Эффективная энергетика «умного города»

Цифровизация отдельных элементов городской инфраструктуры ведется с 70-х годов. Но до недавнего времени данные, собранные в пределах одной организации, как правило, использовались только для автоматизированного управления собственными объектами. В другие организации эти данные поступали в виде статистики, отчетов и т. п., предусматривающих работу с ними вручную. Причем такая ситуация с обменом информацией была характерна даже для муниципальных структур, принадлежащих одному и тому же городу.

Концепция «умный город» отличается от просто цифровизации следующим. Все организации, относящиеся к комплексу городского хозяйства, вне зависимости от формы собственности, обмениваются в реальном масштабе времени данными в едином формате, подразумевающем возможность их обработки в полностью автоматическом режиме.

С 2018 г. Министерством строительства России в рамках национального проекта «Жилье и городская среда» и национальной программы «Цифровая экономика» реализуется проект «Умный город». Он направлен на повышение конкурентоспособности российских городов, формирование эффективной системы управления городским хозяйством, создание безопасных и комфортных условий для жизни. Основные принципы, на которых должен базироваться «умный город», по мнению строительного ведомства: ориентация на человека; технологичность городской инфраструктуры; повышение качества управления городскими ресурсами; комфортная и безопасная среда; экономическая эффективность (в том числе применительно к сервисной составляющей городской среды).

На момент написания статьи в проекте участвуют 213 российских городов. Среди них — города с численностью населения свыше 100 тыс. человек, административные центры субъектов Российской Федерации и города-пилоты, подписавшие соглашения с Министерством строительства. Пока в большинстве из них ведутся только подготовительные работы к внедрению концепции «умного города» — дело это непростое.

Технические и организационные проблемы при внедрении концепции

Для технической реализации «умной» системы управления городом наилучшим вариантом является «Интернет вещей» (IoT). В его основе лежит открытый протокол, позволяющий взаимодействовать самым разным элементам, осуществляющим сбор данных и управление. В наше время слово «Интернет» больше не ассоциируется с на-дежностью связи. Но ничто не мешает построить отдельную сеть связи, работающую на основе IoT. Собственно, так во многом делали и раньше, еще до введения санкций и блокировок. Водопровод, канализация, энергоснабжение и т. п. критически важные элементы городской инфраструктуры могу управляться через IoT, но это будет некий отдельный Интернет, отделенный от глобальной сети. Примером такого подхода являются беспроводные сети передачи данных стандарта LoRa, широко используемые в Москве и ряде других крупных городов России. «Большой» Интернет вступает в дело, лишь когда с сервисами «умного города» напрямую взаимодействуют физические лица.

Комплекс городского хозяйства состоит из предприятий разных форм собственности. Поэтому при внедрении систем «умного города» приходится решать ряд правовых и экономических проблем, это в том числе:

• выработка единых стандартов обмена данными и обеспечение обязательности их выполнения;
• обеспечение обмена данными между предприятиями, выполняющими заказы города (использовать материальные стимулы, а где они не работают, то законодательно обязать субъекты экономической деятельности);
• защита информации и ее деперсонализация при передаче в другие организации.

Цифровой двойник города

Взаимодействие различных городских служб осуществляется с привязкой к определенным местам на карте. Этот же подход используется и в концепции «умного города».

Создание цифрового двойника города начинается с того, что делается большое количество фотографий (в том числе с использованием БПЛА), имеющих привязку к географическим координатам. На основе массива этих фотографий ком-пьютер делает 3D-модель города. Со временем возможно внесение в нее частичных изменений. На 3D-модель накладываются слои с различными данными. Слои могут быть статическими — обновляться не чаще раза в сутки, или динамическими — обновляться в реальном масштабе времени.

Показать, как это работает, можно на примере популярного интернет-сервиса «Яндекс.Карты». У него есть картографическая основа. На нее наложено несколько слоев, в том числе расположение предприятий сферы услуг (статический), движение общественного транспорта (динамический) и пробки на дорогах (динамический). К слою расположения заведений привязан сервис, сообщающий пользователям о графике работы заведений, а также сервис, позволяющий клиентам оценивать предприятия и оставлять о них отзывы. Предположим, вы хотите подогнать одежду по фигуре. Вы ищете ателье в пределах транспортной доступности, просматриваете варианты, смотрите график работы, оценки и отзывы клиентов. К слову, если владельцы ателье серьезно относятся к своему бизнесу, то отзывы клиентов — это ценная информация также и для них. Выбрали подходящее ателье, далее смотрите наличие пробок (если поедете на личном автомобиле) или движение общественного транспорта.

