// Сборник «Федоровские чтения», 2011 г., стр. 8-16

ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ, ЭНЕРГО-ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТИ

Б. И. Кудрин НИУМЭИ

О ПОТРЕБИТЕЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

         Нельзя не констатировать, что поставленные еще в первом сборнике материалов традиционных конференций («Электрификация металлургических предприятий Сибири», 1971) вопросы по электрификации промышленности принципиально не изменились и не исчезли. Одно стало кардинально иным: взаимоотношения электроэнергетики, которой стало много, и потребителя, оставшегося наедине и «вне закона» (отсутствует Федеральный закон «О потребителе электротехнической продукции (изделий), электрической энергии и мощности», хотя только по Москве потребителей электроэнергии 5,8 млн. физических лиц). Закон «Об электроэнергетике» (2003) дал определение субъекту электроэнергетики, но не включил в субъекты потребителя электрической энергии, указав лишь, что это лица, приобретающие электрическую энергию для собственных бытовых и (или) производственных нужд; и дав расплывчатое определение потребителю мощности.

         Достаточно часто пишут и говорят о необходимости закона о потребителе. Но здесь имеется две стороны. Во-первых, потребитель, с точки зрения потребления электроэнергии и мощности от субъекта электроэнергетики, должен быть классифицирован по уровням системы электроснабжения, потому что семья и отдельное домостроение отличаются от крупного промышленного комбината, поселения, города. И второе: мы, в этом случае, не включаем в понятие «потребитель» всех тех физических и юридических лиц, которые потребляют или зависят от электричества, но не имеют отношения к энергосистеме. От опытов Вольта (1800) за два века цивилизация открыла целый ряд областей, не имеющих отношения к электроэнергетике (медицина, химия, атмосферное электричество и др.), но определяемых свойствами электричества (электрона). Громадная область использования электричества опирается на различного рода гальванические элементы и аккумуляторы. Существуют замкнутые технические системы (устройства), функционирование которых невозможно без электричества (но они вполне автономны, заправляясь органическими видами топлива и используя возобновляемые источники энергии): космические и полярные станции; воздушный, морской и речной флот (суда имеют в некоторых случаях достаточно большие мощности и длительный срок автономного действия). И поэтому их не изучают в курсах, например, «Электрические станции», «Электрические сети и системы».

         Но есть нечто, объединяющее потребителя и электроэнергетику. Это, вообще говоря - вся электрификация, которая предполагает увязанные решения: электропривода, электротермии, электроосвещения, электроснабжения, организации управления обслуживанием и ремонтом, системы взаимодействия с субъектами электроэнергетики в части точек присоединения и учёта, по границам балансовой принадлежности и эксплуатационной ответственности, по объёмам поставляемой энергии и мощности.

         Электрическое хозяйство мы рассматриваем как совокупность (сообщество, ценоз, cenosis) установленных и резервных электротехнических установок; электрических и неэлектрических изделий, не являющихся частью электрической сети (цепи), но обеспечивающих её функционирование (эксплуатацию и ремонт); электротехнических и других помещений, зданий, сооружений, конструкций, которые эксплуатируются электротехническим или подчинённым ему персоналом; людские, вещественные и энергетические ресурсы, организационное и информационное обеспечение, которые необходимы для жизнедеятельности электрического хозяйства как выделенной целостности.

         Электрическое хозяйство включает в себя электрическую часть электрооборудования и сетей от шестого уровня системы электроснабжения 6УР до первого 1УР. Целевое назначение электрического хозяйства есть обеспечение потребителей (электроприёмников) - собственно выделенного объекта - электроэнергией определённого качества или преобразование её в другие виды энергии при заданной бесперебойности (процесса обеспечения и преобразовании) и живучести (электрического хозяйства как системы и его отдельных частей) с ограничениями по расходу ресурсов, электрической безопасности и безопасности экологической.

