Периферни изчисления в smart grid

Използването на електроенергия нараства едновременно с усилията за намаляване на зависимостта ни от изкопаеми горива. В тази ситуация интелигентните електро-мрежи се превърнаха в съществен елемент за осигуряването на стабилен енергиен пазар. Интелигентната мрежа, базирана на изкуствен разум и анализи, изисква локална и бърза обработка на данните. Тук идва мястото на т. нар. периферни изчисления. Те имат потенциала да реализират дълго обсъжданата идея за умни електро-мрежи, при това доста бързо. Преходът към интелигентни електромрежи с елементи на периферни изчисления най-вероятно няма да бъде гладък и лесен процес. Към тези въпроси отправяме поглед в настоящия материал на списание Енергия.

Текст: списание Енергия

Интелигентните smart-grid разчитат на използването на големи масиви от дан ни за вземането на решения за различнидейности и услуги. В рамките на тази промяна информационните и комуникационните технологии (ИКТ) играят критична роля. Въвеждането на периферните изчисления (edge computing) е стъпка, която има потенциала да сбъдне концепцията за умните електро-мрежи. Оказва се и, че наличните инсталации на умни електромери са блестяща възможност. Това е трамплин за решителен скок към осъществяването на концепцията.

За интелигентна мрежа се смята такава електрическа мрежа, която използва данни и анализи с цел оптимизиране на решенията за доставяне на електроенергия. Част от оптимизацията включва използването на интелигентни измервателни уреди за проследяване на потреблението на електроенергия от клиентите, IoT сензори за наблюдение на уреди и далекопроводи, но преди всичко – изкуствен интелект за балансиране и проактивно управление на търсенето и предлагането.

Вземането на автоматизирани решения на база изкуствен разум е единственото жизнеспособно решение в мрежа с толкова множество компоненти и непредвидими променливи. Голяма част от тях са налице, защото все повече енергия бива добивана и подавана от възобновяеми енергийни източници като вятър и слънце – непостоянни, трудно предвидими. Навлизането на електромобилите, центровете за данни, суперкомпютрите и виртуалните валути също оказват огромен натиск.

Пазарни фактори

Глобалните парникови емисии от енергийния сектор се увеличават, въпреки желанието на всички правителства по света вредните газове да намаляват. 2020г. беше година, за която се предвиждаше началото на спад на глобалните емисии на CO₂. Това отчасти се случи, но все още няма признаци, че тенденцията е трайна. Замърсяването от енергийния сектор и неговите постоянно нарастващи парникови емисии са основен фактор за усърдието да се мигрира към интелигентни електро-мрежи.

Това даде тласък на развитието на възобновяемата енергия. Глобалният капацитет за производство на електричество от слънце, вятър, морски вълни и други източници непрекъснато се увеличава. Но възходът на ВЕИ поставя и нови предизвикателства пред операторите. Нужно е фино, гъвкаво и адаптивно балансиране на системата за доставка на електроенергия. Предизвикателствата, произтичащи от развитието на ВЕИ, са многопосочни. От една страна повечето от тези източници са непостоянни и непредвидими.

Например, слънцето не грее всеки ден, а дори в рамките на деня може да „изчезне“ заради метеорологичните промени. От друга страна, с популяризирането на идеята за т. нар. „прозюмер“ броят на точките, в които електричество се подава и се консумира, рязко нараства (прозюмер – домакинство, което произвежда и потребява електроенергия едновременно). С това нараства и сложността на мрежата в „последната миля“. Към това предизвикателство скоро ще се добави и друго – настъплението на електрическите превозни средства. Тези автомобили имат мощни батерии.

А те трябва да се зареждат бързо. Натискът, който това поставя върху енергийните мрежи, се усложнява от все по-многофункционалната роля на електромобилите: освен да превозват, те ще се използват и като акумулатори на електроенергия. Така ще могат да захранват домовете на собствениците, а дори се предвижда да бъдат резервни батерии за електропреносната мрежа. В последните години бързо се разви и друга технология, която поставя под натиск електро-мрежите: криптовалутите. По същество това са сложни шифри, за чието генериране е нужна голяма изчислителна мощ.

