Системы интеллектуального управления энергопотреблением

Сегодня на розничном рынке электроэнергии помимо товара «энергия» фигурирует такое понятие, как «договорная (заявленная) мощность». Гарантированное наличие оплаченного резерва данного ресурса сводит к минимуму вероятность значительного подъёма затрат в период максимальных нагрузок. А также снижает риск перерывов в электроснабжении, вызванных отключением электроустановки вследствие перегрузки. Но нередки ситуации, когда после расширения предприятия, открытия нового офиса или реконструкции каких-либо помещений, нагрузки на электрическую сеть увеличиваются, но выделенная уставная мощность при этом не меняется. В результате, в период пиковых режимов работы действительная нагрузка может превышать допустимую контрактом величину. При этом, в зависимости от условий контракта, на потребителя накладываются штрафные санкции, в некоторых случаях достигающие четырёхкратного размера от установленного тарифа.

Выхода в данной ситуации два. Первый – заключать новый контракт со сбытовой организацией, где будет заявлена новая установленная мощность и, соответственно, новая стоимость. Второй вариант – внедрение систем интеллектуального управления нагрузкой. Именно о нём, как наиболее прогрессивном и экономически выгодном способе контроля потребляемой мощности, и пойдёт речь в данной статье.

Врезка

На розничном рынке электроэнергии структура  платежей за энергопотребление для предприятий и коммерческих организаций, устанавливаемая сбытовыми компаниями, может состоять из следующих элементов:

 Плата за максимальную мощность, то есть наибольшую величину в кВт, зарегистрированной в течение месяца или иного расчётного периода;

 Плата за электроэнергию, потреблённую в течение расчётного периода. Сейчас некоторые сбытовые компании стали взимать плату за полную энергию (кВАч), векторную сумму активной (кВт•ч) и реактивной (кВАр•ч) энергии;

 Надбавки по коэффициенту мощности или платежи, которые относятся к потреблению реактивной мощности (взимаются не всеми ресурсоснабжающими организациями);

 Топливный сбор – предъявляется к оплате поверх базового тарифа в качестве компенсации роста цен на горючее;

 Аренда приборов учёта;

 Почасовые платежи, например, повышенная плата за потребление энергии в пиковые часы;

 Штраф за превышение договорного потребления;

 Специальные тарифы для измерений на стороне низкого напряжения.

Тарификация электроэнергии // Плата за мощность
Для регистрации показаний по двухставочному тарифу сбытовые компании используют электромагнитные или электронные приборы почасового учёта энергопотребления, которые фиксируют:

• максимальное потребление (кВА или кВт);
 
• активную и реактивную энергию в кВт•ч в расчётный период.

В течение всего расчётного периода интеллектуальный прибор учёта регистрирует максимальное потребление. Оно определяется не как мгновенное значение мощности, а как средняя величина, зарегистрированная в каждый из установленных временных интервалов, на которые поделён весь расчётный период (в качестве примера, на рис.1 показан график для четырёх временных отрезков).

Допустим, на промышленном предприятии суммарная потреблённая мощность за период регистрации (30 минут) колеблется следующим образом:

2500 кВА за 4 минуты;
3600 кВА за 12 минут;
4100 кВА за 6 минут;
3800 кВА за 8 минут.

Таким образом, максимальное потребление за один интервал определяется путём деления суммарного объёма потреблённой за определённый период времени энергии на время этого периода:
 
При этом в счетах фигурирует наивысший уровень потребления из всех зафиксированных в течение месяца, даже если данный показатель присутствовал в течение всего одного цикла записи счётчика.

Предприятие или коммерческая организация имеет возможность существенно сэкономить, позаботившись об исключении длительных периодов потребления высокой мощности. Специально для этого разработаны системы комплексного управления нагрузками.

