Весьма интенсивные разговоры о технологиях Smart Grid и Smart Metering в энергетике ведутся уже давно. С тех пор стало понятно, что речь идет о своего рода «коллективном разуме» в энергетике, будь то масштаб отдельной территории или целой страны. Именно благодаря этим концепциям, которые сейчас принято относить к инструментам автоматизации, можно говорить не только об учете, но и о технологичной, массовой обратной связи с потребителем, которая жизненно необходима для организации любого управления и уж тем более для оптимизации.
Однако пока, к сожалению, нечасто детализируют задачи энергетики, которые возникают в масштабах общей проблемы оптимизации энергопотребления. Если этим заняться, стразу становится ясно, что в каждом конкретном случае мы имеем порой уникальный сплав управленческих инициатив, информационных, коммуникационных и технических решений. Об одном из характерных примеров и хотелось бы поговорить в данной статье.
Проблема неравномерности
Суточное потребление электроэнергии в России неравномерно. Ночью наблюдается провал потребления, днем (10—12 часов) и вечером (17— 20 часов) — дневной и вечерний пики.
Каждый потребитель имеет свой график нагрузки, и не всегда ровный. Если, к примеру, сервер потребляет энергию почти ровным графиком, то персональный компьютер — обычно в дневные часы (если он установлен в офисе) или в вечерние (если дома). Промышленные потребители, бюджетные организации и часть коммерческих потребителей «создают» дневной пик, в основном в сетях высокого и среднего напряжения, а население и часть малого бизнеса (кафе, рестораны, торговые и развлекательные заведения) «участвуют» в формировании вечернего пика.
Такая неравномерность нагрузки становится фактором роста конечных цен и тарифов на электроэнергию, поскольку:
- необходимо изыскивать инвестиции и средства на содержание дополнительной генерирующей мощности, а также мощности сетей и трансформаторных подстанций, что в итоге оплачивает потребитель в конечном тарифе;
- многие электростанции вынуждены набирать и снижать нагрузку несколько раз в течение суток, что увеличивает удельные расходы топлива, снижает эксплуатационный ресурс и в итоге также влияет на увеличение цены;
- пики потребления, особенно вечернего, в низковольтных сетях приводят к возрастанию риска аварий и отключений, ухудшению качества электроэнергии, возрастанию потерь в линиях.
Ожидается, что в будущем ситуация с неравномерностью графика нагрузки будет усугубляться из‑за увеличения доли неравномерной нагрузки. Простой пример: если стационарный компьютер потребляет электроэнергию ровным графиком примерно в те часы, когда на нем работают (это дневные часы в офисе, вечерние часы и выходные дни — дома), то ноутбук или iPad потребляет энергию тогда и там, где его подключат в сеть для подзарядки, и то время, на которое его подключат. То есть неравномерность и непредсказуемость графика возрастают. При этом возрастает и количество таких устройств.
Поэтому выравнивание графика нагрузки — важная задача по снижению средних цен на электрическую энергию и повышения надежности энергоснабжения.
Методы выравнивания графика потребления можно разделить на три типа.
1. Организационно-пропагандистские. Работа с руководителями (техническими директорами, главными энергетиками) предприятий, пропаганда переноса потребления на выходные дни и ночное время суток среди населения, пропаганда отдельных направлений энергосбережения.
2. Ценовые. Распространение двухставочного тарифа, тарифа, дифференцированного по зонам суток, и почасовых цен, и некоторые другие меры стимулируют снижать пиковое потребление либо переносить его на другие часы и дни недели.
3. Технологические. Распространение устройств, аккумулирующих энергию в часы ночного провала или в выходные дни, а также в часы с низкой ценой и отдающих ее в сеть или напрямую потребителю в пиковые часы или часы с максимальными ценами.
Ниже будет рассмотрен один из вариантов технологического решения проблемы выравнивания графика потребления — возможность создания «умных устройств», «умных ящиков», запасающих энергию, когда потребность в ней невелика (и стоит она дешево), и отдающих ее потребителю в пиковые часы, когда энергия наиболее дорога.
Централизовать или распределять
Аккумулирование электрической энергии может быть централизованным на стороне генерации (например, крупная гидроаккумулирующая электростанция) или в сетевом узле (например, аккумуляторная подстанция в «умных сетях»).
Децентрализованные варианты аккумулирования предусматривают установку у группы потребителей аккумуляторной подстанции (на поселок, «умный офис», на несколько потребителей) либо использование устройств, установленных непосредственно у конкретного потребителя. Сейчас эту роль выполняют устройства резервного и бесперебойного питания для компьютеров и серверов, устройств сигнализации, связи и видеонаблюдения, аккумуляторы в ноутбуках и сотовых телефонах, тепловые аккумуляторы в части потребления электроэнергии на обогрев.
Разумеется, у каждого подхода имеются свои преимущества и недостатки.
Достоинства использования централизованных систем — в относительно низких удельных затратах на запасенный киловатт-час и более простая организация обслуживания. Но вместе с тем их развитие сопряжено с единовременными и часто крупными инвестициями.
