شبكات الطاقة الذكية

من المتوقع أن ينمو الطلب العالمي على الطاقة بنحو 2,2٪ سنويًا. وهذا يعني أن استهلاك الطاقة العالمي الحالي الذي يزيد عن 20 بيتاواط / ساعة سيرتفع إلى 2030 بيتاواط / ساعة في عام 33. في الوقت نفسه ، يتم التركيز على استخدام الطاقة بشكل أكثر كفاءة من أي وقت مضى.

1. السيارات في الشبكة الذكية

تتوقع توقعات أخرى أن يستهلك النقل أكثر من 2050 في المائة من الطلب على الكهرباء بحلول عام 10 ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الشعبية المتزايدة للسيارات الكهربائية والهجينة.

إذا شحن بطارية السيارة الكهربائية لا تتم إدارتها بشكل صحيح أو لا تعمل من تلقاء نفسها على الإطلاق ، فهناك خطر حدوث أحمال ذروة بسبب شحن الكثير من البطاريات في نفس الوقت. الحاجة إلى حلول تسمح بشحن المركبات في الأوقات المثلى (1).

أنظمة الطاقة الكلاسيكية في القرن العشرين ، والتي تم فيها إنتاج الكهرباء في الغالب في محطات الطاقة المركزية وتوصيلها للمستهلكين عبر خطوط نقل الجهد العالي وشبكات التوزيع ذات الجهد المتوسط ​​والمنخفض ، غير مناسبة لمتطلبات العصر الجديد.

في السنوات الأخيرة ، يمكننا أيضًا أن نرى التطور السريع للأنظمة الموزعة ، صغار منتجي الطاقة الذين يمكنهم مشاركة فوائضهم مع السوق. لديهم حصة كبيرة في الأنظمة الموزعة. مصادر الطاقة المتجددة.

مسرد الشبكات الذكية

AMI - اختصار للبنية التحتية المتقدمة للقياس. يقصد به البنية التحتية للأجهزة والبرامج التي تتصل بعدادات الكهرباء وتجمع بيانات الطاقة وتحلل هذه البيانات.

جيل موزع - إنتاج الطاقة من خلال منشآت توليد صغيرة أو منشآت متصلة مباشرة بشبكات التوزيع أو موجودة في نظام طاقة المتلقي (خلف أجهزة التحكم والقياس) ، وعادة ما تنتج الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة أو غير التقليدية ، وغالبًا ما يتم دمجها مع إنتاج الحرارة (التوليد المشترك للطاقة) ). . قد تشمل شبكات التوليد الموزعة ، على سبيل المثال ، المستهلكي أو تعاونيات الطاقة أو محطات الطاقة البلدية.

جهاز قياس ذكي - عداد كهرباء عن بعد له وظيفة النقل التلقائي لبيانات قياس الطاقة إلى المورد وبالتالي يوفر المزيد من الفرص للاستخدام الواعي للكهرباء.

مصدر طاقة صغير - محطة صغيرة لتوليد الطاقة ، تستخدم عادة للاستهلاك الشخصي. يمكن أن يكون المصدر الصغير عبارة عن محطات طاقة شمسية محلية أو مائية أو طاقة الرياح ، أو توربينات صغيرة تعمل بالغاز الطبيعي أو الغاز الحيوي ، ووحدات بمحركات تعمل بالغاز الطبيعي أو الغاز الحيوي.

مستهلك - مستهلك للطاقة واعي ينتج الطاقة لاحتياجاته الخاصة ، على سبيل المثال ، في المصادر الصغيرة ، ويبيع الفائض غير المستخدم لشبكة التوزيع.

معدلات ديناميكية - التعرفات مع مراعاة التغيرات اليومية في أسعار الطاقة.

زمكان يمكن ملاحظته

يتطلب حل هذه المشكلات (2) وجود شبكة ذات بنية تحتية مرنة "للتفكير" من شأنها توجيه الطاقة حيث تحتاجها بالضبط. مثل هذا القرار شبكة الطاقة الذكية - شبكة كهرباء ذكية.

2. التحديات التي تواجه سوق الطاقة

بشكل عام ، الشبكة الذكية هي نظام طاقة يدمج بذكاء أنشطة جميع المشاركين في عمليات الإنتاج والنقل والتوزيع والاستخدام من أجل توفير الكهرباء بطريقة اقتصادية ومستدامة وآمنة (3).

