Архитектура Интернета энергии: три в одном
Статья приурочена к выходу в свет White Paper “Архитектура Интернета энергии (IDEA)” и подготовлена для интернет-издания Teplovichok Today (https://www.teplovichok.today/).
Энергетика стран и целых регионов в глобальном масштабе претерпевает обширные системные изменения, запущенные разнообразными глобальными вызовами. В экспертно-аналитическом докладе «Цифровой переход в электроэнергетике России», подготовленном Центром стратегических разработок при участии экспертов направления «Энерджинет» Национальной технологической инициативы эти вызовы были проанализированы, равно как и перспективы технологического развития российской электроэнергетики, а также сформированы предложения по повышению ее конкурентоспособности.
Есть основания полагать, что существующий технологический уклад в электроэнергетике достиг предела своей эффективности и в перспективе 5 лет в ряде сфер, где потребители предъявляют более высокие требования к надежности, качеству, доступности, экологичности энергоснабжения, будет иметь меньшую конкурентоспособность по сравнению с решениями новой (цифровой) энергетики [1]. Основные изменения затронут сектор электроэнергетики, находящийся в близости к потребителям и базирующийся на инфраструктуре распределительных сетей 110 кВ и ниже. А структурные и технологические особенности построения энергосистем будут напоминать Интернет, поэтому новый подход часто называют Интернет энергии (Internet of Energy). Есть все основания предполагать, что трансформация энергетики на основе новой архитектуры затронет и Россию.
Предпосылки для построения Интернета энергии
Традиционная, централизованная архитектура построения электроэнергетических систем в значительной степени исчерпала свой потенциал эффективности и в условиях новых вызовов, стоящих перед энергетикой в разных странах мира (в т.ч. в России), не может считаться более эффективным и оптимальным вариантом устройства энергетики.
Наиболее значимыми вызовами развития электроэнергетики сегодня являются:
- Изменение характера спроса потребителей: рост разнообразия и динамики требований и переход к «цифровому» спросу (спрос на электроэнергию с особыми параметрами: постоянный ток, низкое напряжение, высокое качество);
- Падение эффективности: низкая загрузка имеющихся сетевых и генерирующих мощностей и рост издержек работы энергосистем;
- «Энергетический переход» (декарбонизация, децентрализация, цифровизация): быстрое распространение ВИЭ, распределенной энергетики, новых бизнес-моделей и сервисов, базирующихся на использовании цифровых технологий;
- Освоение незаселенных и инфраструктурно неразвитых территорий: потребность в эффективном энергоснабжении удаленных и изолированных территорий.
Реализованная в существующих энергосистемах разных стран мира архитектура централизованной энергетики с однонаправленными потоками электроэнергии от сосредоточенной генерации к распределенным потребителям, единым иерархичным рынком электроэнергии и мощности, централизованным диспетчерским управлением и унифицированными ролями в энергосистеме не способна эффективно ответить на данные вызовы.
Катализатором для осознания необходимости структурных изменений энергетических систем в мире стал масштабно развивающийся процесс «декарбонизации». Дело в том, что переход к экологически чистой «безуглеродной» энергетике приводит к снижению ее системной эффективности: стохастические генераторы, использующие энергию солнца и ветра, требуют создания резервных генерирующих и/или накопительных мощностей. Например, исследование феномена, получившего название «Калифорнийская утка», показало, что по мере роста использования солнечных панелей в домохозяйствах, растет и разуплотнение графика потребления из сети, что приводит к существенному снижению эффективности использования мощности централизованной энергетики. Интересно, что в России иные причины, побуждающие обсуждать проблемы системной эффективности энергетики, — это большая протяженность энергетической инфраструктуры, низкая плотность потребления, низкая производительность труда, высокая стоимость капитала.
Преодолеть рассмотренные вызовы развития электроэнергетики, по нашему мнению, сможет только распределенная электроэнергетика с децентрализованным управлением и рынками, а также широким вовлечением всех пользователей энергосистем в процесс управления ими в целях экономически оптимального, гибкого, качественного и надежного энергоснабжения. Малая генерация, системы накопления энергии, регулируемая нагрузка конечных потребителей, интегрированные между собой и с централизованной энергосистемой, представляют собой неиспользованный до сих пор ресурс для повышения эффективности энергосистем и потому являются подходящим решением поставленной проблемы. Распределенная энергетика повышает эффективность энергосистемы за счет снижения потребности в присоединенной мощности, появления локальных самобалансирующихся объединений генераторов и потребителей малой мощности, вовлечения энергетических активов конечных пользователей в процессы управления энергосистемой.
