Как цифровые технологии меняют электроэнергетику

Массовое внедрение киберфизических устройств в производство и нашу жизнь не только создает совершенно новые отрасли, но и существенно меняет традиционные. Мы решили разобраться, как цифровые технологии меняют электроэнергетику, изучить «под лупой» понятие «умная сеть» и посмотреть, какие возможности открываются в этой связи перед энергокомпаниями.

В то время как инвестиции в энергетику, согласно недавнему докладу Международного энергетического агентства World Energy Investment 2018, снижаются, есть сектора отрасли, вложения в которые показывают устойчивый рост: это, в частности, фотовольтаика, энергосбережение и электросетевой комплекс.

Инвестиции в электросети, несмотря на скромный рост (1%), в 2017 году достигли нового максимума — $ 300 млрд. Благодаря этому вклад сектора в сумму «электрических» инвестиций возрос до 40% — наивысшего уровня за десятилетие. В первую очередь инвестиции достаются технологиям, предназначенным для повышения маневренности и управляемости энергосистем.

У этих цифр есть фундаментальные причины. Извечная головная боль электроэнергетиков разных стран — дефицит или переизбыток мощности, перебои в поставке электричества из-за устаревших технологий и изношенной инфраструктуры, нехватка инвестиций в развитие, ошибки при эксплуатации и ремонте оборудования, слабая организационная структура, пробелы в системе регулирования, несовершенство природоохранной системы. Решение этих проблем, то есть создание устойчивой и эффективной системы, требует огромных усилий и инвестиций. В современном мире к ним добавились новые вызовы, в первую очередь — массированное внедрение ВИЭ и увеличение нерегулярной выработки в энергобалансе.

Глобальный энергопереход от сжигания ископаемого топлива к использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) идет своим чередом. Установленная мощность ВИЭ бьет свои же прошлогодние рекорды. За 2017 год мощность станций на ВИЭ в мире увеличилась на 8,3% — до 2,18 тыс. ГВт (данные Международного агентства по возобновляемой энергии — IRENA) — и такой среднегодовой темп прироста сохраняется вот уже семь лет. Во многом этот тренд поддерживается удешевлением технологий. Например, удельная стоимость фотовольтаических станций, на которые приходится 8% глобальных инвестиций в энергетику, упала в среднем на 15%. (Становится понятно, почему фотовольтаика показала наибольший прирост из всех ВИЭ в прошлом году — 32% против 10% у ветра).

Доступность технологий ВИЭ и вариативность мощности энергоустановок способствуют распространению такого явления, как децентрализация генерации — потребители все чаще стремятся сами обеспечить себя энергией ради экономии, заработка или получения субсидий. Как следствие, в современных энергосистемах меняется роль потребителей: теперь они могут выступать и производителями. Добавим к этому все возрастающую потребность в более гибкой (эластичной) и надежной электросети из-за погодных аномалий и риска кибератак.

Решение, которое поможет избежать или снять эти проблемы, уже существует — это смарт-грид (smart grid — умная энергосеть). Базовый технологический элемент, фундамент «умной» или цифровой сети — интеллектуальная система учета электроэнергии, предназначенная для оперативного формирования достоверного объема услуг, многотарифного учета, мониторинга качества электроэнергии и других функций. Источниками первичной информации в такой сети служат интеллектуальные счетчики и датчики, объединенные в сеть — так называемый Интернет вещей.

Смарт-грид обычно разворачивают по всей энергосистеме, от генерации до сервиса и потребления. Это комбинация передовых ИТ-, коммуникационных и энергетических технологий, таких как измерительная аппаратура, умные инверторы, распределенные хранилища энергии, силовой электроники, элементов АСУ ТП, которые позволяют эффективно управлять отраслью с минимальным воздействием на окружающую среду. Кроме технологий, система смарт-грид основывается также на передовом ценообразовании, управлении спросом, автоматической дистрибуции, прогнозировании выработки ВИЭ.

