Ein Smart Grid ist ein Stromnetz, das eine Vielzahl von Betriebs- und Energiemaßnahmen umfasst, einschließlich intelligenter Zähler, intelligenter Geräte, erneuerbarer Energiequellen und energieeffizienter Ressourcen. Die elektronische Energiekonditionierung und Steuerung der Stromerzeugung und -verteilung sind wichtige Aspekte des Smart Grids.

Smart-Grid-Politik wird in Europa als Smart Grid European Technology Platform organisiert. Politik in den Vereinigten Staaten wird in 42 USC ch beschrieben. 152, subch. IX § 17381.

Die Einführung der Smart-Grid-Technologie beinhaltet auch eine grundlegende Neugestaltung der Stromdienstleistungsbranche, obwohl der typische Gebrauch des Begriffs auf die technische Infrastruktur ausgerichtet ist.

Definition von „Smart Grid“
Die erste offizielle Definition von Smart Grid wurde durch das Energy Independence and Security Act von 2007 (EISA-2007) gegeben, das im Januar 2007 vom US-Kongress genehmigt und im Dezember 2007 von Präsident George W. Bush unterzeichnet wurde. Titel XIII dieser Rechnung enthält eine Beschreibung mit zehn Merkmalen, die wie folgt als Definition für Smart Grid angesehen werden kann:

„Es ist die Politik der Vereinigten Staaten, die Modernisierung des Elektrizitätsübertragungs- und -verteilungssystems der Nation zu unterstützen, um eine zuverlässige und sichere Elektrizitätsinfrastruktur zu erhalten, die das zukünftige Nachfragewachstum erfüllen und jedes der folgenden erreichen kann, die zusammen ein Smart Grid charakterisieren: (1) Verstärkter Einsatz digitaler Informations- und Steuertechnologie zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, Sicherheit und Effizienz des Stromnetzes (2) Dynamische Optimierung von Netzbetrieb und -ressourcen mit vollständiger Cyber-Sicherheit (3) Bereitstellung und Integration verteilter Ressourcen und Erzeugung einschließlich erneuerbarer Ressourcen. (4) Entwicklung und Einbeziehung von Nachfragereaktion, nachfrageseitigen Ressourcen und energieeffizienten Ressourcen. (5) Einsatz von „intelligenten“ Technologien (Echtzeit-, automatisierte, interaktive Technologien zur Optimierung der physischen Ressourcen Betrieb von Geräten und Verbrauchergeräten) für die Messung, Kommunikation in Bezug auf Netzbetrieb und -status und Verteilungsautomatisierung. (6) Integration von „intelligenten“ Geräten und Verbrauchergeräten. (7) Einsatz und Integration fortschrittlicher Stromspeicher- und Peak-Shaving-Technologien, einschließlich Plug-in-Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen, und Wärmespeicherklimatisierung. (8) Bereitstellung rechtzeitiger Informations- und Kontrollmöglichkeiten für die Verbraucher. (9) Entwicklung von Standards für die Kommunikation und Interoperabilität von Geräten und Geräten, die an das Stromnetz angeschlossen sind, einschließlich der Infrastruktur, die das Netz versorgt. (10) Identifizierung und Verringerung unangemessener oder unnötiger Hindernisse für die Einführung von Smart-Grid-Technologien, -Praktiken und -Diensten. “

Ein gemeinsames Element der meisten Definitionen ist die Anwendung der digitalen Verarbeitung und Kommunikation auf das Stromnetz, wodurch der Datenfluss und das Informationsmanagement zentral für das intelligente Stromnetz sind. Verschiedene Fähigkeiten ergeben sich aus dem tief integrierten Einsatz von Digitaltechnik mit Stromnetzen. Die Integration der neuen Netzinformationen ist eines der Hauptprobleme bei der Gestaltung von intelligenten Netzen. Die Energieversorger finden nun drei Arten von Transformationen: Verbesserung der Infrastruktur, in China das starke Netz genannt; Ergänzung der digitalen Schicht, die die Essenz des Smart Grid darstellt; und Transformation von Geschäftsprozessen, die notwendig ist, um von den Investitionen in intelligente Technologien zu profitieren. Ein Großteil der Arbeiten zur Modernisierung des Stromnetzes, insbesondere der Automatisierung von Umspannwerken und Verteilern, ist jetzt im allgemeinen Konzept des intelligenten Stromnetzes enthalten.