Но у совместной работы огромного множества распределенных источников энергии, просьюмеров и активных потребителей в условиях децентрализации архитектуры есть одна родовая проблема — растущая с числом участников взаимодействия сложность управления. Интернет энергии является технологическим и архитектурным подходом, позволяющим снять эту проблему.
Новый архитектурный подход к развитию энергетики
Вариантом организации энергетики будущего является Интернет энергии — тип децентрализованной электроэнергетической системы, в которой реализовано интеллектуальное распределенное управление, осуществляемое за счет энергетических трансакций между ее пользователями. Под разными названиями (Internet of Energy, Transactive Energy, Energy Cloud, FREEDM Systems) эта парадигма разрабатывается и проходит опробование в разных странах мира. Она является основой для формирования технологического видения в рамках направления «Энерджинет» Национальной технологической инициативы и положена в основу ведущейся в настоящее время разработки IDEA (Internet of Distributed Energy Architecture).
Новая архитектура должна быть введена потому, что масштабное развитие распределенной энергетики сталкивается с ростом издержек:
- трансакционные издержки экономических отношений, растущие при росте числа участников трансакций,
- издержки и высокие капитальные затраты на информационную интеграцию оборудования в контуры управления,
- высокие капитальные и инжиниринговые затраты на интеграцию оборудования в электрические сети, издержки обеспечения системной устойчивости.
Весь потенциал эффективности перехода к распределенной энергетике без трансформации архитектуры тратится на преодоление новых издержек, что в конечном итоге приводит к росту общих затрат на энергоснабжение. Задача состоит в том, чтобы предложить такую архитектуру, в которой эти издержки снимались бы или сводились к минимуму, а сама распределенная энергетика позволяла бы повысить эффективность работы энергосистем в целом. Интернет энергии, обладающий способностью к plug&play интеграции новых пользователей и децентрализованному управлению большим множеством распределенных энергетических объектов, является архитектурным, системно-техническим ответом на данную задачу.
Энергосистема, построенная на основе новой архитектуры, должна стать:
- Трансакционной: экономическое взаимодействие между пользователями должно осуществляться на основе p2p-трансакций, позволяющих реализовать многообразие пользовательских ролей и сервисов, предоставляющих им кастомизированные ценности [2];
- Интеллектуальной: должна быть обеспечена легкость интеграции (plug&play) энергетических устройств пользователей в контуры роботизированного управления различных сервисов. Управление системой должно быть реализовано за счет межмашинного взаимодействия между ее элементами, при котором каждый элемент может самостоятельно принимать решение о реализации того или иного режима своей работы и воздействии на систему, поскольку опирается на информационную модель себя, своего окружения и системы, и может согласовывать свои действия с окружением;
- Устойчивой и гибкой: должна быть обеспечена легкость технического соединения устройств с сетью по принципу plug&play при гарантированном поддержании статической и динамической устойчивости работы системы с большим количеством виляющих друга на друга устройств пользователей.
Пользователь такой системы (различного масштаба) через интерфейсы интегрируется в нее и становится полноценным участником новых сервисов и бизнес-моделей. Он может совершать трансакции, приводящие к согласованным действиям энергетических устройств, и при этом будет обеспечена оптимальность совместной работы, а также устойчивость энергосистемы.
Концептуальная модель Интернета энергии
Отличительными чертами Интернета энергии являются:
- децентрализованный характер энергосистемы, в которой на уровне распределительных сетей присутствует как большое число распределенных потребителей, так и большое число распределенных производителей электроэнергии;
- наличие двунаправленных потоков мощности и возможности динамического изменения пользователями роли в энергосистеме;
- наличие между электроэнергетическим оборудованием не только электрических связей и взаимодействия, обеспечиваемых электрическими сетями, но также информационных связей и взаимодействия;
- реализация полностью децентрализованного интеллектуального управления, которое осуществляется за счет межмашинного (М2М) взаимодействия;
- наличие децентрализованного рынка, на котором заключаются peer-to-peer контракты как на куплю-продажу электроэнергии, так и на оказание системных услуг;
- реализация всех процессов и управление ими при помощи прямых трансакций между пользователями.
Таким образом, Интернет энергии — это peer-to-peer электроэнергетика, в которой взаимодействие между производителями и потребителями электроэнергии, торговля электроэнергией и различными услугами, а также режимное управление энергосистемой осуществляются за счет прямых трансакций между пользователями [3].
Концептуальная модель Интернета энергии опирается на представление об «энергетическом облаке» (Energy Cloud), или «облачной энергетике» (Рисунок 1), введенном аналитиками компании Navigant Research [4].
