Современные системы электроснабжения испытывают значительное давление из-за растущего потребления энергии, необходимости повышения надежности и качества электроэнергии, а также вопросов устойчивого развития и экологической безопасности. Умные сети (Smart Grids) представляют собой полноценную трансформацию традиционных энергетических систем, сочетая современные информационные и коммуникационные технологии и системы автоматизации для сбора информации об энергопроизводстве и энергопотреблении. Они позволяют автоматически повышать эффективность, надежность, экономическую выгоду, а также устойчивость производства и распределения электроэнергии. Основной целью умной сети является обеспечение устойчивого, надежного и эффективного электроснабжения с минимальными потерями энергии.

Понятие и принципы работы умных сетей

Умная сеть – это интегрированная коммуникационная сеть, которая объединяет традиционные электросети и информационно-коммуникационные технологии (ИКТ). Она позволяет взаимодействовать всем участникам энергетического рынка: от производителей до конечных потребителей. Умные сети включают разнообразные электронные устройства, такие как умные счетчики, датчики, автоматизированные системы управления и др.

Основные технологии умных сетей появились еще более 40 лет назад благодаря попытке использовать электронные управление, измерение и мониторинг. В 1980 году крупные потребители применили автоматическое считывание показаний счетчиков было для контроля энергопотребления. В дальнейшем, в 1990-е, это привело к появлению интеллектуального счетчика, который сохраняет информацию об использовании электроэнергии в разное время дня.

Термин «умная сеть» (Smart grid) впервые появился в 2003 году в статье Майкла Т. Бурра «Спрос на надежность будет управлять инвестициями в автоматизацию». Автор перечислил несколько функциональных и технологических определений умной сети, некоторые ее преимущества. Общим элементом для большинства определений умной сети является применение цифровой обработки данных и связи в электрических сетях, что делает поток данных и управление информацией ключевыми технологиями умных сетей.

Работа умных сетей основана на следующих принципах.

1.      Двусторонняя связь. Умные сети обеспечивают непрерывный обмен данными между производителями и потребителями электроэнергии. Получаемая информация позволяет принимать оперативные решения и оптимизировать потребление.

2.      Автоматизация процессов. Использование автоматизированных систем управления и контроля позволяет сократить время на реагирование во внештатных ситуациях и повысить общую эффективность энергетической системы.

3.      Интеграция возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Умные сети способны эффективно интегрировать различные источники энергии, включая солнечные панели и ветровые генераторы. Это позволяет сбалансировать колебания в производстве и потреблении энергии, что приводит к повышению устойчивости энергосистем и уменьшению углеродного следа.

Основные компоненты умных сетей

Смарт-счетчики. Такие устройства позволяют отслеживать потребление электроэнергии в реальном времени и передавать данные о потреблении в режиме онлайн. Датчики и терминалы, установленные по всей сети, обеспечивают мониторинг состояния оборудования и сетевой нагрузки.

Системы автоматизации и управления. Включают программное и аппаратное обеспечение для автоматизации управления сетями. Автоматизированные системы помогают оптимизировать распределение электроэнергии, управляя потоками энергии в зависимости от спроса и предложения, что позволяет избегать перегрузок и дисбаланса в сети.

Инфраструктура связи также является важным компонентом умной сети электроснабжения. Используются различные технологии передачи данных – от проводных (оптоволоконные кабели) до беспроводных (Wi-Fi, LTE, 5G). Это позволяет обеспечить высокоскоростную и надежную связь между всеми компонентами сети.

С помощью интернета вещей (IoT) устройства, подключенные к сети, могут также обмениваться данными, анализировать их и принимать решения на основе полученной информации. Это создает условия для автоматизированного управления и улучшает реакцию системы на изменения в потреблении.

Устойчивое развитие и качество электроснабжения

Автоматизация является одним из основных преимуществ умных сетей по сравнению с традиционными энергосистемами, обеспечивая более высокий уровень эффективности, надежности и гибкости в управлении электроэнергией. Благодаря автоматическому сбору и анализу данных в режиме реального времени умные сети способны оперативно реагировать на изменения нагрузки и состояния оборудования. Это позволяет не только регулировать потребление электроэнергии в зависимости от текущих условий, но и выявлять возникающие проблемы и неисправности на ранних стадиях, что существенно снижает риск аварий и простоев.

