Управление нагрузкой - Load management

Для спортивного термина см. Отдых для начинающих .
Диаграмма суточной нагрузки; Синий показывает фактическое использование нагрузки, а зеленый - идеальную.

Управление нагрузкой , также известное как управление со стороны спроса ( DSM ), представляет собой процесс балансировки подачи электроэнергии в сети с электрической нагрузкой путем регулирования или управления нагрузкой, а не мощностью электростанции. Это может быть достигнуто прямым вмешательством коммунального предприятия в режиме реального времени, использованием частотно-чувствительных реле, запускающих автоматические выключатели (контроль пульсации), таймером или использованием специальных тарифов для воздействия на поведение потребителей. Управление нагрузкой позволяет коммунальным предприятиям снижать спрос на электроэнергию в периоды пиковой нагрузки (сокращение пиковых нагрузок ), что, в свою очередь, может снизить затраты за счет устранения необходимости в электростанциях с пиковой нагрузкой . Кроме того, для включения некоторых электростанций с пиковыми нагрузками может потребоваться более часа, что делает управление нагрузкой еще более важным, например, в случае неожиданного отключения электростанции. Управление нагрузкой также может помочь снизить вредные выбросы, поскольку электростанции с пиковой нагрузкой или резервные генераторы часто более грязные и менее эффективные, чем электростанции с базовой нагрузкой . Новые технологии управления нагрузкой постоянно разрабатываются как частным сектором, так и государственными организациями.

Краткая история

Современное управление нагрузкой на коммунальные предприятия началось примерно в 1938 году с использованием пульсирующего управления. К 1948 году система контроля пульсаций стала широко использоваться на практике.

Чехи впервые применили контроль пульсации в 1950-х годах. Ранние передатчики были маломощными, по сравнению с современными системами, всего 50 киловольт-ампер. Это были вращающиеся генераторы, которые подавали сигнал 1050 Гц на трансформаторы, подключенные к распределительным сетям. Ранние приемники были электромеханическими реле. Позже, в 1970-х годах, стали применяться передатчики с мощными полупроводниками. Они более надежны, потому что в них нет движущихся частей. Современные чешские системы отправляют цифровую «телеграмму». Отправка каждой телеграммы занимает около тридцати секунд. Он имеет импульсы длительностью около одной секунды. Есть несколько форматов, используемых в разных районах.

В 1972 году Теодор Джордж «Тед» Параскевакос , работая в компании Boeing в Хантсвилле, штат Алабама , разработал сенсорную систему мониторинга, которая использовала цифровую передачу для систем охранной, пожарной и медицинской сигнализации, а также возможности считывания показаний счетчиков для всех коммунальных служб. Эта технология была побочным продуктом его запатентованной системы автоматической идентификации по телефонной линии, ныне известной как идентификатор вызывающего абонента . В 1974 г. Параскевакос получил патент США на эту технологию.

По запросу Alabama Power Company Параскевакос разработал систему управления нагрузкой вместе с технологией автоматического считывания показаний счетчиков. При этом он использовал способность системы контролировать скорость диска измерителя мощности ватт и, следовательно, потребляемую мощность. Эта информация, наряду с временем суток, дала энергетической компании возможность дать указание отдельным счетчикам управлять расходом воды на нагреватель и кондиционер, чтобы предотвратить пики использования в периоды высокого потребления в течение дня. За этот подход Параскевакос была награждена множеством патентов.

Преимущества и принципы работы

Поскольку электрическая энергия - это форма энергии, которую нельзя эффективно хранить в большом количестве, ее необходимо генерировать, распределять и потреблять немедленно. Когда нагрузка на систему приближается к максимальной генерирующей мощности, сетевые операторы должны либо найти дополнительные источники энергии, либо найти способы уменьшить нагрузку, а следовательно, и управление нагрузкой. В случае неудачи система станет нестабильной и могут произойти отключения электроэнергии .

Долгосрочное планирование управления нагрузкой может начинаться с построения сложных моделей для описания физических свойств распределительной сети (т. Е. Топологии, пропускной способности и других характеристик линий), а также поведения нагрузки. Анализ может включать сценарии, которые учитывают прогнозы погоды, прогнозируемое влияние предлагаемых команд сброса нагрузки, расчетное время ремонта автономного оборудования и другие факторы.

