Обеспечение бесперебойного электроснабжения
Вольфганг Крёгер
Из всех важнейших видов инфраструктуры, от которых зависит наше общество сегодня, система передачи электроэнергии, несомненно, является самой жизненно важной. Без надежного энергоснабжения не может функционировать ни промышленность, ни связь, ни транспорт.
Европейская сеть высоковольтных линий электропередачи охватывает пять синхронных зон, управляется 41 системным оператором передающей сети (СО) в 34 странах и обслуживает 534 млн граждан. Функционирование столь высоко интегрированной многокомпонентной системы носит сложный, переменчивый характер и подвержено воздействию местных и пространственно разбросанных факторов. Гарантировать нормальное функционирование сети энергопередачи непросто и при оптимальных условиях. Происходящие сегодня серьезные политические и организационные изменения в энергетической области, а именно целенаправленное увеличение доли возобновляемых источников энергии в энергобалансе и меры по разукрупнению компаний на конкурентном энергорынке, порождают новые вызовы.
Во-первых, интегрирование энергоснабжения от ветровых энергоустановок и солнечных генераторов, работающих попеременно, зачастую вдалеке от мест энергопотребления и в часы непиковой нагрузки, требует как массированной передачи электроэнергии, так и стратегии снижения пиковых нагрузок.
Во-вторых, координацию действий затрудняет заключение краткосрочных торговых сделок, связанных с использованием оперативной информации во временнóм режиме, близком к реальному, и приводящих к росту объемов трансграничной передачи энергии. В прошлом одно предприятие, владевшее и управлявшее всей цепочкой энергоснабжения, как правило, обладало абсолютным правом на поставку электроэнергии потребителям. Сегодня же, в эпоху свободного доступа и дробления монополий, каждый из составляющих систему хозяйствующих субъектов следует собственным правилам и процедурам, при том что безопасность энергопоставок как общественное благо должна обеспечиваться соответствующей государственной организацией.
Принятый в континентальной Европе всеобъемлющий свод оперативных принципов, технических стандартов и рекомендаций помогает СО управлять своими сетями и обеспечивать их функциональную совместимость. Вмешательство в действие рыночных сил запрещено за исключением случаев, когда речь идет о безопасности.
Аварии случаются
Независимо от того, насколько тщательно рассчитывается и контролируется сетевая нагрузка, ответственный подход к управлению риском основывается на исходной посылке о том, что аварии все равно будут происходить. Инцидент, произошедший 4 ноября 2006 года, когда западноевропейская система энергопередачи оказалась разделена на три части и обширные территории на континенте погрузились в темноту, является наглядной иллюстрацией комплексного взаимодействия различных факторов, – контекстуального, технического, человеческого и организационного – которые в своей совокупности могут поставить систему энергопередачи под угрозу. Причиной аварии стало отключение двух высоковольтных ЛЭП, проходящих над р. Эмс на севере Германии, с целью дать возможность построенному на верфи в глуби территории страны круизному лайнеру "Норвиджин Перл" пройти под ними к морю, чтобы совершить свое первое плавание. Об этом мероприятии было объявлено заблаговременно, за несколько месяцев до этого; были произведены соответствующие расчеты и приняты необходимые технические меры. Однако всего за несколько дней до запланированного отключения ЛЭП верфь попросила перенести время прохода судна с одного часа утра на поздний вечер предыдущего дня. Системные операторы-смежники не были об этом должным образом проинформированы, и прогноз насчет уменьшения пропускной способности электросети не был соответственно скорректирован. В любом случае сетевые мощности на более ранее время были уже проданы, поэтому с юридической точки зрения изменить что‑либо было невозможно, если только речь не шла о форс-мажорных обстоятельствах.
Свое слово сказала стихия: когда в 21:39 вышеупомянутые ЛЭП были отключены, на севере Германии дули сильные ветры, и возросший объем генерируемой энергии вызвал повышенную нагрузку на ЛЭП, ведущие в Нидерланды. Само по себе это не привело бы к каким‑либо катастрофическим последствиям. Нагрузка была перераспределена между остальными линиями, в частности между трансформаторными подстанциями Ландесберген и Верендорф, находящимися к юго-западу и, соответственно, юго-востоку от ЛЭП над р. Эмс. Однако управление этими подстанциями осуществлялось разными СО, и между ними возникло недоразумение. Будучи не в курсе принятых друг другом разных мер предосторожности и технических параметров, заданных оператором на другом конце ЛЭП, они произвели ошибочные расчеты нагрузки при потокораспределении. Дежурная смена на подстанции Ландесберген приняла решение в экстренном порядке спарить две шины (устройства сбора и распределения электрического тока) что, как она надеялась, приведет снижению нагрузки в сети. Однако эффект оказался прямо противоположным.
Сопряжение двух распределительных устройств было осуществлено в 22:10:11. Сразу же последовало аварийное отключение линии на подстанции Верендорф. В следующие менее чем 18 секунд – а если точнее, то в 22:10:28,7 – произошло автоматическое веерное размыкание линий, в результате чего европейская система энергопередачи оказалась разделена на три изолированные части: две зоны с пониженной частотой тока на западе и юге и одна зона с повышенной частотой на северо-востоке. В то время как на северо-востоке частоту удалось понизить до нормального уровня посредством отключения генерирующих мощностей, на западе и юге произошло вынужденное автоматическое сбрасывание нагрузки. Потребители были отключены от сети на протяжении примерно получаса. Потребовалось несколько часов для того, чтобы восстановить синхронизацию всей энергосети.
