Интеллектуальная сеть — это усовершенствование электрической сети 20-го века , использующее двустороннюю связь и распределенные так называемые интеллектуальные устройства. [1] 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. [2] Электронное кондиционирование мощности и контроль производства и распределения электроэнергии являются важными аспектами интеллектуальной сети. [3]
Интеллектуальная сеть представляет собой полный набор текущих и предлагаемых ответов на проблемы электроснабжения. Ожидается, что внедрение технологии интеллектуальной сети внесет многочисленные вклады в общее улучшение эффективности энергетической инфраструктуры, в частности, включая управление спросом . Улучшенная гибкость интеллектуальной сети позволяет больше проникать в высокоизменчивые возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра , даже без добавления накопителей энергии . Интеллектуальные сети также могут контролировать/управлять бытовыми устройствами, которые не являются критическими в периоды пикового потребления энергии, и возвращать их функции в непиковые часы. [4]
Интеллектуальная сеть включает в себя ряд эксплуатационных и энергетических мер:
Проблемы с технологией интеллектуальной сети в основном касаются интеллектуальных счетчиков, элементов, которые они поддерживают, и общих вопросов безопасности. Развертывание технологии интеллектуальной сети также подразумевает фундаментальную перестройку отрасли электроэнергетических услуг, хотя типичное использование этого термина сосредоточено на технической инфраструктуре. [7]
Политика в отношении интеллектуальных сетей организована в Европе как Европейская технологическая платформа интеллектуальных сетей. [8] Политика в Соединенных Штатах описана в Разделе 42 Свода законов Соединенных Штатов . [9]
Первая система электросети переменного тока была установлена в 1886 году в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс . [10] В то время сеть 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 по экономическим и надежным причинам. К 1960-м годам электросети развитых стран стали очень большими, зрелыми и тесно взаимосвязанными, с тысячами «центральных» генерирующих электростанций, поставляющих электроэнергию в основные центры нагрузки по линиям электропередач высокой мощности, которые затем разветвлялись и разделялись для обеспечения электроэнергией более мелких промышленных и бытовых потребителей по всей зоне поставок. Топология сети 1960-х годов стала результатом сильной экономии масштаба: крупные угольные, газовые и мазутные электростанции в масштабе от 1 ГВт (1000 МВт) до 3 ГВт по-прежнему считаются экономически эффективными из-за функций повышения эффективности, которые могут быть экономически эффективными только тогда, когда станции становятся очень большими.
Электростанции были стратегически расположены близко к запасам ископаемого топлива (либо к самим шахтам или скважинам, либо близко к железнодорожным, автомобильным или портовым линиям снабжения). Размещение плотин гидроэлектростанций в горных районах также сильно повлияло на структуру формирующейся сети. Атомные электростанции были размещены с учетом наличия охлаждающей воды. Наконец, электростанции, работающие на ископаемом топливе, изначально были очень загрязняющими и размещались как можно дальше от населенных пунктов, насколько это было экономически возможно, как только это позволяли распределительные сети электроэнергии. К концу 1960-х годов электросеть охватила подавляющее большинство населения развитых стран, и только отдаленные региональные районы остались «внесетевыми».
Измерение потребления электроэнергии было необходимо на основе каждого пользователя, чтобы обеспечить надлежащее выставление счетов в соответствии с (крайне изменчивым) уровнем потребления различных пользователей. Из-за ограниченных возможностей сбора и обработки данных в период роста сети обычно устанавливались фиксированные тарифные соглашения, а также двухтарифные соглашения, при которых ночная электроэнергия взималась по более низкой ставке, чем дневная. Мотивацией для двухтарифных соглашений был более низкий ночной спрос. Двойные тарифы сделали возможным использование недорогой ночной электроэнергии в таких приложениях, как поддержание «тепловых банков», которые служили для «сглаживания» ежедневного спроса и сокращения количества турбин, которые необходимо было выключать на ночь, тем самым улучшая использование и прибыльность генерирующих и передающих мощностей. Возможности измерения сети 1960-х годов означали технологические ограничения на степень, в которой ценовые сигналы могли распространяться через систему.
С 1970-х по 1990-е годы растущий спрос привел к увеличению числа электростанций. В некоторых районах подача электроэнергии, особенно в часы пик, не могла поспеть за этим спросом, что приводило к плохому качеству электроэнергии , включая отключения , отключения электроэнергии и падение напряжения . Все больше от электричества зависели промышленность, отопление, связь, освещение и развлечения, и потребители требовали все более высокого уровня надежности.
К концу 20-го века были установлены закономерности спроса на электроэнергию: бытовое отопление и кондиционирование воздуха приводили к ежедневным пикам спроса, которые удовлетворялись массивом «пиковых генераторов мощности», которые включались только на короткие периоды каждый день. Относительно низкое использование этих пиковых генераторов (обычно использовались газовые турбины из-за их относительно низких капитальных затрат и более быстрого времени запуска), вместе с необходимым резервированием в электросети, приводило к высоким издержкам для электроэнергетических компаний, которые переносились в форме повышенных тарифов.
В 21 веке некоторые развивающиеся страны, такие как Китай, Индия и Бразилия, считались пионерами развертывания интеллектуальных сетей. [11]
С начала 21-го века стали очевидны возможности использования усовершенствований в области электронных коммуникационных технологий для устранения ограничений и затрат на электросеть. Технологические ограничения по учету больше не заставляют усреднять пиковые цены на электроэнергию и равномерно распределять их между всеми потребителями. Параллельно с этим растущая обеспокоенность по поводу экологического ущерба от электростанций, работающих на ископаемом топливе, привела к желанию использовать большие объемы возобновляемой энергии . Такие доминирующие формы, как энергия ветра и солнца, сильно изменчивы, поэтому стала очевидной потребность в более сложных системах управления для облегчения подключения источников к в остальном высококонтролируемой сети. [12] Энергия от фотоэлектрических элементов (и в меньшей степени ветряных турбин ) также в значительной степени поставила под сомнение необходимость крупных централизованных электростанций. Быстро падающие затраты указывают на существенное изменение от централизованной топологии сети к высокораспределенной, при которой энергия как вырабатывается, 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 в меньшей степени зависела бы от централизованных электростанций, которые считались потенциальными целями атак. [13]
Первое официальное определение интеллектуальной сети было дано в Законе об энергетической независимости и безопасности 2007 года (EISA-2007) , который был одобрен Конгрессом США в январе 2007 года и подписан президентом Джорджем Бушем- младшим в декабре 2007 года. Раздел XIII этого законопроекта содержит описание с десятью характеристиками, которые можно считать определением интеллектуальной сети, а именно:
«Политика Соединенных Штатов заключается в поддержке модернизации системы передачи и распределения электроэнергии в стране для поддержания надежной и безопасной инфраструктуры электроснабжения, которая может удовлетворить будущий рост спроса, и 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 электрической сети. (2) Динамическая оптимизация работы и ресурсов сети с полной кибербезопасностью. (3) Развертывание и интеграция распределенных ресурсов и генерации, включая возобновляемые ресурсы. (4) Разработка и внедрение реагирования на спрос, ресурсов на стороне спроса и ресурсов энергоэффективности. (5) Развертывание «умных» технологий (автоматизированных, интерактивных технологий реального времени, которые оптимизируют физическую работу приборов и потребительских устройств) для учета, связи относительно работы и состояния сети и автоматизации распределения. (6) Интеграция «умных» приборов и потребительских устройств. (7) Развертывание и интеграция современных технологий хранения электроэнергии и ограничения пиковой нагрузки, включая подключаемые электромобили и гибридные электромобили, а также системы кондиционирования воздуха с тепловым аккумулятором. (8) Предоставление потребителям своевременной информации и возможностей управления. (9) Разработка стандартов связи и взаимодействия приборов и оборудования, подключенных к электросети, 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 следующее определение интеллектуальных сетей [14] [15] [16] :
«Умная сеть — это электрическая сеть, которая может экономически эффективно интегрировать поведение и действия всех подключенных к ней пользователей — производителей, потребителей и тех, кто делает и то, и другое — для обеспечения экономически эффективной, устойчивой энергосистемы с низкими потерями и высоким уровнем качества, надежности и безопасности поставок. Умная сеть использует инновационные продукты и услуги вместе с интеллектуальными технологиями мониторинга, управления, связи и самовосстановления для того, чтобы:
- Лучше облегчить подключение и эксплуатацию генераторов всех размеров и технологий.
