Традиционная энергосистема состоит из большого количества слабо связанных между собой синхронных сетей переменного тока. Она выполняет три основные функции: генерация, передача и распределение электрической энергии, в которой электроэнергия течет только в одном направлении, т. е. от поставщика услуг к потребителям.
Во-первых, в области производства электроэнергии большое количество электростанций вырабатывают электроэнергию, в основном за счет сжигания традиционного топлива.
Во-вторых, при передаче электроэнергии электричество передается от электростанций к удаленным центрам нагрузки по высоковольтным линиям электропередачи.
В-третьих, в распределении электроэнергии электрические распределительные системы распределяют электроэнергию конечным потребителям при пониженном напряжении.
Каждая сеть централизованно контролируется и управляется, чтобы гарантировать, что электростанции вырабатывают электроэнергию в соответствии с потребностями потребителей в рамках ограничений энергосистем.
С момента ее создания в 1870 году до 1990 года традиционная энергосистема работала идеально. Хотя спрос потребителей на энергию рос в геометрической прогрессии, он все же был достаточно предсказуем.
Однако с 1980 года характер потребления электроэнергии резко изменился, так как нагрузка электронных устройств стала самым быстрорастущим элементом общего спроса на электроэнергию, и были разработаны новые источники высокого потребления электроэнергии, такие как электромобили.
Электросети подвержены значительным потерям энергии из-за ряда факторов, таких как неэффективная бытовая техника потребителей и отсутствие интеллектуальных технологий, неэффективная маршрутизация и распределение электроэнергии, ненадежная связь и мониторинг и, что наиболее важно, отсутствие механизма для накапливать выработанную электрическую энергию.
Кроме того, электрические сети сталкиваются с некоторыми другими проблемами, включая растущий спрос на энергию, надежность, безопасность, появление новых возобновляемых источников энергии и старение инфраструктуры, и это лишь некоторые из них.
Для решения этих проблем стала перспективным решением парадигма Smart Grid (умные сети, интеллектуальные сети) с использованием различных информационных и коммуникационных технологий. Такие технологии могут повысить эффективность, надежность, безопасность, устойчивость, стабильность и масштабируемость традиционных электрических сетей.
Отличие Smart Grid от традиционных электрических сетей
Smart Grid во многом отличается от традиционных электрических сетей. Например, Smart Grid предлагает двунаправленный поток связи между поставщиками услуг и потребителями, в то время как традиционная энергосистема предлагает только однонаправленную связь от поставщика услуг к потребителю.
Smart Grid предоставляет усовершенствованную измерительную инфраструктуру (Advanced Metering Infrastructure, AMI), интеллектуальные счетчики, отказоустойчивость, обнаружение несанкционированного использования и балансировку нагрузки, а также самовосстановление, т. е. самостоятельное обнаружение и устранение неисправностей.
Smart Grid решает проблему потери электроэнергии, вырабатывая электроэнергию, которая точно соответствует спросу. Smart Grid помогает принимать важные решения в соответствии со спросом на энергию, такие как ценообразование в режиме реального времени, планирование энергопотребления и оптимизация использования электроэнергии. Такие решения могут значительно улучшить качество электроэнергии, а также эффективность сети за счет поддержания баланса между выработкой электроэнергии и ее использованием.
Smart Grid использует различные типы устройств для мониторинга, анализа и управления электрической сетью. Такие устройства мониторинга должны быть развернуты на электростанциях, линиях электропередач, опорах ЛЭП, распределительных центрах и в помещениях потребителей, а их количество исчисляется сотнями миллионов и даже миллиардами.
Одной из основных проблем для Smart Grid является подключение, автоматизация и отслеживание такого большого количества устройств, что требует распределенного мониторинга, анализа и управления с помощью высокоскоростной, повсеместной и двусторонней цифровой связи.
Для таких устройств или «вещей» требуется распределенная автоматизация. Это уже реализуется в реальном мире с помощью технологии Интернета вещей (Internet of things, IoT).
