CC BY
11Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1670
The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1670
УДК 621.316.7
ОПТИМИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ В УМНОЙ СЕТИ Л.М. Четошникова, С.А. Четошников
Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Миассе 456318 Миасс, Челябинская обл., пр. Октября, д. 16 Тел./факс: (3513) 53-28-85; e-mail: chlm@w.m.susu.ru
Заключение совета рецензентов: 05.06.13 Заключение совета экспертов: 08.06.13 Принято к публикации: 10.06.13
Во всем мире неуклонно растет стремление сократить последствия углеводородных источников энергии на окружающую среду за счет увеличения эффективности или сокращения источников энергии, используюшдх твердое топливо. Все это стимулирует поиск новых решений при создании умной сети, позволяющих сократить затраты твердого топлива, согласовать спрос до доступного предложения и улучшить эффективность использования источников энергии. Одно из ключевых свойств умной сети заключается в способности регулировать спрос во времени таким образом, чтобы он соответствовал предложению. Следствием этого будет улучшение использования первичных энергоресурсов, снижение доли резервных источников энергии в системе электроснабжения и губительного воздействия на окружающую среду.
Ключевые слова: умная сеть, возобновляемые источники энергии, график нагрузок, управление энергией.
OPTIMIZATION OF ENERGY DISTRIBUTION IN SMART GRID L.M. Chetoshnikova, S.A. Chetoshnikov
South Urals State University, Miass branch 16 Oktyabrya ave., Miass, Chelyabinsk reg., 456318, Russia Tel./fax: (3513) 53-28-85; e-mail: chlm@w.m.susu.ru
Referred: 05.06.13 Expertise: 08.06.13 Accepted: 10.06.13
In a whole world the tendency of reduce the consequences of using hydrocarbon sources of energy on environment steady rise. It's obtained by two ways - increase of efficiency and decrease the number of source witch use the solid fuel. All of it stimulate for search of new decisions by making to smart network witch allow to decrease the cost of solid fuel, co-ordinate the demand with disposable offer and get better efficiency of using the energy sources. One of the general attribute of smart network is an ability to regulate the demand in time as how it corresponds to the offer. The effect of this action will be the improvement of using primary energy sources, decrease of reserve part of energy sources in a power-supply system and damage to environment.
Keywords: smart grid, renewable energy, schedule of power consumption, energy management.
Лариса Михайловна Четошникова
Сведения об авторе: д-р техн. наук, зав. кафедрой автоматики Миасского филиала ЮжноУральского государственного университета.
Область научных интересов: нетрадиционные возобновляемые источники энергии, интеллектуальные сети.
Сергей Александрович Четошников
Сведения об авторе: магистрант Энергетического факультета Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск.
Область научных интересов: нетрадиционные возобновляемые источники энергии, энергосбережение.
Будущее развитие энергосетей предполагает более широкое включение локальной генерации, обеспечиваемой возобновляемыми и альтернативными источниками энергии и малыми электростанциями, дополняя сеть собственной инфраструктурой трансмиссии и распределения. В качестве линейных источников рассматриваются, например, солнечные
панели, ветряные турбины, устройства накопления энергии и топливные элементы. В общем случае локальная генерация может быть интегрирована в общую сеть, или может стать единственным источником энергии, когда отсутствует подключение к сетям общего пользования.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 q |-© Научно-технический центр «TATA», 2013 ■*
Дополнительные источники используются в интеллектуальной микросети с целью более эффективного распределения энергии путем приближения генерации энергии к потребителям, сокращения потерь в линиях и поддержания КПД передачи как можно более высоким. Проблема заключается в том, что невозможно оценить заранее выработку энергии возобновляемыми источниками, т.к. в реальных условиях переменчивого характера естественных потоков энергии (ветра, солнца) получаемая от них мощность не будет соответствовать мощности самой установки. На самом деле топология сети и управление потоками могут значительно влиять на количество энергии, потребляемой нагрузками от разных источников в зависимости от их положения в сети. Кроме того, полная стоимость энергии также будет зависеть от величины ее потерь в распределительных сетях. В соответствии с этим в расчетах должны применяться специфические методы оптимизации. Локальные источники должны вводиться, прежде всего, с целью обеспечения значительной выгоды, а именно:
- их работа должна соответствовать режиму максимальной эффективности (скорости ветра, близкие к номинальным для данного типа ветроустановки, высокий уровень солнечной радиации и т.д.);
- они должны поддерживать напряжение сети в заданном диапазоне;
- обеспечивать качество энергии на требуемом уровне, генерируя в сеть гармонические токи.
