ОТЧЕТ
о разработке стратегической программы исследований
технологической платформы
«Интеллектуальная энергетическая система России»
Москва 2012
Содержание
Раздел
|
Стр.
|
Введение
|
3
|
Текущие тенденции развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы
|
4
|
Прогноз развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы
|
16
|
Направления исследований и разработок, наиболее перспективных для развития в рамках платформы
|
45
|
Тематический план работ и проектов платформы в сфере исследований и разработок
|
51
|
Мероприятия в области создания результатов интеллектуальной деятельности и управления их распределением
|
52
|
Меры в области подготовки и развития научных и инженерно-технических кадров
|
52
|
Заключение
|
53
|
Введение
В последнее десятилетие в передовых странах мира развиваются технологии Smart Grid (интеллектуальная сеть), которые рассматриваются как основа модернизации и инновационного развития электроэнергетики.
Новейшие технологии, применяемые в сетях, основанные на адаптации характеристик оборудования в зависимости от режимной ситуации, активное взаимодействие с генерацией и потребителями позволяют создавать эффективно функционирующую систему, в которую встраиваются современные информационно-диагностические системы, системы автоматизации управления всеми элементами, включенными в процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии.
Электрическая сеть из пассивного устройства транспорта и распределения электроэнергии превращается в активный элемент, параметры и характеристики которой изменяются в зависимости от требований режимов работы в реальном времени, в которой все субъекты электроэнергетического рынка (генерация, сеть, потребители) принимают активное участие в процессах передачи и распределения электроэнергии.
Для реализации этой новой функции сети оснащаются современными быстродействующими устройствами силовой электроники и электромашиновентильных систем, системами, обеспечивающими получение информации в режиме on-line о режимах работы сети и состоянии оборудования. В сетях и у потребителя находят широкое применение различного рода накопители (аккумуляторы) электрической энергии, а потребители становятся активными участниками процесса распределения и потребления электроэнергии.
Сети оснащаются современными системами автоматизации управления нормальными и аварийными режимами работы, используются мощные компьютерные средства для управления и оценки состояния режимов работы.
Для целей достижения энергоэффективности, снижения потерь, помимо применения современного экономичного оборудования и технологий применяются и прорывные технологии, такие как использование явления высокотемпературной сверхпроводимости.
Для организации взаимодействия и координации деятельности сторон, заинтересованных в широком внедрении интеллектуальных технологий, создана технологическая платформа «Интеллектуальная энергетическая система России» (ТП ИЭС). О своей заинтересованности в участи в работе ТП ИЭС на сегодня заявили более 140 организаций.
В следующих разделах представлены предварительные результаты работы по разработке стратегической программы исследований ТП ИЭС.
Раздел 1. Текущие тенденции развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы
В последнее десятилетие во всем мире интенсивно развивается направление научно-технологического инновационного преобразования электроэнергетики на базе новой концепции, получившей название Smart Grid, интерпретированное в различных переводах, в основном, как – «интеллектуальная (умная) сеть (энергосистема)».
Основными идеологами разработки такой концепции выступили США и страны Европейского Союза (ЕС), принявшие ее как основу своей национальной политики энергетического и инновационного развития. В последующем концепция Smart Grid получила признание и развитие практически во всех крупных индустриально развитых и динамично развивающихся странах, где развернут широкий спектр деятельности в этом направлении.
Наиболее масштабные программы и проекты разработаны и реализуются в США и странах Евросоюза, Канаде, Австралии, Китае и Корее: так, например, в США такая программа имеет статус национальной и осуществляется при прямой поддержке политического руководства страны, а в странах Европейского Союза для координации работ и выработки единой стратегии развития электроэнергетики в 2004 году создана технологическая платформа Smart Grids – «Европейская энергетическая система будущего», конечной целью которой является разработка и реализация программы развития Европейской энергетической системы до 2020 года и далее.
Smart Grid рассматривается за рубежом, прежде всего, как концепция инновационного преобразования электроэнергетики на основе целостной системы видения ее роли и места в современном и будущем обществе, определяющем требования к ней, подходов к обеспечению этих требований, принципов и способов осуществления и необходимого технологического базиса для реализации, в которой новым технологиям и устройствам отводится роль одного из основных способов и инструментов его осуществления.