Frühe technologische Innovationen
Smart-Grid-Technologien sind aus früheren Versuchen hervorgegangen, elektronische Steuerung, Messung und Überwachung zu verwenden. In den 1980er Jahren wurde die automatische Zählerablesung für die Überwachung von Lasten von Großkunden verwendet und entwickelte sich in den 90er Jahren zur Advanced Metering Infrastructure, deren Zähler die zu unterschiedlichen Tageszeiten verbrauchte Elektrizität speichern konnten. Intelligente Zähler fügen eine kontinuierliche Kommunikation hinzu, so dass die Überwachung in Echtzeit durchgeführt werden kann, und sie können als Gateway verwendet werden, um auf die Reaktion reagierende Geräte und „intelligente Steckdosen“ im Haushalt zu fordern. Frühere Formen solcher Demand-Side-Management-Technologien waren dynamische bedarfsbewusste Geräte, die passiv die Belastung des Netzes erfassten, indem sie Änderungen der Stromversorgungsfrequenz beobachteten. Geräte wie Industrie- und Haushaltsklimageräte, Kühlschränke und Heizgeräte passten ihren Arbeitszyklus an, um eine Aktivierung während Zeiten zu vermeiden, in denen das Netz einen Spitzenzustand hatte. Im Jahr 2000 war Italiens Telegestore-Projekt das erste, das eine große Anzahl (27 Millionen) von Haushalten über intelligente Stromzähler anbot, die über eine Stromleitung mit niedriger Bandbreite miteinander verbunden waren. Einige Experimente verwendeten den Begriff Breitband über Stromleitungen (BPL), während andere drahtlose Technologien wie Mesh-Netzwerke für zuverlässigere Verbindungen zu unterschiedlichen Geräten im Haushalt sowie die Messung anderer Versorgungseinrichtungen wie Gas und Wasser unterstützten.

Die Überwachung und Synchronisierung von Weitverkehrsnetzen wurde Anfang der 1990er Jahre revolutioniert, als die Bonneville Power Administration ihre Smart-Grid-Forschung mit Prototypsensoren erweiterte, die in der Lage sind, Anomalien in der Stromqualität über sehr große geografische Gebiete hinweg sehr schnell zu analysieren. Der Höhepunkt dieser Arbeit war das erste operationelle Wide Area Measurement System (WAMS) im Jahr 2000. Andere Länder integrieren diese Technologie schnell – China hat mit dem Abschluss des letzten 5-jährigen Wirtschaftsplans im Jahr 2012 ein umfassendes nationales WAMS eingeführt.

Zu den frühesten Implementierungen von Smart Grids gehören das italienische System Telegestore (2005), das Mesh-Netzwerk von Austin, Texas (seit 2003) und das Smart Grid in Boulder, Colorado (2008). Siehe Bereitstellungen und versuchte Bereitstellungen unten.

Merkmale des intelligenten Netzes
Das Smart Grid stellt die gesamte Palette aktueller und vorgeschlagener Antworten auf die Herausforderungen der Stromversorgung dar. Aufgrund der vielfältigen Faktoren gibt es zahlreiche konkurrierende Taxonomien und keine Übereinstimmung über eine universelle Definition. Dennoch ist hier eine mögliche Kategorisierung angegeben.

Zuverlässigkeit
Das intelligente Stromnetz nutzt Technologien wie die Zustandsschätzung, die die Fehlererkennung verbessern und eine Selbstheilung des Netzes ohne Eingriff von Technikern ermöglichen. Dies wird eine zuverlässigere Stromversorgung und eine geringere Anfälligkeit gegenüber Naturkatastrophen oder Angriffen gewährleisten.

Obwohl mehrere Routen als eine Funktion des Smart Grids angepriesen werden, wies das alte Grid auch mehrere Routen auf. Die anfänglichen Stromleitungen im Netz wurden mithilfe eines Radialmodells erstellt, später wurde die Konnektivität über mehrere Routen, die als Netzwerkstruktur bezeichnet wurden, gewährleistet. Dies führte jedoch zu einem neuen Problem: Wenn der aktuelle Fluss oder verwandte Effekte im Netzwerk die Grenzen eines bestimmten Netzwerkelements überschreiten, könnte dies fehlschlagen, und der Strom würde zu anderen Netzwerkelementen geleitet, was möglicherweise auch scheitern könnte Domino-Effekt. Siehe Stromausfall. Eine Technik, um dies zu verhindern, ist der Lastabwurf durch rollierendes Blackout oder Spannungsreduktion (Brownout).

Die wirtschaftlichen Auswirkungen einer verbesserten Netzzuverlässigkeit und -resilienz sind Gegenstand einer Reihe von Studien und können mithilfe einer US-DOE-finanzierten Methodik für Standorte in den USA unter Verwendung mindestens eines Berechnungstools berechnet werden.

Flexibilität in der Netzwerktopologie
Die Übertragungs- und Verteilungsinfrastruktur der nächsten Generation wird besser in der Lage sein, mögliche bidirektionale Energieflüsse zu bewältigen, die eine dezentrale Erzeugung ermöglichen, z. B. von Fotovoltaikpaneelen auf Gebäudedächern, aber auch die Nutzung von Brennstoffzellen, Laden / Entladen von Batterien von Elektroautos, Wind Turbinen, gepumpte Wasserkraft und andere Quellen.

Klassische Netze wurden für den einseitigen Stromfluss entwickelt. Wenn jedoch ein lokales Subnetz mehr Strom erzeugt als verbraucht, kann der umgekehrte Strom die Sicherheit und Zuverlässigkeit erhöhen. Ein Smart Grid soll diese Situationen bewältigen.