При оптимизации использования локальных источников необходимо принять во внимание все эти аспекты. Поэтому коммуникационная инфраструктура должна иметь информацию о сети, синхронизации и контроле локальных источников. Такая инфраструктура должна основываться на коммуникационном протоколе, который необходимо составлять согласно выбранной стратегии сетевого менеджмента. Это станет важным свойством умной сети, где система приобретения данных и руководящего контроля получает информацию от распределенных сенсоров нагрузки сети и команды об отключении, чтобы адаптировать структуру распределения к динамике генерации энергии и потребления.
Попытки использования умной сети в системе электроснабжения потребителей мотивированы необходимостью обеспечения все возрастающего спроса на электроэнергию и снижения нагрузки на окружающую среду. В настоящее время мероприятия по поддержанию соответствия предложения растущему спросу на энергию могут быть не только затратными, но и неэффективными при длительной эксплуатации. Поэтому цель умной сети - это не только соответствие предложения спросу, но и наоборот, приведение в соответствие спроса имеющемуся предложению с использованием современных технологий и заинтересованности потребителей через оптимальное ценообразование.
На рис. 1 показан примерный суточный график потребления электроэнергии, который, как известно,
является неравномерным. Пик потребления электроэнергии приходится на период между ¿2 и Неравномерность потребления электрической энергии вызывает увеличение стоимости ее производства и передачи, что, в свою очередь, приводит к росту затрат потребителей энергии. В настоящее время энергосистема обязывает предприятия снижать нагрузку в часы максимума. Это приводит к определенным трудностям при выполнении производственных планов и снижению технико-экономических показателей деятельности предприятия.
SA
Рис. 1. График потребления энергии Fig. 1. Schedule of power consumption
Требования к энергосистеме (пропускная способность, количество линий и подстанций) определяются именно пиковыми нагрузками с учетом «резерва мощности». Грамотное применение двухставочного тарифа позволяет снизить нагрузки в пиковые часы, сгладить суточный график потребления и тем самым создать определенный запас мощности в существующей энергосистеме. В этом случае возникает достаточный резерв увеличения спроса при сохранении существующей сетевой инфраструктуры.
Для обеспечения повышенного спроса на электроэнергию энергоснабжающие компании отслеживают повышенный спрос и задействуют мощность
пз
дополнительных ресурсов, например, пиковых электростанций. При этом вовлечение дополнительных ресурсов генерации энергии требует больших капитальных вложений и оперативного расширения части компаний. Если для производства энергии применяют невозобновляемые источники, то они к тому же могут оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду.
Доля этих источников может быть сокращена путем выравнивания графика потребления электрической энергии (рис. 1). Теоретически добиться усреднения спроса можно за счет мотивации частных потребителей регулировать спрос на электроэнергию с последующим их поощрением. В этом состоит ключевая идея поддерживания умной сети: стимулировать потребителей снижать или увеличивать энергопотребление в соответствии с предложением в то или иное время суток. Реализация данной идеи возможна путем разработки системы ценообразования, а также
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
доступности энергии от собственных ветровых или солнечных электростанций. Это не только улучшит оперативную эффективность энергоснабжающих компаний, но также поможет избежать капитального инвестирования для генерирования дополнительной энергии, снизить зависимость от углеводородного топлива, что в итоге выливается в сокращение отрицательного влияния на окружающую среду.
Чтобы реализовать данное направление, требуется выполнение нового уровня интеллектуального управления в существующей сети с обратной коммуникацией между сетью и запросами клиентов, т.е. возникает необходимость в коммуникационной инфраструктуре и соответствующих протоколах. Это касается измерительных технологий и программного обеспечения, необходимых для информирования потребителя о текущем ценообразовании с тем, чтобы позволить им отрегулировать график нагрузки, который будет визуализироваться как задача составления расписания [1].
Неравномерность распределения нагрузки индивидуальных потребителей, наличие пиковых часов наряду с непостоянством производства энергии возобновляемыми источниками - одна из основных проблем распределенных сетей. Интеллектуальная сеть дает разнообразные возможности каждому потребителю через оптимальное управление электропитанием уравновесить энергию в системе, связанной с собственными источниками энергии, нагрузкой (потреблением) и хранением с использованием энергоемких батарей.
Рис. 2. Элементы распределительной электрической сети Fig. 2. Distribution network elements
Современная сеть состоит из следующих главных элементов (рис. 2): генерационная система, системы распределения электроэнергии (шины распределительных подстанций), системы передачи (воздушные и кабельные линии) и потребитель. Генерационная система состоит из совокупности разных источников, которые вырабатывают энергию.
