Перспективные тенденции развития распределительных сетей

Владислав

САМОЙЛЕНКО

,

к

.

т

.

н

., 

доцент

кафедры

АЭС

УралЭНИН

ФГАОУ

ВО

 «

УрФУ

им

. 

Б

.

Н

. 

Ельцина

»

Никита

МУХЛЫНИН

,

к

.

т

.

н

., 

ведущий

инже

нер

кафедры

АЭС

УралЭНИН

ФГАОУ

ВО

 «

УрФУ

им

. 

Б

.

Н

. 

Ельцина

»

Перспективные

тенденции

развития

распределительных

сетей

В

статье

представлен

обзор

ключевых

тенденций

и

влияю

-

щих

факторов

в

области

развития

распределительных

сетей

и

систем

. 

Выполнен

анализ

эффективных

перспективных

то

-

пологий

построения

сети

. 

Рассматриваются

основы

концеп

-

ции

модульного

конструирования

энергообъектов

. 

Выпол

-

нен

краткий

обзор

требуемой

коррекции

нормативной

базы

для

эффективного

функционирования

перспективных

рас

-

пределительных

сетей

.

Р

аспределительные

сети

 (

РС

) 

и

присущие

им

технологии

являются

наиболее

дина

-

мично

развивающейся

областью

электроэнергетики

 [1]. 

С

 1950-

х

годов

 XX 

века

раз

-

витие

электроэнергетики

шло

по

пути

укрупнения

и

централизации

, 

что

было

вы

-

звано

количественными

преимуществами

, 

получаемыми

ввиду

наличия

 «

эффекта

масштаба

» 

в

технических

системах

 [2]. 

Роль

РС

в

ней

сводилась

к

необходимости

полноцен

-

ного

охвата

обслуживаемой

территории

при

передаче

электроэнергии

и

ее

распределении

по

принципу

 «

сверху

вниз

» 

с

использованием

наиболее

простых

и

надежных

схем

. 

В

начале

XXI 

века

непрерывное

совершенствование

оборудования

, 

технологий

, 

материалов

создают

возможность

изменения

самих

подходов

к

построению

РС

 [3], 

а

изменение

принципов

орга

-

низации

питания

потребителей

приводят

к

необходимости

такового

изменения

. 

На

пути

превращения

из

простых

РС

в

активно

-

адаптивные

распределительные

си

-

стемы

их

технике

и

технологиям

необходимо

сделать

немало

шагов

в

своем

развитии

. 

В

связи

с

этим

становится

важным

комплексное

знание

об

основных

тенденциях

в

области

совершенствования

РС

, 

которые

будут

оказывать

влияние

на

их

развитие

в

перспективе

различной

дальности

. 

Ключевыми

факторами

, 

влияющими

на

изменение

структуры

РС

, 

являются

:

1) 

рост

плотности

нагрузок

, 

обусловленный

увеличением

высотности

строительства

офисных

и

бытовых

зданий

и

сооружений

 (

с

 15 

до

 70 

МВт

/

км

2

), 

а

также

увеличением

соотношения

мощности

и

компактности

современных

производственных

систем

 (

с

 13 

до

 25 

МВт

/

км

2

);

2) 

необходимость

повышения

энергетической

эффективности

РС

 (

в

том

числе

, 

снижение

технических

и

нетехнических

потерь

), 

улучшения

управляемости

и

электробезопас

-

ности

РС

;

3) 

повсеместное

применение

технологий

стандартизации

, 

математической

формали

-

зации

и

алгоритмизации

производственных

процессов

 («

интернет

вещей

», «

про

-

мышленная

революция

 4.0» 

и

др

.), 

которые

в

электроэнергетических

системах

ввиду

традиционной

консервативности

отрасли

, 

а

также

длительных

циклов

обновления

ос

-

новных

фондов

требуют

значительного

времени

на

внедрение

;

4) 

стремление

сетевых

компаний

снизить

издержки

на

эксплуатацию

; 

снизить

длитель

-

ность

  (

как

следствие

, 

стоимость

) 

процедур

проектирования

РС

и

подготовки

техниче

-

Андрей

ПАЗДЕРИН

,

д

.

т

.

н

., 

профессор

, 

заведующий

кафедрой

АЭС

УралЭНИН

ФГАОУ

ВО

 «

УрФУ

им

. 

Б

.

Н

. 

Ельцина

»

6

Ежеквартальный

спецвыпуск

№

 1(12), 

март

 2019

Развитие

сетей

ских

условий

на

технологическое

присоединение

, 

свести

такие

процедуры

к

как

можно

большему

количеству

типовых

случаев

, 

уменьшить

трудозатраты

на

них

.

Далее

в

статье

рассмотрены

ключевые

тенденции

с

точки

зрения

перехода

к

активно

-

адаптивным

распределительным

системам

.

ПЕРЕХОД

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ

СЕТЕЙ

В

РАЗРЯД

СЕТЕЙ

С

ДВУСТОРОННИМ

ПИТАНИЕМ

И

СОПУТСТВУЮЩИЕ

ПЕРЕХОДУ

ТЕХНОЛОГИИ

Традиционно

РС

проектировались

и

эксплуатировались

как

радиальные

или

магистраль

-

ные

с

односторонним

питанием

. 

Промежуточным

шагом

являлись

петлевые

схемы

 — 

суть

кольцевые

схемы

, 

функционирующие

в

режиме

магистральных

. 

