РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ В ЕВРОПЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Переоснащение и повышение техническо­го уровня сетей передачи и распределения электроэнергии являются первоочередной задачей Европейской системы электроснабжения. Дей­ствующие сети стареют, они рассчитаны главным образом на централизованное производство боль­шой мощности при слабых межсистемных связях. Кроме того, на их надежность влияют постоянно возрастающие сетевые перегрузки, увеличиваю­щаяся популярность возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и распределенных энергетических ресурсов (DER) (см. рисунок) [1, 2].

В течение последнего десятилетия состояние электросетей оставалось практически неизмен­ным, несмотря на технологические новшества и развитие экономической и законодательской базы. В настоящий момент остро встал вопрос модернизации сетей для обеспечения безопасно­го и бесперебойного электроснабжения с учетом задач европейской энергетической политики в условиях изменяющегося климата.

Новые технологии и перспективы их развития

В ближайшие годы планируются большие ин­вестиции в строительство будущих электросетей. Согласно сценарию, разработанному в 2008 году Международным энергетическим агентством (International Energy Agency), потребуется инве­стировать более 1,5 триллиона евро за период с 2007 по 2030 г. для переоборудования электриче­ских систем, начиная от генераторов (две трети ин­вестиций) и до систем передачи и распределения (одна треть). По оценкам ENTSO-E (Европейской сети операторов передающих систем), инвести­ции в системы передачи и распределения энергии составят 500 миллиардов евро к 2030 году, 75% пойдет на системы распределения и 25% на си­стемы передачи. В соответствии с анализом спе­циалистов из Совета энергообъединения европей­ских стран (UCTE, в настоящий момент вошел в состав ENTSO-E), 17 миллиардов евро должны быть потрачены на модернизацию электрических сетей с 2008 по 2012 год с целью увеличения воз­можностей объединения Европейских систем пе­редачи [1, 2, 10]. Инвестиции являются ключевым фактором построения гибких, согласованных и эффективных электрических сетей на основе но­вых архитектурных схем и инновационных тех­нических решений.

Развитие ВИЭ потребует больших измене­ний в области разработки и управления сетями. Директивами Европейской комиссии ЕС 2009/29 поставлены сложные, юридически обязательные требования по доле возобновляемых источников в общем объеме конечного потребления энергии. Согласно директиве, эта доля должна быть увели­чена до 20%, включая 10% в транспортном сек­торе, к 2020 году. Однако, по оценкам специали­стов, к 2020 году эта цифра возрастет до 30-35% в общем объеме конечного потребления энергии [1, 4, 5]. Интеграция возобновляемых источников энергии и обеспечение высокого уровня надеж­ности электросистем потребуют в ближайшие годы больших инвестиций как в Европе, так и за ее пределами.

Модернизация не будет связана с какими-либо прорывами в области технологии, однако потре­бует эффективного внедрения и использования технологических процессов, большая часть кото­рых уже разработана или находится на последней стадии разработки.

Системы передачи электроэнергии

Европейская система передачи электроэнер- гии¹ представляет собой сеть высокого напряже­ния, не менее 110-150 кВ, которая сильно отли­чается от системы распределения, обладающей низким напряжением и соединяющей систему передачи с оборудованием потребителя, по функ­циональному назначению, структуре и принципам планирования и эксплуатации. На выбор направ­ления развития обеих систем влияют порой про­тиворечивые тенденции и факторы. При оценке будущих электросетей все чаще используются при­лагательные «супер» и «умный», которые как бы намекают на их повышенную эффективность, гибкость, надежность и управляемость [3, 4].

Европейская электроэнергетическая отрасль переходит от регулируемой структуры с верти­кально интегрированными энергокомпаниями к дерегулированию, либерализации и организации региональных рынков. В большинстве стран Ев­ропы единый оператор передающих сетей (TSO) отвечает за эксплуатацию, содержание и разви­тие энергосистем. С июля 2009 года на терри­тории ЕС действуют 42 оператора передающих систем, входящих в состав ENTSO-E. Европей­ская сеть операторов электросистем заменена 5 региональными ассоциациями TSO (см рисунок). Объединение локальных региональных сетей, являющееся ключевым фактором эффективного функционирования рынка электроэнергетики, и продолжающийся процесс либерализации по­зволяют увеличить уровень межсетевого обмена мощностью. В настоящее время уровень, частота и разнообразие перегрузок свидетельствуют о не­достаточном уровне межсетевого объединения.