Тези нови „монети“ се добиват във ферми с множество изчислителни машини, поглъщайки много енергия. Гладът им за електричество доведе до мащабни прекъсвания на електрозахранването в регионите, където „добивът“ е популярен. В резултат, някои държави забраниха генерирането и търговията с криптовалути. На свой ред забраната доведе до миграция на „миньорите“ към други държави. Сега техните електро-мрежи преживяват същия натиск. Тенденция, която ще влияе на пазара, са и все по-могобройните центрове за данни по света. Показателен е случаят с новия суперкомпютър на автопроизводителя Tesla, наречен „Dojo”.

След повече от година изграждане, в края на септември той най-сетне заработи – и това доведе до изключване на захранващата подстанция и угасване на целия район Пало Алто в Калифорния. Подобни суперкомпютри обаче се градят на много места по света. Броят им ще се увеличава и ще поставя допълнително натоварване върху енергийните системи. Развитието на т. нар. умни градове също усложнява електроенергийните системи в „последната миля“. Това не означава непременно повишено натоварване. Вместо това обаче нараства сложността на системите за контрол и управление на градските енергийни мрежи. Съвкупността от тези фактори означава, че в близко бъдеще електромрежите ще трябва да претърпят коренна промяна.

Умни мрежи, облаци и периферни изчисления

Интелигентната мрежа за електроснабдяване използва цифрови комуникационни технологии, за да реагира на постоянните и динамични промени. За целта се събират и в реално време се анализират данни, свързани с производството, използването или съхранението на енергията. Така може да се постигне максимално удовлетворяване на нуждите на потребителите. Доскоро се смяташе, че най-добрият начин за постигането на целта са облачните изчисления. Облакът обаче има определени ограничения. Спрямо изискванията на интелигентните електро-мрежи той може да е неефективен, тромав, нежелан. Момент. Какво му е на „облака“? При облачните изчисления географски отдалечените устройства и оборудване са свързани с облачни центрове за данни.

В облака се вземат централизирани решения и се издават команди за контрол. Този подход страда от няколко слабости. Преносът на данните на големи разстояния винаги означава известно забавяне. Понякога информационните мрежи може да са натоварени и да не им достига честотна лента. Тогава забавянията не биха били незначителни от гледна точка на темповете, с които трябва да се вземат решения при управлението на електроенергия. Дори без фактора „скорост“ местенето на въпросните данни може да е нежелано. Например, електрическата компания може да не иска системите, контролиращи доставките на електроенергия, да се обработват в център за данни, намиращ се извън страната.

Възможно е да има и правителствена забрана за подобен „аутсорсинг“. Освен, че отнема време, подобно местене на данните напред-назад натоварва комуникационните мрежите – което струва пари. Най-сетне предизвикателство е и сигурността. Циркулацията на информацията увеличава потенциала за изтичане на данни или попадането им в недобронамерени ръце. Периферните изчисления са алтернатива, която намира пресечната точка между противоречащите интереси: изчисленията се случват близо до потребителите и близо до източника на данните. Това се смята за ключово предимство.

И макар че различните дефиниции за „периферни изчисления“ в контекста на умната мрежа може да се различават, те всички имат нещо общо – именно идеята, че изчисленията се случват близо до източника на данните. От друга страна, може да се каже, че идеята за периферните изчисления не е непозната за енергетиката. Някои съществуващи електрически съоръжения отдавна работят с подобни функции. Да вземем за пример конвенционална система за релейна защита. Оборудването за релейна защита може да събира данни от електромерите, да изчислява според настройката на релето си и след това да издава команди за управление на прекъсвачите – и всичко това се случва близо до потребителите.

Предимства на интелигентните мрежи

Как работят интелигентните мрежи и периферните изчисления? В рамките на интелигентната мрежа има потребители на мрежата, които могат да бъдат генератори на енергия или собственици на съоръжения за съхранение, както и крайни потребители. Пазарните оператори отговарят за пазарите на енергия и комуникират с доставчиците на енергийни услуги. Системните оператори контролират физическата електроенергийна система. Периферията действа като посредник, който улеснява съхранението и комуникацията между изчислителните ресурси и интелигентната мрежа, която контролира центъра на нещата. Има няколко предимства, свързани с използването на периферни изчисления за интелигентната мрежа.

