ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СЕТЬ С ТРАНЗАКЦИОННЫМ МЕТОДОМ ОБМЕНА

Иваха Дмитрий Вячеславович; Прохоренко Никита Ярославович

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 330

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СЕТЬ С ТРАНЗАКЦИОННЫМ МЕТОДОМ ОБМЕНА

Иваха Дмитрий Вячеславович, ученик; МБОУ СОШ №95, Краснодар, Российская Федерация; Прохоренко Никита Ярославович, аспирант; ФБГОУ ВО «КубГТУ», Краснодар, Российская Федерация;

Аннотация: В статье рассмотрены общемировые тенденции и возможности внедрения децентрализованной сети на базе развернутой централизованной сети в виде самостоятельных энергетических ячеек. В статье предложена упрощенная схема построения децентрализованной сети с цифровым контролем потребления электроэнергии. Предложена схема, при которой любой участник сети сможет стать энергетической ячейкой новой децентрализованной сети на основе IDEA архитектуры. Представлены электрические схемы каждого элемента децентрализованной сети необходимые для перехода к предложенной структуре и описан принцип работы каждой из них. Доказана простота и важность внедрения новой схемы децентрализованной энергосети, удовлетворяющей современным требованиям 3D концепции. Предложен комплекс мер, позволяющих получить позитивный эффект в сфере децентрализации, декарбонизации и диджитализации современных энергосетей.

Ключевые слова: энергетика; EnergyNet; IDEA; диджитализация; децентрализация.

INTELLIGENT DECENTRALIZED ENERGY GRID WITH TRANSACTIONAL

EXCHANGE METHOD

Ivaha Dmitrij Vyacheslavovich, student; MBGEI GSS 95, Krasnodar, Russia Prohorenko Nikita Yaroslavovich, postgraduate; KUBSTU, Krasnodar, Russia

Abstract: The article discusses global trends and the possibility of introducing a decentralized network based on a deployed centralized network in the form of independent energy cells. The article proposes a scheme for constructing a decentralized network with digital control

of electricity consumption. Any network participant can become the energy cell of a new decentralized network based on IDEA architecture in the proposed scheme. The electrical diagrams of each element of the decentralized network necessary for the transition to the proposed structure are presented and the principle of operation of each of them is described. The simplicity and importance of introducing a new scheme of a decentralized power grid that meets the modern requirements of a 3D concept has been proven. A set of measures has been proposed to obtain a positive effect in the field of decentralization, decarbonization and digitalization of modern energy networks.

Keywords: energy; EnergyNet; IDEA; digitalization; decentralization.

Для цитирования: Иваха, Д. В. Интеллектуальная децентрализованная энергетическая сеть с транзак-ционным методом обмена / Д. В. Иваха, Н. Я. Прохоренко. - Текст : электронный // Наука без границ. - 2021. - № 2 (54). - С. 16-22. - URL: https://nauka-bez-granic.ru/№-2-54-2021/2-54-2021/ For citation: Ivaha D.V., Prohorenko N.Ya. Intelligent Decentralized Energy Grid with Transactional Exchange Method // Scince without borders, 2021, no. 2 (54), pp. 16-22.

В настоящее время единая энергетическая система России охватывает почти всю страну и является централизованно управляемым объединением. Однако централизованная энергетика не удовлетворяет современным требованиям потребителей и не способна повысить свою эффективность. Кроме этого, централизованная энергосистема рассчитана на использование больших генерирующих мощностей и работает только на отдачу в одну сторону. Применение распределенной энергетики с реализацией принципиально новой модели, удовлетворяющей 3D (Decarbonization, Decentralization, Digitalization) концепции, способно повысить энергоэффективность сети [1].

Концепция 3D объединяет три взаимосвязанных между собой процесса в мировой энергетике (рис. 1):

Decarbonization - переход к экологически чистой «безуглеродной» экономике и энергетике, заключающийся в увеличении доли возобновляемых источников энергии, электрического транспорта и отказе от ископаемых топлив;

Decentralization - переход к территориально распределенной электроэнергетике с большим числом раз-

ноуровневых источников энергии и потребителей, заключающийся в росте количества маломощных и разнообразных по своему виду источников энергии, подключенных к распределительным сетям. Появление про-сьюмера — нового элемента энергосети, который является одновременно и производителем, и потребителем электроэнергии. Появление активных потребителей, способных оптимизировать график загрузки своих мощностей, для уменьшения затрат на электроэнергию.

