Министерство Энергетики

В.В. Ханаев. Управление спросом на электроэнергию как дополнение к распределённой генерации

Вениамин Вениаминович Ханаев
Институт систем энергетики
им. Л. А. Мелентьева СО РАН, г. Иркутск, Россия
e-mail: venven@list.ru

Veniamin V. Khanaev
Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Irkutsk, Russia
e-mail: venven@list.ru

УДК 621.311.24

Аннотация. Современная концепция развития электроэнергетики предусматривает повышение активной роли потребителей электроэнергии. Потребитель уходит от позиции «пассивного» потребления и получает возможность с помощью собственной (распределённой) генерации или мероприятий по управлению спросом активно изменять свою нагрузку. В статье анализируется возможность учёта распределённой генерации и управления спросом при планировании развития электроэнергетических систем. Описывается методика их совместного рассмотрения с помощью «виртуальной электростанции».
Ключевые слова: интеллектуальная электроэнергетическая система, активный потребитель, распределённая генерация, управление спросом.

Abstract. The modern concept of the development of the electric power industry provides for an increase in the active role of electricity consumers. The consumer moves away from the position of «passive consumption» and gets the opportunity to actively change his load through his own (distributed) generation or measures to demand side management. The article analyzes the possibility of taking into account distributed generation and demand side management when planning the development of electric power systems. The technique of their joint consideration using a «virtual power plant» is described.
Keywords: smart electric power system, active consumer, distributed generation, demand side management.

Процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии в России характеризуются рядом технологических особенностей [1]. Данная система объединяет множество одновременно работающих потребителей в единую технологическую систему. Она требует постоянного соблюдения баланса между производством и потреблением электроэнергии. В противном случае резко растут риски повышения аварийности в энергосистеме. При этом у нее отсутствуют возможности мгновенного ограничения электропотребления каждого потребителя. Кроме того, на текущий момент отсутствуют возможности по накоплению и хранению энергии в промышленных масштабах для покрытия пиковых нагрузок. Потребители электроэнергии распределены в системе крайне неравномерно.
Модернизация энергосистемы до начала 2000-х проводилась по принципу реконструкции низкоэффективного оборудования. Но постепенно процесс развития сферы энергопотребления подвел к необходимости создания новой концепции развития электроэнергетики. Она подразумевает уход от привычной цепочки «производство – передача – потребление», где центральную роль имеет системная генерация. Согласно новой концепции, основной упор необходимо делать на повышение активности передающих систем и потребителей (рис. 1). Сеть приобретает интеллектуальный характер, становится «умной» (по зарубежной терминологии – «Smart Grid»). Потребитель, со своей стороны, перестает быть «пассивным» участником системы, наоборот, он становится «активным» пользователем, то есть получает возможность изменять свою нагрузку, выравнивать графики электропотребления. Таким образом, все заинтересованные стороны могут равнозначно влиять друг на друга, и существующая централизованная схема взаимоотношений между ними трансформируется в равнонаправленную.

Новая концепция исходит из повышения активности передающих систем и потребителей. Сеть приобретает интеллектуальный характер


Концепция «Smart Grid» подразумевает, что разнообразие требований всех заинтересованных сторон (государства, потребителей, регуляторов, энергетических и сбытовых компаний, коммунальных организаций, собственников, производителей оборудования и др.) сводится к шести основным постулатам: доступность, надёжность, экономичность, экологичность, эффективность и безопасность [2].
В России идеи «Smart Grid» нашли отражение в «Интеллектуальной электроэнергетической системе» (ИЭС), по сути, являющейся её прямым аналогом и базирующейся на схожих принципах [3]:
1) ориентация на конечного потребителя, который сам активно формирует необходимый объём энергии и энергетических услуг;
2) повышение управляемости как отдельных элементов, так и энергосистемы в целом;
3) повышение ее управляемости и уровня выполнения требований по качеству, комфорту, надёжности, стоимости и так далее;
4) информация о работе системы становится одним из ее центральных факторов ее деятельности.
5) выработка и принятие решений по развитию энергосистемы принимается на основе соблюдения баланса интересов всех взаимодействующих сторон.


