СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТОЯНИЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR TELECOMMUNICATION NETWORK ELECTRIC POWER CONSUMPTION SPACE-TIME CONTROL DEPENDING ON POWER SUPPLY SYSTEM CONDITIONS

Настоящее изобретение относится в общем к областям телекоммуникации и энергоснабжения. Более конкретно, изобретение относится к управлению потреблением электроэнергии распределенной телекоммуникационной системы с множеством управляемых элементов. В частности, изобретение относится к способу и устройству для пространственно-временного управления потреблением электроэнергии телекоммуникационной сети в зависимости от состояний в электросети или сети энергоснабжения, которая предназначена для электроснабжения телекоммуникационной сети в пространстве и времени, причем электросеть имеет центральный блок контроля электросети, который контролирует рабочее состояние по меньшей мере части компонентов в электросети, и телекоммуникационная сеть имеет телекоммуникационный блок управления, который управляет по меньшей мере частью компонентов телекоммуникационной сети в телекоммуникационной сети.
ВВЕДЕНИЕ И ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Потребление энергии системами информационной и телекоммуникационной технологии в настоящее время значительно увеличивается в глобальном масштабе. Предпосылкой этого развития является сильное увеличение Интернет-приложений в двух направлениях: с одной стороны, наблюдается постоянный рост числа пользователей Интернета. При этом понятие «пользователь» также относится к машинным пользователям, таким как дистанционно контролируемые производственные или сенсорные системы. С другой стороны, приложения повышают как свою потребность ширины полосы в передаче данных между различными пространственно разделенными компонентами, так и потребность в машинных вычислениях. Все названные явления роста создают пропорциональный рост количества энергии, потребляемой телекоммуникационными сетями, если предполагается соответствующее потребностям расширение сетей соответственно нынешним парадигмам архитектуры и системной техники. В 2007 году обусловленное IKT потребление энергии в 55,4 ТВт уже составило 10,5% от общего потребления энергии в Германии. Без мер противодействия к 2020 году ожидается рост на более чем 20% до примерно 66,7 ТВт.
Для создания этой энергии действуют в соответствии с программными решениями федерального правительства от лета 2011 (“Energiewende” [2]) системно измененные условия. В особенности, привлечение регенеративных энергоносителей, таких как солнечная энергия и энергия ветра в системно-релевантных масштабах (в 2011 около 20% потребления тока и примерно 12% полного энергопотребления, то есть включая тепло и мобильность [3]) приводит потенциально к колебаниям доступности и ценовым рискам. Следовательно, качественно новые процессы, такие как накопление энергии и сдвиг нагрузки, должны промышленно реализовываться и управляться.
Исходя из этой предпосылки способ и устройство, соответствующие настоящему описанию изобретения, предоставляют механизм для управления крупным потребителем электроэнергии, а именно, телекоммуникационной сетью, по пространственной и временной степеням свободы.
Задачей настоящей изобретения состоит в оптимизации пространственно-временного управления потреблением электроэнергии телекоммуникационной сети в зависимости от состояний нагрузки в электросети. Данная задача решается с помощью способа по п.1 и системы по п. 11. Предпочтительные варианты изобретения раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Телекоммуникационные сети представляют в целом сравнительно большие электрические нагрузки, которые к тому же распределены по большим географическим площадям, например, по области государства. Для эксплуатации подобных сетей, наряду с собственно сетевой техникой, требуются производственные и управленческие площади, а также другие поддерживающие функции, как, например, кондиционирование воздуха производственных помещений, которые, со своей стороны, имеют собственное энергопотребление. Согласно настоящему описанию изобретения в энергопотреблении телекоммуникационной сети все эти потребности в энергии суммируются.
Под понятием «телекоммуникационная сеть» понимается соединение оконечных приборов, чтобы между ними мог обеспечиваться обмен информациями.
Примерами телекоммуникационных сетей являются телефонная сеть и компьютерная сеть, IP-сеть.