Effizienz
Vom Einsatz der Smart-Grid-Technologie werden zahlreiche Beiträge zur allgemeinen Verbesserung der Effizienz der Energieinfrastruktur erwartet, insbesondere einschließlich der Nachfragesteuerung, z. B. Abschalten von Klimaanlagen während kurzfristiger Strompreisspitzen, Reduzierung der Spannung wenn möglich Verteilungsleitungen durch Voltage / VAR Optimization (VVO), Eliminierung von LKW-Rollen für Zählerablesungen und Reduzierung von LKW-Rolls durch verbessertes Ausfallmanagement mit Daten von Advanced Metering Infrastructure Systemen. Der Gesamteffekt ist weniger Redundanz in Übertragungs- und Verteilungsleitungen und eine stärkere Nutzung von Generatoren, was zu niedrigeren Strompreisen führt.

Lastanpassung / Lastverteilung
Die an das Stromnetz angeschlossene Gesamtlast kann im Laufe der Zeit erheblich variieren. Obwohl die Gesamtlast die Summe vieler individueller Entscheidungen der Clients ist, ist die Gesamtlast nicht notwendigerweise stabil oder langsam variierend. Wenn beispielsweise ein beliebtes Fernsehprogramm startet, werden Millionen von Fernsehgeräten sofort Strom ziehen. Herkömmlicherweise werden einige Ersatzgeneratoren in einen dissipativen Standby-Modus versetzt, um auf einen schnellen Anstieg des Stromverbrauchs zu reagieren, der schneller ist als die Anlaufzeit eines großen Generators. Ein Smart Grid kann alle einzelnen Fernsehgeräte oder einen anderen größeren Kunden warnen, die Last vorübergehend zu reduzieren (um Zeit zu haben, einen größeren Generator zu starten) oder kontinuierlich (im Falle begrenzter Ressourcen). Mit mathematischen Prädiktionsalgorithmen kann vorhergesagt werden, wie viele Standby-Generatoren verwendet werden müssen, um eine bestimmte Fehlerrate zu erreichen. Im traditionellen Netz kann die Ausfallrate nur auf Kosten von mehr Standby-Generatoren reduziert werden. In einem Smart Grid kann die Lastreduzierung durch nur einen kleinen Teil der Clients das Problem beseitigen.

Peak-Kürzung / Nivellierung und Nutzungszeit-Preisgestaltung
Um die Nachfrage während der Spitzenlastzeiten bei hohen Kosten zu reduzieren, informieren Kommunikations- und Messtechnologien intelligente Geräte in Haus und Büro, wenn der Energiebedarf hoch ist, und verfolgen, wie viel Strom verbraucht wird und wann er verwendet wird. Außerdem können Versorgungsunternehmen den Verbrauch reduzieren, indem sie direkt mit den Geräten kommunizieren, um Systemüberlastungen zu vermeiden. Beispiele wären ein Dienstprogramm, das die Verwendung einer Gruppe von Ladestationen für Elektrofahrzeuge oder die Verschiebung von Temperatureinstellpunkten von Klimaanlagen in einer Stadt reduziert. Um sie zu motivieren, die Nutzung zu kürzen und die so genannte Spitzenabschaltung oder Peak-Nivellierung durchzuführen, werden die Strompreise in Zeiten hoher Nachfrage erhöht und in Zeiten geringer Nachfrage gesenkt. Es wird davon ausgegangen, dass Verbraucher und Unternehmen in Zeiten hoher Nachfrage tendenziell weniger konsumieren, wenn Verbraucher und Verbraucher die hohe Preisprämie für die Nutzung von Strom in Spitzenzeiten wahrnehmen können. Dies könnte bedeuten, Kompromisse zu machen, wie das Ein- / Ausschalten von Klimaanlagen oder das Betreiben von Geschirrspülmaschinen um 21 Uhr anstatt um 17 Uhr. Wenn Unternehmen und Verbraucher einen direkten wirtschaftlichen Nutzen der Nutzung von Energie außerhalb der Spitzenzeiten sehen, besteht die Theorie darin, dass sie die Energiekosten des Betriebs in ihre Entscheidungen zu Verbrauchergeräten und Baukonstruktionen einbeziehen und somit energieeffizienter werden. Siehe Tageszeitmessung und Bedarfsantwort.

Laut Befürwortern von Smart-Grid-Plänen wird [wer?] Damit die Menge der rotierenden Reserve reduzieren, die Atomkraftwerke in Bereitschaft halten müssen, da sich die Lastkurve durch eine Kombination von „unsichtbarer Hand“ des freien Marktkapitalismus ausgleichen wird und zentrale Steuerung einer großen Anzahl von Geräten durch Energieverwaltungsdienste, die den Verbrauchern einen Teil der durch Ausschalten ihres Geräts eingesparten Spitzenleistung zahlen.

