Электросеть Дели и энергетический микс
Дели — столица Индии, расположенная на берегу реки Ямуна в северной части страны. В городе проживает около 23 миллионов человек, и он входит в число наиболее густонаселенных мест в мире. Электросеть Дели включает тысячи километров линий электропередачи, а пиковый спрос на электроэнергию достиг в текущем году рекорда — 8748 мегаватт. Город закупает 76 процентов электроэнергии у центральных генерирующих компаний и частных производителей соседних штатов. Местная генерация ограничена природным газом и возобновляемыми источниками. Около 48,5 процента мощности поступает из угля, примерно 26,5 процента — от природного газа, остальное — из углеродно-нейтральных источников, в том числе гидроэнергия (15,6 процента).
В начале 2000-х система распределения Дели, в эксплуатации уже около века, находилась в критическом состоянии. Всё было устаревшим — линии, трансформаторы, автоматические выключатели, коммутаторы. Требовались новые сетевые технологии для работы с изменившимися нагрузками, но средства на модернизацию отсутствовали.
Плачевное состояние сети привело к серьёзным проблемам, особенно к высоким потерям электроэнергии, когда электричество рассеивается в основном в виде тепла. Причина была классической: слишком большой ток протекал через сеть, для которой это неэффективно.
Чтобы разобраться в проблеме, полезно понять, как работают современные электросети. Обычно они включают генерацию, передачу и распределение. После выработки электроэнергии трансформаторы повышают напряжение до высоких уровней — в Индии обычно это 132, 220, 400 или 765 килоВольт. Линии электропередачи доставляют энергию на большие расстояния к подстанциям, расположенным ближе к потребителям. Затем трансформаторы понижают напряжение (в Индии — до 66, 33 или 11 кВ) и распределительные линии ветвятся, доставляя электроэнергию потребителям. Вся сеть работает преимущественно на переменном токе.
Распределительные сети передают как активную, так и реактивную мощность. Активная мощность — это энергия, используемая для полезной работы (измеряется в ваттах). Реактивная мощность — это мощность, которая циркулирует туда-сюда в электрической цепи, создавая электрические и магнитные поля (измеряется в вольт-ампере-реактивных, или ВАР). Хотя она не выполняет полезную работу, реактивная мощность необходима для множества устройств, таких как асинхронные двигатели, трансформаторы и компьютеры (в общем, для любой схемы или устройства с индуктивностью или ёмкостью).
Когда на одной линии много устройств, потребляющих реактивную мощность, общий ток в линии — сумма активного и реактивного тока — должен возрасти. Чем больше ток в линии, тем больше она нагревается и тем больше энергии теряется в виде тепла.
Помимо тока, потери увеличиваются и из-за сопротивления линии. Сопротивление возникает, когда электроны встречают препятствия при движении через проводящий материал (обычно алюминий в электросети). Более длинные линии с множеством ветвей и соединений увеличивают сопротивление. Общее правило: потери в линии равны квадрату тока, умноженному на сопротивление.
Реактивная мощность создаёт вторую проблему: вызывает падение напряжения по линии. Когда напряжение падает, многие современные электрические устройства пытаются сохранить примерно одинаковый уровень производительности, потребляя больше тока. Этот повышенный ток создаёт ещё большие потери в линии и вызывает дальнейшее падение напряжения.
В здоровой сети коммунальное предприятие принимает компенсационные меры для снижения тока и поддержания напряжения по всей длине линий. Но в Дели это не происходило. Результатом был порочный круг. Реактивные нагрузки увеличивали ток, повышенный ток увеличивал потери энергии и снижал напряжения, низкое напряжение заставляло устройства потреблять больше тока и дальше увеличивало потери.
В некоторых районах Дели эффект был настолько серьёзным, что жители брались за дело сами. Коллега, жившая в другой части города, постоянно испытывала напряжение, слишком низкое для надёжной работы её приборов, поэтому ей пришлось установить собственный стабилизатор напряжения. В моём доме мы купили инвертер и батарейную систему, чтобы во время многочисленных отключений работал вентилятор и несколько ламп.
