Аварії в електромережі – на жаль, звичне явище для українських споживачів. Cередня тривалість планових відключень для клієнта за 2019 рік в нашій країні становила 478 хвилин. Це втричі більше, ніж в Євросоюзі. А середня тривалість позапланових відключень у нас становила 683 хвилини, що в 7 разів більше, ніж в ЄС. Водночас технологічні втрати електроенергії на її передачу та розподіл в українських мережах становили майже 12% від загального відпуску, або в понад 1,5 раза перевищують середньоєвропейський рівень і понад удвічі – рівень втрат у розвинутих країнах. 

Подолати ці та інші негативні явища в електроенергетиці допоможе впровадження “розумних” мереж (Smart Grid). У Міненерго повідомили, що вже завершують розробку відповідної концепції. “Українська енергетика” проаналізувала, які саме заходи будуть впроваджувати і який ефект вони мають дати.

Smart Grid проти пікових навантажень та аварій

 

Людство використовує дедалі більше електроприладів. Якщо нещодавно в наших квартирах були лише телевізор, холодильник, пральна машина та праска, то тепер додалися щонайменше мікрохвильовка, електрочайник, тостер, посудомийна машина, морозильна камера, кондиціонер, комп’ютер, а в декого – електрокари чи електросамокати. Що вже казати про сучасні виробництва! І все це означає одне – потреба в електроенергії та навантаження на електромережі будуть зростати. Щоправда зараз через пандемію коронавірусу, яка призвела до зниження ділової активності, тенденція дещо призупинилась, проте це тимчасово. 

Відповідно до прогнозу Міжнародного енергетичного агентства (МЕА), до 2030 року темпи зростання попиту на електроенергію в 1,5-2 рази випереджатимуть темпи зростання попиту на первинні енергоносії. За таких умов світові бракуватиме резервів потужності генерації, особливо в періоди пікових навантажень. 

Водночас людство нарощує використання відновлюваних джерел енергії. І власне отримана завдяки ним електроенергія може успішно допомагати у періоди пікових навантажень чи аварій. Однак як це організувати?

Сучасна практика у сфері електроенергетики підтвердила економічну обґрунтованість об’єднання національних електроенергетичних систем у транснаціональні й трансконтинентальні. Це дозволяє забезпечити вільне перетікання електроенергії, отриманої з різних джерел, між регіонами та країнами.

Однак функціонування такої складної системи можливе лише за умови впровадження ефективних засобів її керування, контролю і захисту. Для вирішення викликів, що виникли в складних енергетичних об’єднаннях, у міжнародній практиці протягом останнього десятиліття сформувалася концепція Smart Grid.

“Згідно з визначеннями, зокрема внесеними у словник Інституту інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE), Smart Grid – це така електроенергетична система, яка може інтелектуально інтегрувати роботу всіх її елементів (генераторів, мереж, споживачів електричної енергії) з метою забезпечення сталого та гарантованого електропостачання. В україномовній технічній літературі поряд із терміном “smart grid” іноді використовують вираз – “розумні електричні мережі” або “інтелектуальні електричні мережі”. Під цим розуміють декілька базових технологій, які перетворюють існуючі електричні мережі на так звані інтелектуальні”, – каже Юрій Варецький, професор кафедри електроенергетики та систем управління Національного університету “Львівська політехніка”.

Основні складові “розумних” електричних мереж

 

Реалізація принципів “розумних” електромереж насамперед вимагає впровадження та глобалізації автоматизованих систем моніторингу, інтелектуального керування та захисту, виключивши людський фактор. Це дозволить суттєво зменшити показник SAIDI (Індекс середньої тривалості перерв електропостачання в системі), зазначає співрозмовник. 

По суті, пояснює він, йдеться про оптимізацію керування. Зараз найбільші проблеми в енергосистемі – це аварії та низька надійність. Вони виникають, тому що в складних енергосистемах часто нескоординовано працюють системи протиаварійної автоматики, фахівці не врахували можливі зміни конфігурації чи режимів електричних мереж або електростанцій, які могли призвести до таких ситуацій.

