Управление нагрузкой , также известное как управление спросом ( DSM ), представляет собой процесс балансировки подачи электроэнергии в сети с электрической нагрузкой путем регулировки или управления нагрузкой, а не выходом электростанции. Это может быть достигнуто путем прямого вмешательства коммунальной службы в режиме реального времени, путем использования реле, чувствительных к частоте, которые запускают автоматические выключатели (пульсационный контроль), с помощью часов или путем использования специальных тарифов для влияния на поведение потребителей. Управление нагрузкой позволяет коммунальным службам снижать спрос на электроэнергию в часы пикового потребления ( сглаживание пиков ), что, в свою очередь, может снизить затраты за счет устранения необходимости в пиковых электростанциях . Кроме того, некоторым пиковым электростанциям может потребоваться более часа, чтобы выйти в режим онлайн, что делает управление нагрузкой еще более важным, например, если станция неожиданно отключится. Управление нагрузкой также может помочь сократить вредные выбросы, поскольку пиковые станции или резервные генераторы часто более грязные и менее эффективны, чем базовые электростанции . Новые технологии управления нагрузкой постоянно разрабатываются — как частной промышленностью [1] , так и государственными организациями. [2] [3]
Современное управление нагрузкой коммунальных служб началось около 1938 года с использованием пульсационного управления. К 1948 году пульсационное управление стало практической системой, широко используемой. [4]
Чехи впервые использовали пульсирующее управление в 1950-х годах. Ранние передатчики были маломощными по сравнению с современными системами, всего 50 киловольт-ампер. Они представляли собой вращающиеся генераторы, которые подавали сигнал частотой 1050 Гц на трансформаторы, подключенные к сетям распределения электроэнергии. Ранние приемники представляли собой электромеханические реле. Позже, в 1970-х годах, использовались передатчики с мощными полупроводниками. Они более надежны, поскольку не имеют движущихся частей. Современные чешские системы отправляют цифровую «телеграмму». Каждая телеграмма отправляется примерно за тридцать секунд. Она имеет импульсы длиной около одной секунды. Существует несколько форматов, используемых в разных районах. [5]
В 1972 году Теодор Джордж «Тед» Параскевакос , работая в компании Boeing в Хантсвилле, штат Алабама , разработал систему мониторинга датчиков, которая использовала цифровую передачу для систем охранной, пожарной и медицинской сигнализации, а также возможности считывания показаний счетчиков для всех коммунальных служб. Эта технология была побочным продуктом его запатентованной системы автоматической идентификации телефонной линии, теперь известной как идентификатор вызывающего абонента . В 1974 году Параскевакос получил патент США на эту технологию. [6]
По просьбе Alabama Power Company Параскевакос разработал систему управления нагрузкой вместе с технологией автоматического считывания показаний счетчиков. При этом он использовал способность системы контролировать скорость вращения диска счетчика ваттной мощности и, следовательно, потребление электроэнергии. Эта информация, наряду со временем суток, дала энергетической компании возможность инструктировать отдельные счетчики для управления потреблением водонагревателя и кондиционера, чтобы предотвратить пики потребления в периоды высокого потребления в течение дня. За этот подход Параскевакос получил несколько патентов. [7]
Поскольку электроэнергия является формой энергии , которую невозможно эффективно хранить в больших количествах, ее необходимо генерировать, распределять и потреблять немедленно. Когда нагрузка на систему приближается к максимальной генерирующей мощности, операторы сети должны либо найти дополнительные поставки энергии, либо найти способы сократить нагрузку, то есть управление нагрузкой. Если они не справятся, система станет нестабильной и могут произойти отключения электроэнергии .
Долгосрочное планирование управления нагрузкой может начинаться с построения сложных моделей для описания физических свойств распределительной сети (т. е. топологии, мощности и других характеристик линий), а также поведения нагрузки. Анализ может включать сценарии, учитывающие прогнозы погоды, прогнозируемое воздействие предлагаемых команд сброса нагрузки, предполагаемое время ремонта для отключенного оборудования и другие факторы.