Управление энергопотреблением

В любом здании в любой момент может произойти максимум потребления мощности. В таких условиях укладываться в установленные сбытовой компанией рамки довольно тяжело. Поэтому и необходима интеллектуальная система, которая объединит все нагрузки в здании в единый управляемый комплекс, что упорядочит потребление электрической энергии и исключит бесконтрольный режим работы всех пользователей.
В целом, идея регулирования подключённой к электрической сети нагрузки не нова. Первое поколение подобных систем основано на интеграции в единое информационное пространство всех источников энергии и её потребителей. При этом каждое устройство, входящее в состав сети контроля, снабжается компонентами управления, работа которых регулируется специализированным программным обеспечением. Чем сложнее электрическая система, тем больше потребуется элементов управления, что выльется в необходимость капиталовложений и трудозатрат в проектирование и реализацию описанного технического решения.
 
Сегодня на рынке есть устройства, которые по своему принципу действия относятся к более современному поколению систем управления нагрузкой. «Можно разделить всех потребителей на группы по степени важности, и управлять каждой из них в отдельности, опираясь на список приоритетов, составленный пользователем, –  поясняет Денис Нечаев, руководитель группы «Силовые автоматические выключатели» компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для энергетики и автоматизации. – На подобном принципе основан запатентованный алгоритм функции Ekip Power Controller, которая реализована инженерами нашей компании в новых воздушных автоматических выключателях Emax 2. Защитный аппарат сам   рассчитывает электропотребление, и в случае превышения установленной величины, возвращает нагрузку в допустимые пределы, отключая неприоритетные  группы потребителей».
Приближенно рассчитаем, сколько средств можно сэкономить, если внедрить интеллектуальную систему управления энергопотреблением в деловом центре.

Установленная мощность здания – 1,5 МВт. Энергопотребление выходит за установленные рамки на 15% на 2 ч в день 20 раз в год. При расчёте учтём общее снижение энергопотребления за счёт управления нагрузками, а также возможные штрафные санкции за превышенние договорной максимальной мощности (в примере штраф=4*ставка по тарифу):

Тариф  = 2900   = 2,9
Штраф = 2,9  х 4=11,6
Экономия в день = (1500кВт х 0,15) х 2ч х 11,6   = 5220 руб.

Экономия в год = 5220 руб. х 20 дней = 104400 руб.
Примерами контролируемых нагрузок в современном бизнес-центре с развитой инфраструктурой могут быть:

• Обогрев пандусов: 150 кВт;

• Система антиобморожения крыши: 200 кВт;

• Общеобменная вентиляция: 70 кВт;

• Воздушно-тепловые завесы: 30 кВт;

• Термонасосы циркуляции воды в бассейне фитнесс-центра: 15 кВт;

• Вентиляция неответственных помещений: 150 кВт;

• Система увлажнения воздуха: 20 кВт;

• Система вентиляции и кондиционирования каждого этажа: 40 кВт/этаж.

Для организации рассмотренной системы управления достаточно установить один автоматический выключатель с указанной функцией в качестве вводного в главном распределительном щите. Аппарат будет действовать в соответствии с заданными для алгоритма функции Ekip Power Controller настройками: проводить расчёт потребляемой установкой электроэнергии и решать, когда и какую нагрузку необходимо отключать. Такой автоматический выключатель сможет осуществлять интеллектуальное  управление 15-ю отходящими неприоритетными линиями.

В процессе работы, центральный блок Ekip Power Controller, так же, как и приборы учёта, которые устанавливаются сбытовой компанией, анализирует общее среднее потребление за заданный в настройках период времени. Стоит отметить, что алгоритм различает случайные пики мощности и длительное подключение новых потребителей.

В первом случае отключение нагрузки не происходит.
Во втором – отключатся нагрузки, для которых на этапе настройки был установлен низкий приоритет. Пользователь может выставить приоритеты управления 15-ти нагрузкам. Если в системе есть несколько линий с одинаковой степенью важности, отключена будет та, что работает дольше всего. Помимо важности нагрузки в расчётах учитываются и такие характеристики, как допустимые частота, минимальное и максимальное время  отключения нагрузок и длительность принудительного отключения, также определяемые пользователем. Кроме того, Ekip Power Controller исключает из сети управления коммутационные и защитные устройства, которые были отключены вручную.
 
