Управление нагрузкой , также известное как управление спросом ( DSM ), представляет собой процесс балансировки подачи электроэнергии в сети с электрической нагрузкой путем регулирования или контроля нагрузки, а не мощности электростанции. Этого можно достичь путем прямого вмешательства коммунальной службы в режиме реального времени, использования частотно-чувствительных реле, запускающих автоматические выключатели (пульсирующее управление), таймеров или использования специальных тарифов для воздействия на поведение потребителей. Управление нагрузкой позволяет коммунальным предприятиям снижать спрос на электроэнергию в периоды пикового использования ( снижение пиковой нагрузки ), что, в свою очередь, может снизить затраты за счет устранения необходимости в пиковых электростанциях . Кроме того, ввод в эксплуатацию некоторых пиковых электростанций может занять более часа, что делает управление нагрузкой еще более важным, если, например, станция неожиданно отключится от сети. Управление нагрузкой также может помочь снизить вредные выбросы, поскольку пиковые электростанции или резервные генераторы часто более грязные и менее эффективные, чем электростанции с базовой нагрузкой . Новые технологии управления нагрузками постоянно разрабатываются — как частным сектором [1], так и государственными организациями. [2] [3]
Современное управление нагрузкой на коммунальные услуги началось примерно в 1938 году с использованием пульсационного управления. К 1948 году пульсационный контроль стал широко используемой практической системой. [4]
Чехи впервые применили пульсационный контроль в 1950-х годах. Ранние передатчики имели низкую мощность по сравнению с современными системами - всего 50 киловольт-ампер. Это были вращающиеся генераторы, которые подавали сигнал частотой 1050 Гц в трансформаторы, подключенные к распределительным сетям. Ранние приемники представляли собой электромеханические реле. Позже, в 1970-х годах, стали использоваться передатчики на мощных полупроводниках. Они более надежны, поскольку не имеют движущихся частей. Современные чешские системы отправляют цифровую «телеграмму». Отправка каждой телеграммы занимает около тридцати секунд. У него импульсы длительностью 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 сенсорного мониторинга, которая использовала цифровую передачу для систем охранной, пожарной и медицинской сигнализации, а также возможности снятия показаний счетчиков для всех коммунальных предприятий. Эта технология была побочным продуктом его запатентованной автоматической системы идентификации телефонной линии, ныне известной как определитель номера . В 1974 году Параскевакос получил патент США на эту технологию. [6]
По заказу Alabama Power Company Параскевакос разработал систему управления нагрузкой и технологию автоматического снятия показаний счетчиков. При этом он использовал способность системы контролировать скорость вращения диска ваттметра мощности и, следовательно, потребляемую мощность. Эта информация, а также время суток дала энергетической компании возможность инструктировать отдельные счетчики управлять потреблением водонагревателей и кондиционеров, чтобы предотвратить пиковые нагрузки в периоды с высоким потреблением в течение дня. За этот подход Параскевакос получил несколько патентов. [7]
Поскольку электрическая энергия — это форма энергии , которую нельзя эффективно хранить в больших объемах, ее необходимо генерировать, распределять и потреблять немедленно. Когда нагрузка на систему приближается к максимальной генерирующей мощности, сетевые операторы должны либо найти дополнительные источники энергии, либо найти способы снизить нагрузку и, следовательно, управлять нагрузкой. Если они окажутся безуспешными, система станет нестабильной и могут произойти отключения электроэнергии .
Долгосрочное планирование управления нагрузкой может начаться с построения сложных моделей для описания физических свойств распределительной сети (т. е. топологии, пропускной способности и других характеристик линий), а также поведения нагрузки. Анализ может включать сценарии, учитывающие прогнозы погоды, прогнозируемое влияние предлагаемых команд сброса нагрузки, расчетное время ремонта автономного оборудования и другие факторы.