В основу концепции положена разработанная целостная и всесторонне согласованная в обществе система взглядов (видения) на роль и место электроэнергетики на перспективу, целей и требований к ее развитию, подходов к их осуществления, принципов и способов реализации и создания необходимого технологического базиса. Наиболее отчетливо и полно это сформулировано в основополагающих материалах, представленных государственными структурами ЕС и США.
Причины возникновения новой концепции связаны, в первую очередь, с тем, что последние десятилетия прогнозируемое развитие во всем мире характеризуется возникновением целого ряда факторов, определяющих необходимость кардинальных преобразований в электроэнергетике:
постоянное повышение стоимости электроэнергии во всем мире;
необходимость повышения энергетической и экологической эффективности электроэнергетики;
рост требований потребителей к надежности и качеству электроснабжения появление прогрессивных технологий в результате НТП, не нашедших должного применения в современной электроэнергетике;
снижение надежности энергоснабжения;
изменение условий функционирования рынков электроэнергии и мощности.
Исходя из этого, за рубежом был проведен глубокий анализ возможных путей развития электроэнергетики, результаты которого показали наличие серьезных ограничений возможностей развития отрасли, в рамках прежней экстенсивной концепции, основанной преимущественно на улучшении отдельных видов оборудования и технологий, обладающих даже более совершенными по сравнению с достигнутыми на сегодня функциями и характеристиками.
В качестве наиболее значимых факторов рассматривались:
ограниченность возможности дальнейшего наращивания, как объемов, так и повышения эффективности генерирующих мощностей, в т.ч. и в силу исчерпаемости в долгосрочной перспективе не возобновляемых видов топлива, а также и появления существенных экологических ограничений, сдерживание развития сетевой инфраструктуры, в первую очередь, в районах с высокой плотностью населения, все более возрастающими техногенными и инфраструктурными рисками развития;
низкий потенциал повышения эффективности использования ресурсов: существующая технологическая база энергетики практически исчерпала возможности повышения производительности оборудования;
ограниченность инвестиционных ресурсов для строительства новых энергетических объектов и развития сетевой инфраструктуры.
Результаты исследований за рубежом показали, что учет всех факторов развития электроэнергетики в будущем требует изменения принципов и механизмов ее функционирования, способных обеспечить общественное развитие, прорывное повышение потребительских свойств и эффективности использования энергии.
Это решение потребовало разработки новой концепции инновационного развития электроэнергетики, которая, с одной стороны, соответствовала бы современным взглядам, целям и ценностям социального и общественного развития, формирующимися и ожидаемыми потребностями людей и общества в целом, а, с другой, максимально учитывала основные тенденции и направления научно-технического прогресса во всех отраслях, сферах жизни и деятельности общества. Такой концепцией и стала Smart Grid.
Следует отметить, что публично представленные на сегодня разработанные подходы и варианты концепции не воспринимаются как нечто законченное и нормативно зафиксированное - их развитие, конкретизация и апробация ставится за рубежом как одна из основных задач.
Проведенный в рамках исследования анализ зарубежного опыта позволил сформулировать следующие исходные положения, принятые при разработке и развитии концепции Smart Grid за рубежом:
Концепция Smart Grid предполагает системное преобразование электроэнергетики (энергосистемы) и затрагивает все ее основные элементы: генерацию, передачу и распределение (включая и коммунальную сферу), сбыт и диспетчеризацию;
Энергетическая система рассматривается в будущем как подобная сети Интернет инфраструктура, предназначенная для поддержки энергетических, информационных, экономических и финансовых взаимоотношений между всеми субъектами энергетического рынка и другими заинтересованными сторонами;
Развитие электроэнергетики должно быть направлено на развитие существующих и создание новых функциональных свойств энергосистемы и ее элементов, обеспечивающих в наибольшей степени достижение ключевых ценностей новой электроэнергетики, выработанных в результате совместного видения всеми заинтересованными сторонами целей и путей ее развития;
Электрическая сеть (все ее элементы) рассматривается как основной объект формирования нового технологического базиса, дающего возможность существенного улучшения достигнутых и создания новых функциональных свойств энергосистемы;
5 Разработка концепции комплексно охватывает все основные направления развития: от исследований до практического применения и тиражирования и должна вестись на научном, нормативно-правовом, технологическом, техническом, организационном, управленческом и информационном уровнях.
