 |
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ. ЗАРУБЕЖНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
 Валентин Тубинис, заместитель директора ГУ «Энерготестконтроль», г. Москва
Массовое внедрение АСКУЭ энергоснабжающими компаниями и промышленными потребителями электроэнергии вызвано появлением в нашей стране оптового рынка электроэнергии и реструктуризацией российской электроэнергетики.
Однако учетными функциями не исчерпывается диапазон возможностей АСКУЭ. Автоматизированное управление электропотреблением, причем не только крупных, но и бытовых потребителей, становится насущной задачей, о чем Валентин Владимирович Тубинис уже напоминал читателям «Новостей ЭлектроТехники» в статье «АСКУЭ бытовых потребителей. Преимущества PLC-технологии связи» (№ 2(32) 2005, с. 108–111).
В новом материале автор развивает тему и более подробно рассматривает зарубежные технические средства управления электропотреблением. В основу статьи положен доклад 18 мая 2006 г. на секции «Автоматизированный учет электроэнергии и управление электропотреблением» технического совета РАО ЕЭС.
Автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), которые в большом количестве сегодня устанавливают в России, в основном используются только как необходимый инструмент в процессе купли-продажи электроэнергии. При этом все как будто забыли о важнейшей роли АСКУЭ в регулировании режимов энергопотребления.
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ:
МЕРЫ И СТИМУЛЫ
Необходимость регулирования энергопотребления обусловлена целым рядом причин, в том числе:
- значительной разницей между пиком нагрузки и ночным провалом в энергосистемах;
- недостаточной регулирующей возможностью тепловых электростанций и АЭС для покрытия переменной части графиков нагрузки;
- неблагоприятной тенденцией снижения доли маневренных мощностей в энергосистемах, вызванной укрупнением энергоблоков;
- значительными капитальными и энергетическими затратами, связанными с сооружением и эксплуатацией пиковых агрегатов;
- технической возможностью и экономической целесообразностью искусственного выравнивания графиков нагрузки.
Уплотнение графика загрузки электростанции позволяет улучшить технико-экономические показатели производства электроэнергии и обеспечить электроснабжение новых потребителей без ввода новых мощностей. На Западе общепризнано, что мероприятия по выравниванию графика нагрузки обходятся в 3 раза дешевле, чем ввод новых пиковых мощностей.
Форма графиков загрузки электростанций определяется суммарным графиком потребления, то есть изменение графика загрузки, его уплотнение возможно только за счет изменения режима потребления. Многолетние усилия по выравниванию пика загрузки с помощью командно-административных методов даже в условиях советской системы не дали эффекта.
Побудительным мотивом для равномерного заполнения графика может быть только экономическая заинтересованность потребителя, реализуемая через поощрительные тарифы (в частности, наиболее легко реализуемый вариант – через тарифы, дифференцированные по зонам суток).
Особо следует сказать об управлении нагрузкой для обеспечения надежности электроснабжения и устойчивости работы энергосистем. Для этого в России сегодня применяются:
- управление нагрузкой на стадии годового (договорного) планирования;
- управление нагрузкой при возникновении временного дефицита мощности (потребителю, включенному в заранее составленные графики ограничения потребления и отключения электроэнергии, назначается объем и очередность снижения нагрузки и указывается регламент работы и контроля. Суммарный объем ограничений и отключений не превышает 20% от максимума собственного потребления мощности по электрической сети в целом);
- противоаварийное управление нагрузкой при возникновении в случае аварии дефицита мощности или ограничения пропускной способности сети в энергосистеме, ОЭС, ЕЭС или другом звене системы электропотребления, реализуется в основном автоматическими средствами, реагирующими на снижение частоты (АЧР) или другие параметры режима (специальная автоматика отключения нагрузки – САОН).