Таким образом, можно сделать вывод, что интеллектуальная энергосистема, прежде всего, нацелена на реализацию активной стратегии потребителя и стимулирует его к участию в регулировании нагрузки. В новой концепции, потребитель становится равнозначным партнёром энергосистемы и помогает ей в обеспечении надёжной работы.
Активный потребитель получает возможность выбирать и корректировать режим электропотребления с учётом обеспечения своих потребностей и оптимизации своих затрат. Он может определять необходимость дополнительных услуг для управления со стороны системного оператора. Потребитель будет формировать условия загрузки собственной мощности для формирования заявки на участие в покупке/продаже электроэнергии на оптовом и розничном рынках.
Сама концепция активного потребителя естественно вписывается в технологию интеллектуальной информационной энергосистемы, характеризующуюся следующими принципиальными свой­ствами [3]:

  1. Гибкость – возможность адаптироваться под текущий уровень потребления энергии с учётом происходящих изменений, а также адекватная реакция на внутренние и внешние воздействия.
  2. Интеллект – способность реагировать на запросы потребителей (снижать или увеличивать выработку энергии).
  3. Интеграция – способность вписываться в окружающую среду как с точки зрения планирования местности и размещения объектов генерации, так и с точки зрения взаимодействия остальных систем.
  4. Сетецентричность – возможность управлять энергоснабжением и энергопотреблением на основе разветвлённой энергетической сети, в которой каждый элемент системы получает возможность взаимодействовать с любым другим элементом через телекоммуникационную сеть связи, которая становится основой управления.
  5. Эффективность – соответствие используемого оборудования всем современным требованиям энергетической, экономической, экологической эффективности, при этом максимальная эффективность системы обеспечивается оптимальным сочетанием технологий, включая максимальную эксплуатацию местных энергетических ресурсов.
  6. Конкурентоспособность – технологическая способность поддерживать экономическую эффективность систем и доступность энергоресурсов для всех категорий потребителей относительно других технологий, при этом потребители имеют возможность управлять своим энергопотреблением для снижения объёмов оплаты за него.
  7. Надёжность – возможность противостоять физическим и информационным воздействиям на систему энергоснабжения быстрым восстановлением (самовосстановлением) её работы без тотальных отключений и высоких затрат на восстановительные работы.
Рис. 2. Технологические и экономические аспекты управления спросом на электроэнергию