6. Реализация концепции носит инновационный характер и дает толчок к переходу к новому технологическому укладу в электроэнергетике и в экономике в целом.
В рамках развиваемой концепции Smart Grid разнообразие требований всех заинтересованных сторон (государства, потребителей, регуляторов, энергетических компаний, сбытовых и коммунальных организаций, собственников, производителей оборудования и др.) сведено к группе так называемых ключевых требований (ценностей) новой электроэнергетики, сформулированных как:
доступность – обеспечение потребителей энергией без ограничений в зависимости от того, когда и где она им необходима, и в зависимости от оплачиваемого качества;
надежность – возможность противостояния физическим и информационным негативным воздействиям без тотальных отключений или высоких затрат на восстановительные работы, максимально быстрое восстановление (самовосстановление);
экономичность – оптимизация тарифов на электрическую энергию для потребителей и снижение общесистемных затрат;
эффективность – максимизация эффективности использования всех видов ресурсов и технологий при производстве, передаче, распределении и потреблении электроэнергии;
органичность взаимодействия с окружающей средой - максимально возможное снижение негативных экологических воздействий
безопасность – не допущение ситуаций в электроэнергетике, опасных для людей и окружающей среды.
Принципиально новым здесь является то, что все выдвинутые ключевые требования (ценности) предполагается рассматривать как равноправные, и степень их приоритетности, уровня и соотношения не являются общими, нормативно зафиксированными для всех, а могут определяться и осуществляться для каждого рассматриваемого субъекта энергетических отношений (энергокомпания, регион, город, домохозяйство и т.п.) по существу индивидуально.
В такой постановке задача развития энергетики из преимущественно балансовой трансформируется в задачу создания, развития и предоставления потребителю и обществу в целом, своего рода, «меню» энергетических возможностей.
В рамках концепции Smart Grid для достижения ключевых требований (ценностей) предполагается развитие следующих функциональных характеристик
1. Самовосстановление при аварийных возмущениях: энергосистема и ее элементы должны постоянно поддерживают свое техническое состояние на требуемом уровне путем идентификации, анализа и перехода от управления по факту возмущения к предупреждению аварийного повреждения.
2. Мотивация активного поведения конечного потребителя: обеспечение возможности самостоятельного изменения потребителями объема и потребительских характеристик (уровня надежности, качества и т.п.) получаемой энергии на основании баланса своих потребностей и возможностей энергосистемы с использованием информации о характеристиках цен, объемов, надежности, качестве и др.
3. Сопротивление негативным влияниям: наличие специальных методов обеспечения устойчивости и живучести, снижающих физическую и информационную уязвимость всех составляющих энергосистемы и способствующих как предотвращению, так и быстрому восстановлению ее после аварий в соответствии с требованиями энергетической безопасности.
4. Обеспечение надежности и качества электроэнергии путем перехода от системно-ориентированного подхода (System-based approach) к обеспечению этих свойств к клиентоориентированному (Customer-based), и поддержанию различных уровней надежности и качества энергии в различных ценовых сегментах.
5. Многообразие типов электростанций и систем аккумулирования электроэнергии (распределенная генерация): оптимальная интеграция электростанций и систем аккумулирования электроэнергии различных типов и мощностей путем подключения их к энергосистеме по стандартизованным процедурам технического присоединения и переход к созданию «микроэнергосистем» (Microgrid) на стороне конечных пользователей.
6. Расширение рынков мощности и энергии до конечного потребителя: открытый доступ на рынки электроэнергии активного потребителя и распределенной генерации, способствующий повышению результативности и эффективности розничного рынка.