При этом соединения между оконечными приборами могут быть проводными или беспроводными. В зависимости от вида соединения различаются различные сетевые топологии. Внутри сети могут, однако, также применяться различные топологии: в телефонной сети область абонентских подключений в форме звезды соединена с городскими телефонными станциями, последние, в свою очередь, соединены между собой через частично взаимосвязанную сеть. Через эти соединения могут передаваться цифровые и аналоговые информации. Эти информации могут, при необходимости, модулировать более высокие частоты. Цифровые информации могут кодироваться кодом канала. Компоненты, которые применяются при этом наряду с оконечными приборами, могут быть различного типа, от базовых станций, регистров, коммутаторов, маршрутизаторов, шлюзов, преобразователей и до телефонных станций, серверов и т.д. Этот перечень является лишь примерным, и в зависимости от технологии может использоваться множество различных компонентов. Эти компоненты, в зависимости от важности, выполняются резервными с помощью резервной системы и могут эксплуатироваться в различных рабочих состояниях. Так резервные компоненты могут подключаться и отключаться, настраиваться по скорости работы, может определяться скорость передачи, количество активных компонентов, то есть подключение и отключение процессоров и компонентов, которые многократно доступны. Кроме того, USV (источники бесперебойного электропитания) могут подключаться и отключаться, так что может осуществляться режим работы без сетевого электропитания. Все эти компоненты и их изменяемый режим работы оказывают влияние на потребление тока или потребление энергии. Приборы могут управляться централизованно, в частности, также на региональном уровне.
Кроме того, телекоммуникационные сети имеют элементы накопления энергии (составная часть USV-установок), которые служат тому, чтобы гарантировать надежную работу сети, если энергоснабжение кратковременно пропадает: элементы накопления энергии в местах размещения телекоммуникационной сети служат исключительно тому, чтобы обеспечивать бесперебойное снабжение напряжением элементов телекоммуникационной сети.
Потребность в энергии телекоммуникационной сети является согласно современному уровню техники постоянной, если рассматривается конкретный уровень разработки сети в фиксированный момент времени: телекоммуникационные сети по своей емкости проектируются таким образом, что они могут покрывать ожидаемую пиковую потребность трафика - включая резерв. Эта емкость сети тогда непрерывно предоставляется в распоряжение и определяет потребность в энергии сети. Этот режим обусловлен, с одной стороны, признаками аппаратных средств сетевых элементов, а с другой стороны, текущими парадигмами сетевой эксплуатации и управления. В противоположность этому, фактические потребности в трафике в телекоммуникационных сетях колеблются отчасти очень сильно - в зависимости от рассматриваемого участка сети, см., например, [4], [5]. Эти колебания трафика могут наблюдаться в течение суток или с еженедельной и сезонной частотой. В сумме, прогнозируется сильное повышение передаваемого или обрабатываемого объема трафика в телекоммуникационных сетях [6] на основе упомянутых во введении факторов роста.
На Фиг. 1 схематично показаны принципиальные компоненты телекоммуникационной сети, которые в соответствии с описанным уровнем техники совместно способствуют потреблению энергии, в частности, с элементами накопления энергии и установками для кондиционирования воздуха в помещениях. Энергоснабжение телекоммуникационной сети должно согласовываться с системными характеристиками, предусмотренными в соответствии с концепцией перехода на возобновляемые источники энергии. При этом следует отличать физические свойства от заданий регулирования. К первой категории относятся:
- Объем децентрализованно вводимой энергии из возобновляемых источников постоянно возрастает. При этом естественное колебание природных ресурсов (продолжительность солнечного освещения, сила ветра) обуславливает ухудшение возможности планирования энергоснабжения в целом. Крупномасштабные эффекты компенсации теоретически подтверждаются, однако основываются на инфраструктуре, которая не предоставляется в распоряжение в среднесрочной перспективе.
- Децентрализованный ввод энергии приводит к обратно направленному потоку нагрузки, в частности, в сети низкого напряжения, но с возрастанием также на более высоких сетевых уровнях. Из-за большого диапазона колебаний потоков энергии возникает дилемма расчета параметров при разработке линий связи - следует ли разрабатывать их при высоком CAPEX-использовании (капиталовложение) в расчете на пиковые нагрузки или при оптимизации инвестиций в расчете на средние значения?
- Наряду с вопросами расчета параметров для будущих разработок децентрализованный ввод энергии в существующих сетях низкого напряжения приводит к острым проблемам стабильности сети, например, относительно стабилизации частоты и предоставления реактивной мощности.