         Одной из ключевых задач обеспечения бесперебойности является применение АВР. Сейчас время АВР на подстанциях составляет 1,5-5 с. Кафедрой ЭПП МЭИ разработаны и введены в эксплуатацию на подстанциях предприятий «Газпромнефть», «Лукойл», ТНК БП, Роснефть, МОЭК и др. системы быстродействующего АВР (БАВР) на основе коммутационных аппаратов BB/TEL Shell исполнения Q разработки компании «Таврида Электрик» и микропроцессорного пускового устройства БАВР-072 разработки «Промир». Время переключения на резервный источник для предлагаемого БАВР составит: время срабатывания пускового устройства - 6-12 мс плюс время отключения высоковольтного выключателя 8 мс. В результате полное время переключения на резервный источник составляет 28-34 мс. За счёт малого времени отключения 8 мс - время выбега на КЗ в питающих сетях не превысит 20 мс, а значит торможение АД, СД будет меньше, и токи при восстановлении электроснабжения не превысят 1,8-2,0 о.е.

         Определение электрического хозяйства позволяет выделить обширную область народного хозяйства, называемого далее электрикой (термин уже получил права гражданства), электроэнергетику промышленности и транспорта, объектов строительства, агропрома, коммунально-бытовых, спорта, культуры, науки, обороны и др. Электрика как научное направление и область практического приложения отличается от электротехники и электроэнергетики тем, что использует уже изготовленные изделия и электроэнергию, уже произведённую и переданную субъектами электроэнергетики до границы раздела субъекта и потребителя (6УР). Потребитель может быть классифицирован: 2УР - для участков цеха и для мини-предприятий по 0,4 кВ (90 % всех потребителей страны); ЗУР - для отделений, мелких организаций (9 %) по 10/0,4 кВ, но от щита трансформатора; 4УР - средних (0,9 %) по 10(6) кВ, имеющих распредустройство; 5УР -крупных, имеющих вводы и подстанции 35, ПО (154), 220 (330) кВ. На каждом из предприятий (уровней) может быть собственная генерация, на крупных и средних - ТЭЦ.

         С начала индустриализации (1926), все 30-е годы, когда было построено свыше 500 заводов, взаимоотношения «потребитель - поставщик электроэнергии» были однонаправленными (был Наркомат электростанций, а термина «электроэнергетика» не было): потребитель сам рассчитывал свою нагрузку, определял энергию и мощность, выдавал задание, которое, учитывая, что строительство завода (объекта) задавалось ВСНХ - Госпланом, а контролировалось НКВД, неуклонно принималось к исполнению. Ещё жёстче стало положение во время войны, когда решения принимались Государственным Комитетом Обороны. Именно в это время (1944) была осознана особость электрического хозяйства потребителя от систем энергетики, и ГКО ввёл должность главного энергетика на предприятиях с нагрузкой 1000 кВт и выше.

         В 50-е годы было подтверждено положение ГОЭЛРО, что электрификация «должна выполняться централизованно», а «местнический подход опасен». Созданное Министерство энергетики и электрификации СССР (1963) под обязательство довести электроэнергию до «каждого станка, коровника, розетки» получило приоритет над потребителем, обязав его получать технические условия на присоединение, в которые включались все сопутствующие затраты на новые подстанции и сети (этого ранее не было). Был введён запрет потребителю строить и иметь собственную генерацию, а затраты при четырёхкратной трансформации напряжения новых ТЭЦ Минэнерго относились на потребителей. Минэнерго переводило в свою собственность ТЭЦ заводов (Волжский и Камский автозаводы, Западно-Сибирский металлургический, Братский лесокомплекс и др.). Из 166200 малых электростанций потребителей суммарной мощностью 9,7 млн. кВт (по состоянию на 1960 г.) 2/3 были уничтожены, в том числе 6500 ГЭС средней мощностью 1 МВт. Из названия Министерства термин «электрификация» был выброшен. Но главное - электрификация России не состоялась, 2/3 территории, до 25 млн. человек без надёжного электроснабжения. Энергетическая стратегия развития электроэнергетики до 2020 (2030) года также не ставит задачу электрифицировать страну.

         Но замолчать интересы потребителя невозможно. В последнее время на самом высоком уровне стали говорить о приоритете потребителя. Так, А. Чубайс (2006) на Всероссийском совещании сказал: «Я хотел бы, чтобы для нас с вами кроме тактики, кроме стратегии, была бы одна единственная вещь, которая затмила бы всё это вместе взятое. Это то, собственно, ради кого мы работаем, ради кого мы решаем все эти наши проблемы -наш потребитель. Независимо от того, о каком потребителе идёт речь..., мы - для потребителя, а не наоборот. Только для него мы, собственно, существуем. Если бы его не было, мы были бы не нужны. При этом любые наши действия ни в коем случае не должны ухудшить ситуацию для потребителя»; позднее Путин В. В. (2011): «Нужно обеспечить потребителей надёжным и эффективным энергоснабжением».