Страны, развивающие смарт-грид, могут рассчитывать на повышение надежности энергосистемы и качества электроэнергии. Это позволит максимизировать использование энергии, увеличить долю ВИЭ и, как следствие, уменьшить ущерб, наносимый окружающей среде. Также «умная сеть» — важный элемент разворачивания других низкоэмиссионных технологий, например, электромобилей. Одна из самых удобных «фишек» смарт-грид — возможность и для потребителей, и для производителей получать данные о работе системы в режиме реального времени.

Еще один важный элемент «умной сети» — самовосстанавливающиеся технологии, проводящие диагностику и позволяющие изолировать поврежденные участки и узлы системы; они также автоматически восстанавливают работоспособность аварийного элемента, изменяя маршрут передачи электроэнергии и информируя ремонтный персонал.

Это хороший инструмент для оптимального использования энергоресурсов. Серьезная экономия достигается на оплате системных услуг (меньше потребность в регулировании частоты из-за оптимальной интеграции ВИЭ), минимизации потерь в электросетях, снижении расходов на дистрибуцию, а также затрат на ремонт — за счет уменьшения числа отказов оборудования, количества отключений и перепадов напряжения.

Таким образом, внедрение интеллектуальных технологий «умной сети» позволит существенно повысить надежность и качество энергоснабжения, эффективность использования первичных энергоносителей, снизить издержки производственных процессов и воздействие на окружающую среду за счет использования ВИЭ и систем аккумуляции.

Впрочем, все вышеперечисленное — не открытие. Цифровизация электросетевой инфраструктуры активно осуществляется в Европе. ЕС стремится к 2020 году заменить не менее 80% счетчиков электроэнергии на интеллектуальные. По оценке Еврокомиссии, использование «умных» счетчиков и сетей позволит сократить ежегодное потребление первичной энергии в ЕС на 9% к 2020 году, а также уменьшить выбросы парниковых газов. При этом ЕС предоставляет финансирование около 30% проектов цифровых сетей в Европе. На начало 2017 года реализовано более 642 проектов общей стоимостью 2,82 млрд евро.

В ЕС утвержден стандарт SAREF (Smart Appliances Reference ontology), предусматривающий единый базовый язык взаимодействия интеллектуальных бытовых устройств. Большое внимание уделяется кибербезопасности энергетического сектора, пересматривается стратегия кибербезопасности ЕС.

В Великобритании в 2017 году правительство приняло цифровую стратегию, в которой отдельно выделена программа внедрения интеллектуального учета. В Германии стратегия высокотехнологичного развития была принята еще в 2006 году, впрочем, она постоянно меняется. Начало масштабному централизованному развитию «умной» инфраструктуры в Германии было положено в 2016 году, когда был принят закон о цифровизации электроэнергетики, основная цель которого — переход к надежному энергоснабжению. Федеральное министерство экономики и энергетики Германии еще в 2014 году подсчитало, что применение смарт-грид может сократить расходы на передачу электроэнергии в стране на 40%.

В США с 2012 года действует стратегия цифрового государства. США активно развивают интеллектуальные сети, «умные» счетчики охватывают около 50% домохозяйств. Для координации действий в этой сфере и поддержки проектов по внедрению «умных сетей» был создан консорциум по модернизации сетей в составе 13 Национальных лабораторий США, выступающих партнером Минэнерго США.

Направления технологического развития энергетики Китая сформулированы в 13-м пятилетнем плане страны (на 2016−2020 годы). В документе обозначено, что КНР стремится к интеграции ИТ-технологий в ТЭК и к развитию Internet of Energy. «Умные сети» названы одной из приоритетных энергетических технологий. Не удивительно, что Китай — лидер внедрения «умных» счетчиков. Причем степень проникновения (охват рынка) именно электрических счетчиков в этой стране составляет уже 95%.

Федерация энергокомпаний Японии развивает смарт-грид, чтобы инкорпорировать в энергосистему солнечную генерацию к 2020 году. Госинвестиции в этот проект запланированы на уровне свыше $ 100 млн. Японское правительство объявило национальную инициативу по переходу на «умные» счетчики, и крупные энергокомпании поддержали ее своими программами.