“Якщо в електроенергетичній системі виникає якась аварія, то вона протікає дуже швидко – менше секунди, і за умови неправильної роботи протиаварійної автоматики може далі викликати каскадний розвиток вимкнень електропостачання цілих регіонів, – пояснює Юрій Варецький. – Електроенергетична система є складною автоматизованою технічною системою. Йдеться про розвинену мережу електричних мереж різних класів напруг, які об’єднують на паралельну роботу електростанції різної потужності з різними технічними характеристиками. Людина фізично не в стані реагувати на постійні зміни і можливі збурення в роботі електроенергетичної системи, які відбуваються на окремих щаблях генерування, передачі та розподілу електричної енергії, тому необхідним є застосування систем автоматичного керування і так званого релейного захисту. Дедалі більшу частку керування тепер переносять на інтелектуальні системи. До того ж одне й те саме пошкодження в електроенергетичній системі в різних режимах роботи (коли є різні схеми з’єднання трансформаторів, ліній тощо) може спричинити різні наслідки. Тому часто використовують випереджаюче моделювання, прогнозують розвиток конкретних ситуацій із моніторингом цілої системи. Власне сучасні методи спостереження, керування, захисту враховують це”.

Важливим компонентом Smart Grid, зі слів фахівця, є постійна модернізація засобів підтримання балансу між виробництвом і споживанням електроенергії на базі сучасних інформаційних і телекомунікаційних технологій, а також впровадження засобів контрольованого перетворення електроенергії. Вони дадуть можливість споживати енергію в кількості, потрібній для певних кінцевих результатів. 

Про що йдеться? “Скажімо, якщо ми говоримо про різні електроприймачі, які використовуються в промисловості, то часто вони споживають забагато електроенергії для виконання конкретних кінцевих функцій (механічної роботи, нагрівання, освітлення тощо). Для оптимізації процесу та економії електроенергії, в сучасних системах електроспоживання широко впроваджуються пристрої так званого контрольованого перетворення енергії з використанням досягнень напівпровідникової техніки. Вони дозволяють витрачати стільки електричної енергії, скільки потрібно для виконання завдання з максимальною ефективністю”, – пояснює співрозмовник.

Найпростіший приклад – система освітлення. Зараз ми переходимо від ламп розжарювання до компактних флуоресцентних, світлодіодних ламп. Вони виконують свою функцію заданого освітлення, але водночас споживають набагато менше електроенергії. “Подібні технології впроваджуються в промисловості, бізнесі тощо. Вони дозволяють регулювати відбір електричної енергії для споживачів із максимальною ефективністю”, – додає Юрій Варецький.

Наступна складова “розумних” мереж – інтеграція відновлюваних джерел електроенергії. Використання енергії, скажімо, сонця, вітру та води дозволяє знизити споживання викопних енергоресурсів, які з часом вичерпуються і стають дедалі дорожчими.

До того ж одним із проявів Smart Grid є розвиток так званих мікромереж (microgrid). Як пояснив наш співрозмовник, йдеться про групу джерел і споживачів електроенергії, яка підключена до традиційної електромережі, але може за потреби функціонувати автономно. Це дуже актуально для сільських віддалених районів, живлення яких відбувається одиночними лініями електропередачі. Вони часто пошкоджуються через вітер та інші зовнішні впливи, що зменшує надійність електропостачання таких регіонів. 

“Допомогти може автономна система, яка має  генератор (зокрема йдеться про вітрові, сонячні установки). Також бажано, щоб були якісь акумулятори. Такі microgrid можуть працювати практично відірвано від загальної енергосистеми. Однак якщо вони мають підтримку від неї, то, зрозуміло, надійність, якість їх роботи буде дуже високою. У разі виникнення обривів електричних мереж регіон зможе самостійно забезпечувати себе електричною енергією. Крім того, цей регіон може споживати дуже мало електроенергії від загальної системи, тому що йому вигідно брати насамперед свою електроенергію від сонця та вітру. Це говорить про великі перспективи розвитку. По суті йдеться про регіональну енергонезалежність. Водночас поєднання із загальною мережею дозволяє у разі аварій мати альтернативне джерело постачання електроенергії. Це збільшує показники надійності електропостачання таких споживачів”, – додає Юрій Варецький.