- Позвольте потребителям принять участие в оптимизации работы системы.
- Предоставить потребителям больше информации и вариантов использования имеющихся у них запасов.
- Значительно снизить воздействие всей системы электроснабжения на окружающую среду.
- Поддерживать или даже улучшать существующие высокие уровни надежности системы, качества и безопасности поставок.
- Эффективно поддерживать и улучшать существующие услуги».
Это определение было использовано в Сообщении Европейской комиссии (2011) 202. [17]
Общим элементом большинства определений является применение цифровой обработки и связи к электросети, что делает поток данных и управление информацией центральными для интеллектуальной сети. Различные возможности являются результатом глубоко интегрированного использования цифровой технологии с электросетями. Интеграция новой сетевой информации является одним из ключевых вопросов при проектировании интеллектуальных сетей. Электроэнергетические компании теперь обнаруживают, что выполняют три класса преобразований: улучшение инфраструктуры, называемой в Китае сильной сетью ; добавление цифрового уровня, который является сутью интеллектуальной сети ; и преобразование бизнес-процессов, необходимое для извлечения выгоды из инвестиций в интеллектуальные технологии. Большая часть работы, которая ведется в области модернизации электросетей, особенно автоматизация подстанций и распределения, теперь включена в общую концепцию интеллектуальной сети. [18]
Технологии интеллектуальных сетей возникли из более ранних попыток использования электронного управления, учета и мониторинга. В 1980-х годах автоматическое считывание показаний счетчиков использовалось для мониторинга нагрузок от крупных клиентов и превратилось в инфраструктуру усовершенствованного учета 1990-х годов, счетчики которой могли хранить данные о том, как электричество использовалось в разное время суток. [19] Интеллектуальные счетчики добавляют непрерывную связь, чтобы мониторинг мог осуществляться в режиме реального времени, и могут использоваться в качестве шлюза для устройств, распознающих спрос , и «умных розеток» в доме. Ранние формы таких технологий управления спросом представляли собой динамические устройства, распознающие спрос, которые пассивно определяли нагрузку на сеть, отслеживая изменения частоты электропитания. Такие устройства, как промышленные и бытовые кондиционеры, холодильники и обогреватели, корректировали свой рабочий цикл, чтобы избежать активации в периоды пиковой нагрузки сети. Начиная с 2000 года итальянский проект Telegestore стал первым, который объединил в сеть большое количество (27 миллионов) домов с использованием интеллектуальных счетчиков, подключенных через линию электропередачи с низкой пропускной способностью . [20] В некоторых экспериментах использовался термин «широкополосная связь по линиям электропередач» (BPL), в то время как в других использовались беспроводные технологии, такие как ячеистые сети, продвигаемые для более надежного соединения с разрозненными устройствами в доме, а также для поддержки учета других коммунальных услуг, таких как газ и вода. [12]
Мониторинг и синхронизация широкополосных сетей были революционизированы в начале 1990-х годов, когда Bonneville Power Administration расширила свои исследования интеллектуальной сети с помощью прототипов датчиков , которые способны очень быстро анализировать аномалии в качестве электроэнергии на очень больших географических территориях. Кульминацией этой работы стала первая действующая широкополосная измерительная система (WAMS) в 2000 году. [21] Другие страны быстро интегрируют эту технологию — Китай начал иметь всеобъемлющую национальную WAMS, когда последний 5-летний экономический план был завершен в 2012 году. [22]
Самые ранние развертывания интеллектуальных сетей включают итальянскую систему Telegestore (2005), ячеистую сеть Остина, Техас (с 2003), и интеллектуальную сеть в Боулдере, Колорадо (2008). См. § Развертывания и попытки развертываний ниже.
Интеллектуальная сеть позволит энергетической отрасли наблюдать и контролировать части системы с более высоким разрешением во времени и пространстве. [23] Одной из целей интеллектуальной сети является обмен информацией в реальном времени, чтобы сделать работу максимально эффективной. Она позволит управлять сетью во всех временных масштабах от высокочастотных коммутационных устройств в масштабе микросекунд до изменений выходной мощности ветра и солнца в минутном масштабе и до будущих эффектов выбросов углерода, образующихся при производстве электроэнергии в масштабе десятилетия.
Интеллектуальная сеть представляет собой полный набор текущих и предлагаемых ответов на проблемы электроснабжения. Из-за разнообразия факторов существует множество конкурирующих таксономий и нет соглашения по универсальному определению. Тем не менее, здесь приводится одна возможная категоризация.
Интеллектуальная сеть использует такие технологии, как оценка состояния, [24] , которые улучшают обнаружение неисправностей и позволяют сети самовосстанавливаться без вмешательства техников. Это обеспечит более надежную подачу электроэнергии и снизит уязвимость к стихийным бедствиям или атакам.
Хотя несколько маршрутов рекламируются как особенность интеллектуальной сети, старая сеть также имела несколько маршрутов. Первоначальные линии электропередач в сети были построены с использованием радиальной модели, позднее подключение гарантировалось через несколько маршрутов, называемых сетевой структурой. Однако это создало новую проблему: если поток тока или связанные с ним эффекты в сети превышают пределы любого конкретного элемента сети, он может выйти из строя, и ток будет шунтироваться на другие элементы сети, которые в конечном итоге также могут выйти из строя, вызывая эффект домино . См. отключение питания . Методом предотвращения этого является сброс нагрузки путем веерного отключения или снижения напряжения (провал). [25] [26]
Инфраструктура передачи и распределения следующего поколения будет лучше справляться с возможными двунаправленными потоками энергии , что позволит осуществлять распределенную генерацию, например, с помощью фотоэлектрических панелей на крышах зданий, а также зарядку от/до аккумуляторов электромобилей, ветряных турбин, гидроэлектростанций, использования топливных элементов и других источников.
Классические сети были разработаны для одностороннего потока электроэнергии, но если локальная подсеть генерирует больше энергии, чем потребляет, обратный поток может вызвать проблемы безопасности и надежности. [27] Интеллектуальная сеть направлена на управление такими ситуациями. [12]
Многочисленные вклады в общее улучшение эффективности энергетической инфраструктуры ожидаются от внедрения технологии интеллектуальной сети, в частности, включая управление спросом , например, отключение кондиционеров во время краткосрочных скачков цен на электроэнергию, [28] снижение напряжения, когда это возможно, на распределительных линиях с помощью оптимизации напряжения/VAR (VVO), устранение выездов для снятия показаний счетчиков и сокращение выездов за счет улучшения управления отключениями с использованием данных из систем Advanced Metering Infrastructure. Общий эффект заключается в уменьшении избыточности в линиях передачи и распределения и более эффективном использовании генераторов, что приводит к снижению цен на электроэнергию. [ необходима цитата ]
Общая нагрузка, подключенная к электросети, может значительно меняться с течением времени. Хотя общая нагрузка является суммой множества индивидуальных выборов клиентов, общая нагрузка не обязательно стабильна или медленно меняется. Например, если запускается популярная телевизионная программа, миллионы телевизоров мгновенно начнут потреблять ток. Традиционно, чтобы отреагировать на быстрое увеличение энергопотребления, быстрее времени запуска большого генератора, некоторые запасные генераторы переводятся в режим ожидания с рассеиванием. [ требуется цитата ] Интеллектуальная сеть может предупредить все отдельные телевизоры или другого более крупного клиента о необходимости временно [29] снизить нагрузку (чтобы дать время для запуска большего генератора) или постоянно (в случае ограниченных ресурсов). Используя математические алгоритмы прогнозирования, можно предсказать, сколько резервных генераторов необходимо использовать, чтобы достичь определенной частоты отказов. В традиционной сети частота отказов может быть снижена только за счет большего количества резервных генераторов. В интеллектуальной сети снижение нагрузки даже небольшой частью клиентов может устранить проблему.
