Актуальные вопросы развития электроснабжения АПК

Введение.

Президент России В.В. Путин в своих майских указах, ежегодных посланиях Федеральному собранию, выступлениях подчёркивает важность сельскохозяйственной отрасли и её перехода, вместе с другими отраслями, на цифровую платформу. 21-й век – век роботизации, которая охватывает все сферы жизни и ставит всё новые вопросы перед научным сообществом. В сфере энергообеспечения АПК также появилось много новых вызовов, связанных с широким внедрением средств роботизации и цифровизации.

Обсуждение.

Электроснабжение, как и теплоснабжение, обеспечение другими видами ресурсов является одной из основ эффективного сельского хозяйства и научная составляющая его развития особенно важна. В то же время в АПК и сельском быту происходят значительные изменения. Изменилась структура сельских потребителей. Доля населения составляет примерно половину в структуре электропотребления [1].

Вследствие сокращения числа людей, проживающих в сельских населённых пунктах, появилось большое количество линий электропередачи, питающих малую нагрузку при большой протяжённости данных линий. Большое количество потребителей, в частности садовые общества, дачные посёлки, дачные дома, некоторые производственные объекты, имеют сезонный характер и часть года практически не потребляют электроэнергию. Это в конечном итоге приводит к увеличению стоимости электроэнергии, поскольку обслуживать ЛЭП необходимо в любом случае. Затраты закладываются в тариф для предприятий согласно философии перекрёстного субсидирования, что, в свою очередь, приводит к росту себестоимости их продукции и снижению конкурентоспособности. Поэтому актуальными являются исследования, направленные на решение задач сокращения затрат на электроснабжение потребителей, удалённых от центров питания, имеющих маленькую нагрузку. При этом данные исследования и разработки должны обеспечивать необходимую надёжность электроснабжения при соблюдении норм на качество электроэнергии. Это и разработки в сфере применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [2, 3, 4, 5], решения, направленные на снижение затрат на строительство и эксплуатацию электрических сетей, например, за счёт применения однопроводных резонансных технологий передачи электроэнергии, линий постоянного тока [6, 7].

Актуальным является вопрос снижения потерь электроэнергии в электрических сетях, которые в среднем составляют 10-15%, но в отдельных линиях 0,4 кВ могут быть до 50% с учётом коммерческой составляющей [8, 9]. Это требует развития систем учёта электроэнергии, развития средств мониторинга режимов работы электрических сетей. Такие работа приведены в [10, 11, 12, 13], однако они не охватывают всех необходимых аспектов. В том числе, для поиска участков линий с повышенными потерями необходима разработка мобильных портативных приборов и приборных комплексов, позволяющих выполнять удалённые синхронизированные по времени измерения [14]. Необходимо вести поиск и других решений в сфере учёта и мониторинга.

Выросли требования к надёжности электроснабжения и качеству электроэнергии. Так при отключении роботизированной фермы КРС на 30-40 минут нарушается весь её технологический процесс, требуется перезагружать и настраивать средства роботизации. При нарушениях качества электрической энергии сбиваются настройки средств цифровизации, роботизации, автоматизации. Растут ущербы и от перерывов в электроснабжении бытовых потребителей, так как увеличивается число людей, работающих удалённо, увеличивается насыщенность сельских домов электрооборудованием, что приводит к росту электропотребления. Так, в [15] говориться о том, что с 1960-х, 70-х годов прошлого века по настоящее время потребление электроэнергии бытовыми потребителями выросло в 7-10 раз.

Сохранение населения требует и повышения комфортности проживания в сельской местности, что непосредственно связано с развитием инфраструктуры села, в том числе с развитием электрической инфраструктуры, обеспечением надёжности электроснабжения и качества электроэнергии, доступности электроэнергии. Необходимо разрабатывать новые концепции построения электрических сетей, позволяющие повысить надёжность электроснабжения за счёт резервирования, управления конфигурацией сети, обеспечения наблюдаемости сети и возможностей её сегментирования. Одна из таких концепций приведена в [16], требуется её дальнейшая проработка, создание и внедрение необходимых технических средств для её реализации.