Использование управления нагрузкой может помочь электростанции достичь более высокого коэффициента мощности , который является показателем средней загрузки мощности. Коэффициент мощности — это мера мощности электростанции по сравнению с максимальной мощностью, которую она может произвести. Коэффициент мощности часто определяют как отношение средней нагрузки к мощности или отношение средней нагрузки к пиковой нагрузке за определенный период времени . Более высокий коэффициент нагрузки является преимуществом, поскольку электростанция может быть менее эффективной при низких коэффициентах нагрузки, высокий коэффициент нагрузки означает, что постоянные затраты распределяются на большее количество кВтч выработки (что приводит к более низкой цене за единицу электроэнергии), а более высокий коэффициент нагрузки означает больший общий выпуск. Если на коэффициент энергетической нагрузки влияет недоступность топлива, остановка технического обслуживания, незапланированная поломка или снижение спроса (поскольку структура потребления колеблется в течение дня), необходимо скорректировать выработку, поскольку хранение энергии в сети часто является непомерно дорогим. .
Небольшие коммунальные предприятия, которые покупают электроэнергию вместо того, чтобы производить ее самостоятельно, обнаруживают, что они также могут получить выгоду от установки системы контроля нагрузки. Штрафы, которые они должны платить поставщику энергии за пиковое использование, могут быть значительно уменьшены. Многие сообщают, что система контроля нагрузки может окупиться за один сезон.
Решение о снижении нагрузки принимается исходя из надежности системы . Коммунальное предприятие в каком-то смысле «владеет выключателем» и сбрасывает нагрузку только тогда, когда стабильность или надежность системы распределения электроэнергии находится под угрозой. Коммунальное предприятие (занимающееся производством, транспортировкой и доставкой электроэнергии) не будет нарушать свой бизнес-процесс без уважительной причины. Управление нагрузкой, если оно выполнено правильно, является неинвазивным и не создает никаких трудностей для потребителя. Нагрузку следует перенести на часы пик.
Реагирование на спрос передает «выключатель» в руки потребителя с помощью таких устройств, как переключатель управления нагрузкой, управляемый интеллектуальной сетью . Хотя многие бытовые потребители платят за электроэнергию по фиксированной ставке круглый год, затраты коммунального предприятия на самом деле постоянно меняются в зависимости от спроса, распределительной сети и состава портфеля производства электроэнергии компании. На свободном рынке оптовая цена на энергию широко варьируется в течение дня. Программы реагирования на спрос, подобные тем, которые реализуются благодаря интеллектуальным сетям, пытаются стимулировать потребителя ограничить использование электроэнергии из соображений стоимости . Поскольку затраты растут в течение дня (по мере того, как система достигает пиковой мощности и используются более дорогие пиковые электростанции), свободная рыночная экономика должна допускать рост цен. Соответствующее падение спроса на товар должно сопровождаться падением цены. Хотя это работает в случае предсказуемого дефицита, многие кризисы развиваются в течение нескольких секунд из-за непредвиденных сбоев оборудования. Их необходимо решить в одинаковые сроки, чтобы избежать отключения электроэнергии . Многие коммунальные предприятия, заинтересованные в реагировании на спрос, также выразили заинтересованность в возможности контроля нагрузки, чтобы они могли управлять «выключателем» до того, как обновления цен будут опубликованы для потребителей. [8]
Применение технологий управления нагрузкой сегодня продолжает расти благодаря продаже систем связи на основе радиочастот и линий электропередачи . Определенные типы систем интеллектуальных счетчиков также могут служить системами контроля нагрузки. Системы контроля заряда могут предотвратить подзарядку электромобилей в часы пик. Системы «автомобиль-сеть» могут возвращать электроэнергию из аккумуляторов электромобиля в коммунальную сеть или ограничивать скорость подзарядки аккумуляторов транспортных средств. [9]
Пульсирующее управление является распространенной формой управления нагрузкой и используется во многих странах мира, включая США , Австралию , Чехию , Новую Зеландию , Великобританию , Германию , Нидерланды и Южную Африку . Управление пульсациями предполагает наложение более высокочастотного сигнала (обычно от 100 до 1600 Гц [10] ) на стандартный сигнал основной мощности 50–60 Гц. Когда приемные устройства, подключенные к второстепенным жилым или промышленным нагрузкам, получают этот сигнал, они отключают нагрузку до тех пор, пока сигнал не будет отключен или не будет получен другой частотный сигнал.
