Интеллектуальная сеть представляет собой усовершенствованную электрическую сеть 20-го века , использующую двустороннюю связь и распределенные так называемые интеллектуальные устройства. Двусторонние потоки электроэнергии и информации могут улучшить сеть доставки. Исследования в основном сосредоточены на трех системах интеллектуальной сети – системе инфраструктуры, системе управления и системе защиты. [1] Электронное регулирование мощности и контроль производства и распределения электроэнергии являются важными аспектами интеллектуальной сети. [2]
Интеллектуальная сеть представляет собой полный набор текущих и предлагаемых решений проблем электроснабжения. Ожидается, что внедрение технологий интеллектуальных сетей, в частности включая управление спросом, внесет большой вклад в общее повышение эффективности энергетической инфраструктуры . Повышенная гибкость интеллектуальной сети позволяет более широко использовать весьма изменчивые возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра , даже без добавления накопителей энергии . Интеллектуальные сети также могут отслеживать и контролировать бытовые устройства, которые не являются критически важными в периоды пикового энергопотребления, и восстанавливать свои функции в непиковые часы. [3]
Интеллектуальная сеть включает в себя различные эксплуатационные и энергетические меры:
Проблемы, связанные с технологией интеллектуальных сетей, в основном касаются интеллектуальных счетчиков, элементов, которые они обеспечивают, и общих проблем безопасности. Внедрение технологии интеллектуальных сетей также подразумевает фундаментальную реорганизацию отрасли электроэнергетических услуг, хотя типичное использование этого термина сосредоточено на технической инфраструктуре. [7]
Политика интеллектуальных сетей организована в Европе как Европейская технологическая платформа Smart Grid. [8] Политика в США описана в 42 USC ch. 152, подп. IX § 17381.
Первая энергосистема переменного тока была установлена в 1886 году в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс . [9] В то время энергосистема представляла собой централизованную однонаправленную систему передачи электроэнергии , распределения электроэнергии и управления по требованию.
В 20 веке местные сети со временем разрослись и в конечном итоге были объединены между собой по экономическим соображениям и соображениям надежности. К 1960-м годам электрические сети развитых стран стали очень большими, зрелыми и тесно взаимосвязанными: тысячи «центральных» электростанций доставляли электроэнергию в основные центры нагрузки через линии электропередачи высокой мощности, которые затем были разветвлены и разделены для обеспечения электроэнергией. более мелким промышленным и бытовым потребителям по всей территории поставок. Топология сети 1960-х годов была результатом сильной экономии за счет масштаба: крупные угольные, газовые и нефтяные электростанции мощностью от 1 ГВт (1000 МВт) до 3 ГВт по-прежнему считаются экономически эффективными, поскольку к функциям повышения эффективности, которые могут быть рентабельными только тогда, когда станции станут очень большими.
Электростанции стратегически располагались так, чтобы быть рядом с запасами ископаемого топлива (либо самими шахтами или колодцами, либо вблизи железных дорог, дорог или портовых линий снабжения). Размещение плотин гидроэлектростанций в горных районах также сильно повлияло на структуру создаваемой сети. Атомные электростанции были расположены с учетом наличия охлаждающей воды. Наконец, электростанции, работающие на ископаемом топливе, изначально были очень загрязняющими окружающую среду и располагались как можно дальше с экономической точки зрения от населенных пунктов, как только это позволяли распределительные электросети. К концу 1960-х годов электросеть охватывала подавляющее большинство населения развитых стран, и только отдаленные регионы оставались «вне сети».
Учет потребления электроэнергии был необходим для каждого пользователя, чтобы обеспечить возможность выставления счетов в соответствии с (сильно варьирующимся) уровнем потребления различных пользователей. Из-за ограниченных возможностей сбора и обработки данных в период роста сети обычно применялись соглашения с фиксированными тарифами, а также соглашения с двойными тарифами, при которых плата за электроэнергию в ночное время взималась по более низкой ставке, чем за электроэнергию в дневное время. Причиной введения двойных тарифов стал более низкий спрос в ночное время. Двойные тарифы сделали возможным использование недорогой электроэнергии в ночное время в таких приложениях, как поддержание «тепловых батарей», которые служили для «сглаживания» дневного спроса и уменьшения количества турбин, которые необходимо было отключать на ночь. , тем самым улучшая использование и рентабельность объектов генерации и передачи. Измерительные возможности сети 1960-х годов означали технологические ограничения на степень распространения ценовых сигналов через систему.
С 1970-х по 1990-е годы растущий спрос привел к увеличению количества электростанций. В некоторых районах поставка электроэнергии, особенно в часы пик, не могла удовлетворить этот спрос, что приводило к ухудшению качества электроэнергии , включая отключения электроэнергии , отключения электроэнергии и отключения электроэнергии . От электричества все больше зависели промышленность, отопление, связь, освещение и развлечения, а потребители требовали все более высокого уровня надежности.
К концу 20-го века были установлены модели спроса на электроэнергию: бытовое отопление и кондиционирование воздуха приводили к ежедневным пикам спроса, которые удовлетворялись множеством «генераторов пиковой мощности», которые включались только на короткие периоды времени каждый день. Относительно низкий уровень использования этих пиковых генераторов (обычно использовались газовые турбины из-за их относительно более низких капитальных затрат и более быстрого запуска) вместе с необходимым резервированием электросети, что приводит к высоким затратам для электроэнергетических компаний, которые были приняты в виде повышения тарифов.
В 21 веке некоторые развивающиеся страны, такие как Китай, Индия и Бразилия, считались пионерами развертывания интеллектуальных сетей. [10]
С начала 21 века стали очевидными возможности воспользоваться усовершенствованиями в технологиях электронной связи для устранения ограничений и затрат на электросети. Технологические ограничения на измерение больше не вынуждают усреднять пиковые цены на электроэнергию и распределять их в равной степени на всех потребителей. Параллельно растущая обеспокоенность по поводу ущерба окружающей среде от электростанций, работающих на ископаемом топливе, привела к желанию использовать большие объемы возобновляемой энергии . Доминирующие формы, такие как энергия ветра и солнечная энергия, сильно варьируются, поэтому стала очевидной необходимость в более сложных системах управления, чтобы облегчить подключение источников к хорошо контролируемой сети. [11] Энергия фотоэлектрических элементов (и, в меньшей степени, ветряных турбин ) также, в значительной степени, поставила под вопрос необходимость создания крупных централизованных электростанций. Быстро падающие затраты указывают на серьезный переход от централизованной топологии сети к топологии с высокой степенью распределенности, при которой электроэнергия как генерируется, так и потребляется прямо на границах сети. Наконец, растущая обеспокоенность по поводу террористических атак в некоторых странах привела к призывам к созданию более надежной энергетической сети, которая бы меньше зависела от централизованных электростанций, которые считались потенциальными объектами атак. [12]
Первое официальное определение Smart Grid было дано Законом об энергетической независимости и безопасности 2007 года (EISA-2007) , который был одобрен Конгрессом США в январе 2007 года и подписан президентом Джорджем Бушем в декабре 2007 года. XIII этого законопроекта содержит описание десяти характеристик, которые можно считать определением Smart Grid, а именно:
«Политика Соединенных Штатов заключается в поддержке модернизации национальной системы передачи и распределения электроэнергии для поддержания надежной и безопасной электроэнергетической инфраструктуры, способной удовлетворить будущий рост спроса, а также для достижения каждого из следующих показателей, которые в совокупности характеризуют интеллектуальную сеть: (1) Более широкое использование цифровой информации и технологий управления для повышения надежности, безопасности и эффективности электросети (2) Динамическая оптимизация операций и ресурсов сети с полной кибербезопасностью (3) Развертывание и интеграция распределенных ресурсов и генерация, включая возобновляемые ресурсы (4) Разработка и внедрение реагирования на спрос, ресурсов со стороны спроса и ресурсов энергоэффективности (5) Внедрение «умных» технологий (автоматизированных, интерактивных технологий в реальном времени, которые оптимизируют физическое эксплуатация приборов и потребительских устройств) для измерения, связи, касающейся работы и состояния сети, а также автоматизации распределения.(6) Интеграция «умных» приборов и потребительских устройств. (7) Внедрение и интеграция передовых технологий хранения электроэнергии и снижения пиковых нагрузок, включая подключаемые к сети электромобили и гибридные электромобили, а также системы кондиционирования воздуха с накоплением тепла. (8) Предоставление потребителям своевременной информации и возможностей контроля. (9) Разработка стандартов связи и совместимости приборов и оборудования, подключенных к электрической сети, включая инфраструктуру, обслуживающую сеть. (10) Выявление и снижение необоснованных или ненужных барьеров для внедрения технологий, практик и услуг интеллектуальных сетей».
