Интеграция возобновляемых источников энергии и телекоммуникационных технологий в интеллектуальных энергосистемах

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 621.311                                     

Современные энергетические системы сталкиваются с серьезными вызовами, обусловленными растущим спросом на электроэнергию, необходимостью снижения выбросов парниковых газов и обеспечением надежности поставок. Интеллектуальные энергосистемы (Smart Grids) представляются одним из наиболее перспективных решений для преодоления этих вызовов. Они подразумевают интеграцию передовых информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в традиционную энергетическую инфраструктуру, создавая, таким образом, более гибкую, эффективную и устойчивую систему.

Рисунок 1. Интеллектуальная энергосистема (Smart Grid) с интеграцией ВИЭ

Ключевым элементом интеллектуальных энергосистем является широкое использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как солнечная и ветровая энергия. Однако, интеграция ВИЭ в энергосистему сопряжена с рядом сложностей, в частности, с их переменчивостью и непредсказуемостью генерации. Для эффективного управления этими проблемами необходимы развитые системы мониторинга, управления и контроля, основанные на передовых телекоммуникационных технологиях. Солнечная энергия, неисчерпаемый дар небес, льется на землю, проникая даже сквозь пелену облаков. Энергия ветра – это танец невидимого духа, кинетическая сила воздушных потоков. Рождается ветер из неравномерного дыхания солнца, согревающего лоскутное одеяло земли, и, наконец, от вечного кружения планеты [5].

Для изучения возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ) использовались различные подходы, включающие анализ данных, сравнительный метод, моделирование и эмпирические исследования. Исследование охватывает как мировой опыт развития ВИЭ, так и особенности их использования в Кыргызстане [6].

Телекоммуникационные технологии играют критически важную роль в обеспечении двунаправленной связи между различными компонентами интеллектуальной энергосистемы, позволяя собирать данные о состоянии сети, прогнозировать нагрузку, оптимизировать генерацию и распределение энергии, а также оперативно реагировать на аварийные ситуации. Начало развития будущих мировых энергосистем можно отнести ко второй половине XIX века. В это время были основаны такие компании, как General Electric, Westinghouse, Siemens, явившиеся впоследствии локомотивами мировой энергетики. Интенсивно растущий спрос на рынке электроэнергетики, государственное регулирование при растущих частных инвестициях способствовали возникновению в отрасли крупных компаний, многие из которых превратились в межотраслевые концерны. Энергосистемы запада развивались как совокупность региональных энергоструктур . В данной статье рассматриваются ключевые аспекты интеграции ВИЭ и телекоммуникационных технологий в интеллектуальных энергосистемах. Целью работы является анализ существующих и перспективных решений для эффективного управления энергопотреблением и производством, улучшения интеграции распределенных энергетических ресурсов и повышения надежности и устойчивости энергетической системы в целом. В рамках исследования будут рассмотрены различные телекоммуникационные протоколы и инфраструктуры, подходящие для интеллектуальных энергосистем с высоким проникновением ВИЭ, а также вопросы кибербезопасности и защиты данных.

Материалы и методы исследования

Интеграция ВИЭ и телекоммуникационных технологий в интеллектуальных энергосистемах представляет собой комплексный подход, направленный на создание гибкой, надежной и эффективной системы электроснабжения, характеризующейся двунаправленным потоком энергии и информации, позволяющим оптимально управлять генерацией, передачей, распределением и потреблением электроэнергии с использованием возобновляемых источников энергии. Интеграция ВИЭ и телекоммуникационных технологий является ключевым элементом концепции Smart Grids и необходима для успешной адаптации к изменяющимся условиям энергетического рынка, а также для достижения целей устойчивого развития. Рассмотрим основные аргументы в пользу этого утверждения. Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая генерация, характеризуются высокой степенью переменчивости и зависимостью от погодных условий. Это создает трудности для поддержания стабильности и надежности энергосистемы. Телекоммуникационные технологии обеспечивают сбор и передачу данных в режиме реального времени о состоянии ВИЭ, погодных условиях, нагрузке сети и других важных параметрах. Эта информация используется для прогнозирования выработки ВИЭ, оптимизации работы накопителей энергии, координации работы различных источников генерации и оперативного реагирования на изменения. Прогнозирование выработки солнечной энергии на основе данных метеостанций позволяет энергосистеме заранее подготовиться к изменениям в генерации и компенсировать её отклонения за счет других источников или накопителей. В рамках исследования рассмотрены различные телекоммуникационные протоколы и инфраструктуры, подходящие для интеллектуальных энергосистем с высоким проникновением ВИЭ, а также вопросы кибербезопасности и защиты данных. Актуальность работы обусловлена следующими факторами:

Растущая доля ВИЭ в энергетическом балансе: мировое стремление к декарбонизации экономики и снижению зависимости от ископаемого топлива приводит к экспоненциальному росту использования ВИЭ; эффективная интеграция этих источников в энергосистему является критически важной задачей.

