Дизайн электрической паутины

В Центре компетенций НТИ «Технологии транспортировки электроэнергии и распределенных интеллектуальных энергосистем», организованном на базе МЭИ, начался ввод в эксплуатацию нового уникального оборудования. Работы выполняются в рамках проекта по разработке архитектуры интернета энергии, лидером которого является инфраструктурный центр «Энерджинет», в целях реализации дорожной карты «Энерджинет» Национальной технологической инициативы.

«Энерджинет» — одна из девяти дорожных карт НТИ, первая официально утвержденная на высшем уровне долгосрочная программа развития технологий, стандартов и сообществ в сфере построения электроэнергетики нового технологического уклада.

Инфраструктурный центр «Энерджинет», сопровождающий системообразующие проекты дорожной карты, сейчас работает с четырьмя центрами компетенций. Это МЭИ, МФТИ, Сколтех и Новосибирский государственный технический университет (НГТУ) НЭТИ. У каждого центра свой опыт, свои уникальные компетенции, свой набор профильных исследований, что позволяет получить довольно широкую научно-технологическую поддержку при разработке проектов.

«В настоящее время более плотно мы работаем с МЭИ и МФТИ, — рассказал “Стимулу” руководитель “Энерджинет” Дмитрий Холкин. — У МФТИ больше ориентация на создание микрогридов, а в МЭИ в основном ориентированы на технологическое развитие распределительной сетевой инфраструктуры, а также на интеграцию в сеть микрогридов, распределенной генерации и систем накопления энергии».

Архитектура интернета энергии (IDEA, Internet of Distributed Energy Architecture) представляет собой децентрализованную электроэнергетическую систему, в которой реализовано интеллектуальное управление потоками электроэнергии, осуществляемое за счет энергетических транзакций между пользователями. А микрогрид, или микросеть, — это своего рода уменьшенная версия полноценной системы электроснабжения. Такая локальная энергосистема предполагает создание на определенной территории собственных источников энергии, способных эффективно работать с учетом изменяющейся нагрузки потребителей, подключенных к микрогриду, в том числе автономно.

Для организации децентрализованной экосистемы, в которой каждый участник может поставлять энергию, мощность и гибкость, с одной стороны, нужно разработать принципиально новую архитектуру интеллектуальных распределительных сетей, а с другой — создать программное обеспечение на основе искусственного интеллекта, способное в режиме реального времени проводить так называемые аукционы электроэнергии, заключать сделки и осуществлять транзакции. В проекте также используются основные принципы интернета вещей для обеспечения сбора необходимых данных и управления различными устройствами.

«В рамках нашей работы по архитектуре IDEA, где участвуют и МЭИ, и МФТИ, и НГТУ, и еще несколько технологических компаний, мы пришли к выводу, что необходимо создать testbed, на котором можно будет проводить испытания того или иного оборудования или комплексных решений, реализованных в логике интернета энергии. В МЭИ сейчас заканчивается монтаж такой системы, в конце декабря мы будем осуществлять ее приемку», — пояснил Дмитрий Холкин

«Testbed “Энерджинет”» — уникальный модельный испытательный комплекс для разработки и тестирования архитектурно-технических решений по проекту создания интернета энергии и других новых решений для технологического развития российской энергетики. Такой комплекс позволит проводить цифровое и киберфизическое моделирование сложных электроэнергетических систем, а его возможности превышают возможности доступных в России лабораторий и испытательных установок за счет применения технологии Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL).

Новое оборудование представляет собой четырехквадрантные усилители фирмы Ponovo Power Co. Эти усилители позволяют объединять физические и математические модели энергосистем, тем самым создавая киберфизическую модель систем распределения электроэнергии с включением в контур моделирования реальных силовых устройств.

Характерной чертой четырехквадрантных усилителей мощности, в отличие от обычных, является их способность не только выдавать мощность, но и потреблять ее. Это позволяет симулировать полноценный обмен энергией между цифровой частью модели и ее реальной физической частью. Такие киберфизические модели дают возможность создавать модели малых и средних распределительных сетей, включающие в себя накопители электроэнергии, возобновляемые источники энергии и другое перспективное оборудование.