В

настоящее

время

рас

-

пространение

получают

кольцевые

, 

локально

-

кольцевые

и

сложнозамкнутые

РС

. 

Это

об

-

условлено

различными

, 

но

взаимосвязанными

между

собой

причинами

.

О

влиянии

малой

и

распределенной

генерации

на

структуру

и

свойства

электриче

-

ских

сетей

написано

множество

научных

публикаций

 [4]. 

Помимо

воздействия

на

балансы

мощности

и

энергии

, 

распределенная

генерация

влияет

на

токи

короткого

замыкания

, 

па

-

раметры

качества

электроэнергии

, 

условия

электромагнитной

совместимости

и

электро

-

безопасности

. 

Пересмотру

в

сети

при

ее

подключении

подлежат

коммутационное

обо

-

рудование

, 

устройства

релейной

защиты

и

автоматики

, 

средства

учета

электроэнергии

и

средства

ограничения

перенапряжений

. 

И

хотя

в

рамках

традиционной

модели

рынка

электроэнергии

распределенная

генерация

считается

конкурентом

РС

, 

уменьшая

полез

-

ный

отпуск

из

сети

потребителю

 [5], 

следует

отметить

, 

что

толчком

к

развитию

РС

в

обще

-

мировом

масштабе

послужило

именно

массовое

распространение

распределенной

гене

-

рации

 — 

прежде

всего

, 

на

основе

возобновляемых

источников

энергии

, 

а

также

на

основе

маломощных

эффективных

поршневых

и

газотурбинных

установок

. 

В

ряде

стран

более

45% 

поступления

энергии

в

РС

производится

источниками

генерации

, 

непосредственно

подключенными

к

таким

сетям

 [3].

Помимо

генерации

, 

к

сетям

в

мире

подключено

около

 8000 

промышленных

накопи

-

телей

энергии

суммарной

установленной

мощностью

более

 200 

ГВт

 [3]. 

Только

самые

мощные

из

накопителей

 — 

наиболее

крупные

из

гидроаккумулирующих

станций

 — 

под

-

ключаются

к

магистральным

сетям

, 

большая

часть

накопителей

энергии

присоединяется

к

РС

или

системам

электроснабжения

в

точке

их

разграничения

.

Вопросы

поддержания

параметров

качества

электроэнергии

в

РС

по

возможности

ре

-

шаются

путем

соответствующих

проектных

решений

в

отношении

самой

РС

, 

а

далее

 — 

путем

привлечения

распределенной

генерации

и

накопителей

энергии

. 

В

случае

неуспеха

двух

предыдущих

шагов

поддержание

параметров

качества

электроэнергии

обеспечива

-

ется

с

помощью

развитой

системы

фильтрокомпенсирующих

устройств

. 

В

задачах

элек

-

трических

сетей

по

повышению

пропускной

способности

сети

они

также

выступают

как

гибкие

передачи

постоянного

тока

 FACTS. 

Следует

отметить

, 

что

граница

между

нако

-

пителем

энергии

, 

фильтрокомпенсирующим

устройством

и

устройством

 FACTS 

зачастую

весьма

условна

. 

Так

, 

например

, 

устройство

 FACTS 

типа

 STATCOM 

по

сути

представляет

накопитель

энергии

на

основе

конденсаторов

с

инвертором

для

выдачи

мощности

на

сто

-

рону

переменного

тока

. 

Объединенный

регулятор

перетока

мощности

, 

используемый

для

сетевых

задач

, 

по

принципу

работы

и

конструктивному

устройству

схож

с

динамическим

компенсатором

искажения

напряжения

 (

активным

кондиционером

гармоник

), 

используе

-

мым

для

задач

электроснабжения

. 

Функционирование

всех

вышеперечисленных

устройств

приводит

к

появлению

участков

сетей

с

двусторонним

питанием

и

предъявляет

новые

требования

к

орга

-

низации

защит

и

автоматики

, 

а

также

к

коммутационной

аппаратуре

. 

При

этом

для

обеспечения

эффективности

и

надежности

сети

отсутствует

практический

смысл

со

-

хранения

петлевой

сети

в

разомкнутом

состоянии

, 

как

это

принято

при

традиционной

практике

эксплуатации

. 

Необходимость

выдачи

энергии

источника

или

накопителя

как

можно

большему

количеству

потребителей

для

максимизации

их

загрузки

, 

а

также

Алексей

ЖУРАВЛЕВ

,

начальник

Службы

технической

политики

ОАО

 «

МРСК

Урала

»

7

резервирования

электроснабжения

группы

потребителей

накопителем

диктует

необходимость

размещения

таких

установок

в

узловых

точках

сети

, 

что

повышает

эффек

-

тивность

использования

кольцевых

или

сложнозамкну

-

тых

сетей

. 

Данное

утверждение

справедливо

в

отноше

-

нии

вновь

создаваемых

сетей

с

возможностью

выдачи

мощности

.

В

таких

условиях

в

России

начинают

появляться

широко

распространенные

за

рубежом

замкнутые

локально

-

коль

-

цевые

схемы

сети

 (

рисунок

 1

а

) 

с

подключением

к

шине

или

секции

одного

центра

питания

 [6]. 

Помимо

структурной

надеж

-

ности

самой

сети

и

более

широких

возможностей

для

управ

-

ления

такие

схемы

не

требуют

ни

топологической

, 

ни

режим

-

ной

наблюдаемости

питающей

сети

более

высокого

класса

напряжения

. 