Объединение береговых ветряных электро­станций в передающую систему приобретает все большую популярность в Европе. Посколь­ку ожидается дальнейшее развитие береговой и офшорной ветровой энергетики, других видов возобновляемых источников энергии с прерыви­стым характером генерирования, встает вопрос об их надежном объединении в общую Европей­скую энергетическую систему [1, 5, 6].

В странах Европы расширение сети с помощью обычных высоковольтных и кабельных линий пере­менного тока (HVAC) является одним из наиболее стандартных решений вопроса увеличения про­пускной способности энергосистемы с меньшими потерями. Капитальные затраты на передающие технологии в значительной степени зависят от раз­личных параметров, таких, как мощность оборудо­вания, действующее напряжение, характеристики окружающей среды, затраты на материалы и рабо­чую силу. Затраты на оборудование для стандарт­ной передающей линии HVAC 400 кВ составляют 400-700 тысяч евро/км для монополярной системы и 500-1000 тысяч евро/км для биполярной систе­мы. Оборудование для подземных или подводных высоковольтных кабельных линий переменного тока стоит от 1000 до 5000 тысяч евро/км [5, 7].

Преодолеть препятствия, сдерживающие стро­ительство и замену традиционной инфраструкту­ры энергосистем, поможет ряд интересных альтер­нативных технологий, уже имеющихся на рынке в различной степени готовности [4, 5, 7].

• Высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) - технологии, которые уже разработаны и используются для передачи электроэнергии на дальние расстояния, под водой и стабилизации между несинхронизированными системами. Со­временные достижения в области силовой элек­троники вместе с характеристиками традицион­ных HVDC позволят этим технологиям выйти на новый уровень, что в итоге повысит эффектив­ность эксплуатации и будет способствовать раз­витию береговых и, возможно, офшорных пере­дающих электросетей в Европе. В частности, это относится к системам высоковольтных линий постоянного тока с преобразователем источни­ка напряжения (VSC-HVDC), которые обладают высокой гибкостью, большими возможностями управления активной и реактивной мощностью и легко преобразуются в мультитерминальные линии. Демонстрация возможностей VSC-HVDC для больших установок является одной из задач пилотного проекта Kriegers Flak, в рамках кото­рого будет исследована возможность создания офшорной передающей электросистемы, которая объединит электросистемы Дании, Швеции и Гер­мании и соединит большое число ветроустано- вок (общей мощности до 1800 МВт). Стоимость оборудования для воздушных линий передачи HVDC может составить 300-400 тысяч евро/км и 1000-2500 тысяч евро/км для кабельных линий. В эти цифры не входит стоимость преобразовате­ля HVDC, а цена стандартного преобразователя может составлять 40-70 тысяч евро/МВт, цена же преобразователя VSC-HVDC может достигать 50-80 тысяч евро/МВт [5, 6, 8, 9].
• Гибкие передающие системы переменного тока (FACTS) - устройства на основе силовой электроники, позволяющие повышать эффектив­ность использования действующих передающих систем, что в итоге снижает потребность в стро­ительстве новых линий электропередачи. Они обладают хорошими возможностями управления потоками активной и реактивной мощности, ди­намической поддержкой реактивной мощности и возможностью контролировать напряжение. Стоимость оборудования для FACTSзависит от уровня возможностей управления и конфигура­ции этих устройств. Устройства, уже имеющиеся на рынке, стоят от 30 до 170 тысяч евро/МВА [5].
• Новые типы проводников: линии с газовой изоляцией (GIL) и высокотемпературные сверх­проводящие (HTS) кабели еще находятся в стадии демонстрации, но уже показывают многообещаю­щие результаты, так как обеспечивают высокую пропускную способность с меньшими потерями электричества. Стоимость GILоценивается в 4-9 миллионов евро/км. Кабельные линии первого поколения на основе HTS-технологии стоят при­мерно 150 евро/кА-м [8].