Чтобы снизить спрос в периоды пикового потребления с высокими затратами, технологии связи и учета информируют интеллектуальные устройства в доме и на работе о высоком спросе на энергию и отслеживают, сколько электроэнергии используется и когда она используется. Это также дает коммунальным компаниям возможность снизить потребление, напрямую связываясь с устройствами, чтобы предотвратить перегрузки системы. Примерами могут служить коммунальные службы, сокращающие использование группы зарядных станций для электромобилей или изменяющие заданные значения температуры кондиционеров в городе. [29] Чтобы мотивировать их сократить потребление и выполнить то, что называется ограничением пиков или выравниванием пиков , цены на электроэнергию увеличиваются в периоды высокого спроса и уменьшаются в периоды низкого спроса. [12] Считается, что потребители и предприятия будут стремиться потреблять меньше в периоды высокого спроса, если потребители и потребительские устройства смогут знать о высокой ценовой надбавке за использование электроэнергии в пиковые периоды. Это может означать необходимость компромиссов, таких как включение/выключение кондиционеров или запуск посудомоечных машин в 9 вечера вместо 5 вечера. Когда предприятия и потребители увидят прямую экономическую выгоду от использования энергии в часы пониженной нагрузки, теоретически они будут включать затраты на электроэнергию при принятии решений о выборе потребительских устройств и строительстве зданий и, следовательно, станут более энергоэффективными.
Улучшенная гибкость интеллектуальной сети позволяет большему проникновению высокоизменчивых возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и энергия ветра , даже без добавления накопителей энергии . Текущая сетевая инфраструктура не рассчитана на множество распределенных точек подачи, и, как правило, даже если некоторая подача разрешена на локальном (распределительном) уровне, инфраструктура уровня передачи не может ее обеспечить. Быстрые колебания распределенной генерации, например, из-за облачной или порывистой погоды, представляют собой значительные проблемы для инженеров-энергетиков, которым необходимо обеспечить стабильные уровни мощности за счет изменения выходной мощности более управляемых генераторов, таких как газовые турбины и гидроэлектростанции. По этой причине технология интеллектуальной сети является необходимым условием для очень больших объемов возобновляемой электроэнергии в сети. Также поддерживается транспортное средство-сеть . [30]
Интеллектуальная сеть обеспечивает систематическую связь между поставщиками (их ценой на энергию) и потребителями (их готовностью платить), и 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 быть более стратегическими в том, когда они используют энергию. Генераторы с большей гибкостью смогут продавать энергию стратегически для максимальной прибыли, тогда как негибкие генераторы, такие как базовые паровые турбины и ветряные турбины, будут получать изменяющийся тариф в зависимости от уровня спроса и статуса других работающих в данный момент генераторов. Общий эффект — это сигнал, который награждает энергоэффективность и потребление энергии, которое чувствительно к изменяющимся во времени ограничениям предложения. На бытовом уровне приборы с определенной степенью накопления энергии или тепловой массы (такие как холодильники, тепловые банки и тепловые насосы) будут хорошо подготовлены к «игре» на рынке и стремлению минимизировать стоимость энергии путем адаптации спроса к периодам поддержки более дешевой энергии. Это расширение двухтарифного ценообразования на электроэнергию, упомянутого выше.
Поддержка реагирования на спрос позволяет генераторам и нагрузкам взаимодействовать в автоматическом режиме в режиме реального времени, координируя спрос для сглаживания пиков. Устранение доли спроса, которая возникает в этих пиках, устраняет затраты на добавление резервных генераторов, сокращает износ и продлевает срок службы оборудования, а также позволяет пользователям сократить свои счета за электроэнергию, сообщая устройствам с низким приоритетом использовать энергию только тогда, когда она самая дешевая. [31]
В настоящее время системы электросетей имеют различную степень коммуникации в системах управления для своих высокоценных активов, таких как генерирующие установки, линии электропередачи, подстанции и крупные потребители энергии. В целом информация течет в одном направлении, от пользователей и контролируемых ими нагрузок обратно к коммунальным службам. Коммунальные службы пытаются удовлетворить спрос и преуспевают или терпят неудачу в разной степени (отключения, веерные отключения, неконтролируемые отключения). Общий объем энергии, требуемой пользователями, может иметь очень широкое распределение вероятностей , что требует наличия запасных генерирующих установок в режиме ожидания для реагирования на быстро меняющееся потребление энергии. Этот односторонний поток информации является дорогостоящим; последние 10% генерирующей мощности могут потребоваться всего лишь в 1% случаев, а отключения и сбои могут быть дорогостоящими для потребителей.
Реагирование на спрос может осуществляться коммерческими, бытовыми и промышленными нагрузками. [32] Например, подразделение Alcoa Warrick Operation участвует в MISO в качестве квалифицированного ресурса реагирования на спрос, [33] а Trimet Aluminium использует свой плавильный завод в качестве краткосрочной мегабатареи. [34]
Задержка потока данных является серьезной проблемой, поскольку некоторые ранние архитектуры интеллектуальных счетчиков допускали задержку в получении данных до 24 часов, предотвращая любую возможную реакцию как со стороны поставляющих, так и запрашивающих устройств. [35]
Большая часть технологий интеллектуальных сетей уже используется в других приложениях, таких как производство и телекоммуникации, и адаптируется для использования в сетевых операциях. [36]
IntelliGrid – Созданная Институтом исследований в области электроэнергетики (EPRI), архитектура IntelliGrid предоставляет методологию, инструменты и рекомендации по стандартам и технологиям для использования коммунальными службами при планировании, определении и закупке систем на основе ИТ, таких как расширенные измерения, автоматизация распределения и реагирование на спрос. Архитектура также предоставляет живую лабораторию для оценки устройств, систем и технологий. Несколько коммунальных служб применили архитектуру IntelliGrid, включая Southern California Edison, Long Island Power Authority, Salt River Project и TXU Electric Delivery. Консорциум IntelliGrid является государственно-частным партнерством , которое объединяет и оптимизирует глобальные исследовательские усилия, финансирует технологические НИОКР, работает над интеграцией технологий и распространяет техническую информацию. [45]
Grid 2030 – Grid 2030 – это совместное видение американской электроэнергетической системы, разработанное электроэнергетической промышленностью, производителями оборудования, поставщиками информационных технологий, федеральными и государственными правительственными агентствами, заинтересованными группами, университетами и национальными лабораториями. Оно охватывает генерацию, передачу, распределение, хранение и конечное использование. [46] Национальная дорожная карта технологий электроснабжения – это документ по внедрению видения Grid 2030. В дорожной карте изложены ключевые вопросы и задачи модернизации сети и предлагаются пути, по которым правительство и промышленность могут построить будущую систему электроснабжения Америки. [47]
Modern Grid Initiative (MGI) — это совместная работа Министерства энергетики США (DOE), Национальной лаборатории энергетических технологий (NETL), коммунальных служб, потребителей, исследователей и других заинтересованных сторон в области электросетей по модернизации и интеграции электросети США. Управление по поставке электроэнергии и надежности энергоснабжения (OE) DOE спонсирует инициативу, которая основывается на Grid 2030 и Национальной дорожной карте технологий поставки электроэнергии и согласуется с другими программами, такими как GridWise и GridWorks. [48]
GridWise – программа DOE OE, направленная на разработку информационных технологий для модернизации электросети США. Работая с GridWise Alliance, программа инвестирует в архитектуру и стандарты связи; инструменты моделирования и анализа; интеллектуальные технологии; испытательные стенды и демонстрационные проекты; и новые нормативные, институциональные и рыночные рамки. GridWise Alliance – это консорциум заинтересованных сторон государственного и частного сектора электроэнергетики, предоставляющий форум для обмена идеями, совместных усилий и встреч с политиками на федеральном и государственном уровнях. [49]
