Интеллектуальная сеть (Smart Grid) - сеть электроэнергии будущего

Электрическая сеть — одно из важнейших достижений недавней истории. Здесь сеть обозначает всю сеть, от электростанции, где вырабатывается энергия, до нашего дома, где она используется, и все, что находится между ними. Однако рост производства возобновляемой энергии и рост распределенных энергетических ресурсов вызвали технические проблемы для нынешней сети, что потребовало необходимости в интеллектуальной сети, которая может самостоятельно принимать решения для поддержания безопасности и стабильности всей системы.

В этой статье мы узнаем все о Smart grid (интеллектуальной сети). Мы также обсудим, почему переход к Smart grids так важен и как мы можем это внедрить в жизнь современной цивилизации. Мы кратко обсудим статус интеллектуальных сетей в разных странах и проблемы, возникающие при их внедрении.

Что такое интеллектуальная сеть?

Smart Grid — это интеграция нашей существующей электрической сети с двусторонней связью и технологией цифрового зондирования для расширения возможностей текущей сети и повышения ее безопасности, надежности, эффективности и самодостаточности. Smart Grid предоставляет возможность контролировать различные параметры и принимать меры предосторожности для предотвращения сбоев и отключений электроэнергии. Технология Smart Grid также позволяет потребителю удаленно управлять своими устройствами и измерять потребление энергии, что может значительно снизить потребление энергии. На изображении ниже показана разница между подключением и уровнем связи между обычной сетью (слева) и интеллектуальной сетью (справа).

Почему необходим переход на Smart Grid?

Переход к интеллектуальной сети крайне важен для повышения надежности нашей энергосистемы в связи с расширением технологий возобновляемой энергии. Внедрение возобновляемой генерации в связи с развитием технологий и для сдерживания загрязнения увеличило производство через распределенные энергетические ресурсы, что, хотя и чрезвычайно полезно для окружающей среды, поскольку они имеют меньший углеродный след, но может оказать неблагоприятное воздействие на текущую сеть. Это также может повысить эффективность сети, сократить потери, тем самым минимизируя стоимость энергии для потребителей.

На графиках ниже показан рост мощностей по производству возобновляемой энергии в Индии, Великобритании и США.

Все развитые страны и многие развивающиеся страны вкладывают большие деньги в увеличение доли возобновляемой энергии в соответствии с Парижским соглашением. Быстрое принятие возобновляемой энергии может вызвать множество проблем для существующей сети. Ниже приведен пример того, как избыточная генерация электроэнергии через распределенные энергетические ресурсы, такие как персональные солнечные панели на крыше, может вызвать огромную проблему в существующей сети.

Увеличение генерации Distribute может вызвать дисбаланс в энергосистеме. На графике ниже показан типичный солнечный день в Калифорнии, США (кривая известна как кривая утки, которая вызвана избыточной генерацией электроэнергии солнечными панелями, установленными на крыше). Избыточная генерация приводит к снижению потребности в энергии в дневное время (в солнечный день). Кроме того, потребность в нагрузке в дневное время ниже, чем вечером. Вся ситуация ухудшается, поскольку традиционные станции генерации не могут удовлетворить мгновенный скачок спроса на энергию, поэтому эти генераторы работают идеально в дневное время и тратят энергию впустую. Эта ситуация приводит к большой потере ресурсов и, если с ней не справиться должным образом, может привести к отключениям электроэнергии.

Основными целями интеллектуальной сети являются :

Повышение надежности сети.
Повышение эффективности за счет обнаружения потерь и хищений электроэнергии.
Предоставить контроль как производителю, так и потребителю электроэнергии.
Улучшить качество электроэнергии.
Минимизировать затраты на электроэнергию.
Самоконтроль и самоисцеление.

Какие технологии необходимы для внедрения интеллектуальной сети?

Из самого названия можно сделать вывод, что интеллектуальная сеть является более интеллектуальной и продвинутой версией текущей сети. Она объединяет электрическую сеть с автоматизацией и, таким образом, требует цифровой коммуникационной технологии. Она способна поддерживать безопасность сети и использовать энергию из распределенных источников. Компоненты для построения интеллектуальной сети следующие.