Целевая группа Комиссии Европейского Союза по интеллектуальным сетям также дает определение интеллектуальных сетей [13] [14] [15] как:
«Умная сеть – это электрическая сеть, которая может эффективно интегрировать поведение и действия всех подключенных к ней пользователей – производителей, потребителей и тех, кто делает и то, и другое – чтобы обеспечить экономически эффективную, устойчивую энергосистему с низкими потерями и высоким уровнем качество и надежность энергоснабжения и безопасности.Интеллектуальная сеть использует инновационные продукты и услуги вместе с интеллектуальными технологиями мониторинга, управления, связи и самовосстановления, чтобы:
- Лучше облегчите подключение и работу генераторов всех размеров и технологий.
- Позвольте потребителям участвовать в оптимизации работы системы.
- Предоставьте потребителям более подробную информацию и варианты того, как они используют свои запасы.
- Значительно снизить воздействие всей системы электроснабжения на окружающую среду.
- Поддерживать или даже улучшать существующие высокие уровни системной надежности, качества и безопасности поставок.
- Эффективно поддерживать и улучшать существующие услуги».
Это определение использовалось в сообщении Европейской комиссии (2011) 202. [16]
Общим элементом большинства определений является применение цифровой обработки и связи в энергосистеме, что делает поток данных и управление информацией центральным элементом интеллектуальной сети. Различные возможности являются результатом глубоко интегрированного использования цифровых технологий с электросетями. Интеграция новой сетевой информации является одним из ключевых вопросов при проектировании интеллектуальных сетей. Электроэнергетические компании сейчас проводят три класса преобразований: улучшение инфраструктуры, называемой в Китае сильной сетью ; добавление цифрового уровня, который является сутью интеллектуальной сети ; и трансформация бизнес-процессов, необходимая для извлечения выгоды из инвестиций в интеллектуальные технологии. Большая часть работ по модернизации электросетей, особенно по автоматизации подстанций и распределительных сетей, теперь включена в общую концепцию «умных сетей». [17]
Технологии интеллектуальных сетей возникли в результате более ранних попыток использования электронного управления, измерения и мониторинга. В 1980-х годах автоматическое считывание показаний счетчиков использовалось для мониторинга нагрузки крупных потребителей, а в 1990-х годах оно превратилось в усовершенствованную инфраструктуру учета , счетчики которой могли регистрировать, как использовалась электроэнергия в разное время суток. [18] Интеллектуальные счетчики обеспечивают непрерывную связь, поэтому мониторинг может осуществляться в режиме реального времени и может использоваться в качестве шлюза для устройств , реагирующих на запросы, и «умных розеток» в доме. Ранними формами таких технологий управления спросом были динамические устройства, учитывающие спрос, которые пассивно определяли нагрузку в сети, отслеживая изменения частоты электропитания. Такие устройства, как промышленные и бытовые кондиционеры, холодильники и обогреватели, корректировали свой рабочий цикл, чтобы избежать включения в периоды пикового состояния сети. Начиная с 2000 года, итальянский проект Telegestore первым объединил в сеть большое количество (27 миллионов) домов с использованием интеллектуальных счетчиков, подключенных через линию электропередачи с низкой пропускной способностью . [19] В некоторых экспериментах использовался термин « широкополосная связь по линиям электропередачи» (BPL), в то время как в других использовались беспроводные технологии, такие как ячеистые сети , предназначенные для более надежных подключений к разным устройствам в доме, а также для поддержки учета других коммунальных услуг, таких как газ и вода. [11]
Мониторинг и синхронизация глобальных сетей произвели революцию в начале 1990-х годов, когда Управление энергетики Бонневиля расширило свои исследования в области интеллектуальных сетей с помощью прототипов датчиков , которые способны очень быстро анализировать аномалии качества электроэнергии на очень больших географических территориях. Кульминацией этой работы стала первая действующая система глобальных измерений (WAMS) в 2000 году. [20] Другие страны быстро внедряют эту технологию — Китай начал иметь комплексную национальную систему WAMS, когда в 2012 году был завершен последний пятилетний экономический план. [21]
К самым ранним внедрениям интеллектуальных сетей относятся итальянская система Telegestore (2005 г.), ячеистая сеть в Остине, штат Техас (с 2003 г.), и интеллектуальная сеть в Боулдере, штат Колорадо (2008 г.). См. § Развертывания и попытки развертывания ниже.
Интеллектуальная сеть позволит энергетикам наблюдать и контролировать части системы с более высоким разрешением во времени и пространстве. [22] Одной из целей интеллектуальной сети является обмен информацией в режиме реального времени, чтобы сделать работу максимально эффективной. Это позволит управлять сетью во всех временных масштабах: от высокочастотных переключающих устройств в микросекундном масштабе до изменений мощности ветра и солнечной энергии в минутном масштабе, а также будущих последствий выбросов углерода, образующихся при производстве электроэнергии, в десятилетнем масштабе.
Интеллектуальная сеть представляет собой полный набор текущих и предлагаемых решений проблем электроснабжения. Из-за разнообразия факторов существует множество конкурирующих таксономий и нет единого мнения по поводу универсального определения. Тем не менее, здесь дана одна возможная классификация.
В «умной» сети используются такие технологии, как оценка состояния [23] , которые улучшают обнаружение неисправностей и обеспечивают самовосстановление сети без вмешательства технических специалистов. Это обеспечит более надежное снабжение электроэнергией и снизит уязвимость перед стихийными бедствиями или нападениями.
Хотя наличие нескольких маршрутов рекламируется как особенность интеллектуальной сети, в старой сети также было несколько маршрутов. Первоначально линии электропередачи в сети были построены с использованием радиальной модели, позже подключение гарантировалось по нескольким маршрутам, называемым сетевой структурой. Однако это создало новую проблему: если поток тока или связанные с ним эффекты в сети превысят пределы какого-либо конкретного элемента сети, он может выйти из строя, и ток будет перенаправлен на другие элементы сети, которые в конечном итоге также могут выйти из строя, что приведет к выходу из строя. эффект домино . См. отключение электроэнергии . Методом предотвращения этого является сброс нагрузки путем веерного отключения или снижения напряжения (пропадание напряжения). [24] [25]
Инфраструктура передачи и распределения следующего поколения будет лучше справляться с возможными двунаправленными потоками энергии , что позволит осуществлять распределенную генерацию , например, от фотоэлектрических панелей на крышах зданий, а также заряжать аккумуляторы электромобилей, ветряных турбин, гидроэлектростанций и т. д. использование топливных элементов и других источников.
Классические сети были разработаны для одностороннего потока электроэнергии, но если местная подсеть генерирует больше энергии, чем потребляет, обратный поток может вызвать проблемы с безопасностью и надежностью. [26] Интеллектуальная сеть призвана управлять этими ситуациями. [11]
Многочисленный вклад в общее повышение эффективности энергетической инфраструктуры ожидается от внедрения технологии интеллектуальных сетей, в частности, включая управление спросом , например, отключение кондиционеров во время краткосрочных скачков цен на электроэнергию, снижение напряжения, когда это возможно. на распределительных линиях. Архивировано 27 июня 2013 г. в Wayback Machine посредством оптимизации напряжения/варной мощности (VVO), устранения необходимости использования грузовиков для считывания показаний счетчиков и сокращения количества поездок грузовиков за счет улучшения управления отключениями электроэнергии с использованием данных из систем усовершенствованной инфраструктуры учета. Общий эффект заключается в уменьшении дублирования линий электропередачи и распределения и более широком использовании генераторов, что приводит к снижению цен на электроэнергию .
Общая нагрузка, подключенная к электросети, может существенно меняться с течением времени. Хотя общая нагрузка представляет собой сумму многих индивидуальных решений клиентов, общая нагрузка не обязательно является стабильной или медленно меняющейся. Например, если начнется популярная телевизионная программа, миллионы телевизоров мгновенно начнут потреблять ток. Традиционно, чтобы отреагировать на быстрое увеличение энергопотребления, превышающее время запуска большого генератора, некоторые запасные генераторы переводятся в диссипативный режим ожидания. [ нужна цитата ] Интеллектуальная сеть может предупреждать все отдельные телевизоры или другого более крупного потребителя о необходимости временно снизить нагрузку [27] (чтобы дать время для запуска более крупного генератора) или постоянно (в случае ограниченных ресурсов). Используя алгоритмы математического прогнозирования, можно предсказать, сколько резервных генераторов необходимо использовать, чтобы достичь определенного уровня отказов. В традиционной сети интенсивность отказов можно снизить только за счет увеличения количества резервных генераторов. В интеллектуальной сети снижение нагрузки даже на небольшую часть клиентов может устранить проблему.