Nachhaltigkeit
Die verbesserte Flexibilität des Smart Grid ermöglicht eine stärkere Durchdringung von stark variablen erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie, auch ohne zusätzlichen Energiespeicher. Die aktuelle Netzwerkinfrastruktur ist nicht für viele verteilte Einspeisepunkte ausgelegt, und selbst wenn eine Einspeisung auf der lokalen (Verteilungs-) Ebene zulässig ist, kann die Infrastruktur auf Übertragungsniveau dies nicht berücksichtigen. Schnelle Schwankungen in der dezentralen Erzeugung, beispielsweise aufgrund von bewölktem oder böigem Wetter, stellen Energietechniker vor große Herausforderungen, die stabile Leistungspegel durch Variieren der Leistung der besser steuerbaren Generatoren wie Gasturbinen und hydroelektrische Generatoren sicherstellen müssen. Smart Grid-Technologie ist daher eine notwendige Voraussetzung für sehr große Mengen an erneuerbarem Strom im Netz.

Marktaktivierung
Das Smart Grid ermöglicht eine systematische Kommunikation zwischen den Lieferanten (deren Energiepreis) und den Verbrauchern (deren Zahlungsbereitschaft) und ermöglicht sowohl den Lieferanten als auch den Verbrauchern eine flexiblere und ausgefeiltere Betriebsstrategie. Nur die kritischen Lasten müssen die Spitzenenergiepreise bezahlen, und die Verbraucher können strategischer sein, wenn sie Energie verbrauchen. Generatoren mit größerer Flexibilität können Energie strategisch für maximalen Profit verkaufen, während unflexible Generatoren wie Grundlastdampfturbinen und Windturbinen einen unterschiedlichen Tarif erhalten, der auf der Nachfrage und dem Status der anderen derzeit betriebenen Generatoren basiert. Der Gesamteffekt ist ein Signal, das die Energieeffizienz und den Energieverbrauch angibt, der für die zeitabhängigen Beschränkungen des Angebots sensibel ist. Auf nationaler Ebene sind Geräte mit einem gewissen Grad an Energiespeicherung oder thermischer Masse (wie Kühlschränke, Wärmebänke und Wärmepumpen) gut positioniert, um den Markt zu „spielen“ und versuchen, die Energiekosten durch Anpassung der Nachfrage an die kosten Energie-Support-Zeiten. Dies ist eine Erweiterung der oben erwähnten Energiepreise mit zwei Zöllen.

Unterstützung bei Bedarf
Die Demand-Response-Unterstützung ermöglicht die automatische Interaktion von Generatoren und Lasten in Echtzeit und koordiniert die Nachfrage nach Abflachung von Spikes. Durch die Eliminierung des Bedarfsanteils in diesen Spikes entfallen die Kosten für den Einsatz von Reservegeneratoren, der Verschleiß und die Lebensdauer der Geräte wird verringert, und Benutzer können ihre Energiekosten senken, indem sie Geräten mit niedriger Priorität nur dann Energie geben, wenn sie am billigsten sind .

Gegenwärtig haben Stromnetzsysteme einen unterschiedlichen Grad an Kommunikation innerhalb von Steuerungssystemen für ihre hochwertigen Anlagen, beispielsweise in Erzeugungsanlagen, Übertragungsleitungen, Umspannwerken und großen Energieverbrauchern. Im Allgemeinen fließen Informationen von den Benutzern und den Lasten, die sie steuern, in die Dienstprogramme zurück. Die Versorgungsunternehmen versuchen, die Nachfrage zu erfüllen und erfolgreich zu sein oder in unterschiedlichem Maße zu versagen (Spannungsabfälle, Stromausfall, unkontrollierter Stromausfall). Die Gesamtmenge des Leistungsbedarfs durch die Benutzer kann eine sehr große Wahrscheinlichkeitsverteilung haben, die Ersatz-Erzeugungsanlagen im Standby-Modus erfordert, um auf den sich schnell ändernden Stromverbrauch zu reagieren. Dieser Informationsfluss in einer Richtung ist teuer; die letzten 10% der Erzeugungskapazität können in nur 1% der Zeit benötigt werden, und Spannungsabfälle und Ausfälle können für die Verbraucher teuer sein.

Demand Response kann durch kommerzielle, Wohn-Lasten und industrielle Lasten bereitgestellt werden. Zum Beispiel nimmt Alcoas Warrick Operation an MISO als qualifizierte Demand Response Resource teil, und das Trimet Aluminium nutzt seine Hütte als Kurzzeit-Mega-Batterie.

Die Latenz des Datenflusses ist ein Hauptanliegen, wobei einige frühe Smart-Meter-Architekturen tatsächlich eine Verzögerung von bis zu 24 Stunden beim Empfangen der Daten ermöglichen, was jede mögliche Reaktion durch Liefern oder Anfordern von Geräten verhindert.

Plattform für fortgeschrittene Dienstleistungen
Wie in anderen Branchen wird der Einsatz von robuster bidirektionaler Kommunikation, fortschrittlicher Sensoren und verteilter Computertechnologie die Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit der Stromabgabe und -nutzung verbessern. Es eröffnet auch das Potenzial für ganz neue Dienste oder Verbesserungen bestehender Dienste, wie z. B. Brandüberwachung und Alarme, die die Stromversorgung unterbrechen, Telefonanrufe an Notfalldienste tätigen usw.