Совет по архитектуре GridWise (GWAC) был сформирован Министерством энергетики США для продвижения и обеспечения взаимодействия между многими субъектами, которые взаимодействуют с национальной электроэнергетической системой. Члены GWAC — это сбалансированная и уважаемая команда, представляющая множество заинтересованных сторон в цепочке поставок электроэнергии и пользователей. GWAC предоставляет отраслевые рекомендации и инструменты для формулирования цели взаимодействия в рамках всей электроэнергетической системы, определения концепций и архитектур, необходимых для обеспечения взаимодействия, и разработки действенных шагов для содействия взаимодействию систем, устройств и институтов, которые охватывают национальную электроэнергетическую систему. Структура настройки контекста взаимодействия Совета по архитектуре GridWise, V 1.1, определяет необходимые руководящие принципы и рекомендации. [50]
GridWorks – программа DOE OE, направленная на повышение надежности электрической системы путем модернизации ключевых компонентов сети, таких как кабели и проводники, подстанции и защитные системы, а также силовая электроника. Программа фокусируется на координации усилий по высокотемпературным сверхпроводящим системам, технологиям надежности передачи, технологиям распределения электроэнергии, устройствам хранения энергии и системам GridWise. [51]
Демонстрационный проект интеллектуальной сети Pacific Northwest. - Этот проект является демонстрационным в пяти штатах Тихоокеанского Северо-Запада - Айдахо, Монтана, Орегон, Вашингтон и Вайоминг. Он охватывает около 60 000 клиентов с счетчиками и содержит множество ключевых функций будущей интеллектуальной сети. [52]
Солнечные города - В Австралии программа Солнечных городов включала тесное сотрудничество с энергетическими компаниями для тестирования интеллектуальных счетчиков, пикового и непикового ценообразования, удаленного переключения и связанных с этим усилий. Она также предоставила ограниченное финансирование для модернизации сетей. [53]
Центр исследований в области интеллектуальных сетей (SMERC) — расположенный вКалифорнийском университете в Лос-Анджелесе,посвятил свои усилия масштабному тестированию своей интеллектуальной сетевой технологии зарядки электромобилей. Он создал еще одну платформу для двунаправленного потока информации между коммунальной службой 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), Систему хранения энергии аккумуляторов (BESS) и фотоэлектрические (PV) панели. Эти технологии установлены в Департаменте водных ресурсов и энергетики Лос-Анджелеса и на территории Southern California Edison в виде сети зарядных устройств для электромобилей, систем хранения энергии аккумуляторов, солнечных панелей, быстрой зарядки постоянного тока и устройств Vehicle-to-Grid (V2G). Эти платформы, сети связи и управления позволяют проводить испытания проектов, возглавляемых UCLA в этом районе, в партнерстве с двумя местными коммунальными службами, SCE и LADWP.[54]
Smart Quart - В Германии проект Smart Quart разрабатывает три интеллектуальных района для разработки, тестирования и демонстрации технологий для работы интеллектуальных сетей. Проект является совместным проектом E.ON , Viessmann , gridX и hydrogenious совместно с Рейнско-Вестфальским техническим университетом Ахена . Планируется, что к концу 2024 года все три района будут снабжаться локально вырабатываемой энергией и в значительной степени не будут зависеть от ископаемых источников энергии. [55]
Smart5Grid – В Португалии направлен на то, чтобы операторы в энергетическом секторе могли воспользоваться преимуществами, связанными с использованиемсетей 5G . С точки зрения надежности и безопасности предлагается решение, которое точно соответствует конкретным требованиям, предъявляемым Smart Grid, таким как высокая скорость передачи данных и мониторинг в реальном времени. [56]
Для моделирования интеллектуальных энергосетей использовалось множество различных концепций. Обычно они изучаются в рамках сложных систем . В недавнем сеансе мозгового штурма [57] энергосеть рассматривалась в контексте оптимального управления , экологии , человеческого познания, стеклянной динамики, теории информации , микрофизики облаков и многих других. Вот выборка типов анализов, которые появились в последние годы.
В некоторых исследованиях изучались решения по федеративному обучению для моделирования потока сетевого трафика реальных данных интеллектуальной сети с целью постоянного обнаружения и классификации вторжений в такую систему, а именно с помощью исследования трехуровневой иерархии, которая аналогово имитирует структуру подстанций интеллектуальной сети. [58] [59]
Пелким Спахиу и Ян Р. Эванс в своем исследовании представили концепцию интеллектуальной защиты на базе подстанции и гибридного инспекционного блока. [60] [61]
Модель Курамото — хорошо изученная система. В этом контексте также описывалась электросеть. [62] [63] Цель состоит в том, чтобы поддерживать систему в равновесии или поддерживать фазовую синхронизацию (также известную как фазовая синхронизация). Неоднородные осцилляторы также помогают моделировать различные технологии, различные типы генераторов энергии, модели потребления и т. д. Модель также использовалась для описания моделей синхронизации в мерцании светлячков. [62]
Сетевые симуляторы используются для имитации/эмуляции эффектов сетевой связи. Обычно это включает в себя настройку лаборатории с интеллектуальными сетевыми устройствами, приложениями и т. д. с виртуальной сетью, предоставляемой сетевым симулятором. [64] [65]
Нейронные сети также рассматривались для управления энергосистемами. Электроэнергетические системы можно классифицировать несколькими способами: 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 необходимо, поскольку оно используется для прогнозирования количества энергии, которое будет потребляться нагрузкой. Это зависит от погодных условий, типа дня, случайных событий, инцидентов 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 таких моделей: классификация профилей нагрузки различных классов потребителей на основе потребления электроэнергии, повышенная скорость реагирования спроса для прогнозирования цен на электроэнергию в реальном времени по сравнению с обычными сетями, необходимость ввода прошлого спроса в виде различных компонентов, таких как пиковая нагрузка, базовая нагрузка, нагрузка в долине, средняя нагрузка и т. д. вместо объединения их в один вход, и, наконец, зависимость типа от конкретных входных переменных. Примером последнего случая может служить тип дня, будь то будний день или выходной, который не окажет большого влияния на сети больниц, но станет существенным фактором в профиле нагрузки сетей жилых домов. [66] [67] [68] [69] [70]
Поскольку ветроэнергетика продолжает набирать популярность, она становится необходимым компонентом в реалистичных исследованиях электросетей. Автономное хранение, изменчивость ветра, предложение, спрос, ценообразование и другие факторы можно смоделировать как математическую игру. Здесь цель состоит в том, чтобы разработать выигрышную стратегию. Марковские процессы использовались для моделирования и изучения этого типа системы. [71]
В 2009 году индустрия интеллектуальных сетей США оценивалась примерно в $21,4 млрд. — к 2014 году она превысит как минимум $42,8 млрд. Учитывая успех интеллектуальных сетей в США, ожидается, что мировой рынок будет расти более быстрыми темпами, поднявшись с $69,3 млрд. в 2009 году до $171,4 млрд. к 2014 году. Наибольшую выгоду получат продавцы оборудования для интеллектуальных счетчиков и производители программного обеспечения, используемого для передачи и организации огромного количества данных, собираемых счетчиками. [72]
Исследование, проведенное в 2011 году Институтом исследований в области электроэнергетики, пришло к выводу, что инвестиции в интеллектуальную сеть США обойдутся в 476 миллиардов долларов за 20 лет, но за это время принесут выгоду клиентам в размере 2 триллионов долларов. [73] В 2015 году Всемирный экономический форум сообщил, что в течение следующих 25 лет членам ОЭСР необходимо будет инвестировать в трансформационные проекты более 7,6 триллиона долларов (или 300 миллиардов долларов в год) для модернизации, расширения и децентрализации инфраструктуры электроснабжения с использованием технических инноваций в качестве ключа к трансформации. [74] Исследование Международного энергетического агентства за 2019 год оценивает текущую (амортизированную) стоимость электрической сети США более чем в 1 триллион долларов США. Общая стоимость ее замены на интеллектуальную сеть оценивается в более чем 4 триллиона долларов США. Если интеллектуальные сети будут полностью развернуты по всей территории США, страна рассчитывает сэкономить 130 миллиардов долларов США в год. [75]
Поскольку клиенты могут выбирать своих поставщиков электроэнергии в зависимости от их различных тарифных методов, фокус транспортных расходов будет увеличиваться. Сокращение расходов на техническое обслуживание и замены будет стимулировать более продвинутый контроль.