Окремим пунктом програми розвитку електричних мереж у напрямі Smart Grid, зі слів фахівця, є впровадження засобів акумулювання енергії. Вони виступають як додаткові генератори в час пікового споживання електроенергії та дозволяють дотримуватися економічних режимів роботи традиційних електростанцій.

“Наприклад, ми маємо різний рівень споживання електричної енергії вдень і вночі. А для нормального функціонування електроенергетичної системи треба забезпечити співпадіння виробництва та споживання електроенергії. Без цього системі загрожують різні аварійні ситуації. Тобто ми завжди повинні регулювати видачу електричної енергії  так, як цього потребують споживачі”, – каже співрозмовник. 

Водночас він зауважує, що в електроенергетиці України є низка електростанцій, які дуже важко до цього підлаштовуються. Скажімо, АЕС практично не регулюють генерування електричної енергії. Проблему вирішують завдяки засобам акумуляції. Вони дозволяють запасати електроенергію у періоди мінімального споживання в електроенергетичній системі та віддавати під час максимальних навантажень. 

“В електроенергетичних системах вже застосовують так звані гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС), які можуть запасати електроенергію, перетворюючи її у потенційну енергію натиску води. Для цього необхідним елементом такої електростанції є наявність у її конструкції двох басейнів – нижнього, на рівні якого розташовуються генератори-помпи, і верхнього, за рахунок якого створюється напір води. У періоди мінімуму споживання електроенергії, щоб не знижувати її генерування на проблемних електростанціях електроенергетичної системи, ГАЕС для підтримання балансу в системі споживає надлишки електроенергії для помпування води у верхній басейн. У періоди максимальної потреби в електроенергії вода, зібрана в цьому басейні, подається до турбін ГАЕС, яка генерує електричну енергію подібно до традиційної ГЕС. Приблизно так виглядає принцип дії такого системного акумулятора”, – пояснює Юрій Варецький.

Крім того, розробляється багато хімічних і механічних акумуляторів. Вони є досить дорогими й повільно впроваджуються. Проте в локальних електричних мережах споживачі, які використовують вітряки та сонячні колектори, часто встановлюють такі акумулятори, щоб не мати проблем із надійністю та якістю електропостачання.

Одним із ключових завдань концепції Smart Grid, зі слів співрозмовника, є розробка та широке використання так званих швидкодійних регуляторів потоків потужності та напруги. В електроенергетичних системах постійно відбуваються зміни споживання, адже в кожній квартирі люди вмикають-вимикають певні побутові пристрої. На підприємствах технологічні процеси також супроводжуються постійними змінами споживання електроенергії. 

“Пов’язані з цим зміни величин струмів, які протікають через трансформатори та лінії електропередачі, викликають зміни напруги в пунктах приєднання споживачів, – пояснює фахівець. – Це призводить до зниження функційних характеристик електричних пристроїв, які вони використовують. Якщо зміни напруги перевищують допустимі чинними нормами якості межі, то це може спричиняти порушення в роботі чи пошкодження. Зазначені проблеми можуть бути вирішені завдяки згаданим вище пристроям, які покликані забезпечити цілеспрямоване регулювання потоків потужності та напруги з метою підтримання стійкості роботи електроенергетичних систем”.

Не можна уявити Smart Grid без систем інтелектуального обліку електроенергії, які дозволяють дистанційно отримувати з вибраних центрів покази вимірювань від сучасних лічильників. Це створює умови для покращення розрахунків споживачів за спожиту електроенергію і виключення її крадіжок, а також контролює якість електропостачання.

Українська концепція Smart Grid

 

Зрозуміло, що Україна не може залишатися відокремленою в глобалізованому світі й бути осторонь цих процесів.

