Энергодефицит – одна из главных проблем экономики России. Он делает невозможным строительство новых производств, коммерческой недвижимости и жилья в городских кварталах и районах, где такое строительство или его расширение экономически привлекательно.

Сложился не просто локальный энергодефицит (по месту), а дефицит мощности в часы пик энергопотребления. В большинстве районов Москвы и С.-Петербурга, в других быстроразвивающихся городах уже невозможно подключить новых потребителей (равно увеличить мощность подключенным), причем ни за какие деньги.

Традиционное решение проблемы – ввод новых генерирующих мощностей и энергосбережение. В статье пойдет речь исключительно о способах снижения пиковой нагрузки на отдельном объекте в ситуации, когда все “традиционные” способы энергосбережения исчерпаны.

Формально задача выглядит так. Энергопотребителю по договору с энергосбытом установлен предел мощности, превышение которого влечет отключение всего объекта. При управлении энергорайоном в случае нехватки мощности практикуется “веерное” отключение потребителей. Диспетчер сети всех отключает по очереди на небольшое время. Нечто подобное можно предложить и для отдельного здания или квартала (в дальнейшем “энергообъект”). Цель – увеличить суммарное (суточное) потребление за счет более равномерного распределения нагрузки в течение рабочего дня. Собственная аварийная генерация (даже если она есть) чрезмерно дорога для постоянного использования.

Энергообъект – это множество подключенных мелких потребителей (“электроприборов”). По каждому мы знаем его мощность, можно ли его отключать, когда можно отключать и на какое предельное время. Если нагрузка энергообъекта достигает, например, 95-99 % от предельно допустимой, автоматика отключает малоприоритетного или высокомощного потребителя (одного или нескольких) до тех пор, пока не снизится суммарная нагрузка или не будет отключен другой потребитель (по “чувству справедливости” или по техническим условиям нельзя надолго отключать). При реализации можно запрограммировать конкретный регламент.

Потенциальные возможности роста энергопотребления равны отношению предельной (разрешенной) мощности к средней для самого энергоемкого рабочего дня. То есть, если бы мы могли аккумулировать энергию, мы бы запасали ее, когда нагрузка невелика, и расходовали, когда она превышает максимальную.

Какие объекты допускают перераспределение нагрузки? Промышленные предприятия работают в соответствии с технологической программой, энергопотребление на них строго детерминировано по времени суток, а техпроцесс может быть рассчитан так, чтобы не превышать максимально допустимый уровень. Жилые объекты не годятся из-за юридических препятствий.

Только в крупных общественных зданиях (офисные или логистические центры, гостиницы, больницы, различные госучреждения) возможно управление нагрузкой. Наличие многочисленных арендаторов делает нагрузку труднопредсказуемой и неравномерной, а высокая стоимость аренды окупает расширение или новое строительство.

Среди электропотребителей можно выделить по важности следующие:

- системы связи автоматики и сигнализации;

- лифты;

- серверы и прочие устройства, управляющие компьютерными сетями;

- освещение, вентиляция и кондиционирование;

- персональные компьютеры, компьютерная периферия и конечные устройства связи;

- прочие инженерные системы (насосы, холодильники и т.п.);

- генерация тепла.

Исходя из предложенных приоритетов (список приоритетов и энергетический регламент согласуются управляющим зданием с арендаторами), вырисовывается алгоритм управления нагрузкой. При достижении критических значений начинаются “веерные” отключения наименее приоритетных потребителей. Если резерв отключений по низшему приоритету исчерпан, переходят на следующий. Понятно, что на энергообъекте должно хватать энергии на системы сигнализации, связи и управления, лифты, прочих потребителей, выключение которых недопустимо. Такими и управлять нет нужды.