Следует отметить, что в сильно разветвлен­ной электросети, такой, как в Европе, широкое использование HVDC и FACTS станет реально выгодным только при наличии согласованного и иерархического контроля.

Программное обеспечение, информационные и коммуникационные технологии (ICT) будут способствовать увеличению эффективности и эксплуатационной надежности системы, снижая тем самым потребность в строительстве новой инфраструктуры, а также повышая возможности ее управления и регулирования.

Технологии на основе процессов динами­ческой тепловой мощности позволяют исполь­зовать временно перегруженные проводники в благоприятной окружающей среде (при низких температурах) без механических и термических напряжений. Системы мониторинга переходных режимов (WAMS) используются для наблюдения, доступа и оптимизации протекания переходных процессов в энергосистеме с помощью измерения параметров космическими спутниками [4, 5].

Системы распределения энергии

В процессе реорганизации вертикально инте­грированной энергосистемы большое число опе­раторов распределительных систем (DSO) уже отделились или находятся в стадии выделения в независимую структуру, так же как и операторы передающих сетей. Параметры распределительных систем в разных странах Европы могут в значитель­ной степени отличаться друг от друга. Стоимость оборудования распределительных сетей значитель­но ниже, чем передающих (не более одной десятой для воздушных и не более одной тринадцатой для кабельных линий), но для их строительства тре­буется существенно больше составляющих ком­понентов. Как правило, распределительные сети предназначены для пассивного распределения энергии от генератора, подстанций и передающей системы к конечному потребителю. При данной организации, когда электроэнергия идет главным образом в одном направлении от подстанций к по­требителям, у операторов распределительных си­стем нет необходимости активно управлять пото­ками мощности, в отличие от операторов передаю­щих систем.

На развитие рас­пределительных сетей оказывает влияние все возрастающее число не­больших электростанций, так называемых распре­деленных энергетических генераторов (Distributed Generation, DG), или рас­пределенных энергетиче­ских ресурсов (Distributed Energy Resources, DER), которые производят элек­троэнергию для своих собственных нужд и име­ют возможности для ее хранения². С одной стороны, это объясняется раз­витием технологий когенерации малой и средней мощности (ТЭЦ, теплоэлектроцентрали) и ВИЭ, а с другой стороны, расширением возможностей использования электроустановок, например для электрических автомобилей. При наличии боль­шого числа распределенных энергетических си­стем, способных вырабатывать и отдавать элек­троэнергию, т. е. при объединении генераторов, систем распределения и хранения в распредели­тельную сеть, электричество может передаваться и в обратном направлении от рассредоточенных установок в распределительную и далее в переда­ющую сети. В рамках данной концепции изменя­ются параметры управления, которые становятся более «активными» в системах контроля [2, 9].

Подход к созданию распределительной сети или сети распределенных энергетических ре­сурсов и, в частности, к распределенному гене­рированию (DG) в большой степени основан на принципе «собрали и забыли». Установки можно соединить, они будут функционировать, но при этом отсутствует точный и продолжительный кон­троль над их влиянием на работу всей сети. Даже если небольшое число установок DER можно уже внедрить в действующую на сегодняшний день распределительную сеть, широкое использование данной технологии потребует новых подходов к принципам их эксплуатации, проектирования и улучшения архитектурных концепций. Если установки DER достигнут широкого применения и будут удовлетворять большую потребность в электроэнергии, они должны быть интегрирова­ны в общую систему управления. Следовательно, они должны быть включены в систему контроля и обеспечения резервами, как и большие тради­ционные электростанции. Например, даже если широкое использование электрических автомо­билей приведет к изменениям в архитектуре и режимах эксплуатации распределительных сетей, это поможет оптимизировать систему управления электроснабжением [2, 5, 9].

