Smart Grids, так называемые интеллектуальные энергосети, в первую очередь являются предметом интереса электроэнергетики. Однако многие подходы, используемые в интеллектуальных энергосетях и связанных с ними решениях с применением интеллектуальных датчиков, оказывают непосредственное влияние на работу сетей в зданиях и на подключение к поставщикам электроэнергии. В данной статье описываются как сама концепция сетей Smart Grid, так и ее компоненты.

 

Потребность в интеллектуальных энергосетях обусловлена главным образом активным внедрением возобновляемых источников энергии, что заставляет вносить изменения в сетевые инфраструктуры. В случае возобновляемых источников энергии, в частности ветра и солнца, подача электроэнергии осуществляется децентрализованно и неравномерно, тогда как обычная энергосеть рассчитана на централизованное питание от электростанций и ориентирована на определенный уровень потребления энергии. Использование возобновляемых источников приводит к смене парадигм: теперь потребление электроэнергии должно подстраиваться под имеющиеся в данный момент объемы, поскольку (пока) для таких источников не существует удовлетворительных способов ее долгосрочного хранения. По этой причине оправданны и даже необходимы возможности управления потребителями через сеть и внедрения тарифов, зависящих от времени. Правда, узлы-потребители должны уметь контактировать с сетью или с производителями электроэнергии.

 

Профили и стандарты коммуникации

Внутри интеллектуальной энергосети существуют особые коммуникационные структуры: между уровнем управления и станционным уровнем используются SDH/PDH, V.24 или Ethernet с протоколом распределенной сети (Distributed Network Protocol, DNP3). DNP3 охватывает следующие уровни модели OSI: канальный, транспортный и прикладной.

В качестве альтернативы могут применяться протоколы стандарта IEC 60870. Между станционным и полевым уровнями дополнительно используется стандарт IEC 61850 с объектно-ориентированным подходом. В иных случаях, например в IEC 60870, прибегают к спецификации Manufacturing Message Specification (MMS), TCP/IP и — на канальном уровне — к Ethernet. Иногда на канальном уровне встречаются традиционные полевые шины, в частности Modbus.

 

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ЭНЕРГОСЕТЬ

В качестве примера элемента с подобным управлением часто упоминается стиральная машина, которая включается только при наличии избытка электроэнергии в сети («дешевое» электричество). Аналогичная схема возможна при эксплуатации морозильных камер: если появляется дешевое электричество, температура снижается, чтобы позднее, когда будет доступна только дорогая электроэнергия, блок охлаждения отключался. Еще один пример: управление собственным энергопотреблением при использовании фотогальванической энергетической установки (солнечных батарей). В этом сегменте производители уже предлагают беспроводные компоненты, позволяющие управлять конечными устройствами. Для сетевой отрасли здесь открываются новые сферы применения, и рынок может быть достаточно обширным. Так, потребители по достоинству оценят возможность контролировать расход электроэнергии и управлять инженерными системами здания с помощью специального приложения на своем смартфоне.

 

Подходы к нормированию интеллектуальных датчиков

Немецкий форум сетевых технологий и эксплуатации сетей (FNN), существующий в рамках союза VDE, пытается совместно с EVU преодолеть нехватку четко заданных законодательных постановлений относительно интеллектуальных датчиков путем публикации технических условий для отдельных компонентов. Устройства, используемые разными поставщиками электроэнергии, значительно различаются по своим функциям. Так, счетчики EDL21 отвечают требованиям статьи 21б закона об энергетическом хозяйстве Германии, а EDL40 — статьи 40 того же закона. Счетчик типа EDL21 может осуществлять только активное непрерывное измерение и отображение данных о потреблении. Желающие войти в этот рынок быстро убедятся в том, что между США и Европой разгорелась нешуточная конкурентная борьба по вопросам нормирования. Ее цель — завоевать лидерство на развивающемся азиатском рынке, в особенности в Китае.