Кроме того, к этим моделям можно подключать реальное оборудование для проведения исследований и испытаний — энергороутеры, накопители электроэнергии, управляемые интеллектуальные соединения и др.

Создание полигона «Testbed “Энерджинет”», работающего по технологии PHIL, — первый такой проект в России и одним из немногих в мире. Ввод в эксплуатацию этого полигона станет важной вехой в реализации плана мероприятий «Энерджинет», так как позволит проводить испытания реальных силовых устройств с включением их в контур цифрового моделирования.

Энергетический роутер — устройство, управляющее перетоками мощности

«Энерджинет»

Энергосистемы будущего

Что представляет собой концепция интернета энергии? Новое подключение к сети можно получить так же легко и быстро, как подключение к интернету: по принципу plug and play. Можно менять «на лету» требования к надежности: покупать дополнительную надежность, когда она критична, и продавать избыточный резерв, когда в нем нет необходимости. Энергия оказывается кардинально дешевле, она мобильна и доступна в любой точке, как мобильный интернет.

Исчезает разница между потребителем и поставщиком энергии. Вместо традиционной системы «производство — распределение — сбыт — потребление» появляется принципиально новая модель, где участники рынка свободно обмениваются энергоресурсами и услугами. Примерно так же, как пользователи обмениваются информацией в интернете.

Производство становится распределенным. Вместо крупных электростанций, производящих энергию в больших объемах и выдающих ее в высоковольтную сеть, возникает сеть мелких генерирующих мощностей.

Участниками рынка становятся «вещи». «Коммуницирующие умные энергетические вещи» могут сами определять оптимальную необходимую величину собственного потребления, отключать или снижать мощность ненужных в конкретный момент времени приборов, выбирать наиболее экономичные режимы их работы, распределять нагрузку и снижать потребление в пиковые часы, когда стоимость энергии максимальная.

«Иногда кажется, что для новых бизнес-моделей цифровой энергетики достаточно появления средств информирования человека, который все же будет сам принимать решения. Но экспериментальные проекты показали, что люди через некоторое время перестают интересоваться новыми моделями поведения, предъявляющими к ним слишком высокие требования участия. Нужно, чтобы инициативу перехватили киберфизические системы, способные самостоятельно принимать оперативные решения без участия человека. Для этого машины должны руководствоваться не стандартами и жесткими алгоритмами, а целями, заданными людьми, и цифровыми моделями фрагментов реального мира», — пишут Дмитрий Холкин и Игорь Чаусов в своей статье «Цифровой переход в энергетике России: в поисках смысла».

Узлами новой сети могут стать такие «нетрадиционные» объекты, как здания, автомобили, источники бесперебойного питания. К примеру, мощность двигателей всех машин в мире в четыре раза превышает мощность электростанций. По подсчетам экспертов, автомобили в среднем простаивают 87% времени. Беспилотный гибридный автомобиль (природный газ/электроэнергия), находящийся в общественном пользовании, может самостоятельно принимать решение, в каком режиме (транспорт или энергоустановка) ему выгоднее работать в каждый момент времени. Для энергосистемы это почти бесплатный ресурс мощности.

Сам по себе интернет энергии не является основным стимулом для переустройства всей энергетической системы. В рамках процессов «энергетического перехода» появляется несколько новых факторов: возобновляемые и децентрализованные источники энергии, а также активные потребители, или просьюмеры, которые могут и потреблять, и производить электроэнергию. И постепенно их функционирование становится неудобным для традиционной энергетической системы. Именно в такой ситуации нужен интернет энергии, для того чтобы все эти факторы могли по-новому интегрироваться, по-новому вступать в экономические отношения друг с другом. Благодаря интернету энергии распределенная энергетика вступит в продуктивный симбиоз с крупной традиционной энергетикой.

«Я всегда привожу такой пример, — поясняет Дмитрий Холкин. — Когда появились автомобильные дороги, они не заменили железные дороги. Когда в США в девятнадцатом веке бурно развивалась экономика, там развитие сначала шло благодаря железным дорогам, а потом появились автомобили, появились шоссе, и это стало дополнительным мощным фактором хозяйственного освоения территорий. Автомобили несколько сузили экономическую нишу железнодорожного транспорта, но не отменили его необходимость. И то же самое с большой энергетикой. Она при появлении новой энергетики не исчезает, не замещается в очень долгой перспективе».