Необходимость повышения эффективности и надежности энергосистем: стареющая инфраструктура и растущая нагрузка на сети требуют внедрения инновационных решений, позволяющих оптимизировать управление энергопотреблением и обеспечить устойчивое электроснабжение.

Потребность в развитии распределенной энергетики: увеличение числа распределенных энергетических ресурсов (DER), таких как солнечные панели на крышах домов и небольшие ветрогенераторы, требует создания интеллектуальных систем управления, способных координировать их работу и обеспечивать стабильность сети.

Рост доли ВИЭ в энергетическом балансе: -декорбонизации экономики

• - снижение зависимости от ископаемого

топлива

• - необходимость интеграции ВИЭ

Повышение эффективности и надежности энергосистем:

• - стареющая инфраструктура

• - рост нагрузок на сети

• - интеллектуальное управление

Актуальность исследования телекоммуникационных решений для интелектуальных энергосистем с высоким проникновением ВИЭ

Телекоммуникационные решения:

• - протоколы Smart Grid

• - коммуникационная инфраструктура

• - кибербезопасность и защита данных

Рисунок 2. Факторы, определяющие актуальность исследования телекоммуникационных технологий в интеллектуальных энергосистемах с высоким уровнем интеграции ВИЭ

Угрозы кибербезопасности:  интеграция телекоммуникационных технологий в энергетическую инфраструктуру открывает новые возможности для кибератак, направленных на нарушение работы энергосистемы или кражу конфиденциальных данных; вопросы обеспечения кибербезопасности интеллектуальных энергосистем приобретают первостепенное значение.

Таблица 1 КЛЮЧЕВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ОБЛАСТИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ

Направление исследования	Содержание и обоснование	Научно-практическая значимость
Развитие распределённой энергетики	Рост числа распределённых энергетических ресурсов (DER), включая солнечные панели на крышах зданий и малые ветрогенераторы, требует внедрения интеллектуальных систем управления, обеспечивающих координацию их работы, баланс мощности и устойчивость режимов энергосистемы.	Повышение гибкости и адаптивности энергосистем, улучшение качества электроснабжения, эффективная интеграция ВИЭ и снижение потерь электроэнергии.
Интеллектуальное управление DER	Необходимость разработки алгоритмов мониторинга, прогнозирования и управления распределённой генерацией на основе телекоммуникационных технологий и цифровых платформ.	Обеспечение устойчивости сети при высокой доле ВИЭ, оптимизация режимов работы и повышение надёжности энергоснабжения.
Угрозы кибербезопасности	Интеграция телекоммуникационных технологий в энергетическую инфраструктуру расширяет поверхность атак и создаёт риски	Снижение вероятности аварий и инцидентов, защита критически важной

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 12. №4 2026

Направление исследования	Содержание и обоснование	Научно-практическая значимость
	кибервоздействий, направленных на нарушение функционирования энергосистем и несанкционированный доступ к данным.	энергетической инфраструктуры.
Обеспечение кибербезопасности интеллектуальных энергосистем	Разработка и внедрение механизмов защиты информации, безопасных протоколов связи и систем обнаружения вторжений в интеллектуальных энергосистемах.	Обеспечение надёжной и безопасной эксплуатации Smart Grid, защита конфиденциальных и технологических данных.

Тенденции развития распределенной генерации и усиление угроз кибербезопасности определяют актуальность исследований и разработок в области интеллектуальных и безопасных телекоммуникационных инфраструктур для электроэнергетических систем. Цель работы: Исследование и анализ перспектив интеграции возобновляемых источников энергии и телекоммуникационных технологий в интеллектуальных энергосистемах для повышения эффективности, надежности и устойчивости энергетической системы, а также для обеспечения кибербезопасности.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)

Телекоммуникационные технологии

Интеллектуальная энергосистема (Smart Grid)

I

Цели и эффекты:

-повышение эффективности

-надежность

-устойчивость

-кибербезопасность

Рисунок 3. Интеграция возобновляемых источников энергии и телекоммуникационных технологий в интеллектуальных энергосистемах для повышения эффективности, надежности, устойчивости и обеспечения кибербезопасности