فرضيتها الرئيسية هي الاتصال بين جميع المشاركين في سوق الطاقة. تربط الشبكة محطات توليد الكهرباء، كبيرها وصغيرها ، ومستهلكو الطاقة في هيكل واحد. يمكن أن توجد وتعمل بفضل عنصرين: الأتمتة المبنية على أجهزة استشعار متقدمة ونظام تكنولوجيا المعلومات والاتصالات.

لتوضيح الأمر ببساطة: الشبكة الذكية "تعرف" أين ومتى تنشأ الحاجة الأكبر للطاقة وأكبر إمداد ، ويمكنها توجيه الطاقة الزائدة إلى حيث تشتد الحاجة إليها. ونتيجة لذلك ، يمكن لمثل هذه الشبكة أن تحسن كفاءة وموثوقية وأمن سلسلة إمداد الطاقة.

3. الشبكة الذكية - المخطط الأساسي

4. ثلاث مجالات للشبكات الذكية والأهداف والفوائد الناشئة عنها

الشبكات الذكية تسمح لك بأخذ قراءات عدادات الكهرباء عن بُعد ، ومراقبة حالة الاستقبال والشبكة ، بالإضافة إلى ملف تعريف استقبال الطاقة ، وتحديد الاستهلاك غير القانوني للطاقة ، والتداخل في العدادات وفقدان الطاقة ، وفصل / توصيل المستلم عن بُعد ، وتبديل التعريفات ، والأرشفة وفاتورة لقيم القراءة والأنشطة الأخرى (4).

من الصعب تحديد الطلب على الكهرباء بدقة ، لذلك يجب أن يستخدم النظام عادةً ما يسمى بالاحتياطي الساخن. يمكن أن يؤدي استخدام التوليد الموزع (انظر مسرد الشبكة الذكية) إلى جانب الشبكة الذكية إلى تقليل الحاجة إلى الاحتفاظ باحتياطيات كبيرة متاحة بالكامل.

القطب شبكات ذكية يوجد نظام قياس شامل ومحاسبة ذكية (5). ويشمل أنظمة الاتصالات التي تنقل بيانات القياس إلى نقاط القرار ، بالإضافة إلى المعلومات الذكية والتنبؤ وخوارزميات اتخاذ القرار.

يجري بالفعل إنشاء أولى التركيبات التجريبية لأنظمة القياس "الذكية" ، وتغطي المدن أو الكوميونات الفردية. بفضلهم ، يمكنك ، من بين أمور أخرى ، تقديم الدفع بالساعة للعملاء الفرديين. هذا يعني أنه في أوقات معينة من اليوم ، سيكون سعر الكهرباء لمثل هذا المستهلك الفردي أقل ، لذا فإن الأمر يستحق تشغيل الغسالة ، على سبيل المثال.

وفقًا لبعض العلماء ، مثل مجموعة من الباحثين من معهد ماكس بلانك الألماني في جوتنجن بقيادة مارك تيم ، يمكن لملايين العدادات الذكية في المستقبل إنشاء جهاز مستقل تمامًا شبكة ذاتية التنظيم، لامركزي مثل الإنترنت ، وآمن لأنه يقاوم الهجمات التي تتعرض لها الأنظمة المركزية.

القوة من التعددية

مصادر الكهرباء المتجددة نظرًا لسعة الوحدة الصغيرة (RES) ، يتم توزيع المصادر. وتشمل الأخيرة مصادر بسعة وحدة أقل من 50-100 ميغاواط ، مثبتة على مقربة من المستهلك النهائي للطاقة.

ومع ذلك ، من الناحية العملية ، فإن الحد الأقصى لمصدر يعتبر مصدرًا موزعًا يختلف اختلافًا كبيرًا من بلد إلى آخر ، على سبيل المثال ، في السويد 1,5 ميجاوات ، في نيوزيلندا 5 ميجاوات ، في الولايات المتحدة 5 ميجاواط ، في المملكة المتحدة 100 ميجاوات. .

مع وجود عدد كبير من المصادر موزعة على مساحة صغيرة من نظام الطاقة وبفضل الفرص التي توفرها شبكات ذكيةيصبح من الممكن والمربح دمج هذه المصادر في نظام واحد يتحكم فيه المشغل ، وإنشاء "محطة طاقة افتراضية".

هدفها هو تركيز التوليد الموزع في نظام واحد متصل منطقيًا ، وزيادة الكفاءة التقنية والاقتصادية لتوليد الكهرباء. يمكن أيضًا أن يستخدم التوليد الموزع الموجود على مقربة من مستهلكي الطاقة موارد الوقود المحلية ، بما في ذلك الوقود الحيوي والطاقة المتجددة ، وحتى النفايات البلدية.

تربط محطة الطاقة الافتراضية العديد من مصادر الطاقة المحلية المختلفة في منطقة معينة (الطاقة المائية والرياح ومحطات الطاقة الكهروضوئية وتوربينات الدورة المركبة والمولدات التي تعمل بالمحرك وما إلى ذلك) وتخزين الطاقة (خزانات المياه والبطاريات) التي يتم التحكم فيها عن بعد بواسطة شبكة تكنولوجيا المعلومات واسعة النطاق.

يجب أن تلعب أجهزة تخزين الطاقة وظيفة مهمة في إنشاء محطات طاقة افتراضية ، مما يسمح بتعديل توليد الكهرباء وفقًا للتغيرات اليومية في طلب المستهلك. عادة ما تكون هذه الخزانات عبارة عن بطاريات أو مكثفات فائقة ؛ يمكن أن تلعب محطات التخزين التي يتم ضخها دورًا مشابهًا.

يمكن فصل منطقة متوازنة بقوة ، تشكل محطة طاقة افتراضية ، عن شبكة الطاقة باستخدام مفاتيح حديثة. يعمل هذا المفتاح على الحماية وإجراء أعمال القياس ومزامنة النظام مع الشبكة.

العالم يزداد ذكاء

W شبكات ذكية تستثمر حاليًا من قبل أكبر شركات الطاقة في العالم. في أوروبا ، على سبيل المثال ، EDF (فرنسا) ، RWE (ألمانيا) ، Iberdrola (إسبانيا) و British Gas (المملكة المتحدة).

6. تجمع الشبكة الذكية بين المصادر التقليدية والمتجددة

أحد العناصر المهمة في هذا النوع من النظام هو شبكة توزيع الاتصالات السلكية واللاسلكية ، والتي توفر نقل IP موثوقًا ثنائي الاتجاه بين أنظمة التطبيق المركزية وعدادات الكهرباء الذكية الموجودة مباشرة في نهاية نظام الطاقة ، عند المستهلكين النهائيين.

في الوقت الحاضر ، أكبر شبكات الاتصالات في العالم لتلبية الاحتياجات الشبكة الذكية من أكبر مشغلي الطاقة في بلدانهم - مثل LightSquared (الولايات المتحدة الأمريكية) أو EnergyAustralia (أستراليا) - يتم إنتاجهم باستخدام تقنية Wimax اللاسلكية.

بالإضافة إلى ذلك ، يتضمن أول وواحد من أكبر التطبيقات المخطط لها لنظام AMI (البنية التحتية للقياس المتقدم) في بولندا ، والتي تعد جزءًا لا يتجزأ من شبكة Energa Operator SA الذكية ، استخدام نظام Wimax لنقل البيانات.

من المزايا المهمة لحل Wimax فيما يتعلق بالتقنيات الأخرى المستخدمة في قطاع الطاقة لنقل البيانات ، مثل PLC ، أنه لا توجد حاجة لإيقاف تشغيل أقسام كاملة من خطوط الكهرباء في حالة الطوارئ.

7. هرم الطاقة في أوروبا

وضعت الحكومة الصينية خطة كبيرة طويلة الأجل للاستثمار في أنظمة المياه ، وتحديث وتوسيع شبكات النقل والبنية التحتية في المناطق الريفية ، و شبكات ذكية. تخطط شركة الشبكة الحكومية الصينية لتقديمها بحلول عام 2030.

يخطط اتحاد صناعة الكهرباء الياباني لتطوير شبكة ذكية تعمل بالطاقة الشمسية بحلول عام 2020 بدعم من الحكومة. حاليًا ، يتم تنفيذ برنامج حكومي لاختبار الطاقة الإلكترونية للشبكات الذكية في ألمانيا.

سيتم إنشاء "شبكة عملاقة" للطاقة في دول الاتحاد الأوروبي ، والتي سيتم من خلالها توزيع الطاقة المتجددة ، بشكل أساسي من مزارع الرياح. على عكس الشبكات التقليدية ، لن يعتمد على التناوب ، بل على التيار الكهربائي المباشر (DC).

مولت الصناديق الأوروبية برنامج البحث والتدريب المتعلق بالمشروع MEDOW ، والذي يجمع الجامعات وممثلي صناعة الطاقة. MEDOW هو اختصار للاسم الإنجليزي "Multi-terminal DC Grid For Offshore Wind".

