Promelectro_#5_2014

ЕЛЕКТРИЧНI МЕРЕЖI

Демонстраційний проект інтелектуальних мереж компанії Ameren Illinois, штат Іллінойс,

складається з двох проектів, сфокусованих на визначенні ефектів від “збереження від зниження напруги” двох розподільних систем всередині території, яку обслуговує компанія Ameren.

Починаючи з квітня 2012 року компанія Ameren провела тести, щоб визначити вплив такого показника як Conservation voltage reduction (CVR) — збереження зниження напруги — на високонавантажені схеми міських розподільних мереж, а також на поєднання міських/сільських розподільних мереж.

CVR — це показник оцінки зниження напруги на лініях живлення розподільних мереж для оцінки зниження попиту на електроенергію та номінальну потужність. Показано, що знижуючи напругу на лініях живлення на кілька відсотків, але утримуючи її у необхідному проміжку 114–126 В (± 5% від номінального значення), попит і потужність зменшуються, у той час як все ще подається напруга, яка відповідає нормам щодо її використання споживачем.

Аналіз результатів тестів показав, що різні можливості досяжні в різні інтервали часу. Цей аспект відображався результатами, вираженими у показнику Conservation Voltage Reduction Factor (CVRf) — факторі збереження зниженої напруги. CVRf — зниження на навантаженні у відсотках, отримане на 1% зниження напруги. Наприклад, якщо навантаження знизилася на 2% від зниження напруги на 3%, то CVRf визначається із відношення 2% / 3%, або 0,67. Отримані оціночні значення показника CVRf наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Оціночні значення показника CVRf

	Лінії живлення	Оціночні значення CVRf
		Літо	Осінь
	Міські	0,78	1,24
	Комбінація сільських
	та міських	0,97	0,44

Ключовою гіпотезою проекту є зменшення попиту та зростання обсягів енергозбереження, коли нормальна напруга зменшується на 2–4%.

Демонстраційний проект інтелектуальних мереж компанії American Electric Power оцінює розосереджені енергоресурси і технології та їх спроможність працювати сумісно, аналогічно фізичній електростанції. Ці ресурси включають в себе поєднання розосередженої генерації енергії, накопичувачі енергії та системи реагування на попит, які дають можливість задовольнити необхідний графік навантаження або зсунути його.

Оцінено потенційні наслідки при експлуатації поєднання технологій інтелектуальних мереж та ресурсів в конкретні інтервали часу. Проектна команда АЕР/EPRI розробила спосіб для визна-

чення та керування впливом паралельної роботи декількох технологій, включаючи електромобілі (EVs), локальний накопичувач енергії (CES) і фотоелектричні (PV) системи генерації.

В рамках дослідження проаналізовано інформацію з кожної технології, яку можна використо­ вувати для обґрунтування рішень з керування системою в цілому. Наприклад, якщо EVs і система CES активні в один і той же час, то виникає питання: які дані про конфігурації EVs і динамічні дані про роботу EVs будуть корисними при роботі з CES? Інші міркування були з приводу впливу однієї технології на іншу, наприклад, як одна технологія може покращити або розширити цінність іншої або який існує потенціал з комбінацій окремих технологій, щоб зменшити вигоду від застосування іншої технології.

Взаємодія між технологіями збереження зниженої напруги (CVR) з використанням вольтварової системи оптимізації (VVO) та зрізу пікових навантажень (використовуючи CES) була обрана для подальшого вивчення за допомогою чисельного моделювання. Застосування окремо CES не дозволило забезпечити проходження через період максимуму навантаження. Проте, коли її скомбінували з системою VVO, паралельна активація обох програм дозволила більш успішно здійснити проходження через період максимуму навантаження або досягти суттєво більший за величиною зріз пікового імпульсу навантаження, ніж той, який можна було досягти за допомогою кожної з технологій окремо.

Гіпотези тестування при дослідженні:

•  робота двох або більше елементів в одній системі, таких як CES, CVR, PV або EVs потребують зміни в алгоритмах системи диспетчеризації або керування;

•  технології можуть бути ідентифіковані, коли при конкурентній роботі має забезпечуватися максимальний ефект за рахунок сукупності індивідуальних технологій.

Проект інтеграції розосереджених джерел енергії FirstEnergy в центральному регіоні Джерсі операційної компанії Jersey Central Power & Light (JCP&L) передбачає підвищення операційності та надійності системи розподілу та бере участь у регіональних ринках резервної потужності. Проект включає інтегровану плат­ форму керування, яка отримує дані від моніто­ рингу пристроїв через двосторонню систему комунікації, дозволяючи візуалізувати статус системи розподілу.

Інструментальна платформа візуалізація (ICPV) розгорнута та використовується в регіоні операційної діяльності JCP&L. Платформа ICPV була розроблена спільно з компанією BPL Global, щоб забезпечити комплексну, всебічну обробку інформації, пов’язаної з роботою системи розподілу. В результаті система забезпечує прак-

№5 (89) 2014 жовтень • Промислова електроенергетика та електротехніка		21

ЕЛЕКТРИЧНI МЕРЕЖI

тично в реальному часі інформацією про стан системи розподілу, яка не була доступна раніше. Ретроспективна інформація також доступна для усунення неполадок і планування. Використано чотири типи пристроїв, за допомогою яких відоб­ ражаються дані через ICPV: пристрої прямого керування навантаженням, датчики розподіленої лінії, лічильники підстанцій та обладнання пікового накопичення для постійного зрізу пікового навантаження.