Улучшение контроля и управления сетями путем внедрения мониторинговых, телекомму­никационных технологий и систем удаленного управления также будет способствовать обеспе­чению безопасной и бесперебойной работы элек­тросети с увеличенной долей DER. Интенсивный обмен данных, когда специально разработанные информационно-коммуникационные платформы будут управлять информационными потоками между участниками электросистемы, поможет улучшить торговлю электроэнергией в режиме ре­ального времени, избежать неполадок, управлять активами, контролировать производство энергии и регулировать спрос. В частности, установки «умного» учета вместе с системами управления спросом на энергию смогут оптимизировать по­требление энергии и сделать ее выработку и за­грузку более гибкой и рациональной. Разработка и улучшение рентабельных и скоординирован­ных систем хранения энергии высокой мощно­сти также будут играть важную роль в ускорении проникновения DER, так как позволят разделить функции выработки и использования энергии [2, 4, 5, 9].

Несколько пилотных проектов для тестирова­ния инновационных, интегрированных подходов к распределительной системе уже выполняются или готовы к запуску. Например, в рамках про­екта «Умный город» (SmartCity) в Малаге не­сколько возобновляемых источников энергии будут соединены с распределительной сетью Испании вместе с устройствами для хранения и станциями перезарядки для электромобилей с целью достичь 20% экономии энергии для 11 000 потребителей. В Гетеборге в рамках проекта по созданию эффективной измерительной инфра­структуры предусматривается установка 90 000 «умных» измерительных устройств для мони­торинга и обмена данных в режиме реального времени. В Португалии целью проекта InvoGrid является достижение 20%-ного сокращения по­требления электроэнергии за счет внедрения домашних энергетических установок, обеспечи­вающих эффективное управление потреблением и микрогенерацией.

Интерфейсы передающих и распределительных систем

Нельзя не отметить наличие побочных эффек­тов, связанных с ростом систем распределенного генерирования (DG) в Европе. Недавние перебои в электроснабжении в Европе показали, что без хо­рошо скоординированных системных интерфей­сов и гибких управляющих устройств перебои на уровне распределения могут негативно сказаться (если не усилиться) на уровне передачи.

Операторы передающих и распределительных сетей должны разработать стратегии, направлен­ные на эффективное решение проблем интерфей­са, возникающих в результате перехода к концеп­циям «умных» электросистем. Для слаженной и безопасной работы передающей и распредели­тельной сетей требуются более согласованные действия на стадии их разработки и эксплуатации. Как передающая, так и распределительная сети должны развиваться не только в сторону увеличе­ния пропускной способности, но и за счет инфра­структуры с использованием прогрессивных ин­формационных и коммуникационных технологий, а также платформ управления [2, 4, 5]. Одним из наиболее интересных проектов в этом направле­нии является проект Cell (Cell project). Передовая концепция была внедрена в распределительную сеть Дании с целью наблюдения и управления за ее составляющими (подстанциями, местными те­плоэлектроцентралями и ветряными турбинами). Пульт управления системы (контроллер ячейки cell controller) активирует устройства распределен­ного генерирования (DG) в определенной области («ячейке») и объединяет их в так называемые вир­туальные генераторы. Виртуальные генераторы смогут размещать предложения на рынке элек­троэнергии и оказывать дополнительные услуги, такие, как управление реактивной мощностью, а также частотой и напряжением.

Препятствия

Основными препятствиями, затрудняющими развитие уже действующих и разработку буду­щих электросистем, являются несовершенство нормативно-правовой (регулирующей) базы, низ­кий уровень координации в области технологии и исследований и растущее негативное отноше­ние в социальной среде к новым энергетическим установкам.

Процесс инвестирования в значительной мере искажается высоким уровнем дезинтегра­ции. Действующая система регулирования не­достаточно стимулирует инвестиции в развитие электросетей, особенно когда речь идет о строи­тельстве транснациональных сетей. Операторы сетей не очень заинтересованы в развитии всего рынка, и инвестиционные решения вертикально интегрированных компаний больше ориентиро­ваны на удовлетворение потребностей постав­щиков. Более того, могут возникнуть проблемы с получением долгосрочного финансирования, так как в настоящее время действующая система регулирования отрасли не способствует стимули­рованию инвестиций.