Превентивные меры и смягчение последствий
Для того чтобы гарантировать нормальное функционирование электросетей, следует принимать меры предосторожности, позволяющие избежать веерных отключений, резких скачков напряжения или частоты тока и потери синхронности в работе энергосистемы. Классический подход к предупреждению внезапных сбоев основывается на так называемом принципе "N‑1". Согласно этому принципу в случае внезапного выхода из строя какого‑то одного элемента единой энергосети, например, обрыва линии электропередачи, остальные продолжающие функционировать элементы должны быть способны справиться с перепадом в энергопотоке и не допустить веерного отключения или значительных потерь в энергопотреблении. Техника безопасности по принципу "N‑1" требует постоянного мониторинга сетевыми операторами их передающей системы и отдельных частей смежных систем энергопередачи; в случае сбоя каждый СО должен максимально быстро – как правило, в течение 20–30 минут – обеспечить восстановление эксплуатационных параметров, соответствующих критерию "N‑1".
Правила техники безопасности по критерию "N‑1" предусматривают составление точных перечней возможных нештатных ситуаций, которые необходимо предвидеть. Потенциальные угрозы могут касаться как какого‑то одного критически важного компонента системы, так и нескольких из них, будь то напрямую или опосредованно (в результате сбоя в работе какой‑то другой системы); фактор риска может быть внешним или внутренним. Для оценки степени серьезности нештатных ситуаций и определения узких мест и критически важных элементов системы СО используют практические исследования, статистические данные и типичные случаи аварийного прекращения энергоснабжения. Все эти методы основаны главным образом на эмпирическом опыте, однако они, возможно, не позволяют предсказывать развитие ситуации.
Нет сомнений в том, что тщательное соблюдение требований безопасности по критерию "N‑1" – лучший способ обеспечения эффективного функционирования наших энергопередающих систем. Тем не менее, передовые методики комплексного анализа, а также неожиданно возникавшие в прошлом ситуации учат нас тому, что существует огромное множество не имевших прецедента сценариев, включая комплексное наложение друг на друга нескольких сбоев, для преодоления последствий которых одной этой методики недостаточно. Понять поведение электроэнергетической системы, которая зачастую является частью целого комплекса взаимозависимых систем, крайне сложно; не существует какого‑то одного универсального подхода, который учитывал бы все эти тесно переплетенные аспекты проблемы. Имеется и широко применяется ряд передовых, основанных на знаниях и математическом моделировании методик, – например, моделирование межсистемной оперативной совместимости, теория сложных сетей и моделирование комплексного взаимодействия субъектов – у каждой из которых есть свои слабые и сильные стороны.
Опасные природные явления: фундаментальный сдвиг в направлении устойчивости к их воздействию
Из примерно 20 крупных аварий энергосистем, произошедших в мире за последние 15 лет, четыре были обусловлены плохими погодными условиями, и одна – землетрясением/цунами. Это свидетельствует о важности учета опасных природных явлений при управлении рисками, которым подвергаются электроэнергетические системы. Все эти аварии различаются по объему энергопотерь (самый экстремальный случай – потеря 60 ГВт электроэнергии в районе Великих Озер и г. Нью‑Йорк в США в 2003 году), количеству затронутых аварией людей (620 млн в Индии в 2012 году) и по продолжительности (от нескольких часов до двух недель, как это было в период прохождения циклона "Лотар" через Европу в 1999 году).
Вследствие их размеров системы передачи электроэнергии подвержены воздействию большого числа разнообразных опасных природных явлений. Большинство из них носит комплексный характер, связанный с возможностью возникновения цепной реакции природных событий. Например, землетрясение в море может вызвать цунами, которое приведет к наводнению и оползням. Связанные с опасными природными явлениями экономические убытки и страховые издержки высоки и, скорее всего, будут и далее увеличиваться вследствие нарастания экстремальных погодных явлений, обусловленных изменением климата.
Большинство опасных природных явлений в силу своего происхождения носят масштабный характер. Хотя некоторые из самых критически важных элементов систем энергопередачи можно определить и принять меры по их защите, трудно оградить энергопередающие системы от воздействия стихии. Поэтому некоторые предлагают принципиально изменить сам подход, сместив акцент с превентивных мер на меры по обеспечению устойчивости к внешнему воздействию с упором на адаптацию к стихийным бедствиям и преодоление их последствий вместо попыток их избежать.
Надежные единые энергосети жизненно важны как для отдельных государств, так и для целых регионов. Локальные сбои могут разрастаться до глобального масштаба. Поэтому первостепенное значение имеет работа, направленная на обеспечение осознания государствами рисков, связанных с возможными авариями, особенно в результате стихийных бедствий, обмен знаниями и содействие диалогу. В этом отношении ключевую роль призваны играть такие организации, как ОБСЕ.
Вольфганг Крёгер является почетным профессором техники безопасности в Швейцарской высшей технической школе (г. Цюрих) и бывшим исполнительным директором Центра по управлению рисками этой школы.