         Давайте обобщённо посмотрим на теорию и практику электричества вообще в части, касающейся потребителей.

         Век электротехники основывался на классических представлениях XIX века: тела (поля) и движение можно представить в идеальном виде, существуют жёсткие причинные связи и следствия. Математический аппарат -дифференциальное и интегральное исчисления. При заданных исходных данных решение однозначно и неотличимо от другого с теми же исходными данными. Существуют обратимость и независимость решений от времени производимых вычислений. Завершённость электротехники определилась принятием Первым Международным конгрессом электриков (1881) электромагнитной системы единиц; определениями вольта, ампера, ома; Вторым (1989) - переменного тока, джоуля, ватта; Третьим (1891) -многофазных систем; Четвёртым (1893) - эталонов измерений и символов; наконец, созданием Международной электрической комиссии - МЭК (1904) и чередой ВЭЛК. Электротехническая промышленность как отрасль всегда рассматривалась как основная техническая база электрификации страны. Таким образом, речь всегда идёт об изготовлении изделий, которые затем вместе с другими изделиями, созданными другими отраслями, и образуют собственно электрическое хозяйство потребителя.

         Век электроэнергетики - век двадцатый - начал иметь дело с процессами и системами (классические представления первой научной картины мира имеют соподчинённое значение). Господствующее мировоззрение- вероятностные представления и системно-кибернетические взгляды, реализуемые теорией больших (сложных) систем, системным анализом, системотехникой, теорией надёжности и массового обслуживания. Всё это основывалось на теории вероятностей и математической статистике, которые предполагали действие закона больших чисел и центральной предельной теоремы. Решение любой задачи определяли параметрами распределения, так что с заданной вероятностью находили некоторый интервал, в котором и существовало решение. Международный Совет по большим электроэнергетическим системам организован в 1921 г., Россия примкнула к CIGRE в 1923 г. (термин «электроэнергетика» отсутствовал в Энциклопедическом словаре 1955 года, в ГОСТ 19431-74, но появился в Словаре 1981 г., в ГОСТ 19431-84).

Век XXI - век электрики - оперирует с электрическим хозяйством потребителей, и, используя классические представления теоретических основ электротехники и вероятностные представления электроэнергетики, исследует электрическое хозяйство как слабо связанное и слабо взаимодействующее практически бесконечное (счётное) множество изделий (целостность), конвенционно выделяемых как электроценоз, адекватно не описываемое системой показателей, тождественно не равной другой при совпадении показателей, необратимо развивающееся (эволюционирующее). Математический аппарат - гиперболические H-распределения в видовой, ранговидовой и ранговой по параметру формах, которые не дают решения в точке из-за теоретического отсутствия математического ожидания (среднего) и бесконечности дисперсии. Однако оперирование с распределением в целом позволяет решать практические задачи определения параметров электропотребления, нормирования и энергосбережения, изменения организации электроремонта и повышения эффективности электрического хозяйства в целом и по отдельным составляющим. Термин «электрика» циркулировал по Украине (Харьков) в 20-х годах, в 60-е он был обычен в устах аппаратных работников при ведении оперативок по строительству объектов, осуществляемых по решению съездов КПСС, в 70-е термин мною был введён в проектную и научную практику, в 1992— 1999 гг. работало ТОО «Электрика», сейчас в Интернете свыше миллиона запросов на этот термин.

Принципиально, что понятие «электроприёмник» - ранее тождественное 1УР - трансформировалось в устройство конечного электропотребления. Термин «электроустановка» не определён законодательно, однако его определение имеется в ПУЭ, последняя редакция отдельных глав которых утверждена приказом Минэнерго РФ от 8 июля 2002 г. № 204 и введена в действие с 1 января 2003 г. Пункт 1.1.3 гласит: «Электроустановка - совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии». В документах, регулирующих взаимоотношения сетевых организаций с потребителями, в частности в «Правилах технологического присоединения энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, объектов по производству электрической энергии, а также объектов электросетевого хозяйства, принадлежащих сетевым организациям и иным лицам, к электрическим сетям» (утверждены постановлением Правительства РФ от 27.12.2004 г. № 861, в редакции от 21.03.2007 г. № 168), вместо термина «электроустановка» используется термин «энергопринимающие устройства», законодательное определение которому не дано. Сетевые организации по-разному трактуют этот термин. В частности, ОАО «Московская объединённая электросетевая компания» в «Положении о технологическом присоединении...» (приказ от 09.09.2009 г. № 523) даёт следующее определение: «Энергопринимающее устройство - совокупность машин (аппаратов, линий и иного оборудования), находящихся у Заказчика в собственности (на ином законном праве) и обеспечивающих возможность преобразования, трансформации, передачи, накопления, распределения и потребления электрической энергии». Тогда, например, трансформатор - только часть энергопринимающего устройства.