Использование управления нагрузкой может помочь электростанции достичь более высокого коэффициента мощности , меры средней загрузки мощности. Коэффициент мощности является мерой выработки электростанции по сравнению с максимальной выработкой, которую она может производить. Коэффициент мощности часто определяется как отношение средней нагрузки к мощности или отношение средней нагрузки к пиковой нагрузке за определенный период времени . Более высокий коэффициент нагрузки выгоден, поскольку электростанция может быть менее эффективной при низких коэффициентах нагрузки, высокий коэффициент нагрузки означает, что фиксированные затраты распределяются на большее количество кВт·ч выработки (что приводит к более низкой цене за единицу электроэнергии), а более высокий коэффициент нагрузки означает большую общую выработку. Если на коэффициент загрузки мощности влияет отсутствие топлива, остановка на техническое обслуживание, незапланированная поломка или снижение спроса (поскольку модель потребления колеблется в течение дня), генерация должна быть скорректирована, поскольку хранение энергии в сети часто является непомерно дорогим.
Небольшие коммунальные службы, которые покупают электроэнергию вместо того, чтобы производить ее самостоятельно, обнаруживают, что они также могут получить выгоду, установив систему управления нагрузкой. Штрафы, которые они должны платить поставщику энергии за пиковое потребление, могут быть значительно снижены. Многие сообщают, что система управления нагрузкой может окупиться за один сезон.
Когда принимается решение об ограничении нагрузки, это делается на основе надежности системы . В некотором смысле, коммунальное предприятие «владеет выключателем» и сбрасывает нагрузку только тогда, когда под угрозой оказывается стабильность или надежность системы распределения электроэнергии. Коммунальное предприятие (занимающееся производством, транспортировкой и поставкой электроэнергии) не будет нарушать свой бизнес-процесс без уважительной причины. Управление нагрузкой, если оно осуществляется правильно, является неинвазивным и не создает никаких трудностей для потребителя. Нагрузка должна быть перенесена на часы непиковой нагрузки.
Регулирование спроса помещает «выключатель вкл.-выкл.» в руки потребителя с помощью таких устройств, как управляемый интеллектуальной сетью переключатель нагрузки . В то время как многие бытовые потребители платят фиксированную ставку за электроэнергию круглый год, расходы коммунальной службы фактически постоянно меняются в зависимости от спроса, распределительной сети и состава портфеля электроэнергии компании. На свободном рынке оптовая цена на энергию сильно варьируется в течение дня. Программы реагирования спроса, такие как те, которые реализуются с помощью интеллектуальных сетей, пытаются стимулировать потребителя ограничивать использование на основе проблем со стоимостью . По мере роста расходов в течение дня (поскольку система достигает пиковой мощности и используются более дорогие пиковые электростанции), свободная рыночная экономика должна позволять цене расти. Соответствующее падение спроса на товар должно соответствовать падению цены. Хотя это работает для предсказуемого дефицита, многие кризисы развиваются в течение нескольких секунд из-за непредвиденных отказов оборудования. Они должны быть разрешены в те же временные рамки, чтобы избежать отключения электроэнергии . Многие коммунальные предприятия, заинтересованные в реагировании на спрос, также выразили интерес к возможности управления нагрузкой, чтобы иметь возможность управлять «выключателем» до того, как обновления цен будут опубликованы для потребителей. [8]
Применение технологии управления нагрузкой продолжает расти сегодня с продажей как радиочастотных , так и основанных на линиях электропередачи систем связи. Определенные типы систем интеллектуальных счетчиков также могут служить системами управления нагрузкой. Системы управления зарядкой могут предотвращать подзарядку электромобилей в часы пик. Системы «автомобиль-сеть» могут возвращать электроэнергию из аккумуляторов электромобиля в коммунальную сеть или могут замедлять подзарядку аккумуляторов транспортного средства. [9]
Пульсирующее управление является распространенной формой управления нагрузкой и используется во многих странах мира, включая США , Австралию , Чешскую Республику , Новую Зеландию , Великобританию , Германию , Нидерланды и Южную Африку . Пульсирующее управление включает в себя наложение более высокочастотного сигнала (обычно от 100 до 1600 Гц [10] ) на стандартные 50–60 Гц основного сигнала питания. Когда приемные устройства, подключенные к несущественным жилым или промышленным нагрузкам, получают этот сигнал, они отключают нагрузку до тех пор, пока сигнал не будет отключен или не будет получен сигнал другой частоты.
Ранние реализации пульсационного управления произошли во время Второй мировой войны в разных частях мира с использованием системы, которая взаимодействует через систему распределения электроэнергии. Ранние системы использовали вращающиеся генераторы, присоединенные к распределительным сетям через трансформаторы. Системы пульсационного управления обычно сочетаются с двух- (или более) уровневой системой ценообразования, при которой электричество дороже в часы пик (вечером) и дешевле в часы низкого потребления (ранним утром).