Децентрализованные системы, наоборот, расположены напрямую у потребителя, то есть максимально гарантируют надежность энергоснабжения в случае проблем в сети. Их можно вводить в эксплуатацию постепенно, избегая серьезных разовых вложений, а инвестиции, даже пошаговые, начинают приносить отдачу буквально на следующий же день.
Одно из устройств децентрализованного аккумулирования электроэнергии (запасания в ночные часы и отдачи в пиковые, с минимизацией при этом потребления в пиковые часы из сети) — индивидуальное (бытовое) устройство, которое далее мы будем называть «умный ящик», или SmartBox.
Рассматривая его, мы как раз подходим к очень важной теме интеграции информационных и технических решений. Дело в том, что техническое обеспечение бизнеса очень часто фактически отождествляется с развитием технологий ее информационной поддержки. Но на самом деле это все‑таки разные вещи. В энергетике подобное разделение было всегда, но теперь факторизация этих направлений, с одной стороны, и их интеграция, с другой, может стать тенденцией для многих отраслей бизнеса. Дело в том, что сегодня, по крайней мере потенциально, мы имеем значительно более богатое, чем ранее, разнообразие всевозможных клиентских устройств в виде пресловутых смартфонов и таблетов, но не только. Все больше вторгаются в нашу жизнь средства полной автоматизации работы с клиентом (классический пример — всем известные банкоматы), а также разнообразный спектр контрольных цифровых приборов от систем видеонаблюдения до медицинских датчиков. Все эти устройства, безусловно, обладают и коммуникационными возможностями. В итоге не так уж просто однозначно ответить на вопрос, с чем мы имеем дело — с техническим отраслевым решением, новым средством автоматизации или новыми технологиями корпоративных коммуникаций. Тем не менее такие знаковые на сегодня проекты появляются все чаще, и SmartBox вполне может рассматриваться как один из них.
Все в одном устройстве
Различные устройства, используемые в настоящее время, при объединении их функций и наличии интеллектуального управления могут дать очень интересный эффект, который планируется реализовать в «умном ящике».
Что же это за устройства? Это сотовый телефон с системой оплаты (то есть соединенный со счетом в банке), аккумулятор с устройством управления зарядом-разрядом (например, бесперебойник, только рассчитанный на более длительный срок работы) и современный интеллектуальный прибор учета с почасовым хранением данных и реле управления нагрузкой.
Объединение этих устройств позволит создать прибор, который автоматически отслеживает, когда необходимо потреблять энергию из сети (в часы, когда она на рынке стоит дешево), запасая ее в аккумуляторах, и когда необходимо отдавать ее потребителю (из аккумуляторов или из сети), также ориентируясь на ее стоимость. Именно по такому принципу работает рассматриваемый нами SmartBox.
Принцип работы этого устройства, соединяющего в себе АСКУЭ, бесперебойник, устройство выравнивания напряжения, устройство выставления счетов и устройство ограничения потребителя в случае неуплаты, заключается в следующем.
- Диспетчер в сбытовой компании посылает сигнал на устройство о предпочтительных часах, когда нужно запасать энергию, и часах, когда требуется отдавать ее потребителю, снижая потребление из сети, а также сведения о действующих почасовых тарифах.
- Устройство запасает и отдает энергию в соответствии с графиком, учитывая это по часам.
- Устройство рассчитывает экономию потребителя от сглаживания графика и отображает на дисплее или посылает потребителю на телефон сведения о начислении, например, помесячно. Потребитель, выбрав в меню устройства соответствующий пункт, может послать сигнал банку на списание у него с карты соответствующей суммы начисления.
Кроме указанных функций, устройство позволяет подключать внешние источники энергии — солнечные батареи, ветрогенератор, дизельный или бензиновый генератор. Оно выполняет также функцию резервного источника питания (в том числе для систем «умного дома»: сигнализации, видеонаблюдения, управления газовым котлом) и функцию улучшения качества тока и напряжения в сети (например, при провалах напряжения возможно переключение на аккумуляторные батареи).
Автор считает, что развитие технологий создания аккумуляторных батарей приведет к их удешевлению и уменьшению размеров настолько, что такие устройства мощностью до 10 кВт и емкостью в 1—5 кВт·ч, а позднее и в 5—20 кВт·ч. запасаемой энергии, появятся у многих бытовых и мелкокоммерческих потребителей.
Коллективный интерес
Субъекты, заинтересованные в установке устройств «умный ящик», или SmartBox, — это либо сами потребители (выравнивание графика нагрузки уменьшает средний тариф, а аккумуляторы делают потребителя менее восприимчивым к кратковременным перерывам в энергоснабжении), либо гарантирующие поставщики, работающие с мелкими и бытовыми потребителями.
Именно гарантирующие поставщики несут на себе все риски неравномерности нагрузки, уплачивая на оптовом рынке плату за мощность (которая рассчитывается как среднее максимумов потребления в пиковые часы рабочих дней). Чем более ровным графиком потребляют массовые потребители, чем меньше сумма средств, привлекаемых гарантирующим поставщиком при уплате стоимости мощности, меньше размеры кредитования в банках и уплачиваемые проценты. А в будущем, при введении системы финансовых гарантий, потребуется меньшая гарантия оплаты на оптовом рынке, которая стоит определенных средств.
Возможность дистанционно отключать или ограничивать потребителя — важный фактор, повышающий платежную дисциплину и снижающий временные и материальные затраты на отключения.
Наконец, возможность быстро платить за электроэнергию, отдавая распоряжения через SMS‑сообщение банку, обслуживающему потребителя, на перечисление средств со счета или с карты в уплату за электроэнергию, — это наиболее перспективный способ организации платежей, экономящий и время потребителя, и средства поставщика.
Сейчас в электроэнергетике происходит очень активное «наступление» информационных технологий. Поскольку сеть имеет сложную структуру, присоединение тысяч потребителей, со своими приборами учета, тарифами, данными о задолженности и платежах, требуются сложные информационные базы данных о клиентах. Однако это «пассивная» информация. С внедрением устройств типа SmartBox появится возможность активного двустороннего обмена в режиме реального времени. Потребуется заново организовать и отношения с потребителем, и сам бизнес энергокомпаний. На первый план выйдут такие требования, как гибкость, умение управлять ситуацией в режиме реального времени, индивидуальный подход к клиенту, информационная открытость. Эти изменения уже начались и будут идти быстрее с каждым годом.
От «умного ящика» к «умному району»
Виктор Файзрахманов,
технический директор департамента энергетики компании «Астерос»Концепция интеллектуальной энергосистемы (Smart Grid) строится на интеграции информационной и энергетической инфраструктуры. Такая интеграция повышает эффективность сетевых операций, позволяет лучше обслуживать потребителей энергоресурсов и сохраняет окружающую среду. Потребитель в концепции Smart Grid — это ключевой игрок энергосистемы. От него зависит достижение глобальных целей строительства интеллектуальных сетей.
Устройство Smart Box, предлагаемое автором статьи, предназначено для автоматизации сетевых операций на стороне потребителя и организации «массовой обратной связи» с ним. Однако отсутствие правил и стандартов, а также интерфейсов взаимодействия распределенных энергетических ресурсов мешает успешно выводить такие устройства на массовый рынок. Кроме того, энергетическая и информационная инфраструктуры должны быть готовы для работы с такими приборами. То есть «умным» должен быть весь энергорайон, а не только «ящик» у потребителя.
По нашим оценкам, условия для массового внедрения «умных ящиков» в России находятся в начальной стадии становления. Тем не менее уже сегодня производители предлагают рынку приборы с отдельными функциями SmartBox, а интеграторы — решения, основанные на технологиях Smart Grid. У нас в компании подобные решения включают проектирование и строительство элементов ИТ-инфраструктуры интеллектуальной энергосистемы, внедрение отраслевых приложений, интеграцию распределенных информационных ресурсов и приложений, оказание полного спектра консалтинговых, управленческих и аутсорсинговых услуг.
Новая эпоха «цифровой» энергетики
Александр Соковнин,
директор по развитию бизнеса, «IBM в России и СНГ»Изменения климата, а также рост цен на электроэнергию и технологические достижения изменяют и коллективный образ мышления потребителей. В результате многие из них превращаются из «пассивных плательщиков» в хорошо информированных заказчиков. В энергетике наступает новая эпоха — цифровая. Энергетические сети дополнятся цифровыми интеллектуальными возможностями. В этих разумных сетях будут использоваться датчики, счетчики, цифровые средства управления и аналитические инструменты, обеспечивающие автоматизацию, мониторинг и контроль двусторонней передачи энергии на всех этапах — от электростанции до бытовой розетки. Энергетическая компания сможет оптимизировать производительность сети, предотвращать перебои в энергоснабжении, предоставить потребителям возможность управлять потреблением энергии — вплоть до уровня отдельных приборов.
В 2008 г. IBM анонсировала концепцию «разумной планеты». Сегодня влияние этой идеи уже заметно ощущается по всему миру в различных отраслях промышленности, в том числе и в энергетике. Согласно этой концепции «разумные» сети смогут включать в себя и возобновляемые источники энергии, например ветровые генераторы и солнечные батареи. Они также смогут взаимодействовать на локальном уровне с распределенными источниками энергии или с электромобилями, подключаемыми к сети. Кроме того, новые аналитические инструменты помогут извлекать полезные знания из огромного потока данных. Мы увидим закономерности, взаимосвязи или отклонения, скрытые в огромных массивах разнородных данных. С помощью сложных математических моделей и мощнейших вычислительных систем мы сможем оценить накапливаемую в мире энергетики информацию и начать предупреждать, прогнозировать и даже предсказывать изменения в энергетических системах. Уже сегодня IBM активно разрабатывает инновационные решения для энергетики будущего, которые позволят сделать производство и потребление энергии более разумным.