Эти физические свойства могут аналогичным образом ожидаться во всех национальных системах энергоснабжения, которые переходят на возобновляемые энергоносители. Важные заданные регулированием свойства представляют собой, однако, национальную специфику и не могут переноситься без дополнительных усилий. К ним относятся, в частности, следующие аспекты:
- Ролевая модель на рынке энергии регулирует обязательства и прототипные договорные отношения между отдельными участниками рынка. В принципе проводится различие между сегментом рынка, который организован на конкурентной основе, и регулируемым сегментом, в котором действуют задания регулирующего субъекта. В частности, в данном случае является проблематичным взаимосвязь регулируемых функций пропускания и организованной на конкурентной основе генерации.
- Определенные модели способа действий, например, для очередности ввода энергии, для заявки на режимный график нагрузки балансового округа или предоставления энергии регулирования ориентировались на то, чтобы увеличить стабильность и возможность вычислений в системе в целом. Однако это удается лишь в той степени, в которой могут быть корректно отображены действительные физические условия.
Телекоммуникационная сеть, которая повсеместно во всех областях всей системы энергоснабжения имеет управляемые места потребления энергии, емкости накопления и генерации, и в итоге несет ответственность за значительные части национального общего потребления тока, предназначена в особенности для того, чтобы брать на себя активную роль в формировании упомянутых системных характеристик.
Кроме того, имеются электросети или сети энергоснабжения, которые отвечают за объединенную сеть для снабжения потребителей через предприятия энергоснабжения электрической энергией. Для того чтобы снабжать потребителей электрической энергией, требуются линии связи от производителей энергии (электростанций и ветроэнергетических установок) к потребителям. Для этого применяют электросети с различными установленными напряжениями; при переменном токе также устанавливаются частоты. При этом имеются производители тока, содержащие генераторы, трансформаторные подстанции, трансформаторы и распределительные станции. Часто имеются региональные области объединенных сетей, которые снабжаются током от одной или более электростанций. В случае сетей имеются так называемые сети высокого напряжения, среднего напряжения и низкого напряжения, причем последние эксплуатируются, как правило, при 230-400 В, чтобы снабжать энергией домашние хозяйства. Сети высокого напряжения эксплуатируются, как правило, при 110 кВ. Для снабжения потребителей электрической энергией, требуются линии связи от производителей тока (электростанций и ветроэнергетических установок) к потребителям. Для этого применяют электросети с различными установленными напряжениями; в случае переменного тока также устанавливаются частоты. Большинство компонентов наблюдаются, контролируются и управляются сетевым оператором. Это осуществляется, как правило, на региональной основе, однако может также осуществляться в глобальном масштабе. Тем самым при дефиците может осуществляться подключение электростанций вне сети. Также могут отдаваться избытки. Если, например, большое количество ветровой энергии или солнечной энергии будет предоставляться в распоряжение, то оно может направляться в соседние сети. Также возможно, что при перегрузке генераторы отключаются. Таким образом, сетевые операторы получают информации, которые могут также рассматриваться регионально. Так можно у них запрашивать информацию о степени загрузки, перегрузке или также аварии на электростанции, при этом может предоставляться цифровая передача данных. В качестве региона в этом случае рассматривается пространственная область, которая по существу снабжается энергией от локальных генераторов энергии. Энергия, как правило, не передается на большие расстояния. Таким образом, речь идет о пространствах в диапазоне 10-400 км или федеральных землях, разумеется, этим также может охватываться область оператора электросети.
Из US 2011/0303431 A1 известна телекоммуникационная сеть, под которой понимается, что она ограничена только локально на основании величины ее энергопотребления, то есть учитываются только электрические нагрузки локальной сети, региональная вычислительная сеть используется только для обмена информацией. Центральная логика управления энергопотреблением в телекоммуникационной сети не раскрывается.