7. Оптимизация управления активами: переход к удаленному мониторингу производственных активов в режиме реального времени, интегрированному в корпоративные системы управления, для повышения эффективности оптимизации режимов работы и совершенствования процессов эксплуатации, ремонтов и замены оборудования по его состоянию, и, как следствие, обеспечение снижения общесистемных затрат
Реализация выдвинутых ключевых требований (ценностей) и осуществление функциональных свойств (принципиальных характеристик) рассматриваются в рамках концепции Smart Grid с позиций идентификации обеспечивающих их ключевых (базовых) технологических областей и технологий или технологического базиса, требующих соответствующего инновационного развития.
Под технологическим базисом здесь понимается совокупность технологий, позволяющих обеспечивать согласованную структуру промежуточных и конечных продуктов и услуг на определенном этапе развития отрасли. В концепции Smart Grid при формировании технологического базиса за рубежом рассматривается как необходимый вопрос обеспечения технологической преемственности перехода от существующей технологической базы энергетики к новой с минимально возможными издержками.
В США и Европейском Союзе решение этих проблем предполагается путем создания некоего нормативного поля (пространства), формируемого в виде широкой системы стандартов и требований к функциям, элементам, устройствам, системе взаимодействий и т.д. (так, например, в США планируется разработка более 100 видов стандартов), в рамках которых разработчикам и производителям предоставлено право и возможность создания предложения, а пользователям (энергетическим компаниям и потребителям) – формирование «своей» Smart Grid, как они это для себя видят (принцип или эффект паззла).
С целью создания нового, инновационного технологического базиса энергетики были сформированы пять групп ключевых технологических областей, обеспечивающих, прорывной характер:
измерительные приборы и устройства, включающие, в первую очередь, smart счетчики и smart-датчики;
усовершенствованные методы управления: распределенные интеллектуальные системы управления и аналитические инструменты для поддержки коммуникаций на уровне объектов энергосистемы, работающие в режиме реального времени и позволяющие реализовать новые алгоритмы и методики управления энергосистемой, включая управление её активными элементами
усовершенствованные технологии и компоненты электрической сети: гибкие передачи переменного тока FACTS, постоянный ток, сверхпроводящие кабели, полупроводниковая, силовая электроника, накопители и пр.
интегрированные интерфейсы и методы поддержки принятия решений, управление спросом, распределенная система мониторинга и контроля (DMCS), распределенная система текущего контроля за генерацией (DGMS), автоматическая система измерения протекающих процессов (AMOS), и т.д., а также новые методы планирования и проектирования как развития, так и функционирования энергосистемы и ее элементов.
интегрированные коммуникации, которые позволяют элементам первых четырех групп обеспечивать взаимосвязь и взаимодействие друг с другом, что и представляет, по существу, Smart Grid как технологическую систему.
В настоящее время в секторе магистральных сетей наибольшее распространение и развитие получили следующие группы технологий (табл.1):
Таблица 1
Ключевые технологии, развиваемые в секторе магистральных сетей за рубежом
Инновационные компоненты и технологии
|
Технологии аккумулирования электроэнергии
|
Технологии сверхпроводимости
|
Токоограничивающие устройства
|
Технологии цифровой подстанции
|
Технологии передачи энергии постоянным током
|
Технологии управляемых электропередач переменного тока
|
Системы мониторинга и защиты от внешних воздействий
|
Технологии контроля и защиты от внешних воздействий
|
Технологии мониторинга и диагностики электрических сетей
|
Системы управления
|
Технологии адаптивного автоматизированного и автоматического управления
|
Технологии интеллектуального управления
|
Мониторинг активности в электросетевой сфере за рубежом показывает, что уровень инновационности принимаемых решений в распределительном комплексе выше, чем в передаче высокого напряжения. В Приложении 1 приведены основные технологии и области инновационного развития зарубежных электросетевых распределительных компаний.
Это объясняется целой совокупностью факторов, и прежде всего, это следствие необходимости присоединения ВИЭ и распределенной генерации, а также непосредственной связью с потребителем. Тем не менее, сети высокого напряжения являются важнейшей составляющей концепции Smart Grid, что подтверждается широким спектром пилотных проектов и инновационных решений в этой области.