Существуют международные стандарты в этой сфере и даже дорожная карта развития соответствующих технологий до 2050 года авторства Международного энергетического агентства (датируемая 2011 годом). По мнению экспертов, для успешного внедрения смарт-грид необходимо, чтобы технологии, регулирование, стандарты и структурная составляющая отрасли развивались гармонично.

Несмотря на точечные проекты строительства ветровых и солнечных станций небольшой мощности, у ЕЭС России нет жизненной необходимости интегрировать в сеть большое количество ВИЭ, как в Германии, и сглаживать их нерегулярную выработку. В то же время среди крупных потребителей, недовольных ростом цен на электроэнергию и неэффективностью инвестиций в отрасли, растет стремление к децентрализации, все больше промышленных предприятий хотят развивать собственные энергомощности. Власти также стимулируют развитие микрогенерации (до 15 кВт) на базе ВИЭ: уже подготовлен и находится на рассмотрении парламента законопроект, позволяющий потребителям продавать излишки электроэнергии в сеть, а также освобождающий их доходы от налогов.

Параллельно в России, как и во всем мире, запущен процесс цифровизации экономики и промышленности. Сегодня многие процессы управления российской энергосистемой уже интеллектуализированы: на объектах применяются автоматика, релейная защита, внедрены системы телеуправления и телемеханизации (АСКУЭ, АСУ ТП), энергокомпании считывают информацию с основных объектов оборудования, оснащенных необходимым объемом датчиков, налажен двусторонний обмен информацией.

Таким образом, для России процесс цифровизации электросетевого комплекса — с одной стороны, естественная эволюция, а с другой — технологический ответ на внешние вызовы на фоне мировых тенденций (как и развитие технологий ВИЭ).

Роль координатора в этом направлении закономерно досталась Минэнерго России, которое должно стимулировать инновационное развитие отраслей ТЭК. В марте 2018 года был утвержден паспорт программы «Цифровая трансформация электроэнергетики России», основная цель которой — повышение надежности и эффективности функционирования ЕЭС путем внедрения риск-ориентированного управления на базе цифровых технологий: по сути это информационно-телекоммуникационная инфраструктура и система комплексов аппаратно-программных средств для промышленного Интернета вещей.

В рамках Национальной технологической инициативы действует Energy Net — долгосрочная программа развития технологий, стандартов и сообществ в сфере построения электроэнергетики нового технологического уклада, своего рода точка сборки национальных инициатив в области создания «умной» энергосистемы. Разработки, ведущиеся под эгидой Energy Net, можно условно поделить на три направления: надежные и гибкие сети, распределенная энергетика — как генерация, так и накопители с микро-грид и виртуальными электростанциями, потребительские сервисы — новые виды энергетических сервисов в виде сетевых программных приложений.

Реализует же проекты в сетевом комплексе компания «Россети». В перспективном портфолио компании — ряд кейсов и задумок. В рамках реализации проекта «Цифровой район электросети» с 2014 года в Калининграде автоматизированы центры питания и сети. Это позволило в пять раз (до 49 минут) сократить среднее время восстановления электроснабжения, а число обесточенных жителей — более чем в три раза (с 3 тыс. до 900 человек). В Севастополе готовится к запуску аналогичный проект, который, по ожиданиям, позволит в 4−5 раз повысить надежность энергоснабжения на горизонте до 2025 года. В Уфе в рамках пилотной программы развития интеллектуальных сетей планируется снизить потери с 15,6 до 8,7%.

Опыт Башкирской сетевой компании (она провела комплексную модернизацию сетевой инфраструктуры) показал возможность достижения существенных эффектов: снижение потерь электроэнергии и сокращение аварий в два раза, продление срока службы оборудования на 10%, сокращение в три раза перерывов в электроснабжении, снижение затрат на эксплуатацию на 20%, повышение до 20% производительности труда за счет автоматизации. Элементы «умных сетей» планируется апробировать и в центральном районе Санкт-Петербурга.