Действие «Правил технологического присоединения...» распространяется на случаи присоединения впервые вводимых в эксплуатацию, ранее присоединённых реконструируемых энергопринимающих устройств, присоединённая мощность которых увеличивается, а также на случаи, при которых в отношении ранее присоединённых энергопринимающих устройств изменяются категория надёжности электроснабжения, точки присоединения, виды производственной деятельности, не влекущие пересмотр величины присоединённой мощности, но изменяющие схему внешнего электроснабжения таких энергопринимающих устройств.

         Границы между оптовым и розничным рынками физически не существует. Для потребителя розницы цены транслируются через сбытовые компании. Рынок электроэнергии (созданный в 1997 г. и неоднократно реформированный) обеспечивает краткосрочную надёжность и экономическую эффективность; рынок мощности (с 2006 г.) - долгосрочную надёжность, предупреждая дефицит. Мелкие и средние потребители «привязаны» к гарантирующему поставщику, который выходит на оптовый рынок, а потому поставлены в менее выгодные условия, чем крупные, имеющие выход на оптовый рынок. Снижение перекрестного субсидирования, переход к долгосрочным тарифам (постановление 2009 г.), применение метода доходности на инвестированный капитал (RAB) ведёт к росту цен для потребителя (за услуги ФСК - до 50 %). Продажа мощности призвана компенсировать производителю постоянные издержки, продажа электроэнергии - переменные издержки.

         В связи с завершением переходного периода реформирования электроэнергетики с 2011 г. механизмы торговли мощностью изменяются (постановление № 89 от 24.02.2010 г.) и действует без малого 50 регламентов и положений, в том числе около десяти механизмов торговли мощностью (договоров). Для работы на оптовом рынке (ОРЭМ) потребитель должен иметь суммарную присоединённую мощность энергопринимающего оборудования не менее 20 МВА и в каждой группе точек поставки - не менее 750 кВА, а также систему АИИС КУЭ для сбора, обработки и передачи информации на ОРЭМ. Промышленные предприятия с высоким числом часов использования максимума нагрузки имеют объективные преимущества участия на ОРЭМ. Технически целесообразна и экономически оправдана собственная регулируемая генерация потребителя, работающая параллельно с сетью.

Обратим внимание на строительство кольца 330 кВ вокруг Санкт-Петербурга, 750 кВ вокруг Москвы, планы замены сетей 110 кВ на 220 кВ. Это «громадьё» планов технически и экономически не обосновано. Отказ потребителю в присоединении не подкрепляется фактической статистикой по загрузке. Пример: в составе МРСК Сибири действует 946 ЛЭП 110 кВ (в одноцепном исчислении 30 тыс. км), которые превратились в распределительные к центрам нагрузок. Обследование, проведённое Томском, показало углубление техноценологических свойств электропотребления, заключающихся в увеличении разнообразия, и слабую загрузку: 24 % линий имеют загрузку менее 10 %; 55 % - менее 20 %; 77 % - менее 30 %; средняя загрузка трансформаторов - 45 % от номинальной.

Говоря о прогнозировании и стратегии поведения потребителя, следует опираться на гиперболическое негауссово H-распределение, являющееся теоретической основой электрики, согласно которой элементарное техническое объединяется, чтобы в соответствии с первой научной картиной мира предстать в виде чертежей на электродвигатель; со второй - рассчитать режимы и перетоки; с третьей - поразить проявлением ценологических свойств при функционировании предприятия или города. Ключевыми для начала ценологического исследования любой реальности и вида деятельности являются одномоментные, одно без другого не мыслимые определения (выделения): 1) собственно ценоза; 2) семейства далее неделимых элементарных единиц-особей; 3) понятия (технического) вида. Все три мыслительных действия концептуальны.