Чтобы снизить спрос в периоды пикового потребления с высокими затратами, технологии связи и измерения информируют интеллектуальные устройства в доме и на работе, когда спрос на энергию высок, и отслеживают, сколько электроэнергии и когда она используется. Это также дает коммунальным предприятиям возможность сократить потребление за счет прямого обмена данными с устройствами, чтобы предотвратить перегрузку системы. Примерами могут служить коммунальные услуги, сокращающие использование группы зарядных станций для электромобилей или изменяющие заданные значения температуры кондиционеров в городе. [27] Чтобы побудить их сократить потребление и выполнить так называемое пиковое сокращение или пиковое выравнивание , цены на электроэнергию повышаются в периоды высокого спроса и снижаются в периоды низкого спроса. [11] Считается, что потребители и предприятия будут иметь тенденцию потреблять меньше в периоды высокого спроса, если потребители и потребительские устройства будут знать о высокой надбавке к цене за использование электроэнергии в периоды пиковой нагрузки. Это может означать принятие компромиссных решений, таких как циклическое включение и выключение кондиционеров или включение посудомоечных машин в 9 часов вечера вместо 5 часов вечера. Когда предприятия и потребители видят прямую экономическую выгоду от использования энергии в непиковое время, теория заключается в том, что они будут учитывать затраты на эксплуатацию энергии при принятии решений о своих потребительских устройствах и строительстве зданий и, следовательно, станут более энергоэффективными.
Повышенная гибкость интеллектуальной сети позволяет более широко использовать весьма изменчивые возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра , даже без добавления накопителей энергии . Текущая сетевая инфраструктура не рассчитана на множество распределенных точек ввода, и обычно даже если некоторый ввод разрешен на локальном (распределительном) уровне, инфраструктура уровня передачи не может его разместить. Быстрые колебания распределенной генерации, например, из-за пасмурной или порывистой погоды, создают серьезные проблемы для энергетиков, которым необходимо обеспечить стабильный уровень мощности за счет изменения мощности более управляемых генераторов, таких как газовые турбины и гидроэлектростанции. По этой причине технология интеллектуальных сетей является необходимым условием для получения очень больших объемов возобновляемой электроэнергии в сети. Также имеется поддержка транспортного средства в сети . [28]
Интеллектуальная сеть обеспечивает систематическую связь между поставщиками (их ценой на энергию) и потребителями (их готовностью платить), а также позволяет как поставщикам, так и потребителям быть более гибкими и сложными в своих операционных стратегиях. Только критические нагрузки должны будут платить пиковые цены на энергию, а потребители смогут более стратегически подходить к использованию энергии. Генераторы с большей гибкостью смогут стратегически продавать энергию с максимальной прибылью, тогда как генераторы с негибкими условиями, такие как паровые турбины с базовой нагрузкой и ветряные турбины, будут получать различные тарифы в зависимости от уровня спроса и состояния других генераторов, работающих в настоящее время. Общий эффект является сигналом, который поощряет энергоэффективность и потребление энергии, чувствительное к изменяющимся во времени ограничениям поставок. На бытовом уровне приборы с определенной степенью аккумулирования энергии или тепловой массы (такие как холодильники, тепловые батареи и тепловые насосы) будут хорошо подготовлены к тому, чтобы «играть» на рынке и стремиться минимизировать затраты на электроэнергию путем адаптации спроса к более низким ценам. стоимость периодов энергообеспечения. Это расширение упомянутого выше двойного тарифа на электроэнергию.
Поддержка реагирования на спрос позволяет генераторам и нагрузкам взаимодействовать автоматически в режиме реального времени, координируя спрос для сглаживания пиков. Устранение части спроса, возникающей во время этих всплесков, устраняет затраты на добавление резервных генераторов, сокращает износ и продлевает срок службы оборудования, а также позволяет пользователям сокращать свои счета за электроэнергию, сообщая устройствам с низким приоритетом использовать энергию только тогда, когда она самая дешевая. . [29]
В настоящее время электросетевые системы имеют различную степень взаимодействия внутри систем управления своими дорогостоящими активами, такими как электростанции, линии электропередачи, подстанции и основные потребители энергии. В общем, информация течет в одном направлении: от пользователей и контролируемых ими нагрузок обратно к коммунальным предприятиям. Коммунальные предприятия пытаются удовлетворить спрос и в разной степени добиваются успеха или терпят неудачу (отключения электроэнергии, веерное отключение электроэнергии, неконтролируемое отключение электроэнергии). Общий объем энергии, требуемой пользователями, может иметь очень широкое вероятностное распределение , что требует наличия резервных электростанций в режиме ожидания, чтобы реагировать на быстро меняющееся энергопотребление. Этот односторонний поток информации обходится дорого; последние 10% генерирующих мощностей могут потребоваться всего лишь в течение 1% времени, а отключения электроэнергии и отключения электроэнергии могут дорого стоить потребителям.
Реакция спроса может обеспечиваться коммерческими, жилыми и промышленными нагрузками. [30] Например, Warrick Operation Alcoa участвует в MISO в качестве квалифицированного ресурса реагирования на спрос, [31] а Trimet Aluminium использует свой плавильный завод в качестве краткосрочной мегабатареи. [32]
Задержка потока данных является серьезной проблемой: некоторые ранние архитектуры интеллектуальных счетчиков допускали задержку получения данных до 24 часов, предотвращая любую возможную реакцию со стороны как поставляющих, так и запрашивающих устройств. [33]
Основная часть технологий интеллектуальных сетей уже используется в других приложениях, таких как производство и телекоммуникации, и адаптируется для использования в сетевых операциях. [34]
Интеллектуальная сеть предоставляет решения на базе ИТ, которых нет в традиционных энергосистемах. Эти новые решения открывают путь новым участникам рынка, которые традиционно не были связаны с энергосистемой. [43] [44] Технологические компании подрывают традиционных игроков энергетического рынка несколькими способами. Они разрабатывают сложные системы распределения, чтобы обеспечить более децентрализованное производство электроэнергии благодаря микросетям. Кроме того, увеличение объема сбора данных открывает множество новых возможностей для технологических компаний, таких как развертывание датчиков сети электропередачи на уровне пользователя и балансировка резервов системы. [45] Технология микросетей делает потребление энергии для домохозяйств дешевле, чем ее покупка у коммунальных предприятий. Кроме того, жители смогут проще и эффективнее управлять потреблением энергии благодаря подключению к интеллектуальным счетчикам. [46] Однако производительность и надежность микросетей сильно зависят от непрерывного взаимодействия между производством, хранением и нагрузкой электроэнергии. [47] Гибридное предложение, сочетающее возобновляемые источники энергии с хранением таких источников энергии, как уголь и газ, демонстрирует гибридное предложение микросети, работающей отдельно.
В результате выхода технологических компаний на энергетический рынок коммунальным предприятиям и операторам распределительных сетей необходимо создавать новые бизнес-модели для сохранения текущих клиентов и привлечения новых клиентов. [48]
DSO могут сосредоточиться на создании хороших стратегий взаимодействия с клиентами, чтобы создать лояльность и доверие к ним. [49] Чтобы удержать и привлечь клиентов, которые решили производить собственную энергию через микросети, операторы распределительных сетей могут предлагать соглашения о покупке для продажи излишков энергии, которую производит потребитель. [48] Безразличие со стороны ИТ-компаний, как DSO, так и коммунальные предприятия, могут использовать свой рыночный опыт, чтобы давать потребителям советы по использованию энергии и повышению эффективности для создания превосходного обслуживания клиентов. [50]
Вместо того, чтобы конкурировать с ИТ-компаниями в своем опыте, как коммунальные предприятия, так и операторы распределительных сетей могут попытаться создать альянсы с ИТ-компаниями для совместного создания хороших решений. Французская коммунальная компания Engie сделала это, купив поставщика услуг Ecova и OpTerra Energy Services. [51]
Производство возобновляемой энергии часто может быть подключено на уровне распределения, а не на уровне передающих сетей, [52] что означает, что операторы распределительной системы могут управлять потоками и распределять электроэнергию на местном уровне. Это открывает перед операторами распределительных сетей новую возможность расширить свой рынок за счет продажи энергии непосредственно потребителю. В то же время это бросает вызов предприятиям, производящим ископаемое топливо, которые уже находятся в ловушке высоких затрат на стареющие активы. [53] Более строгие правила производства традиционных энергетических ресурсов со стороны правительства усложняют ведение бизнеса и усиливают давление на традиционные энергетические компании с целью перехода на возобновляемые источники энергии. [54] [55] Примером бизнес-модели изменения коммунальных предприятий для производства большего количества возобновляемой энергии является норвежская компания Equinor , которая была государственной нефтяной компанией, которая сейчас активно инвестирует в возобновляемую энергию.