Современные алгоритмы обработки данных, включая методы машинного обучения и искусственного интеллекта, открывают новые возможности для прогнозирования потребления электроэнергии с высокой точностью. Такой прогноз помогает энергетическим компаниям заранее планировать производство и распределение ресурсов, оптимизируя работу генераторов и сетевой инфраструктуры. В результате удается избегать перегрузок в часы пик, снижать потребление в периоды максимального спроса и обеспечивать более равномерное распределение нагрузки по сети. Это не только повышает стабильность энергоснабжения, но и способствует экономии ресурсов и снижению эксплуатационных затрат.

Кроме того, автоматизированные системы умных сетей способны быстро и эффективно перенаправлять поток электроэнергии в обход поврежденных или перегруженных участков сети. Например, при обнаружении неисправности на линии электропередачи система может мгновенно переключить подачу энергии на альтернативные «маршруты», минимизируя время отключения и предотвращая масштабные аварии. Такая способность к самовосстановлению значительно повышает устойчивость энергосистемы и качество обслуживания потребителей.

Современные технологии также обеспечивают постоянный контроль параметров качества электроэнергии, таких как напряжение, частота, гармонические искажения и другие важные показатели. Автоматизированные системы мониторинга способны мгновенно выявлять отклонения от нормативных значений и принимать корректирующие меры, тем самым защищая оборудование потребителей и инфраструктуру энергосети от повреждений и преждевременного износа. Это способствует снижению числа аварийных отключений и увеличению срока службы электротехнического оборудования.

Таким образом, автоматизация в умных сетях не только повышает эффективность и надежность энергоснабжения, но и создает условия для устойчивого развития энергетической инфраструктуры, позволяя адаптироваться к современным вызовам и требованиям рынка электроэнергии.

Использование в городах и перспективы

В настоящее время успешно реализуются проекты по внедрению умных сетей в городах по всему миру: Нью-Йорк и Чикаго – в США, Берлин и Гамбург – в Германии, Амстердам, Токио, Сидней, Шанхай, Пекин. В России внедряются элементы умных сетей в Москве, Санкт-Петербурге, Уфе и многих других городах. Некоторые крупные города (Копенгаген, Сингапур, Сиэтл) успешно внедрили умные сети для управления энергопотреблением и для повышения энергоэффективности в городской среде.

Умные сети также нашли применение и в домашних условиях (системы «Умный дом»), позволяя владельцам управлять потреблением электроэнергии, отоплением, освещением с помощью автоматики или непосредственно из мобильных приложений. Актуальная сегодня концепция «Умный город» подразумевает взаимодействие различных технологических элементов городской инфраструктуры в целях создания единой цифровой экосистемы, объединяющей транспорт, энергетику, безопасность и коммунальные службы. Это позволяет повысить эффективность управления городом и улучшить качество жизни горожан.

В сфере городского транспорта возможно реализовать мероприятия по повышению мобильности и снижению пробок. Умные светофоры, системы трекинга транспорта и аналитика данных в реальном времени сокращают время в пути, уменьшают пробки и снижают выбросы CO₂. В то же время системы уличного видеонаблюдения с помощью искусственного интеллекта и аналитики больших данных помогают прогнозировать и предотвращать аварии и чрезвычайные ситуации, повышая безопасность городских пространств. В перспективе ближайших 10-15 лет умные города могут стать автономными системами, где инфраструктура связи обеспечит мгновенное управление транспортом, энергией и безопасностью, а цифровые двойники (виртуальные копии городов) будут моделировать городские процессы для адаптации к климатическим и демографическим изменениям.

Умные города будут использовать взаимодействие с жителями по вопросам местного самоуправления и для принятия решений с помощью электронного участия и совместного проектирования, улучшая управление и повышая коллективный интеллект сообщества. Умные сети сегодня становятся фундаментом для реализации концепции умных городов в будущем.

Заключение

В целом умные сети предоставляют множество возможностей для повышения устойчивости и качества городской инфраструктуры, а также для улучшения экологии и жизни граждан. Их использование – важный шаг в эволюции энергетических систем, что обеспечивает высокую степень автоматизации и интеграции с современными технологиями. Благодаря их применению улучшается качество и стабильность электроснабжения, сокращается время реагирования на аварии и повышается устойчивость энергосистем к внешним факторам. Открываются новые горизонты для эффективного управления ресурсами и для устойчивого развития.

Основные достижения в области умных сетей не только способствуют более устойчивому и эффективному использованию электроэнергии, но и являются ключевым компонентом в переходе к экологически чистой энергетике. В условиях глобальных климатических изменений и растущего спроса на электроэнергию умные сети становятся не только необходимостью, но и решением, способным обеспечить энергетическую безопасность будущего. Они создают основу для устойчивого, комфортного и безопасного городского развития, обеспечивая экономию ресурсов, повышение качества жизни и адаптацию к вызовам будущего.