من المتوقع أن يستمر البرنامج التدريبي حتى مارس 2017. خلق شبكات الطاقة المتجددة على المستوى القاري والاتصال الفعال بالشبكات القائمة (6) أمر منطقي بسبب الخصائص المحددة للطاقة المتجددة ، والتي تتميز بالفوائض الدورية أو النقص في السعة.

برنامج Smart Peninsula الذي يعمل في Hel Peninsula معروف جيدًا في صناعة الطاقة البولندية. هنا قامت Energa بتنفيذ أول أنظمة قراءة تجريبية عن بعد في البلاد ولديها البنية التحتية التقنية المناسبة للمشروع ، والذي سيتم ترقيته بشكل أكبر.

لم يتم اختيار هذا المكان بالصدفة. تتميز هذه المنطقة بتقلبات عالية في استهلاك الطاقة (استهلاك مرتفع في الصيف ، وأقل بكثير في الشتاء) ، مما يخلق تحديًا إضافيًا لمهندسي الطاقة.

يجب أن يتميز النظام المنفذ ليس فقط بالموثوقية العالية ، ولكن أيضًا بالمرونة في خدمة العملاء ، مما يسمح لهم بتحسين استهلاك الطاقة ، وتغيير تعرفة الكهرباء واستخدام مصادر الطاقة البديلة الناشئة (الألواح الكهروضوئية ، وتوربينات الرياح الصغيرة ، وما إلى ذلك).

في الآونة الأخيرة ، ظهرت أيضًا معلومات تفيد بأن Polskie Sieci Energetyczne يريد تخزين الطاقة في بطاريات قوية بسعة لا تقل عن 2 ميجاوات. يخطط المشغل لبناء مرافق تخزين الطاقة في بولندا التي ستدعم شبكة الطاقة من خلال ضمان استمرارية الإمداد عندما تتوقف مصادر الطاقة المتجددة (RES) عن العمل بسبب نقص الرياح أو بعد حلول الظلام. ستذهب الكهرباء من المستودع بعد ذلك إلى الشبكة.

يمكن أن يبدأ اختبار الحل في غضون عامين. وفقًا لمعلومات غير رسمية ، قدم اليابانيون من Hitachi PSE لاختبار حاويات البطاريات القوية. إحدى بطاريات الليثيوم أيون هذه قادرة على توفير 1 ميجاوات من الطاقة.

يمكن أن تقلل المستودعات أيضًا من الحاجة إلى توسيع محطات الطاقة التقليدية في المستقبل. تعمل مزارع الرياح ، التي تتميز بتنوع كبير في إنتاج الطاقة (اعتمادًا على ظروف الأرصاد الجوية) ، على إجبار الطاقة التقليدية على الاحتفاظ باحتياطي من الطاقة بحيث يمكن استبدال طواحين الهواء أو استكمالها في أي وقت مع انخفاض ناتج الطاقة.

يستثمر المشغلون في جميع أنحاء أوروبا في تخزين الطاقة. أطلق البريطانيون مؤخرًا أكبر عملية تثبيت من هذا النوع في قارتنا. المرفق الموجود في Leighton Buzzard بالقرب من لندن قادر على تخزين ما يصل إلى 10 ميجاوات من الطاقة وتوفير 6 ميجاوات من الطاقة.

وخلفه S&C Electric و Samsung بالإضافة إلى UK Power Networks و Younicos. في سبتمبر 2014 ، قامت الشركة الأخيرة ببناء أول مخزن تجاري للطاقة في أوروبا. تم إطلاقه في شفيرين بألمانيا وبقدرة 5 ميجاوات.

تحتوي وثيقة "توقعات مشاريع الشبكة الذكية لعام 2014" على 459 مشروعًا تم تنفيذها منذ عام 2002 ، حيث ساهم استخدام التقنيات الجديدة وقدرات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (المعلومات عن بُعد) في إنشاء "شبكة ذكية".

وتجدر الإشارة إلى أن المشاريع التي تم أخذها في الاعتبار والتي شاركت فيها دولة واحدة على الأقل من الدول الأعضاء في الاتحاد الأوروبي (كانت شريكًا) (7). وبذلك يرتفع عدد البلدان التي يغطيها التقرير إلى 47.

حتى الآن ، تم تخصيص 3,15 مليار يورو لهذه المشاريع ، على الرغم من أن 48 في المائة منها لم يكتمل بعد. تستهلك مشاريع البحث والتطوير حاليًا 830 مليون يورو ، بينما تبلغ تكلفة الاختبار والتنفيذ 2,32 مليار يورو.

