Smart grid (умная сеть электроснабжения) - интеллектуальная электрическая сеть, в которой существует связь между всеми участниками энергетического рынка, направленная на предоставление энергетических услуг, снижение затрат и повышение эффективности, а также на интеграцию распределенных источников энергии, в том числе возобновляемых источников энергии.
Это электроэнергетические и коммуникационные сети, которые позволяют регулировать производство и потребление электроэнергии в режиме реального времени как на местном, так и на глобальном уровне. Их принцип - интерактивное двустороннее общение между производственными источниками и приборами или потребителями о текущих возможностях производства и потребления энергии.
Еще одно определение: Интеллектуальные сети - это электроэнергетические системы, в которых используются информационные и управляющие технологии, распределенная обработка данных и связанные с ними датчики и средства управления для интеграции поведения и действий пользователей и других заинтересованных сторон и для эффективного обеспечения устойчивого, экономичного и надежного электроснабжения.
Министерство энергетики США дает собственное определение, что такое умная сеть. Это саморегулирующаяся система, допускающая активное участие потребителей, гибко реагирующая на стихийные бедствия, используя возможные накопления энергии, позволяющая внедрять новые продукты, услуги и рынки. Кроме того, он позволяет использование и эффективную эксплуатацию энергии для цифровой экономики. Smart Grid должна способствовать улучшению управления электроэнергией.
Smart Grid — это не устройство, приложение или сеть, это концепция, использующая информацию и технологии связи вместе с электрическими сетями. Чтобы реализовать интеллектуальное поведение электрических сетей, необходимо необходимость их автоматизировать с помощью коммуникационных и IT-технологий.
Термин Smart Grid в настоящее время все еще является новинкой в области энергетики.
Концепция Smart Grid
Существует множество определений интеллектуальной сети энергоснабжения, но, несмотря на все из них, существует единое мнение, среди свойств, которым должна соответствовать современная система электрификации. Это:
- оптимальное использование крупных традиционных источников и накопителей энергии вместе с возможностью управления небольшими распределенными ресурсами и активное влияние на объем потребления с помощью интеллектуальных потребителей и мотивации конечных пользователей,
- снижение воздействия производства и распределения энергии на окружающую среду за счет более точного планирования производства, возможности использования возобновляемых ресурсов, децентрализации производства, возможности накопления энергии,
- устойчивость к стихийным бедствиям (землетрясениям, ураганам) и преднамеренным атакам, как физическим, так и кибернетическим,
- обеспечение параметров качества электроэнергии,
- мониторинг всех важных элементов распределительной сети, снижающий вероятность перебоев с поставками электроэнергии,
- тесное сотрудничество с рынком электроэнергии.
Элементы Smart Grid и их связь
По мере увеличения доли возобновляемых источников энергии в электрических сетях возрастают и требования, в частности, к сетям низкого напряжения. Сети низкого напряжения больше не только выполняют задачу приема и распределения электроэнергии из распределительных сетей, но и все чаще выполняют задачу подачи децентрализованно произведенной электроэнергии обратно в распределительные сети.
Вторжение возобновляемых источников энергии в энергетический ландшафт заметно изменило потоки энергии в электросети: теперь пользователи не только потребляют, но и производят электроэнергию через ту же самую сеть. Следовательно, поток энергии теперь двунаправленный.
Интеллектуальная сеть отправляет электроэнергию от поставщиков к потребителям, используя двунаправленную цифровую технологию для управления потребностями потребителей. Это помогает сэкономить электроэнергию, снизить затраты, повысить удобство использования и прозрачность.
Однако эксперты по конфиденциальности и безопасности предупреждают о возможности наблюдения и уязвимости этой технологии, которая также может быть использована ворами. Кроме того, синхронизация клиентов с ценой может привести к дестабилизации сети.
Использование фотоэлектрической солнечной энергии в экологически чистом районе Solarsiedlung, в Вобане (Фрайбург, Германия).
Характеристики умных сетей электроснабжения:
- Полная автоматизация. Она включает в себя цифровую систему мониторинга и управления, встроенные датчики, отслеживающие поведение сети и автоматическое восстановление после сбоев. Обеспечивается доступность информации в режиме реального времени о загрузке сети, качестве электроснабжения, перебоях и т. д.
- Полная интеграция клиентов. Ее суть состоит в том, чтобы снабдить потребителей цифровыми счетчиками двусторонним потоком информации в реальном времени, что позволяет создавать ценовые тарифы в соответствии с текущей ситуацией в сети (так называемые «интеллектуальные счетчики электроэнергии»). Это позволяет клиентам эффективно управлять потреблением, таким как нагрев воды, стирка или подзарядка аккумуляторов.
- Адаптация к различным способам производства электроэнергии. Развитие интеллектуальных сетей началось в основном в то время, когда к распределительной системе начали подключаться более мелкие источники электроэнергии, поведение которых трудно предсказать. Например, солнечные и ветряные электростанции, газовые микротурбины и другие децентрализованные технологии производства электроэнергии, дающие потребителям возможность вырабатывать электроэнергию из собственных ресурсов и продавать ее излишки в сеть. Солнечный свет или силу ветра очень трудно предсказать везде, где расположены эти децентрализованные источники. Благодаря тому, что интеллектуальные сети регулярно отправляют информацию о потреблении электроэнергии, можно регулировать мощность, например, на электростанциях, использующих традиционные виды топлива.
Из рассмотреной концепции Smart Grid видно, что ее преимущества заключаются в основном в области снижения потребления электроэнергии и увеличении доли возобновляемых источников энергии.