Потери электроэнергии и кража в Дели
Потери в Дели были вызваны не только техническими проблемами. Хищение электроэнергии было масштабным, как со стороны влиятельных, так и со стороны безвластных (в обоих смыслах слова). Предприятия, жилые потребители и сотрудники коммунальных служб с корыстными интересами незаконно отвлекали электроэнергию из сети. Было легко подсоединиться к уличному фонарю или распределительной линии, проходящей близко к дому или фабрике. Коммунальные предприятия не располагали ресурсами для выявления краж или наказания нарушителей. Даже если бы они могли, суды уже были перегружены, а комиссия по электроэнергетическому регулированию, которая могла бы настаивать на реформах, ещё не полностью сформировалась.
Усугубляло положение то, что коммунальные предприятия и их сотрудники редко несли ответственность за свои действия, поэтому система была пронизана коррупцией. Младшим инженерам и рабочим, многие из которых не имели надлежащих технических навыков, поручалось решать почти все проблемы: отключения, мерцание напряжения, оплату счетов. Это была чрезмерная власть в руках людей с недостаточной подготовкой.
Кроме того, потребители не платили свои счета. Счетчики были старыми, часто неисправными и легко поддавались манипуляции. Сотрудники коммунальных служб снимали показания счетчика, посещая имущество потребителя, записывая показания в книгу, вводя данные в реестр или на компьютер в офисе, а затем преобразовывали их в счёт на оплату электроэнергии, который доставляли потребителю. Этот процесс оставлял много места для неточных расчётов.
Чтобы оплатить счёт, потребители должны были стоять в длинных очередях в офисах коммунального предприятия, работающих с ограниченным графиком. Не желая брать полдня отпуска для этого, многие просто не платили. И штрафа не было — нормативные акты не позволяли коммунальным предприятиям отключать электроэнергию потребителю, не платящему счета. (Я платил счета через члена семьи, который стоял в очереди вместо меня.)
Совокупные коммерческие и технические потери привели к тому, что коммунальные предприятия Дели получали платежи менее чем за половину поставляемой электроэнергии в начале 2000-х годов.
Закон об электроэнергии Индии и реформы энергетики
Такие проблемы были не только в Дели. В среднем в 2002 году государственные коммунальные предприятия по всей Индии испытывали потери электроэнергии около 37 процентов. Моей стране срочно требовались системные реформы, но полномочия в сфере электроэнергетики были разделены между центральным правительством и правительствами штатов, поэтому любое принятие решений было раздробленным. Штаты управляли большей частью генерации, а также передачи и распределения, в то время как центральное правительство наблюдало за генерацией, поставляющей несколько штатов, таких как гидроэлектростанции, ТЭС и АЭС. Центральное правительство могло продвигать реформы, но штаты определяли, будут ли эти реформы успешными. Усугубляло положение то, что большинство штатов возложили управление генерацией, передачей и распределением на одну организацию, что дало этой организации слишком много власти и снизило прозрачность и конкуренцию.
В 2001 году центральное правительство Индии начало разработку исторического законодательства, которое стало знаковым Законом об электроэнергии 2003 года. Помимо масштабных реформ, направленных на преобразование энергетического сектора страны, закон разделил государственный контроль над электросетями, создав отдельные организации для генерации, передачи и распределения. Он также открыл энергетический сектор для приватизации. Он позволил крупным потребителям электроэнергии обойти местные распределительные компании и закупить электроэнергию у конкурентов или построить собственные генерирующие мощности. Он создал центральное регулирующее агентство, ответственное за определение межштатных тарифов и содействие конкуренции на энергетическом рынке. И он создал механизмы для преследования за хищение электроэнергии.