И если доля элементов новой энергетики в энергобалансе будет незначительной, то это вообще никак не затронет крупную генерацию. Если же уровень децентрализации составит до 30–40%, как, к примеру, планируют сейчас Япония, Австралия, Италия, Германия, Сингапур, это может быть заметно, потому что существенная часть потребления будет обеспечиваться за счет децентрализованной генерации, а крупная генерация будет терять свою выручку. Но возможен и альтернативный сценарий, когда распределенная энергетика даже с большой долей в энергобалансе за счет ресурсов гибкости, которые она приносит в энергосистему, окажется полезной для большой генерации, позволит оптимизировать ее работу и привлечь инвестиции в ее развитие.

Мировые тенденции

Полноценного решения в области интернета энергии в мире еще нет. Ведутся разработки. К примеру, в США работают над концепцией FREEDM Systems, которая близка российской по комплексности; некоторая пилотная реализация есть в Японии. Этот подход еще не превратился в промышленный стандарт организации энергетики, но отдельные его элементы все чаще начинают применяться на практике.

«Приятно работать в странах, в которых практическая потребность в новой архитектуре энергетики созрела, — рассказывает Дмитрий Холкин. — Например, в Сингапуре есть задача перейти на децентрализованную энергетику примерно на 30 процентов. Сейчас они почти полностью питаются от газа, но в рамках вездесущей декарбонизации планируют переходить на солнечные станции. У них территории мало, и солнечные панели будут размещаться на зданиях, на крышах, даже в море. И скорее всего они их будут развивать децентрализованно, когда генерирующие объекты по некоторой программе будут строить владельцы зданий. Возникает вопрос, как правильно встраивать эту генерацию в общий рынок, в общую электросеть. Когда мы делали в Сингапуре презентацию нашего подхода к организации интернета энергии, местные эксперты и специалисты сами сказали: «Наконец-то мы увидели, как это в комплексе можно реализовать. То, что мы раньше продумывали, читали, слышали, это были какие-то частичные решения». Нам было приятно услышать, что именно нашу разработку оценили как наиболее системную, наиболее подходящую под то, что надо сделать в Сингапуре».

Презентация архитектуры Интернета энергии (IDEA) на конференции ACEPT-2019 в рамках Сингапурской международной энергетической недели, Сингапур

«Энерджинет»

Что происходит в России

Особенности организации электроэнергетики в России — протяженная инфраструктура, низкая плотность потребления электроэнергии, большая доля промышленной нагрузки, социально ориентированная политика, несовершенство рынка и отраслевого регулирования — приводят к постоянному росту цен на электроэнергию для бизнеса и постепенно становятся сдерживающим фактором для развития экономики страны. Существующий технологический уклад в электроэнергетике достиг предела своей эффективности и в перспективе пяти лет в ряде сфер, где потребители предъявляют более высокие требования к надежности, качеству, доступности, экологичности энергоснабжения, будет иметь меньшую конкурентоспособность по сравнению с решениями новой —цифровой — энергетики.

Инерционный сценарий развития отрасли в ближайшем будущем приведет к тому, что цена на электроэнергию для промышленности в России превысит цену в США и почти сравняется со средней ценой в странах ЕС. Это негативно скажется на конкурентоспособности экспортируемой продукции российской промышленности с ее традиционно высокой удельной энергоемкостью производства. Актуальность цифрового перехода в энергетике России прежде всего связана c необходимостью повышения эффективности использования энергетических мощностей

«Если опираться на архитектуру IDEA, то комплексные решения интернета энергии являются комбинацией трех систем: системы интернета вещей (IoT), системы энергетических транзакций (Transactive energy) и системы обеспечения устойчивости энергетических режимов (Neural Grid), — поясняет Дмитрий Холкин. — Полноценной реализации в России всех трех типов систем в комплексе сейчас нет, но отдельные элементы уже внедряются. Например, сейчас на уровне пилотных проектов есть несколько инициатив, связанных с транзакциями в энергетике на основе блокчейн-технологий».