Ранние реализации пульсационного контроля произошли во время Второй мировой войны в различных частях мира с использованием системы, которая обменивается данными через систему распределения электроэнергии. В ранних системах использовались вращающиеся генераторы, подключенные к распределительным сетям через трансформаторы. Системы управления Ripple обычно сочетаются с двухуровневой (или более) системой ценообразования, при которой электроэнергия стоит дороже в часы пик (вечером) и дешевле в периоды низкого потребления (рано 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 системой управления нагрузкой, эти устройства оснащены коммуникационными контроллерами, которые могут запускать программу, ограничивающую рабочий цикл контролируемого оборудования. Потребители обычно вознаграждаются за участие в программе контроля нагрузки, платя за электроэнергию сниженный тариф. Надлежащее управление нагрузкой со стороны коммунальных предприятий позволяет им практиковать сброс нагрузки , чтобы избежать веерных отключений электроэнергии и снизить затраты.
Пульсирующее управление может быть непопулярным, поскольку иногда устройства могут не получать сигнал на включение комфортного оборудования, например водонагревателей или электрических обогревателей плинтуса. Современные электронные приемники более надежны, чем старые электромеханические системы. Также некоторые современные системы повторяют телеграммы для включения устройств комфорта. Кроме того, по многочисленным просьбам многие приемники пульсационного управления имеют переключатель для принудительного включения устройств комфорта.
Современные системы пульсационного управления отправляют цифровую телеграмму длиной от 30 до 180 секунд. Первоначально их получили электромеханические реле. Сейчас их часто получают микропроцессоры . Многие системы повторяют телеграммы, чтобы убедиться, что устройства комфорта (например, водонагреватели) включены. Поскольку частоты вещания находятся в диапазоне человеческого слуха, они часто вызывают слышимую вибрацию проводов, лампочек накаливания или трансформаторов. [5]
Телеграммы соответствуют разным стандартам в разных областях. Например, в Чехии в разных округах используются «ZPA II 32S», «ZPA II 64S» и Versacom. ZPA II 32S отправляет импульсы продолжительностью 2,33 секунды, паузы 2,99 секунды, а затем 32 односекундных импульса (включен или выключен), с «временем выключения» между каждым импульсом в одну секунду. ZPA II 64S имеет гораздо более короткое время выключения, позволяя отправлять или пропускать 64 импульса. [5]
Соседние регионы используют разные частоты или телеграммы, чтобы гарантировать, что телеграммы работают только в нужном регионе. Трансформаторы, подсоединяющие местные сети к межсетевым сетям, намеренно не имеют оборудования (мостовых конденсаторов) для передачи сигналов управления пульсациями в магистральные линии электропередачи. [5]
Каждый импульс данных телеграммы может удвоить количество команд, так что 32 импульса позволяют 2 ^ 32 различных команды. Однако на практике определенные импульсы связаны с конкретными типами устройств или услуг. Некоторые телеграммы имеют необычные цели. Например, большинство систем пульсационного управления имеют телеграмму для установки часов на подключенных устройствах, например, на полночь. [5]
Zellweger в непиковые часы — одна из распространенных марок систем пульсационного контроля.
Большие нагрузки физически замедляют роторы синхронизированных генераторов сети. Это приводит к тому, что частота сети переменного тока немного снижается, когда сеть сильно загружена. Снижение частоты сразу ощущается по всей сети. Недорогая локальная электроника позволяет легко и точно измерять частоту сети и отключать отключаемые нагрузки. В некоторых случаях эта функция практически бесплатна, например, если управляющее оборудование (например, счетчик электроэнергии или термостат в системе кондиционирования) уже имеет микроконтроллер. Большинство электронных счетчиков электроэнергии внутренне измеряют частоту, и для отключения оборудования требуются только реле управления потреблением. 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 многих микроконтроллеров.