Интеллектуальная сеть точно ограничивает электроэнергию вплоть до уровня жилых домов, объединяет в сеть мелкомасштабные распределенные устройства генерации и хранения энергии , передает информацию о рабочем состоянии и потребностях, собирает информацию о ценах и состоянии сети и переводит сеть за пределы централизованного управления в совместную сеть. [76]
Исследование Министерства энергетики США 2003 года подсчитало, что внутренняя модернизация сетей США с возможностями интеллектуальной сети сэкономит от 46 до 117 миллиардов долларов в течение следующих 20 лет, если будет реализована в течение нескольких лет после исследования. [77] Помимо этих преимуществ промышленной модернизации, функции интеллектуальной сети могут расширить энергоэффективность за пределы сети в дома, координируя низкоприоритетные домашние устройства, такие как водонагреватели, так, чтобы их использование энергии использовало преимущества наиболее желаемых источников энергии. Умные сети также могут координировать производство электроэнергии от большого количества мелких производителей энергии, таких как владельцы солнечных панелей на крышах — соглашение, которое в противном случае оказалось бы проблематичным для операторов энергосистем на местных коммунальных предприятиях.
Один важный вопрос заключается в том, будут ли потребители действовать в ответ на сигналы рынка. Министерство энергетики США (DOE) в рамках Программы грантов и демонстраций по инвестициям в интеллектуальные сети в рамках Закона о восстановлении и реинвестировании Америки профинансировало специальные исследования поведения потребителей для изучения принятия, удержания и реакции потребителей, подписавшихся на программы повременных тарифов на коммунальные услуги Архивировано 18.03.2015 в Wayback Machine , которые включают в себя развитую инфраструктуру учета и клиентские системы, такие как домашние дисплеи и программируемые коммуникационные термостаты.
Еще одна проблема заключается в том, что стоимость телекоммуникаций для полной поддержки интеллектуальных сетей может быть непомерно высокой. Предлагается менее дорогой механизм связи [ требуется ссылка ] с использованием формы « динамического управления спросом », где устройства срезают пики, сдвигая свои нагрузки в ответ на частоту сети. Частота сети может использоваться для передачи информации о нагрузке без необходимости в дополнительной телекоммуникационной сети, но она не будет поддерживать экономические переговоры или количественную оценку вкладов.
Хотя существуют определенные и проверенные технологии интеллектуальных сетей, интеллектуальная сеть — это обобщенный 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 снижения потребления электроэнергии на стороне потребителя в часы пик, называемую управлением спросом ; возможность подключения к сети распределенной генерации электроэнергии (с фотоэлектрическими батареями , небольшими ветряными турбинами , микрогидроэлектростанциями или даже комбинированными теплоэлектростанциями в зданиях); включение хранения энергии в сеть для балансировки нагрузки распределенной генерации; и устранение или ограничение сбоев, таких как широко распространенные каскадные сбои электросети . Ожидается, что повышенная эффективность и надежность интеллектуальной сети сэкономит потребителям деньги и поможет сократить выбросы CO2 . [ 78]
Большинство возражений и опасений были сосредоточены на интеллектуальных счетчиках и элементах (таких как дистанционное управление, дистанционное отключение и ценообразование с переменной ставкой), которые они обеспечивают. Когда возникает противодействие интеллектуальным счетчикам, они часто рекламируются как «интеллектуальная сеть», которая в глазах оппонентов соединяет интеллектуальную сеть с интеллектуальными счетчиками. Конкретные пункты возражений или опасений включают:
В то время как модернизация электрических сетей в интеллектуальные сети позволяет оптимизировать повседневные процессы, интеллектуальная сеть, будучи онлайн, может быть уязвима для кибератак. [79] [80] [59] Трансформаторы, которые повышают напряжение электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях для дальних поездок, сами линии электропередач и распределительные линии, которые доставляют электроэнергию потребителям, особенно уязвимы. [81] Эти системы полагаются на датчики, которые собирают информацию с поля, а затем передают ее в центры управления, где алгоритмы автоматизируют процессы анализа и принятия решений. Эти решения отправляются обратно на поле, где существующее оборудование их выполняет. [82] Хакеры имеют потенциал для нарушения работы этих автоматизированных систем управления, разрывая каналы, которые позволяют использовать вырабатываемую электроэнергию. [81] Это называется атакой отказа в обслуживании или DoS. Они также могут запускать атаки на целостность, которые повреждают информацию, передаваемую по системе, а также атаки десинхронизации, которые влияют на то, когда такая информация доставляется в соответствующее место. [82] Кроме того, злоумышленники могут получить доступ через системы генерации возобновляемой энергии и интеллектуальные счетчики, подключенные к сети, используя более специализированные слабости или те, безопасность которых не была приоритетной. Поскольку интеллектуальная сеть имеет большое количество точек доступа, таких как интеллектуальные счетчики, защита всех ее слабых мест может оказаться сложной. [79]
Также существует обеспокоенность по поводу безопасности инфраструктуры, в первую очередь, связанной с коммуникационными технологиями. Опасения в основном сосредоточены вокруг коммуникационных технологий, лежащих в основе интеллектуальной сети. Разработанные для обеспечения связи в режиме реального времени между коммунальными службами и счетчиками в домах и на предприятиях клиентов, эти возможности могут быть использованы для преступных или даже террористических действий. [12] Одной из ключевых возможностей этой связи является возможность удаленного отключения электроснабжения, что позволяет коммунальным службам быстро и легко прекращать или изменять поставки клиентам, которые не платят. Это, несомненно, огромное благо для поставщиков энергии, но также поднимает некоторые существенные вопросы безопасности. [83] Киберпреступники уже неоднократно проникали в электросеть США. [84] Помимо компьютерного проникновения, существуют также опасения, что вредоносное программное обеспечение , такое как Stuxnet , которое нацелено на системы SCADA, широко используемые в промышленности, может быть использовано для атаки на интеллектуальную сеть. [85]
Кража электроэнергии является проблемой в США, где внедряемые интеллектуальные счетчики используют технологию RF для связи с сетью передачи электроэнергии. [ требуется ссылка ] Люди, разбирающиеся в электронике, могут разработать устройства для создания помех, чтобы интеллектуальный счетчик показывал заниженные показатели по сравнению с фактическим потреблением. [ требуется ссылка ] Аналогичным образом, ту же технологию можно использовать, чтобы создать видимость того, что энергия, используемая потребителем, используется другим потребителем, увеличивая его счет. [ требуется ссылка ]
Ущерб от хорошо выполненной, масштабной кибератаки может быть обширным и долгосрочным. Ремонт одной выведенной из строя подстанции может занять от девяти дней до года, в зависимости от характера атаки. Это также может вызвать многочасовое отключение в небольшом радиусе. Это может оказать немедленное воздействие на транспортную инфраструктуру, поскольку светофоры и другие механизмы маршрутизации, а также вентиляционное оборудование для подземных дорог зависят от электричества. [86] Кроме того, может быть затронута инфраструктура, которая зависит от электросети, включая очистные сооружения, сектор информационных технологий и системы связи. [86]
Кибератака на энергосистему Украины в декабре 2015 года , первая зафиксированная в своем роде, нарушила обслуживание почти четверти миллиона человек, отключив подстанции. [87] [88] Совет по международным отношениям отметил, что государства, скорее всего, являются виновниками такой атаки, поскольку у них есть доступ к ресурсам для ее осуществления, несмотря на высокий уровень сложности ее осуществления. Кибервторжения могут использоваться как часть более крупного наступления, военного или иного. [88] Некоторые эксперты по безопасности предупреждают, что этот тип событий легко масштабируется на сети в других местах. [89] Страховая компания Lloyd's of London уже смоделировала результат кибератаки на Eastern Interconnection , которая может затронуть 15 штатов, оставить 93 миллиона человек без связи и обойтись экономике страны в размере от 243 миллиардов до 1 триллиона долларов в виде различных убытков. [90]