Экономических мер поощрения потребителей за участие в плановом, временном и противоаварийном управлении нагрузкой ни в советский период, ни теперь не было и нет. При социалистическом строе такое положение, хотя и не совсем устраивало потребителей, но было терпимо. В настоящее время оно никого устроить не может, но у нас вся противоаварийная автоматика построена на социалистическом принципе. Например, при отключении крупного энергоблока на Ленинградской АЭС, САОН отключает потребителей на Средней Волге и при этом никто никому не платит за неизбежно возникающий ущерб!
Теоретически приватизация в энергетике повышает интерес к управлению нагрузкой. Резкое сокращение централизованных капиталовложений должно побуждать акционерные энергокомпании уделять большее внимание энергосбережению и уплотнению графика нагрузки электростанций, контролю перетоков, прямому управлению электропотреблением. Но в России этого не происходит, и из года в год графики потребления не уплотняются, а, наоборот, разуплотняются. Очевидно, в процессе реструктуризации до этого просто руки не доходят, но такое положение рано или поздно придется исправлять. За рубежом эти задачи успешно решаются при помощи специальных технических средств эффективного управления нагрузками.
Зарубежные технические средства управления электропотреблением
Cтpуктуpы электpопотpебления той или иной страны диктуют и особенности построения системы управления нагрузкой. В России система управления нагрузками оpиентиpована в основном на промышленные пpедпpиятия, т.к. в балансе электpопотpебления их доля составляет до 50%, а в развитых странах до 60% приходится на коммунально-бытовых потребителей, поэтому средства регулирования нагрузок в значительной степени рассчитаны на эту категорию. В частности, за рубежом широко используются различные системы массового управления по силовой сети, по радио и др.
В нашей стране относительное удельное потребление электроэнергии коммунально-бытовыми потребителями составляет пока не более 10–20%, но эта цифра постоянно растет, что делает данный сектор привлекательным для более широкого использования в процессе регулирования нагрузки.
Управление потреблением может осуществляться:
- непосредственно (отключением/подключением потребителей);
- косвенно (воздействием через тарифы).
Основными предпосылками для реализации той или иной системы управления являются:
- наличие соответствующих тарифов;
- определенная структура электропотребления;
- величина мощности, пригодной для управления;
- законодательное и юридическое обеспечение процесса;
- надежные технические средства управления.
Технические средства управления электропотреблением условно можно классифицировать следующим образом:
- местные (контактные часы);
- централизованные с односторонней связью (по радио на средних и длинных частотах, по силовой сети на тональных (звуковых) частотах);
- централизованные с двусторонней связью (по распределительной сети на несущей частоте (PLC-технологии), по сотовой радиосвязи и др.).
В рамках данной публикации будут рассмотрены централизованные средства управления электропотреблением.
ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ С ОДНОСТОРОННЕЙ СВЯЗЬЮ
Централизованное управление потребителями на тональных частотах (ЦУПТЧ)
Принцип действия таких систем заключается в том, что в различных пунктах питающей сети напряжением 10, 35 или 110 кВ с частотой 50 Гц накладывается кодовый сигнал тональной частоты. Так как частота кодового сигнала чрезвычайно близка к частоте питающей сети, управляющие сигналы легко преодолевают несколько ступеней трансформации и при помощи специальных приемников-дешифраторов, установленных у потребителей и подключенных к сети 220 В, они сравниваются с заранее запрограммированными в данном устройстве. При совпадении сигналов принятая команда выполняется, то есть выходные реле переключаются. Различные типы систем транслируют по сети от 125 до 250 различных групповых команд, что более чем достаточно для решения всех доступных им задач.
Наиболее распространенные за рубежом технические средства управления потребителями по силовой сети на тональных частотах (150–300 Гц) более 50 лет выпускались многими специализированными фирмами: Schlumberger, Landis&Gyr, Siemens, Brown Boveri, Zelveger, Valmet и др.