Теперь, когда задача управления нагрузкой прояснилась и алгоритм программы интуитивно понятен, можно предложить варианты реализации. Их три, выбор зависит от расположения электроприборов, которые можно временно отключать и информационных сетей. Общее во всех вариантах – это промышленный управляющий компьютер (например, iRobo 2000-4045[1] рис. 1), реле для включения (выключения) электроприборов и контроля состояния, SCADA-система на 512 тегов. Блоки питания для реле – по одному блоку за 100 долл. США на группу из 16 реле. Самое дорогое здесь – реле для мощностей 10-25 А (220V) 12-15 долл. за штуку; на один прибор потребуется 2 реле – вкл/выкл и контроль состояния. Таким образом, суммарные затраты на общую часть всех вариантов при условии управления 10 группами по 8 приборов в каждой можно оценить в 5100 долл. (1100 долл. за компьютер с операционной системой, 700 долл. – SCADA на 512 тэгов, 2000 долл. – реле, 300 долл. – за измерительный трансформатор тока, 1000 долл. – блоки питания). Цены ориентировочные, они необходимы лишь для иллюстрации расчета затрат.

Труднее всего оценить стоимость проектирования и наладку оборудования. Минимальная стоимость работ такой сложности сейчас не ниже 20000 долл. Как всегда, цена квалифицированного труда многократно превышает стоимость оборудования. Таким образом, для всех вариантов постоянная составляющая – компьютер, SCADA, реле, проект и внедрение можно оценить в 25 000 долл. или приблизительно в 630 000 руб.

1. Централизованный вариант. Уместен при компактном расположении оборудования. Все реле подключены к одному компьютеру. Для этого потребуется еще:

- платы аналоговых и дискретных входов и выходов 1 шт. PISO DA2 и 2 шт. PCI-7296 суммарно по каталогу www.ipc2u.ru 230 + 2 * 175 = 580 долл. + терминальные платы и кабель к ним еще 320 долл. В сумме получаем 900 долл. за платы аналогового и цифрового ввода/вывода;

- монтажные работы по прокладке информационного кабеля компьютер – блоки реле и компьютер – измерительный трансформатор тока. Среднее расстояние до распределительных щитов 100 м . Стоимость кабеля и монтажа его не менее 1 долл. за 1 м , всего 1100 м прокладки 4-жильного кабеля будет стоить 1100 долл.

Итого: не менее 25 000 долл. + 2000 долл. за объект = 680 000 рублей.

2. Использование сети Ethernet.

Альтернативой “централизованному” варианту (подключение “звезда”) может являться двухуровневый. Суть его в следующем. К управляющему компьютеру через Ethernet сеть здания (теперь есть в каждом современном общественном здании) подключены модули дискретного ввода/вывода и модули аналогового ввода. Дискретные модули находятся в распределительных щитах, аналоговый АЦП (вычисление нагрузки) – на входе на объект. Такое построение гораздо компактнее, проще по монтажу.

Рассмотрим вариант технических средств, необходимых при создании системы управления с иерархической (двухуровневой) топологией. Расчет проведем также для 80 различных потребителей мощности (точек вкл/выкл), распределенных по 10 щитам (т.е. понадобится 10 удаленных дискретных модулей). В качестве удаленных модулей дискретного ввода/вывода разумно взять новые изделия MOXA серии ioLogik, например, E2212 (8DI, 8DO, 4DIO) за 280 долл. (надо 10 шт. разместить в распределительных щитах). Для учета нагрузки нужен E2240 – удаленный Ethernet модуль аналогового ввода/вывода за 555 долл. (или дешевле – по RS-485 I-7012 за 160 долл.) рядом с трансформатором тока. Изделия ioLogik обладают важным преимуществом перед аналогами: они исключительно компактны. При использовании существующей сети Ethernet мы экономим на монтаже. Но даже при отсутствии доступа к коммутаторам можно обойтись прокладкой одного кабеля, если взять устройства серии ioMirror E3210 (8DI, 8DO), подключение Ethernet пойдет “гирляндой” подобно RS-485. Итого: 2000-2500 долл. за комплект на все здание. Приблизительно столько же, как и в первом случае. Однако Ethernet-построение более надежно и просто в наладке, чем “централизованное”, выгода достигается при больших расстояниях между электрощитами.

