Два энергетических коллапса — в штате Техас, США, и в Приморском крае, Россия | Статьи журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»

Page 1

Page 2

166

мировой опыт

Два энергетических коллапса —
в штате Техас, США,
и в Приморском крае, Россия

Обсуждается

актуальная

проблема

воздействия

экстремальных

природных

событий

на

энергетические

системы

Детально

рассматриваются

две

экстраординарные

крупномасштабные

аварийные

ситуации

последнего

времени

возникшие

вслед

–

ствие

экстремальных

природных

воздействий

, —

штате

Техас

США

феврале

2021

года

Приморском

крае

Россия

ноябре

2020

года

Обсуждаются

мероприятия

по

снижению

негативных

последствий

для

потребителей

энергетических

систем

результате

таких

экстремальных

аварийных

ситуаций

Воропай

д.т.н., профессор, научный руководитель ИСЭМ СО РАН,

член-корреспондент РАН

Крупенев

к.т.н., заведующий лабораторией надежности топливо-

и энергоснабжения ИСЭМ СО РАН

Подковальников

д.т.н., заместитель директора ИСЭМ СО РАН

Сендеров

д.т.н., заместитель директора ИСЭМ СО РАН

ока готовилась эта статья, появились две публикации по анали-

зу блэкаута в штате Техас [1, 2]. Это неудивительно, поскольку

ситуация в Техасе оказалась исключительно уникальной. Пред-

ставляется, что сопоставительный анализ двух рассматривае-

мых здесь экстраординарных случаев, имеющих, несмотря на существен-

ные различия в протекании аварийных событий, много общего, может дать

дополнительную пищу для размышлений в плане противодействия таким

экстремальным природным воздействиям.

ВВЕДЕНИЕ

Надежность энергоснабжения потребителей — одна из исключительно

важных характеристик надежности и эффективности работы энергетиче-

ских систем. В современных условиях цифровизации и компьютеризации

технологических процессов потребителей требования к уровню надежно-

сти их энергоснабжения и, соответственно, надежности энергетических

систем существенно повышаются [3].

Проблема надежности энергетических систем может быть условно раз-

делена на два направления:

– надежность системы при так называемых расчетных отказах ее эле-

ментов и внешних возмущениях — при этом имеется статистика отказов

и возмущений, с использованием которой моделируются случайные

процессы отказов-восстановлений и определяются показатели надеж-

ности системы в целом, а также обосновываются мероприятия по обес-

печению надежности энергоснабжения потребителей в этих расчетных

условиях;

– надежность энергетической системы и энергоснабжения потребите-

лей при крупномасштабных, часто экстраординарных нерасчетных

событиях (каскадных авариях, экстремальных природных явлениях,

террористических актах, кибератаках на систему управления, и т.п.) —

это направление ассоциируется со свойством живучести энергетиче-

ской системы [3, 4], в последнее время в англоязычной литературе

Page 3

167

используется эквивалентный термин resilience

[5–7]; как правило, подобные экстремальные

ситуации уникальны, что существенно затруд-

няет их исследование и обоснование мероприя-

тий по повышению надежности энергетической

системы и энергоснабжения потре бителей.

В данной статье выполнен детальный анализ

двух таких экстремальных аварий — в штате Те-

хас, США, в феврале 2021 года и в Приморском

крае, Россия, в ноябре 2020 года. Несмотря на оче-

видную уникальность этих двух экстраординарных

случаев, их сопоставительный анализ позволяет

выявить некоторые общие проблемы, решение ко-

торых позволит снизить уязвимость рассматрива-

емых энергетических систем.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

КОЛЛАПС

ШТАТЕ

ТЕХАС

США

Энергетика

штата

накануне

блэкаута

Уста-

новленная мощность электростанций энергосис-

темы Техаса на начало 2021 года составила око-

ло 129,6 ГВт, 53,6% производства электрической

энергии обеспечивалось за счет электростанций

на газе. Установленная мощность ветроэлектро-

станций составляет порядка 23% суммарной уста-

новленной генерирующей мощности штата. Кроме

того, как видно из рисунка 1, определенная доля

генерации электроэнергии приходится на атомные

(8,7%) и угольные (16,6%) бло-

ки, солнечные установки (1,7%),

а также незначительно на постав-

ки из Southwest Power Pool (две

линии общей пропускной спо-

собностью 820 МВт) и из Мекси-

ки (три линии общей пропускной

способностью 430 МВт). Электри-

ческая сеть представлена линия-

ми переменного тока на напряже-

ниях 69–345 кВ. Энергосистема

работает на частоте 60 Гц [8].

Обычно пик потребления элек-

троэнергии и мощности в Техасе

отмечается летом и связан с наи-

более активной работой систем

кондиционирования.

Февраль-

ский пик электропотребления

2021 года из-за холодов значи-

тельно превысил прогнозируе-

мый уровень, к чему оператор

ERCOT (Electric Reliability Council

of Texas) оказался не готов. При

этом некоторые электростанции

суммарной мощностью около

4 ГВт были отключены до резко-

го похолодания для проведения

плановых ремонтов [8]. Электро-

станции в Техасе обычно прово-

дят техническое обслуживание

и плановые ремонты своего обо-

рудования в мягкие зимние меся-

цы, чтобы подготовиться к макси-

мальному спросу на электроэнергию и мощность

летом.

