Електромережі: як вони працюють

З чого складається електромережа?
Електромережа складається з чотирьох основних компонентів, кожен з яких детально описаний нижче.
Генератори 
Генератори виробляють електроенергію, до їх складу входять електростанції, що працюють на вугіллі і природному газі, гідроелектростанції, атомні електростанції, вітряні турбіни та сонячні батареї. Розташування цих генераторів електроенергії і їх відстань від кінцевих користувачів сильно відрізняються.
Ці технології також фізично різні, вони використовуються і управляються по-різному в електромережі. Наприклад, деякі типи електростанцій, такі як вугільні та атомні, мають невеликий короткостроковий резерв потужності при регулюванні електроенергії, тому потрібно багато часу, щоб збільшити або зменшити кількість виробленої ними електроенергії.
Інші станції, що працюють на природному газі, можуть дуже швидко наростити свою потужність, тому часто використовуються для покриття піків попиту. Більш варіабельні технології, які використовують енергію вітру і сонця, зазвичай застосовуються щоразу, коли вони доступні, в значній мірі ще й тому, що їх паливо - сонячне світло і вітер - безкоштовно.
У будь-який момент часу завжди існує «резервний запас». Це певний обсяг резервної електричної потужності, яка доступна для компенсації можливих помилок прогнозування або несподіваних зупинок електростанції. Для забезпечення безперебійної роботи енергосистеми попит і пропозицію на електроенергію, її резервні запаси і поєднання технологій виробництва постійно контролюються і управляються мережевими операторами.
Електрогенератори належать електричним компаніям або комунальним підприємствам, які, в свою чергу, регулюються Державною комісією з регулювання комунальних підприємств (PUC) або Комісією з регулювання комунальних послуг (PSC). У Сполучених Штатах Комісія з регулювання комунальних підприємств (PUC) - це організація, яка займається тарифами та послугами, які надаються комунальними компаніями. 

В Україні подібні функції виконує державне підприємство «Енергоринок». Цей орган створено державою в особі Кабінету Міністрів України і є Стороною Договору між членами Оптового ринку електричної енергії України (ДЧОРЕ). Енергоринок є оптовим покупцем всієї виробленої в Україні електроенергії та її продавцем енергопостачальним компаніям. Всі генеруючі компанії продають електроенергію оптовому покупцю (Енергоринку), а він, по середній ціні, реалізує її енергопостачальним компаніям в особі обленерго. Головною метою діяльності підприємства є оптимізація та вдосконалення механізмів організації Оптового ринку електричної енергії України (ОРЕ) та поліпшення стану розрахунків за електричну енергію, продану-куплену на ОРЕ. 
Комісії з регулювання комунальних підприємств (URC) PUCs і PSCs є незалежними регулюючими органами, які призначаються законодавчим органом штату. Генератори можуть бути створені лише з дозволу PUC або PSC, ці агенції встановлюють відповідні тарифи на електроенергію в своєму штаті. Ці тарифи повинні дотримуватися комунальними підприємствами.