Эксперты Минэнерго оценили эффект от программы цифровой трансформации электроэнергетики. По их подсчетам, снижение электроэнергоемкости ВВП может составить порядка 14−15%. Рабочая группа Energy Net считает реалистичным переход России к новой технологической парадигме с 2020 по 2035 год. В случае перехода можно будет добиться снижения цен на электроэнергию на 30−40% по сравнению с инерционным сценарием развития электроэнергетики, а также создать для российских производителей внутренний рынок с годовым объемом до $ 10 млрд, полагают эксперты Energy Net.

Вопросы законодательного обеспечения развития цифровой энергетики в России в июне 2018 года обсуждались на круглом столе в Госдуме. Участники дискуссии отметили, что проведение цифровизации в электроэнергетике и создание систем интеллектуального учета электричества зависят от долгосрочных тарифных решений. Однако в рамках действующего в РФ правового поля и в условиях ограничения роста энерготарифов финансирование проектов цифровизации подвергается рискам.

На круглом столе было также отмечено, что для успешного внедрения «умных сетей» важно организовать переход на единые модели и стандарты — иными словами, необходимо, чтобы все информационные и экспертные системы одинаково понимали и описывали энергосистему, вплоть до объектов и деталей оборудования. Сегодня Р Ф развивает технологии на основе международных стандартов. Участники дискуссии высказались за разработку собственных стандартов с целью снижения рисков.

При этом ориентация на модернизацию и переход к цифровизации неэффективны без науки — фундаментальной, отраслевой, вузовской, смежной. Цифровизация предъявляет новые требования к кадрам: квалификация, компетентность, умение пользоваться инструментарием для использования потенциала ИТ.

Применение технологии блокчейна — смарт-контрактов — дает преимущество в виде отказа от посредников. Использование криптовалют в пиринговой торговле стимулирует рост децентрализации генерации, смарт-контракты упрощают управление распределением электроэнергии.

Вот как это работает. Просьюмер производит электроэнергию и излишки подает в сеть через адаптированный под блокчейн счетчик. Поток электроэнергии автоматически кодируется в цепочку блоков. Алгоритм ищет покупателей и продавцов в режиме реального времени и зашифровывает смарт-контракт в блокчейн. Когда электроэнергия доставлена потребителю, смарт-контракт исполняется, передавая платеж в криптовалюте от покупателя продавцу. Участники транзакции ее верифицируют. Если этот принцип масштабировать, отпадет необходимость в энергосбытовых компаниях, а также в системном операторе (в случае если смарт-контракт «научить» контролировать частоту и напряжение, а также балансировать энергосеть в целом).

По оценке консалтинговой компании Indigo Advisory, общее количество случаев применения блокчейн-технологии в энергетике уже перевалило за 100, из них 40% приходится на распределенную генерацию, по 20% — на управление сетью и зарядку электромобилей, еще по 10% — на измерительную инфраструктуру и Интернет вещей.

Не существует универсального определения технологии «умной сети». Однако все эксперты сходятся во мнении, что это понятие включает управление коммуникациями, информацией и технологии контроля, способствующие эффективности и гибкости операций в энергосистеме.

Разберем основные составляющие «умной сети». Управление спросом (demand response) — это принцип, который позволяет потребителям добровольно участвовать в эксплуатации системы путем сокращения ее некритичной загрузки. Управление спросом невозможно без внедрения систем управления распредсетями и диспетчеризации зданий. Кроме преимуществ в виде экономии от снижения потерь и повышения эффективности загрузки генераторов, demand response позволяет существенно повысить управляемость энергосистемы.

«Умная» передовая измерительная инфраструктура — это интегрированная система, включающая коммуникационную сеть и систему дистрибуции (распределения) электроэнергии; она обеспечивает двустороннюю связь энергокомпании и потребителей. Это техническое решение нужно единожды синхронизировать со смарт-грид — и можно получать данные о потреблении и поставке в режиме реального времени. Для потребителей созданы специальные веб-решения, позволяющие анализировать их паттерны и при желании сокращать счета за электричество (за счет потребления энергии в период низкого спроса).

«Умные» дома оборудуются системой диспечирования, связывающей разные контроллеры: отвечающие за освещение, безопасность, бытовые приборы и другие девайсы.