2-сторонняя интегрированная связь: технология интеллектуальной сети достижима только путем интеграции связи в существующую сеть. 2-сторонняя связь необходима для отслеживания и анализа различных параметров, таких как генерация и использование, а также потери в сети передачи. Протокол связи должен быть быстрым, безопасным, надежным, и в зависимости от требований для достижения 2-сторонней связи можно использовать множество технологий. Наиболее распространенными используемыми технологиями связи являются SCADA, PLC, беспроводная сотовая связь и т. д. Наиболее важными параметрами при выборе технологии связи являются:

Расходы.
Возможность покрытия сети.
Высокая пропускная способность данных с низкой задержкой.
Простота развертывания.
Безопасность данных.
Надежность.

На изображении ниже показано, как выглядит цифровая интеграция сети:

Умные приборы: Умные приборы делают возможными интеллектуальные сети. Эти приборы имеют решающее значение для обнаружения и управления различными параметрами в сети. Умный прибор может использовать IoT для управления процессом на основе предопределенных указаний, заданных пользователем. Это может повысить эффективность и безопасность системы.

Например, водяной насос для полива растений может работать только тогда, когда стоимость электроэнергии низкая, что обеспечивает владельцу финансовую выгоду, а также снижает энергетическую нагрузку в часы пик.

Интеллектуальные счетчики электроэнергии: Это самое важное устройство для любого потребителя, которое может облегчить двустороннюю связь между потребителем и управляющей компанией. Оно обеспечивает сбор данных конечного пользователя, что позволяет выполнять такие функции, как автоматическое формирование счетов, обнаружение неисправностей устройства, что приводит к более быстрому ремонту и устранению любых проблем.

Умные подстанции: Умная подстанция является наиболее важным компонентом интеллектуальной сетевой системы. Она обеспечивает мониторинг и делает подстанцию более гибкой, предоставляя оператору подстанции больше контроля для более быстрой корректировки условий, которые могут предотвратить сбои или отключения электроэнергии. Она гарантирует безопасность всей сети, а в случае возникновения технических проблем умные подстанции могут помочь в более быстром восстановлении системы. Умная подстанция также может обеспечить автоматический контроль пути потока электроэнергии для управления спросом.

Блок измерения фазора (Phasor Measurement Unit, PMU): блок измерения фазора, также известный как PMU или синхрофазор. PMU предоставляет подробную информацию о качестве электроэнергии в сети на большой площади. Он используется для анализа вектора, который может предоставить информацию о величине и фазовом угле в точке кабеля передачи. Данные могут быть использованы для определения того, находятся ли напряжение, ток и частота в пределах указанных допусков. Данные синхронизируются по времени с помощью GPS или протокола точного времени IEEE 1588. Основные области применения PMU:

Автоматизация энергосистемы в интеллектуальной сети.
Управление нагрузкой путем направления мощности туда, где она необходима.
Повышение надежности сети за счет обнаружения неисправностей на ранней стадии.
Повышение качества электроэнергии за счет автоматизированной коррекции.
Повышение безопасности за счет синхронизированной отметки времени
Приложения микросетей используются для изолирования или принятия решения о том, где отсоединиться от сети, согласования нагрузки и генерации, а также повторной синхронизации с основной сетью.

Чего некоторые страны хотят добиться, перейдя на интеллектуальные сети

Умная сеть имеет много преимуществ, но модернизация нашей нынешней сети в интеллектуальную сеть — это решение, требующее много времени, ресурсов и очень дорогое. У каждой страны есть свое видение и особые причины для установки интеллектуальной сети. Некоторые страны и их видение внедрения интеллектуальной сети описаны ниже.

Индия: Индия быстро увеличивает производство возобновляемой энергии, чтобы удовлетворить свои потребности в энергии и сократить загрязнение. Большое население страны и планы по внедрению электромобилей требуют быстрого внедрения интеллектуальной сети. Но самая важная причина — большое количество потерь. В Индии потери при передаче составляют более 20%, большая часть которых связана с кражей электроэнергии. Согласно Национальной миссии интеллектуальной сети, цель внедрения интеллектуальной сети — обеспечить адаптивную и устойчивую сеть, которая обеспечивает безопасную и надежную подачу энергии всем заинтересованным сторонам.