Bereitstellung von Megabits, Steuerkraft mit Kilobits, den Rest verkaufen
Die Datenmenge, die für die automatische Überwachung und den automatischen Gerätewechsel benötigt wird, ist sehr gering im Vergleich zu denen, die bereits in entfernten Heimen zur Unterstützung von Sprach-, Sicherheits-, Internet- und TV-Diensten verfügbar sind. Viele Smart-Grid-Bandbreiten-Upgrades werden durch Überversorgung bezahlt, um auch Verbraucherdienste zu unterstützen und die Kommunikation mit energiebezogenen Diensten zu subventionieren oder die energiebezogenen Dienstleistungen wie höhere Tarife während der Spitzenzeiten mit Kommunikation zu subventionieren. Dies gilt insbesondere, wenn Regierungen beide Dienste als öffentliches Monopol betreiben. Da Elektrizitäts- und Kommunikationsunternehmen in Nordamerika und Europa in der Regel separate Handelsunternehmen sind, waren beträchtliche Anstrengungen der Regierung und der großen Anbieter erforderlich, um verschiedene Unternehmen zur Zusammenarbeit zu ermutigen. Einige, wie Cisco, sehen Möglichkeiten darin, den Verbrauchern Geräte anzubieten, die denen sehr ähnlich sind, die sie der Industrie seit langem bieten. Andere wie Silver Spring Networks oder Google sind eher Datenintegratoren als Hersteller von Geräten. Während die AC-Power-Control-Standards vorgeben, dass Powerline-Netzwerke das primäre Kommunikationsmittel zwischen Smart Grid- und Home-Geräten sein werden, erreichen die Bits zunächst nicht das Heim über Broadband over Power Lines (BPL), sondern per Festnetz.

Technologie
Der Großteil der Smart-Grid-Technologien wird bereits in anderen Anwendungen wie Fertigung und Telekommunikation verwendet und für den Einsatz im Netzbetrieb angepasst.

Integrierte Kommunikation: Bereiche für Verbesserungen sind: Stationsautomatisierung, Demand Response, Verteilungsautomatisierung, Überwachungssteuerung und Datenerfassung (SCADA), Energiemanagementsysteme, drahtlose Maschennetze und andere Technologien, Power-Line-Carrier-Kommunikation und Glasfaser. Die integrierte Kommunikation ermöglicht Echtzeitkontrolle, Information und Datenaustausch, um Systemzuverlässigkeit, Anlagennutzung und Sicherheit zu optimieren.
Erfassung und Messung: Kernaufgaben sind die Bewertung von Staus und Netzstabilität, die Überwachung des Gerätezustands, die Prävention von Energiediebstahl und die Unterstützung von Regelungsstrategien. Zu den Technologien gehören: moderne Mikroprozessor-Messgeräte (Smart Meter) und Messgeräte, Weitbereichs-Überwachungssysteme, dynamische Linienbewertung (in der Regel basierend auf Online-Ablesung durch verteilte Temperaturerfassung in Kombination mit Echtzeit-Temperatur-Rating-Systemen), elektromagnetische Signaturmessung / Analyse-, Time-of-Use- und Echtzeit-Pricing-Tools, erweiterte Switches und Kabel, Backscatter-Funktechnologie und digitale Schutzrelais.
Intelligente Zähler.
Phasor Maßeinheiten. Viele in der Power-Systems-Engineering-Community glauben, dass der Blackout im Nordosten des Jahres 2003 in einem viel kleineren Bereich enthalten sein könnte, wenn ein weit reichendes Phasor-Messnetzwerk vorhanden wäre.
Verteilte Leistungsflusskontrolle: Leistungsflusssteuergeräte klemmen bestehende Übertragungsleitungen ein, um den Stromfluss darin zu steuern. Übertragungsleitungen, die mit solchen Geräten ausgestattet sind, unterstützen eine stärkere Nutzung erneuerbarer Energie, indem sie eine konsistentere Echtzeitkontrolle darüber bereitstellen, wie diese Energie innerhalb des Netzes geleitet wird. Diese Technologie ermöglicht es dem Netz, intermittierende Energie aus erneuerbaren Energien für die spätere Nutzung effektiver zu speichern.
Intelligente Stromerzeugung mit fortschrittlichen Komponenten: Intelligente Stromerzeugung ist ein Konzept zur Anpassung der Stromerzeugung an die Nachfrage mit mehreren identischen Generatoren, die unabhängig von den anderen bei der gewählten Last effizient starten, stoppen und arbeiten können und somit für die Grundlast- und Peaking-Stromerzeugung geeignet sind . Die Abstimmung von Angebot und Nachfrage, Load Balancing genannt, ist essentiell für eine stabile und zuverlässige Stromversorgung. Kurzfristige Abweichungen in der Bilanz führen zu Frequenzschwankungen und eine längere Nichtübereinstimmung führt zu Stromausfällen. Betreiber von Stromübertragungssystemen werden mit der Ausgleichsaufgabe beauftragt, indem sie die Leistung aller Generatoren an die Last ihres Stromnetzes anpassen. Die Aufgabe des Lastausgleichs ist wesentlich schwieriger geworden, da zunehmend intermittierende und variable Generatoren wie Windturbinen und Solarzellen in das Netz aufgenommen werden, was andere Hersteller dazu zwingt, ihre Produktion viel häufiger anzupassen, als dies in der Vergangenheit erforderlich war. Die ersten beiden dynamischen Netzstabilitätskraftwerke, die dieses Konzept nutzen, wurden von Elering in Auftrag gegeben und von Wärtsilä in Kiisa, Estland (Kiisa Power Plant) gebaut. Ihr Zweck besteht darin, „eine dynamische Erzeugungskapazität bereitzustellen, um plötzlichen und unerwarteten Einbrüchen der Stromversorgung zu begegnen“. Sie sollen 2013 und 2014 fertig sein und eine Gesamtleistung von 250 MW haben.
Die Automatisierung von Stromversorgungssystemen ermöglicht eine schnelle Diagnose und präzise Lösungen für Netzstörungen oder Netzausfälle. Diese Technologien stützen sich auf jeden der vier anderen Schlüsselbereiche und tragen dazu bei. Drei Technologiekategorien für fortschrittliche Steuerungsmethoden sind: verteilte intelligente Agenten (Steuerungssysteme), Analysetools (Softwarealgorithmen und Hochgeschwindigkeitscomputer) und operative Anwendungen (SCADA, Stationsautomatisierung, Demand Response usw.). Mithilfe von Techniken zur Programmierung künstlicher Intelligenz hat Fujian Power Grid in China ein Wide Area Protection System geschaffen, das schnell in der Lage ist, eine Kontrollstrategie genau zu berechnen und auszuführen. Die VSMC-Software (Voltage Stability Monitoring & Control) verwendet eine sensitivitätsbasierte sukzessive lineare Programmiermethode zur zuverlässigen Bestimmung der optimalen Steuerungslösung.

