль напряжения и поддержание стабильности сетей. Переменные ВИЭ, удаленные от мест с высокой нагрузкой, неэффективны для общего контроля напряжения.
Отмечено, что для моделирования работы сети в процессе энергоперехода недостаточны используемые инструменты принятия решений для повышения надежности на день вперед или в реальном времени, например, оптимизация потоков мощности с ограничениями по надежности. Для повышения устойчивости необходимы точные инструменты, способные выполнять множество сложных задач – таких, как моделирование неопределенности при работе DER, точное временное разрешение, создание моделей активных распределительных сетей, отслеживание динамики сети и изменений в управлении частотой и напряжением сети при высоком проникновении ВИЭ. С помощью этих инструментов нужно будет управлять тысячами ВИЭ, осуществлять координацию операторов распределительных сетей с другими операторами для обеспечения гибкости, строить сложные кибер-физические модели энергосистемы и осуществлять имитационное моделирование.
Ключевой вывод статьи в том, что причина многих серьезных отключений кроется в систематическом невыполнении заявляемых требований к надежности по критерию N-1. Отключения будут продолжаться, поскольку все более сложная сеть с миллионами небольших DER не может эффективно управляться для противостояния масштабным стихийным бедствиям.
Переход к принятию решений при эксплуатации сетей на основе вероятностного риска требует новых инструментов поддержки, реализация которых невозможна без высокопроизводительных компьютеров или даже сверхмощных квантовых компьютеров следующего поколения. При этом, заключает автор, методологии и инструменты, относящиеся к устойчивости сети, находятся в стадии разработки и потребуют решения значительно большего количества вычислительных задач, чем для надежности.
Подробнее читайте исходную статью в журнале IEEE Power & Energy (Т. 21, № 3 за 2023 год)
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России