Фактически все эти системы являются различными модификациями разработки Brown Boveri конца 40-х годов прошлого века и отличаются конструктивным исполнением различных элементов, а также способами кодирования управляющих сигналов. Любая система такого типа состоит из трех главных элементов: передающего устройства, приемных устройств и системы кодированных сигналов.
Для ввода управляющих сигналов в данных системах на напряжении 10, 35 и 110 кВ требуется довольно дорогостоящее оборудование и реконструкция подстанций, но при этом приемники управляющих сигналов из сети 220 В получаются довольно дешевыми и их стоимость сопоставима со стоимостью управляющих электрических контактных часов, используемых в системах дифференцированного по зонам суток учета электроэнергии (до $100).
Чтобы представить, о каких ценах идет речь, скажу, что фирма Zelveger в конце 80-х годов была готова поставить в СССР комплекты оборудования на одну подстанцию с вводом управляющих сигналов на напряжении 10 кВ за $80 тыс., на напряжении 35 кВ – за $130 тыс. и на напряжении 110 кВ – за $700 тыс.
Несмотря на высокую стоимость этого оборудования, оно широко применяется практически во всех странах Европы (кроме Великобритании, предпочитающей использовать системы управления по радио), а также в США, Австралии, Новой Зеландии, ЮАР и многих других странах. Оно служит как для централизованного управления тарифными механизмами бытовых многотарифных счетчиков, так и для отключения и последующего включения отдельных промышленных потребителей, пригодных для целей управления электропотреблением. К ним обычно относят мощные отопительные устройства, холодильные устройства и кондиционеры, вентиляционные двигатели, плавильные печи, питание насосных и компрессорных станций и др.
Системы также используются для управления освещением улиц, рекламным и праздничным освещением и для служебных операций включения/отключения электросетей (компенсирующих устройств, определенных групп потребителей, дистанционного управления секционными выключателями и т. д.).
По данным фирм-производителей, затраты на устройство таких систем окупаются в течение 4 лет. Во Франции и ФРГ (здесь в основном использовались системы фирмы Schlumberger) удалось значительно изменить конфигурацию суммарного графика нагрузки, существенно снизить максимумы потребления и поднять заполнение ночного провала. Во Франции потребление энергии ночью сравнялось с дневным. На это ушло 30 лет (с 1952 по 1984 год) кропотливой работы по монтажу сотен передающих систем на подстанциях и миллионов приемников у потребителей.
Основной недостаток в работе таких систем – отсутствие обратной связи и информации о срабатывании или, что более важно, об отказе в срабатывании тех или иных приемников-дешифраторов. Однако при массовом управлении огромным количеством приемников и высокой степени надежности приемной аппаратуры эти недостатки на практике считаются приемлемыми.
В советские времена институт ЭНИН занимался этой проблемой под названием «циркулярного телеуправления», но далее опытных установок ни в СССР, ни в России дело не пошло из-за большой первоначальной стоимости оборудования. Сегодня, с появлением принципиально новых разработок, перспектив массового внедрения таких систем в нашей стране не предвидится.
Централизованное управление потребителями
по радио на средних и длинных частотах
В Великобритании для массового управления коммунально-бытовыми потребителями электроэнергии используется система радиодистанционного управления типа SRT (Sangamo Radio Teleswitch). С её работой автору удалось подробно ознакомиться в 1991 году во время визита делегации Госэнергонадзора в Великобританию.
Особенность SRT – относительная дешевизна аппаратуры ввода управляющих сигналов на длинноволновых государственных радиостанциях, но при этом более дорогие радиоприемные устройства. Тем не менее энергокомпании Великобритании считают, что эта система позволяет управлять электропотреблением с наименьшими затратами. Исследования, проведенные ЕА (Электрической ассоциацией), показали, что среди методов управления массовыми потребителями самая экономичная система – радиоуправление.
Толчком к разработке системы радиоуправления электропотреблением наиболее массовых бытовых потребителей послужил нефтяной кризис 1973 года. В то время все программы, направленные на энергосбережение, централизованно финансировались государством.