Приведённые выкладки в большей степени имеют декларативный характер. Для того, чтобы потребитель изменил свой статус с «пассивного» на «активный», требуется привлечение соответствующего технико-­методического механизма. С учётом рыночных отношений такой механизм уже не может иметь командно-­административный характер, построенный на принуждении потребителей к изменению режима своей работы. Он должен уметь стимулировать потребителей самим менять режим электропотребления для оптимизации работы всей энергосистемы. Таким механизмом может быть управление спросом, которое служит важным инструментом для поддержания и регулирования баланса выработки и потребления электроэнергии. Управление спросом позволяет за счёт снижения цен на электроэнергию для потребителей и оптимизацию загрузки генерирующих и электросетевых мощностей влиять на работу всей энергосистемы.
Мировая практика показывает, что система управления спросом позволяет привлечь к своим целям от 5 до 10 % пиковой нагрузки потребителей, а в перспективе эта величина может быть увеличена до 15 % [5]. Она дает возможность потребителю подстраивать свои технологии под определенные режимы энергопотребления. Система позволяет обеспечить контроль перетоков и многозонного учёта электропотребления. При этом система обладает возможностью экономического поощрения потребителей за работу в «активном» режиме через многозонные тарифы на электроэнергию, а также накладывает штрафы за невыполнение своих обязательств.
Несмотря на положительный опыт применения, реализация системы управления спросом имеет ряд проблем, главной из которых является сложность привлечения «мелкомоторных» потребителей. Крупные, «системообразующие» потребители могут прямо выходить для взаимодействия с энергосистемой. В то же время ресурс управления спросом таких потребителей ограничен в силу их относительно небольшого количества. Значительный потенциал сосредоточен у «мелкомоторных», розничных потребителей, а также в бытовом секторе. Однако ресурс отдельных розничных потребителей слишком мал, чтобы удовлетворять предъявляемым на оптовом рынке требованиям.
В силу большого количества и разнообразия своих технологических параметров, они практически не поддаются прямому управлению (диспетчеризации) со стороны энергосистемы – издержки на взаимодействие с системным оператором слишком высоки. В связи с этим, весь пласт «мелкомоторных» потребителей оказывается практически отрезанным от участия в мероприятиях по управлению спросом. В тоже время, именно «мелкомоторные» потребители, из-за отсутствия жёстких ограничений по своим технологическим процессам являются наиболее маневренным классом потребителей и представляют наибольший интерес для организованного привлечения к реализации программ управления спросом. Решение проблемы привлечения средних и малых производственных и торговых предприятий, бытовых потребителей, административных зданий и бюджетных учреждений, возможно через участие агрегаторов – организаций, объединяющих ресурсы различных потребителей для предоставления услуг по управлению спросом.
В задачи агрегаторов входит[5]:
• поиск потребителей, обладающих возможностями изменения графика своего электропотребления без ущерба или с минимальным ущербом своей деятельности (производство, режим работы, быт и т. д.);
• проведение оценки имеющихся у потребителей возможностей изменения электропотребления и разработка оптимальных алгоритмов их участия в программах управления спросом;
• оснащение потребителей необходимыми системами автоматизации;
• выполнение функции единого представительства перед энергосистемой;
• предоставление совместного изменения нагрузки групп потребителей в виде единого элемента;
• несение ответственности за взаимное исполнение обязательств сторон-­участников управления спросом.
В задачи агрегаторов углеводородного спроса входит и обеспечение затрат на подготовку потребителей к участию в работе системы, к основным из которых относятся [5]:
• затраты на превращение нагрузки из пассивной в управляемую;
• затраты на интеграцию потребителей в информационно-­измерительный контур;
• затраты и операционные затраты на налаживание коммерческого учёта электроэнергии, обеспечение расчётов и платежей;
• издержки посреднической деятельности – оплата услуг банков, биллинговых компаний, текущего обслуживания оборудования и так далее.

ЛЭП в России
Источник: Kirill_geo / Depositphotos.com


На своей начальной стадии (1970–1980-е гг.) управление спросом рассматривалось как комплекс мероприятий, направленных на изменение нагрузки потребителей с целью корректировки её графика к более удобному для работы энергосистемы виду. Взаимодействие между потребителем и энергосистемой происходило на уровне изменений их нагрузки и генерации. Основные направления работы с потребителями сводились к мероприятиям по электросбережению и регулированию – сдвигу нагрузки во времени по отношению к её пикам и провалам. Участвующие в таких мероприятиях называются потребители-­регуляторы и занимают промежуточное положение между «обычными» и «активными» потребителями.
Значительные изменения привычной концепции начали происходить относительно недавно в связи с наметившимся значительным ростом привлекательности перед централизованными системами энергоснабжения распределённой генерации. Во многом это объясняется следующим [6]:
• расположение генерации непосредственно в зоне потребления;
• сравнительно малые капиталовложения и сроки ввода генерирующего оборудования;
• возможность использования в качестве топлива отходов или побочных продуктов производства, а также местных видов топлива.
На сегодняшний день лидерами по использованию распределённой генерации являются:

  1. Предприятия нефтегазовой, горнодобывающей, металлургической, целлюлозно-­бумажной и химической отраслей, основная особенность которых – наличие собственных энергоресурсов и отдалённость от основных энергоисточников.
  2. Агрокомплексы, предприятия по переработке растительной продукции, лесозаготовительные и деревообрабатывающие предприятия, имеющие большое количество подлежащих утилизации технологических отходов.
  3. Хладокомплексы, склады – предприятия, для которых наличие собственной генерации необходимо в качестве резервной, а зачастую и более выгодно по отношению к централизованному энергоснабжению.
  4. Производства с чёткими планами выпуска продукции и перспективами развития с относительно большими объёмами электропотребления, позволяющими обеспечить эффективную загрузку и эксплуатацию собственной генерации, делающие её выгоднее электропотребления от внешних источников.