Опираясь на ранговый анализ изменения электропотребления за 21 год по генеральной совокупности предприятий чёрной металлургии и по всем регионам России, мы получаем высокую точность. Для металлургии она зафиксирована 0,9 % в сентябре года, предшествующего планируемому, на следующий год, и 3 % - на пятилетку. Ценологическое преимущество заключается в том, что оцениваются все составляющие (поведение отдельной особи - завода в составе отрасли, региона - в составе страны). Это поведение может быть предсказано существующими статистическими методами. Но ценология накладывает ограничения на все особи отрасли, региона. И тогда очевидно, что какая-то из особей не протяжении 20 лет может по общим и удельным расходам опережать другие или снижаться, но в целом их изменение характеризуется неизменным характеристическим показателем. Точнее, его малым изменением за 10-20 лет. Это и даёт мне возможность прогнозировать электропотребление по России на 2060-й год и утверждать о возможном распаде страны, если, во-первых, не будет решена проблема электродефицитных регионов как потребителей, во-вторых, не будет взят курс на электрификацию всей России вплоть до каждой отдельной семьи, домовладения, поселения. Общегуманитарная постановка проблемы и размышления о фундаментальности инвариантности структуры любого ценоза определяет необходимость творческого, неформализуемого подхода при принятии управленческих решений.

Излишней представляется (из-за коррупционности, снижения конкурентоспособности отечественной продукции из-за задержек с оформлением, согласованием и др.) обязанность производителя по ФЗ «Об энергосбережении» оформлять энергетическую декларацию, содержащую сведения об электроёмкости (применение законом этого термина - ошибочно): фактически же речь должна идти о затратах электроэнергии при эксплуатации. С нашей точки зрения, оценка (расчётная) затрат на эксплуатацию помещений, коэффициент энергоэффективности которых не соответствует необходимому уровню, есть некоторый лозунг, который не может быть реализован, учитывая разброс электрических параметров на выпуск продукции одного наименования. Электропотребление не может быть описано средним, а ошибка может быть сколь угодно большой. Выход - в инструментальном учёте энергозатрат на любом выделенном объекте, с обязательным фиксированием в пространстве и во времени, структурно-топологическом анализе общих и удельных расходов по отдельным видам продукции, электроёмкости по объекту в целом, кластерном анализе для определения энергоэффективности.

К проблеме выработки и потребления можно подходить, ориентируясь на интересы и планы субъекта электроэнергетики, а можно идти от потребителя - от 40 млн. абонентов. Именно второй подход должен превалировать, поскольку сегодня энергоэффективность России в пять раз хуже, чем в Европе. Именно факт, что экономия энергии неразрешима без потребителя, и породил электрику как специфическую область человеческой деятельности и вполне самодостаточную науку. И здесь ещё раз подчеркнем необходимость разработки закона «О потребителе электрической энергии» (относящееся к электротехнике здесь не рассматриваем), в котором должно содержаться следующее:

· во-первых, классификация потребителей, основанная не на величине потребляемой (расчётно-договорной) мощности, а на способе присоединения (устройства границы раздела «потребитель - энергоснабжающая организация») и величине питающего напряжения;

· во-вторых, для обеспечения потребителя электроэнергией - подтверждение незыблемого в электроэнергетике основополагающего принципа: свои сооружения и сети субъект электроэнергетики проектирует, строит, эксплуатирует за свои средства;

· в-третьих, до согласованной мощности, включая всю генерацию потребителя до 1 кВ, присоединение потребителя к сетям электроэнергетики осуществляется по заявительному, а не по разрешительному принципу;

· в-четвёртых, избыток выработанной потребителем электроэнергии обязательно приобретается субъектами энергетики по стоимости, не меньше себестоимости, определённой для энергоснабжающей организации.

Литература

1. Кудрин Б. И. Электрика: некоторые теоретические основы / Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 6. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1989. С. 5-73.

2. Кудрин Б. И. Организация, построение и управление электрическим хозяйством промышленных предприятий на основе теории больших систем: Дис. ...д-ра техн. наук по спец. 05.14.06 - Электрические системы и управление ими. - Томск: Томск, политех, ин-т, 1976. 452 с. - М.: Центр системных исследований. Вып. 24 «Ценологические исследования». 2002. - 368 с.

3. Кудрин Б. И. 50-летняя стратегия развития электроэнергетики России // Экономические стратегии. 2010. № 4. С. 2-9.