Лінії електропередавання 
Лінії електропередавання (ЛЕП) необхідні для передачі електроенергії високої напруги на великі відстані та для підключення генераторів до споживачів електроенергії. ЛЕП - це повітряні лінії або підземні силові кабелі. Повітряні кабелі не ізольовані та уразливі для погодних умов, але вони, зазвичай, дешевші при інсталяції, ніж підземні силові кабелі. Повітряні і підземні ЛЕП виконані з алюмінієвого сплаву і посилені сталлю; підземні лінії, як правило, ізольовані. ЛЕП розраховані на високу напругу, це зменшує частку електроенергії, яка втрачається при транспортуванні - в середньому це становить близько 6% для Сполучених Штатів. Коли струм протікає по дротах, частина його завдяки опору розсіюється у вигляді тепла. Чим вище напруга на ЛЕП, тим менше електроенергії вона втрачає. Значна частина електричного струму протікає близько до поверхні дротів ЛЕП, а використання  дротів більшого діаметру має мінімальний вплив на втрати при передаванні електроенергії.
Напруга на стороні передачі зазвичай становить 110 кВ, при цьому деякі ЛЕП мають напругу до 765 кВ. Однак генератори виробляють електрику при низькій напрузі. Далі електроенергія за допомогою трансформаторів перетворюється на більш високу напругу. Висока напруга значно перевищує ті значення, які використовуються в побуті, тому на стороні споживачів трансформатори перетворюють її знову на більш низьку напругу, перш ніж вона потрапить в розподільчу мережу.
ЛЕП сильно взаємопов'язані, це необхідно для забезпечення підвищення надійності електропостачання. У Сполучених Штатах є три основні енергосистеми: Західна, Східна і Рада з надійності електропостачання Техасу (ERCOT). Будівництво ліній електропередавання затверджується державою (за це відповідають PUC або PSC). Це також відноситься і до генераторів електроенергії. Оптові угоди з постачання електроенергії, які укладаються регіональними мережевими операторами, регулюються національною агенцією - Федеральною комісією з регулювання енергетики (FERC). FERC регулює електромережу в більшому масштабі, ніж PUC, і може вирішувати суперечки між різними учасниками ринку. Мережі управляються комунальними службами, але деякі з них передають в управління окремим суб'єктам - незалежним системним операторам (ISO) або регіональним організаціям з електропередавання (RTO). Ці компанії сприяють конкуренції між постачальниками електроенергії і забезпечують доступ до енергетичних потужностей, плануючи і контролюючи використання ЛЕП. 
У більшості випадків сучасні об'єднані енергосистеми являють собою масштабні енергосистеми технічні, що охоплюють території держав у межах їх національних кордонів. Це характерно для країн, що володіють територією помірних розмірів. У країнах з розвинутою енергетикою, які мають велику територію, таких як США або Росія, існують по декілька ОЕС у різних частинах країни поряд з тим, що є ще й ізольовано працюючі локальні енергосистеми (у Росії, наприклад, існують 8 ОЕС і, крім того, 7 ізольованих енергосистем). На території України в межах її національних кордонів в окремі періоди часу діяли кілька об'єднаних енергосистем. Так, у період з 1962 по 1967 р. Західна енергосистема працювала в синхронному режимі з ОЕС «Мир» із центром керування в Празі (Чехія). В ОЕС «Мир» входили енергосистеми Болгарії, Угорщини, ГДР, Польщі, Румунії, Чехословаччини. Тільки в 1978 р. розвиток внутрішньої електричної мережі 330 і 750 кВ ОЕС України дозволив включити Західну енергосистему на паралельну роботу з іншою частиною ОЕС і ЄЕС СРСР. Це надпотужне об'єднання надійно працювало до 1992 року. З 1993 до 2001 р. ОЕС України працювала ізольовано від суміжних енергооб’єднань. У 2001 році ОЕС України з енергосистемою Молдови синхронізувалися з ЄЕС Росії. З 2002 р. ряд енергооб’єктів у західній частині України, які пов'язані з найбільшою на цій території Бурштинською тепловою електростанцією і одержали назву «Острів Бурштинської ТЕС», виділені на синхронну роботу із закордонними енергооб’єктами, що входять в об'єднану енергосистему країн Східної Європи – CENTREL. Таким чином, український «Острів Бурштинської ТЕС» став частиною ОЕС СENTREL із центром управління у Варшаві (Польща). На решті території України функціонує об’єднана енергосистема – ОЕС України – з центром управління в Києві. Об’єднана енергосистема України включає в себе вісім паралельно працюючих енергосистем (Західна, Південно-Західна, Центральна, Південна, Північна, Дніпровська, Кримська і Донбаська). В економічній і технічній літературі, присвяченій роботі енергосистем, нерідко можна зустріти термін «національна енергосистема», який треба розуміти як комплекс всіх енергооб’єктів, що знаходяться на території даної держави, незалежно від їх підлеглості центрам оперативного управління, навіть якщо вони знаходяться за кордоном. Об'єднані енергосистеми – основний елемент для створення найбільших внутрішньодержавних та міждержавних транснаціональних енергооб’єднань (енергоутворень), які представляють більш високий ступінь інтеграції енергетики різних країн у світову економіку.