Digitalization - переход к повсеместному применению в электроэнергетике цифровых управляемых устройств, подключенных к информационным сетям интернета, на всех уровнях энергосистемы от устройств генераторов и электрических сетей до потребителей электроэнергии управляемых PC-со-вместимыми контроллерами, в том числе бытовых, потребителей электроэнергии, что обеспечивает возможность реализации интеллектуального управления энергосистемами, основанного на межмашинном (M2M, IoT) взаимодействии [2].

В рамках программы EnergyNet разработана архитектура IDEA (Internet of Distributed Energy Architecture)

(рис. 2), содержащая в себе основные принципы построения современной распределенной энергетики [3]:

TransactiveEnergy - система формирования, контроля исполнения и оплаты смарт-контрактов;

Internet of Things - система межма-

шинного взаимодействия и обмена управляющими воздействиями между энергетическим оборудованием;

NeuralGrid - система, обеспечивающая режимное управление и поддержание статической и динамической устойчивости энергосистемы.

decentralization

3D

digitization

Рисунок 1 - 3D концепция

Цифровой интерфейс © Силовой интерфейс

Чеговдюо-мзшиннын интерфейс

1— Информция — Энергии Команды

Функции

Рисунок 2 - Архитектура IDEA

Преимущества такой архитектуры заключаются в снижении цен на электроэнергию. Архитектура поддерживает 3D концепцию и способствует озеленению энергетики. Значительно снижаются потери за счет возможности внедрения в сеть дистрибьютеров.

Проблема внедрения архитектуры

IDEA заключается в невозможности внесения всех изменений в энергосеть единовременно. Авторы предлагают схему распределенной электрической сети с возможностью внедрения ее отдельных элементов и взаимодействия элементов сети между собой и энергосетью (рис. 3).

Рисунок 3 - Упрощенная схема структуры сети

Дистрибьютор выступает оператором между потребителями «Дом» и производителями электроэнергии «Генератор» и глобальной сетью «EnergyNet» для реализации возможности приобретать большие объемы электроэнергии и гарантировать надежность транзакций. Глобальная сеть «EnergyNet» перераспределяет электроэнергию между всеми участниками энергосети.

Для создания возможности интеграции IDEA архитектуры предлагается спроектировать и смоделировать каждый элемент сети в отдельности с присущим ему функционалом. Это позволит учесть запросы и возможности всех участников энергосети и применить предложенные схемы в существующей энергосети.

Источник электроэнергии обеспечен фильтром, преобразователем, инвертором и трансформатором (рис. 4). Частота инвертора и его фаза контролируется микроконтроллером с помощью обратной связи от счетчиков тока и напряжения. Звено коммутации на вторичной обмотке предотвращает обратные токи от других источников в узле питания. На выходе узла питания

3-х фазный ток. Микроконтроллер задает ШИМ сигнал на трансформатор с инвертора с целью защиты трансформатора от феррорезонанса и ухудшения ферромагнитных свойств сердечника.

Дистрибьютер управляет электроэнергией и контролирует ее поступление на прямую к потребителям или аккумулирует в АКБ (рис. 5). Электроэнергия поступает через понижающий трансформатор с фильтром на балансирующую плату в АКБ. Обратно к потребителю или в «EnergyNet» электроэнергия поступает через инвертор и повышающий трансформатор. Если мощность с выхода генератора превышает необходимую для потребителя, то она автоматически перераспределяется в АКБ. Дистрибьютер выполняет важную роль в стабильности сети, в случае полного заряда АКБ он перераспределяет ее между другими дистрибьютерами. Дистрибьютор и АКБ обеспечены датчиками тока и напряжения для контроля мощности, контроля заряда АКБ и безопасности системы.

Для потребителя происходит фик-

Рисунок 4 - Принципиальная электрическая схема устройства для работы в IDEA архитектуре источника электроэнергии

Рисунок 5 - Принципиальная электрическая схема дистрибьютера

сация электроэнергии с помощью получает микроконтроллер, который датчиков тока и напряжение в счет- общается с сетью «EnergyNet» и про-чике (рис. 6). Данные о потреблении водит транзакции.