Использование управления нагрузкой может помочь электростанции достичь более высокого коэффициента мощности , показателя среднего использования мощности. Коэффициент мощности - это мера производительности электростанции по сравнению с максимальной мощностью, которую она может произвести. Коэффициент мощности часто определяется как отношение средней нагрузки к мощности или отношение средней нагрузки к пиковой нагрузке за период времени . Более высокий коэффициент нагрузки является преимуществом, потому что электростанция может быть менее эффективной при низких коэффициентах нагрузки, высокий коэффициент нагрузки означает, что постоянные затраты распределяются на большее количество кВтч выработки (что приводит к более низкой цене за единицу электроэнергии) и более высокий коэффициент нагрузки. означает больший общий выход. Если на коэффициент нагрузки влияет отсутствие топлива, остановка для технического обслуживания, незапланированные поломки или снижение спроса (поскольку структура потребления колеблется в течение дня), выработку необходимо скорректировать, поскольку хранение энергии в сети часто является чрезмерно дорогим. .

Небольшие коммунальные предприятия, которые покупают электроэнергию вместо того, чтобы генерировать собственные, находят, что они также могут получить выгоду, установив систему контроля нагрузки. Штрафы, которые они должны уплатить поставщику энергии за пиковое потребление, могут быть значительно уменьшены. Многие сообщают, что система контроля нагрузки окупается за один сезон.

Сравнения с ответом на спрос

Решение о сокращении нагрузки принимается на основе надежности системы . Коммунальное предприятие в некотором смысле «владеет выключателем» и отключает нагрузки только тогда, когда возникает угроза стабильности или надежности системы распределения электроэнергии. Коммунальное предприятие (занимающееся производством, транспортировкой и доставкой электроэнергии) не будет нарушать свой бизнес-процесс без уважительной причины. Правильное управление нагрузкой не требует вмешательства и не создает затруднений для потребителя. Нагрузку следует перенести на непиковые часы.

Реагирование на спрос помещает «двухпозиционный переключатель» в руки потребителя, использующего такие устройства, как переключатель управления нагрузкой, управляемый интеллектуальной сетью . В то время как многие бытовые потребители платят за электроэнергию по фиксированной ставке круглый год, затраты коммунального предприятия на самом деле постоянно меняются в зависимости от спроса, распределительной сети и состава портфеля генерации электроэнергии компании. На свободном рынке оптовая цена на энергию широко варьируется в течение дня. Программы реагирования на спрос, такие как те, что реализованы в интеллектуальных сетях, пытаются стимулировать потребителя к ограничению использования, исходя из соображений стоимости . Поскольку в течение дня затраты растут (когда система достигает максимальной мощности и используются более дорогие пиковые электростанции), свободная рыночная экономика должна позволить ценам расти. Соответствующее падение спроса на товар должно встретить падение цен. Хотя это работает при предсказуемой нехватке, многие кризисы развиваются в считанные секунды из-за непредвиденных отказов оборудования. Они должны быть решены в одинаковые сроки, чтобы избежать отключения электроэнергии . Многие коммунальные предприятия, заинтересованные в реагировании на спрос, также проявили интерес к возможности управления нагрузкой, чтобы они могли управлять «выключателем» до того, как обновленные цены могут быть опубликованы для потребителей.

Применение технологии управления нагрузкой продолжает расти сегодня с продажей систем связи на основе как радиочастот, так и по линиям электропередач . Некоторые типы систем интеллектуальных счетчиков также могут служить в качестве систем контроля нагрузки. Системы контроля заряда могут предотвратить перезарядку электромобилей в часы пик. Системы от транспортного средства к электросети могут возвращать электроэнергию от аккумуляторных батарей электромобиля к электросети или замедлять перезарядку аккумуляторных батарей транспортного средства.

Контроль пульсации

Контроль пульсации является распространенной формой контроля нагрузки и используется во многих странах мира, включая США , Австралию , Чешскую Республику , Новую Зеландию , Великобританию , Германию , Нидерланды и Южную Африку . Управление пульсациями включает наложение более высокочастотного сигнала (обычно от 100 до 1600 Гц) на стандартные 50–60 Гц основного сигнала питания. Когда приемные устройства, подключенные к второстепенным жилым или промышленным нагрузкам, получают этот сигнал, они отключают нагрузку до тех пор, пока сигнал не будет отключен или не будет получен сигнал другой частоты.