Forschung

Hauptprogramme
IntelliGrid – Die vom Electric Power Research Institute (EPRI) entwickelte IntelliGrid-Architektur bietet Methoden, Tools und Empfehlungen für Standards und Technologien für den Einsatz in der Planung, Spezifikation und Beschaffung von IT-basierten Systemen wie Advanced Metering, Distributionsautomatisierung und erwarte Antwort. Die Architektur bietet auch ein lebendiges Labor zur Beurteilung von Geräten, Systemen und Technologien. Mehrere Versorgungsunternehmen haben die IntelliGrid-Architektur angewendet, darunter Southern California Edison, die Long Island Power Authority, das Salt River Project und TXU Electric Delivery. Das IntelliGrid-Konsortium ist eine öffentlich-private Partnerschaft, die globale Forschungsanstrengungen integriert und optimiert, Forschung und Entwicklung im Bereich der Mitteltechnologie betreibt, an der Integration von Technologien arbeitet und technische Informationen verbreitet.

Grid 2030 – Grid 2030 ist eine gemeinsame Vision für das US-amerikanische Elektrosystem, das von der Energieversorgungsindustrie, Ausrüstungsherstellern, Informationstechnologieanbietern, Bundes- und Landesbehörden, Interessengruppen, Universitäten und nationalen Labors entwickelt wurde. Es umfasst Erzeugung, Übertragung, Verteilung, Speicherung und Endnutzung. Die Roadmap der National Electric Delivery Technologies ist das Implementierungsdokument für die Vision des Grid 2030. Die Roadmap skizziert die Schlüsselprobleme und Herausforderungen für die Modernisierung des Stromnetzes und schlägt Wege vor, die Regierung und Industrie nutzen können, um Amerikas zukünftiges Stromversorgungssystem zu bauen.

Die Modern Grid Initiative (MGI) ist eine gemeinsame Initiative des US-Energieministeriums (DOE), des Nationalen Energietechnologie-Labors (NETL), Energieversorgern, Verbrauchern, Forschern und anderen Netzbetreibern zur Modernisierung und Integration des US-Stromnetzes. DOEs Büro für Stromlieferung und Energiezuverlässigkeit (OE) sponsert die Initiative, die auf Grid 2030 und der National Electricity Delivery Technologies Roadmap aufbaut und mit anderen Programmen wie GridWise und GridWorks abgestimmt ist.

GridWise – Ein DOE OE-Programm konzentrierte sich auf die Entwicklung von Informationstechnologie zur Modernisierung des US-Stromnetzes. In Zusammenarbeit mit der GridWise Alliance investiert das Programm in Kommunikationsarchitektur und Standards. Simulations- und Analysewerkzeuge; intelligente Technologien; Prüfstände und Demonstrationsprojekte; und neue regulatorische, institutionelle und marktwirtschaftliche Rahmenbedingungen. Die GridWise-Allianz ist ein Konsortium aus öffentlichen und privaten Akteuren des Elektrizitätssektors, das ein Forum für Ideenaustausch, gemeinsame Anstrengungen und Treffen mit politischen Entscheidungsträgern auf Bundes- und Landesebene bietet.