В 2002 году Дели уже принимал решительные меры по исправлению ситуации в сети. Организация, контролировавшая распределение электроэнергии Дели, Delhi Vidyut Board, была распущена, и две частные компании — BSES (теперь Reliance Infrastructure) и Tata Power — взяли на себя распределение. Перед ними стояла геркулесова задача. Tata Power, обслуживающая северную половину Дели, должна была справиться с совокупными коммерческими и техническими потерями электроэнергии 53,5 процента. BSES, территория которой была разделена между двумя дочерними компаниями, столкнулась с потерями 51,5 процента в Южном Дели и 63,1 процента в Восточном Дели.
«Компания унаследовала деградированную и перегруженную сеть, масштабное хищение электроэнергии, слабые системы выставления счетов и сбора платежей, неточные записи потребителей и стареющую, в основном неподготовленную рабочую силу», — сказал мне Дwijadas Basak, генеральный директор Tata Power. По его словам, имелось более 100 000 нерешённых претензий по счётам, 20 000 ожидающих заявок на подключение и частые отключения электроснабжения, которые серьёзно подорвали доверие потребителей. Обе компании разработали всеобъемлющие реформы и инициативы развития человеческих ресурсов. На протяжении лет компании шли своим путём, но в итоге реализовали аналогичные изменения с аналогичными результатами.
Полная модернизация электросистемы Дели
Исправление сети Дели было путешествием, в которое были вовлечены все заинтересованные стороны, включая потребителей, городские органы власти и сотрудников коммунальных предприятий на всех уровнях. Компании перестроили свои организационные структуры, ограничив власть младшего персонала и создав отдельные команды для решения специфических задач. Давно работающие сотрудники бывшего Delhi Vidyut Board получили обучение от опытных специалистов новых компаний.
С технической стороны обе компании установили цифровые системы управления, которые позволили им отслеживать и эксплуатировать сеть из центрального места. Известные как SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), эти системы предоставляли панорамный обзор инфраструктуры, включая состояние оборудования, напряжение, ток, поток мощности и положение коммутаторов, с обновлениями в течение секунд. Это помогло компаниям выявить области высоких потерь и краж, а также принимать более быстрые решения на основе точной информации.
Компании также заменили устаревшие трансформаторы и автоматические выключатели и разработали обширные планы технического обслуживания оборудования. В 2002 году 11 процентов трансформаторов в регионе выходили из строя в любой момент времени. По данным Tata, этот показатель сейчас ниже 1 процента. Критически важным было то, что компании установили сотни конденсаторных батарей, включая некоторые мобильные, для подачи реактивной мощности в стратегических точках. Это улучшение снизило общий ток, протекающий в распределительных линиях, и помогло стабилизировать напряжение. Они также установили регуляторы напряжения в точках системы, где напряжение имеет тенденцию падать.
Чтобы снизить кражи, компании заменили открытые распределительные провода изолированными линиями — одним кабелем для трёх фаз, что затруднило подключение к сети. Кабели также сократили отключения, так как лучше предотвращают замыкания на землю, которые могут произойти, например, когда ветка дерева падает на провод.
Рабочие получили улучшенные датчики и инструменты для безопасного и точного выполнения своей работы. Например, им выдали датчики напряжения, крепящиеся на каску, которые безопаснее портативных, и тепловизионные приборы для обнаружения скрытых дефектов в изоляции высоковольтного оборудования, которые иначе могли бы привести к катастрофическим отказам.
Чтобы снизить неточные начисления и манипуляции счётчиками, компании заменили старые электромеханические счётчики на цифровые, которые считываются портативными устройствами. В некоторых местах Tata установила системы группового учета на основе радиочастотной идентификации, консолидирующие счётчики нескольких потребителей в одном. Данные затем передаются по беспроводной сети в центральную базу данных, устраняя необходимость в снятии показаний отдельных счётчиков. Компании теперь пробуют интеллектуальные счётчики, которые дают потребителям больше контроля над своими счетами за электроэнергию и дают коммунальным предприятиям удаленное управление некоторым оборудованием (с согласия потребителя).
Чтобы побудить людей платить счета, компании установили киоски, доступные 24 часа в сутки, и создали веб-систему платежей и мобильное приложение. Стимулы для ранней оплаты счетов и программы общественного взаимодействия также помогли. Помощь со стороны правоохранительных органов Дели значительно снизила хищение электроэнергии.