Основным преимуществом перед пульсирующим контролем является большее удобство для клиента: неполученные телеграммы пульсационного контроля могут привести к тому, что водонагреватель останется выключенным, что приведет к холодному душу. Или они могут привести к отключению кондиционера, в результате чего в доме станет душно. Напротив, по мере восстановления сети ее частота естественным образом повышается до нормальной, поэтому частотно-регулируемое управление нагрузкой автоматически включает водонагреватели, кондиционеры и другое оборудование для обеспечения комфорта. Стоимость оборудования может быть меньше, и нет никаких опасений по поводу перекрывающихся или недостигнутых областей управления пульсациями, неправильно принятых кодов, мощности передатчика и т. д.
Основным недостатком по сравнению с пульсирующим управлением является менее детальный контроль. Например, сетевая организация имеет лишь ограниченную возможность выбирать, какие нагрузки сбрасываются. В контролируемых экономиках военного времени это может быть существенным недостатком.
Система была изобретена в PNNL в начале 21 века и, как было показано, стабилизирует сети. [11]
Во многих странах, включая США , Великобританию и Францию , в электросетях обычно используются частные аварийные дизель-генераторы в схемах управления нагрузкой [12].
Крупнейшая в мире система управления нагрузкой для жилых домов [13] находится во Флориде и управляется компанией Florida Power and Light . Он 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, основанная на пульсационном контроле, позволяющая включать и выключать электроснабжение бытовых и коммерческих водонагревателей, а также дистанционно управлять обогревателями ночных магазинов и уличными фонарями. . Оборудование для ввода пульсаций, расположенное в каждой локальной распределительной сети, передает сигналы на приемники управления пульсациями в помещениях клиента. Управление может осуществляться либо вручную местной распределительной сетевой компанией в ответ на местные отключения электроэнергии или запросы на снижение спроса со стороны оператора системы передачи (например, Transpower ), либо автоматически, когда инжекционное оборудование обнаруживает падение частоты сети ниже 49,2 Гц. Приемники пульсационного управления назначаются одному из нескольких пульсирующих каналов, что позволяет сетевой компании отключать электропитание только на части сети и позволяет поэтапно восстанавливать электроснабжение, чтобы уменьшить влияние скачка спроса при восстановлении электроснабжения водонагревателей. после некоторого перерыва.
В зависимости от региона потребитель может иметь два счетчика электроэнергии: один для нормальной подачи («В любое время») и один для подачи с регулируемой нагрузкой («Контролируемая»), при этом счет за контролируемую подачу выставляется по более низкой ставке за киловатт-час, чем в любое время. поставлять. Для тех, у кого есть регулируемая нагрузка, но только один счетчик, счета за электроэнергию выставляются по «композитному» тарифу, то есть между «Любое время» и «Контролируемое».
Чехи используют системы пульсационного контроля с 1950-х годов. [5]
Во Франции действует тариф EJP, который позволяет ей 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 в себя разные типы дней с разными ценами, но его поддержка также прекращена для новых клиентов (с июля 2009 г.). [17] Сниженные цены в ночное время доступны для клиентов с более высокой ежемесячной платой. [18]
Оператор распределительной системы Westnetz и GridX опробовали решение по управлению нагрузкой. Решение позволяет оператору сети взаимодействовать с местными системами управления энергопотреблением и регулировать доступную нагрузку для зарядки электромобилей в зависимости от состояния сети. [19]
Компания 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 в своем отопительном и вентиляционном оборудовании. [20]
В Великобритании ночные накопительные обогреватели часто используются с опцией подачи электроэнергии в непиковое время с переключением по времени — Эконом 7 или Эконом 10 . Существует также программа, позволяющая отключать промышленные нагрузки с помощью автоматических выключателей, срабатывающих автоматически с помощью частотно-чувствительных реле, установленных на объекте. Это работает совместно с программой Standing Reserve , использующей дизельные генераторы. [21] Их также можно переключать удаленно с помощью телепереключателя BBC Radio 4 Longwave Radio .
Компания SP Transmission развернула схему динамического управления нагрузкой в районе Дамфриса и Галлоуэя с использованием мониторинга встроенных генераций в реальном времени и их отключения в случае обнаружения перегрузки в сети передачи.