3. Использование сети ModBus. Вариант построения сети с использованием только протокола ModBus и RS-485 интерфейса. Здесь удобно использовать модули I-7000 серии производства ICP DAS (рис. 2):

· удаленные модули дискретного ввода/вывода ICP CON I-7050 10 шт. – 780 долл.;

· модуль аналогового ввода I-7012 – 160 долл.;

· провод RS-485 и монтаж (300 м , построение “гирляндой”) – 300 долл.

Итого: “добавка” составит около 1200 долл., несколько меньше, чем в предыдущем случае. Вполне приемлем и вариант использования Ethernet сети, если взять серверы последовательных устройств серии NPort от MOXA. Это сэкономит нам прокладку кабеля, но только если есть свободные Ethernet разъемы вблизи распределительных щитов.

При увеличении числа распределительных щитов и энергопотребителей преимущество “децентрализованных” вариантов вырастет. Меньшее количество прокладываемых проводов – встроенная система самодиагностики увеличивает надежность.

Поскольку основные (до 2/3) затраты – программирование и монтаж, существенно сэкономить при построении системы за счет оборудования не получится. Замена компьютера, модулей ввода/вывода и реле на более дешевые снизит стоимость проекта всего лишь на 5-10 %, но при этом серьезно отразится на надежности и удобстве обслуживания. Экономический эффект зависит от величины и неравномерности нагрузки в течение рабочего дня и от наличия мощных потребителей, отключение которых на 5-30 минут не критично.

Большая площадь энергообъекта – не препятствие для внедрения системы управления нагрузкой. Методы создания промышленных сетей связи известны и решения недороги. Нет существенной разницы, каким объектом вы управляете – отдельным зданием или логистическим центром в 100-300 гектар . Вполне возможно, что подобные методы управления нагрузкой заинтересуют и энергосбытовые компании. Сейчас отключением потребителей в случае предаварийной ситуации занимается диспетчер.

При стоимости аренды офисов класса “A” в Москве 750-1300 долл. за м² в год, стоимость системы не такая уж большая. Рассмотрим эффект от внедрения этой системы.

Энергозатраты на одного офисного служащего не менее 1 кВт – компьютер, оргтехника общего пользования, освещение, кондиционирование. Площадь – 10 м² на человека. Итого 1 кВт на 10 м² общей площади.

Цена (в собственность) – около 6 000 долл. Себестоимость строительства за 1 м² офиса класса “А” в среднем по Москве – 3000 долл. Таким образом, девелопер получает до 3000 долл. за каждый метр. При этом мы еще не учитываем побочные эффекты, такие как снижение ставок по страхованию здания (страховщики оценивают свои риски ниже), улучшение условий для арендаторов (малая вероятность отключения энергии и т.п.).

Если энергия – единственный ограничитель, то экономия, хотя бы 10 % мощности в здании от 1000 м² , позволит дополнительно электрифицировать до 100 м² площади. При продаже это до 300 000 долл. прибыли. Если энергосбытовая компания позволяет вам подключить дополнительную мощность (для Москвы сейчас приблизительно 32000 руб. за кВт), управлять нагрузкой экономически нецелесообразно. 10 кВт экономии по мощности составит всего лишь 320 000 руб. Быстрый рост цены присоединения неизбежен, и вскоре управление нагрузкой станет эффективным даже при наличии резерва мощности.

На стадии проектирования здания или квартала подобную систему целесообразно предусмотреть как часть системы управления зданием. Ее стоимость снизится приблизительно на 30 % за счет экономии на прокладке кабелей и совместном использовании части оборудования и программных средств.

Приведенные расчеты, основанные на данных по Москве. Эти данные приблизительны. В каждом проекте будут особенности, однако это не опровергает методики расчета. Общие тенденции таковы – цена присоединения к сетям растет, резервы мощности заканчиваются, коммерческая недвижимость в дефиците, стоимость оборудования падает, а само оборудование непрерывно совершенствуется.

__________________________________________________________________________________

Сергей Владимирович Эвергетов – менеджер отдела продаж компании IPC2U, Санкт-Петербург.

Телефон (495) 232-02-07

E-mail: marketing@ipc2u

http://www.ipc2u.ru, www.icn.ru

Редакция 2008 г.