В районах, где кражи были особенно масштабными и потери достигали 83 процентов по данным Tata, компании применили другую стратегию. Эти участки Дели были в основном населены семьями с низким доходом. Tata Power, а позже BSES, работали над улучшением водоснабжения для этих жителей и предоставлением образовательных возможностей, таких как обучение чтению и письму на хинди, а также финансовой грамотности. Эти усилия были сосредоточены на женщинах, которые были дома больше, и платили им за сбор платежей за электроэнергию у соседей. Уровни оплаты счетов из этих районов теперь соответствуют уровням из других частей Дели.
В последние годы некоторые потребители устанавливают солнечные панели на крыше, чтобы воспользоваться субсидиями и льготами. Эта тенденция может дальше снизить потери электроэнергии, так как энергия, генерируемая на конце потребителя, снижает ток в распределительных линиях. Потребители также устанавливают больше светодиодных ламп и энергоэффективных приборов, снижая нагрузку в системе.
BSES использует ИИ для выявления краж. Алгоритмы анализируют закономерности потребления в районах, где потери выше, чем они должны быть. Компания также использует ИИ для прогнозирования спроса, точной настройки операционной эффективности и предоставления чатботов для потребителей.
Улучшение качества жизни в Дели
Жизнь в Дели лучше, чем 25 лет назад. Я не беспокоюсь, что электроэнергия может отключиться и вынудит меня переносить свои дела. Мой непрерывный Wi-Fi дает мне спокойствие, а системы отопления и охлаждения держат меня и мою семью в комфорте. Я редко нуждаюсь в нашем старом инвертере и батарее.
Количество предприятий в Дели значительно увеличилось, отчасти благодаря доступу к качественной электроэнергии. Люди могут с уверенностью покупать продукты, зависящие от электроэнергии. Фактически, пиковый спрос на электроэнергию в городе утроился с 2002 года из-за увеличения населения, коммерческой активности и использования электрических гаджетов.
И есть преимущества для планеты. Одна единица электроэнергии, которая не потрачена впустую, — это одна единица, которую не нужно генерировать, не говоря уже о сокращении выбросов углекислого газа.
Однако работа предстоит ещё много. В некоторых районах Дели по-прежнему высокие потери, отчасти вызванные незаконной зарядкой электрических рикш. В других частях Индии штаты Химачал-Прадеш, Мадхья-Прадеш, Махараштра и Телангана по-прежнему испытывают потери около 17–23 процентов несмотря на всесторонний Закон об электроэнергии 2003 года. Причин для продолжающихся потерь множество: длинные распределительные линии к удаленным деревням, меньшая цифровизация и неэффективность в выставлении счетов и сборе платежей.
Эти регионы и другие по всему миру могут учиться на примере возрождения сети Дели. В последнее время потери электроэнергии значительно возросли в таких странах, как Аргентина, Греция, Ямайка и Марокко, по данным Всемирного банка, и некоторые причины аналогичны тем, с которыми Дели столкнулся в 2002 году.
Между тем Австралия, большинство стран Северной Америки и Европы, а также несколько стран Азии и Африки испытывают низкие потери электроэнергии, поскольку регулярно инвестируют в модернизацию распределительной инфраструктуры и этическое соблюдение правил. В Китае, например, потери постепенно сокращались вдвое, с 7,1 до 3,4 процента. В Латвии потери упали с 25 до 5,8 процента.
Важен комплексный подход. Технологии, такие как интеллектуальные счётчики, ИИ и аналитика, безусловно, помогают, но не менее важно, чтобы люди в полевых условиях были обучены и несли ответственность за свою работу, и чтобы законы соблюдались и платежи собирались.
«Устойчивое снижение потерь не может произойти только благодаря технологии», — сказал мне Abhishek Ranjan, генеральный директор BSES Rajdhani Power.
«Технология — важный катализатор, но долгосрочный успех приходит от её сочетания с дисциплинированным выполнением, операционной ответственностью и сильной вовлеченностью потребителей».