Цифровой ток
Интеллектуальная сеть - это электрическая сеть, которая включает в себя различные меры по эксплуатации и энергопотреблению, включая:
Усовершенствованная измерительная инфраструктура (из которых интеллектуальные счетчики являются общим названием для любого устройства коммунальной службы, даже если оно более мощное, например, волоконно-оптический маршрутизатор) Интеллектуальные распределительные щиты и автоматические выключатели, интегрированные в систему домашнего управления и реагирования на спрос (за счетчиком с точки зрения коммунальных служб) Переключатели управления нагрузкой и интеллектуальные приборы, часто финансируемые за счет повышения эффективности муниципальных программ (например, финансирования PACE) Возобновляемые источники энергии, включая способность заряжать батареи припаркованных автомобилей (электромобилей) или более крупных массивов батарей, переработанных из них, или других накопителей энергии.[1] Энергоэффективные ресурсы Распределение излишков электроэнергии по линиям электропередачи и автоматическое интеллектуальное переключение Достаточная широкополосная связь по оптоволокну общего назначения для подключения и мониторинга вышеуказанного, с беспроводной связью в качестве резервной. Достаточная резервная, если "темная" мощность для обеспечения отработки отказа, часто арендуемая за доход.[2][3] Электронное кондиционирование электроэнергии и контроль производства и распределения электроэнергии являются важными аспектами интеллектуальной сети.[4]
Политика Smart Grid организована в Европе как европейская технологическая платформа Smart Grid.[5] Политика в Соединенных Штатах описана в 42 U.S.C. , глава 152, подраздел IX § 17381.
Внедрение технологии Smart grid также подразумевает фундаментальную реорганизацию отрасли электроснабжения, хотя типичное использование термина сосредоточено на технической инфраструктуре.[6]
Проблемы, связанные с технологией smart grid, в основном связаны с интеллектуальными счетчиками, включаемыми ими элементами и общими проблемами безопасности.
Интеллектуальные сети могли бы также отслеживать / управлять бытовыми устройствами, которые некритичны в периоды пикового энергопотребления, и восстанавливать их работу в часы отсутствия пиковой мощности.[7]
Справочная информация Историческое развитие электросети Первая система электросети переменного тока была установлена в 1886 году в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс.[8] В то время сеть представляла собой централизованную однонаправленную систему передачи электроэнергии, распределения электроэнергии и управления, основанного на спросе.
В 20 веке локальные сети со временем росли и в конечном итоге были объединены по соображениям экономики и надежности. К 1960-м годам электрические сети развитых стран стали очень большими, зрелыми и тесно взаимосвязанными, с тысячами электростанций "центрального" поколения, поставляющих электроэнергию в основные центры нагрузки по линиям электропередачи большой мощности, которые затем разветвлялись и разделялись для обеспечения электроэнергией небольших промышленных и бытовых потребителей по всей территории электроснабжения. Топология энергосистемы 1960-х годов была результатом сильной экономии за счет масштаба: крупные электростанции, работающие на угле, газе и мазуте мощностью от 1 ГВт (1000 МВт) до 3 ГВт, по-прежнему считаются экономически эффективными благодаря функциям повышения эффективности, которые могут быть экономически эффективными только тогда, когда станции становятся очень большими.
Стратегически электростанции располагались так, чтобы быть поближе к запасам ископаемого топлива (либо к самим шахтам или скважинам, либо к железнодорожным, автомобильным или портовым линиям снабжения). Размещение плотин гидроэлектростанций в горных районах также сильно повлияло на структуру формирующейся энергосистемы. Атомные электростанции были расположены с учетом доступности охлаждающей воды. Наконец, электростанции, работающие на ископаемом топливе, изначально сильно загрязняли окружающую среду и были расположены как можно дальше от населенных пунктов, как только это позволили сети распределения электроэнергии. К концу 1960-х годов электросеть охватила подавляющее большинство населения развитых стран, и только отдаленные региональные районы оставались "отключенными от сети".