Одновременно для экономического стимулирования электросбережения потребителями энергии были введены тарифы, в которых цена за электроэнергию была различной по часам суток, дням недели и месяцам года. Одной из основных задач, которую предстояло решить разрабатываемой системе, была организация централизованного управления тарифными механизмами счетчиков.
Для создания системы радиоуправления центральная государственная энергокомпания не только использовала собственные финансы, но и привлекала средства промышленности – в виде налога от энергосбережения.
Система радиодистанционного переключения типа SRT разрабатывалась с 1976 по 1983 год, в 1983–1985 гг. проводилась её опытная эксплуатация, а с мая 1985 года началось серийное производство оборудования и промышленная эксплуатация.
Действовавшая в 1991 году в Великобритании система радиоуправления (SRT) была совместной собственностью ЕА и ВВС. Продажа лицензии на эту систему была возможна только при согласии обеих сторон.
За передачу управляющих сигналов и эксплуатацию центрального передающего оборудования ЕА платила по договору 4-му каналу ВВС. Этот канал – аналог нашего «Маяка», круглосуточно передающий музыкальные программы и одновременно с этим сигналы управления электропотреблением, неразличимые для слуха.
Три длинноволновых (184 кГц) радиопередающих центра 4-го канала ВВС перекрывали друг друга, и если со стороны одного из них прием сигналов был ослаблен, то с противоположной стороны (от другого радиопередатчика) он, как правило, был достаточный. Для всей территории страны практически хватает и двух передающих центров, так что с остановкой любого из трех центров на ремонт никаких проблем не возникает и система SRT продолжает успешно функционировать.
Каждое радиопереключающее устройство имеет два фиксированных положения приемной антенны (А и Б), ориентированных относительно друг друга под углом в 90O, которые позволяют при установке устройства на месте выбрать положение антенны с более высоким уровнем сигнала. Выбранное расположение внутренней антенны отмечается на лицевой панели устройства соответственно буквами А или Б.
Чтобы убедиться, что радиокоманды доходят до потребителей, на национальном диспетчерском пункте ЕА с помощью компьютера постоянно контролируется и анализируется прохождение сигнала.
Из более чем 22 миллионов бытовых потребителей Великобритании в 1991 году только 2 миллиона управлялись по радио, и были планы за ближайшие 2 года увеличить их количество до 5 миллионов.
В то время ВВС для целей системы SRT использовала только малую долю своих мощностей, но планировала эту долю увеличить. ЕА также искала способ передать потребителям часть расхода на разработки по модернизации систем радиоуправления.
ЕА централизованно закупает и устанавливает у потребителей радиопереключающие устройства системы SRT. Плата за установку, включая монтажный провод, как правило, включается в оплату за электроэнергию с рассрочкой на год и составляет порядка
12 фунтов стерлингов. При этом разница в оплате за электроэнергию у потребителей, оснащенных радиопереключающими устройствами и не имеющих таковых, незначительна из-за высокой стоимости электроэнергии.
Надежную работу радиопереключающих устройств и их бесплатный ремонт заводы-изготовители гарантируют в течение 15–20 лет. При выходе из строя радиопереключающего устройства потребитель должен сам обратиться за помощью в ЕА.
В 1991 году в Великобритании 6 заводов различных фирм производили радиопереключающие устройства для системы SRT. В их числе был и завод фирмы Schlumberger, который посетила делегация Госэнергонадзора. Наиболее массовый прибор учета, выпускаемый этим заводом,– однофазный электронный счетчик типа SPA, устроенный по шунтовому принципу, класса 2,0, на номинальный ток 20 А с перегрузочной способностью 400% (до 80 А).
Счетчик имел единый унифицированный корпус для одно-, двух- или трехтарифного исполнения. Тарифные механизмы счетчика переключались от внешнего управляющего устройства – радиодистанционного устройства системы SRT типа RTA или управляющих электрических часов.