Национальная технологическая инициатива сейчас запускает несколько регуляторных проектов, которые позволяют снять некоторые барьеры для апробации новых бизнес-практик, многие из которых можно будет легко масштабировать в случае применения интернета энергии. Например, с 1 июля 2019 года на розничном рынке России начал работать рынок управления спросом, так называемый Demand Response. Это такая система, в рамках которой устройства с управляемой нагрузкой, находящиеся у потребителей, в определенные часы снижают потребление. В целевой конструкции, которая обсуждается и в России, и в мире, это устройства, которые будут автоматически управляться оператором, так называемым агрегатором управления спросом. Но хозяин устройства должен подтвердить, что его можно в определенный период времени выключать.

«В этом случае нам нужно иметь понятную технологию доступа к конкретному устройству, получать информацию от приборов, измеряющих реальный переток энергии, и иметь прозрачную систему финансовых расчетов за оказанные услуги. Сейчас по мере того, как этот рынок увеличивается, интерес у бизнеса к таким технологическим решениям возникает, мы ведем работу, чтобы у технологических компаний была готовность предложить такую технологию, к примеру, через год», — говорит Дмитрий Холкин.

Сейчас механизм управления спросом работает в экспериментальном режиме, объем пока небольшой, 50 МВт управляемой нагрузки. В следующем году этот рынок будет в несколько раз больше. В целевом видении эксперты «Энерджинет» оценивают его размер примерно в 5 ГВт.

Кроме того, при МФТИ в 2017 году был организован Институт арктических технологий, который в рамках работ по искусственному интеллекту решает задачи по проектным направлениям «Энерджинет» и самостоятельно ведет разработки, во многом опирающиеся на интернет энергии. Здесь создаются гибридные энергетические системы для энергоснабжения арктических изолированных территорий. Одна из наиболее интересных разработок — энергетический хаб. Он предназначен для того, чтобы легко интегрировать в рамках изолированного микрогрида разные источники энергии: ветер, солнце, накопители, дизель-генерацию. Они все интегрируются через этот хаб, который выполняет опорную функцию в энергетической системе, обеспечивает первичное регулирование. В «Энерджинет» эту систему проработали концептуально, а специалисты МФТИ реализуют ее в «железе». Проект осуществляется сейчас в Ямало-Ненецком автономном округе, его будут запускать к середине 2020 года.

Дмитрий Холкин рассказал и о степени реализации всего проекта создания интернета энергии в стране: «Сейчас мы заканчиваем разработку архитектуры. На выходе — фреймворк архитектуры, мы его будем публиковать в начале 2020 года. Текст уже есть, но его еще надо дорабатывать».

Второй результат — проект предварительного национального стандарта по архитектуре, он направлен в Росстандарт. Предварительный национальный стандарт позволит создать нормативно-техническую базу для экспериментирования в ближайшие два года по системам такого типа.

Третий результат — это testbed, который разворачивается в МЭИ, четвертый — так называемый демокомплекс, его разрабатывают несколько технологических компаний («РТСофт», ИЭЭС, «Элиот», «Умные практики»), он будет развернут на полигоне в МФТИ. Этот демокомплекс должен показать, как будут работать системы интернета энергии. Там созданы четыре энергетические ячейки, четыре просьюмера. Один из них подключен к солнечным панелям, второй — к накопителям, третий — к бензиновому генератору, четвертый имеет управляемую нагрузку. Они будут соединены в топологию точка-точка и при этом присоединены к сетям общего пользования. На границе между электросетью и демокомплексом будет энергетический роутер — устройство, управляющее перетоками мощности.

«Мы будем отрабатывать несколько тест-кейсов, — рассказывает г-н Холкин. — В одном из них покажем управляемое сочетание всех этих источников энергии, объединенных в сеть, что это более выгодная история, чем автономное электроснабжение, когда каждый питает только себя. При определенных условиях это более выгодное решение, чем питание от сети. Во втором мы покажем, как эта система работает, если отключиться от сети. Какое-то время она должна выживать. Та ячейка, у которой нет собственного источника энергии, будет покупать энергию у другой ячейки».

