Современные цифровые технологии, которые пришли в энергетику, сделали процесс управления энергопотреблением более гибким в области производства, распределения, хранения, преобразования и потребления энергии. Для эффективной работы систем управления энергией за последние годы были разработаны ряд стандартов для глобальных систем управления энергией и протоколов, а также интерфейсов передачи данных для локальных уровней систем менеджмента электропитания, которые позволяют обмениваться данными между конечными потребителями энергии, системами хранения и генераторами (питающей линией), а также самой системой управления энергией, координирующей работы всех перечисленных частей.
Грамотное управление энергопотреблением должно происходить одновременно на нескольких уровнях:
- Локально — в рамках здания или производства. Здесь учитываются режимы работы локальных нагрузок (лифты, освещение, насосы, зарядная станция электромобиля...) или генерирования электроэнергии местной фотоэлектрической установкой.
- Глобально — на этом уровне мелкие локальные нагрузки практически незаметны, но начинают уже играть роль графики потребления крупных объектов (тех же самых зданий), объёмы промышленной генерации энергии, социальные и организационные факторы.
Попробуем понять, как современные технологии могут управлять и снижать нагрузку на электрические сети в глобальном масштабе.
На рисунке 1 мы видим типичное частное домохозяйство с системой управления энергосбережения. Здесь же мы видим границу между локальной системой управления энергией S2 (внутри здания) и глобальной системой управления энергией S1 (внешняя сеть, генерация, подстанции).
Область S1
Внешняя энергосистема задаёт локальной системе управления частным домом контрольную информацию (например, цены на электроэнергию или приоритет нагрузок) определяя тем самым границы, в рамках которых локальная система управления энергией может оптимизировать работу управляемых её нагрузок. Например, из области S1 может регулироваться выделяемая мощность на зарядку электротранспорта или режим внешнего освещения улицы.
Область S2
Локальная система управления электроэнергией имеет несколько другие цели и функции. На этом уровне главное: оптимизация затрат, баланс между генерируемой и потребляемой энергией, перераспределение энергии с одного потребителя на другого или отработка каких-либо пользовательских программ и режимов работы.
Перечислим некоторые возможные варианты использования локальной системы управления энергоснабжением:
- Перераспределение объёмов потребляемой энергии по времени с целью оптимизации затрат. В зависимости от времени действия тарифов (например, снижения стоимости киловатт-часа на 30% после 23:00) может быть сдвинуто время включения нагрузок с целью снижения общей стоимости потреблённой энергии.
- Увеличение стабильности глобальной сети в целом и снижение потерь за счёт перераспределения излишних мощностей, генерируемых в одной точке сети, потребителям в другой точке сети. Одним из примеров может быть, направление излишней энергии, полученной с фотоэлектрических панелей в одном домохозяйстве и не находящей локального применения, потребителю в другом домохозяйстве, там, где в данный момент есть потребность в дополнительных мощностях.
Локальную систему управления электроэнергией можно рассматривать как часть глобальной системы. Например, в случае улицы или небольшого посёлка частных домохозяйств, объединённых в одну группу. В локальной системе, управляется каждый конечный элемент сети — каждая розетка, вентилятор, бойлер или зарядная станция для электромобиля. В глобальной системе управления энергией, как правило, управляются не конечные элементы, а типы нагрузок — может быть снижено освещение в районе в целом, увеличена мощность зарядных станций для электромобилей или отключены бойлеры во всём районе. Кроме того, может быть вариант управления выделяемыми объёмами электроэнергии для каждого из домохозяйств. Из чего состоит локальная система управления электроэнергией?
CEM (Customer Energy Manager) — (частная система управления энергией) как правило состоит из центрального блока / головного устройства, которое по заданному алгоритму координирует работу всех подключённых к сети нагрузок. Чаще всего такие нагрузки разбиты на типы нагрузок. Это могут быть генераторы, аккумуляторы (системы хранения энергии) вентиляция, отопление, освещение, медиаустройства. Основные задачи, которые решает локальная система управления энергией:
- Оптимизация энергопотребления частным домохозяйством.
- Координация работы с глобальной системой управления энергией S1.
- Управление нагрузками внутри и снаружи здания — классические функции «умного дома».
Для того чтобы вышеописанная глобальная система перераспределения энергии смогла заработать, необходимы её составные элементы — локальные объекты генерирующие, потребляющие, управляющие энергией и обменивающиеся друг с другом технической информацией на основе общих стандартов и протоколов. При создании сети таких локальных систем важны три основных момента:
- Организация
Система должна иметь чётко сформированную конфигурацию, позволяющую идентифицировать всех её участников, как потребляющих, так и генерирующих электроэнергию.
- Координация
Получение технической информации из локальных систем управления электроэнергией и, при необходимости, трансляция инструкций в них. Эта функция, помимо решения чисто административных задач, предоставляет локальным системам данные для реализации ими алгоритмов работы, сформированными конечными пользователями (снижение расходов, оптимизация потребления). Кроме того, эта функция позволяет осуществлять прямое управление подключёнными нагрузками, такими как зарядная станция для автомобилей, работу которых необходимо координировать в рамках глобальной сети.
Координация работы локальных систем и обмен информацией между ними, позволят строить прогноз общего производства и потребления в рамках всей глобальной сети. Данные по производству и потреблению электроэнергии можно представить в виде таблицы пар значений имеющихся и необходимых мощностей в каждый момент времени. Суммирование значений такой таблицы за определённый период дает общую потребность в энергии или допустимый для перераспределения её избыток. По каждому из домохозяйств.