Источники могут быть возобновляемые или нево-зобновляемые. Выработанная энергия системой трансмиссии передается от генерационной системы до системы распределения к потребителю. Одна из главных проблем для поставщиков энергии - это колебания в спросе на энергию. В такой ситуации принимается во внимание пиковое потребление и создается достаточный резерв энергии, чтобы удовлетворить повышенный спрос.
Подключение в качестве резервных невозобнов-ляемых источников энергии решает проблему удовлетворения спроса, но это мероприятие неэффективно вследствие того, что средняя требующаяся мощность чаще всего намного меньше, чем подключенная пиковая мощность. Кроме того, что эти электростанции неэкологичны, они также требуют и огромных капитальных и эксплуатационных затрат. Неиспользованная мощность должна либо идти на другие цели во время непиковых часов, либо отключаться, когда не используется. Поэтому перераспределение избыточного спроса на непиковые часы или на доступную энергию помогает достичь лучшего применения генератора и меньших источников энергии, что приводит к снижению стоимости электроэнергии для поставщика и нагрузки на окружающую среду.
Проведем анализ на основе типовых графиков и данных о потреблении электроэнергии обычными бытовыми приборами. В основном эти приборы имеют небольшую мощность и не все они могут быть перепрограммированы в соответствии с текущим спросом. Например, сложно представить, что кто-нибудь, нагревая пищу в микроволновой печи, должен будет отложить это занятие до полуночи, пока спрос не снизится, или ожидать, что кто-нибудь отложит использование кондиционеров воздуха на ночные часы в жаркий летний день. Однако из этих же данных видно, что некоторые мощные потребители, например, посудомоечные машины, нагреватели, стиральные машины и т.д., могут перепрограммироваться, чтобы включаться во время непиковых часов, например, после полуночи или ранним утром, когда общий спрос низкий.
Для эффективной работы интеллектуальных сетей необходима совокупность устройств, устанавливаемых в электрической сети и предназначенных для стабилизации напряжения, повышения управляемости, оптимизации потокораспределения, снижения потерь, повышения статической и динамической устойчивости, а в итоге - повышения пропускной способности сети и снижения потерь. После того, как установлены приборы, подлежащие перепрограммированию, делается следующий шаг - определяется спрос на уровне потребителя (узлы нагрузки), уровне распределительной системы (шины) и агрегационно-го спроса. Это потребует от потребителя установки специальной аппаратуры для получения непрерывной информации о текущем спросе. Распределенная интеллектуальная система призвана нормализовать распределение нагрузки среди потребителей. Узлы,
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
участвующие в процессе выравнивания мощности, взаимодействуют с изменением своей нагрузки и друг с другом с целью обеспечить передачу мощности от узла с высокой нагрузкой к узлу с низкой нагрузкой. Результатом такого перемещения является то, что узлы нормализуют свои нагрузки, создавая, таким образом, устойчивую систему.
Рассмотрим систему, показанную на рис. 2. Пусть Рген - генерируемая мощность, Рдоп - максимальная дополнительная мощность для удовлетворения избыточного спроса. Тогда общая мощность, к которой генерационная система имеет доступ, будет равна
Р = р + р (1)
ген доп
Предположим вначале, что генерационная система не нуждается в источниках дополнительной мощности. Пусть имеется п систем распределения и т потребителей, подключенных каждый к своей системе распределения. Пусть Р, - мощность 1-й системы распределения и Р / - это часть мощности /-го потребителя, соединенного с системой распределения •. Поэтому
п п т
Рген=ЕрР. (2)
,=1 ,=1 /=1
В этом случае, чтобы не было превышения доступной мощности, необходимо обеспечить баланс между генерируемой мощностью и мощностью нагрузки, т. е. привести в соответствие спрос и предложение. А далее следует еще одна задача - благоприятное размещение ресурсов. Задача решается путем составления оптимального расписания включения
п т
приборов потребителей без превышения ^^Р//.
•=1 /=1
Одним из критериев оптимизации алгоритма расписания может являться количество первичных энергоресурсов, требуемых для производства единицы энергии. Так как фактор влияния на окружающую
среду энергии, произведенной от сжигания твердого топлива, учитывается в общей стоимости электроэнергии, прежде всего при больших пиковых нагрузках, то есть смысл также сдвигать потребление электроэнергии к периодам времени, когда возобновляемые источники имеют более высокое процентное соотношение в общей генерации. В данной схеме индивидуальные потребители должны быть готовы предоставить свои приборы, для которых нужно составить расписание согласно требованиям по потреблению низкоуглеродистого топлива (от возобновляемых источников энергии), используя непрерывные данные о потреблении электроэнергии. Когда будут задействованы все возобновляемые источники, остаток спроса может удовлетворяться за счет других ресурсов, начиная с тех, которые для производства энергии требуют наименьшего количества природного топлива.