Третий тест-кейс должен показать, каким образом систему можно масштабировать, как она сама перестраивается и на следующем шаге своей работы учитывает новую ячейку. Необходимо подтвердить, что для включения каждого нового элемента системы не требуется специальный инжиниринг, специальная сложная настройка.

«У нас получается четыре базовых результата, которые демонстрируют реализуемость этого подхода, и дальше, начиная с 2020 года, мы уже более активно приступим к вопросам практической реализации интернета энергии в России и за рубежом. В той мере, в которой рынок это будет принимать», — говорит Дмитрий Холкин.

Четыре общемировых сценария

Эксперты «Энерджинет» называют четыре сценария, которые будут реализоваться в перспективе тридцати лет на базе интернета энергии.

Сценарий Power-to-Data. В XXI веке все большую роль в мировой экономике играют цифровые процессы, основанные на операциях с большими данными, блокчейн-платформы и различные роботы — программы, самостоятельно формирующие и принимающие решения в рамках определенных людьми целей, в том числе с использованием технологий искусственного интеллекта. Объемы информации, которая в связи с этим будет обрабатываться и храниться в интересах мировой экономики, возрастают экспоненциально, а инфраструктура работы с этой информацией станет основным потребителем электроэнергии и наиболее ценной формой, в которую электроэнергия может быть превращена.

Сценарий Smart Cities. Города за счет сочетания множества технологий, объединяемых в понятие Smart City, становятся существенно более разнообразными, комфортными и привлекательными для жизни. Ожидается, что к середине века более 80% всего населения мира будет проживать в растущих и развивающихся городах. Энергопотребление таких мировых городов, а их будут сотни, если не тысячи, будет постоянно расти за счет прироста числа их жителей и роста уровня их жизни. Это потребует от энергетики невероятно разнообразных, но в то же время быстрорастущих и требующих минимум места мощностей.

Сценарий Discovery. Новым фронтиром в XXI веке станет освоение труднодоступных и суровых пространств, которые еще не заселены и не обеспечены инфраструктурно, пространств, устойчивая жизнь на которых кажется невероятной. Это Крайний Север, Антарктида, просторы Сибири и Дальнего Востока, удаленные от берега искусственные острова, центральные районы пустынь, высокогорья, сельва и даже дно Мирового океана. Освоение нового фронтира потребует в высшей степени эффективной автономной энергетики, обладающей способностью быстро разворачиваться и масштабироваться для удовлетворения потребностей в энергии в полностью автономном режиме.

Сценарий Mobility. Объемы мировой торговли и глобальный товарооборот все время растут, и этот рост последние десять лет после кризиса 2008 года неуклонно ускоряется. Одновременно возрастают и глобальные пассажиропотоки, люди все больше живут в нескольких городах одновременно, чаще перемещаются на большие расстояния. Возникают и будут возникать новые виды транспорта, преимущественно электрического, от персонального городского транспорта типа электроскутеров, гироскутеров, моноциклов до электромобилей и электробусов. Существенно вырастет скорость дальнемагистрального транспорта: ожидается появление промышленных образцов поездов на магнитном подвесе со скоростями более 600 км/ч и сверхзвуковых пассажирских самолетов со скоростями более 1500 км/ч. В то же время активно развивается и скоро вступит в стадию взрывного роста индустрия транспортных роботов: от личных роботов-чемоданов и роботов-холодильников до роботизированных средств доставки типа роботов-тележек и различных мультикоптеров. Все эти тенденции объединятся в новый формат транспортного мира, который в сравнении с сегодняшним состоянием будет на порядок более мобилен, в нем будет на порядок или даже два порядка больше различных транспортных средств, и скорости перемещения в нем вырастут в два-три раза. Это потребует чрезвычайно многоуровневой энергетики, которая, с одной стороны, сможет обеспечить растущее, в основном централизованное электропотребление магистрального общественного транспорта всех типов, а с другой — позволит заряжать распределенный вплоть до каждого домохозяйства персональный и шеринговый электрический транспорт и электрических подвижных роботов.