Ветровая и солнечная энергия являются переменными возобновляемыми источниками энергии, которые не так стабильны, как энергия базовой нагрузки , и водородная электростанция комбинированного цикла могла бы помочь возобновляемым источникам энергии, улавливая избыточную энергию с помощью электролиза , когда они производят слишком много, и заполнять пробелы этой энергией, когда они производят не так много.
IntelliGrid — архитектура IntelliGrid, созданная Научно-исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI), предоставляет методологию, инструменты и рекомендации по стандартам и технологиям для использования коммунальными предприятиями при планировании, спецификации и приобретении систем на базе ИТ, таких как расширенные измерения, автоматизация распределения и требовать ответа. Архитектура также представляет собой живую лабораторию для оценки устройств, систем и технологий. Несколько коммунальных предприятий применили архитектуру IntelliGrid, в том числе Southern California Edison, Long Island Power Authority, Salt River Project и TXU Electric Delivery. Консорциум IntelliGrid — это государственно-частное партнерство , которое объединяет и оптимизирует глобальные исследовательские усилия, финансирует технологические исследования и разработки, работает над интеграцией технологий и распространяет техническую информацию. [56]
Grid 2030 – Grid 2030 — это совместное заявление о видении электроэнергетической системы США, разработанное электроэнергетической отраслью, производителями оборудования, поставщиками информационных технологий, федеральными и государственными правительственными учреждениями, группами интересов, университетами и национальными лабораториями. Он охватывает производство, передачу, распределение, хранение и конечное использование. [57] Национальная дорожная карта технологий поставок электроэнергии является документом по реализации концепции Grid 2030. В «Дорожной карте» обозначены ключевые вопросы и задачи модернизации энергосистемы и предложены пути, по которым правительство и промышленность могут пойти для построения будущей системы электроснабжения Америки. [58]
Инициатива «Современная энергосистема» (MGI) — это совместная работа Министерства энергетики США (DOE), Национальной лаборатории энергетических технологий (NETL), коммунальных предприятий, потребителей, исследователей и других участников энергосистемы, направленная на модернизацию и интеграцию электросети США. Управление по доставке электроэнергии и энергетической надежности (OE) Министерства энергетики США спонсирует инициативу, которая основана на Grid 2030 и Национальной дорожной карте технологий доставки электроэнергии и согласована с другими программами, такими как GridWise и GridWorks. [59]
GridWise – программа DOE Министерства энергетики, направленная на разработку информационных технологий для модернизации электрической сети США. Сотрудничая с GridWise Alliance, программа инвестирует в коммуникационную архитектуру и стандарты; инструменты моделирования и анализа; умные технологии; испытательные стенды и демонстрационные проекты; и новые нормативные, институциональные и рыночные рамки. GridWise Alliance — это консорциум заинтересованных сторон государственного и частного электроэнергетического сектора, предоставляющий форум для обмена идеями, совместных усилий и встреч с политиками на федеральном уровне и уровне штатов. [60]
Совет по архитектуре GridWise (GWAC) был создан Министерством энергетики США для содействия и обеспечения совместимости между многими организациями, которые взаимодействуют с национальной электроэнергетической системой. Члены GWAC представляют собой сбалансированную и уважаемую команду, представляющую множество участников цепочки поставок электроэнергии и потребителей. GWAC предоставляет отраслевые рекомендации и инструменты для формулирования цели функциональной совместимости всей электрической системы, определения концепций и архитектур, необходимых для обеспечения совместимости, и разработки практических шагов для облегчения взаимодействия систем, устройств и учреждений, которые охватывают национальную систему. электрическая система. Структура настройки контекста взаимодействия GridWise Architecture Council, версия 1.1 определяет необходимые рекомендации и принципы. [61]
GridWorks — программа DOE OE, направленная на повышение надежности электросистемы посредством модернизации ключевых компонентов сети, таких как кабели и проводники, подстанции и системы защиты, а также силовая электроника. В центре внимания программы находится координация усилий по высокотемпературным сверхпроводящим системам, технологиям надежности передачи, технологиям распределения электроэнергии, устройствам хранения энергии и системам GridWise. [62]
Демонстрационный проект интеллектуальной сети тихоокеанского северо-запада. - Этот проект представляет собой демонстрацию в пяти северо-западных штатах Тихоокеанского региона: Айдахо, Монтана, Орегон, Вашингтон и Вайоминг. В нем задействовано около 60 000 потребителей, подключенных к счетчикам, и он содержит множество ключевых функций будущей интеллектуальной сети. [63]
Solar Cities . В Австралии программа Solar Cities включала тесное сотрудничество с энергетическими компаниями для тестирования интеллектуальных счетчиков, ценообразования в пиковые и внепиковые часы, дистанционного переключения и связанных с этим усилий. Он также предоставил ограниченное финансирование для модернизации сети. [64]
Центр исследований в области энергетики интеллектуальных сетей (SMERC) — расположенный вКалифорнийском университете в Лос-Анджелесе,посвятил свои усилия крупномасштабному тестированию своей технологии интеллектуальной сети зарядки электромобилей. Это создало еще одну платформу для двунаправленного потока информации между коммунальными предприятиями и конечными устройствами потребителей. SMERC также разработал испытательный стенд реагирования на спрос (DR), который включает в себя центр управления, сервер автоматизации реагирования на спрос (DRAS), домашнюю сеть (HAN), аккумуляторную систему хранения энергии (BESS) и фотоэлектрические (PV) панели. Эти технологии установлены на территории Департамента водоснабжения и энергетики Лос-Анджелеса и на территории Эдисона в Южной Калифорнии в виде сети зарядных устройств для электромобилей, систем хранения энергии аккумуляторов, солнечных панелей, устройств быстрой зарядки постоянного тока и устройств «Автомобиль-сеть» (V2G). Эти платформы, сети связи и управления позволяют тестировать проекты под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в партнерстве с двумя местными коммунальными предприятиями, SCE и LADWP. [65]
Smart Quart . В Германии проект Smart Quart развивает три интеллектуальных района для разработки, тестирования и демонстрации технологий для управления интеллектуальными сетями. Проект является результатом сотрудничества E.ON , Viessmann , GridX и Hydrogenious совместно с RWTH Ахенского университета . Планируется, что к концу 2024 года все три района будут обеспечены энергией местного производства и будут в значительной степени независимы от ископаемых источников энергии. [66]
Для моделирования интеллектуальных энергетических сетей использовалось множество различных концепций. Обычно они изучаются в рамках сложных систем . В ходе недавнего мозгового штурма [67] энергосистема рассматривалась в контексте оптимального управления , экологии , человеческого познания, стеклянной динамики, теории информации , микрофизики облаков и многих других. Вот подборка видов анализов, появившихся в последние годы.
Пелким Спахиу и Ян Р. Эванс в своем исследовании представили концепцию интеллектуальной защиты и гибридного инспекционного подразделения на базе подстанции. [68] [69]
Модель Курамото — хорошо изученная система. Энергосистема также была описана в этом контексте. [70] [71] Цель состоит в том, чтобы поддерживать баланс системы или поддерживать фазовую синхронизацию (также известную как фазовая синхронизация). Неоднородные осцилляторы также помогают моделировать различные технологии, разные типы генераторов энергии, модели потребления и т. д. Модель также использовалась для описания закономерностей синхронизации мигания светлячков. [70]
Сетевые симуляторы используются для моделирования/эмуляции эффектов сетевой связи. Обычно это включает в себя создание лаборатории с интеллектуальными сетевыми устройствами, приложениями и т. д. с виртуальной сетью, предоставляемой сетевым симулятором. [72] [73]
Нейронные сети также рассматривались для управления электросетями. Электроэнергетические системы можно классифицировать по-разному: нелинейные, динамические, дискретные или случайные. Искусственные нейронные сети (ИНС) пытаются решить самые сложные из этих проблем — нелинейные проблемы.