Выделим лишь несколько типичных пилотных проектов в магистральных сетях, реализуемых за рубежом:
1. Мультиуровневые технологии VSC (Voltage-Sourced Converter) для передачи электроэнергии. Siemens Energy, США и Германия.
Инновационные решения HVDC (High Voltage Direct Current) и FACTS (Flexible AC Transmission Systems), реализуемые в рамках проекта, обеспечивают адаптацию к новым вызовам умной сети. Новые технологии силовой электроники с самокоммутирующимися конвертерами обеспечивают усовершенствованные технические характеристики, такие как независимый контроль активной и реактивной мощности, способность снабжать слабые или пассивные сети, а также меньшие требования по пространству для размещения VSC стал стандартом для самокоммутирующихся конвертеров и будет все больше использоваться в системах высокого напряжения в будущем.
2. Разработка технологии оперативного контроля для автономных энергосистем., Central Research Institute of the Electric Power Industry (CRIEPI), (Tokyo).)
Этот проект является частью программы внедрения автономных энергосистем, целью которой является обеспечение подключения и эффективная эксплуатация распределенной генерации, предотвращая влияние на качество электроснабжения и безопасность. Целью проекта является демонстрация метода непрерывного электроснабжения в условиях изолированного функционирования высоковольтной секции сети, используя Loop Power Control, а также разработка и демонстрация изолированного функционирования распределительной сети низкого напряжения с ВИЭ, аккумуляторами электроэнергии и технологией отключения отдельной потребительской нагрузки. Были проведены демонстрационные испытания, которые подтвердили, что в результате применения разработанного метода изолированное функционирование всей сети низкого напряжения может продолжаться во время аварий, не допуская отключений у домашних потребителей.
3. «Strong Smart Grid». Проект китайской сетевой компании State Grid совместно с McKinsey:
State Grid планирует развернуть систему Смарт Грид, в которую с в него входит передача сверхвысокого напряжения (UHV) с усовершенствованными учетными приборами (AMI) и модернизованными сетевыми устройствами к 2020 году. Устройствам сети придается особое внимание в краткосрочном периоде, поскольку Китай планирует развить систему передачи на сверхвысоком напряжении, чтобы улучшить передачу напряжения из энергоизбыточных центральных и западных районов в энергодефицитные районы побережья.
Журнал Transmission&Distribution World и консалтинговая компания Black&Veatch провели глобальное исследование1, направленное на оценку направленности электросетевых компаний в области развития Smart Grid (Black&Veatch и T&D World опросили представителей 91 компании).
Около 80% респондентов планируют реализовывать проекты по созданию интеллектуальной сети, считая повышение надежности главным фактором, обуславливающим актуальность этой задачи, и снижение операционных издержек вторым по значимости фактором. Около 23% респондентов указали, что они планируют потратить на реализацию проектов Smart Grid от 5 до 10 млн. долл., 21% заявили объем инвестиций от 1 до 5 млн. долл. Подавляющее большинство опрошенных (79%) назвали развитие систем автоматизированного коммерческого учета энергоресурсов первоочередной задачей на пути к Smart Grid. Также отмечается высокая позиция систем автоматизации распределительных сетей и систем управления и мониторинга нагрузки в рейтинге технологий интеллектуальных сетей.
Результаты исследования представлены на рисунке 1.
Рис. 1 - Перспективные технологии Smart Grid2
Концепция Smart Grid не имеет за рубежом границ между передачей и распределением электроэнергии, т.к. в перспективе будет постепенно стираться граница, базирующаяся на режимах работы. Задачи, определенные зарубежными странами для внедрения концепции Smart Grid в сфере магистральных сетей:
оценка безопасности магистральных электросетей в режиме реального времени – инновационные решения для потребностей анализа безопасности в режиме реального времени энергосистем с высокой нагрузкой и для применения в динамических расчетах при принятии решений в режиме реального времени;
оценка состояния передающих электросетей – новые приемы для обеспечения качества и точности данных об энергосистеме в режиме реального времени (например, более широкое применение технологии WAMS);
повышение безопасности передающих электросетей – новые приемы в повышении безопасности электросетей и обеспечение непревышения установленных пределов функциональной стабильности;
визуализация: представление комплексных и критических условий системы через интерфейс пользователя.
