Что такое смарт грид

What is a Smart Grid? What are the Major Smart Grid Technologies?

A smart grid (SG) is a modern electric grid with a two-way flow of electricity and data between power utilities and consumers. Unlike a conventional electric grid, a smart grid is a digital technology-based electricity network driven by automation, communication, and connectivity.

Imagine a resilient electric grid better equipped to manage varying energy demands and better prepared to handle energy emergencies because of the intelligent two-way interactive capacity.

The rise of the smart grid is due to its potential to improve grid resilience, energy independence, and reliability, among other factors. Across the world, digital technology-enabled grids are driving smarter resource use and helping consumers, as well as power industry stakeholders reduce costs, save energy, and make better energy usage decisions.

A smart grid is a vital component of the global energy transition because a smart grid helps in providing clean energy and sustaining long-term economic growth while enabling us to achieve our carbon emission reduction goals.

Let us learn more about a smart grid and understand the future of the smart grid in detail.

Table of Contents

• What is a Smart Grid?
• How Does a Smart Grid Work?
• Components of a Smart Grid
• Smart Grid Technologies
• Traditional Electricity Grid vs. Smart Grid
• Benefits of a Smart Grid
• Challenges in Deploying a Smart Grid
• What Does the Future Look Like for a Smart Grid?
• Wrapping Up

What is a Smart Grid?

Generally, a grid is an electricity network that delivers electricity from producers to consumers. Also known as a “power grid” or an “electrical grid,” a grid consists of a combined transmission and distribution network with a multitude of high-voltage transmission lines and local distribution lines.

However, a smart grid is an advanced electric grid that uses communication, automation, and IT systems to oversee power flows from points of generation to points of consumption.

An average family uses electricity for a variety of household purposes, including cooking, heating, refrigeration, lighting, and EV (electric vehicle) charging. But a conventional power grid is not equipped with advanced metering infrastructure (AMI) to track electricity usage or measure electricity consumption.

Moreover, time-consuming and unreliable energy management processes are not ideal for dealing with an electrical power outage and electricity network-related problems.

Governments, utility companies, power plant owners, electricity distribution companies (DISCOMs), and other smart grid industry stakeholders benefit from smart grid development and deployment for streamlining grid operations and maximizing grid-friendly and consumer-friendly energy use.

How Does a Smart Grid Work?

The transition to a low-carbon economy is made easier by an energy-efficient and eco-friendly grid such as a smart grid.

A smart grid connects every component of the electricity grid across various stages—from power generation, transmission, storage, and distribution to electricity consumption. Integrating each device on a “plug & play” basis creates an integrated data and energy grid.

In the event of an outage or equipment failure, a smart grid can automatically reroute electricity due to its two-way interactivity. For example, identifying and isolating an outage prevents a large-scale and prolonged blackout.

Compared to a conventional grid, a smart grid enables consumer participation at a deeper level and a quicker demand response (DR).

Let’s see how a smart grid works:

A smart grid uses smart metering to identify, measure, and transmit the energy consumption details of homes, businesses, etc. Enabling direct communication with a utility company eliminates the practice of estimated bills. So, no more surprises on electric bills!

Components of a Smart Grid

A smart grid can connect millions of transmission lines to deliver electricity to an entire country. Individual components work together within the smart grid architecture to increase grid efficiency, reliability, resiliency, and stability. Furthermore, the modernized smart grid promotes consumer control and cost savings through holistic grid management.

The use of embedded systems in a smart grid allows the processing of information and communication between a wide variety of applications.

The main components of a smart grid are:

• Cables
• Circuit breakers
• Collector nodes
• Controllers
• Distribution and transmission lines and control centers
• Electric power generators
• Electric power substations
• Smart meters (SMs)

Smart Grid Technologies

A smart grid uses a broad range of technologies and communication networks to better manage power generation, transmission, and distribution, and empower customers with real-time control.

Major Smart Grid Technologies

Here are the major smart grid technologies that enable better energy management, optimize capability utilization, and improve the overall performance of smart grids.

Advanced Demand Forecasting

Advanced demand forecasting leverages data analytics and machine learning (ML) techniques and generates forecasting reports using autoregressive integrated moving average (ARIMA) and other statistical techniques.

As an essential component of smart grid management, ARIMA forecasting predicts annual electricity consumption and hourly electricity prices.

ARIMA forecasting also provides an additional layer of verification to detect cyber intrusion attacks on smart meters deployed to measure the electricity consumption of residential and non-residential consumers.

Advanced Metering Infrastructure (AMI)

Advanced metering infrastructure (AMI) is an integrated system of communication networks, data management systems, and smart meters that helps improve customer service and energy efficiency and manage costs effectively.

By enabling two-way communication with the customers and the utilities, AMI provides a smart grid with a broad range of benefits, such as consumption forecast, effective cash collection and theft detection, fault and outage detection, loss measurements, and time-based pricing.