Після року розвитку, система була використана на постійній основі персоналом інженернодиспетчерського офісу. При цьому процес використання інформації наступний:

•  ICPV надає інформацію про баланс наван­ таження­ мережі, яка підтримує нормативну вимогу компанії для підтримки 15%-го фазного балансу;

•  лічильники фірми Satec не зберігають ніяких даних, тому інтегрування в ICPV створює інже­ нерно-плануючий ланцюг, пов’язаний у часі, та профілі підключення конденсаторів до навантаження. Ця інформація може бути використана для визначення інтервалу часу для перенесення навантаження таким чином, щоб технічне обслуговування трансформаторів могло бути виконано без мобільних підстанцій;

•  устаткування Grid Sentry може бути швидко і просто встановлено на лінійний провід штангою для роботи під напругою; це дозволяє їх швидко встановити для моніторингу умов у специфічних місцях розміщення для вирішення проблем мережі;

•  JCP&L, використовуючи ICPV, може швидко виявити і вирішити проблеми напруги. При повідомленні про функціонування за межами­

норми, інженери ICPV використовували в режимі on-line інструменти ICPV для аналізу доступних реальних і збережених даних.

Системи антиострівкування з автозаземленням для захисту розосередженої генерації компанії Hydro-Québec.

Компанія Hydro-Quebec тестувала альтернативні підходи для антиострівкувального захисту, визначено як автозаземлення, яке було запропоновано в контексті стандарту ІЕЕЕ 1547.8 — “Рекомендувальних практик робочої групи стандарту ІЕЕЕ 1547.8”. Передумовою до концепції автозаземлення стала потреба системи розосередженої генерації (РГ) у часі для виявлення острівкувальної ситуації. Це досягнуто за рахунок використання пасивного підходу аж до моменту перед замиканням розчеплювача підстанції.

Уцей момент автозаземлення моментально з’єднує безпосередньо допоміжну лінію, змушуючи будь-яку РГ, що залишилась, від’єднатися за допомогою захисту лінії.

Автозаземлення перенаправляє проблему антиострівкувального захисту на один або кілька одиниць РГ однієї та тієї ж допоміжної лінії.

Утабл. 2 підведено підсумок концепції автозаземлення, як і багатьох інших технологій тієї ж проблеми. Кожна з них відрізняється місцем установки, вимогами до устаткування та ціною. Таким чином автозаземлення надало необхідний баланс між ціною та технічної продуктивністю, воно було вибрано компанією Hydro-Québec для деталізованої оцінки.

Автоматизація залишається важливою складовою використання додатків Smart Grid. У визначений час енергія споживається при належній інтеграції контролера з системою SCADA.

Таблиця 2. Порівняння альтернатив антиострівкувальному захисту

	Технологія	Вимоги до обладнання	Місце	Відносна	Плюси і мінуси
			установки	вартість
	Захист, заснований	–  трансформатор напруги /	Біля РГ	Низька	–  низька вартість;
	на місцевих вимірах	трансформатор струму;			–  зони неспрацювання
		–  мікропроцесорне реле
	Телевідключення	–  телекомунікаційні канали	Підстанція	Дуже висока	–  захищений від невмілого
		зв’язку високої полосності;	та РГ		поводження;
		–  мікропроцесорне реле			–  висока ціна;
					–  канали зв’язку необхідні
					на кожному РГ
	Утримуюча	–  вторинні трансформатори	Підстанція	Висока	–  єдине місце установки;
	вторинна напруга	напруги;			–  розчіплювач розми­
		–  зміни в алгоритм			кається­	за наявності
		розчіплювача			напруги
	Автозаземлення	–  реле автоматичного	Перші дві	Середня	–  єдина точка установки;
		виключення;	опори після		–  низька вартість;
		–  вакуумні вимикачі	підстанції		–  не зарекомендував себе
					в області;
					–  потенційно відноситься
					несправність РГ.

