Мировые тренды в построении умных сетей электроснабжения (Smart Grid)

Синергетические линии

В 2019 году в Японии прошла регулярная конференция CIGRE, посвящённая линиям электропередач высокого и сверхвысокого напряжения. В очередной раз была поднята тема построения так называемых умных сетей электроснабжения (Smart Grid). Было отмечено, что построение таких сетей в настоящее время невозможно без внедрения новой концепции под названием «Синергетическая воздушная линия электропередач». Такая ЛЭП объединяет в себе передачу электрической энергии и широкополосную сеть передачи данных посредством оптических технологий. Полностью требованиям Smart Grid отвечает только передача данных по оптическому волокну, только в этом случае обеспечиваются высокие скорости, большие расстояния, низкая задержка, отсутствие радиочастотных помех и внутренняя кибербезопасность. Кроме того, волоконно-оптические линии связи можно использовать в качестве чувствительного элемента для мониторинга, построения «Интернета вещей» (IoT), передачи видео и детектирования различных событий.

Бразильская электросетевая компания Cemig Utility совместно с различными партнёрами в течение последних 15 лет активно проводит исследования и разработки (R&D) с целью повышения эффективности использования оптического волокна как чувствительного элемента и как среды передачи данных.

ОКФП

Разработан и внедрён в эксплуатацию оптический кабель, встроенный в фазный провод (ОКФП), а также сопутствующие проходные и конечные муфты. ОКФП позволяет не только резервировать линию передачи данных на больших и сложных переходах (обязательное требование согласно СТО 56947007-33.180.10.172-2014 ПАО «Россети» п.4.10), но и обеспечивать связь на тех участках, где применение ОКГТ или ОКСН физически невозможно.

Обязательным условием применения ОКФП является его использование как чувствительного элемента для обеспечения следующих функций:

• распределённый мониторинг натяжения и вибраций;
• детектирование лесных пожаров;
• контроль температуры с целью оптимизации токовой нагрузки;
• контроль обрыва провода, особенно в густонаселённых зонах.

Бразильские инженеры отмечают перспективность использования волокна в фазном проводе и существенное влияние таких разработок на создание следующего поколения концепции Smart Grid.

В России аналогичные решения разработаны заводом Инкаб и компанией «Т8-сенсор». Проводится опытно-промышленная эксплуатация, в том числе изучаются возможности мониторинга гололёдообразования в каждом пролёте ВЛ.

Волокно с брэгговскими решётками

Преимуществами оптического волокна как датчика являются: отсутствие потребности в электрическом питании и изоляции, полностью диэлектрическая конструкция. Эти преимущества были использованы в Бразилии для мониторинга на основе волокна с брэгговскими решётками. Вставка такого точечного датчика между узлами крепления к опоре и самим проводом позволяет с высокой степенью точности определять натяжение провода в анкерном пролёте и возникающие вибрации. Другие такие датчики крепятся к телу опоры для мониторинга её состояния и детектирования ненормативных нагрузок. Кроме того, брэгговские решётки используют для контроля температуры проводников. Было найдено новое оригинальное решение с использованием коллиматоров рядом со стандартными изоляторами для соединения датчиков с оборудованием.

Технологии использования в энергетике волокна с брэгговскими решётками разрабатываются и в России компаниями ГК «ОПТЭН» и «Инверсия-Сенсор».

Микровидеокамера с питанием по волокну

С помощью новейших разработок энергия лазера может быть преобразована в электрическую для удалённого питания различных приборов, например, видеокамеры. Технология получила название PoF (Power over Fiber). На сегодняшний день достигнута возможность питания видеокамеры на расстоянии до 4,4 км в лабораторных условиях и на 1,6 км в реальных условиях с использованием обычного одномодового волокна в ОКГТ. Несмотря на относительно скромные результаты, технология перспективна и имеет множество различных применений.

Другие применения

Присутствие оптического волокна в проводах открывает и другие возможности. Например, передача данных с телекоммуникационных узлов, расположенных на опорах, передача метеорологических данных, дистанционное управление автоматическими роботами и дронами в реальном времени, дистанционное управление производственными процессами в удалённых местах, а также простой способ поставки Клиентам одновременно двух услуг: электроснабжения и телекоммуникации.

Распространение оптического волокна

Второй важный тренд демонстрирует рынок США. Оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос (ОКГТ) является де-факто обязательным элементом любой высоковольтной воздушной линии электропередач. Благодаря удобству монтажа и эксплуатации, а также высокой экономической эффективности, ОКГТ получил широчайшее распространение во всех электросетевых компаниях США. Несомненным преимуществом его применения является концепция «2 продукта в 1», т.к. грозозащитный трос, помимо выполнения непосредственной функции защиты проводов от ударов молнии, одновременно является волоконно-оптической линией связи, обеспечивая транзит данных на практически неограниченные расстояния с любой скоростью. Оценочно в 2019 году в США было смонтировано более 13 000 км ОКГТ, в то время как в России всего лишь около 3 500 км. Наглядно это технологическое отставание видно в пропорции к площади и населению обеих стран:

Кроме того, от года к году растёт средняя волоконность (число волокон в одном кабеле) применяемых ОКГТ в связи с тем, что потребность в передаче данных растёт в геометрической прогресси. Широко развивается интернет вещей (IoT), стимулируя дальнейший рост числа волокон в кабеле. Это объясняется еще и тем, что стоимость одного волокна в общем объёме стоимости ОКГТ, других материалов, проектирования и монтажа составляет ничтожную долю. Однако замена грозозащитного троса на трос с большей волоконностью в случае исчерпания пропускной способности при дальнейшей эксплуатации повлечёт за собой несопоставимые расходы. Таким образом, 80% ОКГТ, смонтированных в 2019 году в США, содержали от 48 до 96 волокон. Лишь 10% ОКГТ содержали менее 48 ОВ, а 10% ОКГТ имели более 96 ОВ. Более того, доля проектов с числом волокон 144, 288 и выше постоянно растёт. Ровно обратная ситуация в России. В силу политики снижения капитальных затрат любыми способами нередко уменьшают изначально необходимое число волокон, не учитывая возможности дальнейшей монетизации линии связи и возрастающей потребности в объёме передачи данных. Поэтому доля ОКГТ с числом волокон от 48 и выше составляет не более 20%. А остальные 80% принадлежат ОКГТ с числом волокон менее 48.

Выводы

Применение оптических волокон при построении Smart Grid явилось технологическим прорывом во всем мире, что породило новую концепцию синергетических сетей, когда волокно стало применяться не только в традиционных решениях типа ОКСН и ОКГТ, но и также в фазных проводах (ОКФП). Растёт количество функций различного применения оптического волокна, расширяя возможности не только с точки зрения передачи данных, но и с точки зрения мониторинга электросетевого хозяйства. При некотором увеличении капитальных затрат на развёртывание Smart Grid с использованием оптических технологий, резко возрастает синергетический эффект и операционная эффективность использования сетей. Таким образом, повышенный интерес электросетевых компаний к данным разработкам и стимулирование инноваций ведёт к технологической революции, так необходимой для цифровой трансформации.

По материалам:

1. The First Generation of Synergic Overhead Transmission Lines Network.
2. A. M. do Nascimento CIGRE Brazil B2, J. B. Rosolem, D. C. Dini, C. A. Hortencio, CPqD.
3. CIGRE-IEC 2019 Conference on EHV and UHV (AC & DC) April 23-26, 2019 Hakodate, Hokkaido, Japan.