“Smart Grid – це загальна тенденція розвитку електроенергосистем у світі. Зараз немає ізольованих систем, тому українська співпрацює з об’єднаними електроенергетичними системами Європи. Проблеми системи однієї країни компенсуються можливостями іншої і навпаки. Знімається багато питань, характерних для розосередженого (отриманого з відновлювальних джерел) генерування, бо в одній країні може бути вітер, в іншій – ні, а наступного дня – навпаки”, – зазначає Юрій Варецький. 

Коли елементи Smart Grid буде впроваджено в Україні?

“Йдеться про концепцію розвитку електроенергетичних систем, – пояснює співрозмовник. – Тобто не можна сказати, що ми запровадимо Smart Grid в такі-то роки чи період, бо йдеться просто про розвиток системи.  Він відбувається вже і не має закінчення в часі”. 

У даний час Міненерго за підтримки Світового Банку доопрацьовує проєкт Концепції впровадження “розумних” мереж в Україні на період до 2035 року. Як повідомили “Українській енергетиці” в міністерстві, однією з основних проблем розвитку електричних мереж в нашій країні є технологічні втрати електроенергії на її передачу та розподіл у мережах. У 2019 році  вони становили 11,6% від загального відпуску. Такий рівень втрат у понад півтора раза перевищує середньоєвропейський рівень, і більше, ніж вдвічі – рівень втрат у розвинутих країнах. 

З огляду на стан наших електромереж – це не дивно. Відповідно до інформації, зібраній на онлайн-карті енергетичного сектору України, основними проблемами є високий рівень зносу мереж і брак фінансування на їх модернізацію. За даними Асоціації операторів розподільних електричних мереж, загальний показник зносу інфраструктури становить понад 70%. Щорічні втрати внаслідок зносу інфраструктури – до 15 млрд кВт-год електроенергії. 

Україна поставила за мету до 2035 року зменшити технологічні втрати електроенергії до 7,5%. Що це означає в цифрах? “Якби такий показник було досягнуто в 2019 році, втрати електроенергії були б менші на 6 млрд кВт-год, що еквівалентно 3 млн тонн спаленого вугілля на ТЕС”, – зазначили в профільному Міністерстві. – Значна частина цих втрат є нетехнічними (комерційними). Цьому сприяє величезна кількість застарілих лічильників електроенергії; незадовільний рівень надійності електропостачання”. 

За даними Міненерго, середня тривалість відключення клієнта за 2019 рік по Україні склала 478 хвилин для планових відключень, і 683 хвилини для непланових. У ЄС цей показник склав 160 і 102 хвилини, відповідно. Змінити ситуацію на краще має впровадження в нашій країні концепції “розумних” мереж. 

Вона передбачає, по-перше, впровадження “розумного” обліку. Це має зменшити втрати електроенергії в мережі. По-друге йдеться про автоматизацію розподільних мереж, що повинно значно покращити надійність електропостачання. По-третє, запланована масштабна діджиталізація, перехід до концепції неперервного електропостачання (чи хоча б до мінімальних перерв на даному етапі) тощо.

Основна проблема впровадження концепції Smart Grid в Україні – відсутність фінансування. Щоб вирішити цю проблему, вже з 2021 року впроваджено стимулююче тарифоутворення для операторів систем розподілу (ОСР). На переконання представників Міненерго, воно дозволить ОСРам збільшити обсяг інвестицій у модернізацію електромереж і поступово зменшить втрати електроенергії в них.

В уряді ставлять амбітну мету за допомогою “розумних” мереж наблизити рівень якості та надійності електропостачання в Україні до кращих світових показників. Крім того, це має призвести до зниження обсягів викидів СО2 внаслідок зменшення використання палива на електростанціях.

Країною-партнером України на шляху впровадження Smart Grid має стати Південна Корея. Наприкінці жовтня 2020 р. перший заступник міністра енергетики Ольга Буславець підписала Меморандум про взаєморозуміння щодо впровадження “розумного” обліку електроенергії між Міністерством енергетики України та корейською КТ Corporation. 