«Распределенная генерация» — это понятие, включающее локальные источники энергии, предоставляющие мощность на месте, без передачи на значительные расстояния. Сюда, как правило, относят ветряки, фотовольтаические системы, геотермальные источники, а также мини- (и микро-) ГЭС (и ТЭС). Такие станции обычно имеют небольшую мощность.

Специальная электроника («умная» генерация) позволяет увеличить гибкость, маневренность конвенциональных топливных ТЭС для стабилизации нерегулярной выработки ВИЭ.

Подстанция — первичный структурный элемент любой энергосистемы, самый важный для передачи электроэнергии и ее распределения. Автоматизация и защита подстанций создают основу для безопасной эксплуатации энергосистемы.

Автоматизация и защита дистрибуции оптимизируют деятельность энергокомпаний и напрямую повышают надежность системы распределения энергии. Для этого требуется внедрить по всей распредсети большое количество «умных» коммуникационных девайсов. Передовые концепты в этой сфере представляют собой автоматические самоконфигурируемые инструменты, сокращающие время блэкаута до минимума за счет подключения через распредсети микро-грид — практически автономных систем, сформированных распределенной генерацией.

Система управления энергосистемой — это интеллектуальная платформа, используемая для мониторинга, контроля и оптимальной эксплуатации электросети, в основном предназначенная для регулирования частоты и нагрузки. Эта интеллектуальная система спроектирована для оптимизации потребления энергии, коэффициента использования оборудования, повышения надежности; она позволяет предсказывать основные показатели системы и ее ошибки.

Система управления дистрибуцией включает все элементы сети, обеспечивающие коммуникацию, полевую аппаратуру и поддерживающие системы. По сути это центр управления/контроля распредсети. Система формирует базу данных, получаемых в режиме реального времени, — это хороший инструмент для энергокомпаний, позволяющий им понять, как можно усовершенствовать свою деятельность. Одна из ее составляющих в странах, где-то и дело случаются блэкауты, — система управления отключениями. Другой важный компонент — система поиска дефектов.

Автоматизированная система контроля зданий включает все приборы внутри, наружное оборудование и прочие девайсы, помогающие заботиться об энергоэффективности и надежной эксплуатации сооружения. Отдельная система защищает оборудование первичной цепи (в том числе трансформаторы) от фатальных коротких замыканий, а энергосистему — от нестабильности и отключений. Она позволяет избежать неконтролируемых реакций в цепи и сброса нагрузки.

Силовая электроника играет важную роль в улучшении надежности энергосистемы и качества энергоснабжения. Силовые электронные девайсы применяются в системах хранения энергии, распределенной генерации, в управляемых (гибких) системах передачи переменного тока (FACTS) и высоковольтных линиях электропередачи постоянного тока (HVDC). Это важная часть контроллинговых механизмов электросетей. Системы FACTS и HVDC с помощью этих девайсов могут контролировать поток мощности и наращивать передачу без увеличения мощности КЗ.

С помощью специальных девайсов можно оптимизировать использование активов, снизить капитальные и эксплуатационные затраты без ущерба надежности и качеству.

Информационно-коммуникационные технологии — краеугольный камень смарт-грид, так как именно они поддерживают надежный, масштабируемый и безопасный обмен информацией между компонентами системы. Благодаря этому энергокомпании способны гораздо лучше выявлять и исправлять ошибки, что позволяет им экономить деньги и энергию.

Поскольку смарт-грид — сложная система, состоящая из множества девайсов и частей, интегрированных в общую платформу через коммуникационные связи, она может оказаться уязвимой к внешним атакам, если не принять должных мер безопасности. «Умные» счетчики автоматически собирают массив данных о потребителях, и энергокомпаниям также необходимо обеспечить безопасность своих коммуникационных каналов с клиентами.

Системы мониторинга мощности и контроля качества действуют по аналогии с системой качества в энергокомпаниях. Они независимы от систем эксплуатации, контроля и управления, их задача — наблюдать и анализировать ошибки. Эти элементы могут также использоваться в качестве системы раннего предупреждения.