Однако

вопросы

, 

касающиеся

резервирования

основного

источника

питания

в

замкнутых

локально

-

кольце

-

вых

сетях

, 

остаются

актуальными

. 

Это

основной

недостаток

подобных

схем

РС

.

Дальнейшим

развитием

замкнутых

электрических

схем

являются

сложнозамкнутые

кольцевые

  (

многоугольные

) 

схемы

с

несколькими

источниками

питания

 (

рисунок

 1

б

), 

при

-

мером

которых

могут

служить

сети

с

сотовой

гексагональ

-

ной

структурой

 [7]. 

Такие

схемы

сети

схожи

с

известными

на

классах

напряжения

 500 

кВ

и

выше

схемами

распредели

-

тельных

устройств

в

виде

многоугольников

. 

Достоинствами

многоугольных

схем

, 

известными

из

теории

графов

, 

являют

-

ся

устойчивость

к

внутренним

повреждениям

и

максимально

равномерное

распределение

потоков

мощности

по

питаю

-

щим

линиям

пропорционально

нагрузкам

и

обратно

пропор

-

ционально

электрическому

расстоянию

в

кольце

. 

В

условиях

высочайшей

концентрации

нагрузок

, 

генерации

и

накопите

-

лей

многоячейковая

сотовая

схема

обладает

уникальными

свойствами

по

выравниванию

нагрузочных

перетоков

мощ

-

ности

по

присоединенным

линиям

электропередачи

, 

даже

при

условии

произвольного

подключения

в

многоугольную

сеть

нагрузок

и

генерации

. 

Также

такие

схемы

предостав

-

ляют

больше

возможностей

по

гибкому

переконфигурирова

-

нию

распределительной

сети

, 

обеспечению

работы

функций

автоматики

восстановления

электроснабжения

и

т

.

д

.

Основным

недостатком

рассмотренных

схем

является

выраженная

взаимозависимость

режимов

работы

распреде

-

лительной

сети

и

питающей

сети

более

высокого

класса

на

-

пряжения

. 

Недостатком

также

традиционно

называют

сраба

-

тывания

нескольких

коммутационных

аппаратов

при

внешних

повреждениях

 (

в

случае

повреждения

на

фидере

или

генера

-

торе

), 

однако

для

ресурса

современных

вакуумных

выключа

-

телей

 6–35 

кВ

данное

ограничение

является

пассивным

. 

Так

-

же

такие

сети

чувствительны

к

неоднородности

сети

внутри

кольца

R

i 

/

X

i

 = 

var

и

ее

нагрузок

P

i

 / Q

i

 = 

var

, 

что

ведет

к

воз

-

никновению

уравнительных

перетоков

реактивной

мощности

, 

несколько

снижающих

пропускную

способность

сети

.

Постоянное

и

последовательное

усиление

сети

не

всег

-

да

возможно

и

целесообразно

с

точки

зрения

капиталовло

-

жений

. 

Альтернативой

электрическому

рассредоточению

нагрузок

по

элементам

сети

, 

выполняемому

с

помощью

локально

-

кольцевых

и

сложнозамкнутых

сетей

, 

является

рассредоточение

нагрузок

во

времени

с

помощью

техно

-

логий

управления

потребительской

нагрузкой

 Demand-Side 

Management [8], 

обеспечивающих

выравнивание

графика

нагрузки

, 

а

также

снижение

пиковой

нагрузки

за

счет

сни

-

жения

спроса

в

периоды

дорогой

электроэнергии

 Demand 

Responce [9]. 

Результат

применения

технологий

управления

спросом

для

различных

топологий

зависит

от

степени

одно

-

родности

сети

и

нагрузок

. 

Радиальные

или

магистральные

сети

позволяют

управлять

загрузкой

отдельных

элементов

и

участков

сети

и

в

большей

степени

зависят

от

консолида

-

ции

типов

нагрузок

в

конкретных

узлах

, 

кольцевые

и

слож

-

нозамкнутые

сети

всегда

равномерно

разгружают

прилега

-

ющую

сеть

 [10].

Полноценная

реализация

возможностей

подключенных

электроустановок

в

сети

со

сложной

топологией

требует

от

РС

применения

следующего

оборудования

и

технологий

:

1. 

Средства

онлайн

реконфигурации

сети

 — 

реклоузеры

и

секционирующие

пункты

с

автоматическим

управлени

-

ем

 [11] — 

функциональные

возможности

которых

удовлет

-

воряют

функциональным

запросам

РС

.

2. 

Компактные

цифровые

датчики

тока

и

напряжения

 — 

в

настоящее

время

представлены

как

, 

собственно

, 

дат

-

110 кВ

ЦП 110/10

АВР

замкнутое кольцо-1

замкнутое кольцо-2

АВР

СВ

вкл.

СВ

откл.

транзит

10 кВ

T

1

T

2

Рис

. 1. 

Варианты

замкнутых

электрических

схем

распределительных

сетей

: 

а

) 

локально

-

кольцевая

схема

сети

; 

б

) 

гексагональная

схема

б

)

а

)

8

Ежеквартальный

спецвыпуск

№

 1(12), 

март

 2019

Развитие

сетей

чиками

тока

и

напряжения

с

проводной

и

беспроводной

[12] 

передачей

данных

, 

так

и

подвесными

комбиниро

-

ванными

оптическими

трансформаторами

тока

и

на

-

пряжения

 [13], 

что

позволяет

измерять

электрические

величины

в

любой

точке

сети

, 

не

только

вблизи

распре

-

делительных

устройств

подстанций

.

