Умные сети электроснабжения

Умные сети электроснабжения учитывают современные и перспективные решения проблем энергоснабжения. Внедрение таких технологий повышает общую энергоэффективность инфраструктуры, в частности, благодаря управлению спросом. Повышенная гибкость сетей позволяет интегрировать переменную возобновляемую энергетику (например, солнечную и ветровую), даже без привлечения накопителей энергии. Умные сети также способны управлять бытовыми устройствами, снижая нагрузку в часы пикового потребления и возвращая функции в обычные периоды^[4].

Умная сеть электроснабжения включает следующие элементы:

• Инфраструктура продвинутого учёта (например, «умные счётчики» и устройства с расширенными возможностями, такие как оптические маршрутизаторы);
• Интеллектуальные распределительные щиты и автоматические выключатели, интегрированные с системами управления зданиями и реакцией на спрос («за счётчиком»);
  • Коммутаторы нагрузок и «умные устройства», зачастую финансируемые за счёт муниципальных программ энергоэффективности;
• Возобновляемые источники энергии и возможность зарядки аккумуляторов электромобилей или массивов повторно используемых батарей;
• Энергоэффективные ресурсы;
• Распределение избытков энергии по линиям электропередачи и автоматическая коммутация;
• Достаточная сеть оптоволоконного широкополосного доступа для связи и мониторинга указанных компонентов; беспроводные решения служат резервом^[5][6].

Основные вопросы, связанные с умными сетями электроснабжения, затрагивают умные счётчики, устройства, управляющие ими, и вопросы кибербезопасности. Реализация подобных систем также требует глубокой инженерной перестройки отрасли электроснабжения^[7].

В Европе политика в области умных сетей координируется в рамках платформы Smart Grids European Technology Platform^[8]. В США аспекты законодательного регулирования описаны в разделе 42 Кодекса США^[9].

Первые системы электроснабжения на переменном токе были установлены в 1886 году в Грейт-Баррингтоне (Массачусетс, США)^[10]. Первоначально это была централизованная система с односторонней передачей энергии и управлением, зависящим от спроса.

В XX веке локальные сети постепенно объединялись ради повышения экономичности и надёжности. К 1960‑м годам электросети развитых стран стали крупными и взаимосвязанными: тысячи центральных электростанций снабжали энергоёмкие центры по линиям большой мощности, которые далее разветвлялись для промышленного и бытового снабжения. Такая структура объяснялась экономией на масштабе: крупные электростанции на угле, газе и нефти мощностью 1–3 ГВт были наиболее эффективны.

Электростанции часто строили поблизости от источников топлива, водоёмов (для охлаждения на АЭС) и транспортных путей. Загрязняющие атмосферу ТЭС обычно располагали подальше от населённых пунктов, когда это стало возможным благодаря развитию сетей. К концу 1960‑х годов сеть охватила почти всё население развитых стран.

Система учёта потребления энергии формировалась исходя из ограничений по сбору данных: применялись фиксированные тарифы, а также двойные тарифы — ночные тарифы были дешевле, стимулируя равномерное потребление. Это позволяло ночью использовать дешёвую электроэнергию для нагрева и аккумуляции тепла, «сглаживая» суточный спрос.

С 1970-х по 1990-е годы рос спрос и число электростанций, а нехватка мощности в пиковые периоды приводила к отключениям, сбоям и падениям напряжения. К концу XX века модели спроса определились: из‑за потребления тепла и кондиционирования появились суточные пики, которые покрывали за счёт быстродействующих пиковых генераторов (часто газотурбинных). Это увеличивало расходы компаний и тарифы.

В XXI веке такие страны, как Китай, Индия и Бразилия, стали признанными лидерами по внедрению умных сетей^[11].

C начала XXI века стали доступны решения, связанные с развитием электронных средств связи и снятием ограничений инфраструктуры. Одновременно нарастали экологические требования к генерации, особенно с появлением широко масштабируемых возобновляемых источников (ветра и солнца), что потребовало новых подходов к управлению сетью для интеграции нестабильных поступлений электроэнергии^[12]. Удешевление солнечных фотоэлементов и, в меньшей степени, ветряков привело к востребованности распределённых моделей генерации, позволяющих получать и потреблять энергию непосредственно на периферии сети. Кроме того, вопросы энергетической безопасности и устойчивости сетей приобрели дополнительную актуальность^[13].

Первое официальное определение умной сети дано законом Energy Independence and Security Act of 2007 (EISA‑2007), в котором в XIII разделе изложены 10 характеристик, формирующих суть понятия Smart Grid. В частности:

• цифровые технологии для повышения надёжности, безопасности и эффективности;
• оптимизация работы и ресурсов, включая кибербезопасность;
• распределённые и возобновляемые источники энергии;
• технология реакции на спрос и энергоэффективности;
• интеллектуальные устройства (автоматизация учёта, связи и управления);
• интеграция «умных» бытовых приборов;
• развитие накопителей и систем сглаживания пиков, в том числе электромобилей;
• предоставление данных и опций управления для потребителей;
• стандартизация коммуникаций и взаимодействия оборудования;
• снижение барьеров для внедрения новых решений.

Рабочая группа Еврокомиссии по умным сетям определяет их так:^[14]

«Умная сеть электроснабжения — это электрическая сеть, способная эффективно интегрировать активности и поведение всех пользователей — производителей, потребителей и совмещающих функции — для обеспечения экономически эффективной, экологически стабильной, надёжной, высококачественной и безопасной системы электроснабжения».

Это определение закреплено в документах Еврокомиссии.

Общим элементом большинства определений является интеграция цифровых технологий и средств связи в энергосистему, позволяющая централизованное управление и обмен информацией. Модернизация включает совершенствование инфраструктуры, добавление цифрового слоя («умная сеть») и преобразование бизнес-процессов^[15].

Первые решения для управления, контроля и учёта нагрузки появились ещё в 1980-х (автоматический учёт крупных потребителей), эволюционировав до инфраструктуры продвинутых измерений в 1990‑х, а с 2000 года началось массовое внедрение сетей смарт-счётчиков (проект Telegestore в Италии, 27 млн потребителей)^[16].^[17] С развитием телекоммуникаций появились решения на базе передачи данных по энергосетям (BPL), беспроводные ячеистые сети для связи с бытовыми устройствами.

Технология синхрофазных измерений (phasor measurement units, PMU), появившаяся в 1990-х, позволила в режиме реального времени анализировать сетевые процессы и аномалии на больших расстояниях, результатом чего стала первая операционная система мониторинга WAMS в 2000 году^[18].

Ранние внедрения — итальянская система Telegestore (2005), сеть в Остине (Техас, с 2003), системы в Боулдере (Колорадо, с 2008).