22	Промислова електроенергетика та електротехніка • №5 (89) 2014 жовтень

		ЕЛЕКТРИЧНI МЕРЕЖI
Демонстраційний проект Hydro-Québec Smart	Регулятори та їх інтеграція з керуючим цент­
Grid фокусується на продуктивності і сумісності	ром були протестовані на тестовій ділянці роз-
Smart-система розподілу, що складається з ряду	поділу Hydro-Quebec з використанням центру
передових додатків розподілу додатків і пов’я­	керування лініями. Вони також були протестовані
заних з ними технологій.	в лабораторії автоматизації. Численні взаємодії
Вони включають в себе Advanced metering	між інженерами Hydro-Quebec і міжмережевим
infrastructure (AMI) — розширену інфраструкту-	постачальником були необхідні для усунення
ру вимірювання, зниження напруги збереження,	проблем­	із з’єднанням. Автоматизація залишає­
вольт-варове керування, реагування на попит,	ться вагомою складовою в системі інтелектуаль-
електромобілі, розосереджену генерацію та	них мереж. Багато часу та зусиль було витрачено
систему керування розподілом.	для правильної інтеграції контролера системою
Компанія Hydro-Québec здійснює випробу­	SCADA.
вання і сертифікацію устаткування для застосу-	Демонстраційний проект інтелектуальних
вання вольт-варового керування. Задачі проекту:	мереж компанії Public Service of New Mexico
оцінити точність станцій моніторингу напруги;	(PNM) розробляє і встановлює передову розпо-
оцінити роботу вакуумних вимикачів, використа-	ділену інфраструктуру керування та комунікації з
них у конденсаторних батареях; проаналізувати	метою оптимізації системних вигод відновлюва-
вплив якості енергії на перемикання конденса­	них ресурсів. Заходи включають в себе установку
тора; оцінити рівень автоматизації та якості	і тестування 500 кВт фотоелектричної системи з
з’єднання пристроїв.	накопичувачем енергії та аналізом можливостей
Висока точність (похибка менше 0,3%) може	керування попитом, заснованому на споживачі.
бути досягнута введенням станцій контролю	PNM досліджує використання накопичення
напруги. Дані станції контролю середньої напруги	енергії для зниження коливання напруги і керу-
використовують силові трансформатори високої	вання піковим попитом. Компанія розробила
точності (0,3%). Це відповідає необхідній точності,	систему, яка використовує енергією, що збері-
поки навантаження вторинного кола знаходиться	гається в батареях, щоб миттєво зменшити вплив
в робочих межах. Hydro-Québec також визначив,	коливання напруги за допомогою згладжування
що розумні рівні точності можуть бути досягнуті	графіка електрогенерації конденсаторною бата-
зі стандартними розподільними трансформато-	реєю і керування піковим попитом за рахунок
рами, так само як з інтегрованими сенсорами в	перемикання на конденсаторну батарею.
іншому розподільному устаткуванні. Крім того,	Як згладжування коливання напруги, так і зсув
тестування показало, що трансформатори сухого	графіка навантаження на батареї є критичними­
типу, використані у станціях контролю напруги,	для розосередженої енергосистеми з глибоким
мають вторинну користь у допомозі при визна-	впровадженням фотоелектричної (PV) генерації.
ченні місця несправності.	Згладжування енергії отриманої від PV, є важли­
Була оцінена робота шести конденсаторних	вим, оскільки швидкість лінійної зміни PV (швид-
батарей від трьох постачальників за допомогою	кість з якою змінюється кількість отриманої енер-
стандарту CSA-C60871-1-03 Канадської асоціації	гії) може бути дуже великою, змінюючись від мак-
стандартів. Цей стандарт деталізує процедури	симального значення до нуля за секунди. Це може
для наступних тестів: випробування електричної	спричинити коливання напруги на підключеному
міцності ізоляції, вимірювання ємності та вимі-	розподілювачеві електроенергії, яке досить вели-
рювання діелектричних втрат. Всі конденсаторні	ке, щоб мати змогу вплинути на робочу напругу
батареї з легкістю перевершили технічні умови.	споживача.
Результати показали, що конденсатори, розра-	Також важливо впевнитися, що є певний запас
ховані на 14,4 кВ (провід – земля), могли проти-	енергії для пікового навантаження. Це включає в
стояти напрузі в 23,3 кВ. Зміни в ємності були в	себе “стійкість” — здатність гарантувати постійну
межах 1% від заданих умов, а діелектричні втрати	кількість енергії для енергетичного ринку протя-
були меншими, ніж зазначено у технічному описі	гом певного проміжку часу, то “зріз пікового наван-­
постачальників.	таження” — здатність обмежити навантаження
Були обрані вакуумні вимикачі від двох поста-­	на даній підстанції.
чальників для електричних та механічних тестів і	Переривчаста PV, після генерації, може бути
здійснено визначення меж їх стійкості. Механічні	збережена на локальному рівні в енергетично-
тести були проведені ще при збірці та були затвер-	му накопичувачі з невеликою віддачею в мережу
джені персоналом та інженерами лінійної брига-	протягом денної генерації. Ця енергія в подаль­
ди. Електричні тести включали 5000 операцій на	шому може бути перерозподілена з заданим інтер-
кожному вимикачі, що набагато більше перед-	валом часу та обсягами (при наявності постійної
бачуваної кількісті в 1200 виключень. Вакуумні	складової енергії). Хоча цей специфічний про-
вимикачі виконали всі операції лише з невеликими	ект досить малий, так що постійно згенерована
погіршеннями їх діелектричних можливостей.	енергія може не мати прямий вплив на загальні

№5 (89) 2014 жовтень • Промислова електроенергетика та електротехніка		23

ЕЛЕКТРИЧНI МЕРЕЖI

обсяги енергії в PNM. Однак результати показують, що в більшому масштабі, або об’єднане з іншими ресурсами накопиченої електроенергії, енергетичний накопичувач здатний використовувати періодичну відновлювану генерацію електроенергії та створити надійний, гнучкий ресурс. Розробка алгоритму зсуву навантаження довела свою складність через необхідність передбачення відсоткової затіненості хмарами сонця на наступний день.

Salt River Project (SRP), як член Smart Grid Demonstration Initiative, розробляє Field Area Network Pilot (FANP) — Пілотну мережу промис-

лової ділянки. Ця спроба виведе компанію SRP на лідируючі позиції у сфері задоволення майбутніх потреб у бездротовому зв’язку заради прогресу розумних електронних пристроїв за межами підстанцій.

Двонаправлене вольт-варове керування надає великі обсяги корисної інформації порівняно з існуючою однонаправленою системою. Ця інформація включає напругу, стан зв’язку, температуру і стан конденсаторної батареї. Нова технологія має можливість підтримати розробку і виробниц­ тво сертифікованих серійних пристроїв і прото­ колів.

Технологія, яка базується на IP-протоколі, дозволяє простіше інтегруватися в існуючі мережі. Використання 3,65 ГГц спектрального діапазону для повного розгортання системи може бути ускладнена, оскільки багато провайдерів бездротового інтернету на даний момент не використовують цей спектр. Подальші дослідження направлені на пошук альтернативи для можливого розгортання системи.