3. 

В

качестве

полноценных

измерителей

электрических

величин

и

многофункциональных

устройств

измере

-

ния

и

защиты

могут

выступать

современные

счетчики

электроэнергии

 [14]. 

Информационно

-

измерительные

системы

сетей

напряжением

от

 6 

кВ

до

 20 

кВ

можно

вы

-

делить

в

особую

группу

. 

Их

основные

отличия

от

подоб

-

ных

систем

сетей

более

высоких

классов

напряжения

заключаются

в

использовании

более

простых

и

дешевых

информационно

-

измерительных

систем

, 

основанных

на

счетчиках

электрической

энергии

, 

являющихся

универ

-

сальными

трехфазными

измерительными

устройствами

, 

способными

работать

, 

в

том

числе

, 

и

как

датчики

теле

-

метрии

.

4. 

Единообразие

структурно

-

функционального

описания

всех

устройств

и

систем

в

РС

для

их

взаимной

увязки

. 

Здесь

видится

потенциал

применения

стандарта

циф

-

ровой

подстанции

МЭК

 61850 [15]. 

Кроме

того

, 

с

приме

-

нением

стандарта

эффективна

как

реализация

функций

контроля

и

защиты

целой

области

РС

 (WAMPAC), 

так

и

создание

бюджетного

решения

 — 

единого

контролле

-

ра

для

всех

присоединений

одной

 (

К

)

ТП

 6–35 

кВ

.

5. 

Организации

эффективной

высокоскоростной

связи

меж

-

ду

различными

устройствами

способствует

удешевление

волоконно

-

оптических

линий

связи

 (

ВОЛС

) 

в

среднем

на

4,2%/

год

 [16], 

а

также

распространение

устойчивого

по

-

крытия

сетей

мобильной

связи

 3.5G/4G/5G, 

которые

при

условии

решения

вопросов

информационной

безопасно

-

сти

публичной

инфраструктуры

успешно

могут

применять

-

ся

в

качестве

бюджетной

альтернативы

ВОЛС

.

Следует

отметить

, 

что

в

 2018 

году

в

ПАО

 «

Россети

» 

про

-

тяженность

ВОЛС

составляет

около

 30 

тыс

. 

км

 (1,3% 

про

-

тяженности

всех

ВЛ

компании

) 

при

плане

в

 20 

тыс

. 

км

. [17]. 

Значительную

роль

должен

сыграть

федеральный

проект

«

Устранение

цифрового

неравенства

», 

в

рамках

которо

-

го

совместно

с

операторами

связи

общая

протяженность

ВОЛС

в

РС

в

перспективе

 5 

лет

может

составить

 262 

тыс

. 

км

(11,2% 

протяженности

ВЛ

ПАО

 «

Россети

») [18].

В

случае

, 

когда

сохраняется

радиальная

, 

магистраль

-

ная

 (

петлевая

) 

или

кольцевая

схема

питающей

сети

, 

особое

значение

приобретает

пропускная

способность

единичных

элементов

РС

. 

Применяемых

в

настоящее

время

кабель

-

ных

линий

с

алюминиевой

токоведущей

частью

сечением

150–400 

мм

2

по

опыту

зарубежных

стран

недостаточно

при

наличии

источников

генерации

и

накопителей

в

сети

 [3]. 

Уве

-

личение

пропускной

способности

сетей

поддерживается

по

-

степенным

внедрением

кабельных

линий

больших

сечений

[19]. 

При

сечении

медной

токоведущей

части

 800–2000 

мм

2

максимальные

токи

до

 5 

раз

больше

, 

а

падение

напряже

-

ния

на

линии

до

 10 

раз

меньше

по

сравнению

с

традици

-

онными

кабельными

линиями

. 

Однако

возникают

вопросы

коммутации

в

РС

с

малым

электрическим

сопротивлением

и

, 

вдобавок

, 

с

источниками

токов

короткого

замыкания

с

до

-

лей

апериодической

составляющей

выше

 30%, 

на

которую

рассчитываются

типовые

вакуумные

выключатели

 6–110 

кВ

. 

Требуется

или

применение

дорогостоящих

генераторных

выключателей

, 

или

загрубление

сетевых

защит

прилегаю

-

щих

элементов

сети

по

времени

. 

Альтернативой

дорогим

вакуумным

генераторным

выключателям

или

мощным

эле

-

газовым

выключателям

могут

стать

перспективные

угле

-

кислотные

выключатели

 [20], 

разрабатываемые

с

учетом

требований

времени

и

специфики

распредсетей

и

хорошо

коммутирующие

постоянный

ток

, 

при

этом

более

дешевые

по

сравнению

с

выключателями

других

типов

.

Для

снижения

капиталоемкости

и

длительности

процес

-

са

технического

перевооружения

сети

внимание

необходимо

уделять

новым

методикам

проектирования

РС

. 

Исторически

РС

и

системы

электроснабжения

проектировались

в

рас

-

чете

на

максимальную

нагрузку

, 

от

которой

их

пропускная

способность

отстраивалась

с

некоторым

запасом

. 