Учет потребления электроэнергии был необходим для каждого пользователя, чтобы обеспечить возможность выставления соответствующих счетов в соответствии с (сильно варьирующимся) уровнем потребления различными пользователями. Из-за ограниченных возможностей сбора и обработки данных в период роста сети обычно применялись механизмы с фиксированным тарифом, а также двухтарифные механизмы, при которых ночная электроэнергия оплачивалась по более низкой ставке, чем дневная. Мотивацией для двухтарифных соглашений было снижение спроса в ночное время. Двойные тарифы сделали возможным использование недорогой электроэнергии в ночное время в таких приложениях, как обслуживание "тепловых батарей", которые служили для "выравнивания" ежедневного спроса и сокращения количества турбин, которые необходимо было отключать на ночь, тем самым улучшая использование и прибыльность генерирующих и передающих мощностей. Измерительные возможности сети 1960-х годов означали технологические ограничения на степень распространения через систему ценовых сигналов.
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 соответствовать этому спросу, что приводило к низкому качеству электроэнергии, включая отключения электроэнергии и затемнения. Промышленность, отопление, связь, освещение и развлечения во все большей степени зависели от электроэнергии, и потребители требовали все более высоких уровней надежности.
К концу 20-го века сформировались модели спроса на электроэнергию: бытовое отопление и кондиционирование воздуха привели к ежедневным пикам спроса, которые удовлетворялись множеством "генераторов максимальной мощности", которые включались только на короткие периоды каждый день. Относительно низкая загрузка этих генераторов с максимальным напряжением (обычно использовались газовые турбины из-за их относительно более низких капитальных затрат и более быстрого запуска), вместе с необходимым резервированием в электросети, приводили к высоким затратам для электроэнергетических компаний, которые передавались в виде повышенных тарифов.
В 21 веке некоторые развивающиеся страны, такие как Китай, Индия и Бразилия, считались пионерами внедрения интеллектуальных сетей.[9]
Возможности модернизации С начала 21 века стали очевидными возможности воспользоваться преимуществами усовершенствованных технологий электронной связи для устранения ограничений и снижения затрат на электрическую сеть. Технологические ограничения на измерение больше не заставляют усреднять пиковые цены на электроэнергию и распределять их среди всех потребителей в равной степени. Параллельно растущая обеспокоенность по поводу ущерба окружающей среде от электростанций, работающих на ископаемом топливе, привела к желанию использовать большие объемы возобновляемой энергии. Доминирующие формы, такие как энергия ветра и солнечная энергия, сильно изменчивы, и поэтому стала очевидной необходимость в более сложных системах управления, облегчающих подключение источников к энергосистеме с высокой степенью контроля.[10] Питание от фотоэлектрических элементов (и в меньшей степени от ветряных турбин) также, что немаловажно, поставило под сомнение необходимость крупных централизованных электростанций. Быстро падающие затраты указывают на существенное изменение топологии централизованной электросети в сторону топологии с высокой степенью распределения, при которой мощность как генерируется, так и потребляется непосредственно на границах сети. Наконец, растущая озабоченность по поводу террористические нападения в некоторых странах привели к призывам к созданию более надежной энергосистемы, менее зависимой от централизованных электростанций, которые считались потенциальными объектами нападений.[11]
Определение термина "интеллектуальная сеть" США Первое официальное определение Smart Grid 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 У. Буш в декабре 2007 года. В разделе XIII этого законопроекта приводится описание с десятью характеристиками, которые можно рассматривать как определение "умной сети", а именно:
Политика Соединенных Штатов заключается в поддержке модернизации национальной системы передачи и распределения электроэнергии для поддержания надежной и защищенной 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 операций сети и ресурсов с полной кибербезопасностью. (3) Развертывание и интеграция распределенных ресурсов и генерации, включая возобновляемые ресурсы. (4) Разработка и внедрение методов реагирования на спрос, ресурсов на стороне спроса и ресурсов энергоэффективности. (5) Внедрение "интеллектуальных" технологий (автоматизированных интерактивных технологий реального времени, которые оптимизируют физическую работу бытовой техники и потребительских устройств) для учета, передачи информации о работе сети и ее статусе, а также автоматизации распределения. (6) Интеграция "умных" приборов и потребительских устройств. (7) Внедрение передовых технологий накопления электроэнергии и снижения пиковых нагрузок, включая подключаемые электрические и гибридные электромобили, а также системы кондиционирования воздуха с накоплением тепла. (8) Предоставление потребителям своевременной информации и вариантов управления. (9) Разработка стандартов связи и интероперабельности приборов и оснащения, подключенных к электрической сети, включая инфраструктуру, обслуживающую сеть. (10) Выявление и снижение необоснованных барьеров на пути внедрения технологий, практик и услуг Smart grid."