Действующие нормативы и стандарты либо не согласованы, либо не включены в националь­ные законодательства. Исследования в странах Евросоюза носят разрозненный характер и ориентированы на получение краткосрочной прибыли. Отсутствуют согласованные и упро­щенные процедуры и инструменты сотрудни­чества между различными участниками рынка, например производителями возобновляемых источников энергии, операторами передающей и распределительной сетей и исследователь­скими институтами. Подчас различные опе­раторы передающих сетей не делятся и не со­гласовывают друг с другом процедуры и общие инструменты, например, в области повышения надежности и оценки вероятностных критери­ев безопасности, управления сетями, и методы планирования.

В значительной степени расширение общей энергетической системы сдерживается технико­экономическими, экологическими и социальными факторами. Например, отсутствие обоснованного технического решения для многотерминальных HVDC препятствует развитию разветвленной офшорной сети, а также созданию единой Евро­пейской передающей электросистемы. Возраста­ет негативное отношение в социальной среде к строительству новых линий, чему способствует сильное сопротивление местных властей и не­гативное общественное мнение. Как правило, на получение разрешения на строительство элек­трических установок требуется намного больше времени, чем на само строительство (не менее чем в 3-5 раз). Кроме того, в странах Евросоюза отмечен недостаток квалифицированных специа­листов [4, 5].

Потребности

Необходимо пересмотреть принципы плани­рования расширения передающих и распредели­тельных сетей с целью повышения их надежно­сти и эффективности. Электрические системы в Европе нуждаются в разработке согласованных кодексов для передающих сетей. Не менее важно создание общего технического руководства для операторов распределительных сетей, что будет способствовать выходу на новые рынки и раз­витию технологии в распределительных сетях. Нельзя не отметить необходимость в четком раз­делении границ между передающей и распреде­лительной сетями [5].

С одной стороны, существует потребность в создании стандартных правил и руководств, а с другой - в устранении административных пре­пон для развития системы от многочисленных, разрозненных национальных сетей в направле­нии единой Европейской электрической системы. Необходима разработка стандартов, особенно в области коммуникации, «умных» измеритель­ных систем, сетевой интеграции и межсетевых соединений с целью усиления взаимосвязи между сетями и ускорения интеграции распределенных энергетических ресурсов с наименьшими затра­тами. Следует задействовать рыночные механиз­мы для поддержки внедрения инновационных технологий, например «умных» измерительных систем, гибких передающих систем переменного тока (FACTS). Должны быть разработаны меры, направленные на улучшение общественного мне­ния по отношению к электрической инфраструк­туре. Необходимо упростить процедуры получе­ния разрешения на строительство для ускорения модернизации стареющей инфраструктуры элек­тросетей [4, 5].

Необходимо продолжать исследования, на­правленные на решение технических, экономиче­ских и регулирующих вопросов. Доля инвестиций каждой страны - оператора передающих сетей в установлении трансграничных связей должна быть четко определена с целью создания дей­ственной единой европейской сети. Нельзя не от­метить значение демонстрационных проектов как движущей силы эволюции концепции «умных» электросетей.

Следует отметить, что крупномасштабная де­монстрации с участием населения на различных площадках необходима для доказательства эф­фективности и надежности технических/эконо­мических/нормативных решений вопросов инте­грации ВИС и распределенных ресурсов, а также понимания социальных аспектов инновационной деятельности в сфере технологий и систем [3, 6].

Демонстрационные проекты также могут способ­ствовать ускорению роста европейской электро­технической и электронной отраслей, что приве­дет к созданию новых рабочих мест.