Затронутые бытовые устройства будут различаться в зависимости от региона, но могут включать бытовые электрические водонагреватели, кондиционеры, насосы для бассейнов или насосы для орошения сельскохозяйственных культур. В распределительной сети, оснащенной контролем нагрузки, эти устройства оснащены коммуникационными контроллерами, которые могут запускать программу, ограничивающую рабочий цикл контролируемого оборудования. Потребители обычно вознаграждаются за участие в программе контроля нагрузки, оплачивая сниженную ставку за энергию. Правильное управление нагрузкой со стороны коммунальной службы позволяет им практиковать сброс нагрузки, чтобы избежать веерных отключений и сократить расходы.
Пульсирующее управление может быть непопулярным, поскольку иногда устройства могут не получить сигнал на включение комфортного оборудования, например, водонагревателей или плинтусных электронагревателей. Современные электронные приемники более надежны, чем старые электромеханические системы. Кроме того, некоторые современные системы повторяют телеграммы для включения комфортных устройств. Кроме того, по многочисленным просьбам, многие приемники пульсирующего управления имеют переключатель для принудительного включения комфортных устройств.
Современные пульсирующие элементы управления отправляют цифровую телеграмму длиной от 30 до 180 секунд. Первоначально они принимались электромеханическими реле. Теперь их часто принимают микропроцессоры . Многие системы повторяют телеграммы, чтобы гарантировать включение устройств комфорта (например, водонагревателей). Поскольку частоты вещания находятся в диапазоне человеческого слуха, они часто вызывают вибрацию проводов, лампочек накаливания или трансформаторов слышимым образом. [5]
Телеграммы следуют разным стандартам в разных областях. Например, в Чешской Республике разные районы используют "ZPA II 32S", "ZPA II 64S" и Versacom. ZPA II 32S посылает 2,33 секунды включения, 2,99 секунды выключения, затем 32 импульса по одной секунде (включения или выключения) с "временем выключения" между каждым импульсом в одну секунду. ZPA II 64S имеет гораздо более короткое время выключения, что позволяет отправлять или пропускать 64 импульса. [5]
Соседние регионы используют разные частоты или телеграммы, чтобы гарантировать, что телеграммы работают только в нужном регионе. Трансформаторы, которые присоединяют местные сети к межсетевым соединениям, намеренно не имеют оборудования (соединительных конденсаторов) для передачи сигналов управления пульсациями в дальние линии электропередач. [5]
Каждый импульс данных телеграммы может удвоить количество команд, так что 32 импульса позволяют 2^32 отдельных команд. Однако на практике определенные импульсы связаны с определенными типами устройств или служб. Некоторые телеграммы имеют необычные цели. Например, большинство систем управления пульсациями имеют телеграмму для установки часов в подключенных устройствах, например, на полночь. [5]
Zellweger off-peak — одна из распространенных марок систем пульсационного управления.
Большие нагрузки физически замедляют роторы синхронизированных генераторов сети. Это приводит к тому, что сеть переменного тока имеет немного пониженную частоту, когда сеть сильно загружена. Пониженная частота немедленно ощущается по всей сети. Недорогая локальная электроника может легко и точно измерять частоты сети и отключать сбрасываемые нагрузки. В некоторых случаях эта функция почти бесплатна, например, если управляющее оборудование (такое как счетчик электроэнергии или термостат в системе кондиционирования воздуха) уже имеет микроконтроллер. Большинство электронных счетчиков электроэнергии измеряют частоту внутри и требуют только реле управления спросом для отключения оборудования. В другом оборудовании часто единственным необходимым дополнительным оборудованием является резисторный делитель для определения цикла сети и триггер Шмитта (небольшая интегральная схема), чтобы цифровой вход микроконтроллера мог определять надежный быстрый цифровой фронт. Триггер Шмитта уже является стандартным оборудованием на многих микроконтроллерах.
Главное преимущество перед пульсационным управлением — большее удобство для клиента: неполученные телеграммы пульсационного управления могут привести к тому, что водонагреватель останется выключенным, что приведет к холодному душу. Или они могут привести к тому, что кондиционер останется выключенным, что приведет к душному дому. Напротив, по мере восстановления сети ее частота естественным образом повышается до нормы, поэтому частотно-управляемое управление нагрузкой автоматически включает водонагреватели, кондиционеры и другое комфортное оборудование. Стоимость оборудования может быть меньше, и нет никаких проблем с перекрытием или недостигнутыми областями пульсационного управления, неправильно принятыми кодами, мощностью передатчика и т. д.