Согласно этому представлению, Интернет энергии является экосистемой технически и экономически взаимосвязанных пользователей. Пользователями Интернета энергии могут быть владельцы любого электроэнергетического оборудования, которое может производить (генерировать), накапливать (аккумулировать) и потреблять электроэнергию, а также субъекты, оказывающие владельцам электроэнергетического оборудования различные услуги. Это означает, что к пользователям Интернета энергии относится распределенная генерация, собственная генерация потребителей электроэнергии (в том числе домохозяйства с генерирующими мощностями), накопители электроэнергии (в том числе потребители с накопителями и электромобили), а также промышленные, коммерческие и бытовые потребители электроэнергии со своими системами электроснабжения.
Пулы электроэнергетического оборудования пользователей Интернета энергии, имеющего общую точку присоединения к электрическим сетям и информационным каналам, обеспечивающим связь с Интернетом энергии, образуют структурную единицу Интернета энергии — энергетическую ячейку. Вне зависимости от состава и сложности своей внутренней структуры, в Интернете энергии энергетическая ячейка взаимодействует с другими энергетическими ячейками как единое целое.
Пользователи Интернета энергии при помощи своих энергетических ячеек могут играть различные динамически меняющиеся роли в энергосистеме, оказывая друг другу разнообразные услуги, такие как продажа (поставка) электрической энергии, участие в режимном управлении (в том числе участие в поддержании частоты и уровня напряжения), предоставление энергетического оборудования в аренду или временное удаленное пользование, обеспечение резерва мощности на загрузку и разгрузку и любые другие виды услуг, которые создаются в электроэнергетике.
Взаимодействие пользователей Интернета энергии, в ходе которого они оказывают друг другу услуги, и взаимодействие соответствующих энергетических ячеек осуществляется за счет энергетических трансакций. Энергетическая трансакция, схема которой приведена на Рисунке 2, — это такой акт технического и экономического взаимодействия между пользователями и соответствующими энергетическими ячейками, при котором осуществляется согласованное управление параметрами работы энергетических ячеек, за счет чего один из пользователей (одна сторона энергетической трансакции) приобретает некоторое полезное качество, ценность, а другой пользователь (другая сторона энергетической трансакции) получает оплату за эту ценность.
Энергетическая трансакция представляет собой единство трех взаимодействий между пользователями и энергетическими ячейками: финансово-договорного, информационно-управляющего и физического, электрического. Во-первых, осуществляется договорное и финансовое взаимодействие в виде смарт-контракта — контракта, заключение, исполнение, верификация исполнения и оплата по которому осуществляются автоматически. Во-вторых, в рамках энергетической трансакции между энергетическими ячейками происходит информационное взаимодействие, в ходе которого происходит обмен данными и командами, по результатам которого возникает согласованное управление режимом работы (состоянием) этих энергетических ячеек для исполнения энергетической трансакции. Наконец, в-третьих, происходит собственно электрическое взаимодействие ячеек, в ходе которого энергетические ячейки осуществляют согласованную работу. Предметом согласования работы энергетических ячеек являются направления и значения потоков активной и/или реактивной мощности, которые генерируют или потребляют энергетические ячейки.
Энергетические трансакции выступают строительными блоками для услуг, которые оказывают друг другу пользователи Интернета энергии. В целях роботизированного оказания и получения этих услуг пользователи Интернета энергии обращаются к приложениям Интернета энергии. Приложения — сервисные программы, самостоятельно выстраивающие взаимодействие между энергетическими ячейками за счет формирования наборов энергетических трансакций для реализации тех или иных услуг. Приложения обеспечивают взаимодействие между пользователями Интернета энергии и оказание ими услуг друг другу без трансакционных издержек, которые эти пользователи понесли бы, оказывая услуги друг другу напрямую.
Взаимодействие пользователей Интернета энергии и соответствующих энергетических ячеек с централизованной энергосистемой и ее субъектами, находящимися за границами Интернета энергии, также осуществляется при помощи приложений, оказывающих соответствующую услугу. В этом случае приложения формируют одностороннюю энергетическую трансакцию между пользователем и оператором приложения. Оператор приложения играет роль посредника, с одной стороны, взаимодействующего за счет энергетических трансакций с пользователями Интернета энергии, с другой стороны, работающего с субъектами централизованной энергетики — системными и сетевыми компаниями, субъектами единого рынка электроэнергии и мощности — по ее правилам.