По данным Подкомитета Палаты представителей США по экономическому развитию, общественным зданиям и управлению в чрезвычайных ситуациях, электросеть уже столкнулась со значительным количеством кибервторжений, причем две из пяти были направлены на ее вывод из строя. [81] Таким образом, Министерство энергетики США отдало приоритет исследованиям и разработкам, чтобы снизить уязвимость электросети к кибератакам, назвав их «неминуемой опасностью» в своем Четырехгодичном обзоре энергетики за 2017 год. [91] Министерство энергетики также определило как устойчивость к атакам, так и самовосстановление в качестве основных ключей к обеспечению того, чтобы сегодняшняя интеллектуальная сеть соответствовала требованиям завтрашнего дня. [82] Хотя уже существуют нормативные акты, а именно Стандарты защиты критической инфраструктуры, введенные Советом по надежности электроснабжения Северной Америки, значительное количество из них являются предложениями, а не предписаниями. [88] Большинство объектов и оборудования для производства, передачи и распределения электроэнергии принадлежат частным заинтересованным сторонам, что еще больше усложняет задачу оценки соблюдения таких стандартов. [91] Кроме того, даже если коммунальные службы захотят полностью соответствовать требованиям, они могут обнаружить, что это слишком дорого. [88]
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 сами вторжения могут предоставлять ценную информацию, может быть полезным анализ системных журналов и других записей об их характере и времени. Распространенные недостатки, уже выявленные с помощью таких методов Министерством внутренней безопасности, включают плохое качество кода, неправильную аутентификацию и слабые правила брандмауэра. Некоторые полагают, что после завершения этого шага имеет смысл завершить анализ потенциальных последствий вышеупомянутых сбоев или недостатков. Это включает как немедленные последствия, так и каскадные эффекты второго и третьего порядка на параллельные системы. Наконец, для решения этой ситуации могут быть развернуты решения по снижению рисков, которые могут включать простое устранение недостатков инфраструктуры или новые стратегии. Некоторые из таких мер включают перекодирование алгоритмов системы 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 обучение тех, кто работает в полевых условиях, осторожному отношению к странным USB-накопителям, которые могут занести вредоносное ПО, если их вставить, даже если это делается просто для проверки их содержимого. [82]
Другие решения включают использование подстанций электропередачи, ограниченных сетей SCADA, обмен данными на основе политик и аттестацию ограниченных интеллектуальных счетчиков.
Подстанции передачи используют технологии аутентификации одноразовой подписи и конструкции односторонней хэш-цепочки. Эти ограничения были устранены с созданием технологии быстрой подписи и проверки и обработки данных без буферизации. [92]
Аналогичное решение было создано для ограниченных сетей SCADA. Оно включает применение кода аутентификации сообщений на основе хэша к потокам байтов, преобразуя обнаружение случайных ошибок, доступное в устаревших системах, в механизм, гарантирующий подлинность данных. [92]
Совместное использование данных на основе политик использует синхронизированные с часами GPS-часы-мелкозернистые измерения электросети для обеспечения повышенной стабильности и надежности сети. Это происходит с помощью требований синхрофазора, которые собираются PMU. [92]
Однако аттестация ограниченных интеллектуальных счетчиков сталкивается с несколько иной проблемой. Одна из самых больших проблем с аттестацией ограниченных интеллектуальных счетчиков заключается в том, что для предотвращения кражи энергии и подобных атак поставщики услуг кибербезопасности должны убедиться, что программное обеспечение устройств является подлинным. Для борьбы с этой проблемой была создана и реализована на низком уровне во встроенной системе архитектура для ограниченных интеллектуальных сетей. [92]
Система защиты интеллектуальной сети обеспечивает анализ надежности сети, защиту от сбоев, а также услуги по защите безопасности и конфиденциальности. Хотя дополнительная инфраструктура связи интеллектуальной сети обеспечивает дополнительные механизмы защиты и безопасности, она также представляет риск внешней атаки и внутренних сбоев. В отчете о кибербезопасности технологии интеллектуальной сети, впервые подготовленном в 2010 году и позднее обновленном в 2014 году, Национальный институт стандартов и технологий США указал, что возможность собирать больше данных об использовании энергии с интеллектуальных счетчиков клиентов также вызывает серьезные опасения по поводу конфиденциальности, поскольку информация, хранящаяся на счетчике, которая потенциально уязвима для утечки данных , может быть использована для получения персональных данных о клиентах. [93]
Прежде чем коммунальное предприятие установит усовершенствованную систему учета или любой тип интеллектуальной системы , оно должно сделать экономическое обоснование для инвестиций. Некоторые компоненты, такие как стабилизаторы энергосистемы (PSS) [ необходимо разъяснение ], 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 каких-либо стимулов для их установки поставщики электроэнергии не делают этого. [94] Большинству коммунальных предприятий трудно оправдать установку инфраструктуры связи для одного приложения (например, считывание показаний счетчика). Из-за этого коммунальное предприятие обычно должно определить несколько приложений, которые будут использовать одну и ту же инфраструктуру связи — например, считывание показаний счетчика, мониторинг качества электроэнергии, удаленное подключение и отключение клиентов, обеспечение реагирования на спрос и т. д. В идеале инфраструктура связи будет поддерживать не только краткосрочные приложения, но и непредвиденные приложения, которые возникнут в будущем. Регулирующие или законодательные действия также могут побудить коммунальные предприятия внедрять части головоломки интеллектуальной сети. У каждого коммунального предприятия есть уникальный набор деловых, нормативных и законодательных факторов, которые направляют его инвестиции. Это означает, что каждая коммунальная служба пойдет по своему пути создания своей интеллектуальной сети и что разные коммунальные службы будут создавать интеллектуальные сети с разной скоростью внедрения. [ необходима цитата ]
Некоторые особенности интеллектуальных сетей вызывают противодействие со стороны отраслей, которые в настоящее время предоставляют или надеются предоставлять аналогичные услуги. Примером может служить конкуренция с кабельными и DSL-провайдерами интернета со стороны широкополосного доступа в Интернет по линиям электропередач . Поставщики систем управления SCADA для сетей намеренно разработали фирменное оборудование, протоколы и программное обеспечение, чтобы они не могли взаимодействовать с другими системами, чтобы привязать своих клиентов к поставщику. [95]
Включение цифровой связи и компьютерной инфраструктуры в существующую физическую инфраструктуру сети создает проблемы и присущие ей уязвимости. Согласно журналу IEEE Security and Privacy Magazine , интеллектуальная сеть потребует от людей разработки и использования крупной компьютерной и коммуникационной инфраструктуры, которая поддерживает большую степень ситуационной осведомленности и позволяет выполнять более конкретные операции управления и контроля. Этот процесс необходим для поддержки основных систем, таких как измерение и контроль по запросу в широком масштабе, хранение и транспортировка электроэнергии и автоматизация распределения электроэнергии. [96]
Различные системы «умной сети» имеют двойные функции. Это включает в себя системы Advanced Metering Infrastructure, которые при использовании с различным программным обеспечением могут использоваться для обнаружения кражи электроэнергии и путем исключения обнаруживать, где произошли сбои оборудования. Это в дополнение к их основным функциям устранения необходимости в считывании показаний счетчика человеком и измерения времени использования электроэнергии.