В документе US 2010/0284287 A1 описывается процесс, в котором при определяемом извне значении «стоимость мощности» изменяется маршрутизация. Элементом структуры, отвечающим за изменение маршрутизации, является «система управления сетью» - классический компонент управления телекоммуникационной сети.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблема решается способом пространственно-временного управления потреблением электроэнергии телекоммуникационной сети в зависимости от состояний в электросети, которая отвечает за электроснабжение телекоммуникационной сети в пространстве и времени, причем электросеть имеет центральный блок контроля электросети, который контролирует рабочее состояние по меньшей мере части компонентов в электросети, и телекоммуникационная сеть имеет телекоммуникационный блок управления, который управляет по меньшей мере частью компонентов телекоммуникационной сети в телекоммуникационной сети. Следует учитывать, что оконечные приборы в телекоммуникационной сети, такие как мобильные оконечные приборы или персональные компьютеры (РС) или маршрутизаторы у конечных пользователей часто не являются непосредственно управляемыми сетевым оператором через телекоммуникационный блок управления, так как не имеется доступа. Однако может осуществляться опосредованное управление в узлах, к которым подключены эти приборы, их мощность и скорость передачи снижаются, что также на оконечном приборе пользователя способствует снижению потребления тока, так как приборы с меньшими частотами и меньшей скоростью должны запускаться для обработки данных. Непосредственное управление осуществляется, как правило, в магистральной области, в которой расположены телефонные станции, маршрутизаторы, коммутаторы, базовые станции другие высокопроизводительные системы, которые для множества пользователей транспортируют большие объемы данных. Эти компоненты часто имеют множество процессоров, чтобы выполнять параллельную обработку данных, что повышает скорость. Также эти приборы имеют внутренние тактовые частоты, посредством которых тактируются микросхемы в этих приборах, которые, в свою очередь, определяют скорость обработки. Такие приборы могут, как правило, управляться по мощности, что приводит к меньшей пропускной способности и также снижает потребление тока.
Блок контроля электросети и телекоммуникационный блок управления соединены друг с другом через сеть, чтобы обмениваться информациями в цифровой форме.
Способ согласно настоящему изобретению включает в себя следующие этапы:
- обнаружение перегрузки электросети из-за слишком низкого электроснабжения в пространственной области, посредством обмена информациями между блоком контроля электросети и телекоммуникационным блоком управления, снижение потребления тока телекоммуникационной сети в пространственной области посредством конфигурирования компонентов телекоммуникационной сети в этой пространственной области посредством блока контроля электросети для временного интервала низкого электроснабжения;
и/или
- обнаружение перегрузки электросети из-за слишком высокого электроснабжения посредством обмена информациями между блоком контроля электросети и телекоммуникационным блоком управления, повышение потребления тока телекоммуникационной сети в пространственной области посредством конфигурирования компонентов телекоммуникационной сети в этой пространственной области посредством блока контроля электросети для временного интервала слишком высокого электроснабжения.
В предпочтительном варианте выполнения способа, в котором должно достигаться снижение потребления тока компонентов телекоммуникационной сети, может выполняться одна или несколько из следующих конфигураций:
- Отсоединение компонента телекоммуникационной сети от электросети и работа с помощью USV - бесперебойного электропитания. Ввиду того факта, что множество компонентов телекоммуникационной сети обеспечены USV, энергия может использоваться для того, чтобы кратковременно достичь разгрузки электросети. Такая разгрузка приводит к тому, что батарея разряжается, за счет чего сеть не используется. В альтернативном варианте выполнения, также при большом курсе, энергия может использоваться для того, чтобы вводить ее непосредственно назад в электросеть, если тем самым не будет нарушена работа телекоммуникационной сети.
- Изменение маршрутизации коммуникационных информаций, чтобы коммуникационные информации направлять в обход данной пространственной области. Тем самым может достигаться то, что большие потоки данных, которые обычно направляются через данную пространственную область, направляются в обход данной области. В частности, в случае пакетно-ориентированных сетей, которые, как правило, выполняются резервными, такое изменение маршрутизации возможно осуществить очень быстро за счет того, что некоторые немногие маршрутизаторы настраиваются, так что изменение маршрутизации трафика данных может осуществляться очень быстро и может привести к продолжительному сокращению трафика данных. Следует учитывать, что ориентированные на установление соединения сети также предоставляют такие возможности. За счет сокращения трафика данных, как правило, также снижаются скорости передачи отдельных компонентов внутри области, не вызывая при этом по существу уменьшения качества трафика данных.