Багато сучасних інтелектуальних електронних пристроїв мають порти для інтернету, роблячи інтеграцію в мережу IP ще простішою. Бездротова мережа широкого діапазону, що базується на протоколі IP, може об’єднати деякі унікальні рішення в сьогоднішній системі. Плани розгортання мережі промислової ділянки FAN дуже залежать від вимог майбутніх споживачів і термінів надходження нових користувачів.

В цілому, попередні результати змусили розробників повірити, що уніфікація бездротової інфраструктури, використовуючи широкодіапазонні рішення, є можливою і подальші дослідження визначать, чи будуть затрачені кошти та ціна виправданою. Остаточні тести пілотної версії проробляються, кінцеві результати досліджень очікуються в кінці 2014 р. Попередній тест кібернетичної безпеки був проведений EPRI з другою фазою тестів у 2013 р. EPRI також робить аналіз публічної версії приватної системи комунікацій, одночасно з аналізом витрат і вигод. Всі результати проекту, включаючи технологічний аналіз, публічну версію приватної експертизи та аналіз витрат і вигод, буде використаний для пропо-

нування напрямків і стратегій майбутньої сфери бездротових комунікацій.

Демонстраційний Проект інтелектуальних мереж районної комунальної служби Сакраменто “Інтелектуальне Сакраменто”

(The Sacramento Municipal Utility District) являє собою набір з 40 окремих проектів, спрямованих на покращення ефективності та відмовостійко­ сті мережі, забезпечуючи більш високу якість та надійність енергії, розширення прав і можливостей клієнтів, інтеграцію розосереджених енергоресурсів, що дозволяє сформувати необхідну реакцію на попит, створюючи платформу для без-­ печної взаємодії систем, а також зменшити екологічний вплив на район функціонування системи.

У 2011 р. було 265 учасників дослідження. Всі учасники отримали комунікаційний термостат, який повідомляв мешканців про майбутню подію і забезпечував автоматизацію відклику (відповіді) замовника або за допомогою утиліти.

Учасники випадковим шляхом були залучені до трьох різних інформаційних джерел:

•  стандартна платіжна інформація, у тому числі веб-портал “Інтелектуальне Сакраменто” MyEnergyOnline, яких доступний для всіх клієнтів. Тут графіки та гістограми показують споживання електроенергії побутовими приладами на інтервалах місяців, днів чи навіть годин;

•  інформація про енергоспоживання на рівні будинку була надана, з використанням сублічильника, встановленого на основній лінії електропостачання будинку;

•  інформація на рівні пристрою про систему вентиляції та кондиціонування, електричні водонагрівачі, електричні сушарки, басейні насоси та модулі навантаження, що вибрані споживачем, надається через термостат та комп’юторний портал. Ця інформація надається в доповнення до інформації про споживання на рівні дому.

Учасники могли вибрати стандартний тариф або тариф Summer Solutions. Стандартний тариф був призначений за умовчанням, двурівневий тариф з 10,45 за кВт на першому рівні та 18,59 на другому (коли використання перевищувало 700 кВт за платіжний цикл). Тариф Summer Solutions був експериментальним тарифом, який комбінував у собі рівні “Інтелектуального Сакраменто” з калькуляцією цін за корисний час використання та максимального навантаження. Цей тариф мав чотири різні ціни: 7,21 /кВт під час першого рівня споживання за межами піку, 14,11 /кВт під час другого рівня споживання за межами піку, 27 /кВт у будні з 4 до 7 год. вечора та 75 /кВт під час максимального навантаження, які мали місце з 4 до 7 год. вечора 12 разів на рік.

Проведено аналіз поведінки учасників дослід­ ження. Наприклад, з учасників, яким було запропоновано обидві технології регулювання тари-

24	Промислова електроенергетика та електротехніка • №5 (89) 2014 жовтень

ЕЛЕКТРИЧНI МЕРЕЖI

фу Summer Solutions та автоматичне керування температурою теростату в будинку (за додаткові 4$), 49% вибрали обидві технології, 25% вибрали лише можливість використання тарифу Summer Solutions та 13% вибрали лише технологію автоматичного керування температурою теростату та ще 13% не вибрали жодного варіанту.

Обидва варіанти інформації про енергоспоживання на рівні будинку та приладів в результаті дали більші заощадження пікової енергії. Інформація на рівні будинку покращила загальну економію енергії протягом дня. Споживачі, які користувались експериментальним тарифом та контролювали їх власну реакцію на пікове навантаження, продемонстрували 10% загальної економії, зменшили своє споживання на 33% під час непікових буднів та на 58% під час пікового навантаження. Результати споживачів, що використавували систему автоматичного керування температурою термостату були близькими.

ДемонстраційнийпроектSouthernCompany

по Розумним Мережам демонструє всеосяжну модель розумної мережі з вбудованими системами керування розподілом енергії, виробництва відновлюваної енергії, збереження енергії на рівні трансформації та підстанції, інтелектуального універсального трансформатора, операційних заходів покращеного розподілу енергії, системами реакції споживача на динамічне ціноутворення та нових комунікаційних програм. Ці системи інтегруються через чотири фірми роздрібної експлуа­ тації: Alabama Power, Georgia Power, Gulf Power та Mississippi Power.