Необходимо отметить, что более 60% домохо-

зяйств штата отапливаются за счет электроэнер-

гии, остальные 40% — за счет газа. Следует учи-

тывать и то, что климатические условия в разных

районах штата различаются достаточно суще-

ственно. В частности, средняя температура воз-

духа зимой на юге штата в Техас-Сити в дневные

часы составляет +19°С, а ночью падает до +16°С

[9]. В то же время северные и западные районы

штата подвержены снегопадам в связи с их более

низкой средней зимней температурой. В течение

одной недели в феврале 1956 года на севере Теха-

са максимальное количество выпавшего снега со-

ставило порядка 150 см [10]. В декабре 1987 года

за 24 часа в Эль-Пасо на крайнем западе Техаса

выпало 57 см снега [11]. В центре штата в наибо-

лее пострадавшем в 2021 году городе Остин зима

обычно мягкая и относительно сухая, в то же вре-

мя порядка 18 дней в году температура опускается

ниже 0°С, а самая низкая температура была за-

регистрирована 31 января 1949 года и составила

–19°С [12].

Что

произошло

На рисунке 1 [8] показан гра-

фик нагрузки и его покрытие накануне и в течение

блэкаута по данным ERCOT. Как видно из рисунка,

неприятности начались задолго до экстремальной

Нетто-генерация и прогнозное потребление электроэнергии, МВт·ч

Наиболее низкая температура суток в г. Остин, февраль 2021

–18°С

–14°С

–10°С

0°С

8°С

–6°С

Максимальный

сценарий ERCOT

для экстремальных

зимних условий

67,21 МВт·ч

Источник:

US Energy Information

Administration, ERCOT

Максимальные

возможности

электроснабжения

14 февраля

68,83 МВт·ч

Пик прогнозного

потребления

76,78 МВт·ч

Прогноз потребления

Газовая генерация

Ветровая генерация

Угольная генерация

Атомная генерация

Солнечная генерация

Блэкаут

Экспорт электроэнергии

Рис

. 1.

График

прохождения

блэкаута

штате

Техас

(

США

) [8]

№

4 (67) 2021

Page 4

168

МИРОВОЙ ОПЫТ

ситуации — с 7–8 февраля, ког-

да температура в городе Остин

начала снижаться ниже нор-

мального уровня и продолжила

снижаться 10–13 февраля, что

привело к обледенению меха-

низмов лопастей ветротурбин

и невозможности работы при-

мерно половины (12 ГВт мощно-

сти) всей ветровой генерации.

В значительной степени по-

страдала газовая генерация

и газоснабжающая инфраструк-

тура, которая весьма развита

в Техасе (рисунок 2). Аномаль-

ные морозы привели к тому,

что основные газопроводы га-

зотранспортной системы штата

были заморожены, то есть за-

купорены ледяными пробками,

постепенно образовавшимися

из замерзшей воды, присут-

ствующей в небольшом количестве в недостаточ-

но для таких температурных условий осушенном

газе. Эти явления связаны с точкой росы газа по

воде, характеризующей образование твердых фаз

(лед, газовые гидраты), что затрудняет транспорт

газа. Например, при давлении в магистральных га-

зопроводах США в 75 атм. такая точка росы рас-

полагается в пределах –15/–16°С [13]. В южных

районах страны, где температура практически

в большинстве случаев не опускается ниже нуля,

газ обычно не осушается даже до этих значений

точки росы [14].

По аналогичным причинам перестало работать

оборудование и на газовых скважинах штата. Дело

в том, что на поверхность из пласта помимо газа

может поступать также определенное количество

нефти и воды. Увеличение количества жидкости

в газовой скважине приводит к постепенному по-

вышению давления в ее стволе и уменьшению

отдачи газа. Для предотвращения этой ситуации

осуществляется удаление жидкости из скважи-

ны разными способами. Все это использовалось

и в Техасе, но с учетом обычных для штата зимних

температур, значительно превышающих 0°С, на

соответствующем оборудовании не предусматри-

валось утепление на случай низких температур.

В результате замерзания жидкости, содержащей-

ся в газе, это оборудование было также полностью

заморожено. Большинство скважин на Permian

Basin (крупный нефтегазоносный бассейн осадоч-

ного типа в юго-западной части США) было по этой

причине выведено из эксплуатации [16]. В резуль-

тате, если в начале февраля техасские операто-

ры производили около 24 млрд кубических футов

газа в сутки, то в условиях экстремально низких

температур 14–20 февраля добыча газа упала до

суточных объемов порядка 12–17 млрд кубических

футов. Как следствие, энергосистема штата поте-

ряла в пике около 26 ГВт мощности.

Свой вклад в катастрофическое развитие си-

туации вынужденно внесли и бытовые потреби-

тели. Дома в штате Техас не рассчитаны на такие

низкие температуры. И поскольку, как было от-

мечено выше, 60% домохозяйств отапливаются

за счет электроэнергии, а с поставкой газа для

отопления также произошли перебои, и жители

начали включать электрообогреватели, это при-

вело к постепенному росту спроса на электриче-

скую мощность до рекордных 70 ГВт, в то время

как в результате предварительного расчета для

экстремальных зимних условий была получена

оценка 67 ГВт. При этом средний уровень потреб-

ляемой до блэкаута мощности составлял порядка

40 ГВт [8].

Вследствие аварий в газотранспортной и газо-

распределительной системах и возникшего по этой

причине дефицита газа отключилась половина га-

зовых электростанций. Порядка 45 ГВт мощности

были недоступны из-за аварийных отключений ли-

ний электропередачи. Кроме того, замерзшее обо-

рудование на других объектах привело к отключе-

нию некоторых угольных электростанций и даже

одного реактора на АЭС.

