Предыстория создания систем "умного" энергопотребления
Концепция системы управления энергопотреблением дома (HEMS) берет свое начало в 1990 году в процессе разработки концепции "умного дома". Первоначально это приложение предназначалось для того, чтобы облегчить пользователям работу с некоторыми бытовыми приборами и управление ими таким образом, чтобы они могли работать автоматически и оптимально. Кроме того, пользователи могут добиться более комфортных условий в помещении или окружающей среде, которые соответствуют их предпочтениям. В приложении "умный дом" будет сформировано взаимодействие между пользователями с их бытовой техникой, благодаря чему устройствами можно будет управлять и программировать их в интерактивном режиме, как напрямую, так и дистанционно. Таким образом, эти приборы могут работать автоматически, многофункционально, гибко и эффективно. Для этого приложение "умный дом" дополнено несколькими технологиями, такими как датчики, контроллеры, средства связи и языки программирования. В соответствии с развитием технологий, появление экологических проблем и связанных с ними нормативных актов стимулирует применение "умного дома" не только для обеспечения комфорта и удобства, но и для достижения энергоэффективности. После этого приложения для "умного дома" эволюционировали благодаря развитию возможностей мониторинга энергопотребления в целях достижения экономии. По результатам исследований, мониторинг энергопотребления позволит психологически изменить поведение потребителей бытовой техники, что позволит сэкономить до 30%. Использование интеллектуальных счетчиков и AMI помогает в наблюдении за потреблением энергии. Предоставляя обратную связь о сумме затрат, которые должны быть потрачены на энергопотребление, пользователи будут больше задумываться о своем энергопотреблении, если они возражают против этого. Существует несколько методов информационной обратной связи, связанных с этой технологией интеллектуального учета. В соответствии с его функцией, связанной с управлением энергией, появляется производная от приложения "умный дом" - применение системы управления домашней энергией (HEMS), которая управляет энергопотреблением домохозяйств, тем самым снижая пиковые расходы на электроэнергию и электропотребление. Приложение HEMS оснащено возможностью сбора данных, обработки данных, представления данных и подготовки интерактивной работы с пользователем, чтобы иметь возможность осуществлять управление энергопотреблением. Таким образом, он может предоставлять обратную связь в режиме реального времени, ежедневно, еженедельно или ежемесячно. Развитие технологии HEMS можно сгруппировать в несколько категорий: технология интерфейса, интеллектуальная программно-аппаратная платформа. Некоторые исследования, связанные с разработкой HEMS, проводятся с использованием сенсорных технологий, устройств связи, накопителей энергии, интеллектуальных счетчиков, интеллектуальных бытовых приборов и самого приложения HEMS.
Растущий спрос на электроэнергию стимулирует развитие электроэнергетических технологий, особенно в крупных городах, где наблюдается быстрый рост населения, а также рост промышленности. Возрастающая потребность в электрической энергии, ведущая к созданию распределительной электросети, усложняется, что приводит к распределенному производству электроэнергии как альтернативной генерации. Смарт-сеть - это "умная" электрическая сеть, начинающаяся с генерации, передачи и распределения электроэнергии. Технология "умных сетей" объединяет энергосистему с вычислительной техникой, искусственным интеллектом и коммуникациями, что делает энергосистему более рациональной для получения более качественной и экономичной электроэнергии. Одной из возможностей, предлагаемых технологией "умных" сетей, является возможность "умного" учета, позволяющего получать информацию об объеме потребления электроэнергии домохозяйствами и технологии самолечения при возникновении проблем в сети либо в результате технических проблем, саботажа или стихийных бедствий, с целью повышения надежности сети. В технологии "умных" сетей концепция производства электроэнергии меняется с централизованной на распределенную и позволяет потребителям стать производителями. При поддержке вычислительных и коммуникационных технологий потребители могут участвовать в схемах работы энергосистемы через приложения HEMS в качестве одного из субъектов интеллектуальной сетевой системы на потребительском уровне. В схемах "умных" сетей с помощью приложений HEMS потребители могут участвовать в повышении надежности энергосистем.
Наличие электромобиля в схеме "умной" электросети, подключенной к приложению HEMS, может эффективно способствовать сбалансированности спроса и предложения путем заполнения спадов и пиков бытовых нагрузок.
HEMS В рамках "умной" сети.
В рамках "умной" сети приложение HEMS разработано не только для управления энергопотреблением в домохозяйствах, но и для управления энергоснабжением, как от поставщика электроэнергии, так и от собственных источников, таких как альтернативные источники энергии через солнечную или ветровую электростанции. Конфигурация ВЭМС состоит из бытовых нагрузок, которые делятся на плановые и внеплановые нагрузки, аккумулирование энергии, альтернативные источники энергии, подключения к сети, электромобили и системы управления HEMS, поддерживаемые коммуникационными технологиями и интеллектуальным счетчиком.