Функция Power Controller также позволяет обеспечить дополнительные возможности для более гибкого управление нагрузками:

• 4 тарифных плана для будних дней;

• 4 тарифных плана для выходных дней;

• Время в течение дня, во время которого нельзя отключать нагрузку;

• Вход для сигнала синхронизации со счётчиком сбытовой компании.

Примечательно, что воздушный выключатель, оборудованный функцией управления нагрузками, при необходимости способен автоматически активировать резервные источники питания, например, генераторные установки.  По словам Дениса Нечаева (АББ), команда управления нагрузкой может быть подана сигналом на реле или привод аппарата, коммутирующего нагрузки, либо через систему коммуникации. «Все выключатели Emax 2 оснащаются модулями связи для интеграции в системы с протоколами Modbus TCP, Profibus DP, Modbus TCP, Profinet, Ethernet IP и др.  – уточнил специалист. – Кроме того, Emax 2 – единственный низковольтный воздушный автоматический выключатель, оснащаемый модулем коммуникации с интеграцией МЭК 61850, благодаря которому появляется возможность быстро и без лишних преобразователей интегрировать аппарат в сети Smart Grid . Последние уже получили широкое распространение в Европе, и обязательно в скором будущем придут в Россию».

Реальная экономия

Оценить эффективность работы системы автоматического управления нагрузками можно на примере 4-ёх звёздочного гостиничного комплекса. В здании находятся 80 номеров и подземная автостоянка, а на территории имеются бассейн, спа-салон, теннисный корт и парковка.
 
Среднемесячное энергопотребление комплекса составляет приблизительно 150 МВт•ч. В разгар сезона максимальное суммарное энергопотребление достигает приблизительно 578 кВт. В таблице 1 представлены результаты более подробного анализа потребления электроэнергии разного рода нагрузками.

Табл. 1. Энергопотребление (Вт) по помещениям

Номера 168000
Коридоры 3600
Лестницы 2880
Вестибюль 4800
Кухня (электроплиты и духовки, холодильники, морозильные камеры) 16000
Ресторан 19200
Бар 4200
Лифты 32400
Кондиционирование воздуха 208320
Прачечная 8400
Бассейны 32000
Оздоровительный центр/спа-салон 32000
Конгресс-зал 14400
Склады и различные сооружения 9600
Теннисные корты (ночное освещение) 4800
Уличное освещение 12000
Подземная автостоянка 6000
578600

Целью использования функции Ekip Power Controller является снижение максимального энергопотребления до 500 кВт. В перечень нагрузок, перерыв в работе которых допустим на непродолжительное время (несколько минут), входят следующие:

- система кондиционирования воздуха (поэтажно);
- системы подогрева воды и циркуляционные насосы бассейнов;
- отопление в сауне, турецкой бане, гидромассажные зоны;
- электрические плиты/духовки;
- прачечная;
- морозильные камеры;
- холодильники;
- освещение подземной парковки и уличные фонари.

На рисунке 2 приведена однолинейная схема, на которой показаны нагрузки и соответствующие им коммутационные аппараты, а в таблице 2 приведено несколько примеров экономии на оплате такой электроустановки в различных странах.

Табл. 2. Экономический эффект от внедрения автоматического контроля управления нагрузками

Страна Годовые затраты, € Годовая экономия, €
580 кВт 500 кВт
Италия 16261,75 14018,75 2243,00
Испания 7638,60 6585,00 1053,60
Китай 15590,40 13440,00 2150,40
Индия 17748,00 15300,00 2448,00
Бразилия 20949,60 18060,00 2889,60
Россия 13210,00 11440,00 1770,00

Становится очевидным, что в интересах обеспечения экономичного и эффективного энергопотребления, требуется широкое внедрение интеллектуальных автоматизированных систем управления. Их использование на стороне низкого напряжения несомненно является значительным фактором в современной концепции построения «умной» электрической сети.