Аномально холодную погоду в центральных

и южных районах штата не выдержали и системы

водоснабжения [17]. Трудности с подачей холод-

ной воды испытала почти половина его жителей

(около 15 млн человек). В штате зафиксированы

многочисленные факты прорывов трубопроводов

холодного водоснабжения, замерзания колодцев

на водопроводных сетях и выхода из строя водо-

очистных сооружений. Представители комиссии

штата по ликвидации чрезвычайной ситуации со-

общали, что из-за лопнувших труб в городе Остин

было потеряно около 1,2 млрд литров воды. Вла-

сти Хьюстона, крупнейшего города Техаса, полу-

чили сообщение о почти 5 тысячах повреждений

труб холодного водоснабжения [18].

Рис

. 2.

Схема

сети

магистральных

газопроводов

штата

Техас

[15]

Page 5

169

Таким образом, эта катастро-

фа охватила не только системы

электроснабжения, но фактиче-

ски все инфраструктурные сис-

темы.

Немного

истории

Однако

события февраля 2021 года не

были исключительными. На юго-

западе штата в 1983, 1989, 2003,

2006, 2008, 2010 и 2011 годах уже

были экстремально холодные по-

годные явления. Худшие из них

были в 1989 и 2011 годы, они наи-

более сопоставимы с 2021 годом

(таб лица 1).

В 1989 году ERCOT впервые прибег к системным

ограничениям поставок электроэнергии «гаранти-

рованным» потребителям для предотвращения

более широкого отключения потребителей. Ана-

логичные действия были реализованы в феврале

2011 года. В пятницу 22 декабря 1989 года ERCOT

не смог удержать минимальный уровень требуемо-

го резерва активной мощности из-за рекордно вы-

соких нагрузок и отключения большого количества

энергоблоков. В 8:30 частота упала ниже 59,95 Гц

и ERCOT приказал запустить все доступные гене-

рирующие мощности. Локальные диспетчерские

центры, испытывающие дефицит генерации, так-

же ограничивали «прерываемые» (interruptible) на-

грузки и сводили их к минимуму. Коммунальные

предприятия публично призывали потребителей

добровольно сократить потреб ление.

Электроэнергетические и газовые компании со-

общили о выполнении ряда мероприятий по подго-

товке к зиме. Однако низкая производительность

многих энергоблоков и газовых скважин свиде-

тельствует о том, что эти мероприятия не выпол-

нялись должным образом. Опыт 1989 года был

поучителен, особенно в отношении электроэнер-

гетического сектора. Энергетическая комиссия Те-

хаса — PUCT (Public Utilities Commission of Texas)

исследовала ситуацию 1989 года и сделала ряд

рекомендаций, направленных на улучшение под-

готовки генерирующих компаний к зиме. Однако

ситуация повторилась в 2011 и в 2021 годах, когда

проблемы возникли практически для тех же генери-

рующих компаний, несмотря на принятый в 2011 го-

ду Сенатом Техаса закон по улучшению планов

обеспечения надежности электроснабжения.

Механизмы

регулирования

В своем отче-

те 1989 года PUCT отметил, что «…достаточны

ли действия, предпринимаемые генерирующи-

ми компаниями, для предотвращения будущих

отказов электростанций, связанных с экстре-

мально низкими температурами, подтвердит

только непосредственный опыт с наступлением

следующего события с экстремальными холода-

ми…» [19]. В 2011 году произошло такое событие,

а в 2021 году оно повторилось. Ответ очевиден:

корректирующие мероприятия не были адекватны-

ми или попросту не выполнялись. Генерирующие

компании не обеспечили готовность к холодной

погоде. Также возможно, что новым владельцам

или новому персоналу электростанций не хватило

исторической ретроспективы, чтобы сделать эти

усилия приоритетными при отсутствии внешних

требований.

На федеральном уровне после масштабной сис-

темной аварии на Северо-Востоке США и Востоке

Канады в 2003 году возникла острая потребность

в новом наборе правил, которые помогли бы пре-

дотвратить подобные массовые аварийные отклю-

чения электроэнергии. Закон об энергетической

политике 2005 года уполномочил Federal Energy

Regulatory Commission (FERC) назначить нацио-

нального оператора по надежности — ERO (Electric

Reliability Operator). В 2006 году FERC издал при-

каз об учреждении NERC (North American Electric

Reliability Corporation) в качестве такого оператора

для США. До того как NERC стала национальным

ERO, требования руководящих документов по экс-

плуатации и планированию энергосистем не были

обязательными, а лишь настоятельно рекомендо-

вались, но на добровольных началах. NERC орга-

низовала разработку стандартов надежности и по-

лучила полномочия обеспечивать соблюдение

этих стандартов посредством денежных штрафов

и других санкций.

Однако главная причина в том, что отсутствие

каких-либо четких положений в федеральных и ре-

гиональных стандартах надежности, которые на-

прямую требовали бы от частных генерирующих

и сетевых компаний выполнения мероприятий

по подготовке к зиме, оставляет эти вопросы на

усмот рение энергокомпаний. Характерно, что, в то

время как в стандартах надежности ЕОР-001 R.4

и R.5 подготовка к зимнему периоду рассматри-

вается в планах действий при чрезвычайных си-

туациях, эти требования применяются только к ба-

лансирующим органам, владельцам некоторых

линий электропередачи и операторам передачи

электроэнергии, то есть организациям, на которые

государство на федеральном уровне или на уров-

не штата может реально оказывать влияние. Пол-

ностью частные генерирующие и электросетевые

компании не попадают под это влияние. И основ-

ная проблема состоит в том, что и стандарты на-

дежности, и закон, принятый Сенатом штата Техас

Табл. 1. Сопоставительная характеристика аварий

в энергосистеме Техаса 1989, 2011 и 2021 годов

Показатели

Даты

21–23 декабря

1989 года

1–2 февраля

2011 г.

15–17 февраля

2021 г.