Big Data

Smart grid data has three core aspects, i.e., high velocity, large volume, and a wide variety. Handling a large volume of data on time with limited resources is a major challenge for a smart grid. This is where big data analytics can play a crucial role in increasing asset utilization, efficiency, system reliability and stability, and enhancing customer satisfaction.

Without smart grid big data analytics, it is impractical to assess petabytes of data produced by smart grid devices. Big data captures and analyzes unstructured data from different endpoints in a smart grid.

In addition, big data facilitates efficient cost reduction, resource distribution, and better customer service.

Distributed Energy Resources (DERs)

Distributed energy resources (DERs) provide energy and enhance local reliability while improving grid stability and on-site fuel utilization.

DERs include electric vehicles, solar panels, small natural gas-fueled generators, and controllable loads, such as electric water heaters and HVAC systems.

Successful DER integration improves the service quality and reliability of a grid. For example, photovoltaic systems (PVs) use the photovoltaic effect to convert sunlight into electricity that is then converted by an inverter into alternating current. The main benefit of using PVs is lower utility bills from reduced grid-provided electricity.

Non-intrusive Load Monitoring (NILM)

Non-intrusive load monitoring (NILM) or non-intrusive appliance load monitoring (NIALM) identifies the individual energy consumption of households and industrial facilities.

Breaking down the aggregate energy consumption (of active appliances) into components and providing diagnostic information is useful for identifying energy-consuming or malfunctioning appliances.

Furthermore, consumers can schedule the most cost-effective time to use energy-intensive appliances and monitor and manage energy expenses according to their power consumption.

Vehicle-to-Grid (V2G)

Also known as vehicle-grid integration (VGI), vehicle-to-grid (V2G) technology transfers unused power from a vehicle into the smart grid. An electric vehicle (EV) battery is a cost-efficient form of energy storage.

V2G helps balance electricity consumption spikes and reduce overload on the power grid during peak hours.

For example, V2G can feed energy (unused battery capacity) back to the power grid from an electric car’s battery to improve grid stability and maximize the benefits of renewable energy.

Established and Emerging Smart Grid Communication Networks

HAN

A smart meter provides power to household appliances through the home area network (HAN) that uses various technologies like Bluetooth, Wireless Ethernet or Wired Ethernet, and Zigbee. HAN connects home appliances with the smart meter that identifies power consumption and sends the consumption details to the server for billing.

NAN

A neighborhood area network (NAN) is an outdoor access network that connects distribution automation devices and smart meters to WAN gateways like RF (radio frequency) collectors and field devices (such as intelligent electronic devices (IEDs)). NAN enables data collection from customers and supports WAN-premise area communication.

WAN

A wide area network (WAN) uses fiber optics, 3G/LTE (Long Term Evolution)/GSM (Global System for Mobile Communication), or WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) for communication between a smart meter, suppliers, and the utility server. A smart meter sends notifications it receives (via HAN) from the devices to the suppliers using WAN.

LoRaWAN

As a widely used IoT (Internet of Things) technology, LoRa (long range) is a long-range, low-power wireless platform ideal for diverse applications, such as energy management, infrastructure efficiency, and disaster prevention.

Smart electricity metering solutions and smart grid networks based on the LoRaWAN® (Long Range Wide Area Network) network protocol can better understand power demand, easily detect power outages, enhance connectivity, and identify underperforming assets.

Moreover, LoRaWAN is compatible with worldwide networks and ensures interference-free transmission to read heat meter consumption data remotely.

Traditional Electricity Grid vs. Smart Grid

Over the years, centralized electricity generation from power plants has gradually transitioned toward a distributed energy resource for adapting to a dynamic energy industry and elevating the energy experience for consumers.

The need to update the traditional electricity grid to a smart grid stemmed from several reasons, such as:

• Availability of more renewable energy and connected technologies
• Deregulation of the energy market
• Electricity production changes
• Growth of electric vehicles
• Metering evolution
• Need for remote grid management
• Renewable energy directives
• Rise of microgeneration and isolated microgrids
• The advent of the prosumer (one who produces, consumes, shares, and sells energy)

Let us look at the key differences between a traditional electricity grid and a smart grid:

Benefits of a Smart Grid

Monitoring and optimizing the interlinked components of an energy system are essential to ensure a reliable and efficient power supply while reducing energy consumption and costs.

How does a smart grid improve the efficiency and reliability of an energy system? A smart grid uses “smart meters” to minimize energy waste and maximize energy use.

Smart meters or smart measurement systems are replacing conventional electricity meters. Smart meters help in calculating the power generation, recording voltage failures, and providing grid operators with actionable data.

Smart Meter Benefits

A smart meter can:

• Decrease grid load by reducing the demand for electricity during peak periods.
• Offer better flexibility to consumers in leveraging account plans and “customized” tariffs.
• Provide greater network reliability by using grid capacity effectively.
• Provide visual feedback on consumption or power usage patterns to help consumers save on electricity costs.

Additional Benefits of a Smart Grid

Integrating established power technology with advanced analytics, automation technologies, and smart devices empowers a smart grid to respond faster to consumer demand and potential electrical network incidents.

A smart grid provides additional benefits, such as:

• Detect fraud and electrical network faults early for incident prevention
• Enable utilities to regulate electricity usage and lower operating costs
• Increase the safety of grid staff and suppliers
• Initiate a timely demand response (DR) to reduce the strain on power companies
• Prevent electricity theft through meter tampering
• Recognize the maintenance requirements of networked assets
• Reduce pollutant emissions like CO2, NO2, and SO2

Challenges in Deploying a Smart Grid

Smart grid deployment is not without its challenges. Some of the significant challenges in installing and maintaining a smart grid include:

Timing Synchronization

Precision timing synchronization is crucial for real-time measurement and control (within and across substations), fault detection and location, system stability maintenance, etc. If not addressed properly, timing discontinuities have a major impact on grid efficiency and flexibility.

Multicast Tree Delay

Smart grid wide area control systems (WACS) require real-time data communications support with low latency. It is necessary to identify the multicast tree with a minimum end-to-end transmission delay of command and control (C & C) messages to remote devices.

Interoperability

Communication stack and protocol heterogeneity can lead to interoperability issues between applications, devices, and systems. Successful interoperability is a must to make end-to-end secure communication possible and leverage existing grid network infrastructure.

Malicious Code Infection

A communication-enabled smart grid can be compromised physically or remotely by a malicious code infection. In addition, non-tamper-resistant SG devices are subject to the risk of getting easily compromised (physically).

Remote Deployment Safety

Smart grid devices deployed at a large scale in remote places are easily accessible with no physical perimeter protection. Robust SG security solutions are mandatory to prevent tampering with the SG devices.

Resource Constraints

Limited resources prove to be a major drawback during the massive deployment of smart grid solutions, especially security solutions based on public-key cryptography (PKI).

Other challenges in smart grid installations comprise the criticality of data delivery, impersonation (identify spoofing), data tampering, and low accessibility to electricity in underdeveloped nations.

However, advancements in smart grid technology are facilitating the inclusion of vital security features, such as authentication, authorization and control access, confidentiality, data integrity, and end user’s privacy.

In addition, smart grid data protection and standardization are also gaining momentum in keeping with the legal framework applicable for individual projects.

What Does the Future Look Like for a Smart Grid?

The future outlook looks bright for a smart grid. According to Blackridge Research & Consulting, the global smart grid market is expected to grow at a CAGR of 15.5% during the forecast period 2022–2028.

The requirement for a smart grid is going to get bigger with key drivers, such as:

• Accelerating demand for power system reliability and resiliency
• Booming renewable energy sources (such as solar power) market
• Growing R&D in smart grid technologies and usage of smart appliances
• Increasing concerns about environmental protection
• Increasing customer choice and participation
• Rising global power consumption and electrification of various sectors
• Soaring investments in smart grid infrastructure (in different countries, including China, Europe, and the United States)
• Surging demand for asset optimization and energy storage

As the backbone of the modern smart city, a smart grid leverages technology-driven innovation to provide cost-effective, consistent, and clean energy while improving asset management and reducing T&D (transmission and distribution) losses.

A smart grid is a hallmark of a smart city that thrives on making smart energy available for consumers.

Grid modernization is essential to replace the aging electric grid infrastructure with a strong and responsive smart grid. Several smart grid improvements and smart grid initiatives (planned, undertaken, and in progress) are optimizing the potential of smart grid technologies.

Let us look at a few examples below:

The Electric Power Research Institute (EPRI) conducted the global smart grid implementation assessment to assess the development and deployment of smart grid projects worldwide.

Duke Energy—one of the largest energy holding companies in the U.S.—is investing heavily in smart grid technologies for a more customer-centric, efficient, and reliable grid.

Duke Energy has partnered with government agencies, research labs, utilities, and vendors to develop and commercialize the Open Field Message Bus (OpenFMB™). This field device interoperability framework aims to reduce implementation complexity and integration costs.

The Government of India established National Smart Grid Mission (NSGM) to plan and monitor smart grid policy and program implementation in the country. NSGM also offers capacity-building and training support to State Level Project Management Units (SLPMUs) for smart grid activities.

Schneider Electric’s smart grid solutions are valuable in building a decarbonized, decentralized, and digitized world. For example, the EcoStruxure™ Grid provides an end-to-end software cycle to help electricity utilities mitigate cyber risk and sustain operational confidence.

Wrapping Up

Using IT in the energy sector is transforming how energy consumption is measured and managed across local, state, and national-level energy systems. Smart grids make it easier to establish efficient links between power grids, power-generating facilities, and power consumers.

Active consumer participation in tracking electricity usage through smart meters is also helping utility companies provide better control over energy usage to consumers.

Furthermore, government policies, grants, subsidies, and other utility incentive programs are enhancing smart grid adoption and promoting energy-efficiency projects, globally.

In the coming years, smart grid devices and systems will play a significant role in fulfilling the energy supply needs of businesses, utilities, industrial and residential customers.

Augmenting or replacing traditional grid applications with smart grid applications is a proven way to provide a more dependable, efficient, secure, and versatile power system with a positive environmental impact.

A smart grid is an agile and adaptable electricity grid capable of meeting all types of energy needs. In the future, there are only greater possibilities ahead for the new-age smart grid.

Интеллектуальная энергетическая сеть, Smart grid, умная сеть электроснабжения

Smart grid (умная сеть электроснабжения) — интеллектуальная электрическая сеть, в которой существует связь между всеми участниками энергетического рынка, направленная на предоставление энергетических услуг, снижение затрат и повышение эффективности, а также на интеграцию распределенных источников энергии, в том числе возобновляемых источников энергии.

Это электроэнергетические и коммуникационные сети, которые позволяют регулировать производство и потребление электроэнергии в режиме реального времени как на местном, так и на глобальном уровне. Их принцип — интерактивное двустороннее общение между производственными источниками и приборами или потребителями о текущих возможностях производства и потребления энергии.

Еще одно определение: Интеллектуальные сети — это электроэнергетические системы, в которых используются информационные и управляющие технологии, распределенная обработка данных и связанные с ними датчики и средства управления для интеграции поведения и действий пользователей и других заинтересованных сторон и для эффективного обеспечения устойчивого, экономичного и надежного электроснабжения.

Министерство энергетики США дает собственное определение, что такое умная сеть. Это саморегулирующаяся система, допускающая активное участие потребителей, гибко реагирующая на стихийные бедствия, используя возможные накопления энергии, позволяющая внедрять новые продукты, услуги и рынки. Кроме того, он позволяет использование и эффективную эксплуатацию энергии для цифровой экономики. Smart Grid должна способствовать улучшению управления электроэнергией.

Smart Grid — это не устройство, приложение или сеть, это концепция, использующая информацию и технологии связи вместе с электрическими сетями. Чтобы реализовать интеллектуальное поведение электрических сетей , необходимо необходимость их автоматиз ировать с помощью коммуникационных и IT-технологий.

Термин Smart Grid в настоящее время все еще является новинкой в области энергетики.

Концепция Smart Grid

Существует множество определений интеллектуальной сети энергоснабжения, но, несмотря на все из них, существует единое мнение, среди свойств, которым должна соответствовать современная система электрификации. Это:

• оптимальное использование крупных традиционных источников и накопителей энергии вместе с возможностью управления небольшими распределенными ресурсами и активное влияние на объем потребления с помощью интеллектуальных потребителей и мотивации конечных пользователей,
• снижение воздействия производства и распределения энергии на окружающую среду за счет более точного планирования производства, возможности использования возобновляемых ресурсов, децентрализации производства, возможности накопления энергии,
• устойчивость к стихийным бедствиям (землетрясениям, ураганам) и преднамеренным атакам, как физическим, так и кибернетическим,
• обеспечение параметров качества электроэнергии,
• мониторинг всех важных элементов распределительной сети, снижающий вероятность перебоев с поставками электроэнергии,
• тесное сотрудничество с рынком электроэнергии.

Элементы Smart Grid и их связь

По мере увеличения доли возобновляемых источников энергии в электрических сетях возрастают и требования, в частности, к сетям низкого напряжения. Сети низкого напряжения больше не только выполняют задачу приема и распределения электроэнергии из распределительных сетей, но и все чаще выполняют задачу подачи децентрализованно произведенной электроэнергии обратно в распределительные сети.

Вторжение возобновляемых источников энергии в энергетический ландшафт заметно изменило потоки энергии в электросети: теперь пользователи не только потребляют, но и производят электроэнергию через ту же самую сеть. Следовательно, поток энергии теперь двунаправленный.

Интеллектуальная сеть отправляет электроэнергию от поставщиков к потребителям, используя двунаправленную цифровую технологию для управления потребностями потребителей. Это помогает сэкономить электроэнергию, снизить затраты, повысить удобство использования и прозрачность.

Однако эксперты по конфиденциальности и безопасности предупреждают о возможности наблюдения и уязвимости этой технологии, которая также может быть использована ворами. Кроме того, синхронизация клиентов с ценой может привести к дестабилизации сети.

Использование фотоэлектрической солнечной энергии в экологически чистом районе Solarsiedlung, в Вобане (Фрайбург, Германия).

Характеристики умных сетей электроснабжения:

• Полная автоматизация. Она включает в себя цифровую систему мониторинга и управления, встроенные датчики, отслеживающие поведение сети и автоматическое восстановление после сбоев. Обеспечивается доступность информации в режиме реального времени о загрузке сети, качестве электроснабжения, перебоях и т. д.
• Полная интеграция клиентов. Ее суть состоит в том, чтобы снабдить потребителей цифровыми счетчиками двусторонним потоком информации в реальном времени, что позволяет создавать ценовые тарифы в соответствии с текущей ситуацией в сети (так называемые «интеллектуальные счетчики электроэнергии»). Это позволяет клиентам эффективно управлять потреблением, таким как нагрев воды, стирка или подзарядка аккумуляторов.
• Адаптация к различным способам производства электроэнергии. Развитие интеллектуальных сетей началось в основном в то время, когда к распределительной системе начали подключаться более мелкие источники электроэнергии, поведение которых трудно предсказать. Например, солнечные и ветряные электростанции, газовые микротурбины и другие децентрализованные технологии производства электроэнергии, дающие потребителям возможность вырабатывать электроэнергию из собственных ресурсов и продавать ее излишки в сеть. Солнечный свет или силу ветра очень трудно предсказать везде, где расположены эти децентрализованные источники. Благодаря тому, что интеллектуальные сети регулярно отправляют информацию о потреблении электроэнергии, можно регулировать мощность, например, на электростанциях, использующих традиционные виды топлива.

Из рассмотреной концепции Smart Grid видно, что ее преимущества заключаются в основном в области снижения потребления электроэнергии и увеличении доли возобновляемых источников энергии.

Это также позволяет электрической сети в случае необходимости работать автономно, повышает надежность электроснабжения в нормальных условиях и при стихийных бедствиях.

Smart Grid создается путем интеграции коммуникационных технологий и автоматизации существующих в энергетической системе.

Обычные электрические сети обычно уже используют в той или иной степени информационные и управляющие технологии. В умных сетях электроснабжения (Smart grid) эти технологии получают еще большее развитие.

Основным изменением на уровне конечного пользователя является установка интеллектуальных счетчиков. Их основные задачи — удаленное считывание данных и возможность выставления счетов по ценам, изменяющимся во времени.

Интеллектуальный счетчик электроэнергии

Умные счетчики (англ. Smart meter) — счетчик электроэнергии, который регистрирует потребление электроэнергии с интервалом в 1 час или меньше и передает эту информацию не реже одного раза в день в энергетическую компанию для целей мониторинга и управления.

Интеллектуальные счетчики обеспечивают двустороннюю связь между счетчиком и центральной системой.

Передача данных между отдельными компонентами сети происходит через телефонный модем, соединения GSM, ADSL или другие способы. Это позволяет разрабатывать более дифференцированные тарифы и, следовательно, более выгодные ценовые стимулы для домашних потребителей (интеллектуальный рынок).

В отличие от домашних систем мониторинга энергии, интеллектуальные счетчики могут собирать данные для удаленной отчетности.

Потребитель может реализовать ценовые преимущества, не жертвуя удобством, только если у него также есть устройства, которые работают автоматически, желательно во время низкого тарифа. Это некритичные по времени процессы, такие как зарядка электромобилей, работа тепловых насосов, замораживание, обогрев (электрические бойлеры) или мытье посуды.

Например, эдля потребителя электроэнергии эта технология гарантирует, что электромобиль будет заряжаться именно тогда, когда есть хороший доступ к дешевой возобновляемой электроэнергии. Таким образом, энергия ветра может быть лучше использована в часы, когда дует сильный ветер.

Другой пример — системы управления, которые автоматически помогают промышленным отраслям отключать низкоприоритетные производственные процессы, когда цены на электроэнергию временно высоки.

С ночными накопительными нагревателями и фиксированными ночными тарифами это уже было реализовано несколько десятилетий назад, но современные системы могут работать более гибко и разумно, что особенно важно для включения возобновляемых источников энергии.

Энергетическая компания Iberdrola запустила пилотный проект реализации концепции Smart Grid в испанском регионе Валенсия в 2010 году. Более 100 000 домохозяйств в этом регионе были оснащены смарт-счетчиками. В настоящее время проект продолжается с целью тестирования управления распределительными сетями по результатам анализа данных т. н. «умных измерений».

В 2009 году компания Endesa запустила четырехлетний пилотный проект SmartCity в испанской Малаге. По проекту подключено 300 домохозяйств для управления подачей напряжения с аккумулированием энергии у потребителей. Цель проекта состоит в том, чтобы проверить работоспособность технологии на стороне потребителей и их готовность взять на себя роль активного игрока в энергосистеме.

Консорциум компаний и Университет Карлсруэ в 2009 году запустил проект строительства интеллектуальной сети в промышленном районе Карлсруэ-Штутгарт на юге Германии под названием MeRegio. В проекте задействовано 1000 постоянных абонентов (домохозяйства, промышленные предприятия, производственные и складские помещения).

Цель проекта MeRegio состоит в первую очередь в сокращении выбросов в тестируемом регионе с помощью с использованием технологий Smart Grid. Это должно быть достигнуто за счет использования возобновляемых источников энергии.

Проект направлен на использование идеи выработки электроэнергии в соответствии с требованиями потребителей и регулирование энергопотребления в зависимости от текущей ситуации в сети. Это достигается за счет интеллектуальных счетчиков электроэнергии и динамического ценообразования. Цель — тестирование и обучение правильному поведению потребителей электроэнергии в Smart Grid.

Архитектура проекта SmartCity

ИТ-безопасность

Одна из основных проблем умных сетей электроснабжения (Smart Grid) — кибератаки. В основе идеи, концепции и топологии интеллектуальных сетей лежат ИТ-решения, несущие определенную угрозу. Функционирование интеллектуальных сетей и эффективный контроль за их работой зависят от многих компьютеров, компьютерных сетей, программного обеспечения и коммуникационных технологий.

На сегодняшний день производители промышленных конечных устройств — программируемых логических контроллеров (ПЛК), блоков удаленной телеметрии RTU, интеллектуальных электронных устройств (IED), мастер-серверов, ориентируются в первую очередь на правильное функциональность данных элементов в рамках процесса управления, но они не всегда уделяют внимание на интеграцию протоколов безопасности в свои устройства.

Некоторым производителям не хватает более глубокого практического опыта в области компьютерных сетей и их безопасности. Также часто предполагается, что промышленная сеть будет физически разделена, что само по себе они в значительной степени обеспечат их безопасность.

Несанкционированное вмешательство в ИТ-инфраструктуру Smart Grid киберпреступника может привести к огромным убыткам, как прямо, так и косвенно, из-за отсутствия электроснабжения конкретных получателей.

Сложность сети означает, что есть пробелы, которые еще предстоит выявить. Следовательно, трудно оценить риск, связанный с потенциальной атакой, из-за размера, сложности и динамического характера энергосистемы, а также непредсказуемости потенциальных злоумышленников.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Что такое смарт грид

Smart Grid – это прежде всего информационная сеть, которая объединяет в себе множество технических элементов и узлов. Для потребителей энергии таковыми являются специальные смарт-счетчики, системы аккумулирования энергии, электроприборы и транспорт, а также объекты распределенной генерации.

Для производителей и распределителей энергии важнейшими элементами являются блоки измерения фаз, контроллеры подстанций, объекты распределенной генерации, системы аккумулирования энергии. Архитектура у этого всего очень сложная и многоуровневая, и все эти данные требуют безопасного хранения и передачи. Но в итоге смарт-сеть позволяет грамотно распределять энергопотребление между всеми участниками, основываясь на их реальных потребностях.

Современные дата-центры прекрасно работают и без смарт-сетей, разве нет?

Как мы уже сказали, в ближайшие годы центрам обработки данных будет требоваться все больше мощностей и энергии. Поэтому спрос на «зеленые» инициативы и использование возобновляемых источников энергии растет по всем направлениям и постепенно становится новой нормой.

Технический директор IXcellerate Сергей Вышемирский считает, что наиболее распространенная на сегодняшний день инженерная модель устройства ЦОД не отвечает вызовам будущего.

Современный дата-центр – это и ДГУ, и фреоновые чиллеры, и кондиционеры, и антифриз с соляркой; всё это даёт огромный выброс тепла в атмосферу. Любой среднестатистический ЦОД в Европе, Азии или Америке пожирает десятки мегаватт электроэнергии в час и точно не является примером зелёных технологий, сколько не ставь себе солнечных батарей на крышу. Необходимо развертывать ИБП нового поколения, способные взаимодействовать с городскими смарт-сетями. Такие ИБП позволят потреблять энергию только в необходимом количестве и только тогда, когда это требуется. А избыточную энергию при этом отдавать обратно в сеть для использования другими участниками. Тогда и источники возобновляемой энергии будут более востребованы и будут работать эффективнее».

Опрос, проведенный исследовательской группой Omdia подтверждает это. В нём 80% респондентов оценили, что от 10 до 50% емкости аккумуляторов в дата-центрах избыточны и потенциально могут быть использованы для поддержки электросети. Также большинство отметили, что при использовании smart grid выгода и применимость возобновляемых источников энергии, например, солнца и ветра, увеличится.

Звучит круто! А Российский рынок готов к этому?

Мы думаем, что да. Сергей Вышемирский верит в огромный потенциал системы Smart Grid.

Я считаю, что за этим будущее. И Россия не исключение. Будущее за технологиями с нулевым углеродным шлейфом, за оборудованием, не наносящим вред окружающей среде и использующим возобновляемые источники электроэнергии. Мы планируем использовать системы Smart Grid в строительстве дата-центров в нашем южном кампусе в рамках совместного с Россетью проекта нового питающего центра на 200МВТ.

Стандарты должны подниматься. Необходимо убеждать рынок, что нужно резервироваться не дизель-генераторами, а площадками. Подключаться к федеральным сетям по самому высокому напряжению, поставить адаптивные накопители энергии вместо ДГУ и отдавать в сеть свои излишки в пик, а самим заряжаться от излишка других.

Хорошие новости в том, что все от этого выиграют: клиенты получат дешевое электричество, планета получит чище воздух, и энергетика будет более эффективно работать!

Smart Grid или умные сети электроснабжения

В последнее время все чаще можно услышать термин SMART GRID (умные сети), на эту тему проводится множество конференций и дискуссий по внедрению данной системы в электроэнергетику разных стран. Попробуем разобраться что же такое SMART GRID?

Не смотря что термин SMART GRID официально используется с 2003 году после публикации M. T. Burr «Спрос надёжности будет управлять инвестициями», к единой трактовке понятия до сих пор не пришли. В мировой практике для определения умной сети используются ее атрибуты или признаки:

Источник: США — usctc 42 152 IX; Евопейский союз — Smart Grid European Technology Platform, Россия — Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью

Примечание: на территории России SMART GRID получила название Интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС)

Если попытаться объединить все признаки, то получается, что SMART GRID (умные сети) – это система передачи электроэнергии от производителя к потребителю, которая самостоятельно отслеживает и распределяет потоки электричества для достижения максимальной эффективности использования энергии. Используя современные информационные и коммуникационные технологии, всё оборудование сетей Smart Grid взаимодействует друг с другом, образуя единую интеллектуальную систему энергоснабжения. Собранная с оборудования информация анализируется, а результаты анализа помогают оптимизировать использование электроэнергии, снизить затраты, увеличить надежность и эффективность энергосистем.

ЗАРОЖДЕНИЕ И СТАНОВЛЕНИЕ

Впервые этот термин SMART GRID использовался Массудом Амином и Брюсом Волленбергом в публикации «К интеллектуальной сети» в 1998 г. Первые же применения были связаны с рекламными названиями специальных контроллеров, предназначенных для управления режимом работы и синхронизации автономных ветрогенераторов с электрической сетью. Потом этот термин стал применяться для обозначения микропроцессорных счетчиков электроэнергии, способных самостоятельно накапливать, обрабатывать, оценивать информацию и передавать ее по каналам связи или Интернет.

Первым же крупным проектом в данной сфере можно считать итальянский проект Telegestore, который объединял 27000000 домов с использованием смарт-счетчиков соединённых через цифровую сеть используя саму линию электропередачи. Суть данного проекта заключалась в том, что такие устройства, как бытовые кондиционеры, холодильники и обогреватели могли корректировать свой рабочий цикл, чтобы избежать запуска во время пиковой нагрузки сети.

Но толчком в развитии умных сетей стало масштабное применение возобновляемых источников энергии, которые характеризуются непостоянством выработки электроэнергии как по времени, так и по мощности. Все это вызывало дополнительные сложности в регулировании мощности и «перетоков» в электрической сети. Свой вклад внес и низкий потенциал повышения эффективности существующей технологической базы энергетики, которая практически исчерпала возможности повышения производительности оборудования.

В результате была необходима новая концепция электрических сетей, которая способна была бы обеспечить общественное развитие, прорывное повышение потребительских свойств и эффективности использования энергии с учетом всех факторов развития электроэнергетики в будущем. Такой концепцией и стала Smart Grid.

На данный момент в США и Европе формируется широкая система стандартов и требований к функциям, элементам, устройствам, системе взаимодействий Smart Grid. Для тестирования умных сетей запущено множество пилотных проектов, например внедрение SMART GRID на острове, находящимся в Балтийском море в 90 км от материковой части Швеции. В рамках проекта около 30-ти предприятий и 3000 частных домохозяйств будут подключены к умной сети. Помимо традиционных источников в данную сеть включены оффшорные и континентальные ветропарки общей мощностью 170 МВт, а также солнечная электростанция мощностью 55 кВт. Более подробную информацию можно найти на сайте проекта.

РАЗЛИЧИЕ С ТРАДИЦИОННОЙ СЕТЬЮ

Технология Smart Grid характеризуется несколькими инновационными свойствами, такими как:

• Активная двунаправленная схема взаимодействия в реальном масштабе времени информационного обмена всеми между элементами и участниками сети, от генераторов энергии до оконечных устройств электропотребителей.
• Охват всей технологической цепочки электроэнергетической системы от энергопроизводителей (как центральных так и автономных) и электрораспределительных сетей до конечных потребителей.
• Обеспечение практически непрерывного управляемого баланса между спросом и предложением электрической энергии. Для этого элементы сети должны постоянно обмениваться между собой информацией о параметрах электрической энергии, режимах потребления и генерации, количестве потребляемой энергии и планируемом потреблении, коммерческой информацией.
• Smart Grid умеет эффективно защищаться и самовосстанавливаться от крупных сбоев, природных катаклизмов, внешних угроз.
• С точки зрения общей экономики Smart Grid способствует появлению новых рынков, игроков и услуг.

Благодаря современным технологиям Smart Grid может применяться как в масштабах зданий, предприятий, так и для обычных домашних электрических устройств, например холодильника или стиральной машины. Соответственно, все устройства, входящие в состав Smart Grid, должны быть оснащены техническими средствами, осуществляющими информационное взаимодействие.

Источник: www.smartgrid.gov

Сравнение традиционной сети и активно-адаптивной сети

Немало важную роль в системах Smart Grid занимает надежность, как информационная так и физическая. Согласно концепции, Smart Grid должна противостоять физическим и информационным негативным воздействиям без тотальных отключений или высоких затрат на восстановительные работы, максимально быстрое восстановление (самовосстановление). Многие эксперты высказывают свое опасение относительно информационной безопасности системы. Если попытаться объяснить простыми словами, то все что передается через Интернет может быть взломано и использоваться для различных целей. Ярким примером «незавершённости» системы является программный продукт компании производителя Smart Grid микроконтроллеров для солнечных панелей.

На сайте производителя собрана информация по системам мониторинга фотогальванических установок, которые оказались чрезвычайно распространенными. Согласно сведениям разработчика, в мире функционирует более 200 тысяч солнечных электростанций и почти 1 млн инверторов, подключенных к веб-серверу этой компании. При желании можно обнаружить множество систем частных пользователей и страниц с данными о потреблении и выработке электроэнергии различных систем.

Источник: сайт производителя

Конечно, эта информация может представлять интерес разве что для надзорных органов, но не для злоумышленника. Но некоторые на этом не остановились и им удалось взломать «прошивку» контролера. Т.к. данная система в основном проходит испытания, то возможно производитель в ближайшее время улучшит информационную защиту своего продукта.

ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ

Оценки показывают, что переход к инновационному варианту развития на базе интеллектуальной энергетики будет сопровождаться существенным снижением вводов новых электростанций и связанных с ним сетевых объектов для выдачи мощности. Вследствие, чего снижение капиталовложений является наиболее значимым системным экономическим эффектом.

Вторым наиболее крупным эффектом является снижение топливных затрат электростанций. Дополнительный эффект может быть достигнут с учетом экономической стоимости выбросов парниковых газов.

В качестве примера рассмотрим моделирование внедрения умных сетей на территории ЕЭС России.

Для предварительной оценки возможных системных эффектов в ЕЭС России при создании интеллектуальной электроэнергетики были использованы данные по результатам пилотных проектов Smart Grid, реализация которых начата в различных странах. Следует отметить, что по многим причинам сохраняется крайне высокая неопределенность ожидаемых эффектов от внедрения элементов Smart Grid. Результаты представлены ниже:

Количественная оценка изменения балансовых условий в ЕЭС России при развитии интеллектуальной энергетики
Источник: Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью

Сопоставление экономических эффектов и необходимых затрат на создание «умной сети» показывает, что уже к 2030 г. экономические выгоды от реализации проекта интеллектуальной энергетики в масштабе ЕЭС России окажутся сопоставимыми с необходимыми капиталовложениями:

Характеристика затрат и эффектов создания ИЭС ААС в электроэнергетике России до 2030 г., млрд руб. на 2010 г.
Источник: Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью

БЕЛАРУСЬ

На сегодняшний момент развитие «умных сетей» в Беларуси находится на самом начальном уровне, вероятнее всего пока обсуждают возможности и аспекты внедрения данной технологии. Мировой опыт в реализации пилотных проектов и многочисленные исследования показывают, что применение интеллектуальных сетей в перспективно и экономически оправдано. На сегодняшний момент Smart Grid системы – это закономерный этап развития электроэнергетики с учетом мировых технических достижений. И Беларусь ни в коем случае не должна его игнорировать, двигаясь вперед совместно с ведущими державами. К это стоит добавить и тот факт, что для нашей страны не встанет вопрос о разработке основных концепций, ведь уже сейчас накоплен огромный опыт, который можно перенять и использовать уже установившееся и работающие технологии. Возможно, внедрение «умных сетей» позволило бы решить проблемы с интеграцией Белорусской АЭС в энергосистему страны.