Потери электроэнергии во всем мире, включая кражи, оцениваются в двести миллиардов долларов в год. [97]
Хищение электроэнергии также представляет собой серьезную проблему при обеспечении надежного электроснабжения в развивающихся странах. [38]
Самый ранний и один из крупнейших примеров интеллектуальной сети — итальянская система, установленная Enel SpA из Италии. Завершенный в 2005 году проект Telegestore был весьма необычным в мире коммунальных услуг, поскольку компания спроектировала и изготовила собственные счетчики, выступила в качестве собственного системного интегратора и разработала собственное системное программное обеспечение. Проект Telegestore широко рассматривается как первое коммерческое масштабное использование технологии интеллектуальной сети в домашних условиях и обеспечивает ежегодную экономию в размере 500 миллионов евро при стоимости проекта в 2,1 миллиарда евро. [20]
Одной из крупнейших программ развертывания в мире на сегодняшний день является программа Smart Grid Министерства энергетики США, финансируемая Законом о восстановлении и реинвестировании Америки 2009 года. Эта программа требовала соответствующего финансирования от отдельных коммунальных предприятий. В рамках этой программы было инвестировано более 9 миллиардов долларов государственных/частных средств. Технологии включали расширенную инфраструктуру учета, включая более 65 миллионов усовершенствованных «умных» счетчиков, системы взаимодействия с клиентами, автоматизацию распределения и подстанций, системы оптимизации напряжения/реактивной мощности, более 1000 синхрофазоров , динамический рейтинг линии, проекты кибербезопасности, усовершенствованные системы управления распределением, системы хранения энергии и проекты интеграции возобновляемых источников энергии. Эта программа состояла из инвестиционных грантов (соответствующих), демонстрационных проектов, исследований потребительской приемлемости и программ обучения рабочей силы. Отчеты по всем отдельным программам коммунальных предприятий, а также общие отчеты о влиянии 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 предоставляют финансирование для поощрения развития интеллектуальных сетей. Цель состоит в том, чтобы позволить коммунальным предприятиям лучше прогнозировать свои потребности, а в некоторых случаях вовлекать потребителей в тариф по времени использования. Также были выделены средства на разработку более надежных технологий контроля энергии. [98] [99]
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 взаимодействуют через беспроводную ячеистую сеть . В настоящее время он управляет 200 000 устройств в режиме реального времени (интеллектуальные счетчики, интеллектуальные термостаты и датчики по всей своей зоне обслуживания) и ожидает поддержки 500 000 устройств в режиме реального времени в 2009 году, обслуживая 1 миллион потребителей и 43 000 предприятий. [100]
Боулдер, штат Колорадо , завершил первую фазу своего проекта интеллектуальной сети в августе 2008 года. Обе системы используют интеллектуальный счетчик в качестве шлюза к домашней сети автоматизации (HAN), которая управляет интеллектуальными розетками и устройствами. Некоторые проектировщики HAN предпочитают отделить функции управления от счетчика из-за беспокойства о будущих несоответствиях новым стандартам и технологиям, доступным в быстро меняющемся сегменте бизнеса домашних электронных устройств. [101]
Hydro One в Онтарио , Канада, находится в середине крупномасштабной инициативы Smart Grid, развертывая соответствующую стандартам коммуникационную инфраструктуру от Trilliant. К концу 2010 года система будет обслуживать 1,3 миллиона клиентов в провинции Онтарио. Инициатива получила награду «Лучшая инициатива AMR в Северной Америке» от Utility Planning Network. [102]
Весной 2020 года Иль-д'Йё начал двухлетнюю пилотную программу. Двадцать три дома в районе Кер-Писсо и прилегающих районах были объединены в микросеть, которая была автоматизирована как интеллектуальная сеть с программным обеспечением от Engie . Шестьдесят четыре солнечные панели с пиковой мощностью 23,7 кВт были установлены на пяти домах, а батарея с емкостью хранения 15 кВт-ч была установлена на одном доме. Шесть домов хранят излишки солнечной энергии в своих водонагревателях. Динамическая система распределяет энергию, вырабатываемую солнечными панелями и хранящуюся в батарее и водонагревателях, по системе из 23 домов. Программное обеспечение интеллектуальной сети динамически обновляет предложение и спрос на энергию с интервалом в 5 минут, решая, следует ли извлекать энергию из батареи или из панелей, и когда хранить ее в водонагревателях. Эта пилотная программа стала первым подобным проектом во Франции. [103] [104]
Город Мангейм в Германии использует широкополосную связь по электросети (BPL) в режиме реального времени в своем проекте «Модель города Мангейм» «MoMa». [105]
Сидней , также находящийся в Австралии, в партнерстве с австралийским правительством реализовал программу «Умная сеть, умный город». [106]
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. Будет возможно контролировать и управлять состоянием всей электрораспределительной сети в любой момент времени, что позволит поставщикам и компаниям по энергосервису использовать эту технологическую платформу для предоставления потребителям информации и энергетических продуктов и услуг с добавленной стоимостью. Этот проект по установке интеллектуальной энергосети выводит Португалию и EDP на передовые позиции в области технологических инноваций и предоставления услуг в Европе. [107] [108]
В так называемых проектах E-Energy несколько немецких коммунальных предприятий создают первые нуклеолусы в шести независимых модельных регионах. Технологический конкурс определил эти модельные регионы для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с главной целью создания «Интернета энергии». [109]
Одна из первых попыток внедрения технологий «умных сетей» в Соединенных Штатах была отклонена в 2009 году регуляторами электроэнергии в Содружестве Массачусетс , штате США . [110] Согласно статье в Boston Globe , дочерняя компания Northeast Utilities Western Massachusetts Electric Co. фактически пыталась создать программу «умных сетей», используя государственные субсидии, которые перевели бы клиентов с низким доходом с постоплаты на предоплату (с использованием « смарт-карт ») в дополнение к специальным повышенным «премиальным» тарифам на электроэнергию, потребленную сверх заранее установленной суммы. [110] Этот план был отклонен регуляторами, поскольку он «подрывал важную защиту клиентов с низким доходом от отключений». [110] По данным Boston Globe , план « несправедливо нацелен на клиентов с низким доходом и обходит законы Массачусетса, призванные помочь нуждающимся потребителям поддерживать свет». [110] Представитель экологической группы, поддерживающей планы по созданию интеллектуальных сетей и вышеупомянутый план Western Massachusetts' Electric, в частности, заявил: «При правильном использовании технология интеллектуальных сетей имеет большой потенциал для снижения пикового спроса, что позволило бы нам закрыть некоторые из самых старых и грязных электростанций... Это инструмент». [110]
Консорциум eEnergy Vermont [111] — общенациональная инициатива штата Вермонт , частично финансируемая в рамках Закона о восстановлении и реинвестировании в экономику США 2009 года , в рамках которого все электроэнергетические компании штата быстро внедрили различные технологии интеллектуальных сетей, включая развертывание около 90% усовершенствованной инфраструктуры учета, и в настоящее время оценивают различные динамические структуры тарифов.