Ранние реализации контроля пульсации произошли во время Второй мировой войны в различных частях мира с использованием системы, которая обменивается данными через систему распределения электроэнергии. Ранние системы использовали вращающиеся генераторы, подключенные к распределительным сетям через трансформаторы. Системы контроля пульсаций обычно сочетаются с двухуровневой (или более) системой ценообразования, при которой электричество дороже в часы пик (вечером) и дешевле в периоды низкого потребления (раннее утро).

Затронутые бытовые устройства будут различаться в зависимости от региона, но могут включать в себя бытовые электрические водонагреватели, кондиционеры, бассейновые насосы или насосы для полива сельскохозяйственных культур. В распределительной сети, оснащенной системой управления нагрузкой, эти устройства снабжены контроллерами связи, которые могут запускать программу, ограничивающую рабочий цикл контролируемого оборудования. Потребители обычно вознаграждаются за участие в программе контроля нагрузки путем оплаты электроэнергии по сниженной ставке. Правильное управление нагрузкой с помощью коммунального предприятия позволяет им практиковать сброс нагрузки, чтобы избежать частых отключений электроэнергии и снизить затраты.

Контроль пульсации может быть непопулярным, потому что иногда устройства могут не получать сигнал для включения оборудования для обеспечения комфорта, например, нагревателей горячей воды или электрических нагревателей плинтуса. Современные электронные приемники надежнее старых электромеханических систем. Также некоторые современные системы повторяют телеграммы для включения устройств комфорта. Кроме того, по многочисленным просьбам многие приемники управления пульсацией имеют переключатель для принудительного включения устройств комфорта.

Современные средства управления пульсацией отправляют цифровую телеграмму длительностью от 30 до 180 секунд. Первоначально это были электромеханические реле. Сейчас их часто принимают микропроцессоры . Многие системы повторяют телеграммы, чтобы убедиться, что устройства для обеспечения комфорта (например, водонагреватели) включены. Поскольку частоты вещания находятся в диапазоне человеческого слуха, они часто слышно вибрируют провода, лампы накаливания или трансформаторы.

Телеграммы соответствуют разным стандартам в разных областях. Например, в Чехии в разных районах используются «ZPA II 32S», «ZPA II 64S» и Versacom. ZPA II 32S отправляет 2,33 секунды включения, 2,99 секунды отключения, затем 32 односекундных импульса (вкл. Или выкл.) С «временем выключения» между каждым импульсом в одну секунду. ZPA II 64S имеет гораздо более короткое время выключения, позволяя отправить или пропустить 64 импульса.

В соседних регионах используются разные частоты или телеграммы, чтобы гарантировать, что телеграммы работают только в желаемом регионе. Трансформаторы, которые намеренно подключают локальные сети к межсетевым соединениям, не имеют оборудования (мостовых конденсаторов) для передачи сигналов управления пульсациями в линии электропередач на большие расстояния.

Каждый импульс данных телеграммы может удвоить количество команд, так что 32 импульса разрешают 2 ^ 32 различных команды. Однако на практике определенные импульсы связаны с конкретными типами устройств или услуг. У некоторых телеграмм необычные цели. Например, в большинстве систем контроля пульсаций есть телеграмма для установки часов в подключенных устройствах, например, на полночь.

Zellweger для непикового напряжения - одна из распространенных марок систем контроля пульсаций.

Децентрализованное управление спросом на основе частоты

Большие нагрузки физически замедляют роторы синхронизированных генераторов сети. Это заставляет сеть переменного тока иметь немного пониженную частоту, когда сеть сильно загружена. Пониженная частота сразу заметна по всей сети. Недорогая местная электроника может легко и точно измерить сетевые частоты и отключить отключаемые нагрузки. В некоторых случаях эта функция почти бесплатна, например, если управляющее оборудование (например, счетчик электроэнергии или термостат в системе кондиционирования воздуха) уже имеет микроконтроллер. Большинство электронных счетчиков электроэнергии измеряют частоту внутренне, и для отключения оборудования требуются только реле управления. В другом оборудовании часто единственное необходимое дополнительное оборудование - это резисторный делитель для определения сетевого цикла и триггер Шмитта (небольшая интегральная схема), чтобы цифровой вход микроконтроллера мог определять надежный быстрый цифровой фронт. Триггер Шмитта уже входит в стандартную комплектацию многих микроконтроллеров.

