Управление электроэнергией и сервис-ориентированные сети

В работе рассмотрена система управления энергией (СУЭ) в локальной электрической сети (ЛЭС) низкого напряжения. Обосновываются необходимые свойства и вопросы устройства сети, ее характеристики. Для управления электроэнергией в локальной сети предлагается использовать модель по примеру объединенной социальной сети [1, 2, 3]. Основная идея состоит в том, чтобы использовать разнородную сеть в качестве информационной инфраструктуры, беря за основу многофункциональность и развитый сервис социальной сети. Это позволит представить полную информацию о динамике СУЭ и тем самым создать мощную и малозатратную СУЭ для управления энергией.

Умные локальные электрические сети (Smart Grid) низкого напряжения вызывают сегодня повышенный интерес у правительств стран, энергетических компаний и различных исследовательских институтов [3, 4]. Применение передовых информационных технологий в ЛЭС позволяет достичь большей производительности, надежности, стабильности, меньших затрат на общую инфраструктуру, меньшего потребления энергии и меньшего выброса парникового газа. СУЭ отслеживает, контролирует и оптимизирует процесс генерирования энергии, ее передачу, распределение и потребление. СУЭ как важный составляющий блок ЛЭС играет ключевую роль в достижении ее преимуществ.

В модели СУЭ, лежащей в основе управления ЛЭС, можно выделить семь составляющих, а именно: заказчики, рынки, поставщики услуг, управление, генерирование энергии в больших объемах, передача, распределение энергии. Ранее СУЭ исследовалась в основном на предмет генерирования, передачи и распределения энергии [5, 6]. Однако в исследованиях системой управления в клиентской сфере пренебрегали, хотя именно в этой сфере наиболее трудно решить задачу всестороннего учета и распределения электроэнергии в связи с огромным числом электроприемников у потребителя. В настоящее время применяется статистический подход к решению этой задачи [7].

В представленных исследованиях внимание уделено, прежде всего, СУЭ в клиентской сфере, а именно, обосновываются необходимые технические требования и вопросы устройства таких СУЭ, а также их характеристики. Новизна данной модели заключается в использовании социальных сервис-ориентированных сетей для управления разнородной и динамичной системой распределения электроэнергии в клиентской сфере. Более того, данная модель может быть использована не только для научно-исследовательских работ в области СУЭ, но также может обеспечить возможность изучения других разнородных и динамически меняющихся систем.

На рис. 1 приведена схема связи электрической и информационной сетей, показаны активные элементы в клиентской сфере и основные связи между клиентской и другими сферами СУЭ. Действующие элементы СУЭ включают в себя приборы, системы или программы, которые позволяют обмениваться информацией, а также принимать решения для применения на практике. «Умные» счетчики, генераторы возобновляемой энергии и приборы учета являются примерами таких действующих элементов.

Существующие СУЭ в клиентской сфере – в целом простые в мониторинге и контроле системы, которые не учитывают особенности умных сетей, тем самым ограничивая их возможности. Исследования направлены, в первую очередь, на изучение свойств СУЭ, анализ информационных и энергетических потоков, решение вопросов структуры сети и постановку основных проблем. Эффективная СУЭ должна быть выгодна не только конечным потребителям, но и предприятиям – производителям энергии.

Для поддержки преимуществ распределенной генерации энергии необходимо, чтобы СУЭ обладала некоторыми базовыми характеристиками:

– поддерживала различные существующие активные элементы ЛЭС так же, как и элементы защиты;

– постоянно следила за потоками энергии на различных уровнях распределения (домашний уровень и уровень генерирующих устройств);

– постоянно отслеживала параметры среды (температура и влажность), которые необходимо использовать в контекстно-зависимом интеллектуальном контроле;

– поддерживала автоматический и ручной контроль за активными элементами ЛЭС;

– поддерживала интеграцию возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как солнце и ветер;

– взаимодействовала с активными элементами в других сферах для регулирования уровней спроса и предложения.

Кроме этих основных качеств, система должна удовлетворять дополнительным качествам, позволяющим обеспечить ее развитие и усовершенствование в будущем:

– интеллектуальность и эффективность: возможность достигать оптимальной производительности в изменяющихся условиях;

– удобство в использовании на принципе «plug-and-play » со способностью к самонастройке;

– высокая надежность и прочность, возможность в самовосстановлению после повреждений в системе;

– низкие стоимость и потребление энергии.

Свойства, перечисленные выше, удовлетворяют требованиям потребителя. С точки зрения контроля за процессом СУЭ должна рассматриваться как защищенная сетевая система. На рис. 2. приведена схема защиты информационного потока, состоящая из нескольких блоков.