Розподіл 
Розподільча мережа - це система дротів, яка визначає, куди йдуть лінії електропередавання. Ця мережа починається з трансформаторів і закінчується будинками, школами і підприємствами. Розподіл регулюють PUC і PSC на рівні штатів, вони встановлюють роздрібні тарифи на електроенергію в кожному штаті.

Споживче використання або «навантаження» 
Мережа електропередавання закінчується, коли електрика, нарешті, потрапляє до споживача. Споживач може включити світло, подивитися телевізор або запустити посудомийну машину. Наш повсякденний уклад складається з мінливого попиту на електроенергію по годинах, днях і сезонах, тому управління енергосистемою є складним і життєво важливим.

Еволюція електромережі
Електромережі значно зросли і змінилися з моменту їх виникнення на початку 1880-х років, коли енергетичні системи були невеликими і локалізованими. Протягом цього часу розроблялися два різних типи електричних систем: система постійного струму і система змінного струму. Конкуренція між цими двома системами була жорсткою. Конкуруючі електричні компанії прокладали дроти на одних і тих же вулицях міст, в той час як електропостачання сільських районів було проігноровано.
Незважаючи на кампанію Томаса Едісона, спрямовану на просування системи постійного струму, бізнесмен Джордж Вестінгауз і винахідник Нікола Тесла заручилися підтримкою електричних компаній для системи змінного струму. Ця система мала явну перевагу, дозволяючи передавати електроенергію на високих напругах на великі відстані, а потім перетворювати її на більш низькі напруги для використання споживачем. По мірі розвитку систем електропостачання переваги змінного струму дозволили комунальним підприємствам будувати мережі на великих територіях зі значною економією. Щоб стабілізувати бізнес-середовище, комунальні підприємства прагнули працювати за «нормативно-правовим договором». Це надавало їм монопольний статус з боку урядів штатів, і встановлювало обмеження на те, які тарифи будуть виставлені для споживачів. В рамках цієї структури за допомогою комунальних послуг контролювався кожен аспект електромережі, від генерації до розподілу. Орієнтовно, з 1920 по 1980 роки цей підхід був заблокований.
Однак у зв'язку з енергетичною кризою 1970-х років Конгрес змінив цю структуру, щоб забезпечити оптову конкуренцію при виробництві електроенергії. Суб’єкти, які виробляли електроенергію більш ефективно або використовували поновлювану енергію змогли вийти на ринок, в той час як оператори передачі (ISO і RTO) зберігали монополію на управління мережею - ця зміна відома як «реструктуризація». Це призвело до того, що 17 штатів, а також округ Колумбія реструктурували управління електромережою, що дозволило клієнтам купувати електроенергію у конкурентоспроможних роздрібних постачальників. Однак багато штатів залишаються «вертикально структурованими», це означає, що всі аспекти електромережі підпорядковуються одній і тій же компанії.

