АРХИТЕКТУРА ИНТЕРНЕТА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
ИГОРЬ ЧАУСОВ
ВЕДУЩИЙ АНАЛИТИК ЦЕНТРА РАЗВИТИЯ ЦИФРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ФОНДА ЦСР СЕВЕРО-ЗАПАД
ОСТРОВ 10-21. ВЛАДИВОСТОК, ОСТРОВ РУССКИЙ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕНСИВ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИДЕРОВ
Современная энергетика стремительно меняется: западные страны захватил «энергетический переход» к зеленой децентрализованной энергетике, развивающиеся рынки — электрификация на основе распределенной энергетики. Эти изменения бросают той энергетике, которую мы знаем, вызов: они делают ее неэффективной. Вернуть энергосистемам потерянную эффективность сможет только интернет распределенной энергетики. Как создавать энергосистемы с возможностью присоединения plug&play? Какими должны быть peer-to-peer энергетические рынки? Мы ответим на эти вопросы и расскажем о том, как проектировать энергосистемы в подходе интернета распределенной энергетики — архитектуры энергосистем будущего.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Ваша задача —- произвести вычисления (обновление шага эволюции «вселенной») максимально быстро. Для каждой клетки, нужно посмотреть на окружение, сделать простейшие вычисления (порядка десятка операций сложения и сравнения) и дать ответ. Если у нас поле 1,000×10,000 (т. е. 10 млн клеток), то компьютеру нужно будет произвести 100 млн операций, что можно легко сделать за 1 секунду на одном ядре процессора современного ноутбука. А если наша вселенная состоит 100,000×100,000 клеток? Тогда, чтобы насладиться игрой, без силы параллелизма вычислений нам не обойтись. Делается это очень просто, мы просто делим нашу вселенную на части (с небольшим нахлестом, чтобы для каждой клетки можно было получить окружение) и каждую часть вселенной обсчитываем отдельным ядром (CPU core). Чем больше ядер, тем быстрее будут вычисления? Да, но есть нюанс. С добавлением одного ядра в систему, где раньше было только одно вычислительное ядро, система не будет работать в 2 раза быстрее.
Наиболее значимыЕ вызовЫ развития электроэнергетики СЕГОДНЯ
Изменение характера спроса потребителей: рост разнообразия этих требований и переход к «цифровому» спросу
Падение эффективности: низкая загрузка имеющихся сетевых и генерирующих мощностей и рост издержек работы энергосистем
«Энергетический переход» (декарбонизация, децентрализация, дигитализация): быстрое распространение ВИЭ, распределенной энергетики, новых бизнес-моделей и сервисов, базирующихся на использовании цифровых технологий
Освоение незаселенных и инфраструктурно неразвитых территорий: потребность в эффективном энергоснабжении удаленных и изолированных территорий
Энергосистема, построенная по новой архитектуре, должна стать:
Трансакционной
Экономическое взаимодействие между пользователями должно осуществляться на основе p2p-трансакций, позволяющих реализовать многообразие пользовательских ролей и сервисов, предоставляющих им кастомизированные ценности
Интеллектуальной
Должна быть обеспечена легкость интеграции (plug&play) энергетических устройств пользователей в контуры роботизированного управления различных сервисов
Устойчивой и гибкой
Должна быть обеспечена легкость технического соединения устройств с сетью по принципу plug&play при гарантированном поддержании статической и динамической устойчивости работы системы с большим количеством виляющих друга на друга устройств пользователей
Интернет энергии — тип децентрализованной электроэнергетической системы, в которой реализовано интеллектуальное распределенное управление, осуществляемое за счет энергетических трансакций между ее пользователями
Общепринятым является описание «энергетического перехода» в терминах «3-D»: декарбонизации, децентрализации и дигитализации:
Decarbonization («декарбонизация»)
Переход к экологически чистой «безуглеродной» (не сопровождающейся выбросами парниковых газов, в частности диоксида углерода) экономике и энергетике
Decentralization («децентрализация»)
Переход к территориально распределенной электроэнергетике с большим числом разноуровневых генераторов и потребителей
Digitalization («дигитализация»)
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 устройств конечных, в том числе бытовых потребителей электроэнергии, что обеспечивает возможность реализации интеллектуального управления энергосистемами, основанного на межмашинном (M2M, IoT) взаимодействии
Отличительные черты Интернета энергии
1
Децентрализованный характер энергосистемы, в которой на уровне распределительных сетей присутствует как большое число распределенных потребителей, так и большое число распределенных производителей электроэнергии
2
Наличие двунаправленных потоков мощности и возможности динамического изменения пользователями роли в энергосистеме
3
Наличие между электроэнергетическим оборудованием не только электрических связей и взаимодействия, обеспечиваемых электрическими сетями, но также информационных связей и взаимодействия
4
Реализация полностью децентрализованного интеллектуального управления, которое осуществляется за счет межмашинного (М2М) взаимодействия
5
Наличие децентрализованного рынка, на котором заключаются peer-to-peer контракты как на куплю-продажу электроэнергии, так и на оказание системных услуг
6
Реализация всех процессов и управление ими при помощи прямых трансакций между пользователями
Рисунок 1. Концептуальная модель интернета энергии как «облачной энергетики» (Energy Cloud)