Крупные энергокомпании стали активно развивать и приобретать бизнесы, связанные с технологиями смарт-грид. Они стремятся защитить свои прибыли на фоне глобального энергоперехода, удерживающего оптовую стоимость электроэнергии на низком уровне, и найти новые ниши для заработка. Уже сформировался целый ряд бизнес-моделей в этой сфере.

Виртуальная электростанция — это своего рода агрегатор, она объединяет распределенные ВИЭ. Яркий пример оператора такой виртуальной электростанции, одного из крупнейших в Европе, — компания Next Kraftwerke со штаб-квартирой в Германии, созданная в 2009 году. Установленная мощность объединенных оператором генераторов — тысяч биогазовых, ветровых, солнечных электростанций и просьюмеров — 4,6 тыс. МВт (на апрель 2018 года). Интеллектуальный контроль выдачи их энергии в сеть и потребления позволяет максимизировать доходы генераторов и повысить гибкость работы. Также оператор помогает балансировать частоту в энергосистеме. В компании работает 139 человек, ее выручка в 2017 году составила 380 млн евро, увеличившись за год на 36%.

Next особенно преуспела в 2017 году в Италии, Франции, Польше и Нидерландах, где, как и в Германии в последние годы, традиционные энергокомпании уходят от централизованного энергоснабжения, что открывает возможности для операторов виртуальных электростанций. Next — крупнейшая в Германии компания по охвату генерирующих источников. Всего в Германии, раньше всех начавшей массивные инвестиции в ВИЭ, несколько дюжин таких операторов, а технологические лидеры, такие как Siemens и Bosch, уже развивают софт для виртуальных станций.

Треть акций Next в 2017 году приобрела Eneco, мейджор энергорынка Нидерландов. Есть еще одна ниша, которую нащупала Eneco: ее дочерняя компания, голландская Eneco Crowdnett, агитирует домохозяйства, оборудованные солнечными панелями, приобретать батареи (двух производителей на выбор: Tesla и LG), в которых аккумулируются излишки электроэнергии. Eneco, в свою очередь, арендует часть этих хранилищ и использует электроэнергию для поставки в энергосистему в случае необходимости, выступая в качестве виртуальной электростанции. За это просьюмеры получают вознаграждение — 450 евро в год. Eneco Crowdnett использует ПО и датчики для интеллектуального управления батареями, считываются данные и по частоте в сети.

Другое поле деятельности — сфера sharing economy — пиринговая торговля между участниками смарт-грид (peer-to-peer — одноранговая сеть в сфере коммуникаций). Специальная ИТ-платформа (ее уже прозвали Uber или Airbnb от энергетики) позволяет локальным распределенным генераторам продавать излишки энергии по желаемой цене.

Яркий пример — компания PowerPeers, нидерландское подразделение шведской Vattenfall, хорошо известной атомной аудитории. По сути, это платформа, позволяющая домохозяйствам самостоятельно формировать энергетический микс — набор источников электроэнергии — и делиться своей энергией (менять или продавать). Приятный бонус — возможность обмениваться сообщениями, своего рода соцсеть. Ноу-хау компании — алгоритм, сопоставляющий спрос и предложение в режиме реального времени.

Другая известная энергокомпания —E.ON — недавно представила проект виртуального хранилища энергии: E. ON SolarCloud. Компания взимает за свою услугу 31−41 евро в месяц. Внеся эту сумму, домохозяйства с солнечными панелями могут «хранить» (очевидно, что речь идет, как в кейсе выше, о перераспределении объемов в режиме реального времени; возможно, задействуются аккумуляторные мощности самого E. ON) излишки генерируемой энергии и в любое время использовать их. При этом они экономят на покупке батареи и ее физической установке, а также избегают расходов на ремонт и обслуживание.

Технологические инновации провоцируют децентрализацию генерации и демократизацию отношений в энергетическом секторе. Возрастает роль потребителей: их поведение — ключевой элемент. Структуре рынка необходимо адаптироваться к этим изменениям и давать возможность развиваться инновационным бизнес-моделям.