 

Кроме того, в интеллектуальной энергосети потребитель сам сможет выступать в качестве производителя энергии и активного участника рынка электроэнергии, к примеру, поставляя избыточную солнечную энергию в общественную энергосеть. Благодаря этому взаимодействию сети Smart Grid повышают эффективность, надежность и защищенность энергосетей. Такую интеллектуальную энергосеть, которая была бы способна нивелировать пиковые нагрузки и оптимально вовлекать в процесс энергоснабжения возобновляемые источники энергии, можно реализовать лишь путем использования информационно-коммуникационных технологий (ИКТ).

 

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СЧЕТЧИКИ

Сети Smart Grid включают следующие компоненты:

  • виртуальные электростанции;
  • интеллектуальные счетчики;
  • «умные» дома, или интеллектуальные здания;
  • контролирующее и управляющее программное обеспечение.

Виртуальная электростанция объединяет источники электроэнергии (блочные тепловые электростанции, газовые электростанции, биогазовые установки, солнечные батареи или ветрогенераторы), а также необходимые элементы энергосети (трансформаторные подстанции). Она может охватывать большую географическую территорию, причем отдельные ее компоненты связаны с центральной системой управления с помощью информационных технологий. Одним из исполнителей подобных проектов является немецкий поставщик электроэнергии компания Lichtblick, осуществляющая централизованное управление распределенными по всей Германии блочными тепловыми электростанциями в соответствии с актуальными требованиями.

Для сетей Smart Grid важны два аспекта:

  • сеть управляет потребителями и сетевыми элементами;
  • Smart Grid не может функционировать без интеллектуальных счетчиков.

Интеллектуальные счетчики (Smart Meter) реализуют интерфейсы к сети и к потребителям. Речь идет не только о счетчиках электроэнергии? они могут измерять потребление газа, тепла или воды. Будучи двунаправленным компонентом, такой счетчик поддерживает дистанционное считывание показаний и параметризацию, подключение к сети и отключение от нее, измерение изменений потребляемой мощности (сбор интервальных данных), управление нагрузкой, а также контроль за децентрализованными производителями энергии и управление ими. Специалисты считают, что у таких решений есть большой рыночный потенциал. В настоящее время в Германии реализуется ряд пилотных проектов, однако отсутствие четких законодательных формулировок затрудняет работу производителей и энергоснабжающих организаций.

С одной стороны, интеллектуальные счетчики отправляют поставщикам энергии текущие сведения о потреблении, а с другой — получают данные о тарифах. Зачастую такая коммуникация реализуется с помощью интерфейсов сотовой связи, но можно представить себе и использование имеющейся инфраструктуры Интернета посредством виртуальных частных сетей (Virtual Private Networks, VPN) или передачу данных по электросети (Power Line Communication, PLC) (см. Рисунок 1).

 

Рисунок 1. Область определения сетей Smart Grid, «умных» домов и интеллектуальных зданий с используемыми для них различными коммуникационными инфраструктурами.

 

Для коммуникации внутри здания доступны различные типы сетей, которые мы рассмотрим более подробно. Важную роль при передаче и обработке данных о потреблении ресурсов играет их защита, поскольку никому не хочется, чтобы посторонние лица могли таким простым способом получить сведения, к примеру, о том, находится ли кто-нибудь дома или нет.

 

УМНЫЕ ДОМА И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЗДАНИЯ

Понятие «умный» дом, или интеллектуальное здание, связано с технологиями интеллектуального управления зданиями. Сюда относятся управление рольставнями, освещением или потреблением ресурсов. Для реализации такого решения необходимо наличие сетевой инфраструктуры. Понятие «домашние сети» (Home Networking) относится к жилым строениям и имеет отношение к двум все еще разделенным между собой мирам: один охватывает доступ в Интернет с поддержкой услуг IPTV и потоковой передачи мультимедийных данных (Media Streaming), а другой — автоматизацию управления зданием. В этих мирах применяются очень разные сети. В первом случае используются технологии TCP/IP, беспроводные локальные сети (Wireless LAN, WLAN), Ethernet или PLC в качестве инфраструктуры второго уровня. В сегменте автоматизации зданий приходится сталкиваться с хаотическим нагромождением различных структур: так, свои технологии имеются у охранных систем и систем пожарной сигнализации. Для управления потреблением чаще всего устанавливаются шины EIB/KNX. Шина M-Bus изначально связывала счетчики тепла, а теперь нередко применяется в интеллектуальных датчиках. Крайне необходимо создать переходы между этими двумя изолированными областями.