Такая

ме

-

тодика

, 

в

зарубежной

литературе

называемая

 Fit-and-Forget, 

позволяла

устранить

необходимость

контроля

текущих

ре

-

жимов

РС

и

избежать

их

диспетчеризации

. 

С

ростом

мощ

-

ностей

в

РС

, 

появлением

новых

типов

генерации

, 

нагрузок

и

накопителей

, 

а

также

с

началом

применения

сложно

-

замкнутой

структуры

возникает

множество

комбинаций

за

-

грузки

элементов

РС

и

электрических

режимов

. 

Заложение

многократных

запасов

пропускной

способности

и

резервных

элементов

сети

для

самой

тяжелой

, 

но

крайне

маловероят

-

ной

комбинации

по

принципу

 Fit-and-Forget 

в

таких

условиях

крайне

неэкономично

. 

В

связи

с

этим

распространение

полу

-

чает

вероятностный

расчет

балансов

и

режимов

в

РС

, 

при

котором

, 

например

, 

вероятность

выполнения

баланса

мощ

-

ности

в

узле

i

или

вероятность

значения

модуля

напряжения

в

узле

i

, 

или

вероятность

перетока

по

линии

i

-

j 

должна

быть

не

менее

чем

 95% 

или

 99%, 

в

зависимости

от

выбранного

инженерного

критерия

 [21]. 

Контроль

балансов

и

режимов

требует

или

диспетчериза

-

ции

РС

, 

что

требовало

бы

изменения

организационной

модели

управления

в

энергетике

РФ

, 

или

отстройки

от

рассматривае

-

мых

условий

на

этапе

проектирования

и

точечный

контроль

за

локальными

участками

РС

средствами

автоматизированного

или

полностью

автоматического

управления

. 

Решение

этой

задачи

устройствами

управления

процессом

электроснабже

-

ния

, 

установленными

на

участках

сети

и

осуществляющими

контроль

режима

сети

и

взаимодействие

с

их

активными

эле

-

ментами

, 

невозможно

без

реализации

в

устройстве

функций

оценивания

состояния

и

оптимизации

с

возможностью

учета

разумного

компромисса

при

использовании

нескольких

крите

-

риев

оптимизации

. 

Ввиду

большой

протяженности

и

развет

-

вленности

РС

такой

подход

позволяет

значительно

повысить

9

наблюдаемость

и

управляемость

РС

и

не

требует

создания

дополнительных

традиционных

диспетчерских

центров

.

Сбор

исходных

данных

для

рассмотренных

выше

рас

-

четов

для

достижения

высокой

вероятности

 (

низкой

погреш

-

ности

) 

должен

выполняться

с

применением

технологий

 Big 

Data Analysis. 

Сегодня

не

вся

информация

, 

собираемая

или

доступная

для

сбора

информационно

-

измерительными

комплексами

, 

установленными

в

сетях

и

на

энергообъектах

, 

используется

на

месте

или

передается

в

информационные

системы

верхнего

уровня

. 

Часть

из

этой

информации

филь

-

труется

и

усредняется

, 

а

также

хранится

в

архивах

, 

пред

-

ставляя

огромные

возможности

для

ее

обработки

средства

-

ми

 Big Data Analysis. 

Примером

использования

технологий

обработки

больших

массивов

данных

является

возможность

прогнозирования

нагрузок

, 

выработки

электрической

энер

-

гии

генерирующими

установками

, 

в

том

числе

и

возобнов

-

ляемыми

источниками

энергии

. 

С

их

помощью

создается

развернутый

  «

сетевой

портрет

» 

потребителя

  (

накопителя

, 

генератора

), 

включающий

графики

его

мощности

и

электро

-

потребления

, 

их

зависимость

от

внешних

условий

, 

влияние

на

параметры

качества

электроэнергии

и

режимы

в

сети

. 

Кроме

того

, 

на

основе

 Big Data Analysis 

должны

выполнять

-

ся

выбор

текущей

оптимальной

схемы

сети

, 

диагностика

сетевого

оборудования

и

управление

основными

фондами

электросетевого

предприятия

 [22].

Все

это

ведет

за

собой

необходимость

внедрения

интел

-

лектуальных

информационно

-

измерительных

комплексов

по

обеспечению

совместной

информационной

наблюдаемо

-

сти

сетей

различных

классов

напряжения

и

развитию

в

них

систем

оперативно

-

технологического

управления

, 

основан

-

ных

на

автоматизированных

, 

а

в

перспективе

и

автоматиче

-

ских

устройствах

, 

значительно

уменьшающих

долю

участия

человека

. 

Для

возможности

одновременного

использова

-

ния

данных

с

различных

информационно

-

измерительных

систем

, 

системы

сбора

и

передачи

информации

должны

обладать

возможностью

комбинации

функций

систем

уче

-

та

электроэнергии

и

телемеханики

, 

передачи

трехфазных

и

однолинейных

измерений

, 

а

также

их

совместное

или

раздельное

использование

для

решения

задач

мониторин

-

га

, 

управления

, 

верификации

и

т

.

д

. 

Основа

для

этого

уже

заложена

. 

В

настоящее

время

в

РС

оснащено

информаци

-

онно

-

измерительными

комплексами

и

телемеханизировано

на

классах

напряжения

: 110 

кВ

 — 

более

 85% 

подстанций

, 

35 

кВ

 — 

более

 65%, 20 

кВ

 — 

практически

 100%. 