Источник
Рисунок 2. Энергетическая трансакция в интернете энергии (Internet of Energy)

Источник
Типы энергетик стран по обобщенным требованиям к энергосистемам
Тип экономики
Тип урбанизации (группа экономик)
Урбанистическое общество
Руралистическое общество
Постиндустриальная экономика
Развитая экономика
Учет большого разнообразия динамически меняющихся требований пользователей
к экологичности, качеству и надежности энергоснабжения наиболее экономичным из доступных способов. Обеспечение сетевой связности в энергосистеме
Учет большого разнообразия динамически меняющихся требований пользователей
к экологичности, качеству и надежности энергоснабжения наиболее экономичным из доступных способов. Обеспечение высокой автономности энергоснабжения
Индустриальная экономика
Развивающаяся экономика (слабое развитие)
Доступность и низкая стоимость энергоснабжения для растущего энергопотребления с высокой централизацией потребителей
Доступность и низкая стоимость автономного энергоснабжения
для растущего энергопотребления
Индустриальная экономика
Развивающаяся экономика (среднее развитие)
Высокая доступность и надежность энергоснабжения для растущего энергопотребления с высокой централизацией потребителей
Высокая доступность и надежность энергоснабжения для растущего энергопотребления в изолированных энергосистемах
Аграрная экономика
Развивающаяся экономика (слабое развитие)
Доступность и низкая стоимость энергоснабжения
при высокой централизации потребителей
Доступность и низкая стоимость автономного энергоснабжения
Из приведенной классификации, как обобщение, следуют три профиля задач на построение электроэнергетики ближайшего будущего, которые должны удовлетворяться вариантами реализации интернета энергии:
1
Энергетика для неосвоенных территорий
Доступное дешевое энергоснабжение
2
Энергетика для урбанизации и индустриализации
Надежное энергоснабжение с приемлемым качеством
3
Энергетика для «цифрового» общества
Экологически чистое энергоснабжение с высоким и дифференцированным качеством
Интернет энергии представляет собой систему систем (System of Systems, SoS), архитектура которой строится на особом объединении трех систем:
Transactive energy (TE)
Системы формирования, контроля исполнения и оплаты смарт-контрактов
Internet of Things (IoT)
Системы межмашинного взаимодействия и обмена управляющими воздействиями между энергетическими ячейками и энергетическим оборудованием
Neural Grid (NG)
Системы режимного управления, поддержания баланса мощности и обеспечения статической и динамической устойчивости энергосистемы
иРисунок 3. Архитектура Интернета энергии как системы систем: границы систем и взаимодействия между ними