Одним из применений ИНС является прогнозирование спроса. Для того чтобы сети работали экономично и надежно, прогнозирование спроса имеет важное значение, поскольку оно используется для прогнозирования количества энергии, которая будет потребляться нагрузкой. Это зависит от погодных условий, типа дня, случайных событий, происшествий и т. д. Однако для нелинейных нагрузок профиль нагрузки не является гладким и предсказуемым, что приводит к более высокой неопределенности и меньшей точности при использовании традиционных моделей искусственного интеллекта. Некоторые факторы, которые ИНС учитывают при разработке моделей такого типа: классификация профилей нагрузки различных классов потребителей на основе потребления электроэнергии, повышенная чувствительность спроса для прогнозирования цен на электроэнергию в реальном времени по сравнению с традиционными сетями, необходимость ввода прошлого спроса как различные компоненты, такие как пиковая нагрузка, базовая нагрузка, минимальная нагрузка, средняя нагрузка и т. д. вместо объединения их в один вход, и, наконец, зависимость типа от конкретных входных переменных. В качестве примера последнего случая можно привести тип дня, будь то будний или выходной, который не окажет большого влияния на сети больниц, но будет важным фактором в профиле нагрузки сетей жилого жилья. [74] [75] [76] [77] [78]
Поскольку энергия ветра продолжает набирать популярность, она становится необходимым компонентом реалистичных исследований энергетических сетей. Автономное хранение, изменчивость ветра, предложение, спрос, ценообразование и другие факторы можно смоделировать как математическую игру. Здесь цель – разработать выигрышную стратегию. Марковские процессы использовались для моделирования и изучения систем этого типа. [79]
В 2009 году индустрия интеллектуальных сетей США оценивалась примерно в 21,4 миллиарда долларов, а к 2014 году она превысит как минимум 42,8 миллиарда долларов. Учитывая успех интеллектуальных сетей в США, ожидается, что мировой рынок будет расти более быстрыми темпами, увеличившись с 69,3 миллиардов долларов в 2009 году до 171,4 миллиардов долларов к 2014 году. Наибольшую выгоду принесут продавцы оборудования для интеллектуальных измерений и производители программного обеспечения, используемого для передачи и систематизации огромных объемов данных, собираемых счетчиками. [80]
В исследовании 2011 года Научно-исследовательского института электроэнергетики делается вывод, что инвестиции в интеллектуальную сеть США будут стоить до 476 миллиардов долларов в течение 20 лет, но принесут за это время выгоды для клиентов на сумму до 2 триллионов долларов. [81] В 2015 году Всемирный экономический форум сообщил, что в течение следующих 25 лет членам ОЭСР потребуются трансформационные инвестиции в размере более 7,6 триллионов долларов США (или 300 миллиардов долларов США в год) для модернизации, расширения и децентрализации электроэнергетической инфраструктуры с использованием технических средств. инновации как ключ к трансформации. [82] По оценкам исследования Международного энергетического агентства, проведенного в 2019 году , текущая (амортизированная) стоимость электрической сети США составляет более 1 триллиона долларов США. Общая стоимость замены ее интеллектуальной сетью оценивается более чем в 4 триллиона долларов США. Если интеллектуальные сети будут полностью развернуты по всей территории США, страна рассчитывает сэкономить 130 миллиардов долларов США ежегодно. [83]
Поскольку клиенты смогут выбирать поставщиков электроэнергии в зависимости от различных тарифных методов, акцент на транспортных расходах будет увеличен. Снижение затрат на техническое обслуживание и замену будет стимулировать более совершенный контроль.
Интеллектуальная сеть точно ограничивает электроэнергию до уровня жилых домов, объединяет в сеть устройства малой распределенной генерации и хранения энергии , передает информацию о рабочем состоянии и потребностях, собирает информацию о ценах и состоянии сети, а также выводит сеть из централизованного управления в коллективное управление. сеть. [84]
В исследовании Министерства энергетики США, проведенном в 2003 году , было подсчитано, что внутренняя модернизация сетей США с использованием возможностей интеллектуальных сетей сэкономит от 46 до 117 миллиардов долларов в течение следующих 20 лет, если будет реализована в течение нескольких лет после исследования. [85] Помимо этих преимуществ промышленной модернизации, функции интеллектуальных сетей могут расширить энергоэффективность за пределы сети и в домашних условиях за счет координации домашних устройств с низким приоритетом, таких как водонагреватели, так, чтобы при использовании ими энергии использовались наиболее желательные источники энергии. Интеллектуальные сети также могут координировать производство электроэнергии большим количеством мелких производителей электроэнергии, таких как владельцы солнечных панелей на крышах — механизм, который в противном случае оказался бы проблематичным для операторов энергосистем на местных коммунальных предприятиях.
Один из важных вопросов заключается в том, будут ли потребители действовать в ответ на сигналы рынка. Министерство энергетики США (DOE) в рамках Программы грантов и демонстраций инвестиций в интеллектуальные сети Закона о восстановлении и реинвестировании Америки профинансировало специальные исследования поведения потребителей для изучения принятия, удержания и реакции потребителей, подписавшихся на программы тарифов на коммунальные услуги с повременной оплатой. Архивировано в 2015 г. -03-18 в Wayback Machine , которые включают в себя передовую инфраструктуру учета и клиентские системы, такие как домашние дисплеи и программируемые термостаты с возможностью связи.
Другая проблема заключается в том, что стоимость телекоммуникаций для полной поддержки интеллектуальных сетей может оказаться непомерно высокой. Предлагается менее дорогой механизм связи [ нужна ссылка ] с использованием формы « динамического управления спросом », при котором устройства сглаживают пики, перемещая свои нагрузки в ответ на частоту сети. Частота сети может использоваться для передачи информации о нагрузке без необходимости использования дополнительной телекоммуникационной сети, но она не будет способствовать экономическим переговорам или количественной оценке вкладов.
Хотя используются конкретные и проверенные технологии интеллектуальных сетей, интеллектуальные сети — это совокупный термин для набора связанных технологий, по которым в целом согласована спецификация , а не название конкретной технологии. Некоторые из преимуществ такой модернизированной электросети включают в себя возможность снизить энергопотребление со стороны потребителя в часы пик, что называется управлением спросом ; обеспечение подключения к сети распределенной генерации электроэнергии (с фотоэлектрическими батареями , небольшими ветряными турбинами , микрогидроэлектростанциями или даже комбинированными генераторами тепловой энергии в зданиях); включение накопителей энергии в сеть для балансировки нагрузки распределенной генерации; и устранение или сдерживание сбоев, таких как широко распространенные каскадные сбои в электросетях . Ожидается, что повышение эффективности и надежности интеллектуальной сети сэкономит потребителям деньги и поможет сократить выбросы CO 2 . [86]
Большинство возражений и опасений связаны с интеллектуальными счетчиками и функциями (такими как дистанционное управление, дистанционное отключение и переменное ценообразование), которые они обеспечивают. Там, где встречается противодействие «умным» счетчикам, их часто позиционируют как «умные сети», которые соединяют «умные» сети с «умными» счетчиками в глазах оппонентов. Конкретные моменты возражения или беспокойства включают:
Хотя модернизация электрических сетей в интеллектуальные сети позволяет оптимизировать повседневные процессы, интеллектуальная сеть, находясь в сети, может быть уязвима для кибератак. [87] [88] Трансформаторы, которые повышают напряжение электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях для транспортировки на большие расстояния, сами линии электропередачи и распределительные линии, которые доставляют электроэнергию потребителям, особенно восприимчивы. [89] Эти системы полагаются на датчики, которые собирают информацию с мест, а затем доставляют ее в центры управления, где алгоритмы автоматизируют процессы анализа и принятия решений. Эти решения отправляются обратно на место, где существующее оборудование их выполняет. [90] Хакеры могут нарушить работу этих автоматизированных систем управления, отключив каналы, которые позволяют использовать вырабатываемую электроэнергию. [89] Это называется отказом в обслуживании или DoS-атакой. Они также могут запускать атаки на целостность, которые повреждают информацию, передаваемую по системе, а также атаки на десинхронизацию, которые влияют на доставку такой информации в соответствующее место. [90] Кроме того, злоумышленники могут получить доступ через системы производства возобновляемой энергии и интеллектуальные счетчики, подключенные к сети, используя более специализированные уязвимости или те, безопасность которых не является приоритетом. Поскольку интеллектуальная сеть имеет большое количество точек доступа, таких как интеллектуальные счетчики, защита всех ее слабых мест может оказаться сложной задачей. [87] Также существует обеспокоенность по поводу безопасности инфраструктуры, в первую очередь связанной с коммуникационными технологиями. Обеспокоенность в основном сосредоточена вокруг коммуникационных технологий, лежащих в основе интеллектуальной сети. Разработанные для обеспечения связи в режиме реального времени между коммунальными предприятиями и счетчиками в домах и на предприятиях клиентов, существует риск того, что эти возможности могут быть использованы для преступных или даже террористических действий. [11] Одной из ключевых возможностей этой возможности подключения является возможность удаленного отключения источников питания, что позволяет коммунальным предприятиям быстро и легко прекращать или изменять поставки клиентам, которые не выполняют платежи. Это, несомненно, огромное благо для поставщиков энергии, но также поднимает некоторые серьезные проблемы безопасности. [91] Киберпреступники и раньше неоднократно проникали в электросети США. [92] Помимо компьютерного проникновения, существуют также опасения, что компьютерное вредоносное ПО , такое как Stuxnet , нацеленное на системы SCADA, широко используемые в промышленности, может быть использовано для атаки на интеллектуальную сеть. [93]