Важливість ефективної передачі мережі 
Взаємопов'язаний і складний характер електромережі забезпечує декілька переваг,  а саме:
- Надійність. Оскільки мережа являє собою велику розгалужену структуру, електрику можна використовувати в потрібних місцях у великих регіонах країни. Велика мережа електропередавання дозволяє операторам енергосистеми справлятися з очікуваними і непередбаченими втратами, в той же час задовольняючи попит на електроенергію.
- Гнучкість. Електромережа дозволяє енергосистемі використовувати різноманітні ресурси, навіть якщо вони розташовані далеко від місця, де потрібна електроенергія. Наприклад, вітряні турбіни будують там, де вітер найсильніший; мережа дозволяє передавати цю електроенергію у віддалені міста.
- Економічна конкуренція. Оскільки мережа дозволяє декільком виробникам і електростанціям забезпечувати електроенергією споживачів, різні виробники конкурують один з одним в наданні своїх послуг за найнижчою ціною. Мережа також служить формою страхування - конкуренція в мережі захищає клієнтів від цінових коливань на паливо.
Історичне відключення 2003 року продемонструвало, чому ефективне електропередавання по мережах так важливе. 14 серпня 2003 року через людську помилку енергетична компанія штату Огайо отримала найбільше відключення електроенергії в історії людства. У темряву занурилися Нью-Йорк, Пенсильванія, Коннектикут, Массачусетс, Нью-Джерсі, Мічиган і навіть частина Канади. Офіси довелося евакуювати, а тисячі людей, страждаючи від спеки, заповнили лікарні. Сьогодні електрична мережа пройшла довгий шлях еволюції, починаючи з 2003 року, однак існує ще багато можливостей для її вдосконалення. 
В Україні транспортування та розподіл електроенергії здійснюється магістральними (в т.ч. між- державними) мережами протяжністю близько 23 тис. км та розподільними (локальними) мережами (понад 890 тис. км повітряних і кабельних ліній). До складу електромереж належать трансформаторні підстанції, розподільні установки та власне лінії передачі. Магістральні електромережі перебувають в оперативному та технологічному управлінні ДП НЕК “Укренерго”. Розподільні (локальні) мережі належать енергопостачальним (розподільним) компаніям різних форм власності, яких на цей час налічується 29 (25 “обленерго”, компанії Київенерго, ТОВ “Луганське енергетичне об’єднання (ЛЕО)”, ТОВ “Сервіс-Інвест” і ДП “РЕМ”). Ці компанії забезпечують транспортування і продаж електроенергії споживачам. Обладнання електромереж характеризується високим рівнем зношеності, що зумовлює значні витрати електроенергії на її транспортування. У 2011р., порівняно з 2010р., загальні технологічні витрати зменшилися на 0,6%, але їх обсяг залишився високим – 21,1 млрд. кВт-год., або майже 12% загального відпуску електроенергії в мережу28 (що в 1,5 разу більше, ніж у розвинутих країнах, де цей показник не перевищує 8%). Проблемою є також недостатня спроможність ліній електропередачі у видачі потужності АЕС у мережу. Як зазначалося вище, саме через мережеві обмеження (брак ліній електропередачі напругою 750 Кв), насамперед, Рівненська і Хмельницька АЕС не можуть працювати на повну потужність29. Крім того, структура українських електромереж не дозволяє забезпечити повноцінний перерозподіл між регіонами, де є надлишок електроенергії (Захід країни), та енергодефіцитними (насамперед, Південь). Тому більшість напрямків передачі електроенергії між регіонами України працюють на межі забезпечення стійкості енергосистеми, що знижує її надійність, ускладнює регулювання та дотримання графіку ремонтних робіт.

Нові можливості мережі 
Електромережа є динамічною системою. За останнє сторіччя вона докорінно змінилося. Для того, щоб пристосуватися до нових технологій, збільшити попит на електроенергію і задовольнити зростаючі потреби в надійних і різноманітних джерелах електроенергії, електромережа швидко розвивається. Навіть щогодини вона змінюється, при цьому різними джерелами електроенергії маніпулюють для задоволення попиту при найменших витратах.
Оскільки технологічні зміни і кращі варіанти стають доступними, можуть бути здійснені значні поліпшення в електромережі. Наприклад, технології накопичення енергії дають змогу зберігати електроенергію коли попит на неї різко зростає. Це підвищує ефективність і надійність енергосистеми. Нові, більш досконалі лічильники, такі як термостати з самопрограмуванням (self-programming thermostats), дозволять поліпшити збір даних для більш ефективного управління і швидкого часу відгуку. Навіть транспортні засоби можуть при цьому відігравати важливу роль, оскільки інтелектуальна зарядка дозволить електричним машинам взаємодіяти з електричною мережею. Системи розподіленої генерації, такі як сонячні батареї в окремих будинках, скорочують відстань, яку електрика має пройти до споживачів, тим самим підвищуючи ефективність і заощаджуючи гроші. Інвестиції від споживачів, як, наприклад, придбання енергоефективних приладів, будівництво сучасних будівель або установка сонячних панелей, економлять кошти клієнтів і в той же час дають змогу більш ефективно використовувати енергію.

За матеріалами www.ucsusa.org підготував П.Коновал