 

Системы полевых шин в автоматизации зданий

Шины EIX/KNX являются полевыми шинами, используемыми для автоматизации зданий, представляют собой дальнейшее развитие европейской инсталляционной шины EIB и обратно совместимы с ней. Это открытый стандарт. На соответствующем рынке представлено более сотни производителей. Шина KNX нормирована в стандарте EN 50090, а позднее и в ISO/IEC 14543-6. В состав консорциума KNX входит, среди прочих, и компания Cisco.

M-Bus — полевая шина для подсоединения счетчиков тепла, однако она часто применяется в системах интеллектуальных датчиков. Передача данных может осуществляться через двухпроводную линию или с помощью беспроводной связи. Этот метод нормирован в стандарте EN 61134.

 

Попытки унификации коммуникационных решений в «умных» домах предпринимаются Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) и Институтом инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE). Так, ITU разработал ITU G.hn (G-Series, Home Networking) — пакет стандартов, использующих на канальном уровне (Link Layer) преимущественно технологию PLC. В этот пакет включены также беспроводные технологии, в частности Wireless LAN и Zigbee (энергоэффективный вариант Bluetooth). Стандарт IEEE 1901 (Broadband over Power Line Networks) был опубликован в 2010 году, и в нем описывается передача данных по электросетям. На рынке уже появились микросхемы с соответствующими интерфейсами. К примеру, компания Siemens заявила о том, что технология PLC будет интегрирована в ее системы интеллектуальных датчиков. Главная проблема, связанная с PLC, заключается в возможном возникновении помех для любительской радиосвязи и цифрового радиовещания. В настоящее время активная дискуссия по данному вопросу ведется в немецких специализированных журналах.

До сих пор неясно, какие кабельные системы следует применять в новых зданиях: делать ли ставку на универсальную проводку и прокладывать в частных домах кабельные каналы и устанавливать этажные распределители либо все-таки поддаться соблазнам технологии PLC с ее обещанием реализовать сеть передачи данных через любые доступные кабели, будь то телефонные провода, силовые или коаксиальные.

В промышленных помещениях ситуация совсем иная, поскольку там уже давно устанавливаются системы шин для автоматизации здания и используется все многообразие систем Industrial Ethernet. Применение технологии PLC в этой среде еще не столь широко распространено, как в жилых помещениях, но и здесь существует проблема перехода между отдельными сетями.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решающий критерий для успеха технологии Smart Grid — обеспечение бесперебойной коммуникации интеллектуальных счетчиков с потребителями и сетью. Имеющиеся шлюзы (см. Рисунок 2) хоть и представляют собой первые подходы к решению этой задачи, но не обеспечивают сквозной коммуникации. Она будет возможна, только если все высшие уровни станут использовать протокол TCP/IP и будет сформирован единый прикладной уровень. Без сетей невозможно представить себе здание, где энергия расходуется эффективно и экономно. В Германии крупные поставщики энергии, в том числе Союз немецких радиотехников (VDE), опубликовали совместно разработанные технические условия, а также ввели определение понятия Multi-Unit Communication (MUC), подразумевающего объединение нескольких интеллектуальных счетчиков и реализацию интерфейса к домашним сетям.

 

Рисунок 2. Структура «умных» домов, включающая компонент «интеллектуальный датчик», типичные устройства-потребители и шлюз для коммуникации между разными средами.

 

Клаус Беккер — глава компании Becker Training & Consulting, Меринг, Германия.