В блоке распределенного измерения происходит учет потребления и генерации энергии, параметров среды, выбора потребителем источника энергии и режима потребления. Измерения проводятся на различных активных элементах ЛЭС распределенным способом. Затем осуществляется сбор и хранение данных измерений, полученных в результате обмена информацией активных элементов ЛЭС для дальнейшего анализа и обработки.

В блоке анализа собранные и хранящиеся данные изучаются и обрабатываются с целью получения логической и статистической информации о реальном состоянии ЛЭС и возможностей перехода в другое состояние, например аварийное.

Рис. 1. Сфера обслуживания и ее связи с другими сферами ЛЭС

Рис. 2. Схема прохождения информационных потоков

Проведенный анализ позволяет принять правильное управленческое решение.

Решения СУЭ носят интеллектуальный характер, поскольку принимаются через специальные управляющие программы – алгоритмы. Далее осуществляются управляющие воздействия на активные элементы ЛЭС (выключатели, прерыватели и др.) для выполнения команды.

Кроме функции основного контроля потока информации, СУЭ должна осуществлять мониторинг и визуализацию внешних событий и данных, включая решения потребителей, цены на электроэнергию, погоду, естественные катастрофы и т.д., что обеспечит простой в эксплуатации способ отслеживать и контролировать систему в целом

Поток энергии в клиентской сфере распределяется через электрическую сеть, подобную древовидной структуре. В этой структуре счетчик энергии представляется корнем, в то время как электробытовые приборы, освещение и приборы контроля являются листьями. Поток энергии измеряется приборами мониторинга энергии (счетчики и измерительные приборы). Энергией можно управлять с помощью контроллеров, прерывая и изменяя направление потока. Хотя электросеть гомогенна и однородна с точки зрения способа распределения энергии, мониторинга и контроля, поток энергии динамичен с точки зрения качества и количества. Динамичность обусловлена изменением спроса и предложения, поведения пользователя и меняющейся внешней среды. В локальных электрических сетях с применением возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как ветро-генераторы и солнечные панели, процесс управления энергией становится еще сложнее.

Поток информации, используемый в СУЭ для управления энергетическим потоком, включает измерения в реальном времени, хронологические данные, внешние события, контрольные решения и т. д. Информация передается от активных элементов ЛЭС к центру сбора информации через коммуникационные каналы, которые образуют разнородную и распределенную сеть. Разнородность неизбежна, потому что различные активные элементы могут генерировать различные виды сигнала. Распределенная природа сетей обусловлена физическим распределением ее в пространст- ве. Разнородность и распределенная сеть затрудняют образование связанного и эффективного потока информации и тем самым являются двумя главными проблемами при создании СУЭ.

Таким образом, для эффективного управления энергией необходимо решить три главные проблемы, а именно, разнородность, распределенность системы и динамичность.

Для решения указанных проблем предлагается платформа бесшовных интегрированных решений, способная удовлетворить различным требованиям активных элементов на основе унифицированных проникающих сервис-ориентированных сетей.

Проникающие сервис-ориентированные сети имеют трехслойную структуру, как показано на рис. 3

Рис. 3. Контекстные интеллектуальные алгоритмы

Основным принципом является многоуровне-вость платформы, что позволяет обеспечить независимое функционирование составных частей на различных уровнях. Рассмотрим подробнее эти три слоя.

• 1.    Разнородная сетевая (гетерогенная) платформа (РСП)

• 2.    Вторым направлением является создание сервис-ориентированной архитектуры сетей (СОАС). Сервис-ориентированная архитектура – это современный модульный подход к созданию распределённых автоматизированных систем (АС), основанный на использовании сервисов, т.е. программных и информационных модулей, интегрируемых посредством набора стандартизованных интерфейсов и протоколов в единую систему в соответствии с потребностями функционального назначения.

• 3.    Контекстный интеллектуальный алгоритм

Целью РСП является образование однородной коммуникационной инфраструктуры для информационного потока. РСП обеспечивает простую IP-технологию для верхнего слоя с целью обмена информацией. Верхнему слою не важно, каким образом доставляется информация. Примеры реализации такой РСП можно найти в [8, 9].

Главная идея СОАС – достичь многоопераци-онности, модульности использования независимо от функций, которые обеспечивают активаторы в сервисах [10]. Активаторы в СОАС имеют различные назначения.

Сервис-провайдер создает сервис и регистрирует свой интерфейс, а также делает доступной информацию для сервисного регистра. Каждый провайдер решает, какой сервис предложить, как балансировать между безопасностью и простым доступом и как оценить свой сервис.

Сервис потребительский открывает доступные в сети сервисы, размещает их в регистре сервисов и затем привязывает сервис-провайдера для вызова сервисов. Потребительский сервис может делать доступ к мультисервисным провайдерам в одно и то же время.