В итоге сервис обеспечивает взаимодействие вас с ателье, другими его клиентами и дорожными службами (или компанией, обеспечивающей перевозки). А теперь представьте, как бы это все выглядело без привязки к карте?

Цифровой двойник города работает точно так же, только с тремя основными отличиями. Во-первых, данными обмениваются в основном предприятия между собой, и этот обмен почти полностью автоматизирован. Во-вторых, намного большее количество слоев с данными. В-третьих, более жесткие требования к оперативности и достоверности размещаемой информации.

В России полностью готовый цифровой двойник имеется пока только у Москвы. В 2013–2019 годах была создана 3D-модель города, потом к ней стали добавлять слои. Сейчас имеющегося количества слоев уже достаточно для функционирования системы «умного города». Кроме этого, скоро цифровой двойник будет и у Казани. В 2024 г. завершили создание 3D-модели города, сейчас идут работы по добавлению к ней слоев с данными.

Управление уличным освещением

Наиболее наглядным применением концепции «умного города» является управление освещением на автомобильных магистралях. Уровень освещенности определяется потоком машин: чем он больше, тем сильнее надо освещать дорогу. Раньше определялся максимальный поток машин, который может быть на данной дороге, исходя из этого рассчитывались параметры освещения. С переходом на светодиодные светильники появилась возможность диммировать уличное освещение в широких пределах, получая тем самым выигрыш в энергопотреблении. Кроме этого, приглушение освещения глубокой ночью снижает эффект светового загрязнения, что важно для экологии.

В результате стали появляться системы, прогнозирующие трафик на определенной улице и регулирующие в соответствии с этим прогнозом уровень освещенности. Традиционный подход к их построению подразумевает, что реализация проекта полностью находится в ведении компании, занимающейся городским освещением. Эта компания создает сеть датчиков интенсивности движения по улицам города и потом занимается ее эксплуатацией.

В рамках концепции «умного города» для управления уличными светильниками указанная компания получает данные от других структур комплекса городского хозяйства. В первую очередь от видеокамер, следящих за порядком на магистралях. На основе видео искусственный интеллект определяет интенсивность движения машин.

Данные, собранные по всему городу, позволяют в автоматическом режиме спрогнозировать, какой поток транспортных средств будет на конкретной улице, и заранее установить оптимальный уровень освещенности на ней. Именно так работают системы управления освещением в Амстердаме, Осло и Сингапуре.

Главное преимущество — светотехникам не нужно создавать собственную систему мониторинга транспортных потоков. Кроме этого, значительно возрастает точность данных об интенсивности движения на улицах, используемых для управления светильниками. Причина в том, что только для управления освещением применять видеокамеры невыгодно. Для собственных нужд компании, обеспечивающие освещение улиц, устанавливают недорогие датчики, точность которых оставляет желать лучшего. Следующий шаг, который может быть сделан в данном направлении, — использовать при управлении уличным освещением информацию о ремонте дорог, а также о проведении в тех или иных районах города массовых мероприятий, на которые приезжают люди на личных автомобилях.

Управление мощной нагрузкой

Бывают виды нагрузки, которые обладают большой инерционностью либо их пуск может быть отложен. Например, электрический бойлер, имеющий хорошую теплоизоляцию, можно нагревать в те промежутки времени, когда нагрузка на сеть минимальна. И он сохранит тепло до момента, когда пользователю потребуется горячая вода. Благодаря системе «умного города» бойлер получает управляющие сигналы, оптимизирующие его работу. Такая система уже работает в Финляндии. А в США в ряде городов, получающих основную часть электроэнергии от солнечных электростанций, запустили систему управления стиральными машинами. Стирка автоматически начинается в тот момент, когда электроэнергии вырабатывается больше, чем нужно.

Благодаря такому «умному» управлению энергопотреблением удается достичь более равномерной по времени нагрузки на электростанции и электрические сети. Появляется возможность увеличить количество подключенных к сети устройств без реконструкции сетей и повышения мощности генерации. Если же применяется динамический тариф, меняющийся каждый час, пользователь может сэкономить на оплате электроэнергии.