Что такое IoT
Интернет вещенй (IoT) - это сеть, которая может соединить любой объект с Интернетом на основе протокола для обмена информацией и связи между различными интеллектуальными устройствами для достижения целей мониторинга, отслеживания, управления и определения местоположения.
За последние несколько лет технология IoT привлекла значительное внимание в различных приложениях и позволила подключить Интернет к различным встроенным в сеть устройствам, используемым в повседневной жизни.
Первоначально Интернет служил средством связи людей с людьми и людей с вещами. Однако к 2008 году количество вещей, подключенных к Интернету, превысило количество людей в мире, поэтому влияние технологии IoT продолжает расти.
Интернет вещей — это концепция, которая обещает изменить жизнь почти каждого человека. IoT возможен только благодаря достижениям в области технологий, которые позволили миниатюризировать компоненты и резко снизить требования к электропитанию.
IoT — это сеть физических объектов или вещей, подключенных к Интернету. Такие объекты оснащены встроенными технологиями для взаимодействия с их внутренней и внешней средой.
Эти объекты воспринимают, анализируют, контролируют и принимают решения индивидуально или в сотрудничестве с другими объектами посредством высокоскоростной и двусторонней цифровой связи распределенным, автономным и повсеместным образом.
Интернет вещей фокусируется на реализации трех основных концепций, а именно ориентированных на вещи, ориентированных на Интернет и ориентированных на семантику:
- Концепция, ориентированная на вещи, включает интеллектуальные устройства, такие как RFID-метки, датчики, приводы, камеры, лазерные сканеры, глобальную систему позиционирования (GPS) и NFC.
- Концепция, ориентированная на Интернет, обеспечивает связь между интеллектуальными устройствами с помощью различных технологий связи, таких как ZigBee, WiFi, Bluetooth, сотовая связь и подключает их к Интернету.
- Семантически ориентированная концепция реализует множество приложений с помощью интеллектуальных устройств.
Для чего нужная интеграция Интернета вещей (IoT) и умных электрических сетей (Smart Grid)
Устройства IoT — это обычные объекты, оснащенные приемопередатчиками, микроконтроллерами и протоколами, обеспечивающими их связь с другими устройствами, а также с внешними объектами (например, людьми), чтобы обеспечить реализацию полностью автоматизированных систем, которые делают их неотъемлемой частью Интернета.
Это именно то, что требуется для Smart Grid. Следовательно, технология IoT может помочь Smart Grid, поддерживая различные сетевые функции на всех этапах производства, хранения, передачи, распределения и потребления путем включения устройств IoT (таких как датчики, исполнительные механизмы и интеллектуальные счетчики), а также обеспечивая подключение, автоматизацию и отслеживание для такие устройства.
Smart Grid в будущем будет одним из крупнейших приложений Интернета вещей.
Сегодня, хотя многие бытовые устройства, использующие электрическую энергию, подключены к Интернету, тем не менее, все еще существует большое количество бытовых устройств, которые нему не подключены. Например, во всем мире количество микроволновых печей и стиральных машин, подключенных к Интернету, намного меньше, чем не подключенных к Интернету.
По сути, все, что использует электричество, можно было бы сделать более полезным, подключив его к Интернету (например, микроволновые печи и стиральные машины, которыми можно управлять удаленно и в непиковое время, что также снижает затраты, а также как обеспечить комфорт человеку за счет автоматизации).
Следовательно, в будущем мы можем предсказать, что Smart Grid, интегрированная с IoT, будет больше, чем сегодняшняя Smart Grid, а современная и интеллектуальная сеть (т. е. превратив технологию IoT в глобальный стандарт связи и основу для Smart Grid, откроются новые двери для максимального увеличения перспектив будущих инноваций.
Интеграция IoT в Smart Grid на парктике
Smart Grid уже получила широкое распространение в области сбора, передачи и обработки информации, и теперь технология IoT играет важную роль в построении сети.