Минимальная температура

и минимальная температура

с учетом фактора ветра

в районе Далласа

–18,3°С;

–24,4°С

–10,6°С;

–21,1°С

–18,9°С;

–26,7°С

Пик нагрузки системы, МВт

38,300

56,334

76,713

Снижение мощности

генерации (нетто), МВт

11,809

(31%)

14,702

(26%)

28,035

(36,5%)

№

4 (67) 2021

Page 6

170

в 2011 году, носят для частных компаний сугубо

рекомендательный характер. В этом плане упомя-

нутые полномочия NERC по возможным штрафам

и санкциям практически не работают.

Особенность электроэнергетической системы

(ЭЭС) Техаса состоит в том, что в силу определен-

ных обстоятельств система работает практически

изолированно (рисунок 3). Как видно на схеме,

основу ЭЭС составляют ВЛ напряжением 138 кВ

и 345 кВ, а основная связь с соседними регионами

осуществляется по ЛЭП 161 кВ. ERCOT управляет

сетью, называемой Texas Interconnection, которая

обслуживает 90% территории штата. На протяже-

нии всей истории развития энергосистемы Техаса

ERCOT сопротивлялась подключению к двум дру-

гим энергосистемам страны: Eastern Connection,

которая связывает поставщиков и потребителей

к востоку от Скалистых гор, и Western Connection,

которая связывает системы энергоснабжение к за-

паду от Скалистых гор. И к слову сказать, в горо-

дах Эль-Пасо и Бомонт, расположенных у границ

Техаса и запитанных от сетей других штатов, по-

следствия для потребителей электроэнергии

этих городов были относительно минимальными.

Руководство Техаса и собственники энергетиче-

ских объектов хотели сохранить независимость от

федеральной юрисдикции в отношении эксплуа-

тации своей системы. Это делалось для лучшего

контроля работы энергосистемы и независимости

от федерального энергетического рынка и феде-

рального законодательства. К тому же на терри-

тории Техаса имеются большие объемы полезных

ископаемых, которые стимулируют создание неза-

висимой, изолированной энергосистемы. В итоге

это, конечно же, приносит и свои плоды: так, бла-

годаря созданию благоприятных условий развития

возобновляемой энергетики на территории штата,

произошло интенсивное развитие ветроэнергети-

ки [20].

В статье [1] называются три основные причины

катастрофического развития аварийной ситуации:

резкое увеличение электрической нагрузки и сни-

жение генерации различных электростанций; не-

достаточность резервирования по мощности из-за

изолированной работы системы; недостаточная

подготовка ответственных ведомств. В качестве

уроков, которые следует извлечь, сформулирова-

ны три направления: необходимо уделять боль-

ше внимания влиянию экстремальных природных

явлений на энергетические системы, поскольку

в связи с потеплением климата вероятность и по-

следствия природных катаклизмов увеличивают-

ся; необходимо сконцентрировать усилия на сред-

несрочном и долгосрочном планировании работы

энергетических систем, поскольку рынок электро-

энергии не способен привлечь долгосрочные ин-

вестиции посредством ценовых сигналов.

На основе комплексного анализа ситуации

в статье [2] рассматриваются технические, фи-

нансово-экономические, рыночные, организаци-

онные, экологические и социальные проблемы

энергетического коллапса в Техасе. Предлагаются

следующие основные меры по предотвращению

подобных экстраординарных аварий: подготовка

к экстремальным погодным условиям произво-

дителей и потребителей электроэнергии и газа

(“weatherization”, особенно “winterization”); «акти-

визация» потребителей, прежде всего, электро-

энергии (demand response); расширение внешних

электрических связей с другими регионами стра-

ны. Отмечается, что реализация этих мер требует

поддержки на законодательном и политическом

уровнях. В частности, есть предложения сделать

законодательно обязательной подготовку к экс-

тремальным погодным условиям с определением

механизмов финансирования соответствующих

мероприятий.

Отсутствие или неэффективность таких меха-

низмов сейчас привели к парадоксальному пове-

дению производителей газа, которые были отклю-

чены от электроэнергии, поскольку многие из них

подписывали контракты на перерывы в электро-

снабжении с целью уменьшить размеры счетов

за электроэнергию. Очень многие из них даже не

заполняли формы об отнесении их как потреби-

телей электроэнергии к разряду критически важ-

ных инфраструктур. Соответственно поставщики

электроэнергии в условиях коллапса отключали

электроэнергию на некоторых объектах добычи

и транспорта газа. Это дополнительно усугубило

проблемы с поставкой газа на газопотребляющие

электростанции.

В статье акцентируется внимание на то, что по-

добные экстраординарные аварийные ситуации

имеют существенные негативные последствия

для здоровья и благополучия людей, в том числе,

угрозы для их жизни.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

КОЛЛАПС

ПРИМОРСКОМ

КРАЕ

РОССИЯ

Электроэнергетика

Приморского

края

Элек-

троэнергетическая система (ЭЭС) Приморского

Рис

. 3.

Схема

электрических

сетей

штата

Техас

[20]

МИРОВОЙ ОПЫТ

Page 7

171

края работает в составе Объе-

диненной энергосистемы (ОЭС)

Востока [21]. На долю При-

морской ЭЭС в ОЭС Востока

приходится 39% потребления

электроэнергии и 27% выраба-

тываемой электроэнергии. Цен-

трализованным электроснабже-

нием охвачено около 75% общей

площади и около 98% населе-

ния Приморского края. Суммар-

ная установленная мощность

электростанций на 01.01.2021 г.

составила 2759 МВт, из них

в составе ОЭС Востока рабо-

тают 2737 МВт, остальное от-

носится к децентрализованным

источникам электроснабжения.