Производитель гарантировал бесплатное обслуживание счетчика в течение 20 лет. Межповерочный интервал составлял также 20 лет.
Другим массовым и перспективным изделием завода было радиопереключающее приемное устройство типа RTA для системы SRT. Приемник SRT состоит из печатных плат и внешних элементов, размещенных в твердом штампованном корпусе.
В печатных платах используются интегральные микросхемы и микропроцессор – сердце устройства. Прозрачное окно позволяет видеть положение переключателей нагрузки (контакторов).
Радиоприемные цепи принимают слабый сигнал и усиливают его до необходимого уровня.
Программные средства объединяют микропроцессор с кодированием памяти, преобразуют сообщение и выполняют его, управляя положением контактора.
Контактор управляет нагрузкой и переключением тарифов. С помощью программных средств приемник может дополнительно реагировать на внезапные команды, чтобы обеспечить непосредственное управление нагрузкой.
Программа, построенная с обратными связями, диагностирует любые повреждения устройства в период между полезными сигналами. Программные средства содержат диагностический тест, позволяющий персоналу проверить поступление данных и эффективность работы устройства. ЖК-индикатор показывает, правильно ли идет прием и декодирование информации.
С 1986 года до момента посещения (ноябрь 1991 года) завод выпустил 750 тысяч таких устройств.
Каждое устройство может быть закодировано одним из 16 региональных (по числу распределительных энергокомпаний) и одним из 256 групповых кодов. По информации фирмы, количество этих кодов может быть увеличено, но в настоящее время достаточно и этого количества кодов, чтобы избирательно управлять электропотреблением в любом из 16 регионов Великобритании отключением и включением 256 групп потребителей, оснащенных данными радиопереключающими устройствами. Встроенные в устройство контакторы могут управлять нагрузкой потребителя и переключением тарифного механизма электросчетчика по различным программам.
Система SRT имеет очень низкие капитальные затраты на оборудование радиопередающих центров – не выше чем комплект оборудования для одной подстанции в системе ЦУПТЧ.
По просьбе автора английские специалисты проанализировали радиочастоты всех областных радиостанций нашей страны и заверили, что при размещении на них передатчиков системы SRT они не будут мешать друг другу. То есть исключена возможность срабатывания приемников в одном регионе от сигнала передатчика в другом регионе.
По возвращении из поездки я, как начальник технического отдела Госэнергонадзора, обратился в ЦНИИРТИ (Москва) – мощный оборонный институт, занимающийся разработкой радиотехнических систем. Получив информацию об английской системе SRT, специалисты института сообщили, что нечто похожее у нас в стране действует для централизованного управления военными объектами и при получении соответствующего заказа от Минэнерго СССР они способны разработать для нас систему не хуже, а главное, не дороже английской.
Основными недостатками системы управления по радио традиционно считаются:
- сомнительная надежность приема;
- подверженность внешним воздействиям;
- необходимость платы за услуги радиостанций.
Однако в SRT они практически устранены и, по заверениям английских специалистов, система работает без сбоев, электромагнитная защищенность и внутренняя защита приемных устройств исключают несанкционированное вмешательство.
После публикации в технических журналах статьи о работе английской системы я получил сообщение из Воронежа о том, что в местном Госэнергонадзоре разработана и внедрена похожая система. Она была создана на базе местного УКВ-вещания для управления водонагревательными установками сельских ферм и исключения их работы в часы максимума нагрузки.
Представляется, что такие системы и в настоящее время не потеряли актуальности для регионов со слабой сотовой и проводной связью.
Окончание статьи – в следующем номере. В завершающей части материала автор остановится на централизованных технических средствах управления электропотреблением с двусторонней связью по распределительной сети на несущей частоте (PLC-технологии) и по сотовой радиосвязи, а также уделит внимание российским техническим средствам управления потреблением электроэнергии.
| 
|