Движущей силой концепции Smart Grid является улучшение планирования, обслуживания и эксплуатации за счет обеспечения того, чтобы каждый компонент энергосистемы мог «слушать» и «разговаривать», а также для обеспечения автоматизации в Smart Grid.
Например, в традиционной электросети коммунальная компания узнает о сбое в обслуживании только тогда, когда потребитель сообщает об этом сам.
В Smart Grid коммунальная компания автоматически узнает о сбое в обслуживании, потому что некоторые компоненты Smart Grid (например, интеллектуальные счетчики) перестанут отправлять собранные данные.
Здесь IoT играет ключевую роль в реализации этого сценария, поскольку все компоненты сети должны иметь IP-адреса и поддерживать двустороннюю связь. Это обеспечивается Интернетом вещей.
Технология IoT обеспечивает интерактивное сетевое подключение в реальном времени к пользователям и устройствам с помощью различных коммуникационных технологий, питание оборудования через различные интеллектуальные устройства IoT, а также сотрудничество, необходимое для реализации двустороннего и высокоскоростного обмена данными в реальном времени между различными приложениями. повышение общей эффективности Smart Grid.
Применение IoT в Smart Grid можно разделить на три типа на основе трехуровневой архитектуры IoT:
- Во-первых, IoT применяется для развертывания различных интеллектуальных устройств IoT для мониторинга состояния оборудования (т. е. на уровне восприятия IoT);
- Во-вторых, IoT применяется для сбора информации с оборудования с помощью подключенных к нему интеллектуальных устройств IoT посредством различных коммуникационных технологий (т. е. на сетевом уровне IoT);
- В-третьих, IoT применяется для управления Smart Grid через прикладные интерфейсы (т.е. на прикладном уровне IoT).
Датчики IoT обычно состоят из беспроводных интеллектуальных датчиков, RFID, устройств M2M (Machine-to-Machine), камер, инфракрасных датчиков, лазерных сканеров, GPS и различных устройств сбора данных.
Получение информации в Smart Grid может поддерживаться и улучшаться с помощью технологии IoT.
Технология IoT играет важную роль в развертывании инфраструктуры сбора и передачи данных для Smart Grid, помогая в построении сети, эксплуатации, управлении безопасностью, техническом обслуживании, сборе информации, измерении, взаимодействии с пользователем и т. д. Кроме того, IoT также позволяет интегрировать поток информации, поток мощности и поток распределения в Smart Grid.
Доступ к потребителям осуществляется с помощью сети интеллектуальных счетчиков посредством службы пакетной радиосвязи общего назначения (GPRS) или других мобильных сетей.
Новая реальность, в которой потребители могут уже иметь другие инфраструктуры умного дома (например, Wi-Fi), еще не включены в сетевые коммуникации существующих архитектур Smart Grid.
Хотя некоторые архитектуры учитывают существующие инфраструктуры умного дома, они не предназначены для масштабирования в крупных развертываниях. Поэтому протоколы, характерные для систем IoT и Smart Grid, не могут быть непосредственно применены к системам Smart Grid с поддержкой IoT, поскольку они учитывают только индивидуальные характеристики систем IoT или Smart Grid, чего недостаточно для интегрированной системы Smart Grid с поддержкой IoT.
В сфере электроэнергетики IoT может использоваться для мониторинга и контроля энергопотребления, агрегатов, оборудования, выбросов газов и загрязняющих веществ, прогнозирования производства и потребления электроэнергии, хранения энергии и подключения к электросети, а также для управления распределенной электроэнергией.
В области передачи электроэнергии IoT можно использовать для мониторинга и управления линиями электропередачи и подстанциями, а также для защиты опор ЛЭП.
В области распределения электроэнергии IoT можно использовать для распределенной автоматизации, а также для управления операциями и оборудованием.
В области использования энергии IoT можно использовать для умных домов, автоматического считывания показаний счетчиков, зарядки и разрядки электромобилей, для сбора информации о потреблении энергии бытовыми приборами, контроля нагрузки, мониторинга и управления энергоэффективностью и управления потреблением энергии.