Интеллектуальные сети сегодня1

    Калифорнийский университет в Сан-Диего создает интеллектуальную микросеть
    Компании EDSA, поставщик аналитических решений для проектирования, испытания и контроля комплексных энергосистем, и Viridity Energy, специализирующаяся в сфере технологий интеллектуальных сетей, заявили о намерении оказать техническую поддержку революционному проекту по созданию микросети — RESCO, который планируется реализовать на территории Калифорнийского университета в Сан-Диего.
    В данной микросети впервые в мире будет использована система программного обеспечения, работающая в режиме реального времени и выполняющая функции центрального контроллера для оборудования потребителя. Это несомненное достижение инженерной мысли, технического воплощения которой эксперты в области промышленности ожидали не ранее чем через пять лет.
    Цель проекта RESCO, финансируемого Калифорнийской энергетической комиссией (CEC), — надежное энергоснабжение от возобновляемых источников. В его рамках будет произведено демонстрационное подключение генераторов возобновляемой энергии, находящихся на территории Калифорнийского университета в Сан-Диего. Микросеть, охватывающая всю территорию кампуса, станет одной из самых технологичных в мире. Она обслужит площадь в 1200 акров (4,86 км2), на которой расположены 450 зданий с ежедневной посещаемостью 45 000 человек, и задействует при этом две газотурбинные установки мощностью 13,5 МВт, одну паровую турбину 3 МВт и солнечную батарею 1,2 МВт, покрывающие вместе 82% годовой потребности кампуса в энергии.
    На проект RESCO CEC выделила грант в 1 млн долл., еще 1 млн долл. предоставлен фондом в рамках парт­нерской программы Калифорнийского университета в Сан-Диего, Калифорнийского государственного университета и частных энергоснабжающих компаний.
    Согласно договоренности, EDSA и Viridity Energy вложат в конечный продукт свои лучшие, проверенные практикой программные решения (Paladin SmartGrid от EDSA и VPower от Viridity Energy), чтобы сделать микросеть Калифорнийского университета в Сан-Диего действительно надежной, энергоэффективной и экономичной. За счет оптимизации энергосистемы с помощью технологий EDSA и взаимодействия с рынком электроэнергии по разработкам Viridity Energy университет сможет успешно контролировать генерацию и потребление электроэнергии, а также периодически продавать ее излишки энергоснабжающим компаниям, прочим абонентам или непосредственно на общем рынке.
    Центральный контроллер EDSA, объединенный с ПО от Viridity Energy, предназначен для минимизации потерь и электропотребления Калифорнийского университета в Сан-Диего, а также генерации электроэнергии с нулевыми или незначительными выбросами углерода. Функции ПО — повышение энергоэффективности, грамотный контроль аккумулирования энергии и ежечасное предоставление информации о ее стоимости на внешнем рынке. Однако выполнение этих задач — дело будущего.
    Итак, в соответствии с контрактом базой «умной» микросети станут два исходных продукта — Paladin SmartGrid и VPower.
    Paladin SmartGrid — это центральный контроллер, своеобразный интеллектуальный интерфейс между микросетью и электросетью энергоснабжающей компании. Он облегчает подключение локальных распределенных генераторов энергии, например солнечных и ветряных электростанций или другого когенерирующего оборудования, без снижения надежности энергоснабжения от внешней электросети, улучшает электрические характеристики всех компонентов электросети и за счет этого обеспечивает непосредственную экономию электроэнергии и сокращение соответствующих расходов.
    Кроме того, Paladin SmartGrid управляет генераторами, системами аккумулирования и потребляющими устройствами, ежечасно анализирует, какое оборудование нужно использовать и с каким уровнем нагрузки, рассчитывает экономическую выгоду и степень влияния на окружающую среду. Контроллер обладает способностью принимать 260 000 данных в секунду и является очень точным с энергетической точки зрения. Он сможет регулировать параметры микросети, а при их отклонении — устанавливать причину сбоев и корректировать ситуацию.
    VPower — это платформа для оптимизации энергопотребления, программа, предоставляющая потребителям возможность участвовать в работе оптового рынка электроэнергии, устойчиво развиваться и получать максимальную прибыль от эффективного использования распределенных генераторов, таких как когенерирующие установки, солнечные батареи, системы аккумулирования энергии и различные регулирующие приборы. ПО умеет также обрабатывать поступающую информацию о стоимости электроэнергии, прогнозах погоды и доступности ресурсов. В условиях современного рынка функция VPower заключается в том, чтобы контролируемое потребителем оборудование выглядело для оператора рынка как единый виртуальный генератор, готовый к подключению к нагрузкам, поставкам электроэнергии «на завтра» или в режиме реального времени.