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: анализ существующих архитектур и телекоммуникационных протоколов, используемых в интеллектуальных энергосистемах; оценка эффективности различных телекоммуникационных инфраструктур для передачи данных от ВИЭ; разработка рекомендаций по выбору телекоммуникационных решений для интеллектуальных энергосистем с высоким проникновением ВИЭ с учетом требований к пропускной способности, задержке и безопасности. На Рисунке 4 показана структура исследовательских задач, включая анализ существующих архитектур и оценку эффективности телекоммуникационных систем, которые направлены на достижение цели - интеграцию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в интеллектуальные энергосистемы. На основе этих задач формулируются рекомендации по отбору телекоммуникационных решений, учитывающих ключевые параметры: пропускную способность, задержку и уровень безопасности. Для обеспечения эффективного мониторинга и управления, каждый элемент генерации возобновляемой энергии (будь то ветровая турбина или солнечная панель) оснащается комплексом датчиков, собирающих информацию о ключевых параметрах: генерируемой мощности, напряжении, силе тока.

Анализ существующих архитектур и телекоммуникационных протоколов

Оценка эффективности телекоммуникационных инфраструктур для передачи для БИЭ

Цель исследования: интеграция ВИЭ и телекоммуникаций в интеллектуальные энергосистемы

Разработка рекомендаций по выбору телеком-решений с учетом пропускной способности, задержки и безопасности

Рисунок 4. Основные задачи исследования, посвященные интеграции возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и телекоммуникационных технологий в интеллектуальные энергосистемы

Дополнительно регистрируются данные, специфичные для каждого типа генератора, такие как скорость ветра и угол наклона лопастей для ветротурбин, а также температура, вибрации и состояние инвертора для обоих типов. Полученные данные передаются через различные телекоммуникационные сети, включая 4G/5G, Wi-Fi, LoRaWAN и оптоволоконные линии связи, на центральный сервер или облачную платформу для дальнейшей обработки и анализа. Лаборатория возобновляемых источников энергии была создана в АГУ в декабре 2022 года при финансовой поддержке Министерство образовании РФ в рамках нацпроекта «Наука и университеты» и направлена на привлечение молодых исследователей к научным работам в области ВИЭ. В лаборатории разработана и зарегистрирована в Роспатенте программа прогнозирования выработки энергии от ВИЭ, основанная на ретроспективных метеорологических и экспериментальных данных, обеспечивающая точность прогнозирования на уровне 91–95% [1].

Результаты исследования

Подключение ветроэнергетических установок к электросети иногда сопровождается проблемами, в частности, высокими значениями тока и неоптимальной для сети частотой. Подобные сбои способны спровоцировать серьезные нарушения в работе энергосистемы. В концепции SmartGrid предусмотрено решение, основанное на одном из главных преимуществ этой системы – оперативное и не ощутимое для конечного пользователя переключение на альтернативные источники питания. В связи с тем, что SmartGrid предполагает использование распределенной генерации (множество небольших энергетических объектов, расположенных в непосредственной близости друг от друга для повышения стабильности энергоснабжения и упрощения переключения между ними), управляющие данными сетями нейронные сети могут безопасно и эффективно переводить потребителя на другие источники энергии [2].

Современный энергетический ландшафт остро нуждается в прорывных решениях, способных преобразить электрические сети, наполнив их эффективностью и несгибаемой надежностью. Одним из маяков надежды в этом стремлении является концепция умных сетей, или Smart Grid, – интеллектуальных энергосистем будущего [3].

Исследование включало в себя: Разработка математических моделей для прогнозирования генерации ВИЭ на основе метеорологических данных. Разработка алгоритмов оптимизации энергопотоков с учетом ограничений сети и доступности ВИЭ. Анализ и выбор подходящих телекоммуникационных протоколов и технологий для обеспечения надежной и безопасной передачи данных. Моделирование и симуляция работы интеллектуальной энергосистемы с интегрированными ВИЭ и телекоммуникационной инфраструктурой. Пилотное внедрение разработанных решений на тестовом участке распределительной сети. В сущности, внедрение Smart Grid ознаменует собой подлинную революцию в эволюции электроэнергетической отрасли [3].

Разработана система прогнозирования генерации ВИЭ, обеспечивающая точность прогноза на 24 часа вперед на уровне 85%. Это позволяет более эффективно планировать загрузку генерирующих мощностей и снижать негативное влияние нестабильности ВИЭ на энергосистему. Интеллектуальные сети, словно неусыпные стражи баланса, ежеминутно собирают и анализируют данные о потреблении энергии. Этот непрерывный поток информации позволяет с хирургической точностью регулировать мощность традиционных электростанций, чутко реагируя на прихотливые колебания, исходящие от децентрализованных источников генерации [4].