Для поддержки сервис-ориентированных сетей (СОрС) требуются механизмы для создания сервиса, регистрации, открытия, связывания и вызова. СОрС также нуждается в определении набора сервисов, которые могут быть использованы, например, для управления энергией.

В этом слое сервисы, обеспечиваемые сервис-ориентированной сетью, применяются для контрольных целей. Совместимость с другими системами и сервисное повторное использование, обеспечиваемые СОрС, позволяют разработать активный и контекстный алгоритм для решения проблемы динамичности. С этим алгоритмом достигаются лучшая доступность сервисов, удобство и высокая производительность.

Для реализации СУЭ на основе унифицированных проникающих сервис-ориентированных сетей (PERSON) создана разнородная домашняя сеть (РДС).

С учетом сервисных требований к СУЭ в Smart Grid определяется набор сервисов управления энергией. Кроме того, разрабатывается необходимый механизм для поддержки СОрС. Основанная на сервисе и поддерживающих механизмах контекстная интеллектуальность разработана для управления динамичностью. С учетом требований по взаимодействию между клиентской сферой и другими сферами в Smart Grid должен быть разработан центр данных и сервиса (ЦДС). Предполагаемая архитектура СУЭ показана на рис. 4.

Рассмотрим подробнее элементы СУЭ.

• 1 . Разнородная домашняя сеть

Разнородная домашняя сеть реализует первый уровень информационной системы, который обес- печивает основную информационную инфраструктуру СУЭ. РДС состоит из основанной на ZigBee беспроводной сенсорной сети [11] и домашнем центре контроля и выхода. Эта структура показана на рис. 5.

Основанная на ZigBee беспроводная сенсорная сеть (БСС) выбрана в качестве коммуникационного протокола домашней сети. ZigBee основан на стандарте IEEE 802.15.4 [12], который специально разработан для коротких беспроводных коммуникационных сетей. ZigBee включает в себя все достоинства IEEE 802.15.4 (низкая стоимость и низкое потребление энергии) и обеспечивает дополнительную поддержку специально созданной для этой модели сети и различных профилей применения для различных сфер. Здесь применены профили Home Automation (HA) и Smart Energy (SE) [13]. Беспроводная сенсорная сеть управления энергией на основе ZigBee включает в себя

• –    счетчик для измерения потребления энергии в домашней сети;

• –    датчики температуры, влажности, освещенности, движения с аналоговыми и цифровыми интерфейсами;

• –    дисплей для визуализации результатов измерения;

• –    дистанционный контроллер для выполнения контроля выключателей и диммеров в доме.

• –    выключатели и диммеры (светорегуляторы).

• 2 . Домашний центр контроля и выхода

Различные активаторы могут быть физически отделены и работать независимо или в сочетании друг с другом для выполнения интегрированного действия. Например, датчик, дистанционный контроллер и дисплей могут быть использованы вместе для создания системы контроля температуры.

В разнородной домашней сети для поддержки устройств, не основанных на ZigBee, нужен выход для адаптации сигнала. Кроме выхода, необходим контрольный центр для размещения интеллектуальных алгоритмов и обеспечения взаимодействия между потребителями и СУЭ. С этой целью необходимо разработать интегрированный выход ZigBee – Ethernet/ WiFi и контрольный центр, которые должны выполнять следующие функции:

• –    концентрация и хранение данных, поступающих от приемопередатчика ZigBee;

  

  Рис. 4. Структура СУЭ

  
  
  

  Рис. 5. Разнородная домашняя местная сеть

  
  

• –    выход для связи и взаимодействия центра домашней сети с центром данных и сервиса или другими активаторами в другой сфере Smart Grid;

• –    контроль и мониторинг ZigBee БСС в помещениях пользователя;

• –    размещение интеллектуальных алгоритмов и регистрация сервисов; выполнения анализа, принятия контрольных решений и размещения заказов.

Необходимость в модернизации систем и сетей низкого напряжения становится все более значимой с экономической, экологической и общественной точек зрения. Центральное место в этой трансформации энергетических сетей занимают информационные и коммуникационные технологии, так как они дают возможность создания двухуровневого потока энергии и информации. Кроме того, эти технологии обеспечивают быстрое восстановление электроснабжения в случае повреждений, способствуют снижению потерь энергии, облегчают интеграцию возобновляемых источников энергии в сеть низкого напряжения и дают потребителю инструменты для оптимизации его энергопотребления. Модернизация глобальной электрической сети приведет к эффективному и рациональному управлению энергией и достижению конечных целей использования Smart Grid – повышению производительности электрических сетей и постепенному переходу экологически чистой окружающей среде.