На территории Приморского

края получили развитие электри-

ческие сети 500/220/110/35 кВ.

Техническое состояние воз-

душных линий (ВЛ) и подстанций поддерживается

в удовлетворительном состоянии. Характерной

особенностью электрических сетей 500/220 кВ

является большая протяженность ВЛ, обуслов-

ленная размещением самой крупной электростан-

ции — Приморской ГРЭС (установленная мощ-

ность 1467 МВт) — на севере вдали от центров

электрических нагрузок, основная часть которых

сосредоточена на юге края. Из других относи-

тельно крупных электростанций можно отметить

Владивостокскую ТЭЦ-2 — 497 МВт, Артемовскую

ТЭЦ — 400 МВт, Партизанскую ГРЭС — 203 МВт

[21, 22] (рисунок 4).

Приморская ЭЭС связана с Хабаровской ЭЭС

одной ВЛ 500 кВ, тремя ВЛ 220 кВ и одной ВЛ

110 кВ. Особенностью электрических сетей ОЭС

Востока является их «цепочечный» характер. Пе-

ретоки мощности преимущественно направлены

с запада на восток из избыточной Амурской ЭЭС

в Хабаровскую и далее в Приморскую ЭЭС. Но, не-

смотря на избыточный баланс ОЭС Востока, элек-

троснабжение отдельных районов Приморского

края затруднено в связи с недостатком генериру-

ющих мощностей на юге региона и, как следствие,

значительной перегруженностью электросетевых

объектов распределительного комплекса [21, 23].

Что

произошло

С 18 по 20 ноября 2020 года

на территории Приморского края в результате воз-

действия экстремальных метеоусловий (ветер до

22 м/с, мокрый снег, дождь с переходом на «ледя-

ной дождь» при снижении температуры ниже нуля)

происходили массовые отключения в электриче-

ских сетях 110 кВ и ниже. Масштабы отключений

ВЛ: 110 кВ — 12 штук; 35 кВ — 7 штук; 6–10 кВ —

47 штук. Кроме того, отключений подстанций:

110 кВ (по высокому напряжению) — 12 штук;

35 кВ — 12 штук; 6–10 кВ — 1024 штуки [23].

Ущерб от «ледяного дождя» в Приморье соста-

вил более 1 млрд рублей. Без электроснабжения

остались 67 социально значимых объектов, более

180 900 человек в более чем 17 220 домах в 73 на-

селенных пунктах 15 муниципальных образова-

ний. Наиболее сложная ситуация складывалась

во Владивостоке и на его островных территориях

(острова Русский и Попова), а также в городе Ар-

теме. Там десятки тысяч жителей больше недели

оставались без электроснабжения, отопления,

воды, связи и телевидения. По данным на 1 дека-

бря электроснабжение еще не было восстановле-

но у 1050 потребителей во Владивостоке и Артеме.

На острове Русском электроснабжение почти всех

поселков было восстановлено только 2 декабря.

Спустя две недели после коллапса продолжалась

очистка дорог и тротуаров Владивостока, а также

обледеневших мостов через бухту Золотой Рог

и на остров Русский [24].

В регионе все чаще случаются природные яв-

ления, на которые не рассчитана ЭЭС. Полови-

на из них — гололедно-изморозевые отложения.

Например, весной 2020 года циклоны принесли

в Приморье порывы ветра до 33 м/с, образовалась

наледь на проводах, отключились 20 магистраль-

ных ВЛ и почти 100 линий более низкого напря-

жения 6–35 кВ, которые построены с расчетом на

меньший ветер. В Сахалинской области за пол-

года трижды отключалась магистральная линия

110 кВ — она спроектирована с учетом максималь-

ного обледенения 1 см, но образовалось 4 см. Во

Владивостоке с ночи 18 ноября по ночь 20 ноября

2020 года выпало 143% месячной нормы осадков,

в Находке – 223%, а в Хорольском районе – 297%.

Толщина наледи, покрывшей провода, деревья

и машины во Владивостоке, достигала 12 милли-

метров. В Первомайском районе города в резуль-

тате под тяжестью льда рухнуло несколько опор

ВЛ [25].

Регулирование

превентивные

меропри

–

ятия

В прошлом в СССР и в настоящее время

Рис

. 4.

Электроэнергетическая

система

Приморского

края

Россия

[21]

№

4 (67) 2021

Page 8

172

в России основные требования по обеспечению

надежности электроснабжения потребителей

определены рядом нормативных документов. В со-

ответствии с этими документами, обеспечение на-

дежности электроснабжения осуществляется на

договорной основе. Потребители электроэнергии

разделены на три категории по надежности. Кате-

гория надежности обуславливает содержание обя-

зательств электросетевой организации по обес-

печению надежности снабжения электрической

энергией электропринимающих устройств потре-

бителей, в отношении которых заключен договор.

Также на потребителей электроэнергии наклады-

ваются обязанности по обеспечению поддержания

автономного резервного источника питания мощ-

ностью, достаточной для электроснабжения сво-

их электроприемников «при возникновении вне-

регламентных отключений, введении аварийных

ограничений режима потребления электрической

энергии (мощности) или использовании противо-

аварийной автоматики» [26].

Как видно из изложенного, часть ответственно-

сти за обеспечение надежности при нарушениях

электроснабжения возложена на самого потреби-

теля. Это во многом диктуется созданием рынка

услуг в электроэнергетическом комплексе и мно-

жественностью различных компаний по производ-

ству, передаче и распределению электроэнергии,

от надежной работы которых, в конечном итоге, за-

висит надежность электроснабжения потребите-

лей. В прошлом такой подход также использовал-

ся, но косвенно, хотя и более конкретно — путем

определения требований к схемам присоединения

потребителей. Например, для электроприемников

первой категории должно было обеспечиваться

питание от двух независимых взаимно резерви-

руемых источников, а кроме того, из электропри-

емников первой категории выделялась особая

группа, для которой дополнительно требовалось

обеспечивать питание от третьего независимого

взаимно резервируемого источника.