Множество происходящих в Интернете энергии энергетических трансакций между энергетическими ячейками формирует мультиагентное децентрализованное экономическое и технологическое управление энергосистемой Интернета энергии. Согласованная работа энергетических ячеек за счет сбалансированных рыночных взаимоотношений пользователей придает Интернету энергии характер экосистемы.
Верхнеуровневая архитектура IDEA
Архитектура Интернета энергии должна обеспечивать, с одной стороны, возможность реализации энергетических трансакций, с другой — возможность управления энергетическими ячейками за счет межмашинного взаимодействия, наконец, обеспечивать возможность такого распределенного режимного управления в реальном времени, которое позволяет поддерживать баланс мощности в энергосистеме и ее статическую и динамическую устойчивость.
Интернет энергии представляет собой систему систем (System of Systems, SoS), архитектура которой строится на особом объединении трех систем, границы и взаимодействия которых друг с другом показаны на Рисунке 3:
- Системы формирования, контроля исполнения и оплаты смарт-контрактов Transactive energy (TE);
- Систему межмашинного взаимодействия и обмена управляющими воздействиями между энергетическими ячейками и энергетическим оборудованием Internet of Things (IoT);
- Систему режимного управления, поддержания баланса мощности и обеспечения статической и динамической устойчивости энергосистемы Neural Grid (NG).
Каждая из перечисленных систем может быть развернута самостоятельно и выполнять свою функцию независимо от других систем, но только совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих по специальным протоколам систем TE, IoT и NG формирует Интернет энергии.
Взаимосвязь и взаимодействие между системами обеспечивается в ходе осуществления энергетических трансакций между пользователями и соответствующими энергетическими ячейками. Формирование смарт-контракта энергетической трансакции осуществляется в системе TE, информация об обязательствах по смарт-контракту транслируется в систему IoT, и в ней происходит реализация этого смарт-контракта в виде согласования работы энергетических ячеек (задание параметров перетока мощности) за счет их межмашинного взаимодействия. При этом система NG за счет своего измерительного оборудования получает параметры режима, сформировавшегося в силу реализации множества энергетических трансакций, т.е. за счет работы энергетических ячеек, и обеспечивает его устойчивость, поддерживая баланс мощности как на уровне энергетических ячеек, так и на уровне перетоков мощности между ними.
Более подробно с архитектурой IDEA вы можете познакомиться в White Paper «Архитектура Интернета энергии» [5], а с новыми технологиями и практиками, применяемыми на ее основе, на информационно-аналитических ресурсах рабочей группы EnergyNet НТИ (Telegram-канал «Internet of Energy» (https://t.me/internetofenergy), Medium-канал (https://medium.com/internet-of-energy)).
Применение нового подхода в России
Опубликованные в августе 2018 года результаты мониторинга и прогноза средних конечных цен для промышленных потребителей, выполненного в Ассоциации «Сообщество потребителей энергии» (https://www.np-ace.ru/news/partnership/1057/), позволяют сделать предположение, что для российской промышленности организация энергоснабжения на базе распределенной энергетики становится все более привлекательным решением. Причина этого в том, что средняя цена электроэнергии для промышленности в России в 2018 году превысит средний уровень цены для индустриальных потребителей в 15 штатах США и 6 странах Евросоюза. Это указывает на то, что вопрос повышения системной эффективности энергетики (в т.ч. за счет структурных и технологических изменений) должен стать первостепенным в российской энергетической политике.
Разрабатываемый в рамках Национальной технологической инициативы архитектурно-технологический подход к организации электроэнергетики IDEA является ответом на актуальные вызовы сегодняшнего дня и вбирает в себя все основные технологические новации складывающегося техно-промышленного уклада. А реализуемый в настоящее время План мероприятий («дорожная карта») по совершенствованию законодательства и устранению административных барьеров в целях обеспечения реализации Национальной технологической инициативы по направлению «Энерджинет», формирует регуляторные возможности для отработки и масштабирования в России новых практик и моделей экономических отношений, базирующихся на Интернете энергии.
Ссылки:
[1] Доклад «Цифровой переход в электроэнергетике России», под редакцией В.Н. Княгинина, Д.В. Холкина, Центр стратегических разработок, 2017 г.
[2] «Transactive Energy Models», Business and regulatory models working group, NIST, 2016 г.
[3] Navigant research «Transactive Energy Markets», Navigant, 2018 г.
[4] Navigant research «Energy Cloud 4.0: Capturing Value through Disruptive Energy Platforms», Navigant, 2018 г.
[5] Whitepaper «Архитектура интернета энергии», ЦРЦЭ, ЦСР-СЗ, 2018 ( https://t-do.ru/internetofenergy/251).