Основным преимуществом перед контролем пульсаций является большее удобство для клиентов: непринятые телеграммы управления пульсациями могут привести к тому, что водонагреватель останется выключенным, что вызовет холодный душ. Или они могут вызвать отключение кондиционера, в результате чего в доме будет душно. Напротив, когда сеть восстанавливается, ее частота естественным образом повышается до нормальной, поэтому частотно-регулируемое управление нагрузкой автоматически включает водонагреватели, кондиционеры и другое комфортное оборудование. Стоимость оборудования может быть меньше, и нет никаких опасений по поводу перекрывающихся или недостигнутых областей контроля пульсаций, неправильно принятых кодов, мощности передатчика и т. Д.

Основным недостатком по сравнению с контролем пульсации является менее детальный контроль. Например, администрация электросети имеет только ограниченные возможности выбирать, какие нагрузки сбрасываются. В условиях контролируемой экономики военного времени это может быть существенным недостатком.

Система была изобретена в PNNL в начале 21 века, и было показано, что она стабилизирует сети.

Примеры схем

Во многих странах, включая США , Великобританию и Францию , электросети обычно используют частные аварийные дизельные генераторы в схемах управления нагрузкой.

Флорида

Самая большая в мире система управления нагрузкой в ​​жилых домах находится во Флориде и управляется компанией Florida Power and Light . Он использует 800 000 транспондеров управления нагрузкой (LCT) и контролирует 1 000 МВт электроэнергии (2 000 МВт в аварийной ситуации). FPL удалось избежать строительства множества новых электростанций благодаря своим программам управления нагрузкой.

Австралия и Новая Зеландия

Приемник управления пульсацией, установленный в доме в Новой Зеландии. Левый автоматический выключатель управляет подачей водонагревателя (в настоящее время включен), а правый - подачей водонагревателя в ночном магазине (в настоящее время выключен).

С 1950-х годов в Австралии и Новой Зеландии существует система управления нагрузкой, основанная на контроле пульсаций, позволяющая включать и выключать электроснабжение бытовых и коммерческих водонагревателей, а также дистанционно управлять обогревателями ночных магазинов и уличными фонарями. . Оборудование для ввода пульсаций, расположенное в каждой локальной распределительной сети, подает сигнал на приемники управления пульсацией на территории клиента. Управление может осуществляться либо вручную местной распределительной сетевой компанией в ответ на местные отключения или запросы на снижение спроса со стороны оператора системы передачи (например, Transpower ), либо автоматически, когда оборудование для впрыска обнаруживает, что частота сети падает ниже 49,2 Гц. Приемники управления пульсациями назначаются одному из нескольких каналов пульсаций, чтобы позволить сетевой компании отключать подачу питания только в части сети, а также для обеспечения возможности поэтапного восстановления подачи, чтобы уменьшить влияние скачка спроса при восстановлении подачи электроэнергии на водонагреватели. после перерыва.

В зависимости от района у потребителя может быть два счетчика электроэнергии: один для нормального электроснабжения («В любое время») и один для подачи с управляемой нагрузкой («Контролируемый»), при этом за контролируемое электросчетчик взимается более низкая ставка за киловатт-час, чем в любое время. поставка. Для тех, у кого электроснабжение регулируется по нагрузке, но есть только один счетчик, плата за электричество выставляется по «комбинированному» тарифу, который устанавливается между «В любое время» и «Контролируемый».

Чехия

Чехи используют системы контроля пульсаций с 1950-х годов.

Франция

Во Франции действует тариф EJP, который позволяет отключать определенные нагрузки и побуждать потребителей отключать определенные нагрузки. Этот тариф больше не доступен для новых клиентов (с июля 2009 г.). Tempo тариф также включает в себя различные типы дней с разными ценами, но было прекращено из- за новых клиентов , а также (по состоянию на июль 2009 года). Сниженные цены в ночное время доступны для клиентов за более высокую ежемесячную плату.