Чрезвычайно важно также требование по вы-

бору конструкций и характеристик оборудования

ЭЭС с учетом особенностей климатических усло-

вий местности их расположения. Например, для

регионов с повышенной вероятностью гололедо-

образования требуется предусматривать конструк-

ции с усилением сетевых элементов, особенно

проводов ВЛ, а также использовать возможности

плавки гололеда за счет повышенных токов, и дру-

гие мероприятия для повышения эксплуатацион-

ной надежности ЭЭС.

Работа по совершенствованию и адаптации

нормативных требований в области надежности

электроснабжения продолжается. Однако в целом

идеология в новых экономических условиях по

сравнению с советским периодом в определенной

мере трансформировалась в сторону снижения

жесткости требований. Примером может служить

трансформация названия «Руководящих указаний

по устойчивости энергосистем», которые сейчас

называются «Методическими указаниями по устой-

чивости энергосистем». Ситуацию в определенной

мере спасает традиция жесткой диспетчерской

дисциплины при управлении режимами ЭЭС.

Важным мероприятием по анализу деятель-

ности электроэнергетических компаний по подго-

товке к прохождению зимнего периода и реализа-

ции превентивных мероприятий по поддержанию

высокого уровня надежности ЭЭС и надежности

электроснабжения потребителей в суровых зим-

них условиях являются соответствующие еже-

годные совещания, проводимые Министерством

энергетики РФ.

Кроме того, у специалистов постепенно сло-

жились основополагающие принципы управления

режимами ЭЭС в различных условиях: в нормаль-

ных режимах осуществляются управляющие воз-

действия для реализации коммерческих правил

управления; в случае угрозы аварии, в предава-

рийных условиях и при ликвидации аварии дол-

жен быть обеспечен приоритет системного опе-

ративного и противоаварийного технологического

управления перед коммерческим. Эти принципы

в основном узаконены в одобренных Правитель-

ством Российской Федерации «Правилах техноло-

гического функционирования электроэнергетиче-

ских систем» [27].

В целом советская и российская практика

обеспечения надежности электроснабжения по-

требителей является показательной, несмотря

на существование некоторых отрицательных мо-

ментов. Например, при проектировании объектов

электроснабжения в нормативной документации

имеются случаи отсутствия требований к особым

условиям эксплуатации электроэнергетического

оборудования, к тому же промышленность про-

сто не производит оборудования, например, для

северных условий, где значения внешней темпе-

ратуры достаточно часто ниже расчетных вели-

чин. Кроме того, нередки случаи ненадлежащих

действий персонала электросетевых компаний.

Показательным в этом плане является обширный

детальный акт расследования обсуждаемой ката-

строфической ситуации в Приморском крае, где

главными причинами развития аварии называются

сверхнормативные внешние условия (например,

толщина наледи на проводах ВЛ выше расчетной),

а также ненадлежащие (не соответствующие тре-

бованиям) действия персонала (имеется ввиду не-

достаточная вырубка деревьев по краям полосы

отчуждения под ВЛ; в результате падающие под

весом льда деревья приводили к порыву проводов

и повреждению опор линий).

ОБСУЖДЕНИЕ

В июне 2021 года были приняты два законопроекта

штата Техас. Первый законопроект направлен на

реформирование Совета по надежности электро-

снабжения Техаса (ERCOT), так как в последнее

время в этом Совете были затруднения с выработ-

кой четких решений по обеспечению надежности

МИРОВОЙ ОПЫТ

Page 9

173

энергоснабжения. Второй законопроект касается

самой энергетической инфраструктуры. Напри-

мер, в нем обозначена проблема утепления элек-

тростанций и других объектов энергетики, что не-

обходимо для защиты от экстремальных погодных

условий, подобных тем, что произошли в феврале

2021 года. Также планируется модернизация всей

энергетической инфраструктуры. Эти обязанности

предполагается возложить на собственников энер-

гетических объектов. Законопроектом также пред-

усмотрена разработка инструкций по действию

всех служб в период чрезвычайных ситуаций. Что

касается потребителей, законом предусмотре-

ны регистрация определенных потребителей как

«критически важных» и проведение необходимых

мероприятий, направленных на обеспечение их

электроснабжения в чрезвычайных ситуациях.

По следам электроэнергетического коллапса

в Приморском крае каких-то обобщающих реко-

мендаций пока не принято. Тем не менее, после

расследования этого экстремального события на-

мечен целый ряд отраслевых мероприятий в ча-

сти предупреждения и снижения последствий для

ЭЭС и потребителей от подобных экстремальных

климатических воздействий.

Сопоставительный анализ рассматриваемых

двух экстремальных аварийных ситуаций приво-

дит к некоторым общим выводам.

При планировании развития ЭЭС, проектирова-

нии и строительстве электроэнергетических объ-

ектов, как было отмечено выше, чрезвычайно важ-

но учитывать локальные климатические условия,

что в той или иной мере имеет место и в Техасе,

и в Приморском крае. Такой учет выполняется пу-

тем задания предельных уровней экстремальных

климатических воздействий. Например, это может

быть предельно допустимая толщина гололеда на

проводах ВЛ, которая принята в 1 см для Примор-

ского края, либо предельно допустимое снижение

температуры для обоих регионов и т.п. При назна-

чении таких предельных уровней экстремальных

климатических воздействий учитываются вели-

чина последствий и вероятность их реализации.