من بينها ، نصيب الفرد ، الدنمارك هي الأكثر استثمارًا. من ناحية أخرى ، تمتلك فرنسا والمملكة المتحدة أعلى المشاريع المدرجة في الميزانية ، بمتوسط ​​5 ملايين يورو لكل مشروع.

بالمقارنة مع هذه البلدان ، كان أداء بلدان أوروبا الشرقية أسوأ بكثير. وفقًا للتقرير ، فإنهم يولدون 1 في المائة فقط من إجمالي الميزانية لجميع هذه المشاريع. وبحسب عدد المشاريع المنفذة ، فإن الخمسة الأوائل هم: ألمانيا والدنمارك وإيطاليا وإسبانيا وفرنسا. احتلت بولندا المركز الثامن عشر في الترتيب.

كانت سويسرا في المقدمة ، تليها أيرلندا. تحت شعار الشبكة الذكية ، يتم تنفيذ حلول طموحة وشبه ثورية في العديد من الأماكن حول العالم. خطط لتحديث نظام الطاقة.

أحد أفضل الأمثلة هو مشروع أونتاريو للبنية التحتية الذكية (2030) ، الذي تم إعداده في السنوات الأخيرة ومن المتوقع أن يستمر لمدة تصل إلى 8 سنوات.

8. خطة لنشر الشبكة الذكية في مقاطعة أونتاريو الكندية.

فيروسات الطاقة؟

ومع ذلك، إذا شبكة الطاقة أصبح مثل الإنترنت ، يجب أن تأخذ في الاعتبار أنه قد يواجه نفس التهديدات التي نواجهها في شبكات الكمبيوتر الحديثة.

9. الروبوتات المصممة للعمل في شبكات الطاقة

حذرت F-Secure Laboratories مؤخرًا من تهديد جديد معقد لأنظمة خدمات الصناعة ، بما في ذلك شبكات الطاقة. يطلق عليه Havex ويستخدم تقنية جديدة متطورة للغاية لإصابة أجهزة الكمبيوتر.

هافيكس مكونان رئيسيان. الأول هو برنامج Trojan ، والذي يستخدم للتحكم عن بعد في النظام المهاجم. العنصر الثاني هو خادم PHP.

تم إرفاق حصان طروادة من قبل المهاجمين ببرنامج APCS / SCADA المسؤول عن مراقبة التقدم في العمليات التكنولوجية والإنتاجية. يقوم الضحايا بتنزيل مثل هذه البرامج من مواقع متخصصة غير مدركين للخطر.

كان ضحايا Havex في المقام الأول مؤسسات وشركات أوروبية تعمل في مجال الحلول الصناعية. يشير جزء من شفرة Havex إلى أن منشئيها ، بالإضافة إلى رغبتهم في سرقة البيانات حول عمليات الإنتاج ، يمكن أن يؤثروا أيضًا على مسارهم.

10. مناطق الشبكات الذكية

كان مؤلفو هذه البرامج الضارة مهتمين بشكل خاص بشبكات الطاقة. ربما عنصر مستقبلي نظام الطاقة الذكية الروبوتات أيضا.

في الآونة الأخيرة ، طور باحثون في جامعة Michigan Tech نموذجًا للروبوت (9) يوفر الطاقة للأماكن المتأثرة بانقطاع التيار الكهربائي ، مثل الكوارث الطبيعية.

يمكن للآلات من هذا النوع ، على سبيل المثال ، إعادة الطاقة إلى البنية التحتية للاتصالات (الأبراج والمحطات القاعدية) من أجل تنفيذ عمليات الإنقاذ بشكل أكثر كفاءة. الروبوتات مستقلة ، هم أنفسهم يختارون أفضل طريق للوصول إلى وجهتهم.

قد يكون لديهم بطاريات على متن الطائرة أو الألواح الشمسية. يمكنهم إطعام بعضهم البعض. المعنى والوظائف شبكات ذكية اذهب إلى ما هو أبعد من الطاقة (10).

يمكن استخدام البنية التحتية التي تم إنشاؤها بهذه الطريقة لإنشاء حياة ذكية متنقلة جديدة في المستقبل ، بناءً على أحدث التقنيات. حتى الآن ، يمكننا فقط تخيل مزايا (ولكن أيضًا عيوب) هذا النوع من الحلول.