: ¿1 Ц- щ

, - 0

I "Н "V

NodeMCU

ТГТТХТГ"

1 т

я

г

К Alf

CNP

D

VK

FKFt RET-

60

wj Я

vö-0-т. v«

RETt

кr-

И

«4

к

f*

Рисунок 6 - Принципиальная электрическая схема потребителя

На всем пути электроэнергии система отслеживает нарушителей и контролирует выполнение условий транзакций, контролирует частоту и фазу преобразователей и инверторов для минимизации потерь на обратных токах в трансформаторах. Микроконтроллер оперирует данными со счетчиков тока, счетчиков напряжения и обратной связи для корректировки работы на каждом элементе энергосети.

Совместное применение принципиальных электрических схем, изображенных на рис. 4, рис. 5, рис. 6, позволяют создать новую структуру сети (рис. 3) внутри уже существующей централизованной энергосети. Благодаря этому новая структура способна учитывать потери при передаче элек-

троэнергии, понимать места незаконных подключений и понимать попытки взлома любого элемента сети.

Заключение

Применение предлагаемых принципиальных схем поможет перейти к новой децентрализованной структуре сети, удовлетворяющей всем требованиям 3D концепции и соответствующей архитектуре IDEA. Приведенные выше схемы решают основные проблемы адресации потоков электроэнергии, не требуя внесения крупных изменений в существующей централизованной сети. Небольшое количество видов электронных компонентов также позволит спроектировать дешевые устройства как для новых участников сети, так и для тех, кто уже подключен к централизованной сети.

Также необходимо на данном этапе разработать список сценариев многоуровневого взаимодействия для программной реализации транзакций, системы безопасности и коммутаций. А программирование микроконтроллеров на взаимодействие требует соз-

дания программного обеспечения, способного выполнять логическое взаимодействие элементов сети.

Предложенные принципиальные схемы требуют дальнейшего изучения и моделирования их в среде МАТЬАВ Simulink.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Холкмн, Д. Цифровой переход в энергетике России: в поисках смысла / Д. Холкин, И. Чаусов. - Текст : непосредственный // Энергетическая политика. - 2018. - № 5. -С. 7-16.

2. Прохоренко Н.Я. Перспективы развития систем автоматического управления перемещением электроприводов на базе РС-совместимых контроллеров / Н.Я. Прохоренко. - Текст : непосредственный // Вопросы современной науки: проблемы, тенденции и перспективы: материалы международной научно-практической конференции, 6 авг. 2019 г. - Нур-Султан, 2019. - С. 34-38.

3. Холкин, Д. Архитектура интернета энергии (IDEA) Версия 2.0. / Д. Холкин, И. Чаусов, И. Бурдин, А. Рыбушкина. - М.: Инфраструктурный центр «Энерджинет». -2020. - Текст : непосредственный.

REFERENCES

1. Holkin D., Chausov I. Cifrovoj perekhod v energetike Rossii: v poiskah smysla [Digital transition in the energy sector of Russia: in search of meaning] Energeticheskaya politika,

2018, no. 5, pp.7-16.

2. Prokhorenko N.Ya. Perspektivy razvitiya sistem avtomaticheskogo upravleniya peremeshcheniem elektroprivodov na baze RS-sovmestimyh kontrollerov [Prospects for the development of automatic control systems for the movement of electric drives based on PC-compatible controllers] Voprosy sovremennoj nauki: problemy, tendencii i perspektivy: materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Nur-Sultan,

2019, pp.34-38.

3. Kholkin D., Chausov I., Burdin I., Rybushkina A. Arhitektura interneta energii (IDEA) Versiya 2.0. [Internet Energy Architecture (IDEA) version 2.0]. Moscow, Infrastructurnyi centr "Energinet", 2020.

INTELLIGENT DECENTRALIZED ENERGY GRID WITH TRANSACTIONAL EXCHANGE METHOD

Текст научной работы на тему «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СЕТЬ С ТРАНЗАКЦИОННЫМ МЕТОДОМ ОБМЕНА»