Кража электроэнергии является проблемой в США, где внедряемые интеллектуальные счетчики используют радиочастотную технологию для связи с сетью передачи электроэнергии. [ нужна цитата ] Люди, разбирающиеся в электронике, могут разработать устройства, создающие помехи, чтобы интеллектуальный счетчик показывал меньше, чем фактическое использование. [ нужна цитация ] Точно так же та же технология может быть использована, чтобы создать впечатление, что энергия, которую использует потребитель, используется другим потребителем, увеличивая его счет. [ нужна цитата ]
Ущерб от хорошо проведенной и масштабной кибератаки может быть обширным и долгосрочным. На ремонт одной вышедшей из строя подстанции может уйти от девяти дней до более года, в зависимости от характера атаки. Это также может привести к многочасовому отключению электроэнергии в небольшом радиусе. Это может оказать немедленное влияние на транспортную инфраструктуру, поскольку светофоры и другие механизмы маршрутизации, а также вентиляционное оборудование подземных дорог зависят от электричества. [94] Кроме того, может пострадать инфраструктура, которая зависит от электросетей, включая очистные сооружения, сектор информационных технологий и системы связи. [94]
Кибератака на энергосистему Украины в декабре 2015 года , первая зарегистрированная в своем роде, нарушила работу почти четверти миллиона человек, выведя из строя подстанции. [95] [96] Совет по международным отношениям отметил, что государства, скорее всего, будут виновниками такого нападения, поскольку у них есть доступ к ресурсам для его проведения, несмотря на высокий уровень сложности этого. Кибервторжения могут использоваться как часть более крупного наступления, военного или другого. [96] Некоторые эксперты по безопасности предупреждают, что события такого типа легко масштабируются на другие сети. [97] Лондонская страховая компания Lloyd's уже смоделировала последствия кибератаки на Восточную межсетевую сеть , которая может затронуть 15 штатов, оставить 93 миллиона человек в неведении и стоить экономике страны от 243 миллиардов до 1 триллиона долларов. при различных повреждениях. [98]
По данным Подкомитета Палаты представителей США по экономическому развитию, общественным зданиям и управлению чрезвычайными ситуациями, в электросети уже произошло значительное количество кибер-вторжений, причем два из каждых пяти были направлены на ее выведение из строя. [89] Таким образом, Министерство энергетики США уделило приоритетное внимание исследованиям и разработкам, направленным на снижение уязвимости электросетей к кибератакам, назвав их «непосредственной опасностью» в своем четырехлетнем энергетическом обзоре 2017 года. [99] Министерство энергетики также определило, что устойчивость к атакам и самовосстановление являются основными ключами к обеспечению того, чтобы сегодняшняя интеллектуальная сеть была готова к будущему. [90] Хотя уже существуют нормативные акты, а именно Стандарты защиты критической инфраструктуры, представленные Североамериканским советом по надежности электроснабжения, значительное количество из них представляют собой скорее предложения, чем предписания. [96] Большинство объектов и оборудования по производству, передаче и распределению электроэнергии принадлежат частным заинтересованным сторонам, что еще больше усложняет задачу оценки соблюдения таких стандартов. [99] Кроме того, даже если коммунальные предприятия захотят полностью соблюдать требования, они могут обнаружить, что это слишком дорого. [96]
Некоторые эксперты утверждают, что первым шагом к повышению киберзащиты интеллектуальной электросети является завершение комплексного анализа рисков существующей инфраструктуры, включая исследование программного обеспечения, оборудования и коммуникационных процессов. Кроме того, поскольку вторжения сами по себе могут предоставить ценную информацию, было бы полезно проанализировать системные журналы и другие записи об их характере и времени. Общие недостатки, уже выявленные с помощью таких методов Министерством внутренней безопасности, включают низкое качество кода, неправильную аутентификацию и слабые правила брандмауэра. Некоторые предполагают, что после завершения этого этапа имеет смысл завершить анализ потенциальных последствий вышеупомянутых неудач или недостатков. Это включает в себя как непосредственные последствия, так и каскадные эффекты второго и третьего порядка для параллельных систем. Наконец, для исправления ситуации можно использовать решения по снижению рисков, которые могут включать простое устранение недостатков инфраструктуры или новые стратегии. Некоторые из таких мер включают перекодирование алгоритмов систем управления, чтобы сделать их более способными противостоять кибератакам и восстанавливаться после них, или превентивные методы, которые позволяют более эффективно обнаруживать необычные или несанкционированные изменения данных. Стратегии учета человеческих ошибок, которые могут поставить под угрозу системы, включают в себя обучение тех, кто работает в полевых условиях, опасаться странных USB-накопителей, которые могут содержать вредоносное ПО, если их вставить, даже если просто проверить их содержимое. [90]
Другие решения включают использование передающих подстанций, ограниченных сетей SCADA, обмен данными на основе политик и аттестацию ограниченных интеллектуальных счетчиков.
Передающие подстанции используют технологии аутентификации с одноразовой подписью и конструкции односторонней хеш-цепи. С тех пор эти ограничения были устранены благодаря созданию технологии быстрой подписи и проверки, а также обработке данных без буферизации. [100]
Аналогичное решение было построено для ограниченных сетей SCADA. Это включает в себя применение кода аутентификации сообщений на основе хэша к потокам байтов, преобразование обнаружения случайных ошибок, доступного в устаревших системах, в механизм, гарантирующий подлинность данных. [100]
Обмен данными на основе политик использует точные измерения энергосистемы с синхронизацией часов GPS для обеспечения повышенной стабильности и надежности сети. Это достигается посредством требований к синхрофазору, которые собираются PMU. [100]
Однако аттестация интеллектуальных счетчиков с ограниченными возможностями сталкивается с несколько иной проблемой. Одна из самых больших проблем с аттестацией интеллектуальных счетчиков с ограниченными возможностями заключается в том, что для предотвращения кражи энергии и подобных атак поставщики кибербезопасности должны убедиться, что программное обеспечение устройств является аутентичным. Для решения этой проблемы была создана архитектура ограниченных интеллектуальных сетей, которая реализована на низком уровне во встроенной системе. [100]
Система защиты интеллектуальной сети обеспечивает анализ надежности сети, защиту от сбоев, а также услуги безопасности и защиты конфиденциальности. Хотя дополнительная коммуникационная инфраструктура интеллектуальной сети обеспечивает дополнительные механизмы защиты и безопасности, она также представляет риск внешнего нападения и внутренних сбоев. В отчете о кибербезопасности технологии интеллектуальных сетей, впервые выпущенном в 2010 году, а затем обновленном в 2014 году, Национальный институт стандартов и технологий США отметил, что возможность собирать больше данных об использовании энергии с интеллектуальных счетчиков клиентов также вызывает серьезные проблемы с конфиденциальностью. , поскольку информация, хранящаяся в счетчике, которая потенциально уязвима для утечки данных , может быть использована для получения личных данных о клиентах. [101]
Прежде чем коммунальное предприятие установит усовершенствованную систему учета или интеллектуальную систему любого типа , оно должно обосновать инвестиции. Некоторые компоненты, такие как стабилизаторы энергосистемы (PSS), [ требуются разъяснения ] , установленные на генераторах, очень дороги, требуют сложной интеграции в систему управления сетью, необходимы только во время чрезвычайных ситуаций и эффективны только в том случае, если они есть у других поставщиков в сети. Без какого-либо стимула к их установке поставщики электроэнергии этого не делают. [102] Большинству коммунальных предприятий трудно оправдать установку инфраструктуры связи для одного применения (например, снятия показаний счетчиков). По этой причине коммунальному предприятию обычно приходится идентифицировать несколько приложений, которые будут использовать одну и ту же инфраструктуру связи – например, считывание показаний счетчика, мониторинг качества электроэнергии, удаленное подключение и отключение потребителей, обеспечение реагирования на спрос и т. д. В идеале инфраструктура связи не будет поддерживают только краткосрочные приложения, но и непредвиденные приложения, которые возникнут в будущем. Нормативные или законодательные меры также могут побудить коммунальные предприятия реализовать части головоломки «умной сети». Каждое коммунальное предприятие имеет уникальный набор деловых, нормативных и законодательных стимулов, которые определяют его инвестиции. Это означает, что каждое коммунальное предприятие выберет свой путь к созданию своей интеллектуальной сети и что разные коммунальные предприятия будут создавать интеллектуальные сети с разной скоростью внедрения. [ нужна цитата ]
Некоторые особенности интеллектуальных сетей вызывают сопротивление со стороны отраслей, которые в настоящее время предоставляют или надеются предоставлять аналогичные услуги. Примером может служить конкуренция с провайдерами кабельного и DSL-интернета за предоставление широкополосного доступа в Интернет по линиям электропередачи . Поставщики систем управления SCADA для сетей намеренно разработали проприетарное оборудование, протоколы и программное обеспечение, чтобы они не могли взаимодействовать с другими системами, чтобы привязать своих клиентов к поставщику. [103]
Объединение цифровых коммуникаций и компьютерной инфраструктуры с существующей физической инфраструктурой энергосистемы создает проблемы и присущие ей уязвимости. По данным журнала IEEE Security and Privacy Magazine , интеллектуальная сеть потребует от людей разработки и использования крупной компьютерной и коммуникационной инфраструктуры, которая поддерживает более высокую степень ситуационной осведомленности и позволяет выполнять более конкретные операции управления и контроля. Этот процесс необходим для поддержки основных систем, таких как глобальное измерение и контроль реагирования на спрос, хранение и транспортировка электроэнергии, а также автоматизация распределения электроэнергии. [104]
Различные системы «умных сетей» имеют двойную функцию. Сюда входят системы Advanced Metering Infrastructure, которые при использовании с различным программным обеспечением могут использоваться для обнаружения хищений электроэнергии и посредством процесса устранения определять места, где произошли сбои оборудования. Это дополнение к их основным функциям, заключающимся в устранении необходимости снятия показаний счетчиков человеком и измерении времени использования электроэнергии.