Метою дослідження було вивчення згубних наслідків розподільних конденсаторів на шинах підстанції з силовими трансформаторами, що регулюються під навантаженням. Конденсатори забезпечують електричну мережу реактивною потужністю задля протидії індуктивній реактивній (відстаючій) потужності, яку потребує навантаження електродвигуна. Додаючи регульовані конденсатори та конденсатори постійної ємності до розподільної мережі, Southern Company здатна підтримувати функціонування розподільної мережі на ефективному рівні, надаючи реактивну потужність біля споживаючого обладнання, що знаходиться на кінці мережі.

Ретроспективні дані SCADA можуть бути використані для усунення дисбалансу напруги чи реактивної потужності. Крім того, вимірювання AMI для моніторингу функціонуючого стану допомагає більш швидко визначити проблеми конденсаторів.

Однак така методика має все ж свої недоліки. Необхідність у покращенні ефективності розподільної системи призвела до суттєвого зростання кількості необхідних конденсаторів з метою підтримання високого коефіцієнту потужності для всіх режимів навантаження.

Основні гіпотези, випробувані в даному проекті, є:

•  розосереджені конденсатори можуть викликати проблеми у рівнях напруги;

•  пошкодження конденсаторів може призвести до дисбалансу напруги, що призводить до негативних впливів на мережу кінцевих споживачів;

•  сезонні зміни завантаження підстанція потребують регулювання реактивної потужності.

У рамках дослідження проаналізовано низку проблем, які можуть виникнути при неправильному використанні конденсаторних батарей. На демонстраційному об’єкті (підстанції) було визначено, що регульовані 12,47 кВ шини не були збалансовані з високою напругою на двох фазах та низькою на третій. Після дослідження показників підстанції було визначено, що на першій фазі, фазі низької напруги, було менше компенсування реактивної потужності, ніж на другій та третій.

За результатами проекту зроблено висновки, що за продуктивністю конденсаторних батарей потрібно постійно спостерігати. Невеликі зміни у компенсації реактивної потужності можуть призвести до зниження ефективності, надійності мережі та якості енергії. Близький до реального часу моніторинг SCADA та оцінка даних SCADA за тривалий період часу можуть бути успішно використані для усунення несприятливих ефектів роботи конденсаторних батарей у режимах роботи, відмінних від нормальних.

Висновки

Наведені результати демонстраційних проектів EPRI у сфері Smart Grid підкреслює велику увагу, яка приділяється провідними міжнародними електроенергетичними організаціями до проблематики інтелектуалізації електроенергетичних систем та мереж, окреслює перспективні напрямки реалізації концепції Smart Grid в Україні.

Лiтература

1.Денисюк С.П. Технологічні орієнтири реалізації концепції Smart Grid в електроенергетичних системах // Енергетика: економіка, технології, екологія. — 2014. — № 1. — С. 5–19.

2.Интеллектуальные электроэнергетические системы: эле­ менты и режимы / Под общ. ред. А.В. Кириленка. — К.: ИЭД НАН Украины, 2014. — 408 с.

3.Стогній Б.С., Кириленко О.В., Денисюк С.П. Світовий досвід та перспективи побудови інтелектуальних енергетичних систем в Україні // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр. Спец. вип. — К.: ІЕД НАН України, 2013. — С. 5–18.

4.EPRI’s IntelliGridSM initiative. [Electronic resource] — Mode of access: http: // intelligrid.epri.com

5.European Technology Platform — Smartgrids, April 2010: “Stra­ tegic Deployment document for Europe’s Electricity Networks of the Future.

6.Grid 2030: A National Version for Electricity’s Second 100 Years

//Office of Electric Transmission and Distribution United State Department of Energy, July 2003.

№5 (89) 2014 жовтень • Промислова електроенергетика та електротехніка		25

Энергоменеджмент и контроль выполнения

энергосберегающих программ

Сегодня все больше организаций в качестве пути развития и повышения конкурентоспособности выбирают реализацию прог­- рамм по реконструкции, модернизации, техническому перевооружению и внедрению энергосберегающих программ и энергоэффективных

технологий.

Для их внедрения важно не только провести качественный энергоаудит, подготовить энергоанализ и разработать достаточно хорошую программу энергосбережения и повышения энергоэффективности.

Ключевая задача — заставить эту программу работать и приносить ощутимый экономический эффект. Для этого необходимо выстроить грамотную систему мониторинга, контроля и обработки данных, что является залогом успешного развития линии энергосбережения и повышения качества работы всех систем предприятия.

Методика контроля

Методика контроля закладывается еще на стадии разработки и внедрения энергосберегающих решений. Нужно четко понимать, были ли соблюдены критерии качества при проведении энергоанализа и разработке программы. Энергоаудит и программа повышения энергоэффективности, выполненные в соответствии с международными стандартами, должны в первую очередь покрывать места существенного использования энергии, то есть наиболее энергозатратные процессы, либо процессы с наибольшим потенциалом энергосбережения. Дальнейшая привязка мониторинга к местам существенного использования энергии закладывает фундамент системы контроля.

Первый этап формирования системы контроля — это разработка индикаторов энерготех­ нологической эффективности.

Второй этап — разработка и внедрение системы мониторинга этих индикаторов.

Третий шаг — внедрение процедур аналитики и формирования отчетности по энергоиспользованию на базе системы мониторинга. Потребителем сведений этой системы является­ энергоменеджер — лицо из высшего руководства организации, обладающее полномочиями принимать инвестиционные решения по внед­рению энергоэффективных проектов и мероприятий по энергоменеджменту.