В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года, доля распределённой генерации в стране может достичь 20 % от общего производства электроэнергии. Этому будут способствовать следующие стимулирующие факторы[6]:
– неопределённости развития централизованной электроэнергетики;
– рост цен на «централизованную» электроэнергию;
– предсказуемость затрат на эксплуатацию собственной генерации;
– снижение рисков дефицита мощности;
– возможность манёвров в развитии производства;
– повышение надёжности и безопасности электроснабжения;
– снижение потерь в передающих сетях;
– развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Наряду с положительными аспектами, эксплуатация распределенной генерации имеет и целый ряд проблем [6]:
– недостаточность информации о возможных совместных режимах и параметрах работы установок и объектов «централизованной» энергетики;
– неравномерность загрузки генерирующего оборудования;
– необходимость резервирования собственной генерации;
– сложности обеспечения непрерывного функционирования энергосистемы в случае одновременного отключения множества объектов;
– выполнение требований по эксплуатации установок на уровне объектов «большой электроэнергетики»;
– наличие перетоков мощности разной интенсивности в сетях низкого и среднего напряжения;
– возрастание перегрузок и аварийных ситуаций в сетях низкого и среднего напряжения;
– увеличение сложности в обслуживании присоединений потребителей и т. д.

Рис. 3. Концепция «(Системная генерация) – (Умная передача (Smart Grid)) – (Управление спросом (УС) + распределённая генерация (РГ))»
Рис. 4. Распределение потенциала электросбережения по секторам экономики


Исходя из вышеперечисленного, можно сделать вывод, что большая неопределённость режимов работы отдельно взятых генераторных установок существенно меняет структуру, свой­ства и управляемость энергосистемы. Аналогичные трудности создаёт и множество активных потребителей, задействованных в программах управления спросом, которое из-за большого количества, разнотипности режимов работы и небольших мощностей практически не подлежит диспетчеризации со стороны энергосистемы. В связи с этим напрашивается закономерный вывод – рассматривать распределенную генерацию и систему управления спросом не как отдельные, не связанные процессы, а как взаимно дополняющие друг друга составляющие в рамках концепции «активного» потребителя.
Из этого следует, что полномасштабное развитие распределенной генерации должно тесно сочетаться с управлением спроса через технологии Smart Grid, обеспечивающие возможности их совместной интеграции в единую энергетическую систему. В связи с этим, приведённая на рис. 1 схема концепции электроэнергетики может быть представлена в уточнённом виде, как «(Системная генерация) – (Умная передача (Smart Grid)) – (Управление спросом + распределённая генерация)»
Таким образом, совместно рассматриваемые распределенная генерация и система управления спросом могут быть представлены в качестве некоей «виртуальной» электростанции [7]. Здесь система управления спросом носит условный статус «отрицательной генерации», т. е. «виртуальной» пиковой генерации, направленной на выравнивание графиков электрической нагрузки. С этой точки зрения «виртуальная» электростанция имеет схожие функции с агрегатором, дополненные наличием в своём составе не только «чистых» потребителей, способных изменять режимы электропотребления, но и потребителей, располагающих собственной генерацией.
Исходя из представленной концепции «виртуальной» электростанции рассмотрим, какое влияние может оказать управление спросом на развитие электроэнергетики, в частности, на выбор перспективной структуры системной генерации. Поскольку система включает в себя такие основные направления, как электросбережение и регулирование электропотребления [8], проведём анализ перспективного развития электроэнергетики с их участием.
Большая часть потенциала электросбережения приходится на промышленный сектор и сектор жилищно-­коммунального хозяйства (рис. 4). Различные отрасли располагают своим, индивидуальным, потенциалом электросбережения. К наиболее эффективным межотраслевым мероприятиям относится модернизация систем электроосвещения.
С точки зрения регулирования электропотребления интерес вызывают потребители, способные без значительных затрат оптимизировать график своего электропотребления в интересах энергосистемы. Среди них наиболее перспективны системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования с аккумулированием тепла или холода и электромобильный транспорт. Эти потребители имеют наибольшую степень технической готовности, то есть уже находятся в серийном производстве.