Европейский союз Целевая группа Комиссии Европейского союза по интеллектуальным сетям также предоставляет определение интеллектуальной сети[12][13][14] как:
"Интеллектуальная электросеть - это электрическая сеть, которая может экономически эффективно интегрировать поведение и действия всех подключенных к ней пользователей – генераторов, потребителей и тех, кто занимается и тем, и другим – для обеспечения экономически эффективной, устойчивой энергосистемы с низкими потерями и высоким уровнем качества и надежности поставок и охраны. Интеллектуальная сеть использует инновационные продукты и услуги вместе с интеллектуальными технологиями мониторинга, управления, связи и самовосстановления для того, чтобы:
Более эффективное подключение и эксплуатация генераторов всех размеров и технологий. Позволяют потребителям играть определенную роль в оптимизации работы системы. Предоставлять потребителям более подробную информацию и варианты того, как они используют свои источники питания. Значительно снизить воздействие всей системы электроснабжения на окружающую среду. Поддерживать или даже улучшать существующие высокие уровни надежности системы, качества и безопасности поставок. Эффективно поддерживайте и улучшайте существующие сервисы." Это определение использовалось в сообщении Европейской комиссии (2011) 202.[15]
Общим элементом большинства определений является применение цифровой обработки и связи к энергосистеме, что делает потоки данных и управление информацией центральными в интеллектуальной сети. Различные возможности являются результатом глубоко интегрированного использования цифровых технологий с электросетями. Интеграция новой сетевой информации является одним из ключевых вопросов при проектировании интеллектуальных сетей. Электрический коммунальные услуги теперь оказываются делает трем классам преобразований: улучшение инфраструктуры, называют сильными сетки в Китае; добавление цифрового слоя, который является основой для "умных" электросетейи преобразование бизнес-процессов, необходимых, чтобы заработать на инвестиции в "умные" технологии. Большая часть работ, выполнявшихся в области модернизации электросетей, особенно автоматизации подстанций и распределения, теперь включена в общую концепцию интеллектуальной сети.[16]
Ранние технологические инновации Технологии интеллектуальных электросетей возникли в результате более ранних попыток использования электронного управления, учета и мониторинга. В 1980-х годах автоматическое считывание показаний счетчика использовалось для мониторинга нагрузок крупных потребителей и превратилось в передовую инфраструктуру учета 1990-х годов, счетчики которой могли хранить информацию об использовании электроэнергии в разное время суток.[17] Интеллектуальные счетчики обеспечивают непрерывную связь, так что мониторинг может осуществляться в режиме реального времени и может использоваться в качестве шлюза для устройств с поддержкой реагирования на спрос и "умных розеток" в доме. Ранними формами таких технологий управления спросом были устройства, учитывающие динамический спрос, которые пассивно определяли нагрузку на сеть, отслеживая изменения частоты подачи электроэнергии. Такие устройства, как промышленные и бытовые кондиционеры, холодильники и обогреватели, регулировали свой рабочий цикл, чтобы избежать включения во время пиковых нагрузок на сеть. Начиная с 2000 года, итальянский проект Telegestore был первым, в рамках которого большое количество домов (27 миллионов) были объединены в сеть с использованием интеллектуальных счетчиков, подключенных по линии электропередачи с низкой пропускной способностью.[18] В некоторых экспериментах использовался термин широкополосная связь по ЛЭП (БПЛ), в то время как другие использовали беспроводных технологий, таких как mesh-сети повысили для более надежного соединения разнородных устройств в домашних условиях, а также для обслуживания узлов учета других коммунальных услуг, таких как газ и воду.[10]
Мониторинг и синхронизация глобальных сетей были революционизированы в начале 1990-х годов, когда энергетическое управление Бонневилля расширило свои исследования в области интеллектуальных сетей с помощью прототипов датчиков, способных к очень быстрому анализу аномалий качества электроэнергии на очень больших географических территориях. Кульминацией этой работы стала первая действующая система измерения большой площади (WAMS) в 2000 году.[19] Другие страны быстро внедряют эту технологию — Китай начал внедрять всеобъемлющую национальную систему WAMS, когда в 2012 году был завершен последний пятилетний экономический план.[20]
Самые ранние развертывания интеллектуальных сетей включают итальянскую систему Telegestore (2005), ячеистую сеть в Остине, штат Техас (с 2003) и интеллектуальную сеть в Боулдере, штат Колорадо (2008). Смотрите § Развертывания и попытки развертывания ниже.