- Отключение резервных компонентов в компонентах телекоммуникационной сети в пространственной области. Как уже указывалось выше, сетевые компоненты часто имеют резервные компоненты, такие как сетевые подключения, процессоры, рабочие накопители и т.д., которые служат либо предоставлению высоких скоростей обработки, либо предоставлению резервирования в случае неисправности. Оба компонента могут, разумеется, отключаться, чтобы кратковременно потреблять меньше энергии.
- Снижение скоростей передачи в компонентах телекоммуникационной сети в пространственной области. Этот подход также уже был описан выше, так сокращение скорости передачи данных может достигаться тем, что передается меньшее число битов в секунду. Это приводит к заметно меньшим затратам обработки и к более медленной работе отдельных сетевых компонентов, что приводит к экономии.
В другом варианте выполнения за счет ввода альтернативных энергий, например, посредством ветровых электростанций или солнечных установок, может иметься избыток в энергетической сети. В такой ситуации может быть целесообразным, что активируются дополнительные компоненты, которые являются особенно энергоемкими. Так является возможным, что определенные задачи, которые являются особенно энергетически интенсивными, выполняются в течение этого временного интервала. Такими задачами являются, например, защита обширных данных, которые не являются критичными по времени. Также распределение данных, как, например, мультимедийных данных относится к возможным задачам, которые попадают в этот временной интервал. Также возможно проведение работ по техническому обслуживанию, которые характеризуются особенно высоким потреблением энергии, как, например, тестирование USV-установок с повторной зарядкой USV-батарей. Повышение потребления тока компонентов телекоммуникационной сети может достигаться посредством одной или более из следующих конфигураций:
- подключение USV, чтобы их полностью заряжать; например, возможно, что создаются специальные USV, которые заряжаются тогда, когда имеется высокое предложение энергии;
- изменение маршрутизации коммуникационных информаций, чтобы направлять коммуникационные информации через пространственную область;
- подключение резервных компонентов в компонентах телекоммуникационной сети в пространственной области, чтобы повысить пропускную способность;
- повышение скоростей передачи в компонентах телекоммуникационной сети в пространственной области, чтобы повысить пропускную способность;
- активирование реактивных нагрузок.
В другом возможном варианте выполнения конфигурирование осуществляется в зависимости от временной перегрузки, причем временная перегрузка прогнозируется посредством модуля прогноза, чтобы предвидеть ситуации перегрузки, чтобы тем самым своевременно осуществлять конфигурирование. Этот модуль прогноза может применять статистические данные анализа и модели, которые известны из уровня техники. При возникновении определенного образца могут инициироваться подготовительные меры, чтобы соответствующим образом управлять компонентами. В частности, могут также учитываться метеорологические данные, из которых очевидно, следует ли при большом солнечном освещении или сильном ветре рассчитывать на избыточное предложение энергии. Кроме того, модуль прогноза в одной из возможных вариантов выполнения может определять пространственную область, также как и временную длительность и масштаб возможной ситуации перегрузки. Следует учитывать, что ситуация перегрузки может иметься как при предоставлении слишком большого количества энергии, так и при предоставлении слишком малого количества энергии. Обе ситуации могут быть критичными для электросети.
В другом варианте выполнения посредством блока контроля электросети и/или телекоммуникационного блока управления регистрируются рабочие параметры как функция места х и времени t, чтобы на основе этой функции осуществлять обнаружение.
В другом варианте выполнения посредством блока контроля электросети регистрируются отдаваемая мощность, параметры качества мощности, такие как частота, фазовый угол и, при необходимости, другие параметры, чтобы обеспечивать возможность обнаружения.
В другом варианте выполнения в контуре регулирования при перегрузке осуществляются дополнительные конфигурирования до тех пор, пока перегрузка не будет предотвращена, или работа телекоммуникационной сети больше не будет возможной. Тем самым можно проверить, являлись ли предпринятые меры достаточными, чтобы справиться с перегрузкой. Если это было безуспешным, то могут быть инициированы дополнительные меры. Тем самым возможно постепенное увеличение таких мер. Из этих мер и конфигураций можно вновь посредством подхода с обратной связью установить, сколько энергии может быть сэкономлено, если были осуществлены определенные конфигурации. Тем самым можно классифицировать конфигурации тем, что определяется их потенциал сбережения и быстрота реализации. Другие аспекты могут представлять долгосрочность конфигураций. Активирование USV, как правило, является только кратковременной конфигурацией, которая во временном окне от нескольких минут до нескольких часов приводит к разгрузки электросети. Продолжительную разгрузку тем самым не требуется достигать. Снижение скорости передачи или сокращение ширины полосы, напротив, приводит, как правило, к более долговременному и продолжительному снижению потребления тока. В зависимости от прогноза и ситуации, могут вводиться соответствующие шаги и конфигурации.