Электрические сети и генерация

В Москве все вопросы по новому строительству и реконструкции существующих зданий теперь решаются только с применением цифрового двойника города. Это позволяет сразу увидеть, как предлагаемый проект впишется в городскую среду. Как только проект утвержден, он сразу же отображается в цифровом двойнике. Информация мгновенно поступает в ПАО «Россети Московский регион», где сразу же приступают к работам по прокладке новых линий либо модернизации существующих с учетом появления новых потребителей. Тем самым исключается риск сбоев в электроснабжении районов города из-за перегрузки сетей.

Ведутся работы по интеграции цифрового двойника Москвы с датчиками на объектах городской инфраструктуры. Это позволит оперативно устранять аварии и заранее прогнозировать износ обо-рудования. В итоге повысится и энергоэффективность, ведь у изношенного оборудования, как правило, КПД значительно снижается.

Поставить генерацию под управление системы «умного города» пока практически невозможно, поскольку, даже если электростанция находится на территории определенного города, она все равно является частью более масштабной электроэнергетической системы. Даже в Москве на тепловых электростанциях регулировку вырабатываемой мощности диспетчеры пока осуществляют вручную на основе заранее утвержденного графика. Автоматизированное дистанционное управление активной мощностью (СПДМ) в России реализовано на 23 ГЭС, которые, как правило, находятся за пределами городской черты, а также на двух тепловых электростанциях. Но управляющие сигналы это оборудование получает от «Системного оператора», который работает на федеральном уровне. Тем не менее если в будущем удастся наладить сбор данных «Системным оператором» от «умных городов», это позволит повысить эффективность и надежность функционирования энергосистемы страны в целом.

«Умные» зарядные станции

Современной тенденцией является уменьшение времени зарядки электромобиля за счет увеличения мощности зарядной станции. Так, например, одна из самых быстрых зарядных станций в мире Tesla Supercharger V3+ отдает автомобилю мощность до 325 кВт. А на подходе уже зарядные станции мощностью 500 кВт. С другой стороны, увеличивается количество зарядных станций, при этом их зачастую приходится подключать к уже существующим сетям с ограничениями по мощности.

Поэтому ведущие мировые производители зарядных станций недавно начали предлагать модели, оснащенные встроенными аккумуляторами. Такая станция постепенно накапливает энергию, потребляя мощность, которую может дать электрическая сеть в данном месте. А при необходимости быстро зарядить электромобиль сразу отдается большая мощность. Поскольку зарядная станция большую часть времени простаивает, к тому же не все электромобили поддерживают сверхбыструю зарядку, накапливаемой аккумулятором энергии хватает для того, чтобы не отказывать клиентам, которым нужно зарядиться побыстрее.

Подобно бойлерам, такая зарядная станция может заряжать внутренний аккумулятор в те моменты времени, когда нагрузка на сеть минимальна. Следующий шаг — это использование ее аккумулятора для подачи электроэнергии в сеть, если в данном районе города ее не хватает. Для этого зарядная станция должна получить от системы «умного города» два вида данных. Первый — информацию о нехватке электроэнергии в сети. Второй — прогноз о потоке клиентов, желающих зарядиться. На основании этих данных «умная» зарядная станция определяет, может ли она поделиться энергией с другими потребителями, подключенными к сети, или зарядки аккумулятора хватит только на обслуживание клиентов.

Но это — дело отдаленного будущего. А уже сейчас в Москве электробусы заряжаются по определенному графику, который определяет интеллектуальная система управления, учитывающая в том числе ситуацию с доступной мощностью на каждой зарядной станции. Мониторинг состояния станций осуществляется с применением системы «умного города». Благодаря концепции «Умного города» к системе управления могут подключить-ся не только муниципальные, но и частные зарядные станции.

Выводы

В этой статье приведено лишь несколько примеров того, как концепция «умного города» позволяет экономить электроэнергию и обеспечивать более равномерную нагрузку на сеть. При этом «умный город» — не просто техническое усовершенствование, это новый подход к управлению, устраняющий излишнюю бюрократизацию и ведомственную разобщенность. В итоге мы получаем рост эффективности не только в электроэнергетике, но и по другим направлениям. И как результат — улучшение качества жизни горожан.