    С помощью Paladin и VPower можно будет точно установить, какие системы должны производить электро­энергию, какое ее количество требуется закупать, когда следует ограничить потребление, заправлять или разряжать аккумуляторные батареи.
    Сотрудничество EDSA и Viridity Energy принесет огромную пользу Калифорнийскому университету в Сан-Диего, поскольку уникальные технологии обеих компаний позволят принимать взвешенные функциональные и экономические решения с учетом пяти постоянно меняющихся факторов: стоимости производства электроэнергии, ее цены у энерго­снабжающей компании, количества накопленной энергии, общего объема энергопотребности и мощности генераторов. Кроме того, кампус сможет вырабатывать и потреблять столько энергии, сколько необходимо, сокращая тем самым ее расход, и самостоятельно определять, когда полагаться только на собственные источники, а когда подключаться к внешним электросетям и продавать излишки электроэнергии на общем рынке.
    RESCO и далее будет образцовым проектом Калифорнийского университета в Сан-Диего и Калифорнийской энергетической комиссии, опытной площадкой для демонстрации работы и тестирования охватывающей весь кампус и все аспекты управления электроэнергией микросети с собственными генерирующими мощностями, системами контроля и защиты. По мнению Курта Ягера (Kurt Yeager), исполнительного директора «Энергетической инициативы Гэлвина», подобные микросети — важнейший шаг на пути к созданию глобальной интеллектуальной сети, дающей еще бoльшие преимущества. «Это прототип интеллектуального города будущего, микромир общества, которое появится через 20 лет», — считает Раджеш Гупта (Rajesh Gupta), профессор в сфере вычислительной техники и машиностроения, изучающий вопросы энергоэффективности кампуса.
    Как уже было сказано, территорию Калифорнийского университета площадью в 1200 акров обслуживают две газотурбинные установки, паровая турбина и одна солнечная батарея. Выбросы от турбин на 75% меньше, чем от обычных газовых электростанций. В состав системы ОВИК с расходом 40 тыс. т/ч входят: накопительный бак емкостью 3,8 млн галлонов (14,23 млн л), три чиллера с приводом от турбин и пять чиллеров с приводом от электродвигателей.
    Недостающую энергию — до 10 МВт — кампус закупает на открытом калифорнийском рынке либо получает от компании SDG&E, с сетями которой он связан через единственную подстанцию на 69 кВ, «действительно ограничивающую и относящую к микросети все, что находится за подстанцией», — подчеркивает Байрон Вашом, директор по стратегическим энергетическим инициативам вуза.
     Но благодаря высокой эффективности принадлежащих университету систем обогрева и охлаждения производство энергии на собственных мощностях все же обходится дешевле, чем ее приобретение на открытом рынке, замечает г-н Вашом, поэтому университет заинтересован в росте КПД внутренних электросетей. Университет подписал соглашение о покупке топливной ячейки на расплаве карбоната мощностью 2,8 МВт, которая использует метан, поступающий к кампусу по трубам от местной станции обработки сточных вод. Как следствие — возникла необходимость в дополнительной системе аккумулирования энергии мощностью 2,8 кВт, которая должна быть установлена на территории кампуса. Называть применяемые технологии преждевременно, так как они тесно связаны с поставщиком, к тому же переговоры еще продолжаются.
    В настоящий момент Калифорнийский университет в Сан-Диего управляет своей сетью «непосредственно с помощью системы SCADA», предложенной компаниями Johnson Controls (блок управления зданием) и Schneider Electric (блок управления электросетью), кроме того, «мы периодически привлекаем к сотрудничеству других поставщиков и в итоге имеем множество разнообразных систем, которые надлежит адаптировать друг к другу. Наша микросеть очень эффективна, но мы намерены существенно обновить методы оптимизации наших ресурсов», — отмечает Б. Вашом.
    Имитационные эксперименты на основе полученных в течение дня данных планируется провести в III квартале. Предполагаемые расходы в 2 млн долл. будут равномерно распределены между университетом и Калифорнийской энергетической комиссией. Для практических испытаний понадобятся дополнительные средства, в связи с чем Университет в Сан-Диего обратился к организации «Калифорнийская солнечная инициатива» с просьбой выделить на эти цели 1,2 млн долл. «Я не могу дождаться начала имитационных экспериментов, а также реальной работы этой системы! — пояснил г-н Вашом. — Для нас это серьезный шаг вперед».
    Для поминутного контроля энергопотребления на магистральных линиях и перед главными выключателями зданий установят около 200 счетчиков. Энергопотребление всего кампуса, здания какого-либо факультета и четырех построек различного назначения можно будет графически отобразить с помощью веб-сайта, разработанного Microelectronic Embedded Systems Lab. Счетчики факультета вычислительной техники подсоединят к отдельному компьютеру, благодаря чему на экране высветится график энергопотребления каждого устройства. В том же здании появятся трехфазные счетчики Schneider Electric, которые несколько раз в секунду по проводной линии станут посылать сигналы на центральный сервер.