Мировые потери электроэнергии, включая кражи, оцениваются в двести миллиардов долларов ежегодно. [105]
Кража электроэнергии также представляет собой серьезную проблему при обеспечении надежного электроснабжения в развивающихся странах. [36]
Самым ранним и одним из крупнейших примеров интеллектуальной сети является итальянская система, установленная итальянской компанией Enel SpA. Завершенный в 2005 году проект Telegestore был весьма необычным в сфере коммунальных услуг, поскольку компания проектировала и производила собственные счетчики, выступала в качестве собственного системного интегратора и разработала собственное системное программное обеспечение. Проект Telegestore широко известен как первое коммерческое использование технологии интеллектуальных сетей в доме и обеспечивает ежегодную экономию в 500 миллионов евро при стоимости проекта в 2,1 миллиарда евро. [19]
На сегодняшний день одной из крупнейших программ развертывания в мире является программа Smart Grid Министерства энергетики США, финансируемая Законом о восстановлении и реинвестировании Америки от 2009 года. Эта программа требовала соответствующего финансирования со стороны отдельных коммунальных предприятий. В рамках этой программы в общей сложности было инвестировано более 9 миллиардов долларов США в виде государственных и частных средств. Технологии включали усовершенствованную инфраструктуру измерения, в том числе более 65 миллионов усовершенствованных «умных» счетчиков, системы взаимодействия с клиентами, автоматизацию распределения и подстанции, системы оптимизации напряжения / реактивной мощности, более 1000 синхрофазоров , динамическую линейную оценку, проекты кибербезопасности, передовые системы управления распределением, хранение энергии. Системы и проекты интеграции возобновляемых источников энергии. Эта программа состояла из инвестиционных грантов (совместных), демонстрационных проектов, исследований потребительской приемлемости и программ обучения рабочей силы. Отчеты по всем отдельным коммунальным программам, а также отчеты об общем воздействии будут завершены ко второму кварталу 2015 года.
В США Закон об энергетической политике 2005 года и Раздел XIII Закона об энергетической независимости и безопасности 2007 года обеспечивают финансирование для поощрения развития интеллектуальных сетей. Цель состоит в том, чтобы дать возможность коммунальным предприятиям лучше прогнозировать свои потребности, а в некоторых случаях привлечь потребителей к введению тарифов по времени использования. Также были выделены средства на разработку более надежных технологий контроля энергопотребления. [106] [107]
В США город Остин, штат Техас , работает над созданием своей интеллектуальной сети с 2003 года, когда его коммунальное предприятие впервые заменило 1/3 своих ручных счетчиков на интеллектуальные счетчики, которые обмениваются данными через беспроводную ячеистую сеть . В настоящее время компания управляет 200 000 устройств в режиме реального времени (умные счетчики, интеллектуальные термостаты и датчики в своей зоне обслуживания) и планирует поддерживать 500 000 устройств в реальном времени в 2009 году, обслуживая 1 миллион потребителей и 43 000 предприятий. [108]
Боулдер, штат Колорадо , завершил первый этап проекта интеллектуальной сети в августе 2008 года. Обе системы используют интеллектуальный счетчик в качестве шлюза к сети домашней автоматизации (HAN), которая управляет интеллектуальными розетками и устройствами. Некоторые разработчики HAN предпочитают отделять функции управления от счетчика, опасаясь будущих несоответствий новым стандартам и технологиям, доступным в быстро развивающемся бизнес-сегменте домашних электронных устройств. [109]
Hydro One в Онтарио , Канада, реализует крупномасштабную инициативу Smart Grid, развертывая соответствующую стандартам коммуникационную инфраструктуру от Trilliant. К концу 2010 года система будет обслуживать 1,3 миллиона клиентов в провинции Онтарио. Эта инициатива получила награду «Лучшая инициатива по борьбе с AMR в Северной Америке» от сети планирования коммунальных предприятий. [110]
Весной 2020 года в Иль-д'Йе началась двухлетняя пилотная программа. Двадцать три дома в районе Кер-Писсо и прилегающих районах были соединены между собой микросетью, которая была автоматизирована как интеллектуальная сеть с помощью программного обеспечения от Engie . На пяти домах установлены шестьдесят четыре солнечные панели пиковой мощностью 23,7 кВт, а на одном доме установлена аккумуляторная батарея емкостью 15 кВтч. Шесть домов хранят избыток солнечной энергии в водонагревателях. Динамическая система распределяет энергию, вырабатываемую солнечными панелями и хранимую в батареях и водонагревателях, на систему из 23 домов. Программное обеспечение для интеллектуальных сетей динамически обновляет спрос и предложение энергии с 5-минутными интервалами, решая, следует ли получать энергию из батареи или из панелей и когда хранить ее в водонагревателях. Эта пилотная программа стала первым подобным проектом во Франции. [111] [112]
Город Мангейм в Германии использует широкополосную связь по линии электропередачи (BPL) в реальном времени в своем проекте Модельного города Мангейма «MoMa». [113]
Сидней также в Австралии в партнерстве с правительством Австралии реализовал программу Smart Grid, Smart City. [114]
InovGrid — это инновационный проект в Эворе , Португалия, целью которого является оснащение электросети информацией и устройствами для автоматизации управления сетью, улучшения качества обслуживания, снижения эксплуатационных расходов, повышения энергоэффективности и экологической устойчивости, а также увеличения проникновения возобновляемых источников энергии и электромобилей. . В любой момент можно будет контролировать и управлять состоянием всей распределительной электросети, что позволит поставщикам и энергосервисным компаниям использовать эту технологическую платформу для предложения потребителям информации, а также энергетических продуктов и услуг с добавленной стоимостью. Этот проект по созданию интеллектуальной энергетической сети ставит Португалию и EDP на передовые позиции в области технологических инноваций и предоставления услуг в Европе. [115] [116]
В рамках так называемых проектов электронной энергетики несколько немецких коммунальных предприятий создают первые ядрышки в шести независимых модельных регионах. Конкурс технологий определил эту модель регионов для проведения исследований и разработок с основной целью создания «Интернета энергетики». [117]
Одна из первых попыток внедрения технологий «умной сети» в США была отклонена в 2009 году регуляторами электроэнергетики Содружества Массачусетса , американского штата . [118] Согласно статье в Boston Globe , дочерняя компания Western Massachusetts Electric Co. компании Northeast Utilities фактически попыталась создать программу «умной сети» с использованием государственных субсидий, которая переключила бы клиентов с низкими доходами с постоплаты на предоплату ( с использованием « смарт-карт ») в дополнение к специальным повышенным «надбавкам» за электроэнергию, использованную сверх заранее определенного количества. [118] Этот план был отклонен регулирующими органами, поскольку он «подрывал важные меры защиты потребителей с низкими доходами от отключений». [118] По данным газеты Boston Globe , план « несправедливо нацелен на клиентов с низкими доходами и обходит законы штата Массачусетс, призванные помочь нуждающимся потребителям сохранить свет включенным». [118] Представитель экологической группы , поддерживающей планы интеллектуальных сетей и вышеупомянутый план «умных сетей» компании Western Massachusetts Electric, в частности, заявил: «При правильном использовании технология интеллектуальных сетей имеет большой потенциал для снижения пикового спроса, что приведет к снижению пикового спроса. позвольте нам закрыть некоторые из самых старых и грязных электростанций... Это инструмент». [118]
Консорциум eEnergy Vermont [119] — это инициатива штата Вермонт в масштабе США , частично финансируемая Законом о восстановлении и реинвестировании Америки от 2009 года , в соответствии с которым все электроэнергетические компании штата быстро внедрили различные технологии Smart Grid, в том числе около На 90 % развернута усовершенствованная инфраструктура учета, и в настоящее время проводится оценка различных структур динамических тарифов.