Анализ двух рассматриваемых экстремальных си-

туаций показывает, что применительно к условиям

и Техаса, и Приморского края требуется ужесточе-

ние предельных уровней экстремальных климати-

ческих воздействий вследствие повышения веро-

ятности и тяжести последствий в результате таких

воздействий. Глобальной причиной последнего

является общее потепление климата Земли.

Помимо корректировки предельных уровней

экстремальных климатических воздействий в сто-

рону их ужесточения, имеется множество текущих

мероприятий по предупреждению и особенно сни-

жению тяжелых последствий для ЭЭС и потре-

бителей в результате реализации таких воздей-

ствий. Сюда относятся, например, проводимые

совещания специалистов электроэнергетических

компаний по подготовке прохождения зимнего пе-

риода, мероприятия по повышению защищенности

электроэнергетического оборудования от экстре-

мальных климатических воздействий (например,

рекомендуемое последними законами, принятыми

Сенатом штата Техас, утепление электроэнерге-

тических объектов), мероприятия по восстановле-

нию электроснабжения потребителей и т.п.

Однако выполнение сформулированных тре-

бований и мероприятий вполне определенно за-

висит от наличия и действенности механизмов их

реализации. Важность этой стороны регулятор-

ных мероприятий очень выпукло подчеркивает

невыполнение или ненадлежащее выполнение

рекомендаций законодательных актов, особенно

частными электроэнергетическими компаниями

Техаса. Следует отметить, что такие механизмы не

просматриваются и в последних двух законах, при-

нятых Сенатом штата Техас в июне 2021 года. Что

касается российского опыта, то здесь, как отмече-

но выше, еще «работает» исторически сложивша-

яся диспетчерская дисциплина. Тем не менее, как

сказано в акте расследования рассматриваемого

электроэнергетического коллапса в Приморском

крае, многократно имело место ненадлежащее ис-

полнение принятых в стандартах требований.

Важно обратить внимание на необходимость

разработки и совершенствования моделей и ме-

тодов для прогнозирования, имитации и анализа

рассматриваемых экстремальных климатических

ситуаций, уязвимости ЭЭС по отношению к таким

воздействиям, а также обоснования мероприятий

и средств снижения их последствий для системы

и потребителей. Соответствующие инструменты

должны использоваться как при планировании

режимов ЭЭС и управлении ими, так и при плани-

ровании развития и проектировании ЭЭС. В этом

плане следует иметь ввиду активные общемето-

дические разработки по исследованиям рисков

и мониторингу природных бедствий [28, 29]. Обоб-

щения результатов таких исследований позволяет

сформулировать ключевые задачи и перспективы

исследований по обсуждаемой проблеме. При

этом использование современных информацион-

ных технологий дает новые возможности для по-

вышения эффективности разрабатываемых моде-

лей и методов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее время активизировались исследова-

ния по оценке уязвимости ЭЭС к экстремальным

климатическим воздействиям, моделированию

и имитации последствий для системы и потреби-

телей и обоснованию мероприятий по повышению

живучести ЭЭС. Эта активизация обусловлена

участившимися случаями экстраординарных ава-

рийных воздействий, что является объективной

тенденцией практически во всех климатических

зонах мира. В статье выполнен детальный анализ

двух представительных экстремальных аварий-

ных ситуаций: в штате Техас, США, и в Примор-

ском крае, Россия. Несмотря на существенное

различие этих аварийных ситуаций по характеру

№

4 (67) 2021

Page 10

174

ЛИТЕРАТУРА
1. Массовые отключения электро-

энергии в Техасе. Извлеченные

уроки // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Пере-

дача и распределение, № 3 (66),

с. 148–152.

2. Busby J.W., Baker K., Basilian M.D.,

et al. Cascading risks: Understand-

ing the 2021 winter blackout in Texas.

Energy Research and Social Sci-

ence, 2021, vol. 77, p. 102106.

3. Voropai N.I. Electric power system

transformations: A review of main

prospects and challenges // Energies,

2020, vol. 13, no. 21, 5639.

4. Besanger Y., Eremia M., Voropai N.

Major grid blackouts: Analysis, classi-

ﬁ cation, and prevention / Handbook of

Electrical Power System Dynamics:

Modeling, Stability, and Control, Edit-

ed by M.Eremia and M.Shahidehpour,

Hoboken, IEEE Press-Wiley, 2013.

5. Panteli M., Trakas D.N., Mancarella

P., Hatziargriou N.D. Boosting the

power grid resilience to extreme

weather events using defensive is-

landing. IEEE Transactions on Smart

Grid, 2016, vol. 7, Issue 6, pp. 2913-

2922.

6. Bie Z., Lin Y., Li G., Li F. Batting the ex-

treme: Fragility study on power system

resilience. Proceedings of the IEEE,

2017, vol. 105, Issue 7, pp. 1-14.

7. Kezunovic M., Overbue T.J. Oﬀ the

beaten path: Resilience and asso-

ciated risk // IEEE Power and En-

ergy Magazine, 2018, vol. 16, no. 2,

pp. 26-35.

8. ERCOT: Texas was ‘seconds and

minutes’ away from catastrophic

months-long blackouts / KWTX-TV

News 10. Feb. 19, 2021. URL: https://

www.kwts.com/2021/02/18/ercot-tex-

as-was-seconds-and-minutes-away-

from-catastrophic-months-long-

blackouts/).

9. Архив погоды в Техас-Сити зи-

мой. URL: https://world-weather.ru/

archive/usa/texas_city/winter/.