Главным недостатком по сравнению с контролем пульсаций является менее детальный контроль. Например, у сетевого органа есть лишь ограниченная возможность выбирать, какие нагрузки следует отключить. В контролируемых экономиках военного времени это может быть существенным недостатком.
Система была изобретена в PNNL в начале 21-го века и, как было показано, стабилизирует сети. [11]
Во многих странах, включая США , Великобританию и Францию , электросети обычно используют частные аварийные дизель-генераторы в схемах управления нагрузкой [12]
Самая большая система управления нагрузкой в жилом секторе в мире [13] находится во Флориде и управляется Florida Power and Light . Она использует 800 000 транспондеров управления нагрузкой (LCT) и контролирует 1000 МВт электроэнергии (2000 МВт в аварийной ситуации). FPL удалось избежать строительства множества новых электростанций благодаря своим программам управления нагрузкой. [14]
С 1950-х годов в Австралии и Новой Зеландии действует система управления нагрузкой на основе пульсационного управления, позволяющая включать и выключать электроснабжение бытовых и коммерческих водонагревателей, а также дистанционно управлять обогревателями ночных магазинов и уличным освещением. Оборудование для впрыска пульсаций, расположенное в каждой локальной распределительной сети, подает сигналы на приемники пульсационного управления в помещениях клиента. Управление может осуществляться либо вручную местной распределительной сетевой компанией в ответ на локальные отключения или запросы на снижение спроса от оператора системы передачи (например, Transpower ), либо автоматически, когда оборудование для впрыска обнаруживает падение частоты сети ниже 49,2 Гц. Приемники пульсационного управления назначаются одному из нескольких каналов пульсаций, чтобы позволить сетевой компании отключать подачу только на часть сети и разрешать поэтапное восстановление подачи для снижения влияния скачка спроса при восстановлении питания водонагревателей после определенного периода времени отключения.
В зависимости от региона потребитель может иметь два счетчика электроэнергии: один для обычного снабжения («Anytime») и один для снабжения с управлением нагрузкой («Controlled»), при этом плата за снабжение с управлением нагрузкой взимается по более низкой ставке за киловатт-час, чем за снабжение с управлением нагрузкой. Для тех, у кого снабжение с управлением нагрузкой, но есть только один счетчик, плата за электроэнергию взимается по «композитной» ставке, которая находится между Anytime и Controlled.
Чехи используют системы пульсационного управления с 1950-х годов. [5]
Во Франции действует тариф EJP, который позволяет отключать определенные нагрузки и поощрять потребителей отключать определенные нагрузки. [15] Этот тариф больше не доступен для новых клиентов (с июля 2009 г.). [16] Тариф Tempo также включает различные типы дней с различными ценами, но также был прекращен для новых клиентов (с июля 2009 г.). [17] Сниженные цены в ночное время доступны для клиентов за более высокую ежемесячную плату. [18]
Оператор распределительной системы Westnetz и gridX опробовали решение по управлению нагрузкой. Решение позволяет оператору сети взаимодействовать с локальными системами управления энергией и регулировать доступную нагрузку для зарядки электромобилей в ответ на состояние сети. [19]
Rltec в Великобритании в 2009 году сообщила, что бытовые холодильники продаются с системами динамического реагирования на нагрузку. В 2011 году было объявлено, что сеть супермаркетов Sainsbury будет использовать технологию динамического спроса на своем отопительном и вентиляционном оборудовании. [20]
В Великобритании ночные обогреватели часто используются с переключаемой по времени опцией непиковой подачи - Economy 7 или Economy 10. Существует также программа, которая позволяет отключать промышленные нагрузки с помощью автоматических выключателей, срабатывающих с помощью частотно-чувствительных реле, установленных на месте. Она работает совместно с Standing Reserve , программой, использующей дизельные генераторы. [21] Их также можно дистанционно переключать с помощью телепереключателя BBC Radio 4 Longwave Radio .
Компания SP Transmission внедрила схему динамического управления нагрузкой в районе Дамфриса и Галлоуэя, используя мониторинг в реальном времени встроенной генерации и ее отключение в случае обнаружения перегрузки в сети передачи.