При другом подходе перед выполнением конфигурирования проверяется, можно ли избежать перегрузки в достаточной степени за счет изменения конфигурации, и если это не имеет места, то не предпринимается новое конфигурирование. Это имеет преимущество, состоящее в том, что в случае аварийной ситуации USV-компоненты могут быть использованы полностью.
Другим объектом изобретения является система, содержащая телекоммуникационный блок управления с пространственно-временным управлением потреблением электроэнергии телекоммуникационной сети в зависимости от состояний в электросети, которая предназначена для электроснабжения телекоммуникационной сети в пространстве и времени, причем электросеть имеет центральный блок контроля электросети, который контролирует рабочее состояние по меньшей мере части компонентов в электросети, причем телекоммуникационный блок управления выполнен с возможностью управления по меньшей мере частью компонентов телекоммуникационной сети в телекоммуникационной сети, причем блок контроля электросети и телекоммуникационный блок управления соединены друг с другом через сеть, чтобы обмениваться цифровыми информациями, причем система выполнена так, что при
- обнаружении перегрузки электросети из-за слишком низкого электроснабжения в пространственной области, посредством обмена информациями между блоком контроля электросети и телекоммуникационным блоком управления, снижение потребления тока телекоммуникационной сети в пространственной области может управляться посредством конфигурации компонентов телекоммуникационной сети в этой пространственной области для временного интервала низкого электроснабжения;
и/или при
- обнаружении перегрузки электросети из-за слишком высокого электроснабжения посредством обмена информациями между блоком контроля электросети и телекоммуникационным блоком управления, повышение потребления тока телекоммуникационной сети в пространственной области может управляться за счет того, что посредством конфигурации компонентов телекоммуникационной сети в этой пространственной области для временного интервала слишком высокого электроснабжения сетевые компоненты потребляют больше энергии.
Решающее преимущество, которое изобретение предоставляет в отношении интеллектуальной сети, состоит в координированном управлении сетевым потребителем с интегрированными емкостями накопителей. Сетевая структура потребления позволяет выбрать иерархический уровень, на котором определяется сдвиг нагрузки или предоставление услуги накопителем. Это может в принципе изменяться между «микроскопическим» уровнем - уровнем конечных потребителей, то есть одноквартирных домов, и «макроскопическим» уровнем - заданным примерно балансным округом или зоной регулирования. При этом следует учитывать, что нестабильности на низком иерархическом уровне при известных условиях могут устраняться с меньшими затратами (например, промежуточной буферизацией фотогальванической вводимой мощности еще в диапазоне низкого напряжения), в то время как затраты на ремонт заметно возрастают, если такие нестабильности достигают более высоких сетевых уровней. Решающим признаком изобретения является центральная система управления, которая позволяет реализовать эти иерархически разделенные степени свободы действий. В следующей таблице они перечислены в качестве примера.
Опорный уровень
Примерный механизм
Адресат услуги
Режим управления
Уровень низкого напряжения
Промежуточная буферизация непрогнозируемой вводимой мощности возобновляемых энергоносителей
Оператор распределительной сети (VNB)
Через интерфейс VNB-система диагностики запускает назначение локально идентифицированных ресурсов накопителя
Уровень среднего напряжения
Критические состояния нагрузки могут стабилизироваться за счет того, что для определенного вычислениями текущего времени телекоммуникационные установки снабжаются энергией через внутренние накопители, или дополнительно сетевая техника отключается.
Оператор распределительной сети (VNB)Координатор балансного округа
Через интерфейс VNB-система диагностики сообщает пространственный размер и амплитуду критической нагрузки. Управление определяет пространственно-временную размерность потенциального сброса нагрузки и соответственно устанавливает управление накопителем и, при необходимости, управление сетевой техникой.