В Нидерландах был инициирован крупномасштабный проект (>5000 подключений, >20 партнеров) для демонстрации интегрированных технологий, услуг и бизнес-кейсов интеллектуальных сетей. [120]
EPB в Чаттануге, штат Теннесси, является муниципальной электроэнергетической компанией, которая начала строительство интеллектуальной сети в 2008 году, получив в 2009 году от Министерства энергетики США грант в размере 111 567 606 долларов США на ускорение строительства и реализации (общий бюджет составляет 232 219 350 долларов США). Установка прерывателей линий электропередачи (1170 единиц) была завершена в апреле 2012 года, а установка интеллектуальных счетчиков (172 079 единиц) — в 2013 году. Магистральная волоконно-оптическая система интеллектуальной сети также использовалась для обеспечения первого гигабитного подключения к Интернету. частным клиентам в США в рамках инициативы «Оптоволокно до дома», и теперь жителям доступна скорость до 10 гигабит в секунду. По оценкам, интеллектуальная сеть сократит перебои в подаче электроэнергии в среднем на 60%, сэкономив городу около 60 миллионов долларов в год. Это также уменьшило необходимость в «выездах грузовиков» для поиска и устранения неисправностей, что, по оценкам, привело к сокращению пробега грузовиков на 630 000 миль и выбросам углекислого газа на 4,7 миллиона фунтов. В январе 2016 года EPB стала первой крупной системой распределения электроэнергии, получившей сертификат Performance Excellence in Electricity Renewal (PEER). [121] [122] [123] [124]
В некоторых развертываниях используется стандарт OpenADR для сброса нагрузки и снижения спроса в периоды повышенного спроса.
Рынок интеллектуальных сетей в Китае оценивается в 22,3 миллиарда долларов США с прогнозируемым ростом до 61,4 миллиарда долларов к 2015 году. Honeywell совместно с Государственной сетевой корпорацией разрабатывает пилотный проект реагирования на спрос и технико-экономическое обоснование для Китая . Китая с использованием стандарта реагирования на спрос OpenADR . Государственная электросетевая корпорация, Китайская академия наук и General Electric намерены работать вместе над разработкой стандартов для развертывания интеллектуальных сетей Китая. [125] [126] [127]
В 2009 году Министерство энергетики США выделило грант в размере 11 миллионов долларов компаниям Southern California Edison и Honeywell на программу реагирования на спрос , которая автоматически снижает потребление энергии в часы пик для участвующих промышленных потребителей. [128] [129] Министерство энергетики предоставило компании Honeywell грант в размере 11,4 миллиона долларов на реализацию программы с использованием стандарта OpenADR. [130]
Hawaiian Electric Co. (HECO) реализует двухлетний пилотный проект по проверке способности программы ADR реагировать на перебои в работе ветровой энергии. Гавайи поставили перед собой цель получать 70 процентов своей электроэнергии из возобновляемых источников к 2030 году. HECO будет предлагать клиентам стимулы для снижения энергопотребления в течение 10 минут после уведомления. [131]
Являясь частью инициативы IEEE Smart Grid Initiative , [132] IEEE 2030.2 представляет собой расширение работы, направленной на создание систем хранения данных для сетей передачи и распределения. Группа IEEE P2030 планирует представить в начале 2011 года всеобъемлющий набор рекомендаций по интерфейсам интеллектуальных сетей. Новые рекомендации будут охватывать такие области, как батареи и суперконденсаторы , а также маховики . Группа также разработала проект рекомендаций 2030.1 по интеграции электромобилей в интеллектуальную сеть.
IEC TC 57 создал семейство международных стандартов, которые можно использовать как часть интеллектуальной сети. Эти стандарты включают IEC 61850 , который представляет собой архитектуру для автоматизации подстанций, и IEC 61970/61968 – общую информационную модель (CIM) . CIM предусматривает использование общей семантики для преобразования данных в информацию.
OpenADR — это стандарт связи интеллектуальных сетей с открытым исходным кодом, используемый для приложений реагирования на спрос. [133] Обычно он используется для отправки информации и сигналов, вызывающих отключение устройств, использующих электроэнергию, в периоды повышенного спроса.
MultiSpeak создал спецификацию, которая поддерживает функции распределения интеллектуальной сети. MultiSpeak имеет надежный набор определений интеграции, который поддерживает почти все программные интерфейсы, необходимые для утилиты распространения или для части распространения вертикально интегрированной утилиты. Интеграция MultiSpeak определяется использованием расширяемого языка разметки (XML) и веб-сервисов.
IEEE создал стандарт поддержки синхрофазоров — C37.118. [134]
Международная группа пользователей УЦА обсуждает и поддерживает реальный мировой опыт стандартов, используемых в интеллектуальных сетях.
Группа задач по коммунальным предприятиям в рамках LonMark International занимается вопросами, связанными с интеллектуальными сетями.
Растет тенденция к использованию технологии TCP/IP в качестве общей коммуникационной платформы для приложений интеллектуальных счетчиков, чтобы коммунальные предприятия могли развертывать несколько систем связи, используя при этом IP-технологию в качестве общей платформы управления. [135] [136]
IEEE P2030 — это проект IEEE , разрабатывающий «Проект руководства по совместимости энергетических и информационных технологий интеллектуальных сетей с электроэнергетической системой (EPS), а также приложениями и нагрузками конечного использования». [137] [138]
NIST включил ITU-T G.hn в число «стандартов, определенных для внедрения» для Smart Grid , «по которому, по его мнению, существует сильный консенсус заинтересованных сторон». [139] G.hn является стандартом для высокоскоростной связи по линиям электропередачи, телефонным линиям и коаксиальным кабелям.
OASIS EnergyInterop — технический комитет OASIS, разрабатывающий стандарты XML для энергетического взаимодействия. Его отправной точкой является калифорнийский стандарт OpenADR.
В соответствии с Законом об энергетической независимости и безопасности 2007 года (EISA), NIST отвечает за контроль над идентификацией и выбором сотен стандартов, которые потребуются для реализации Smart Grid в США. Эти стандарты будут переданы NIST в Федеральное управление по регулированию энергетики. Комиссия (FERC). Эта работа уже началась, и первые стандарты уже выбраны для включения в каталог NIST Smart Grid. [140] Однако некоторые комментаторы предполагают, что преимущества, которые можно было бы получить от стандартизации Smart Grid, могут оказаться под угрозой из-за растущего числа патентов, охватывающих архитектуру и технологии Smart Grid. [141] Если патенты, охватывающие стандартизированные элементы Smart Grid, не будут раскрыты до тех пор, пока технология не будет широко распространена по сети («заблокирована»), могут произойти значительные сбои, когда держатели патентов будут стремиться получить непредвиденную ренту от крупных сегментов рынка.
В ноябре 2017 года некоммерческая организация GridWise Alliance вместе с группой Clean Edge Inc., занимающейся экологически чистой энергетикой, опубликовала рейтинг всех 50 штатов по их усилиям по модернизации электросетей. Калифорния заняла первое место. Другими ведущими штатами были Иллинойс, Техас, Мэриленд, Орегон, Аризона, округ Колумбия, Нью-Йорк, Невада и Делавэр. «30-страничный отчет от GridWise Alliance, который представляет заинтересованные стороны, которые проектируют, строят и эксплуатируют электросети, глубоко погружается в усилия по модернизации сетей по всей стране и ранжирует их по штатам». [142]
.jpg/1280px-End_of_line_of_T_pylons_(geograph_4456721).jpg)
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )