Версия для печати
Вернуться к списку

По дороге к электрическому интернету

Николай Воропай, научный руководитель Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения РАН, член-корреспондент РАН

Глобальное энергетическое объединение резко повысит эффективность использования электричества

Экологический подход к выработке электроэнергии состоит не только во все увеличивающейся доле зеленой генерации, но и в том, чтобы максимально рационально распорядиться полученным электричеством. В идеале должен возникнуть всемирный электрический интернет, пользоваться которым сможет всякий потребитель точно так же, как сейчас он пользуется обычным интернетом.

История электроэнергетических систем (ЭЭС) начинается с первых небольших локальных электростанций в конце XIX века. Первыми такими системами были электростанции 1883 года в Санкт-Петербурге для освещения Невского проспекта и 1884 года для освещения Гровнерской галереи в Лондоне.

Современные ЭЭС — это сотни и тысячи крупных связанных общей электрической сетью электростанций различных типов (тепловых, гидравлических, атомных, ветровых), распределенных по обширным территориям и работающих в нормальных режимах синхронно (с одинаковой частотой вращения роторов генераторов), выдавая электроэнергию подключенным к электрической сети потребителям. При авариях (коротких замыканиях на ЛЭП, аварийных отключениях агрегатов электростанций, ошибочных действиях автоматики или диспетчера и др.) синхронная работа электростанций нарушается, и в случае неблагоприятных сопутствующих событий может произойти уникальная системная авария с массовыми отключениями потребителей и элементов самой ЭЭС. Чтобы не допустить таких тяжелых последствий, на станциях работает система противоаварийного управления, которая успешно противодействует развитию аварийного процесса в подавляющем большинстве случаев.

Современные ЭЭС — уникальные и сложнейшие технические объекты. Их успешная работа в нормальных и аварийных условиях зависит исключительно от эффективности систем управления режимами ЭЭС. А чтобы обеспечить такое управление, необходимо изучать свойства и поведения таких объектов-систем, использовать указанные особенности при разработке методов и средств управления ЭЭС.

Важно учитывать, что свойства и поведение ЭЭС постоянно трансформируются под влиянием инновационных технологий генерации электроэнергии, ее передачи, аккумулирования и потребления. Это означает, что эффективное управление должно быть обеспечено не только для существующих, но и для будущих ЭЭС, обоснование эффективного развития которых при минимуме затрат, экологического влияния и других факторов составляет отдельную комплексную задачу. Все эти проблемы требуют глубоких разносторонних научных исследований и основанных на них проектных работ.

Что же стимулирует развивать столь сложные уже сейчас ЭЭС до уровня глобального электроэнергетического объединения и электрического интернета? Отметим две основные причины.

Первая причина заключается в существовании так называемых системных эффектов, которые целесообразно использовать в протяженных, территориально распределенных ЭЭС.

Например, во-первых, сокращение необходимых резервных агрегатов электростанций для компенсации аварийно отключенных мощностей — в объединенной ЭЭС достаточно одного резервного агрегата, при изолированной работе подсистем резерв должен быть в каждой из них.

Во-вторых, совмещение годовых графиков нагрузки — например, в объединенной ЭЭС северо-востока США и востока Канады: в США годовой максимум нагрузки летом, а в Канаде — зимой; избытки генерации в зимний минимум нагрузки в США передаются в Канаду, где зимний максимум электропотребления; летом, наоборот, излишки мощности передаются из Канады в США, тем самым сокращается требуемая суммарная генерация.

В-третьих, аналогичный эффект сокращения необходимой генерации наблюдается при совмещении суточных графиков нагрузки частей объединенной ЭЭС, расположенных в разных часовых поясах: в Москве еще ночь и минимум нагрузки, а в Иркутске уже рабочий день и ее максимум — излишки мощности из европейской части страны передаются в Сибирь; вечером, наоборот, в Москве еще максимум нагрузки, а в Иркутске уже ночь и минимум — поток мощности в обратном направлении.

В-четвертых, важное значение для технологических процессов многих потребителей имеет стабильность частоты, которая в объединенной ЭЭС большой мощности поддерживается более успешно, чем в небольшой локальной ЭЭС.

Можно назвать и другие системные эффекты.

Сделанные в конце XX века оценки показывают, что с учетом системных эффектов в единой ЭЭС бывшего СССР оказалось возможным отказаться от строительства электростанций на суммарную мощность около 12 гигаватт (это почти три Братских ГЭС) по сравнению со случаем, если бы все региональные ЭЭС работали изолированно. Для объединенной ЭЭС Западной Европы аналогичные оценки давали экономию около 34 гигаватт мощности электростанций, потому что вся система более мощная.

Вторая причина развития объединенных ЭЭС до Глобального электроэнергетического объединения и электрического интернета заключается в том, что ЭЭС — это инфраструктурные системы, в которых любой потребитель в любом месте может получить заявленную электроэнергию требуемого качества, с необходимой надежностью и по приемлемой цене. Как обычный интернет! Конечно, до него электроэнергетическим системам еще далеко, но мы же не задумываемся, откуда у нас электроэнергия в розетке?

Важно еще и то, что требования потребителей к качеству электроэнергии и надежности их электроснабжения в последнее время существенно возросли в связи с цифровизацией технологических процессов в экономике и в быту.

В этом плане глобальная ЭЭС — это техническая реализация идей использования системных эффектов и движения к электрическому интернету, но с учетом дополнительных факторов. Главным из таких факторов является максимально возможное использование возобновляемой энергии, прежде всего ветра, солнца и гидроэнергии. Но основные ресурсы этих видов энергии расположены концентрированно и далеко от центров электропотребления: солнце — пустыни Сахара, Гоби и др.; ветер — шельфы Балтийского и Северного морей, арктического побережья России и т. п.; гидроресурсы — крупные реки, например, Янцзы в Китае, Конго в Африке и др.

До недавнего времени экономичная передача электроэнергии на сверхдальние расстояния была проблемной. В последние годы появились эффективные технологии транспорта электроэнергии на тысячи километров с использованием ЛЭП ультравысоких напряжений переменного тока 1200 киловольт и постоянного тока плюс-минус 800 киловольт.

С учетом двух указанных факторов Международная ассоциация кооперации и развития Глобального энергетического объединения (GEIDCO) организует, проводит и поддерживает исследования по созданию глобальной ЭЭС в виде электрической сети представленных ультравысоких напряжений как надстройки над действующей сетью сверхвысоких напряжений 400–500 киловольт и более, объединенных ЭЭС Западной и Центральной Европы, Северной Америки, стран бывшего СССР и др., а также будущих объединенных ЭЭС стран Северо-Восточной Азии, Юго-Восточной Азии и т. д.

Таким образом, в будущем человечество получит развитую иерархическую электроэнергетическую инфраструктуру (электрический интернет) глобального масштаба, развиваемую на основе инновационных технологий для производства, транспорта, аккумулирования и потребления электроэнергии, имеющую эффективную интеллектуальную иерархическую систему управления, по сложности и ответственности за надежное и качественное электроснабжение потребителей сопоставимую с физической (электроэнергетической) составляющей глобальной ЭЭС. Это будет сложнейшая глобальная киберфизическая система, которую будет интересно изучать с целью обоснования ее развития и эффективного управления ее функционированием. Потребность в таких исследованиях формируется уже сейчас.