10. Brown H.E., Brintzenhofe R.A. Snow-

storm of February 1-5, 1956, in New

Mexico and Texas. Monthly weather

review. February 1956. URL: https://

citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downlo

ad?doi=10.1.1.394.8014&rep=rep1&

type=pdf.

11. Here is the national weather service

list of heavy snowfall in El Paso. El

Paso Times. Feb. 2020. URL: https://

www.elpasotimes.com/story/weath-

er/2020/02/05/read-national-weather-

service-list-heavy-snowfall-record-el-

paso/4666418002/).

12. Austin climate summary. URL: https://

www.weather.gov/media/ewx/cli-

mate/ClimateSummary-ewx-Austin.

pdf).

13. Коласс Р., Паркер К. Измерение

влажности природного газа. URL:

http://gazanaliz.ru/articles/Michell_

Instruments_2003/Michell_Instru-

ments.html.

14. Bullin J.A., Dustman T. Practical hy-

drocarbon dew point speciﬁ cation.

Bryan Research & Engineering. URL:

https://www.bre.com/PDF/Practical-

Hydrocarbon-Dew-Point-Specifica-

tion-for-Natural-Gas-Transmission-

Lines.pdf.

15. RBN energy NATGAS Permian re-

port. URL: https://rbnenergy.com/

products/permian-natgas/.

16. Balasta S., Munawar A. Fallout from

Texas energy crisis; lessons of po-

litical battles over pipelines. S&P

Global Market Intelligence, 2021.

(URL: https://www.spglobal.com/mar –

ketintelligence/en/news-insights/

latest-news-headlines/fallout-from-

texas-energy-crisis-lessons-of-politi-

cal-battles-over-pipelines-63033569).

17. Asmelash L. Why water is a huge is-

sue for Texas right now. CNN, 2021.

URL: https://edition.cnn.com/2021/

02/17/us/texas-winter-storm-water-

trnd/index.html).

18. Healy J., Fausset R., Dobbins J.

Cracked pipes, frozen wells, oﬄ ine

treatment plants: A Texas water

crisis. The New York Times, 2021.

URL: https://www.nytimes.com/2021/

02/18/us/texas-water-crisis-winter-

storm.html.

19. Report on outages and curtailments

during the Southwest cold weather

event of February 1-5, 2011: Causes

and recommendations. Prepared by

the Staﬀ s of the Federal Energy Reg-

ulatory Commission and the North

American Electric Reliability Corpora-

tion, August 2011.

20. Lloyd R. Massive power failure could

ﬁ nally cause Texas to connect with

the Nation’s Power Grids. Scientiﬁ c

American. February 19, 2021. URL:

https://www.scientiﬁ camerican.com/

article/massive-power-failure-could-

finally-cause-texas-to-connect-with-

the-nations-power-grids1/.

21. Схема и программа развития элек-

троэнергетики Приморского края на

2018–2022 гг. URL: https://docplayer.

ru/81008117-Shema-i-programma-

razvitiya-elektroenergetiki/.

22. Приморское РДУ. Системный опе-

ратор единой энергетической сис-

темы. ОДУ Востока. URL: https://

www.so-ups.ru/index.php?id=rdu_

pri morsk.

23. Отчет о функционировании ЕЭС

России в 2020 году. URL: https://

www.so-ups.ru/fileadmin/files/com-

pa ny/reports/disclosure/2021/ups_

rep2/.

24. Ущерб от ледяного дождя в При-

морье. URL: https://primamedia.ru/

news/1031495/.

25. Ледяной коллапс в Приморье. URL:

https://www.bbc.com/russian/news-

55005705/.

26. Постановление Правительства РФ

от 27 декабря 2004 г. № 854 (с из-

менениями от 30.01.2021 № 86)

«Об утверждении правил опера-

тивно-диспетчерского управления

в электроэнергетике». URL: https://

base.garant.ru/187737/.

27. Постановление Правительства РФ

от 13 августа 2018 г. № 937 (с из-

менениями и дополнениями) «Об

утверждении Правил технологиче-

ского функционирования электро-

энергетических систем и о внесе-

нии изменений в некоторые акты

Правительства Российской Феде-

рации». URL: https://base.garant.

ru/72015900/.

28. Tapete D. Key topics and future per-

spectives in natural hazards research

// Geosciences 2020, 10, 22. URL:

https://www.researchgate.net/publi-

cation/338505140.

29. Yu M., Yang Ch., Li Y. Big data in nat-

ural disaster management: A review

// Geosciences 2018, 8, 165. URL:

https://www.researchgate.net/publi-

cation/324987998.

МИРОВОЙ ОПЫТ

и последствиям, их анализ показал схожесть ос-

новных действующих факторов и направлений

противодействия развитию таких аварийных ситу-

аций. Актуальность выявленных проблем требует

разработки и совершенствования моделей и мето-

дов анализа уязвимости ЭЭС по отношению к та-

ким климатическим воздействиям и обоснования

мероприятий по повышению живучести ЭЭС.

Работа выполнена в рамках проектов государственного за-

дания (№ FWEU-2021-0001 и FWEU-2021-0003) програм-

мы фундаментальных исследований РФ на 2021–2030 гг.

Оригинал статьи: Два энергетических коллапса — в штате Техас, США, и в Приморском крае, Россия

Читать онлайн

Обсуждается актуальная проблема воздействия экстремальных природных событий на энергетические системы. Детально рассматриваются две экстраординарные крупномасштабные аварийные ситуации последнего времени, возникшие вследствие экстремальных природных воздействий, — в штате Техас, США, в феврале 2021 года и в Приморском крае, Россия, в ноябре 2020 года. Обсуждаются мероприятия по снижению негативных последствий для потребителей и энергетических систем в результате таких экстремальных аварийных ситуаций.