В Нидерландах был инициирован крупномасштабный проект (>5000 подключений, >20 партнеров) для демонстрации интегрированных технологий интеллектуальных сетей, услуг и бизнес-кейсов. [112]
EPB в Чаттануге, штат Теннесси, является муниципальной электроэнергетической компанией, которая начала строительство интеллектуальной сети в 2008 году, получив грант в размере 111 567 606 долларов США от Министерства энергетики США в 2009 году для ускорения строительства и внедрения (общий бюджет составил 232 219 350 долларов США). Развертывание прерывателей линий электропередач (1170 единиц) было завершено в апреле 2012 года, а развертывание интеллектуальных счетчиков (172 079 единиц) было завершено в 2013 году. Магистральная волоконно-оптическая система интеллектуальной сети также использовалась для предоставления первого гигабитного интернет-подключения для бытовых клиентов в США через инициативу «Оптоволокно в дом», и теперь жителям доступны скорости до 10 гигабит в секунду. По оценкам, интеллектуальная сеть сократила отключения электроэнергии в среднем на 60%, экономя городу около 60 миллионов долларов в год. Это также уменьшило необходимость в «выездах грузовиков» для разведки и устранения неисправностей, что привело к предполагаемому сокращению пробега грузовиков на 630 000 миль и 4,7 миллиона фунтов выбросов углерода. В январе 2016 года EPB стала первой крупной системой распределения электроэнергии, получившей сертификат Performance Excellence in Electricity Renewal (PEER). [113] [114] [115] [116]
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 млрд долларов США с прогнозируемым ростом до 61,4 млрд долларов США к 2015 году. Honeywell разрабатывает пилотный проект реагирования на спрос и технико-экономическое обоснование для Китая совместно с Государственной сетевой корпорацией Китая, используя стандарт реагирования на спрос OpenADR . Государственная сетевая корпорация, Китайская академия наук и General Electric намерены совместно разрабатывать стандарты для развертывания интеллектуальной сети в Китае. [117] [118] [119]
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. [120] [121] Министерство энергетики выделило грант в размере 11,4 миллиона долларов компании Honeywell на реализацию программы с использованием стандарта OpenADR. [122]
Hawaiian Electric Co. (HECO) реализует двухлетний пилотный проект по проверке способности программы ADR реагировать на перебои ветровой энергии. Гавайи поставили себе цель получать 70 процентов своей энергии из возобновляемых источников к 2030 году. HECO будет предоставлять клиентам стимулы для сокращения потребления энергии в течение 10 минут с момента уведомления. [123]
Часть инициативы IEEE Smart Grid , [124] IEEE 2030.2 представляет собой расширение работы, направленной на системы хранения коммунальных услуг для сетей передачи и распределения. Группа IEEE P2030 рассчитывает предоставить в начале 2011 года всеобъемлющий набор руководящих принципов по интерфейсам интеллектуальных сетей. Новые руководящие принципы будут охватывать такие области, как батареи и суперконденсаторы, а также маховики . Группа также выделила 2030.1 на разработку руководящих принципов для интеграции электромобилей в интеллектуальную сеть.
IEC TC 57 создал семейство международных стандартов, которые могут использоваться в составе интеллектуальной сети. Эти стандарты включают IEC 61850 , который представляет собой архитектуру для автоматизации подстанций, и IEC 61970 / 61968 – Общая информационная модель (CIM). CIM предусматривает общую семантику, которая будет использоваться для преобразования данных в информацию.
OpenADR — это стандарт связи для интеллектуальных сетей с открытым исходным кодом, используемый для приложений реагирования на спрос. [125] Обычно он используется для отправки информации и сигналов, чтобы заставить устройства, потребляющие электроэнергию, отключаться в периоды повышенного спроса.
MultiSpeak создал спецификацию, которая поддерживает функциональность распределения интеллектуальной сети. MultiSpeak имеет надежный набор определений интеграции, который поддерживает почти все программные интерфейсы, необходимые для распределительной утилиты или для распределительной части вертикально интегрированной утилиты. Интеграция MultiSpeak определяется с использованием расширяемого языка разметки (XML) и веб-сервисов.
IEEE создал стандарт для поддержки синхрофазоров – C37.118. [126]
Международная группа пользователей UCA обсуждает и поддерживает реальный мировой опыт стандартов, используемых в интеллектуальных сетях.
Целевая группа по коммунальным услугам в рамках LonMark International занимается вопросами, связанными с интеллектуальными сетями.
Растет тенденция к использованию технологии TCP/IP в качестве общей платформы связи для приложений интеллектуальных счетчиков, так что коммунальные предприятия могут развертывать несколько систем связи, используя при этом технологию IP в качестве общей платформы управления. [127] [128]
IEEE P2030 — это проект IEEE, разрабатывающий «Проект руководства по взаимодействию интеллектуальных сетей энергетических и информационных технологий с электроэнергетической системой (EPS), а также конечными приложениями и нагрузками». [129] [130]
NIST включил ITU-T G.hn в число «стандартов, определенных для внедрения» для интеллектуальной сети , «в отношении которых, по его мнению, существует прочный консенсус заинтересованных сторон». [131] G.hn является стандартом для высокоскоростной связи по линиям электропередач, телефонным линиям и коаксиальным кабелям.
OASIS EnergyInterop' – Технический комитет OASIS, разрабатывающий стандарты XML для взаимодействия в сфере энергетики. Его отправной точкой является стандарт California OpenADR.
В соответствии с Законом об энергетической независимости и безопасности 2007 года (EISA) NIST поручено контролировать идентификацию и выбор сотен стандартов, которые потребуются для внедрения Smart Grid в США. Эти стандарты будут переданы NIST в Федеральную комиссию по регулированию энергетики (FERC). Эта работа уже началась, и первые стандарты уже отобраны для включения в каталог Smart Grid NIST. [132] Однако некоторые комментаторы предположили, что выгоды, которые могут быть получены от стандартизации Smart Grid, могут оказаться под угрозой из-за растущего числа патентов, которые охватывают архитектуру и технологии Smart Grid. [133] Если патенты, которые охватывают стандартизированные элементы Smart Grid, не будут раскрыты до тех пор, пока технология не будет широко распространена по всей сети («заблокирована»), могут произойти значительные сбои, когда держатели патентов попытаются собрать непредвиденную ренту с больших сегментов рынка.
В ноябре 2017 года некоммерческая организация GridWise Alliance совместно с Clean Edge Inc., группой, занимающейся чистой энергией, опубликовали рейтинги всех 50 штатов в их усилиях по модернизации электросети. Калифорния заняла первое место. Другими ведущими штатами стали Иллинойс, Техас, Мэриленд, Орегон, Аризона, округ Колумбия, Нью-Йорк, Невада и Делавэр. «30-страничный отчет GridWise Alliance, представляющего заинтересованные стороны, которые проектируют, строят и эксплуатируют электросеть, глубоко анализирует усилия по модернизации сетей по всей стране и ранжирует их по штатам». [134]
.jpg/1280px-End_of_line_of_T_pylons_(geograph_4456721).jpg)
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )