شبکه های انرژی هوشمند

نرخ رشد تقاضای جهانی انرژی حدود 2,2 درصد در سال برآورد شده است. این بدان معناست که مصرف کنونی انرژی جهانی بیش از 20 پتاوات ساعت در سال 2030 به 33 پتاوات ساعت افزایش خواهد یافت. در عین حال، تاکید بر استفاده کارآمدتر از گذشته از انرژی وجود دارد.

1. ماشین در یک شبکه هوشمند

پیش بینی های دیگر پیش بینی می کنند که حمل و نقل تا سال 2050 بیش از 10 درصد تقاضای برق را مصرف می کند که عمدتاً به دلیل محبوبیت روزافزون وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی است.

اگر شارژ باتری ماشین برقی به درستی کنترل نمی شود یا اصلاً به تنهایی کار نمی کند، به دلیل شارژ بیش از حد باتری به طور همزمان، خطر اوج بار وجود دارد. نیاز به راه حل هایی که امکان شارژ وسایل نقلیه را در زمان بهینه فراهم کند (1).

سیستم های برق کلاسیک قرن XNUMX که در آن برق عمدتاً در نیروگاه های مرکزی تولید می شد و از طریق خطوط انتقال فشار قوی و شبکه های توزیع فشار متوسط ​​و کم ولتاژ به مصرف کنندگان تحویل می شد، به خوبی با خواسته های عصر جدید مقابله نمی کند. .

در سال‌های اخیر، ما همچنین می‌توانیم شاهد توسعه سریع سیستم‌های توزیع‌شده باشیم، تولیدکنندگان کوچک انرژی که می‌توانند مازاد خود را با بازار به اشتراک بگذارند. سهم قابل توجهی در سیستم های توزیع شده دارند. منابع انرژی تجدیدپذیر.

واژه نامه شبکه هوشمند

AMI – مخفف Advanced Metering Infrastructure. به زیرساخت دستگاه ها و نرم افزارهایی اطلاق می شود که امکان ارتباط با کنتورهای برق، جمع آوری داده های انرژی و تجزیه و تحلیل این داده ها را فراهم می کند.

تولید پراکنده – تولید انرژی توسط تأسیسات کوچک تولیدکننده یا تأسیسات متصل به شبکه های توزیع یا مستقر در سیستم انرژی گیرنده (پشت دستگاه های کنترل و اندازه گیری)، که معمولاً الکتریسیته را از منابع انرژی تجدیدپذیر یا غیر متعارف تولید می کند، اغلب در ترکیب با تولید گرما (تولید همزمان توزیع شده). ). . شبکه های تولید پراکنده ممکن است شامل تولیدکنندگان، تعاونی های انرژی یا نیروگاه های شهری باشد.

متر هوشمند - یک کنتور برق از راه دور که وظیفه انتقال خودکار داده های اندازه گیری مصرف انرژی را به تامین کننده دارد و بنابراین فرصت های بیشتری را برای استفاده آگاهانه از برق ارائه می دهد.

منبع انرژی میکرو – یک نیروگاه تولید برق کم مصرف که معمولاً برای مصرف خود استفاده می شود. ریزمنبع‌ها می‌توانند نیروگاه‌های کوچک خانگی خورشیدی، آبی یا بادی، میکروتوربین‌هایی که با گاز طبیعی یا بیوگاز کار می‌کنند، واحدهایی با موتورهای گاز طبیعی یا بیوگاز باشند.

Prosumer - مصرف کننده آگاهانه انرژی که برای نیازهای خود انرژی تولید می کند، مثلاً در منابع خرد، و مازاد مصرف نشده را به شبکه توزیع می فروشد.

تعرفه های پویا - تعرفه ها با در نظر گرفتن تغییرات روزانه قیمت انرژی.

فضازمان قابل مشاهده

حل این مشکلات (2) نیاز به شبکه ای با زیرساخت انعطاف پذیر و "متفکر" دارد که انرژی را دقیقاً به جایی که نیاز است هدایت کند. این تصمیم شبکه هوشمند انرژی - شبکه هوشمند منبع تغذیه

2. چالش های پیش روی بازار انرژی

به طور کلی، شبکه هوشمند یک سیستم قدرت است که به طور هوشمندانه فعالیت های همه شرکت کنندگان در فرآیندهای تولید، انتقال، توزیع و استفاده را برای تامین برق به شیوه ای مقرون به صرفه، پایدار و ایمن یکپارچه می کند (3).

فرض اصلی آن ارتباط بین همه شرکت کنندگان در بازار انرژی است. این شبکه نیروگاه ها را به هم متصل می کندبزرگ و کوچک و مصرف کنندگان انرژی در یک ساختار. این می تواند به لطف دو عنصر وجود داشته باشد و کار کند: اتوماسیون ساخته شده بر روی سنسورهای پیشرفته و یک سیستم ICT.

به زبان ساده: یک شبکه هوشمند «می داند» کجا و چه زمانی بیشترین تقاضا و عرضه انرژی بیشتر است و می تواند انرژی اضافی را به جایی که بیشتر مورد نیاز است هدایت کند. در نتیجه، چنین شبکه ای می تواند کارایی، قابلیت اطمینان و امنیت زنجیره تامین انرژی را بهبود بخشد.

3. شبکه هوشمند - نمودار اساسی

4. سه حوزه شبکه های هوشمند، اهداف و مزایای ناشی از آن

شبکه های هوشمند به شما این امکان را می دهد که از راه دور کنتورهای برق را اندازه گیری کنید، وضعیت دریافت و شبکه و همچنین مشخصات دریافت انرژی را کنترل کنید، مصرف انرژی غیرقانونی، تداخل در کنتورها و تلفات انرژی را شناسایی کنید، گیرنده را از راه دور قطع/وصل کنید، تعرفه ها را تغییر دهید، بایگانی و صورتحساب برای خواندن مقادیر و سایر اقدامات (4).

تعیین دقیق تقاضای توان دشوار است، بنابراین معمولاً سیستم باید از چیزی که ذخیره داغ نامیده می شود استفاده کند. استفاده از تولید پراکنده (به واژه نامه شبکه هوشمند مراجعه کنید) در ترکیب با شبکه هوشمند می تواند به طور قابل توجهی نیاز به حفظ ذخایر بزرگ در آمادگی کامل را کاهش دهد.

ستون شبکه های هوشمند یک سیستم اندازه گیری گسترده، اندازه گیری هوشمند (5) وجود دارد. این شامل سیستم های مخابراتی است که داده های اندازه گیری را به نقاط تصمیم گیری و همچنین اطلاعات هوشمند، الگوریتم های پیش بینی و تصمیم گیری انتقال می دهد.

اولین تاسیسات آزمایشی سیستم‌های اندازه‌گیری «هوشمند» در حال حاضر ساخته شده‌اند که شهرها یا شهرداری‌ها را پوشش می‌دهند. با تشکر از آنها، از جمله موارد دیگر، می توانید نرخ های ساعتی را برای مشتریان فردی معرفی کنید. این بدان معنی است که در زمان های خاصی از روز قیمت برق برای چنین مصرف کننده ای کمتر خواهد بود، بنابراین ارزش دارد که مثلاً یک ماشین لباسشویی را روشن کنید.

به گفته برخی از دانشمندان، مانند تیمی از محققان مؤسسه ماکس پلانک آلمان در گوتینگن به رهبری مارک تیم، میلیون‌ها کنتور هوشمند می‌توانند در آینده یک دستگاه کاملاً مستقل ایجاد کنند. شبکه خود تنظیمی، مانند اینترنت غیرمتمرکز و ایمن است زیرا در برابر حملاتی که سیستم های متمرکز در معرض آن هستند مقاوم است.

قدرت از تعدد

منابع برق تجدید پذیر با توجه به توان واحد پایین (RES) آنها منابع توزیع شده هستند. دومی شامل منابعی با ظرفیت واحد کمتر از 50-100 مگاوات است که در مجاورت مصرف کننده نهایی انرژی نصب شده اند.

با این حال، در عمل حد توان منبع در نظر گرفته شده به عنوان توزیع شده به شدت از کشوری به کشور دیگر متفاوت است، برای مثال در سوئد 1,5 مگاوات، در نیوزیلند 5 مگاوات، در ایالات متحده آمریکا 5 مگاوات، در بریتانیا 100 مگاوات است. .

با تعداد کافی منابع پراکنده در منطقه کوچکی از سیستم قدرت و با توجه به قابلیت هایی که ارائه می کنند شبکه های هوشمند، ترکیب این منابع در یک سیستم کنترل شده توسط اپراتور امکان پذیر و سودآور می شود و یک "نیروگاه مجازی" ایجاد می کند.

هدف آن تمرکز تولید پراکنده در یک سیستم منطقی متصل و افزایش بهره وری فنی و اقتصادی تولید برق است. تولید پراکنده که در مجاورت مصرف کنندگان انرژی قرار دارد، همچنین می تواند از منابع سوخت محلی از جمله سوخت های زیستی و انرژی های تجدیدپذیر و حتی زباله های شهری استفاده کند.

یک نیروگاه مجازی بسیاری از منابع محلی مختلف برق را در یک منطقه خاص (نیروگاه‌های برق آبی، نیروگاه‌های بادی، نیروگاه‌های فتوولتائیک، توربین‌های سیکل ترکیبی، ژنراتورهای موتور محرک و غیره) و دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی (مخزن‌های آب، باتری‌ها) به یکدیگر متصل می‌کند. ، که از راه دور توسط یک شبکه گسترده فناوری اطلاعات کنترل می شوند.

یک عملکرد مهم در هنگام ایجاد نیروگاه های مجازی باید توسط دستگاه های ذخیره انرژی انجام شود، که اجازه می دهد تولید برق با تغییرات روزانه در تقاضای مصرف کننده تنظیم شود. به طور معمول این مخازن باتری یا ابرخازن هستند. ایستگاه های ذخیره سازی پمپ نیز می توانند نقش مشابهی را ایفا کنند.

یک منطقه متعادل انرژی که یک نیروگاه مجازی را تشکیل می دهد، می تواند با استفاده از سوئیچ های مدرن از شبکه برق جدا شود. چنین سوئیچ محافظت می کند، کار اندازه گیری را انجام می دهد و سیستم را با شبکه همگام می کند.

دنیا هوشمندتر می شود

W شبکه های هوشمند تمام شرکت های بزرگ انرژی جهان در حال حاضر سرمایه گذاری می کنند. برای مثال در اروپا، EDF (فرانسه)، RWE (آلمان)، Iberdrola (اسپانیا) و British Gas (بریتانیا).

6. شبکه هوشمند منابع سنتی و تجدیدپذیر را به هم متصل می کند

یکی از عناصر مهم این نوع سیستم، شبکه توزیع مخابراتی است که انتقال IP دو طرفه مطمئن را بین سیستم‌های کاربردی مرکزی و کنتورهای برق هوشمند که مستقیماً در انتهای شبکه در مشتریان نهایی قرار دارند، فراهم می‌کند.

در حال حاضر بزرگترین شبکه های مخابراتی جهان برای نیازهای شبکه هوشمند بزرگترین اپراتورهای انرژی در کشورهای خود - مانند LightSquared (ایالات متحده آمریکا) یا EnergyAustralia (استرالیا) - با استفاده از فناوری بی سیم Wimax تولید می شوند.

علاوه بر این، اولین و یکی از بزرگترین پیاده سازی های برنامه ریزی شده سیستم AMI (زیرساخت اندازه گیری پیشرفته) در لهستان، که بخشی جدایی ناپذیر از شبکه هوشمند Energa Operator SA است، شامل استفاده از سیستم وایمکس برای انتقال داده می شود.

مزیت مهم راه حل وایمکس در رابطه با سایر فناوری های مورد استفاده در بخش انرژی برای انتقال داده ها، مانند PLC، این است که در مواقع اضطراری نیازی به قطع تمام بخش های خطوط برق نیست.

7. هرم انرژی در اروپا

دولت چین یک برنامه سرمایه گذاری بلندمدت بزرگ در سیستم های آب، ارتقاء و گسترش شبکه های انتقال و زیرساخت ها در مناطق روستایی، و شبکه های هوشمند. شرکت گرید دولتی چین قصد دارد تا سال 2030 آنها را اجرا کند.

فدراسیون تاسیسات برق ژاپن در نظر دارد با حمایت دولت تا سال 2020 یک شبکه هوشمند با استفاده از انرژی خورشیدی توسعه دهد. در حال حاضر، آلمان در حال اجرای یک برنامه دولتی برای آزمایش انرژی الکترونیکی برای شبکه های هوشمند است.

یک "ابر شبکه" انرژی در کشورهای اتحادیه اروپا ایجاد خواهد شد که از طریق آن انرژی های تجدیدپذیر عمدتاً از نیروگاه های بادی توزیع می شود. بر خلاف شبکه های سنتی، نه بر اساس جریان متناوب، بلکه بر اساس جریان الکتریکی مستقیم (DC) است.

صندوق های اروپایی برنامه تحقیقاتی و آموزشی مرتبط با پروژه، MEDOW را که دانشگاه ها و صنعت انرژی را گرد هم می آورد، تامین مالی کرده اند. MEDOW مخفف نام انگلیسی "Multi-terminal DC Grid For Offshore Wind" است.

برنامه آموزشی قرار است تا مارس 2017 ادامه داشته باشد. ایجاد شبکه های انرژی تجدیدپذیر در مقیاس قاره ای و اتصال کارآمد به شبکه های موجود (6) به دلیل ویژگی های خاص انرژی های تجدیدپذیر، که با مازاد یا کمبود ظرفیت دوره ای مشخص می شود، منطقی است.

برنامه شبه جزیره هوشمند که در شبه جزیره هل اجرا می شود در صنعت انرژی لهستان به خوبی شناخته شده است. اینجاست که Energa اولین سیستم‌های مطالعه از راه دور آزمایشی کشور را پیاده‌سازی کرده و زیرساخت‌های فنی مناسب برای پروژه را دارد که بیشتر مدرن‌سازی خواهد شد.

این مکان تصادفی انتخاب نشده است. این منطقه با تغییرات زیاد در مصرف انرژی (مصرف زیاد در تابستان، بسیار کمتر در زمستان) مشخص می شود، که چالشی اضافی برای مهندسان انرژی ایجاد می کند.

سیستم اجرا شده باید نه تنها با قابلیت اطمینان بالا، بلکه با انعطاف پذیری در ارائه خدمات به مشتریان مشخص شود، که به آنها امکان می دهد مصرف انرژی را بهینه کنند، تعرفه های برق را تغییر دهند و از منابع انرژی جایگزین در حال ظهور (پانل های فتوولتائیک، توربین های بادی کوچک و غیره) استفاده کنند.

اخیراً اطلاعاتی نیز منتشر شده است که Polskie Sieci Energetyczne می خواهد انرژی را در باتری های قدرتمند با ظرفیت حداقل 2 مگاوات ذخیره کند. این اپراتور قصد دارد تأسیسات ذخیره انرژی در لهستان بسازد که از شبکه برق پشتیبانی می کند و از تداوم عرضه در زمانی که منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) به دلیل کمبود باد یا پس از تاریکی هوا متوقف می شود، اطمینان حاصل می کند. سپس برق انبار وارد شبکه می شود.

آزمایش راه حل می تواند ظرف دو سال آغاز شود. طبق اطلاعات غیر رسمی، ژاپنی های هیتاچی PSE را برای آزمایش ظروف باتری قدرتمند پیشنهاد می کنند. یکی از این باتری‌های لیتیوم یونی می‌تواند 1 مگاوات برق تولید کند.

انبارها همچنین می توانند نیاز به توسعه نیروگاه های معمولی را در آینده کاهش دهند. نیروگاه‌های بادی که با تنوع زیاد در توان خروجی (بسته به شرایط هواشناسی) مشخص می‌شوند، انرژی سنتی را مجبور می‌کنند تا ذخیره‌ای از توان خود را حفظ کنند تا در هر زمان آسیاب‌های بادی با کاهش توان خروجی جایگزین یا تکمیل شوند.

اپراتورها در سراسر اروپا در حال سرمایه گذاری در ذخیره سازی انرژی هستند. اخیراً انگلیسی ها بزرگترین تأسیسات از این نوع را در قاره ما راه اندازی کردند. سایت Leighton Buzzard در نزدیکی لندن قادر به ذخیره 10 مگاوات ساعت انرژی و ارائه 6 مگاوات انرژی است.

این توسط S&C Electric، Samsung، و همچنین UK Power Networks و Younicos پشتیبانی می شود. در سپتامبر 2014، شرکت اخیر اولین مرکز ذخیره سازی انرژی تجاری اروپا را ساخت. این در Schwerin آلمان راه اندازی شد و دارای ظرفیت 5 مگاوات است.

سند "چشم انداز پروژه های شبکه هوشمند 2014" شامل 459 پروژه اجرا شده از سال 2002 است که در آنها استفاده از فناوری های جدید و قابلیت های ICT (اطلاعات از راه دور) به ایجاد "شبکه هوشمند" کمک کرده است.

لازم به ذکر است که پروژه هایی که حداقل یک کشور عضو اتحادیه اروپا در آن شرکت کرده است (شریک) در نظر گرفته شده است (7). به این ترتیب تعداد کشورهای تحت پوشش این گزارش به 47 کشور می رسد.

تاکنون 3,15 میلیارد یورو برای این پروژه ها در نظر گرفته شده که 48 درصد آن هنوز تکمیل نشده است. در حال حاضر، پروژه های تحقیق و توسعه 830 میلیون یورو و آزمایش و اجرا 2,32 میلیارد یورو مصرف می کنند.

در میان آنها، سرانه، دانمارک بیشترین سرمایه گذاری را انجام می دهد. از سوی دیگر، فرانسه و بریتانیا پروژه هایی با بالاترین بودجه دارند و میانگین هر پروژه 5 میلیون یورو است.

در مقایسه با این کشورها، کشورهای اروپای شرقی وضعیت بسیار بدتری دارند. بر اساس این گزارش، آنها تنها یک درصد از کل بودجه همه این پروژه ها را تولید می کنند. از نظر تعداد پروژه های اجرا شده، پنج پروژه برتر عبارتند از: آلمان، دانمارک، ایتالیا، اسپانیا و فرانسه. لهستان در رتبه هجدهم قرار گرفت.

سوئیس از ما جلوتر بود و بعد از آن ایرلند. تحت شعار شبکه هوشمند، راه حل های جاه طلبانه و تقریباً انقلابی در بسیاری از نقاط جهان در حال اجرا هستند. قصد دارد سیستم انرژی را نوسازی کند.

یکی از بهترین نمونه ها پروژه ایجاد زیرساخت های هوشمند در استان انتاریو کانادا (2030) است که در سال های اخیر تهیه و برای مدت حداکثر 8 سال طراحی شده است.

8. طرح استقرار شبکه هوشمند در استان انتاریو کانادا.

ویروس های انرژی؟

با این حال ، اگر شبکه انرژی برای شبیه شدن به اینترنت، باید در نظر داشته باشید که ممکن است با همان تهدیداتی مواجه شود که ما در شبکه های کامپیوتری مدرن با آن مواجه هستیم.

9. روبات هایی که برای کار در شبکه های انرژی طراحی شده اند

کارشناسان آزمایشگاه های F-Secure اخیراً در مورد ظهور یک تهدید پیچیده جدید برای سیستم های خدمات صنعتی، از جمله شبکه های منبع تغذیه هشدار داده اند. Havex نام دارد و از یک تکنیک جدید بسیار پیشرفته برای آلوده کردن رایانه ها استفاده می کند.

Havex از دو جزء اصلی تشکیل شده است. اولین نرم افزار تروجان است که برای کنترل از راه دور سیستم مورد حمله استفاده می شود. عنصر دوم سرور PHP است.

اسب تروا توسط مهاجمان به سیستم خودکار کنترل فرآیند/نرم افزار SCADA متصل شد که وظیفه نظارت بر پیشرفت فرآیندهای تکنولوژیکی و تولید را بر عهده دارد. قربانیان بدون آگاهی از تهدید، چنین برنامه هایی را از سایت های تخصصی دانلود می کنند.

قربانیان Havex در درجه اول موسسات اروپایی و شرکت های راه حل های صنعتی بودند. بخشی از کد Havex نشان می‌دهد که سازندگان آن علاوه بر اینکه می‌خواهند داده‌های مربوط به فرآیندهای تولید را سرقت کنند، می‌توانند بر پیشرفت آنها نیز تأثیر بگذارند.

10. مناطق شبکه های هوشمند

نویسندگان این بدافزار به طور خاص به شبکه های انرژی علاقه داشتند. احتمالا عنصر آینده سیستم انرژی هوشمند روبات ها نیز این کار را خواهند کرد.

اخیراً، محققان دانشگاه فناوری میشیگان یک مدل رباتی (9) توسعه داده‌اند که انرژی را به مکان‌هایی که تحت تأثیر قطع برق، مانند بلایای طبیعی قرار دارند، می‌رساند.

برای مثال، این نوع ماشین می‌تواند نیرو را به زیرساخت‌های مخابراتی (برج‌ها و ایستگاه‌های پایه) بازگرداند تا عملیات نجات را به طور مؤثرتری انجام دهد. ربات ها مستقل هستند و بهترین مسیر را برای رسیدن به مقصد انتخاب می کنند.

آنها ممکن است باتری روی برد یا سیستم های پنل خورشیدی داشته باشند. آنها می توانند به یکدیگر غذا بدهند. معنی و توابع شبکه های هوشمند بسیار فراتر از انرژی بروید (10).

از زیرساخت های ایجاد شده در این راه می توان برای ایجاد یک زندگی هوشمند موبایلی جدید در آینده، بر اساس آخرین فناوری ها استفاده کرد. در حال حاضر، ما فقط می توانیم مزایا (و همچنین معایب) این نوع راه حل را تصور کنیم.