    Контроль энергопотребления корпуса факультета вычислительной техники, оснащенного 750 ПК и имеющего серверную комнату, более строгий. Счетчики, размещенные на 15 отдельных цепях, будут измерять электроэнергию, потребляемую системами освещения, устройствами ОВИК, серверами и прочими подключенными к сети приборами.
    Солнечные батареи получили грант Министерства энергетики США
    Некоторые исследования, проводимые ежегодно в кампусе в рамках программы объемом 1 млрд долл., относятся к энергетике, поэтому Министерство энергетики США выделило Калифорнийскому университету в Сан-Диего грант на проект по оптимизации работы системы распределения электроэнергии в условиях скачко­образного изменения мощности солнечных батарей в облачную погоду. Подобные явления могут разбалансировать нагрузку сети независимо от того, обслуживает она кампус или город, подчеркнул Б. Вашом. Paladin от компании EDSA поможет в решении этой задачи.
    Байрон Вашом и его коллега Ян Клейссл (Jan Kleissl), профессор кафедры авиации, космонавтики и машиностроения Калифорнийского университета в Сан-Диего, изучают методы прогнозирования количества солнечной энергии, падающей на определенную поверхность, с погрешностью не более 10%. В настоящий момент интенсивность освещения, измеряемую в ваттах на квадратный метр, «предсказать совершенно невозможно. Нельзя заранее предугадать, что будет через минуту, а тем более через час», — констатирует г-н Вашом.
    Основой технологии является формирователь изображения неба, который отслеживает движение и прозрачность облаков. Прибор, установленный на крыше здания, сканирует горизонт во всех направлениях, покрывая 25 кв. миль, поясняет Ян Клейссл. Формирователь изображения — это технология 20-летней давности, «но все о ней забыли, а мы вновь используем». Такие приборы применяли в исследованиях облачного покрова, но не для расчета мощности солнечных батарей.
    Наиболее важные компоненты — алгоритм обработки изображений, идентификации облаков и направлений их движения, а также обширная база данных путей облаков, их форм и плотности. Подобная технология в кампусе — «это микромир того, что может потребоваться крупной энергоснабжающей компании», — уверен г-н Клейссл.
    Точная информация о часовой мощности солнечной батареи поможет определиться с тем, что следует делать с системой аккумулирования — заряжать ее или разряжать, добавляет Б. Вашом. «В данный момент у нас нет технологий, с помощью которых мы могли бы создать такой алгоритм».
    Эффективность — главная задача
    Одной из приоритетных задач кампуса является выполнение трехлетней программы по энергоэффективности объемом 72 млн долл.
    Калифорнийский университет в Сан-Диего участвует в программе по управлению спросом, реализуемой SDG&E, и намерен на 40% сократить количество закупаемой энергии. Поскольку охлажденная вода для нужд системы ОВИК поступает из бака-накопителя, наполняемого ночью пятью чиллерами, энергопотребление кампуса в пиковые часы может быть снижено на 7—14%. Во время лесных пожаров в Сан-Диего в 2007 г., когда была повреждена линия электропередачи, Калифорнийский университет обошелся без «сторонних» 3 МВт и в течение 30 минут подавал в сеть собственные 4 МВт, сообщает г-н Вашом.
    Единственная подстанция кампуса может транспортировать электроэнергию обратно в сеть, но, по словам Б. Вашома, чтобы делать это регулярно, «нам потребуются счетчики и система обмена данными с компанией California ISO, являющейся частью рынка электроэнергии. Но мы все-таки больше заинтересованы в измерении энергопотребления кампуса, чем в генерации электро­энергии».
    Свобода от неисправностей единой сети
    Несмотря на хорошие перспективы в производстве электроэнергии, Калифорнийский университет в Сан-Диего может перейти на самостоятельное энергообеспечение только после всестороннего обсуждения данного вопроса. Пока достижение этой цели отнесено к середине 2011 г. Однако г-н Вашом полагает, что университет вряд ли когда-нибудь избавится от внешней зависимости.
    «Ежегодные программы расширения кампуса оцениваются в 200 млн долл., поэтому наши потребности постоянно растут. Каждый раз, когда здешние профессора получают грант на создание суперкомпьютера, наши запросы увеличиваются на 6 МВт. Самонадеянно заявлять, что когда-нибудь мы будет независимы от внешней сети — на все сто процентов, ведь какой-нибудь успешный ученый может в любой момент нарушить баланс потребности и потребления».