Так картина в области применения электропотребляющего климатического оборудования показывает, что от этой технологии обогрева отказаться практически невозможно, поэтому следует максимально повышать эффективность её использования. Наиболее рациональным выходом из сложившейся ситуации может стать стимулирование потребителей к применению аккумуляционных климатических установок, с помощью которых они могут снизить свои затраты на электроэнергию, а энергосистема – выровнять графики нагрузки.
Электромобили сегодня уже не являются экзотическим транспортным средством [9, 10]. Их применение улучшает экологическую обстановку, снижает уровень шума, а также позволяет высвободить значительное пространство, занимаемое автозаправочными станциями, топливными хранилищами и прочей сопутствующей традиционным видам транспорта инфраструктурой. При этом упускается из вида, что электроэнергия, необходимая для привода электромобилей, вырабатывается на обычных электростанциях, имеющих жесткие технические ограничения по режимам работы, топливу и располагаемой мощности. Поэтому возникает необходимость интегрировать электромобили и сопутствующую инфраструктуру в существующую структуру электропотребления.
ИСЭМ СО РАН разработал модель «СОЮЗ» [11, 12], позволяющую учесть в структуре генерирующих мощностей проводимые у потребителей мероприятия. При выполнении оптимизационных расчетов по выбору рациональной структуры электроэнергетической системы по типам электростанций и оборудования, мероприятия по управлению спросом рассматривались в качестве распределённой генерации. Это был один из способов покрытия электрической нагрузки, т. е. данные сопоставлялись с выработкой электроэнергии на электростанциях. Поскольку такие мероприятия напрямую влияют на величину электрической нагрузки, степень их эффективности можно определить с помощью изучения перспективной структуры генерирующих мощностей.
В качестве примера мероприятия по электросбережению была выбрана модернизация электроосвещения на предприятиях легкой промышленности, где доля световой нагрузки составляет примерно 15 % от суммарной мощности электропотребления.
Анализ произведенных расчетов показал, что в целом по России потенциал электросбережения за счет модернизации электроосвещения только в выбранной для исследования области достигает 4,5 млн кВт (табл. 1). Полученные с помощью модели результаты подтверждают высокую эффективность модернизации освещения, обеспечивающего при перспективном развитии ЕЭС:
– сокращение приведенных затрат на 46 миллиардов руб­лей;
– сокращение затрат на топливо на 14 миллиардов руб­лей;
– экономия капиталовложений до 193 миллиардов руб­лей;
– снижение расхода топлива на 3,73 млн т у. т. в год.
Эффективность регулирования электропотребления оценивалась на примере различных категорий потребителей. Помимо «конкуренции» с традиционными типами генерирующего оборудования, присутствовала и «конкуренция» внутри самих потребителей (табл. 2).