Объединенное Королевство

См. Также: Control of the National Grid (Великобритания)

Rltec в Великобритании в 2009 году сообщила, что бытовые холодильники продаются с их системами динамической реакции на нагрузку. В 2011 году было объявлено, что сеть супермаркетов Sainsbury будет использовать технологию динамического спроса на свое отопительное и вентиляционное оборудование.

В Великобритании ночные накопительные нагреватели часто используются с опцией питания в непиковое время с отключением по времени - Economy 7 или Economy 10 . Также существует программа, которая позволяет отключать промышленные нагрузки с помощью автоматических выключателей, автоматически включаемых частотно-чувствительными реле, установленными на месте. Это работает совместно с программой Standing Reserve , в которой используются дизельные генераторы. Их также можно дистанционно переключать с помощью телепереключателя BBC Radio 4 Longwave Radio .

Передача SP развернула схему динамического управления нагрузкой в ​​районе Дамфрис и Галлоуэй с использованием мониторинга в реальном времени встроенной генерации и их отключения в случае обнаружения перегрузки в сети передачи.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Пример крупнейшей системы управления нагрузкой, разработанной частным сектором.
  2. ^ Департамент энергетики США, Управление электроснабжения и надежности электроснабжения
  3. ↑ Анализ текущих проектов Министерства энергетики США, заархивированный 15 октября 2008 г., на Wayback Machine
  4. ^ Росс, TW; Смит, RMA (октябрь 1948 г.). «Централизованное управление пульсациями в высоковольтных сетях» . Журнал Института инженеров-электриков - Часть II: Энергетика . 95 (47): 470–480. DOI : 10,1049 / джи-2.1948.0126 . Проверено 18 октября 2019 .
  5. ^ a b c d e f "Контроль пульсации" . ЭнергоКонсалт КБ СРО . Проверено 18 октября 2019 .
  6. ^ Патент США № 3,842,208 (устройство контроля датчиков)
  7. ^ Патенты США №4,241,237, 4,455,453 и 7,940,901 (дистанционное управление продуктами и услугами), а также патент Канады № 1,155,243 (устройство и метод для дистанционного мониторинга, измерения и контроля датчиков)
  8. ^ Н.А. Синицын. С. Кунду, С. Бакхаус (2013). «Безопасные протоколы для генерации импульсов мощности с неоднородными совокупностями термостатически контролируемых нагрузок». Преобразование энергии и управление . 67 : 297–308. arXiv : 1211.0248 . DOI : 10.1016 / j.enconman.2012.11.021 . S2CID  32067734 .
  9. ^ Лиаси, Саханд Гасеминеджад; Голкар, Масуд Алиакбар (2017). «Подключение электромобилей к микросетям влияет на пиковый спрос с учетом спроса и без него». 2017 Иранская конференция по электротехнике (ICEE) . С. 1272–1277. DOI : 10.1109 / IranianCEE.2017.7985237 . ISBN 978-1-5090-5963-8. S2CID  22071272 .
  10. ^ Jean Marie Polard. "Частоты дистанционного управления" . Проверено 21 июня 2011 года .
  11. ^ Kalsi, K .; и другие. «Нагрузки как ресурс: частотно-зависимое управление спросом» (PDF) . pnnl.gov . Правительство США . Проверено 16 февраля 2018 .
  12. ^ Эксперты Claverton энергетики библиотека архивации 17 февраля 2010, в Wayback Machine
  13. ^ Майкл Андреолас (февраль 2004 г.). «Система управления мегагрузкой выплачивает дивиденды» . Проверено 21 июня 2011 года .
  14. ^ «Предложение файлов FPL для улучшения программ энергосбережения» . Май 2006 Архивировано из оригинала 16 июня 2011 года . Проверено 21 июня 2011 года .
  15. ^ Эксперты Claverton Energy
  16. ^ (На французском языке) EDF EPJ архивации 24 июня 2009, в Wayback Machine
  17. ↑ (на французском) EDF Tempo. Архивировано 24 июня 2009 г. в Wayback Machine.
  18. ^ (на французском языке) Ценовая сетка EDF
  19. ^ Новости / СМИ / загрузки | Динамический спрос, решения Smart Grid, балансировка энергии
  20. ^ Коммерческие возможности для резервной генерации и снижения нагрузки через национальную сеть, национального оператора системы передачи электроэнергии (NETSO) для Англии, Шотландии, Уэльса и морских территорий.

внешние ссылки