HEMS в интеллектуальных сетях
Приложение HEMS осуществляет управление временем работы нагрузки, особенно для плановых нагрузок, с целью получения минимальных эксплуатационных затрат на использование электроэнергии. В системе HEMS выходная мощность вырабатывается из альтернативного источника энергии, а не используется для питания бытовой нагрузки, поэтому ее также можно хранить в накопителях энергии и электромобилях или подавать в сеть. Наличие электромобилей не только способствует использованию экологически чистых транспортных средств, но и служит для аккумулирования энергии; кроме того, само транспортное средство может использоваться для обеспечения и поддержания надежности энергии, вырабатываемой из электросети. В некоторых регионах применяются максимальные ставки нагрузки и льготные тарифов. Это привело к исследованиям, направленным на минимизацию затрат на оплату потребления электроэнергии. В целом, исследование, связанное с развитием HEMS, можно сгруппировать по следующим направлениям: проблемы планирования, автоматизации и управления, коммуникационный аспект и система HEMS. Научно-исследовательские разработки, связанные с вопросами планирования, можно разделить на моделирование и оптимизационные исследования. Исследование моделирования по графику поднимает проблемы моделирования нагрузки, схемы ценообразования, прогнозирования нагрузки и уровня комфорта. Оптимизационное исследование использует эвристический и неэвристический подходы. Некоторые эвристические алгоритмы, разработанные для решения задач оптимизации планирования, включают PSO, GA, поиск табу и нейронные сети. При неэвристической оптимизации, в том числе с использованием LP и NLP. Исследование по коммуникационным технологиям направлено на выявление соответствующей топологии и средств коммуникации для использования в HEMS
Архитектура связи в системе HEMS называется домашней вычислительной сетью (HAN), которая используется для сбора информации от каждого компонента системы HEMS, начиная от бытовых приборов, источников энергии и заканчивая системами хранения энергии.
Разработка методов измерения в системе HEMS направлена на "умное" измерение. С развитием коммуникационных технологий и микропроцессорной обработки данных измерительные устройства стали более интеллектуальными.
Инфраструктура энергосистемы в "умных" сетях.
В традиционной энергосистеме централизованные электростанции вырабатывают основную массу электроэнергии, которая поставляется потребителям через однонаправленную систему передачи и распределения, называемую сетью. Традиционная крупномасштабная генерация - это поставка электроэнергии, которая затем распределяется между потребителями; в то же время интеграция распределенной генерации осуществляется как на оптовом, так и на распределительном и потребительском уровнях
Сегодня эксплуатация системы генерации электроэнергии необходима для удовлетворения спроса потребителей на электроэнергию. Однако он должен учитывать и другие аспекты, такие как окружающая среда, качество выходной мощности и финансы.
Инфраструктура энергосистемы в "умной" сети поддерживается технологиями связи и обработки данных. Это позволяет генерирующей стороне контролировать более запланированную выработку электроэнергии за счет "умной" сети не только информации, но и электроэнергии, обмен которой может осуществляться двумя способами. Между тем в традиционной энергосистеме генераторной системы энергия распределяется по системе передачи и распределяется между потребителями по распределительным сетям. В интеллектуальных сетях электроэнергетические системы состоят из распределенной генерации. В "умных" сетях потребители могут также выступать в качестве производителей электроэнергии для производства электроэнергии и ее подачи в сеть. Интеллектуальная инфраструктура включает в себя интеллектуальную энергетическую подсистему, интеллектуальную информационную подсистему и интеллектуальную коммуникационную подсистему. Подсистема интеллектуального энергообеспечения управляет механизмом производства, распределения и потребления электрической энергии. Подсистема интеллектуального информационного обмена отвечает за обмен информацией, связанной с измерением, мониторингом и управлением работой интеллектуальных сетевых систем. Между тем, подсистема интеллектуальных коммуникаций решает вопросы инфраструктуры связи для обмена данными между интеллектуальными сетевыми системами, устройствами и приложениями, связанными с интеллектуальными сетями. Интеллектуальная система управления осуществляется с использованием объектов интеллектуальной инфраструктуры для достижения целей, связанных с повышением энергоэффективности, балансом спроса и предложения, контролем выбросов, снижением эксплуатационных расходов и максимизацией энергосистем. Интеллектуальная система защиты представляет собой подсистему в "умных" сетях, которая обеспечивает расширенный анализ надежности сети, защиту от сбоев, а также услуги по обеспечению безопасности и конфиденциальности.
Вывод
Вклад приложения HEMS в схему "умных" сетей в повышение надежности энергосистемы осуществляется через программу управления спросом. В данной программе реализуется один из них с реагированием на спрос и повышенной надежностью энергосистемы. Проникновение электромобилей в схему "умных" сетей может также повысить надежность энергосистем за счет умных систем управления. Вклад HEMS в интеллектуальную электросетевую систему может улучшить показатели потерь электроэнергии и профиль напряжения; одно из исследований показало, что колебания напряжения в результате больших возмущений могут быть снижены до пяти раз.