Четвертый этап — анализ со стороны руководства: высшее руководство холдинга и компании на основе предоставленных отчетов и аналитики должно принимать стратегические и инвестиционные решения, корректирующие и предупреждающие решения.

Индикаторы

энерготехнологической

эффективности

Индикаторы энерготехнологической эффек­ тивности — наглядное отражение результатов внедрения энергосберегающих мероприятий и инструмент разработки решений по управлению энергией. Важно, чтобы на каждом уровне предприятия и компании были разработаны и внедрены свои индикаторы. Например, внутри крупного холдинга — свои индикаторы должны быть на уровне управляющей компании, уровнем ниже —

врегиональной компании или в бизнес-едини- це — свои индикаторы, на уровне непосредственно предприятия — иные, конкретизированные показатели. Эти индикаторы должны отвечать задачам управления каждого уровня.

Так, на уровне предприятия задача управления — это оптимизация энерготехнологической эффективности, то есть повышение эффективности производственно-технологических процессов, снижение потребления энергоресурсов по каким-то конкретным установкам, объектам. В качестве примера можно привести удельную норму расхода электрической энергии на тонну произведенной продукции или кубический метр перекаченной жидкости для насосной установки.

На уровне выше превалируют финансовые показатели, такие как снижение удельных норм расхода в целом по бизнес-единице или укруп­ ненно по каким-то предприятиям, снижение зат­ рат на энергию, снижение доли затрат на энергию

вструктуре себестоимости конечной продукции. Например, таким индикатором является удельный расход всех видов энергоресурсов на тонну переработанного сырья за какой-то период: за квартал, за год и т.д.

Эффективность работы информационной системы контроля в целом повышается, когда мы имеем информационную базу по индикаторам энерготехнологической эффективности за 2–3 года и можем проводить ретроспективный

26	Промислова електроенергетика та електротехніка • №5 (89) 2014 жовтень

анализ. Поэтому индикаторы не должны изменяться на среднесрочном горизонте, а также быть достаточно репрезентативными.

Систему индикаторов нужно разрабатывать не просто для того, чтобы она была задокументирована, — она должна реально использоваться. Для этого индикаторов не должно быть слишком много.

Рекомендуемое количество индикаторов на верхнем уровне — это 7 плюс-минус 2, не больше, на уровне бизнес-единицы — примерно столько же. Этого вполне достаточно для функций управления. Если спуститься на уровень ниже — необходимо не избыточное, но достаточно большое количество индикаторов для исследования и принятия управленческих решений. На уровне предприятия тоже должна быть выстроена иерархия контроля: свои обобщающие индикаторы контроля для главного инженера, более детализированные — для мастеров участков, начальников смен и т.д.

Как специалисты, мы рекомендуем разрабатывать системы индикаторов энерготехнологической эффективности с учетом индикаторов, принятых в международной и отраслевой практике.

Автоматизация

Для отслеживания всех изменений индикаторов, их трендов, нормативов использования необходимо внедрять программно-технические средства и создавать информационные системы энергоменеджмента. Что такое информационная система энергоменеджмента в привязке к индикаторам? Это уровень локальных приборов и автоматики с возможностью цифрового выхода для снятия данных и протоколы, которые могут быть использованы для получения данных этих локальных приборов автоматики и контроля для отслеживания параметров функционирования процессов. Это непосредственно каналы передачи данных, это сервера, в которых собираются данные по энерготехнологическим параметрам, а также автоматизированное рабочее место (АРМ) энергоменеджера, оснащенное аналитическим программным обеспечением.

Путем построения единой информационной системы энергоменеджмента, трудоемкая задача по сбору, обработке, агрегации, фильтрации, аналитике, моделированию, использованию всего огромного массива энерготехнологических данных снимается с плеч конкретных людей, также устраняется человеческий фактор — обработка данных и принятие решений осуществляется автоматизированно.

Информационная система

В организации информационной системы контроля и мониторинга энергосберегающих программ важно отметить два момента, тесно связанных между собой: это, так называемые, алармы и нормирование.

Алармы, или инструменты сигнализации — это уведомление энергоменеджера о превышении норматива по конкретной установке. Эти методы позволяют на базе накопленной статис­ тики по потреблению различных видов ресурсов, по техническим параметрам в разрезе конкретных установок и оборудования установить нормативы энергоиспользования по этим объектам и процессам, технологиям.

Можно на базе системы установить норматив потребления, привязать к нему аларм и конт­ ролировать даже малейшие отклонения от норматива в режиме реального времени, а не постфактум. Кроме того, эти нормативы можно менять в зависимости от показателей производства и принимаемых нормативов.

Информационные системы энергоменедж­ мента хорошо интегрируются, расширяются и масштабируются. Кроме того, эти системы хорошо интегрируются с системами АСУ ТП и со SCADA-системами (системами диспетчерского управления и сбора данных), системами класса ERP, EAM-системами и MES-системами. В принципе, данные и аналитику в эту информационную систему можно подтягивать из других систем и наоборот. Это удобно в холдинговых структурах. То есть можно создать комплексную систему, которая де-факто будет отображать эффективность всех процессов, предприятий и т.д.

Финальный этап контроля — создание инст­ рументов для аналитики, задокументированной отчетности и выработка рекомендаций, понятных руководству.

Окупаемость

По сравнению с внедрением инвестиционных проектов и технических решений информационная система контроля требует гораздо меньших инвестиций. Более того, если компания реализует концепцию развития системы технического учета, то инвестиции в развертывание системы контроля гораздо меньше: для того, чтобы выйти на индикаторы энергоэффективности, нужно поставить минимальное количество приборов контроля и учета. Как правило, у предприятия уже есть свои приборы, контролирующие расход энергии, и они легко интегрируются в эту систему.

