Az intelligens hálózatok olyan modernizált villamosenergia-hálózatok , amelyek információs és kommunikációs hálózatokat és technológiákat használnak az energiatermelésről és az energiafogyasztásról szóló információk gyűjtésére, ami automatikusan javítja a hatékonyságot, a megbízhatóságot, a gazdasági előnyöket, valamint a villamosenergia-termelés és -elosztás fenntarthatóságát [1].
Az intelligens hálózatok fejlesztésének szabályait Európában a Smart Grid Európai Technológiai Platform határozza meg. [2] Az Amerikai Egyesült Államokban ezeket az usctc 42 152 IX § 17381 írja le.
A smart grid technológia fejlődése a villamosenergia-szolgáltatás piacának alapvető átrendeződését is jelenti, annak ellenére, hogy a terminológia első ránézésre csak a műszaki infrastruktúra fejlesztésére utal. [3] Az intelligens villamosenergia-hálózatoknak azonban vannak hátrányai: függőség az állandó áramellátástól, illetéktelen személyek – hálózatfejlesztők – jelenléte, jogi felelősségi bizonytalanság.
Az első váltakozó áramú elektromos hálózatot 1886- ban építették ki [4] Ekkor a hálózat központosított volt, és egyirányú áramátviteli és elosztó rendszer volt. A kereslet hajtotta a kínálatot.
A 20. században a helyi hálózatok idővel növekedtek, és végül gazdasági okokból, illetve a teljes rendszer megbízhatóságának növelése érdekében kapcsolódtak egymáshoz. Az 1960-as évekre a fejlett országok elektromos hálózatai jelentősen megnőttek, kiforrtak, és szorosan összekapcsolódtak több ezer "központi" erőművel, amelyek nagy távvezetékeken keresztül látják el árammal a nagy fogyasztói központokat, amelyek aztán elágazva kettéváltak, hogy ellássák a kis ipari létesítményeket is. lakossági fogyasztóként szerte a világon. Az 1960-as évek hálózati topológiája az erős gazdaságok eredménye volt: az 1 GW (1000 MW) és 3 GW közötti méretű szén-, gáz- és olajtüzelésű erőművek költséghatékonyak lettek azáltal, hogy optimalizálták az elektromos áram termelését. tisztán gigantikus léptékű.
Stratégiai szempontból az erőművek a fosszilis tüzelőanyag-tartalékok közelében helyezkedtek el (bányák vagy kutak, vagy vasutak, utak vagy kikötők közelében). A hegyvidéki területeken a vízerőművek gátak helyének megválasztása is erősen befolyásolta a kialakuló hálózat szerkezetét. Az atomerőműveket a rendelkezésre álló hűtővíz függvényében helyezték el. Végül, a fosszilis üzemanyagtöltő állomások kezdetben meglehetősen környezetszennyezettek voltak, és olyan távol helyezkedtek el a lakott területektől, amennyire a gazdasági és műszaki helyzet lehetővé tette. Az 1960-as évek végére a villamosenergia-hálózat elérte a fejlett országok fogyasztóinak túlnyomó többségét, és csak néhány távoli régió maradt „hálózaton kívül”.
A villamosenergia-fogyasztás elszámolása felhasználónként történik, így a számlázás megfelel a különböző felhasználók (nagyon változó) fogyasztási szintjének. A villamosenergia-hálózat növekedése során korlátozott adatgyűjtési és -feldolgozási lehetőség miatt széles körben elterjedtek a fix tarifák, valamint a kettős tarifás mechanizmusok, amikor éjszaka az áram ára jóval alacsonyabb, mint nappal. A dupla tarifa oka a csökkent éjszakai áramigény volt. A kettős tarifa lehetővé tette az olcsó éjszakai áram felhasználását a napi kereslet kiegyenlítésére szolgáló „hőtartályok” biztosítására, valamint az egyébként éjszakai kikapcsolásra szoruló turbinák számának csökkentésére. Ez növelte a villamosenergia-termelés és -szállítás jövedelmezőségét. Az 1960-as modell hálózatában korlátozott volt a lehetőség a villamos energia valós költségének bármely pillanatban történő jelzésére.
Az 1970-es évektől az 1990-es évekig a növekvő kereslet az erőművek számának növekedéséhez vezetett. Egyes területeken a tápegységek, különösen csúcsidőben, már nem tudtak lépést tartani az igényekkel, ami csökkenti az áramminőséget , beleértve a baleseteket , áramkimaradásokat és feszültségingadozásokat. Egyre inkább az ipar, a fűtés, a hírközlés, a világítás függött az áramellátástól, így a fogyasztók egyre magasabb szintű megbízhatóságot követeltek.
A 20. század végére kialakultak a villamosenergia-igényi modellek. Az otthonok fűtése és hűtése napi keresletcsúcsokat eredményezett, amelyeket a naponta csak rövid időre bekapcsolt hatalmas "csúcsgenerátorok" simítottak ki. Az ilyen "csúcsgenerátorokat" (általában gázturbinás generátorokat ) viszonylag olcsóságuk és gyors indításuk miatt használták. Mivel azonban csak alkalmanként használták őket, a fennmaradó időben pedig többlet volt, a fogyasztói villamosenergia-árak jelentősen emelkedtek.