Проблемны

-

ми

остаются

сети

 6(10) 

кВ

, 

где

доля

составляет

от

 5 

до

 15%, 

и

только

среди

важных

распределительных

пунктов

 [23, 24].

Все

вышерассмотренное

оборудование

, 

технологии

и

методики

доступны

уже

в

ближайшей

перспективе

. 

По

-

добные

решения

эффективны

и

зачастую

необходимы

для

построения

базовых

активно

-

адаптивных

сетей

, 

одна

-

ко

не

всегда

достаточны

для

построения

микросетей

типа

Microgrids. 

Некоторые

специальные

решения

для

таких

РС

рассматриваются

далее

.

МОДУЛЬНОЕ

КОНСТРУИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СЕТЕЙ

И

СИСТЕМ

В

современных

энергосистемах

типизации

подвергаются

в

основном

номинальные

параметры

оборудования

, 

а

пара

-

метры

электрических

режимов

, 

при

которых

работает

обо

-

рудование

, 

меняются

в

широких

пределах

 ±20% (

например

, 

модули

и

углы

напряжения

) 

или

даже

кратно

  (

токи

и

сопро

-

тивления

системы

). 

Концепция

модульного

конструирования

энергосистем

предусматривает

максимальную

унификацию

электрических

свойств

и

параметров

отдельных

частей

энер

-

госистемы

таким

образом

, 

чтобы

при

проектировании

модули

можно

было

набирать

необходимым

количеством

по

принци

-

пу

конструктора

. 

При

соблюдении

правил

набора

обеспечива

-

ется

поддержание

балансов

мощности

и

энергии

, 

параметров

качества

электроэнергии

и

электромагнитной

совместимости

. 

При

этом

намного

сокращаются

сроки

проектирования

сети

и

затраты

на

него

.

Как

правило

, 

различаются

модуль

генерации

, 

модуль

на

-

грузки

, 

модуль

накопления

, 

модуль

передачи

и

др

. 

К

унифици

-

руемым

величинам

относят

, 

например

, 

падение

напряжения

на

модуле



U

, 

соотношение

активного

и

индуктивного

сопро

-

тивления

R / X

, 

поддерживаемые

по

концам

модуля

частоты

переменного

тока

f

1 

– 

f

2

, 

поддерживаемые

по

концам

модуля

величины

напряжения

U

1 

– 

U

2

, 

единообразные

характеристи

-

ки

срабатывания

устройств

релейной

защиты

и

автоматики

модуля

t = F

( 

f

, 

P

, 

Q

, 

U

, 

I

, 

R

, 

X

). 

На

переменном

токе

модуль

-

ное

решение

хорошо

увязывается

с

рассмотренным

выше

ячейковым

принципом

построения

сетей

по

схемам

много

-

угольников

.

Простейшим

существующим

примером

применения

под

-

ходов

модульного

конструирования

является

координация

уровня

токов

короткого

замыкания

 [5]. 

В

ряде

зарубежных

стран

сопротивление

заземления

нейтрали

электроустано

-

вок

подбирается

таким

образом

, 

чтобы

обеспечить

с

низкой

погрешностью

нужную

величину

и

фазу

тока

короткого

замы

-

кания

для

повышения

чувствительности

защит

. 

Это

решение

также

схоже

с

существующей

компенсацией

токов

емкостного

замыкания

в

сетях

с

компенсированной

нейтралью

. 

Вопросы

ограничения

токов

коротких

замыканий

и

ком

-

мутации

в

перспективных

РС

с

большим

количеством

ветвей

и

высокой

связностью

 («

медная

доска

»), 

в

коротких

микро

-

сетях

с

малыми

сопротивлениями

, 

а

также

в

городских

РС

с

большими

емкостными

токами

простого

замыкания

в

пер

-

спективе

возможно

решать

с

помощью

силовой

полупрово

-

дниковой

электроники

 [5]. 

В

микросетях

 (Microgrids) 

для

подключенных

электроуста

-

новок

по

технологическим

причинам

может

быть

эффективной

работа

на

частоте

, 

не

являющейся

промышленной

 (

отличной

от

 50 

Гц

). 

Более

того

, 

часто

возникает

задача

интеграции

в

 Microgrids 

установок

, 

выдающих

мощность

и

энергию

не

на

промышленной

частоте

, 

с

любым

количеством

фаз

и

любой

формой

сигналов

по

току

и

напряжению

, 

а

также

источников

на

постоянном

токе

, 

что

говорит

о

том

, 

что

в

 Microgrids 

рас

-

10

Ежеквартальный

спецвыпуск

№

 1(12), 

март

 2019

Развитие

сетей

пределение

электроэнергии

целесо

-

образно

производить

на

постоянном

токе

 (

рисунок

 2). 

Для

этого

отдельные

устройства

подключаются

через

уни

-

версальные

интерфейсы

постоянного

тока

по

модульному

принципу

.

Границы

технико

-

экономического

преимущества

интерфейсов

постоян

-

ного

тока

перед

ячейками

переменного

тока

могут

быть

сформулированы

сле

-

дующим

образом

: 

–

к

интерфейсу

подключаются

от

 4 

до

10 

крупных

электроприемников

, 

включая

шину

консолидированной

нагрузки

переменного

тока

;

–

более

 75–80% 

баланса

мощ

-

ности

внутри

интерфейса

фор

-

мируют

вращающиеся

электриче

-

ские

машины

, 

статические

генери

-

рующие

источники

и

накопители

энергии

;

–

необходимость

варьирования

про

-

изводительности

отдельных

элек

-

троприемников

, 

при

этом

необхо

-

димость

взаимоувязки

произво

-

дительности

отдельных

частей

и

регулирования

всей

системы

в

целом

  (

что

актуально

для

Microgrids 

и

их

частей

).