Несмотря на очевидное лидерство в сфере создания новых продуктов, оборудования и си­стем, рассматриваемый сектор экономики обла­дает сильным потенциалом роста и обеспечения занятости в результате привлечения инвестиций и внедрения инноваций на ключевых потребитель­ских рынках Евросоюза. Этот потенциал может быть направлен на выполнение исследователь­ских программ, составление технологических дорожных карт, разработку инновационных стра­тегий, а также на защиту и создание основных потребительских рынков с целью ускорения раз­работки и внедрения новых технологий в Европе, например в области энергетической эффективно­сти и возобновляемой энергии.

Синергетика с другими отраслями

Организации производства, сбыта и потре­бления электроэнергии должны работать вместе над созданием будущей электрической системы в Европе. Только в консенсусе можно найти эф­фективные решения важных задач, например по разделению затрат на объединение сетей, инве­стиций в их разработку или формирование общих стандартов и правил эксплуатации. Внедрение возобновляемых источников энергии может быть ускорено, если будет создана общая нормативная база, регулирующая европейские электрические системы, например доступ к сети, правила экс­плуатации, и будут введены механизмы монито­ринга в режиме реального времени, помогающие операторам передающих и распределительных систем. С точки зрения планирования и экс­плуатации все имеющиеся технологии, включая управление спросом, хранение и распределенное генерирование, должны способствовать приведе­нию всеобщей энергетической системы в устой­чивое состояние с целью обеспечения безопасно­го и бесперебойного энергоснабжения.

Совместные исследования с участием всех стран Евросоюза и демонстрация систем обеспе­чения ВИЭ и DER, таких, как системы хранения, информационно-коммуникационные технологии и измерения, являются обязательными как с тех­нической, так и с экономической точки зрения. Использование информационных технологий во всей электрической системе может кардинально изменить представления, заложенные в основу традиционной системы. Функции управления и генерации электричества могут быть распреде­лены по всей энергетической системе вместе с рядом хорошо согласованных «умных» приборов и нагрузок, способных подстраиваться под режи­мы электросетей, тем самым оптимизируя работу всей системы [4].

Офшорные проекты могут способствовать созданию линий, которые соединят генерирую­щие мощности и одновременно увеличат возмож­ности связи передающих сетей между различны­ми региональными рынками. Сложность данного синергетического подхода заключается в том, что придется иметь дело с различными плановыми, регулирующими и экономическими системами.

И наконец, должна развиваться синергетика с другими сетевыми инфраструктурами Евросою­за: телекоммуникационными, транспортными и окружающей среды, например соединения линий электропередачи с инфраструктурами наземного транспорта, такими, как железные и автомобиль­ные дороги [6].

Выводы

Перед странами - членами Евросоюза встали важные задачи развития и содержания надежных и гибких электросетей. Выполнение условий по снижению выбросов углерода, увеличению доли возобновляемой генерации, а также обеспечению эффективности и надежности энергосистемы, ее соответствию задачам развития рынка потребу­ют больших изменений в электрических сетях. В ближайшие годы потребуются большие инве­стиции для стимулирования создания гибких, со­гласованных и надежных электрических сетей, разработанных в соответствии с новыми архитек­турными решениями и с использованием иннова­ционных технологий.

Однако существуют различные препятствия, затрудняющие инвестирование в развитие элек­тросетей. Основные из них - несовершенство действующей нормативно-правовой базы, низ­кий уровень координации научно-технической деятельности, возрастающее негативное отноше­ние в социальной среде к новым энергетическим установкам. Большая работа должна быть про­ведена на европейском и национальном уровнях, направленная на стимулирование развития дей­ствующей энергосистемы и разработку будущих электрических сетей. Необходимо создать единые европейские кодексы для передающих сетей и общее техническое руководство для распредели­тельных сетей. На национальном уровне усилия должны быть сосредоточены на упрощении про­цедуры получения разрешений на строительство, устранение административных препон и развитие рыночных механизмов для стимулирования инно­вационных технологий.

Информационные технологии могут сыграть важную роль в повышении эффективности и на­дежности систем, поэтому необходимо всячески поддерживать их внедрение на всех участках электрической системы. Необходимо стимули­ровать улучшение отношений между секторами производства и потребления, а также синергети­ку с другими сетевыми инфраструктурами Евро­союза.