Ниската латентност е първа сред тях. Мрежите за разпределение и пренос на електроенергия са важни при доставянето на енергия в т. нар. „последна миля“ до крайните потребители. Ролята на интелигентните мрежи в този контекст е да улеснят контрола, да осигурят стабилни условия за работа на мрежата, да следят за дисбаланс между генериране и товар. Умната мрежа следи за регулиране на потенциални пикове, които биха могли да дестабилизират мрежата. Периферните изчисления могат да гарантират ниска латентност. Това помага да се наблюдават параметрите на мрежата в реално време и проактивно да се вземат решения за управлението на елементите в нея. Поверителността на данните е друг фактор.

С възхода на интелигентните домове и интелигентното измерване умните мрежи стават носител на нарастващ обем лична и чувствителна информация за крайните потребители. Възможността за изтичане на такава информация е опасна – както за доставчиците на енергия, така и за самите потребители. Същевременно комуналните дружества вече са в радара на вниманието на повечето хакерски групи. Публичният облак пък често е твърде далеч и намалява контрола, който жителите и правителствата имат върху своите данни. Способността на периферните изчисления да обработват данни локално може да помогне за намаляване на риска. Значително се редуцира обемът данни, които трябва да пропътуват до облака и обратно. От всичко това произтича и друга полза: предвидимостта и прогнозите.

Най-големият стимул в рамките на пазара на възобновяема енергия е възможността за спестяване на пари. Ако в домакинствата се генерира повече енергия от необходимото, потребителите могат да я продадат на мрежата. По този начин се създава енергиен пазар, на който неизползваната енергия се търгува с цел спестяване или печелене на пари. Но за да е възможно това, потребителите трябва да покажат, че могат да предскажат или прогнозират своето генериране или потребление на енергия. Е, периферните изчисления могат да помогнат за точни прогнози и модели. Те отчитат времето, местоположението, ъгъла на покрива при използване на слънчеви панели, ветровата обстановка и др. Накратко, периферните изчисления „преместват“ границата на голяма част от изчислителните дейности към периферията на електро-мрежата. Използват се изчислителни ресурси, разположени по-близо до сензорите и потребителите, за да извършват анализа на данните бързо. Няма забавяния, няма трафик до далечни дестинации, рискът е намален.

Умните електромери - трамплин към умната мрежа

Интелигентните електромери могат да осигурят бърз преход към смарт-грид, ако се трансформират в мрежови изчислителни устройства, смятат специалисти. По света вече има обширна база от интелигентни измервателни уреди, внедрени в домовете на хората. Тези уреди могат да бъдат надградени и/или подменени в идните години. Така ще се осигури локална изчислителна мощ, необходима за прилагане на принципите на умната електро-мрежа. Аналитичните способности и възможностите за вземане на решения на база изкуствен интелект, вградени в евентуално ново поколение електромери, ще се превърне в нещо нормално, прогнозират анализатори.

Интелигентните измервателни уреди с възможности за усъвършенствани анализи на база изкуствен интелект (AI) ще доведат до трансформация в използването на енергия в домовете, предприятията, офисите. Поради това може да се очаква, че по цял свят скоро ще станем свидетели на скок в броя на проектите за надграждане или подмяна на сегашните интелигентни измервателни уреди. Това, според пазарните анализатори, ще се случи още в рамките на настоящото десетилетие. Ходът би бил съвсем закономерен, следвайки първоначалния скок в инсталациите на интелигентни измервателни уреди, наблюдаван в края на 2000-те и началото на 2010-те.

Конкретно в САЩ и части от Западна Европа е най-вероятно да се случи подобен скок в проектите за надграждане и подмяна. Тенденцията вече се проявява в някои области, като все по-голям брой комунални дружества са избрали или инсталирали устройства от следващо поколение като част от внедряването на интелигентни измервателни уреди от т. нар „второ поколение“. Според данни на Guidehouse, само в САЩ до 2027 година трябва да бъдат подменени приблизително 65 милиона интелигентни измервателни уреди. Това свидетелства за мащаба на промените, които предстоят пред местните ютилити компании.

Те могат още сега да въведат технологии за периферни изчисления и да си помогнат в реализацията амбициозните цели за енергийна ефективност и електрификация. Усъвършенстваните интелигентни измервателни уреди от ново поколение имат потенциала да преобърнат парадигмата „ютилити-потребител“. Сега потребителите вече могат да имат много по-добра представа и много по-прецизен контрол върху потреблението на енергия в своите пространства, а ютилити компаниите – да се възползват, за да осигурят по-гладко и по-стабилно функциониране на мрежите.