Для

подобных

сетей

отпадает

не

-

обходимость

в

сложнозамкнутой

то

-

пологии

. 

Схема

распределительного

устройства

 — 

многолучевая

звезда

(

допускается

секционирование

по

соображениям

надежности

), 

схема

сети

 — 

практически

всегда

радиаль

-

ная

  (

не

магистральная

). 

Теоретически

схема

допускает

свободное

масштаби

-

рование

.

В

настоящее

время

в

РС

и

электро

-

энергетике

в

целом

существуют

экс

-

периментальные

и

опытные

образцы

подобных

решений

 [25], 

хотя

в

кора

-

бельной

энергетике

уже

существуют

и

успешные

серийные

пилотные

проек

-

ты

 [26]. 

Массовое

внедрение

подобных

устройств

возможно

скорее

в

средне

-

срочной

и

долгосрочной

перспективе

.

Для

внедрения

современных

ре

-

шений

целесообразно

оценить

так

-

же

готовность

соответствующей

за

-

конодательной

и

нормативной

базы

к

таковым

изменениям

.

НЕОБХОДИМЫЕ

ИЗМЕНЕНИЯ

В

ЗАКОНОДАТЕЛЬНОЙ

И

НОРМАТИВНОЙ

БАЗЕ

Для

успешного

внедрения

в

РС

перспективного

оборудования

и

технологий

, 

а

также

методик

проектирования

, 

эксплуатации

и

оперативно

-

технологическо

-

го

управления

требуется

коррекция

законодательной

и

нормативной

базы

.

Основную

проблему

и

для

проектирования

, 

и

для

обслуживания

перспек

-

тивных

РС

составляют

Правила

устройства

электроустановок

. 

Обновленные

в

 2003 

году

и

соответствующие

по

духу

середине

 XX 

века

ПУЭ

не

учиты

-

вают

в

явном

виде

активный

характер

современных

электроприемников

, 

уменьшение

массогабаритных

параметров

оборудования

, 

рост

плотности

электрических

нагрузок

и

удельной

мощности

оборудования

распредели

-

тельных

сетей

, 

уровень

информационно

-

измерительных

средств

, 

устройств

управления

и

мониторинга

. 

В

то

же

время

ПУЭ

недостаточно

требователь

-

ны

в

отношении

функционала

современных

средств

защиты

. 

По

ПУЭ

сети

и

электроустановки

постоянного

тока

фактически

относятся

к

специальным

или

технологическим

. 

Желательна

доработка

ГОСТ

 32144-2013 

на

электромагнитную

совмести

-

мость

и

параметры

качества

электроэнергии

. 

Точечная

коррекция

возможна

и

в

Правилах

технологического

функционирования

электроэнергетических

систем

.

Турбогенератор

Выпрямитель

Выпрямитель

Выпрямитель

Выпрямитель

Тр-р

Гидро-

и ветроресурсы

Преобразователь

Маховики

Мотор-

генератор

Аккумуляторные 

батареи

Дизель-генератор

Преобразователь

Инвертор

Инвертор

Инвертор

Инвертор

Имп.
нагр .

Нагр .

перем .

тока

Двигательная нагрузка

Нагр .
пост.

тока

Двигательная нагрузка

Ген. 

имп .

Шина постоянного тока среднего напряжения

Рис

. 2. 

Модульное

распределительное

устройство

постоянного

тока

с

универсальны

-

ми

интерфейсами

постоянного

тока

 [25]

11

Для

успешных

оперативно

-

технологического

управле

-

ния

и

эксплуатации

 (

косвенно

и

проектирования

) 

РС

целе

-

сообразно

обновление

Правил

технической

эксплуатации

электрических

станций

и

сетей

Российской

Федерации

, 

Правил

технической

эксплуатации

электроустановок

по

-

требителей

и

основанных

на

данных

документах

произ

-

водственных

инструкций

, 

не

в

полной

мере

учитывающих

возможный

уровень

автоматизации

технологических

опе

-

раций

в

электросетевом

комплексе

, 

а

также

двусторонний

характер

питания

в

перспективных

РС

.

В

части

сопутствующих

технологий

  (

информацион

-

но

-

измерительных

, 

связи

, 

телеуправления

), 

изначально

требуется

их

стандартизация

на

национальном

уров

-

не

 — 

например

, 

создание

серии

ГОСТ

на

ВОЛС

и

их

обо

-

рудование

, 

и

уже

дальнейшая

стандартизация

на

уровне

компаний

. 

Небезупречен

международный

стандарт

на

цифровую

подстанцию

МЭК

 61850, 

предоставляющий

производителям

возможность

пользоваться

конфигура

-

циями

в

терминалах

и

интеллектуальных

устройствах

, 

не

совместимыми

с

конфигурациями

других

производи

-

телей

 [15].

Разработки

заново

потребуют

типовые

схемы

распре

-

делительных

устройств

, 

проектные

и

расчетные

методи

-

ки

выбора

схем

и

топологий

сети

, 

внедрение

подходов

Big Data Analysis. 

Эти

задачи

требуют

научного

подхода

. 