Другим оптимизационным критерием может служить сокращение стоимости энергии при использовании самых доступных и дешевых ресурсов. Здесь главная цель - сократить стоимость электроэнергии за счет оптимального размещения ресурсов для потребителей, которые включают выбранные приборы в то время, когда стоимость электроэнергии минимальная. В этом случае большие пиковые нагрузки должны перераспределятся на непиковые периоды, так как стоимость энергии в это время самая низкая. Эти две опции расписания могут накладываться друг на друга, так как стоимость углеводорода для производства энергии меньше, когда потребление сокращено во время непиковых часов и процентное соотношение возобновляемых источников в общей генерации наиболее высокое. Таким образом, комбинация обеих опций расписания может использоваться для оптимального соотношения между низкой ценой на электроэнергию и меньшим влиянием на окружающую среду.
с о
с
Рис. 3. Процесс взаимодействия между элементами сети Fig. 3. The interaction between the network elements
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
На рис. 3 изображено взаимодействие между системой управления энергией (СУЭ), агрегатной потребительской нагрузкой, электростанцией и резервным источником, когда в умной сети обнаруживается пик потребления мощности. При возникновении такого события система управления энергией посылает своим клиентам запрос о расписании, чтобы спрос соответствовал доступному предложению путем повторного распределения (переноса) некритических нагрузок на непиковые периоды. Если спрос на энергию после перераспределения все еще выше размещенного заказа на энергию, СУЭ высылает запрос к электростанции о повышении ее производительности на величину, равную разнице между повторно распределенным спросом на энергию и бюджетом СУЭ. Если окажется, что запрошенная дополнительная мощность больше, чем доступная мощность генерации ЭС, то запрос посылается в резервные источники, чтобы удовлетворить спрос клиентов на энергию СУЭ [2].
Если после повторного распределения клиентская нагрузка стала меньше, чем бюджет, размещенный в СУЭ, то электростанции посылается запрос о снижении производительности и консервации энергии. Это гарантирует лучшее размещение ресурсов генерации по сравнению с обычной сетью распределения энергии путем простой смены спроса на энергию до периодов низкого спроса.
Если все же невозможно удовлетворить весь спрос, то энергоснабжающая компания прибегает к контролируемому частичному отключению нагрузки с учетом важности и ответственности потребителей. Вопрос решается, исходя из категории потребителей по надежности электроснабжения и минимума ущерба для остальных. Разные клиенты будут иметь разные предпочтения и приоритеты в зависимости от их ролей в сети. Согласно приоритетам клиенты группируются в разные классы обслуживания по времени регистрации - инициации сервиса. Такая концепция сервиса на основе классов помогает улучшить надежность сети и дифференцировать сервисы клиентам во время событий выхода из строя. Например,
больницы или экстренные службы никогда не должны испытывать перерывов в электроснабжении, в то время как возможные сервисы других менее ответственных клиентов могут быть оставлены без внимания. На таких объектах последующий спрос необходимо снизить, с тем, чтобы предотвратить выход из строя работающего оборудования, которое в больнице должно быть самым последним в очереди на пересоставление расписания. С другой стороны, некритическая нагрузка в больнице может быть перерасписана как самая последняя мера, чтобы избежать полного отключения электроэнергии.
Составитель расписания должен отсоединять нагрузки согласно сервисным классам, приписанным к ним во время выведения нагрузки. Потребитель в каждом классе обслуживания может самостоятельно придать очередность работы своим приборам согласно их предпочтениям, что поможет составителю расписания принимать решения по расписанию для клиентов. Чтобы не допустить отказа приборов, автоматически происходит перерасписание некритических нагрузок в самом низком приоритетном классе обслуживания. Таким образом, с помощью сервис-классов и дифференциации типов потребителей обеспечивается качество сервиса [3].
Список литературы
1. Четошникова Л.М., Смоленцев Н.И., Четошников С.А. Процесс управления мощностью в распределенной интеллектуальной сети // Электрика. 2011. № 7. С. 6-9.
2. Fan Z., Kalogridis G., Efthymiou C., Sooriyabandara M., Serizawa M., and McGeehan J. "The New Frontier of Communications Research: Smart Grid and Smart Metering," in ACM E-Energy Conference, Passau, Germany, Apr. 2010.
3. Gormus S., Kaleshi D., McGeehan J., and Munro A. "Performance comparison of cooperative and non-cooperative relaying mechanisms in wireless networks," in IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Las Vegas, USA, Apr. 2006.
ГХП - TATA — IXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