Повышаются требования к защите информации. Широкое оснащение технологических процессов на предприятиях АПК средствами цифровизации, дистанционного контроля и управления приводит к тому, что появляется вероятность В6

хакерских атак, которые могут привести к нарушениям и остановке технологических процессов. Актуальным направлением является разработка средств защиты данных, способов мониторинга и управления, позволяющих минимизировать возможности взлома не только для объектов электроэнергетики [17, 18], систем энергообеспечения, но и для информационных сетей сельхозпредприятий, задействованных в управлении технологическим процессом.

В 2019 - 2021 годах внесены изменения в нормативные документы, позволяющие подключать физическим лицам генерирующие установки с выдачей в сеть электроэнергии мощностью до 15 кВт [19, 20]. Уже есть примеры подключений, в том числе в регионах. Это приводит к изменению формата работы сельских сетей как с точки зрения режимов работы, так и с точки зрения функционирования рынка электроэнергии. Так, как отметили участники онлайн-конференция Международного форума "Электрические сети", которая прошла 30 ноября 2021 года, происходит изменение структуры перекрёстного субсидирования, поскольку, с одной стороны, увеличивается финансовая нагрузка на предприятия за счёт снижения потребления от централизованных сетей и роста тарифа, с другой стороны, происходит снижение этой нагрузки за счёт снижения потребления электроэнергии населением, а значит меньшую сумму средств необходимо субсидировать. И эти вопросы необходимо дополнительно исследовать. Изменяются режимы работы сетей, балансы потерь электроэнергии, также требующие новых исследований.

При внедрении ВИЭ появляется необходимость обеспечивать накопление электроэнергии с помощью различного рода накопителей [21]. Требуется исследовать работу накопителей, предназначенных для регулирования качества электроэнергии, резервирования питания потребителей, выявлять недостатки существующих решений, как, например, в [22] и предлагать пути их совершенствования. Применение накопителей приводит и к изменению конфигурации электрических сетей, что требует также осуществления управления конфигурацией и постоянного мониторинга режимов её работы. Требуется осуществлять дистанционное управление оборудованием как сетей, так и вводов потребителей для выполнения принципов управления конфигурацией – наблюдаемости, управляемости, сегментируемости, интегрированности в экономику и других [16]. Актуальными являются вопросы создания микросетей, способных работать как автономно, так и совместно с централизованной энергосистемой. И здесь важно определить оптимальные параметры этих сетей, мощности источников энергии, сечений ЛЭП, состава и параметров коммутационного оборудования, стратегии работы микросетей и источников энергии, используемых в них [23].

Ежегодно в мире растёт количество электромобилей, что непосредственно влияет на развитие систем энергообеспечения. Зарубежом активно продвигаются идеи по интеграции электромобилей в энергетическую сеть, в том числе в качестве распределённого накопителя электроэнергии [24].

В России и зарубежом разрабатываются инфраструктурные проекты по созданию сетей зарядных станций [25, 26, 27]. Создана правительственная дорожная карта по созданию сетей зарядных станций на дорогах федерального значения. [28]. Начинают реализовываться и проекты создания мобильных энергетических средств на электротяге для сельского хозяйства [29, 30]. Предстоит большая работа по определению рациональных параметров оборудования, входящего в инфраструктуру электротранспорта в сельском хозяйстве, определения мест размещения зарядных станций, решения других важных для внедрения электротранспорта вопросов.

В то же время, в связи с недостаточно высокой надёжностью электроснабжения сельских потребителей имеется необходимость в осуществлении как сетевого, так и автономного резервирования питания ответственных электроприёмников. Вопросы сетевого резервирования, повышения надёжности электроснабжения сельских потребителей рассмотрены в [16] и других источниках. Предложенные в данных работах решения позволяют повысить надёжность электроснабжения потребителей, получающих питание по электрическим сетям 0,4-10 кВ. В то же время, существует необходимость применения и автономных источников резервирования. Как правило для этого используются бензиновые, или дизельные электростанции различной мощности. Рассматриваются и вопросы создания мобильных энергетических установок, платформ. Так в [31] приведён вариант мобильной энергоплатформы. Генерация электроэнергии в данном случае осуществляется с применением топливных элементов и фотоэлектрических элементов. Оборудование размещается в прицепе к автомобилю. Мощность генерации составляет 500 Ватт, 24 Вольта постоянного напряжения. такие платформы могут применяться в сельской местности, например, для организации мест отдыха на природе. Имеются и проекты крупных мобильных электростанций на сжиженном природном газе (СПГ). Такая станция создана, например, компанией Ростех [32]. Электростанция имеет мощность 1,4 МВт при стоимости порядка 15 млн. рублей. Область применения их ограничена как мощностью, так и стоимостью. В основном такие станции могут применяться в качестве основного источника электроснабжения сельскохозяйственных предприятий, населённых пунктов и т.п. То есть мобильные энергетические платформы по существу представляют собой в современном видении мобильные электростанции, применяемые для основного, или резервного электроснабжения сельских потребителей.