В целом альтернативный вариант развития ЕЭС России с учетом применения мероприятий по регулированию электропотребления, по отношению к базовому, на 491 тыс. т у. т. экономичнее по топливу, а также требует на 255 и 40 миллиардов руб­лей меньше капиталовложений и расчетных затрат соответственно. По результатам проведенных расчетов видно, что наиболее эффективными являются промышленные и сельскохозяйственные потребители. Оптимальные объемы их применения близки к располагаемому потенциалу.
В целом, по результатам проведённых исследований можно сделать следующие основные выводы:

  1. Современная концепция развития электроэнергетики предусматривает активное участие потребителей на всех стадиях технологического процесса производства, передачи и непосредственно потребления электроэнергии. Тем самым потребители уходят от позиции простого, «пассивного» потребления и приобретают «активный» статус, т. е. получают возможность активно изменять свою нагрузку и оказывать влияние на централизованную генерацию.
  2. Можно выделить две возможности повышения «активности» потребителей – через развитие собственной, распределённой, генерации и через реализацию мероприятий по управлению спросом на электрическую энергию.
  3. Мероприятия по управлению спросом не должны противопоставляться распределённой генерации, а рассматриваться совместно с нею, как взаимное, разумное и сбалансированное дополнение друг другу.
  4. Совместное управление мероприятиями по управлению спросом и распределённой генерации можно осуществлять с помощью «виртуальной» электростанции, где управление спросом может быть представлено в виде условной «отрицательной генерации» и рассматриваться наряду с традиционными генерирующими мощностями распределённой или централизованной генерации.
  5. В свою очередь, перспективное планирование развития электроэнергетических систем с учетом управления спросом, как одной из форм дополнения к распределённой генерации, позволяет:
    – сократить инвестиционные риски в развитие электроэнергетической отрасли;
    – достичь значительной экономии по топливу, капиталовложениям и эксплуатационным затратам за счет снижения вводов нового генерирующего оборудования.

Использованные источники

  1. Дзюба А.П. Комплексное управление спросом на энергоресурсы на промышленных предприятиях в регионе // Вестник ЮУрГУ. Серия «Экономика и менеджмент». 2019. Т. 13, № 3. С. 33–45.
  2. Волкова И.О., Шувалова Д.Г., Сальникова Е.А. Активный потребитель в интеллектуальной энергетической системе: возможности и перспективы // Академия энергетики. 2011. № 2. С. 50–57.
  3. Стенников В.А., Барахтенко Е.А., Соколов Д.В., Шелехова В.Б. Активное участие потребителя в управлении своим энергоснабжением // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. Т. 19, № 11–12. С. 88–100.
  4. Feng J. Evaluating Demand Response Impacts on Capacity Credit of Renewable Distributed Generation in Smart Distribution Systems / J. Feng, B. Zeng, D. Zhao, G. Wu, Z. Liu, J. Zang // IEEE Access. Volume: 6. – 2018. pp. 14307–14317. DOI: 10.1109/ACCESS. 2017. 2745198.
  5. Опадчий Ф., Холкин Д., Сидорович В. и др. Управление спросом в электроэнергетике России: открывающиеся возможности, М.: Energinet, 2019. 100 с.
  6. Куликов А.Л., Осокин В.Л., Папков Б.В. Проблемы и особенности распределённой электроэнергетики // Вестник НГИЭИ. 2019, № 11. С. 123–136.
  7. Волкова И.О., Кобец Б.Б. Роль распределённой генерации в реализации концепции Smart Grid // ЭКО. 2011, № 4. С. 87–94.
  8. Макаров А.А., Чупятов В.П. Энергоэфективность и энергосбережение в России // Журнал ЮНЕСКО «International Jornal of Global Energy Issues», vol. 16, 2000 г., № 1–3.
  9. Смирнов Е. Эра электромобилей ближе, чем кажется [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ibusiness.ru/blog/future/42808 – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 07.09.2017)
  10. Bottling Electricity: Storage as a Strategic Tool for Managing Variability and Capacity Concerns in the Modern Grid, EAC Report, December 2008.
  11. Труфанов В.В., Ханаев В.В. Математическое моделирование потребителей электроэнергии при оптимизации развития электроэнергетических систем // Электричество. 2008, № 9. С. 2–9.
  12. Voropai N.I., Efimov D.N., Khanaev V.V., “Demand side management and load control in Russia: Experience and perspective view for the next two decades”, IEEE PES 2010 GM, Minneapolis, USA, July, 25–29, 2010, 7p.