Китай: Китай считается производственным центром мира, и рост спроса на энергию является серьезной проблемой в стране. Таким образом, принятие Китаем интеллектуальной сети сосредоточено на расширении возможностей генерации за счет возобновляемых ресурсов, улучшении систем передачи и распределения электроэнергии в Китае с целью сокращения потерь, но его главная цель — ограничить загрязнение, которое долгое время было серьезной проблемой для Китая.

Южная Африка: Основной целью для Южной Африки является повышение надежности сетей, расширение внедрения возобновляемых источников энергии с целью декарбонизации производства электроэнергии.

Соединенное Королевство: Основная идея британского форума Smart Grid, стоящая за установкой интеллектуальной сети, заключается в улучшении контроля над электросетью и предоставлении потребителям большего контроля над их потреблением энергии. По данным форума Smart Grid, проект создаст более 9000 рабочих мест и сэкономит более 12 миллиардов фунтов стерлингов к 2050 году.

Основные проблемы, возникающие при внедрении Smart Grid

Как и любая другая революционная технология, интеллектуальная сеть также сталкивается с большим количеством противодействий и опасений из-за таких факторов, как высокая начальная стоимость, дистанционное управление и недостаточная осведомленность среди широкой общественности. Основные опасения по поводу внедрения технологии интеллектуальной сети связаны со страхом нарушения конфиденциальности данных. Интеллектуальный счетчик имеет выключатели, которыми можно управлять удаленно, чтобы отключить питание от конкретного домохозяйства. Существует ложное представление о том, что радиочастотная связь, используемая интеллектуальными счетчиками, вызывает рак и другие проблемы со здоровьем у потребителя. Большая часть населения также считает, что правительственный аппарат может неправильно использовать технологию, чтобы беспокоить своих оппонентов и активистов. Основные проблемы при внедрении интеллектуальной сети:

Очень высокая первоначальная стоимость установки.
Отсутствие нормативной базы.
Низкий спрос и отсутствие знаний среди широкой общественности.
Проблемы безопасности из-за обмена данными.
Опасение злоупотребления контролем над электроэнергией со стороны государства.

Преимущества интеллектуальной сети перед обычной сетью

Умная сеть имеет множество потенциальных преимуществ по сравнению с обычной энергией. Безопасность, надежность и возможность удаленного управления делают ее чрезвычайно желанной. Преимущества интеллектуальной сети по сравнению с обычной сетью:

Интеллектуальная сеть делает всю электросеть более безопасной.
Интеллектуальная сеть обеспечивает лучшее управление энергией.
Снижает потери при передаче и распределении электроэнергии, а также ее хищение.
Это дает возможность удаленной диагностики и устранения неисправностей.
Это улучшает интеграцию распределенных энергетических ресурсов.
Это дает пользователям больше контроля над потреблением электроэнергии.

Заключение

Электрическая сеть считается важным достижением 19 века. Но из-за роста распределенных энергетических ресурсов и внедрения солнечных панелей на крышах зданий нынешняя сеть постоянно подвергается риску перегрузки и помех. Поэтому для увеличения генерации возобновляемой энергии с помощью распределенной энергетической системы требуется более интеллектуальная сеть, которая может заботиться о различных параметрах с участием человека, следовательно, требуется интеллектуальная сеть. Несмотря на очень высокую первоначальную стоимость установки, ожидается, что интеллектуальная сеть сэкономит миллиарды долларов на потерях энергии и может улучшить качество электроэнергии, поставляемой в домохозяйства. Наличие двусторонней связи между потребителем и компанией по распределению электроэнергии и использование интеллектуальных приборов делают интеллектуальную сеть самодостаточной, тем самым повышая надежность, одновременно повышая эффективность и сокращая затраты на рабочую силу, такие как ручное считывание показаний счетчиков. Несмотря на то, что у вас так много плюсов, но высокая первоначальная стоимость и беспокойство о безопасности данных делают распространение интеллектуальных сетей более медленным процессом, чем ожидалось.