A 21. században néhány fejlődő ország, például Kína, India és Brazília úttörő szerepet játszott az intelligens hálózatok megvalósításában [5]
A 21. század eleje óta lehetőség nyílt az elektronikai technológiai innovációk kihasználására a hiányosságok kiküszöbölésére és az elektromos hálózat költségeinek csökkentésére. Például a csúcsteljesítményhez közeli fogyasztás technológiai korlátozásai minden fogyasztót egyformán érintenek. Ezzel párhuzamosan a fosszilis tüzelésű erőművek környezetkárosító hatásai miatti növekvő aggodalom a megújuló energiaforrások több felhasználása iránti vágyhoz vezetett . Az olyan források, mint a szélenergia és a napenergia rendkívül ingadozók, ezért összetettebb vezérlőrendszerekre van szükség, amelyek megkönnyítik a kapcsolódásukat (forrásaikat) egy szabályozott hálózathoz. A napelemekből (és kisebb mértékben a szélturbinákból ) származó energia megkérdőjelezi a nagy, központosított erőművek szükségességét. A költségek gyors csökkenése a központosított hálózati topológiáról a magasan elosztott hálózatra való átmenetet jelzi, ahol a villamos energia előállítása és fogyasztása a helyi hálózaton belül történik. Végül, egyes országokban a terrorizmussal kapcsolatos növekvő aggodalmak egy megbízhatóbb energiarendszert követeltek, amely kevésbé függ a központosított erőművektől, amelyek potenciális támadási célpontok. [6]
A „smart grid” (Smart grid) kifejezés 2003 óta vált ismertté, amikor megjelent Michael T. Burr „A megbízhatóság iránti igény ösztönzi a befektetéseket” című cikkében. [7] . Ez a cikk felsorolja az intelligens hálózatok számos funkcionális és technológiai meghatározását, valamint néhány előnyt. A legtöbb definíció közös eleme a digitális adatfeldolgozás és kommunikáció alkalmazása az elektromos hálózatra, így az adatáramlást és az információkezelést kulcsfontosságú technológiákká teszik az intelligens hálózatokban. Az intelligens hálózatok fejlesztésének kulcsfontosságú technológiái a digitális technológiák széles körű integrációjának különféle lehetőségei, valamint az információáramlások új hálózatának integrálása a folyamatok és rendszerek ellenőrzésére. Jelenleg a villamosenergia-ipar három osztályba sorolható: infrastruktúra fejlesztése („erős hálózat Kínában”, digitális réteg hozzáadása, ami az intelligens hálózat lényege, valamint olyan üzleti folyamatok átalakítása, amelyek az intelligens hálózatot költséghatékonyabbá teszik. A munka nagy részét az elektromos hálózatok korszerűsítésébe fektetik, ez különösen az alállomások elosztását és automatizálását érinti, amely mostantól az intelligens hálózatok átfogó koncepciójába kerül, de további további lehetőségek is kialakulóban vannak.
Az intelligens hálózati alaptechnológiák az elektronikus vezérlés, mérés és felügyelet korai kísérleteiből jöttek létre. 1980-ban az automatikus mérőleolvasást a nagyfogyasztók energiafogyasztásának nyomon követésére használták, és az 1990-es évek intelligens mérőjévé fejlődött , amely információkat tárol arról, hogyan használták fel az áramot a nap különböző szakaszaiban. [8] Az intelligens mérő folyamatos kommunikációban van az energiatermelővel, azaz valós időben figyeli, és interfészként használható gyors igényre reagáló eszközök és intelligens csatlakozók számára. A keresletszabályozás korai formái olyan eszközök voltak, amelyek passzívan érzékelték az energiarendszer terhelését azáltal, hogy szabályozták az áramellátás frekvenciájának változásait. Az olyan eszközök, mint az ipari és háztartási klímaberendezések, hűtőszekrények és fűtőberendezések, beállíthatják a működési ciklusukat, hogy elkerüljék a hálózati csúcsok idején történő indítást. 2000 óta az olasz Telegestore projekt volt az első, amely házakból álló nagy hálózatot (27 000 000) használt intelligens mérőórákkal , amely digitális hálózaton keresztül magával az elektromos vezetékkel csatlakozik . [9] Egyes esetekben szélessávú távvezeték-hozzáférési technológiákat, más esetekben vezeték nélküli technológiákat, például hálós topológiát használtak a házban lévő különféle eszközökhöz való megbízhatóbb csatlakozás érdekében, valamint támogatták az egyéb közművek, például a gáz és a víz elszámolását.
A globális hálózatfelügyeleti és szinkronizálási forradalom az 1990-es évek elején következett be, amikor az amerikai Bonneville Power Administration ügynökség kibővítette az intelligens hálózatok kutatását olyan érzékelőkkel, amelyek képesek nagyon gyorsan elemezni az áramminőségi anomáliákat nagyon nagy földrajzi léptékben. Ez a munka az első nagy kiterjedésű mérési rendszerben (WAMS) csúcsosodott ki 2000-ben. [10] Sok ország azonnal átvette ezt a technológiát, például Kína. [tizenegy]