Для того, щоб зрозуміти, чому в якості партнера обрано саме Південну Корею, достатньо сказати, що в цій країні один із найнижчих індексів середньої тривалості відключень в електромережі (SAIDI) – 9 хвилин на клієнта протягом року.

“Для України є важливою співпраця з Південною Кореєю, яка є світовим лідером із розвитку та впровадження сучасних технологій в електроенергетиці, зокрема Smart Grid технологій”, – зазначили в Міненерго.

На який ефект від “розумних” мереж очікувати

 

Застосування інноваційних технологій в електроенергетиці дозволить позбутися давніх проблем і відкриє нові перспективи для розвитку, зазначають фахівці.

“Основна користь від Smart Grid для споживачів – це підвищення надійності та якості електропостачання”, – підкреслює Юрій Варецький. 

“Запровадження смарт-технологій у електроенергетиці України відповідає найкращим європейським практикам і допоможе вивести керування технологічними процесами та ефективність сектору на якісно вищий рівень, – переконаний Богдан Серебренніков, експерт DiXi Group. – По-перше, смарт-технології дозволять забезпечити кращий та варіативний облік споживання електроенергії. А це є запорукою більш раціонального споживання, зокрема керування попитом на електроенергію та підвищення енергоефективності. По-друге, оператори мереж зможуть легше та ефективніше керувати процесами виробництва, транспортування та споживання електроенергії. Це сприятиме підвищенню надійності її постачання та якості”. 

Експерт зауважує, що зараз в Україні частка домогосподарств, що мають лічильники диференційованого обліку, на жаль, є мізерною. До прикладу, у Швеції всі побутові споживачі обладнані такими системами. Аналогічна проблема існує і в непобутовому секторі, де лише великі промислові споживачі, як правило, мають автоматичні системи контролю і обліку електроенергії (АСКОЕ). 

“Ціни на оптових ринках електроенергії коливаються протягом доби відповідно до динаміки споживання, – зазначає співрозмовник. – Зазвичай вночі електроенергія найдешевша, а в періоди ранкового та вечірнього піків – найдорожча. Отже, впровадження смарт-обліку дозволить використовувати динамічні чи диференційовані ціни і на роздрібному ринку. Це дасть можливість споживачам більш гнучко керувати своїм попитом на енергію”. 

Наприклад, оскільки побутова техніка стає дедалі більш програмованою (з відкладеним стартом), населення зможе переносити окремі процеси електроспоживання (електроопалення, прання, автоматизоване приготування їжі тощо) на нічний період, коли електроенергія є значно дешевшою. Непобутові споживачі також отримають можливість адаптувати режими свого електроспоживання, – вважає Богдан Серебренніков. – З одного боку, це дозволить споживачам економити, а з іншого, – сприятиме стабілізації роботи енергосистеми”.

Експерт звертає увагу на те, що окрім економічних, також є і екологічні вигоди. Адже для реагування на піки у попиті на електроенергію часто використовуються вугільні ТЕС з великою кількістю пусків і зупинок енергоблоків. Вирівнювання графіку навантаження в енергосистемі завдяки адаптуванню режимів споживання дозволить скоротити їхню участь у покритті попиту, що зменшить викиди забруднюючих речовин та СО2 в атмосферу, скоротить споживання вугілля. 

Крім того, впровадження смарт-технологій сприятиме кращій інтеграції об’єктів відновлюваної енергетики в енергосистему та балансування їхнього змінного графіку виробництва енергії.

“Розумні” мережі, зазначають опитані “Українською енергетикою” експерти, дозволять знизити експлуатаційні витрати й підвищити надійність електропостачання. Воно має стати безперервним. Усе це – завдяки автоматизованому керуванню перетоками потужностей, координації засобів централізованого та розосередженого генерування, цифровому моніторингу роботи електроенергетичної системи тощо. І цей процес вже триває.

Світлана Олійник, спеціально для “Української енергетики”