Несмотря

на

тенденцию

уменьшения

трудозатрат

на

про

-

ектирование

и

подготовку

технических

условий

на

техно

-

логическое

присоединение

, 

такие

операции

в

отношении

перспективных

РС

предъявляют

более

жесткие

требова

-

ния

к

квалификации

и

компетенциям

соответствующего

персонала

, 

что

выявляет

и

образовательный

аспект

.

Для

возможности

управления

потребительской

нагруз

-

кой

онлайн

и

оживления

розничного

рынка

электроэнергии

в

целом

, 

что

способствует

улучшению

окупаемости

проек

-

тов

распределительных

сетей

, 

коррекции

требует

модель

розничного

рынка

электроэнергии

и

соответствующие

По

-

становления

Правительства

РФ

. 

Опыт

зарубежных

стран

по

-

казывает

, 

что

эффективна

разработка

развитого

тарифного

меню

на

услуги

по

передаче

электроэнергии

и

мощности

, 

позволяющего

выбрать

технико

-

экономически

обоснован

-

ный

и

наиболее

взаимовыгодный

абонентам

РС

и

сетевой

компании

вариант

оплаты

таких

услуг

, 

исходя

из

собствен

-

ного

набора

электроприемников

: 

нагрузок

, 

накопителей

и

ге

-

нерации

. 

Один

из

основополагающих

документов

, 

практически

не

требующий

коррекции

, — 

Положение

о

единой

техни

-

ческой

политике

в

электросетевом

комплексе

ПАО

 «

Россе

-

ти

». 

Документ

носит

концептуальный

характер

и

полностью

соответствует

рассмотренным

в

настоящей

работе

тенден

-

циям

по

внедрению

перспективных

технологий

.

ВЫВОДЫ

1. 

Основными

факторами

, 

влияющими

на

развитие

распре

-

делительных

сетей

, 

являются

рост

плотности

нагрузок

, 

появление

распределенной

генерации

и

современных

фильтрокомпенсирующих

устройств

, 

а

в

зарубежных

энергосистемах

 — 

накопителей

энергии

.

2. 

В

распределительных

сетях

появляются

новые

 (

допол

-

нительные

) 

источники

питания

, 

и

такие

сети

переходят

в

разряд

сетей

с

двусторонним

питанием

. 

При

этом

те

-

ряется

практический

смысл

проектирования

и

исполь

-

зования

традиционных

схем

, 

рассчитанных

на

односто

-

роннее

питание

.

3. 

Ключевыми

тенденциями

развития

распределительных

сетей

в

рассматриваемых

условиях

являются

рассре

-

доточение

нагрузочных

потоков

мощности

по

элемен

-

там

сети

с

помощью

применения

кольцевых

, 

локально

-

кольцевых

и

сложнозамкнутых

схем

. 

Рассредоточение

во

времени

в

перспективе

возможно

с

помощью

техно

-

логий

управления

потребительской

нагрузкой

.

4. 

Неотъемлемой

частью

развития

распределительных

сетей

является

сопутствующее

развитие

информа

-

ционно

-

измерительной

техники

и

технологий

, 

систем

и

каналов

связи

в

энергетике

, 

унификации

структурно

-

функциональных

особенностей

цифровых

устройств

(«

цифровая

подстанция

»).

5. 

В

перспективных

распределительных

сетях

возможно

множество

комбинаций

нагрузки

и

топологии

. 

Проек

-

тирование

таких

сетей

по

максимально

возможному

перетоку

для

самой

тяжелой

, 

но

крайне

маловероятной

комбинации

экономически

нецелесообразно

. 

Следова

-

тельно

, 

коррекции

требуют

существующие

методики

проектирования

и

расчетов

распределительных

сетей

.

6. 

Концепция

модульного

конструирования

энергосистем

позволяет

набирать

распределительную

сеть

из

эле

-

ментов

конструктора

в

виде

модулей

генерации

, 

на

-

грузки

и

накопителей

. 

В

перспективе

для

сетей

типа

Microgrids 

эффективно

использование

модульных

рас

-

пределительных

устройств

постоянного

тока

с

универ

-

сальными

интерфейсами

постоянного

тока

.

7. 

Для

успешного

внедрения

в

распределительные

сети

перспективного

оборудования

, 

технологий

, 

методик

проектирования

и

эксплуатации

требуется

коррекция

законодательной

и

нормативной

базы

.  

ЛИТЕРАТУРА

1. Electricity System Development: 

a Focus on Smart Grids. Overview of 
Activities and Players in Smart Grids / 
UNECE, 2015.

2. 

Системные

исследования

в

энер

-

гетике

: 

ретроспектива

научных

на

-

правлений

СЭИ

-

ИСЭМ

. 

Отв

. 

ред

. 

Н

.

И

. 

Воропай

. 

Новосибирск

: 

Наука

, 

2010. 686 

с

. 

3. Renewables 2018 Global Status 

Report / REN 21, Paris, 2018.

4. 

Публикации

Подкомитета

С

6 

РНК

СИГРЭ

  «

Активные

распредели

-

тельные

системы

и

распределен

-

12

Ежеквартальный

спецвыпуск

№

 1(12), 

март

 2019

Развитие

сетей

ные

энергоресурсы

». URL: http://

www.cigre.ru/research_commitets/
ik_rus/c6_rus/publications/.

5. 

Архив

материалов

периодического

открытого