№5 (89) 2014 жовтень • Промислова електроенергетика та електротехніка		27

СВІТЛОТЕХНІКА

В.М. Сорокин, проф., д.т.н.

Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев

УДК 628.94(045)

СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ. РЕШЕНИЯ. ПЕРСПЕКТИВЫ

Розглянуто проблеми створення високоефективних світлодіодних систем освітлення. Приділено увагу питанням підвищення ефективності освітлювальних систем Продемонстровані методи і засоби діагностики освітлювальних приладів. Наведено результати виконання завдань Державної програми по світлодіодному освітленню.

Ключові слова: світлодіод, освітлення, світловіддача, діагностика, державна програма.

СВІТЛОДІОДНЕ ОСВІТЛЕННЯ. ПРОБЛЕМИ. ВИРІШЕННЯ. ПЕРСПЕКТИВИ. Рассмотрены проблемы создания высокоэффективных светодиодных систем освещения. Уделено внимание вопросам повышения эффективности осветительных систем. Продемонстрированы методы и средства диагностики осветительных приборов. Приведены результаты выполнения заданий Государственной программы по светодиодному освещению.

Ключевые слова: светодиод, освещениие, светоотдача, диагностика, государственная программа.

LED lighting. Problems. Solutions. Perspectives. The problems of creation of high-performance LED lighting systems are discussed. Attention is paid to increasing the efficiency of lighting systems. Methods and diagnostic tools for characterisation of LED lighting systems are demonstrated. The results of the implementation tasks of the State program on LED lighting are discussed.

Key words: LED, Lighting, luminous efficiency, diagnostic, State program on LED lighting.

Менее трех лет прошло со дня опубликования статьи “Внедрение светодиодных осветительных систем в масштабах национальной экономики Украины” [1], в которой были рассмотрены основные проблемы светодиодного освещения и пути их решения. Сегодня, на основе результатов выполнения задач Государственной целевой научно-технической программы “Разра­ ­- ботка и внедрение энергосберегающих светодиодных источников света и осветительных систем на их основе” за период 2009–2013 годов, можно продемонстрировать не только результаты инновационных разработок Национальной академии наук Украины совместно с ведущими предприятиями в области светотехники, но и показать масштабное внедрение широкого класса свето-

диодных осветительных приборов.

В данной статье сделана попытка система­ тизировать не только основные результаты внед­ рения светодиодной осветительной техники, но и показать проблемы, которые еще не до конца решены, пути их решения и перспективы развития светодиодной отрасли на ближайшее десятилетие.

Эффективность осветительного устройства и качество световой среды

Экономия электроэнергии является одним из высших приоритетов энергетической политики Украины, поскольку сокращение энергопотребления за счет экономии энергии эквивалентно сокращению импорта топливных ресурсов и повышению конкурентоспособности украинской про-

28	Промислова електроенергетика та електротехніка • №5 (89) 2014 жовтень

СВIТЛОТЕХНIКА

мышленности. Огромный экономический эффект от повышения энергоэффективности систем освещения приводит не только к уменьшению затрат на электроэнергию, но и тесно связан с резким уменьшением расходов на импортируемое топливо для ее генерации.

В Украине ежегодно потребляется около 150 млрд. кВт·ч электроэнергии. В индустриальных странах доля электроэнергии, затрачиваемой на освещение, колеблется в диапазоне от 5 до 15%. Для Украины эта величина составляет 15–20%. Даже если принять эту величину за 15%, то годовое потребление составит 22,5 млрд. кВт·ч. Потребление электроэнергии осветительными устройствами в Украине крайне неэффективно. Еще недостаточно используются энергоэконо­ мичные источники света. Из-за отсутствия государственной политики в области освещения происходит наполнение отечественного рынка энергозатратной продукцией. Основными причинами такого положения являются:

•  недооценка роли энергоэффективного освещения на государственном уровне, руководителями предприятий и организаций, а также населением в целом;

•  отсутствие нормативно-правовых документов, стимулирующих собственное производство и внедрение энергоэффективных осветительных устройств;

•  торможение владельцами энергогенерирующих компаний мероприятий и программ по энергосбережению.

Очевидно, что главным источником экономии электроэнергии в освещении на ближайшее время должна стать замена ламп накаливания и неэффективных систем освещения на более энергоэкономичные. Учитывая ожидаемые проб­ лемы с поставками ядерного топлива на АЭС, рост цен на газ и уголь, проблема энергоэффективности в освещении становится еще более острой и актуальной.

Сегодня по енергоэффективности светоди­ одным осветительным системам нет равных. Физический предел светоотдачи ламп накали­ вания составляет 10–15 лм/Вт, компактных люми-­ несцентных ламп — 70–80 лм/Вт, безэлектрод­ ных индукционных ламп — 80–100 лм/Вт. Энер­ гетическая эффективность промышленно выпус­- каемых белых светодиодов с различной коррелированной цветовой температурой составляет 120–150 лм/Вт. При этом, ежегодно этот параметр растет на 10–15%. Уже сегодня существуют экспериментальные образцы белых светодиодов со светоотдачей 265 лм/Вт, а по оценкам ученых физический предел для этого параметра составляет 300 лм/Вт.