Это также позволяет электрической сети в случае необходимости работать автономно, повышает надежность электроснабжения в нормальных условиях и при стихийных бедствиях.
Smart Grid создается путем интеграции коммуникационных технологий и автоматизации существующих в энергетической системе.
Обычные электрические сети обычно уже используют в той или иной степени информационные и управляющие технологии. В умных сетях электроснабжения (Smart grid) эти технологии получают еще большее развитие.
Основным изменением на уровне конечного пользователя является установка интеллектуальных счетчиков. Их основные задачи - удаленное считывание данных и возможность выставления счетов по ценам, изменяющимся во времени.
Интеллектуальный счетчик электроэнергии
Умные счетчики (англ. Smart meter) - счетчик электроэнергии, который регистрирует потребление электроэнергии с интервалом в 1 час или меньше и передает эту информацию не реже одного раза в день в энергетическую компанию для целей мониторинга и управления.
Интеллектуальные счетчики обеспечивают двустороннюю связь между счетчиком и центральной системой.
Передача данных между отдельными компонентами сети происходит через телефонный модем, соединения GSM, ADSL или другие способы. Это позволяет разрабатывать более дифференцированные тарифы и, следовательно, более выгодные ценовые стимулы для домашних потребителей (интеллектуальный рынок).
В отличие от домашних систем мониторинга энергии, интеллектуальные счетчики могут собирать данные для удаленной отчетности.
Потребитель может реализовать ценовые преимущества, не жертвуя удобством, только если у него также есть устройства, которые работают автоматически, желательно во время низкого тарифа. Это некритичные по времени процессы, такие как зарядка электромобилей, работа тепловых насосов, замораживание, обогрев (электрические бойлеры) или мытье посуды.
Например, эдля потребителя электроэнергии эта технология гарантирует, что электромобиль будет заряжаться именно тогда, когда есть хороший доступ к дешевой возобновляемой электроэнергии. Таким образом, энергия ветра может быть лучше использована в часы, когда дует сильный ветер.
Другой пример - системы управления, которые автоматически помогают промышленным отраслям отключать низкоприоритетные производственные процессы, когда цены на электроэнергию временно высоки.
С ночными накопительными нагревателями и фиксированными ночными тарифами это уже было реализовано несколько десятилетий назад, но современные системы могут работать более гибко и разумно, что особенно важно для включения возобновляемых источников энергии.
Энергетическая компания Iberdrola запустила пилотный проект реализации концепции Smart Grid в испанском регионе Валенсия в 2010 году. Более 100 000 домохозяйств в этом регионе были оснащены смарт-счетчиками. В настоящее время проект продолжается с целью тестирования управления распределительными сетями по результатам анализа данных т. н. "умных измерений".
В 2009 году компания Endesa запустила четырехлетний пилотный проект SmartCity в испанской Малаге. По проекту подключено 300 домохозяйств для управления подачей напряжения с аккумулированием энергии у потребителей. Цель проекта состоит в том, чтобы проверить работоспособность технологии на стороне потребителей и их готовность взять на себя роль активного игрока в энергосистеме.
Консорциум компаний и Университет Карлсруэ в 2009 году запустил проект строительства интеллектуальной сети в промышленном районе Карлсруэ-Штутгарт на юге Германии под названием MeRegio. В проекте задействовано 1000 постоянных абонентов (домохозяйства, промышленные предприятия, производственные и складские помещения).
Цель проекта MeRegio состоит в первую очередь в сокращении выбросов в тестируемом регионе с помощью с использованием технологий Smart Grid. Это должно быть достигнуто за счет использования возобновляемых источников энергии.
Проект направлен на использование идеи выработки электроэнергии в соответствии с требованиями потребителей и регулирование энергопотребления в зависимости от текущей ситуации в сети. Это достигается за счет интеллектуальных счетчиков электроэнергии и динамического ценообразования. Цель - тестирование и обучение правильному поведению потребителей электроэнергии в Smart Grid.
Архитектура проекта SmartCity
ИТ-безопасность
Одна из основных проблем умных сетей электроснабжения (Smart Grid) - кибератаки. В основе идеи, концепции и топологии интеллектуальных сетей лежат ИТ-решения, несущие определенную угрозу. Функционирование интеллектуальных сетей и эффективный контроль за их работой зависят от многих компьютеров, компьютерных сетей, программного обеспечения и коммуникационных технологий.
На сегодняшний день производители промышленных конечных устройств - программируемых логических контроллеров (ПЛК), блоков удаленной телеметрии RTU, интеллектуальных электронных устройств (IED), мастер-серверов, ориентируются в первую очередь на правильное функциональность данных элементов в рамках процесса управления, но они не всегда уделяют внимание на интеграцию протоколов безопасности в свои устройства.
Некоторым производителям не хватает более глубокого практического опыта в области компьютерных сетей и их безопасности. Также часто предполагается, что промышленная сеть будет физически разделена, что само по себе они в значительной степени обеспечат их безопасность.
Несанкционированное вмешательство в ИТ-инфраструктуру Smart Grid киберпреступника может привести к огромным убыткам, как прямо, так и косвенно, из-за отсутствия электроснабжения конкретных получателей.
Сложность сети означает, что есть пробелы, которые еще предстоит выявить. Следовательно, трудно оценить риск, связанный с потенциальной атакой, из-за размера, сложности и динамического характера энергосистемы, а также непредсказуемости потенциальных злоумышленников.
Смотрите также по этой теме: Перспективы интеграции Интернета вещей (IoT) и умных электрических сетей (Smart Grid)
Андрей Повный