GridWise Architecture Council (GWAC) wurde vom US-Energieministerium gegründet, um die Interoperabilität zwischen den vielen Einheiten zu fördern und zu ermöglichen, die mit dem Stromversorgungssystem des Landes interagieren. Die GWAC-Mitglieder sind ein ausgewogenes und respektiertes Team, das die vielen Interessengruppen der Stromversorgungskette und -nutzer vertritt. Der GWAC bietet Branchenleitfäden und Werkzeuge, um das Ziel der Interoperabilität über das elektrische System zu artikulieren, die Konzepte und Architekturen zu identifizieren, die Interoperabilität ermöglichen und umsetzbare Schritte zu entwickeln, die die Vernetzung der Systeme, Geräte und Institutionen erleichtern elektronisches System. Das Framework Interoperability Context Setting des GridWise Architecture Council, V 1.1, definiert notwendige Richtlinien und Prinzipien.

GridWorks – Ein DOE OE-Programm konzentrierte sich auf die Verbesserung der Zuverlässigkeit des elektrischen Systems durch die Modernisierung wichtiger Netzkomponenten wie Kabel und Leitungen, Schaltanlagen und Schutzsysteme sowie Leistungselektronik. Der Fokus des Programms liegt auf der Koordination von Hochtemperatur-Supraleitungssystemen, Übertragungssicherheitstechnologien, Stromverteilungstechnologien, Energiespeichergeräten und GridWise-Systemen.

Smart-Grid-Demonstrationsprojekt im pazifischen Nordwesten. – Dieses Projekt ist eine Demonstration in fünf pazifischen Nordweststaaten – Idaho, Montana, Oregon, Washington und Wyoming. Es umfasst rund 60.000 gemessene Kunden und enthält viele Schlüsselfunktionen des zukünftigen Smart Grids.

Solar Cities – In Australien umfasste das Solar Cities-Programm eine enge Zusammenarbeit mit Energieunternehmen, um Smart Meter, Peak- und Off-Peak-Preise, Remote-Switching und damit verbundene Anstrengungen zu erproben. Es stellte auch einige begrenzte Mittel für Netzverbesserungen zur Verfügung.

Smart Grid Energieforschungszentrum (SMERC) – Das an der University of California in Los Angeles ansässige Unternehmen hat seine Anstrengungen darauf konzentriert, seine intelligente EV-Lade-Netzwerktechnologie – WINSmarTeV ™ – in großem Umfang zu testen. Es wurde eine weitere Plattform für eine Smart-Grid-Architektur geschaffen, die einen bidirektionalen Informationsfluss zwischen einem Dienstprogramm und Verbraucher-Endgeräten – WINSmartGrid ™ – ermöglicht. SMERC hat auch einen Demand Response (DR) Testbed entwickelt, der ein Control Center, DRAS (Demand Response Automation Server), HAN (Home Area Network), BESS (Battery Energy Storage System) und Photovoltaik (PV) umfasst. Diese Technologien werden innerhalb des Department of Water and Power und Southern California Edison von Los Angeles als ein Netzwerk von EV-Ladegeräten, Batteriespeichersystemen, Solarzellen, DC-Schnellladegeräten und Vehicle-to-Grid (V2G) -Geräten installiert. Diese Plattformen, Kommunikations- und Kontrollnetzwerke ermöglichen UCLA-geführte Projekte im Großraum Los Angeles in Zusammenarbeit mit den beiden wichtigsten lokalen Versorgungsunternehmen SCE und LADWP zu erforschen, weiterzuentwickeln und zu testen.

Smart-Grid-Modellierung
Viele unterschiedliche Konzepte wurden zur Modellierung intelligenter Stromnetze verwendet. Sie werden in der Regel im Rahmen komplexer Systeme studiert. In einer vor kurzem durchgeführten Brainstorming-Sitzung wurde das Stromnetz im Zusammenhang mit optimaler Kontrolle, Ökologie, menschlicher Kognition, glasiger Dynamik, Informationstheorie, Mikrophysik von Wolken und vielen anderen betrachtet. Hier ist eine Auswahl der Arten von Analysen, die in den letzten Jahren erschienen sind.

Schutzsysteme, die sich selbst verifizieren und überwachen
Pelqim Spahiu und Ian R. Evans haben in ihrer Studie das Konzept einer auf Umspannstationen basierenden intelligenten Schutz- und Hybridprüfeinheit vorgestellt.