Однако, эффективность осветительного уст­ ройства зависит не только от энергоэффектив-

ности, а также от стоимости его обслуживания, срока службы, устойчивости к климатическим воздействиям, затрат на подведение электро­ энергии. При этом не следует исключать из внимания понятие качества световой среды, которое определяется комфортностью для зрения, индексом цветопередачи (определяет возможность различимости всех цветов в спектре), безопасностью для здоровья, влиянием на зрение, эргономическими характеристиками осветительного устройства в целом. Иногда увеличение светоотдачи приводит к ухудшению качества света.

Так, например, наибольшая светоотдача дос-­ тигнута для белых светодиодов с цветовой температурой в диапазоне 5000–6700 К. При этом для таких светодиодов обычно индекс цветопередачи ниже, чем для цветовой температуры 3000 К. Более того, как видно из номограммы Крюитгофа (рис. 1), для комфортного зрения при замене системы освещения на основе ламп накаливания, обеспечивающих освещенность 100 лк, на светодиодное осветительное устройство с цветовой температурой 5000 К, необходимо обеспечить освещенность в 500 лк [2]. А это означает, что выиграв в светоотдаче в 10 раз, мы получаем выигрыш в экономии электроэнергии всего в 2 раза для обеспечения высокого качества световой среды (комфортного зрения).

Рис.1. Номограмма Крюитгофа

От освещенности зависит здоровье, сопротивляемость стрессам, усталости, физическим

иумственным нагрузкам. Наше зрение напрямую зависит от количества света в помещении. Поэтому следует очень четко соблюдать требования по нормам, ведь от этого зависит экологическая обстановка в нежилых зданиях и физическое

ипсихологическое здоровье работающих или пребывающих в них с другими целями людей.

№5 (89) 2014 жовтень • Промислова електроенергетика та електротехніка		29

СВIТЛОТЕХНIКА

Влиянием излучения светодиодных источников света различного спектрального состава на физиологические функции основных систем организма — зрительные, нервные, сердечнососудистые, активно занимаются в медицинских учреждениях мира. До настоящего времени вреда светодиодного освещения не обнаружено. Однако необходимо особо отметить воздействие белого света различного спектрального состава на зрение и циркадные ритмы человека.

Известно, что световое воздействие на человека ночью способно прерывать процесс синтеза мелатонина, который играет важнейшую роль в установке биологического ритма жизни. Показано [3, 4], что наиболее ощутимый терапевтический эффект может иметь синий свет (длина волня около 460 нм), и следовательно — для регулирования циркадных ритмов следует использовать искусственное освещение с усилением интенсивности в синей области спектра. Таким спектром обладают белые светодиоды с цветовой температурой, большей 5000К (рис. 2).

Рис. 2. Спектральные характеристики светодиодов с различной коррелированной цветовой температурой

Излучающий элемент (светодиод) — основа осветительного устройства

Современными путями повышения эффективности светодиодов являются сложные технологии наноструктурирования — наноформовка сапфировых подложек, технология фотонных кристаллов, эпитаксиальное боковое приращи­ вание, наноимпринтная литография и др. Рассмат­- ривая возможности снижения цены светодиодов за счет совершенствования технологии создания гетероэпитаксиальных структур, нельзя не отметить тенденции современных технологий к увеличению площади подложек для эпитаксии. Именно переход от 2-дюймовых подложек к 6- и даже 8-дюймовым пластинам позволяет снизить себестоимость одного светодиода, повысить идентичность электрических и электрооптических характеристик светодиодов с одной плас­ тины, увеличить процент выхода годных и, как следствие существенно снизить цену условной единицы светового потока.

Поскольку энергетическая эффективность белого светодиода (работающего на принципе преобразования излучения синего светодиода

в белое излучение люминофора) существенно зависит от конструкции люминофорной зоны, качества люминофора и оптической системы для вывода излучения, то решение задачи преобразования излучения и вывода его в окружающее пространство приобретает огромное значение. При этом для успешного решения этой задачи необходимо также решить проблемы совершенствования гетероэпитаксиальных структур, повышения квантового выхода излучения, повышения эффективности люминофоров, оптимизация тепловых сопротивлений и др.

Создание в Украине собственного производства мощных светодиодов для осветительной техники является непосильной задачей (стоимость завода по выращиванию гетероэпитаксиальных структур составляет несколько сотен миллионов долларов). По этой причине украинские производители светотехники используют светодиоды известных мировых компаний (США, Японии, Кореи, Европы).

В процессе выполнения заданий светодиодной программы в Украине создано производство светодиодных модулей на основе СОВ-техноло- гии сборки излучающих кристаллов (технология поверхностного монтажа). Исходным материалом для этой технологии являются полупроводниковые излучающие кристаллы (площадью около 1 мм2) с нанесенными контактами, созданные известными компаниями-производителями (длина волны изучения кристаллов лежит в диапазоне 460 нм, голубое свечение). Кристаллы с помощью специальных автоматов наносятся на теплопроводящую подложку на определенном расстоянии друг от друга, соединяются тонкими проводниками, заливаются тонким слоем люминофора и герметизируются. Полученный таким образом светодиодный модуль мощностью от 4 Вт до 50 Вт может быть эффективно использован в различных светотехнических устройствах (рис. 3). При этом светоотдача таких модулей уже сегодня составляет 120–150 лм/Вт [6, 7].

Рис. 3. Светодиодные модули украинского производства, а также лампа 5 Вт и прожектор 100 Вт на их основе

30	Промислова електроенергетика та електротехніка • №5 (89) 2014 жовтень