В последние годы к осуществлению программ и проектов в направлении Smart Grid, охватывающих широкий спектр проблем и задач, приступило подавляющее большинство индустриально развитых, а также многие развивающиеся страны. Наиболее масштабные программы и проекты в этом направлении разработаны и осуществляются в США, Канаде и странах Евросоюза. Принято решение о разработке и реализации аналогичных программ и проектов в ряде других стран (рис.2).
Рис.2. Стимулирование развития Smart Grid в мире
Масштабы, направленность, интенсивность и темпы этой деятельности в разных странах не одинаковы, во многом они определяются степенью разнородности элементов энергетической системы, развития таких функций как взаимодействие с потребителями, характерными методами объединения в единую энергосистему малых источников энергии, включая и нетрадиционные, другими факторами.
Одним из основных инициаторов работ и инвесторов Smart Grid в большинстве стран выступает государство.
Практически во всех странах стимулирование инновационной активности в сфере интеллектуальной энергетики осуществляется в формате государственно-частного партнерства. При этом государство не только формирует благоприятное регулятивное поле, но и в значительных объемах напрямую финансово поддерживает конкретные программы и проекты, задавая тем самым темпы и направления технологического обновления отрасли. Так, в 2010 г. наиболее крупные государственные инвестиции в развитие «интеллектуальной» электроэнергетики были выделены правительствами Китая (7,3 млрд долл.), США (7,1 млрд долл.), Японии, Южной Кореи и Испании (каждая - около 0,8 млрд долл.). Европейский Союз выделил 2 млрд долл. на 9-летнюю (2010-2018 гг.) программу НИОКР в области Smart Grid.
В США государственное финансирование развития интеллектуальной энергетики законодательно является частью принятого Конгрессом комплекса мер по стимулированию национальной экономики. По сравнению с 2009 г., в 2010 году объем государственных инвестиций в Smart Grid увеличился почти на 60%. Кроме этого, в стране активно развивается система
В Канаде государство активно поддерживает лишь часть технологий Smart Grid, которые относятся к «чистой», возобновляемой энергетике. На федеральном уровне действует программа ecoENERGY по развитию возобновляемой (ветровой, океанической, геотермальной, солнечной, био- и гидроэнергетики) с бюджетом около 1,5 млрд долл.
Государственно-частный Фонд чистой энергии в следующие пять лет планирует инвестировать в развитие чистых технологий 795 млн. долл, их них федеральная государственная поддержка составит около 20%.
Экономическая поддержка возобновляемой энергетики на региональном уровне носит косвенный характер и осуществляется через тарифы. Вместе с тем, другие направления интеллектуальной энергетики в Канаде не имеют прямой государственной поддержки и инициируются и реализуются как коммерческие проекты энергетических компаний. Наиболее крупными примерами таких проектов является массовая установка интеллектуальных счетчиков; при этом расходы сетевых организации по их установке впоследствии включаются в тарифы на поставку электроэнергии потребителям.
На уровне Европейского союза принятая программа НИОКР по развитию общеевропейских сетей (European Electricity Grid Initiative, EEGI) финансируется совместно за счет централизованных средств Евросоюза, стран-членов и участников рынка:
- из средств Европейского Союза финансируется 65-70% программы в части развития магистральных сетей, а также 30-40% в части развития распределительных сетей
- страны-члены ЕС финансируют 40-50% программы в части развития распределительных сетей;
- из тарифных источников финансируется 25-30% программы в части развития магистральных сетей и 10-30% в части развития распределительных;
- инвестиции независимых участников рынка составляют 5-15%.
В Германии реализуется государственная программа E-Energy, направленная на развитие интеллектуальной энергетики и включающая шесть региональных пилотных проектов с общим объемом финансирования 185 млн. долл. Более половины бюджета программы формируется частными инвесторами, в основном - это энергетическими компаниями.
|