Характеристики Интеллектуальная электросеть представляет собой полный набор существующих и предлагаемых решений проблем электроснабжения. Из-за разнообразия факторов существует множество конкурирующих таксономий и нет согласия по универсальному определению. Тем не менее, здесь приводится одна из возможных категорий.
Надежность В Smart grid используются такие технологии, как оценка состояния,[21] которые улучшают обнаружение неисправностей и позволяют самовосстанавливаться сети без вмешательства технических специалистов. Это обеспечит более надежное электроснабжение и снизит уязвимость к стихийным бедствиям или атакам.
Хотя в качестве функции Smart grid рекламируется несколько маршрутов, в старой сети также было несколько маршрутов. Первоначальные линии электропередачи в сети были построены с использованием радиальной модели, позже подключение было гарантировано по нескольким маршрутам, называемым сетевой структурой. Однако это создало новую проблему: если поток тока или связанные с ним эффекты по сети превысят пределы какого-либо конкретного сетевого элемента, это может привести к сбою, и ток будет перенаправлен на другие сетевые элементы, которые в конечном итоге также могут выйти из строя, вызывая эффект домино. Смотрите Отключение электроэнергии. Методом предотвращения этого является отключение нагрузки путем постепенного отключения или снижения напряжения (brownout).[22][23]
Гибкость топологии сети Инфраструктура передачи и распределения энергии следующего поколения будет лучше справляться с возможными двунаправленными потоками энергии, обеспечивая распределенную генерацию, например, от фотоэлектрических панелей на крышах зданий, а также зарядку от аккумуляторов электромобилей, ветряных турбин, перекачиваемой гидроэлектроэнергии, использование топливных элементов и других источников.
Классические электросети были разработаны для одностороннего потока электроэнергии, но если локальная подсеть вырабатывает больше энергии, чем потребляет, обратный поток может вызвать проблемы безопасности и надежности. Интеллектуальная сеть предназначена для управления такими ситуациями.
Эффективность
Ожидается, что внедрение технологии Smart grid внесет значительный вклад в общее повышение эффективности энергетической инфраструктуры, в частности, включая управление на стороне спроса, например, отключение кондиционеров во время кратковременных скачков цен на электроэнергию, снижение напряжения, когда это возможно, на распределительных линиях Архивировано 2013-06-27 в Wayback Machine за счет оптимизации напряжения / VAR (VVO), устранения опрокидывания грузовиков для считывания показаний счетчиков и сокращения опрокидывания грузовиков за счет улучшения управления отключениями с использованием данных из передовых систем инфраструктуры учета. Общий эффект заключается в уменьшении избыточности в линиях передачи и распределения и большем использовании генераторов, что приводит к снижению цен на электроэнергию[требуется цитирование].
Регулировка нагрузки /балансировка нагрузки
Общая нагрузка, подключенная к электросети, может значительно меняться с течением времени. Хотя общая нагрузка представляет собой сумму множества индивидуальных настроек клиентов, общая нагрузка не обязательно стабильна или изменяется медленно. Например, если начнется популярная телевизионная программа, миллионы телевизоров мгновенно начнут получать ток. Традиционно, чтобы реагировать на быстрое увеличение энергопотребления быстрее, чем время запуска крупного генератора, некоторые запасные генераторы переводятся в режим диссипативного ожидания.[требуется цитирование] Интеллектуальная сеть может предупреждать все отдельные телевизоры или другого более крупного потребителя о временном снижении нагрузки (чтобы дать время запустить генератор большего размера) или постоянно (в случае ограниченных ресурсов). Используя алгоритмы математического прогнозирования, можно предсказать, сколько резервных генераторов необходимо использовать для достижения определенной частоты отказов. В традиционной сети частоту отказов можно снизить только за счет увеличения количества резервных генераторов. В интеллектуальной сети снижение нагрузки даже на небольшую часть клиентов может устранить проблему.
Максимальное сокращение / выравнивание и время использования
Смотрите также: Измеритель Tod и реакция на спрос