Kuramoto Oszillatoren
Das Kuramoto-Modell ist ein gut untersuchtes System. Das Stromnetz wurde in diesem Zusammenhang ebenfalls beschrieben. Das Ziel besteht darin, das System im Gleichgewicht zu halten oder die Phasensynchronisation aufrechtzuerhalten (auch bekannt als Phasensynchronisierung). Ungleichmäßige Oszillatoren helfen auch, verschiedene Technologien, verschiedene Arten von Stromgeneratoren, Verbrauchsmuster usw. zu modellieren. Das Modell wurde auch verwendet, um die Synchronisationsmuster beim Blinken von Glühwürmchen zu beschreiben.

Bio-Systeme
Stromnetze wurden in vielen anderen Zusammenhängen mit komplexen biologischen Systemen in Verbindung gebracht. In einer Studie wurden Stromnetze mit dem sozialen Netzwerk von Delphinen verglichen. Diese Kreaturen rationalisieren oder intensivieren die Kommunikation im Falle einer ungewöhnlichen Situation. Die Interkommunikation, die sie überleben lässt, ist sehr komplex.

Zufällige Sicherungsnetze
In der Perkolationstheorie wurden zufällige Fuse-Netzwerke untersucht. Die Stromdichte könnte in einigen Bereichen zu niedrig und in anderen zu hoch sein. Die Analyse kann daher dazu verwendet werden, mögliche Probleme im Netzwerk zu beseitigen. Zum Beispiel kann eine schnelle Computeranalyse Sicherungen vorhersagen und korrigieren oder Muster analysieren, die zu einem Stromausfall führen könnten. Es ist schwierig für Menschen, die Langzeitmuster in komplexen Netzwerken vorherzusagen, stattdessen werden stattdessen Sicherungs- oder Diodennetzwerke verwendet.

Smart Grid Kommunikationsnetzwerk
Netzwerk-Simulatoren werden zur Simulation / Emulation von Netzwerk-Kommunikationseffekten verwendet. Dies beinhaltet typischerweise das Einrichten eines Labors mit den Smart-Grid-Geräten, Anwendungen usw., wobei das virtuelle Netzwerk durch den Netzwerksimulator bereitgestellt wird.

Neuronale Netze
Neuronale Netze wurden ebenfalls für das Stromnetzmanagement in Betracht gezogen. Elektrische Energiesysteme können auf verschiedene Arten klassifiziert werden: nichtlinear, dynamisch, diskret oder zufällig. Künstliche neuronale Netze (ANN) versuchen, das schwierigste dieser Probleme, die nichtlinearen Probleme, zu lösen.

Nachfragevorhersage
Eine Anwendung von ANNs besteht in der Bedarfsprognose. Damit die Netze wirtschaftlich und zuverlässig funktionieren, ist eine Bedarfsprognose von entscheidender Bedeutung, da mit ihr die Menge der von der Last verbrauchten Energie vorhergesagt wird. Dies hängt von den Wetterbedingungen, der Art des Tages, zufälligen Ereignissen, Vorfällen usw. ab. Bei nichtlinearen Lasten ist das Lastprofil jedoch nicht glatt und vorhersagbar, was zu einer höheren Unsicherheit und weniger Genauigkeit bei Verwendung der herkömmlichen Modelle künstlicher Intelligenz führt. Einige Faktoren, die ANN bei der Entwicklung dieser Art von Modellen berücksichtigen: Klassifizierung von Lastprofilen verschiedener Kundenklassen basierend auf dem Stromverbrauch, erhöhte Reaktionsfähigkeit der Nachfrage zur Vorhersage von Strompreisen in Echtzeit im Vergleich zu konventionellen Netzen, die Notwendigkeit, vergangene Nachfrage zu erfassen verschiedene Komponenten, wie Spitzenlast, Grundlast, Tallast, Durchschnittslast usw., anstatt sie zu einem einzigen Eingang zusammenzufassen, und schließlich die Abhängigkeit des Typs von spezifischen Eingangsvariablen. Ein Beispiel für den letzten Fall wäre die Art des Tages, sei es der Wochentag oder das Wochenende, der keine großen Auswirkungen auf die Krankenhausnetze hätte, aber er wäre ein wichtiger Faktor für das Belastungsprofil der Bewohner.

Markov-Prozesse
Da die Windenergie immer beliebter wird, wird sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil realistischer Stromnetzstudien. Offline-Speicherung, Windvariabilität, Angebot, Nachfrage, Preisgestaltung und andere Faktoren können als mathematisches Spiel modelliert werden. Ziel ist es, eine Gewinnstrategie zu entwickeln. Markov-Prozesse wurden verwendet, um diese Art von System zu modellieren und zu untersuchen.

Maximale Entropie
Alle diese Methoden sind auf die eine oder andere Weise maximale Entropie-Methoden, was ein aktives Forschungsgebiet ist.Dies geht zurück auf die Ideen von Shannon und vielen anderen Forschern, die Kommunikationsnetzwerke studiert haben. In modernen Drahtforschungsnetzwerken wird heutzutage häufig das Problem der Netzwerküberlastung berücksichtigt, und viele Algorithmen werden vorgeschlagen, um diese zu minimieren, einschließlich der Spieltheorie, innovativer Kombinationen von FDMA, TDMA und anderen.