В качестве примера можно привести стиральную машину, программа стирки которой состоит из ряда этапов различной длительности и с различным энергопотреблением. Трансляция стиральной машиной такой информации в виде данных о планируемых уровнях потребления и их длительностях (времени начала стирки, нагреве, полоскании, отжиме) поможет локальной системе управления энергией спрогнозировать предстоящую потребность в электроэнергии, запасти её в батареях, выдать в нужный момент в сеть или передвинуть цикл стирки на время с более дешёвым тарифом.
- Оптимизация
Оптимизация потоков энергии, получаемой и отдаваемой каждым из участников глобальной сети является её основной целью и зависит в большей степени от уровня вовлечённости в общий энергооборот каждой локальной системы управления энергией чем от используемых стандартов или протоколов передачи данных. Инструкции, передаваемые глобальной системой управления электроэнергией локальным системам, могут снижать потенциально достижимый уровень оптимизации потребления энергии.
Примером может является ограничение глобальной системой управления энергией объёма энергии, выделяемой зарядным устройства. Выполнив такую внешнюю инструкцию и снизив скорость заряда электромобиля, локальная система не сможет обеспечить полную зарядку электромобиля к установленному часу. В то же время — это внешнее ограничение сбережёт глобальную электросеть от перегрузки, вызванной планируемым одновременным началом заряда большого количества электромобилей и сохранит её работоспособность.
Практический пример
Давайте рассмотрим пример того, как может быть оптимизировано энергопотребление в результате работы глобальной системы управления энергией.
На пригородной улице два электромобиля одновременно приехали на станцию зарядки (рисунок 3). Водителю зеленой машины электромобиль понадобится к 9 часам вечера (момент x). Другому водителю сегодня не повезло и вечер у него свободный. Электромобиль ему будет нужен только утром и то для поездки на работу. Мощность, доступная зарядным станциям, ограничена ( красная линия max_power).
Актуальная стоимость электроэнергии для каждого периода указана на нижнем графике. Цель обоих водителей электромобилей, естественно, заключается в том, чтобы их электромобили были полностью заряжены ко времени старта и по наиболее экономному тарифу.
Левая часть рисунка, которую мы назвали «Сценарий 1» показывает наиболее экономный вариант зарядки (оба электромобиля заряжаются сразу по самым дешёвым тарифам). Однако, для такой зарядки каждому из электромобилей надо выделить полную доступную мощность. Что невозможно и образуется конфликт запросов на мощность. Если имеющаяся мощность будет поделена поровну между электромобилями, то ни один из них не будет заряжен полностью ко времени старта.
«Сценарий 2», учитывающий требуемое время старта сможет решить эту проблему. Согласно ему, глобальная система управления энергией устанавливает приоритеты в выделяемых мощностях и в первую очередь заряжает зелёный автомобиль с тем, чтобы он был полностью заряжен к 9 часам вечера. На заряд синего автомобиля вначале выделяется только оставшаяся до максимума мощность, а затем в период действия 3-го тарифа он получает единолично всю доступную мощность сети.
Согласно этому сценарию зелёный автомобиль будет полностью готов к старту в 9 часов вечера, хотя и не вся, необходимая для его заряда энергия будет куплена по самому дешёвому тарифу. Синий автомобиль так же готов к старту утром и также не вся его энергия была куплена по самому дешёвому тарифу. Но всё же он будет заряжен полностью и дешевле чем если бы заряжался равномерно с самого начала и до конца.
Техническая реализация
Отдельные участники глобальной сети управления электроэнергией могут достаточно гибко настраивать степень влияния правил глобальной сети на их работу Тем не менее все они классифицируются по нескольким типовым признакам — их функциям в глобальной сети или тем ролям, которые они выполняют:
- Производитель энергии — генерирует энергию на заранее оговоренных условиях.
- Потребитель энергии — потребляет энергию и поставляет её в общую сеть на заранее оговоренных условиях.
- Хранение энергии — может хранить или доставлять энергию.
- Управление энергией — осуществляет над элементами системы управления электроэнергией и над работой отдельных её локальных подсистем.
Типы управления
Локальные системы управления энергией в свою очередь могут к информации о работе глобальной сети управления энергией и получать информацию о предстоящих режимах работы для корректировки своих локальных планов.
Планирование объёмов
Как описано в подразделе «Координация», локальные системы управления электроэнергией отправляют свои планы потребления энергии в глобальную систему управления электроэнергией (см. Рисунок 2). В ней обрабатываются все планы, вырабатывается оптимальный вариант и данные о планируемом выделении энергии каждой из систем отсылаются обратно локальным системам управления энергии, которые скорректируют свой план работы в соответствии с общим планом.
Преимущество планирования распределения электроэнергии на основе объёмов потребления заключается в абстрагировании от внутренних процессов каждого конкретного домохозяйства. Локальным системам управления энергией выдаются только граничные условия внутри которых каждая система вольна сама выбирать наилучшее решение для своего абонента.
Планирование процессов
В некоторых случаях необходимо не выделение абстрактных объёмов энергии, а прямое управление потребителями энергии. В этих случаях глобальной системе должен быть доступен больший объём информации о каждом из потребителей. Это может быть одновременное включение или выключение уличного освещения у всех домохозяйств улицы или ограничение питания насосов, поливающих газоны. Такого рода управление может реализовываться на базе в KNX (например, с помощью телеграммы/команды Transport Layer Connect переключающей статус оборудования из режима 1 «TL открыт» в режим 2 «TL закрыт».
Итог
Вопрос управления энергией является неотъемлемой частью будущей технологии управления зданием. KNX уже сейчас обеспечивает в зданиях функции экономии и оптимизации энергозатрат и объединение нескольких локальных систем управления электроэнергией в одну глобальную только увеличит положительный эффект от использования технологий умного здания в энергосбережении.