Источник
TRANSACTIVE ENERGY (TE)
INTERNET OF THINGS (IoT)
NEURAL GRID (NG)
Системы формирования, контроля исполнения и оплаты смарт-контрактов Transactive energy (TE): назначением системы TE является формирование, заключение, контроль исполнения и оплата смарт-контактов. Компонентами этой системы являются:
Цифровые образы пользователей — аватары
Другие системные приложения, обеспечивающие работоспособность и безопасность работы системы
Счета с размещенными на них финансовыми активами в цифровой форме (токенами) — цифровые кошельки
Платформа трансакций — цифровая среда взаимодействия аватаров друг с другом и с приложениями
Человеко-машинные интерфейсы аватаров и цифровых кошельков с пользователями
Интерфейсы с пользовательскими приложениями, позволяющие этим приложениям взаимодействовать на платформе трансакций с аватарами и системными приложениями системы TE
Информационные интерфейсы, обеспечивающие связь системы ТЕ с средствами измерения, стоящими в точках присоединения энергетических ячеек на их границах с электрическими сетями
Системное приложение, обеспечивающее конвертацию результатов измерений физических величин, характеризующих работу энергетических ячеек и энергетического оборудования в токены
Рисунок 4. Функциональная схема системы Transactive Energy.

Источник
Системы межмашинного взаимодействия и обмена управляющими воздействиями между энергетическими ячейками и энергетическим оборудованием Internet of Things (IoT): назначением системы IoT является обеспечение межмашинного взаимодействия между системами управления энергетическим оборудованием, в том числе различными силовыми преобразовательными устройствами, при помощи которых энергетическое оборудование пользователей интегрировано в электрические сети, а также системами управления нагрузкой. Компонентами системы IoT являются:
Цифровые интерфейсы с системами управления различным энергетическим оборудованием — силовыми преобразовательными устройствами, через которые в электрические сети интегрирована генерация и накопители, — а также управляемой нагрузкой
Собственные системные приложения, обеспечивающие работоспособность и надежность системы, в том числе встроенные и реализованные в логике IoT системы энергетического управления (EMS)
Цифровые интерфейсы со средствами измерения, необходимые для получения актуальных данных о параметрах режима
Информационные интерфейсы с пользовательскими приложениями
Различные сенсоры, необходимые для получения информации, не являющейся данными о параметрах режима электропередачи, но необходимой для экономического и технического управления пулами энергетического оборудования
IoT платформа — цифровая среда взаимодействия приложений, систем управления оборудованием, сенсоров и актуаторов друг с другом
Различные актуаторы, необходимые для поддержки управления пулами энергетического оборудования, но не являющиеся системами управления этим оборудованием
Рисунок 5. Функциональная схема системы Internet of Things (IoT)

Источник
Назначением системы NG является обеспечение статической и динамической устойчивости энергосистемы на всех необходимых уровнях: как внутри энергетических ячеек, так и на уровне сети энергетических ячеек. Обеспечение статической и динамической устойчивости энергосистемы и поддержание режима передачи электроэнергии реализуется за счет интеллектуального регулирования первичного баланса мощности в энергосистеме. Особенно актуальной эта задача становится в том случае, если локальная энергосистема изолирована от централизованной энергосистемы или имеет с ней только слабую связь. Компонентами системы NG являются:
Силовые интерфейсы (преобразователи) с автономными системами управления, обеспечивающие интеграцию генерирующих устройств как традиционных, так и на основе ВИЭ
Силовые интерфейсы с электрической нагрузкой
Опорно-балансирующий накопитель с силовыми преобразователем и специальной интеллектуальной автономной системой управления
Рисунок 6. Функциональная схема системы Neural Grid (NG)

Источник
Структурное описание архитектуры Интернета энергии
Интернет энергии — совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих по специальным протоколам систем TE, IoT и NG. Группы (пулы) электроэнергетического оборудования пользователей интернета энергии, имеющего общую точку присоединения к электрическим сетям и информационным каналам, обеспечивающим связь с интернетом энергии, образуют энергетическую ячейку. Интернет энергии представляют собой сеть энергетических ячеек.
Рисунок 7. Энергетическая ячейка и типы ее элементов