В настоящее время, кроме развития электротранспорта, активно развивается и беспилотная летательная техника для мониторинга урожайности, состояния полей, для обработки растений. Для приведения в движение данных БПЛА используются или двигатели внутреннего сгорания, или электропривод. Имеется необходимость зарядки накопителей электроэнергии, установленных в БПЛА с электроприводом, причём эта зарядка должна осуществляться в том числе и в поле. Это касается и энергосредств с электроприводом, в том числе электротракторов, роботизированных платформ для обработки растений и полей, сбора урожая и т.д. Часть технологических процессов в сельском хозяйстве может осуществляться вне базы хозяйств, а в удалении от неё и от соответствующей инфраструктуры. Это организация дойки коров при выгульном содержании, первичная обработка урожая и т.п. Многие из этих процессов носят сезонный характер, многие – не привязаны к определённому месту осуществления и могут менять его в зависимости от территории выгула животных, от севооборота растений. Чаще всего решить вопросы энергообеспечения этих технологических процессов путём создания сетевой инфраструктуры (включая электро-, теплоснабжение, снабжение сжатым воздухом и т.д.) невозможно. Поэтому требуется создание концепции применения мобильных энергетических платформ в сельскохозяйственной инфраструктуре. Такие платформы могут служить как мобильными резервными источниками, так и передвижными зарядными станциями, быть источниками электрической, тепловой энергии, сжатого воздуха в необходимых точках инфраструктуры. Особенную актуальность приобретает применение таких платформ в условиях чрезвычайных ситуаций. Предлагается следующая трактовка понятия мобильной энергетической платформы для сельской инфраструктуры (МЭПСИ): «Мобильная энергетическая платформа для сельской инфраструктуры – это источник, или комплекс источников электрической, тепловой, гидравлической энергии, энергии сжатого воздуха, или их комбинации, размещённый на мобильной платформе и применяемый в сельской инфраструктуре». В качестве мобильной платформы могут рассматриваться трактора, автомобили, специально разработанные мобильные средства. Требуется проведение необходимых исследований и разработок в данной области.

Внедрение цифровых технологий, оборудования требует поддержания высокого качества электроэнергии, поставляемой сельским потребителям. Поэтому актуальны вопросы выполнения исследований, направленных на разработку и реализацию новых способов регулирования напряжения, в том числе адаптивных [33], создание техникоэкономических механизмов, стимулирующих к поддержанию качества электроэнергии [16, 34], разработку и внедрение средств автоматического регулирования напряжения [35] и других показателей качества электроэнергии.

Важным вопросом является подготовка, на основании проводимых исследований, большого количества нормативных документов, стандартов, технических регламентов, методических рекомендаций и т.п., охватывающих вопросы применения новых средств энергообеспечения АПК, применения ВИЭ, новых электротехнологий, создания и применения микросетей [36]. Здесь на сегодняшний день имеется большой пробел, который необходимо заполнять.

Заключение.

Таким образом, имеется большая потребность в выполнении научных разработок в части создания и совершенствования оборудования и систем электроснабжения, теплообеспечения, возобновляемых источников энергии, электротехнологий, решения других вопросов. Научное направление «Энергообеспечение АПК» ФГБНУ ФНАЦ ВИМ занимается этой работой и готово к сотрудничеству со всеми заинтересованными учёными, научными и образовательными организациями, производственными компаниями.

ispol'zovat' elektromobili v kachestve mobil'nyh hranilishch energii (3dnews.ru). (Data obrashcheniya 01.03.2022 g).