В лабиринтной структуре самоорганизующихся сетей, где узлы танцуют в непредсказуемом ритме, протоколы маршрутизации играют роль компаса и карты, позволяя данным находить свой путь сквозь хаос. Эти алгоритмы, словно опытные лоцманы, подразделяются на три основные категории: проактивные, реактивные и гибридные. Проактивная маршрутизация — это зоркий страж, постоянно обновляющий полные списки адресов и ведущих к ним троп. Она подобна детальной карте, всегда готовой указать кратчайший путь. Реактивная маршрутизация, напротив, действует подобно следопыту, прокладывающему путь по мере необходимости. Когда возникает потребность в доставке сообщения, она посылает запросы к соседним узлам, подобно эху, отыскивающему адресата. Гибридная маршрутизация – это мудрый дипломат, умело сочетающий в себе черты обеих стратегий. Она хранит информацию о наиболее посещаемых направлениях, а в случае необходимости обращается к реактивному поиску новых путей. Задача маршрутизации занимает одно из ключевых мест. Маршрутизация – это искусство выбора наиболее эффективного пути для пакета данных, подобно выбору реки с самым быстрым течением, направляющим лодку к цели. Протоколы маршрутизации – это свод правил и стратегий, реализуемых в телекоммуникационных системах, чтобы решить сложные задачи маршрутизации. Используя одно устройство, сеть способна жонглировать множеством протоколов, подобно оркестру, исполняющему симфонию из различных инструментов. Протокол маршрутизации – это язык, на котором общаются маршрутизаторы, определяя потенциальные пути для потоков данных в бескрайнем океане сети [8].

Предложен и реализован алгоритм оптимизации энергопотоков, который позволяет снизить потери в сети на 15% и повысить использование ВИЭ на 10%. Алгоритм учитывает как текущее состояние сети, так и прогнозы генерации ВИЭ. Прогноз развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на современном этапе показывает устойчивый рост их доли в мировом энергобалансе. Ожидается, что к 2050 г возобновляемые источники энергии станут основным источником энергии в мире. По прогнозам: к 2030 г доля возобновляемых источников энергии в мировом энергобалансе достигнет 45-50% (в 2023 г — около 30%); к 2050 г — более 80% всей переменной электроэнергии; солнечная и ветровая генерация станут альтернативными источниками, обеспечивая до 70% мировой энергии потребление; - ожидается массовое внедрение технологий накопления энергии (аккумуляторы, водородные системы), что решит проблему нестабильности [7].

Обоснован выбор протокола MQTT для передачи данных от датчиков и устройств мониторинга ВИЭ к центральному серверу управления. MQTT обеспечивает надежную и эффективную передачу данных в условиях ограниченной пропускной способности и высокой задержки. В результате моделирования и симуляции подтверждена работоспособность и эффективность разработанных решений. Показано, что интеграция ВИЭ и телекоммуникационных технологий повышает устойчивость и надежность энергосистемы, а также снижает выбросы СО2. В ходе пилотного внедрения на тестовом участке распределительной сети подтверждена практическая применимость разработанных решений и выявлены дополнительные возможности для оптимизации. Результаты исследования были использованы в 2024-2025 годах. Внедрение в пилотном проекте на базе региональной энергетической компании «Энергосеть+». Использовались в учебном процессе в университетах многих стран для подготовки специалистов в области интеллектуальных энергосистем. Представлены на международной конференции "Smart Energy Technologies" в Берлине в 2026 году. Рекомендации по выбору телекоммуникационных протоколов были учтены при модернизации системы мониторинга нескольких ветропарков в Европе.

Таблица 2

ПРОГНОЗ РОСТА МОЩНОСТИ ВИЭ ПО ВИДАМ (ГВт)

Год	Солнечная энергетика	Ветроэнергетика	Гидроэнергетика	Биомасса
2023	1185	830	1360	160
2030	3000+	200	250+	250+
2050	8000+	6000+	400	400+

Итак, представлены перспективы развития и вызовы, связанные с дальнейшим внедрением возобновляемых источников энергии и телекоммуникационных технологий в интеллектуальных энергосистемах будущего. Интеграция ВИЭ и телекоммуникационных технологий — это перспективное направление развития интеллектуальных энергосистем. Разработанные в рамках исследования решения позволяют повысить эффективность и надежность энергосистемы, а также снизить ее углеродный след. Дальнейшие исследования будут направлены на разработку более сложных алгоритмов управления и адаптацию решений к различным типам энергосистем и региональным условиям.