Источник
Типология энергетических ячеек
Маневренность (роль)
Гибко управляемая величина потока мощности
Неуправляемая или управляемая в недостаточно широком диапазоне величина потока мощности
Генератор электрической энергии (поток только положительный — исходящий)
Маневренный генератор
Стохастический генератор
Генератор и потребитель (поток может быть как положительным, так и отрицательным — исходящим или входящим)
Просьюмер
Потребитель электрической энергии (поток только отрицательный — входящий)
Активный потребитель
Пассивный потребитель
Вывод
Архитектурными принципами построения интернета энергии являются:
1
Децентрализованный характер энергосистемы интернета энергии
2
Реализация всех процессов и управление ими при помощи прямых трансакций между пользователями
3
Построение энергосистемы как сети гальванически развязанных ячеек
4
Стремление к формированию и поддержанию локальных балансов мощности и самостоятельной балансировки системы на всех уровнях
5
Реализация двунаправленных потоков мощности между пользователями
6
Динамическое изменение пользователями роли в энергосистеме
7
Наличие между электроэнергетическим оборудованием не только электрических связей и взаимодействия, обеспечиваемых электрическими сетями, но также информационных связей и взаимодействия
8
Реализация полностью децентрализованного интеллектуального управления
9
Реализация управления за счет межмашинного взаимодействия
10
Наличие децентрализованного рынка, на котором заключаются peer-to-peer контракты
11
Наличие связей и взаимодействия с централизованной энергосистемой и ее субъектами, при которых обеспечивается оптимальное для пользователей сочетание традиционной централизованной и распределенной энергетик
новые технологии, важные для реализации
Интернета энергии
Полина Ларионова
Специалист по наукоемким проектам АНО «Институт Шифферса»
В развитии практик интернета энергии большое значение будут играть новые технологии превращения электроэнергии в топливо или ценные химические продукты. Эти технологии принято объединять под общим названием power-to-X. Электрическая энергия при наличии доступного сырья, например, воды или извлекаемого из воздуха азота, может быть превращена в водород, аммиак и даже в синтетический метан и другие углеводороды. Технологии таких превращений позволяют получать из невостребованной электроэнергии топливо для транспорта и сырье для химической промышленности, при этом используя производство этих продуктов для регулирования и повышения эффективности работы энергосистем.
Ирина Кузьмина
Менеджер проектов инженерной школы (факультета) Московского Политеха
Накопители электроэнергии — ключевая технология для обеспечения «гибкости» в энергосистемах, позволяющая существенно повысить эффективность использования генерирующих и сетевых мощностей за счет управления профилем потребления электроэнергией в системе. Кроме того, эта технология может использоваться для первичного и вторичного регулирования частоты, интеграции
ВИЭ в электрические сети, в качестве источников бесперебойного питания, для аварийного резервирования. Многофункциональность — важная особенность технологий накопления энергии, улучшающая экономику их применения. С применением систем накопления электроэнергии будут связаны такие новые практики в подходе интернета энергии, как управление спросом (demand response), «виртуальные электростанции», р2р-рынки и быстрые зарядки электромобилей с режимом V2G, в котором электромобили смогут выдавать электроэнергию в сеть.
Илья Бурдин
Аналитик Центра развития цифровой энергетики Фонда «ЦСР Северо-Запад»
Одна из самых сложных задач, которую решит интернет энергии, — это plug&play-сборка и масштабирование автономных энергосистем, в которых основные источники энергии подключены к сети через инверторы. Практически все ВИЭ, накопители энергии, многие современные дизель-генераторы присоединяются к сетям именно так, поскольку являются изначально источниками постоянного тока.
Проблема с такими сетями с электронной генерацией — поддержание их устойчивости, без которой сеть «развалится», генераторы и потребители отключатся. В архитектуре интернета энергии IDEA за обеспечение устойчивости отвечает система Neuro Grid. Для ее построения нужна современная преобразовательная техника и технологии систем управления ею. Эта техника — энергетические роутеры, энергетические хабы и порты — будет управлять перетоками мощности между энергетическими ячейками, обеспечивать опорное напряжение, поддерживать баланс мощности внутри ячеек. Но эта техника не сможет нормально работать и подключаться к сетям без новой теории управления устойчивостью, которая будет построена не на простом переносе моделей и принципов управления из современной энергетики электрических машин, но и начнет учитывать особенности работы инверторов.
Другим важным для интернета энергии направлением развития и применения преобразовательное техники являются сети постоянного тока. Переход на постоянный ток обещает интересные экономические эффекты и существенное упрощение построения микрогридов с разнородной генерацией.
МАТЕРИАЛЫ
Доклад Центра стратегических разработок, посвященный перспективам развития электроэнергетики в России
Доклад Московской школы управления Сколково
#энерджинет #интеллектуальнаяэнергетика #распределеннаяэнергетика #блокчейн #интернетвещей
Больше лонгридов и заданий доступны при записи на курс