Уровень высокого напряжения
Ресурсы из сетевого сброса нагрузки и накопительных емкостей сводятся в виртуальную регулирующую электростанцию, которая предоставляется в распоряжение ЬNB для предоставления энергии регулирования
Сетевой оператор передачи (ЬNB)
Предоставление энергии регулирования требует точно определенных предварительных аттестаций, которые отображены на управление. Также точно определенный процесс случая регулирования заложен в управление.
Предоставление энергии регулирования находится в компетенции сетевого оператора передачи (ЬNB) и подразделено на последовательность первичного, вторичного и третичного регулирования. В качестве примера рассматривается вторичное регулирование: во временном окне от 15 минут до одного часа после наступления случая регулирования осуществляется положительное или отрицательное предоставление мощности в зависимости от отклонения фактической потребности и заявленного режимного графика нагрузки. Опорным параметром при этом является зона регулирования (Германия имеет четыре зоны регулирования). Объединение всех интегрированных в телекоммуникационную сеть параметров регулирования (заряжать или разряжать USV-установки, подключать или отключать потребителей), которые находятся в соответствующей зоне регулирования, дает в сумме мощность регулирования, которая может быть предоставлена в распоряжение ЬNB. Организационными рамками для этого являются описанные в изобретении способ и устройство.
Решающий технический отличительный признак изобретения состоит в архитектуре управления, которая позволяет распределенные группы управляемых потребителей и блоков накопителей, распределенных в пространстве и времени, объединять и управлять избирательным образом для различных сценариев использования. С этой целью система управления содержит модуль мониторинга, модуль прогноза и алгоритм оптимизации. Алгоритм оптимизации, кроме того, является конфигурируемым посредством параметров, так что приоритетное управление может устанавливаться априорно для различных сценариев использования.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее описываются чертежи, которые являются конкретными иллюстрациями возможных вариантов выполнения и не должны ограничивать настоящую заявку.
Фиг. 1 - принципиальная конфигурация телекоммуникационной сети с типовыми потребителями (сетевая техника, административные и производственные помещения, системы кондиционирования воздуха рабочих мест и установки для бесперебойного электропитания).
Фиг. 2 - схематичный принцип действия устройства управления согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 - переключение сетевой топологии с нормального рабочего состояния на «аварийное» рабочее состояние в регионе, в котором имеет место дефицит предложения энергии.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Далее следует описание принципа действия изобретения.
На Фиг. 2 схематично показан принцип действия управления в соответствии с настоящим изобретением; он детально описывается ниже и иллюстрируется примерами выполнения.
В основу настоящего изобретения положена единая глобальная система управления для формирования полосы пропускания в телекоммуникационной сети, управление накопителями энергии в телекоммуникационной сети и потреблением энергии телекоммуникационной сети из сети энергоснабжения оператора сети энергоснабжения. Система управления содержит следующие модули с описываемыми далее признаками:
- Модуль мониторинга: Модуль мониторинга регистрирует как рабочие состояния в телекоммуникационной сети относительно потребностей трафика или ширины полосы и ассоциированного с этим потребления мощности в сети, работающей адаптивно нагрузке, так и состояния относительно генерируемых и доступных количеств энергии в сети энергоснабжения. В телекоммуникационной сети трафик может измеряться в существенных точках в сети. Например, потребности в трафике и ассоциированные с этим потребления мощности также в (будущих) сетевых элементах могут регистрироваться и сохраняться - подобные механизмы уже находятся на стадии стандартизации.
В сети энергоснабжения мониторинг в электросети является общепринятой практикой. В подходящих пунктах в сети, чаще всего на высших уровнях суммарного напряжения, измеряются мощность, реактивная мощность, токи, фазовые углы и частота (все более важными становятся также высшие гармоники и субгармоники сетевой частоты для характеристики стабильности сети). Расхождение в потребности и электроснабжении выражается в дрейфе частоты.
- Модуль прогноза: Модуль прогноза прогнозирует с разрешением по времени и пространству потребности в трафике данных, ассоциированные с ними потребления и потребности в мощности в телекоммуникационной сети, а также доступные количества энергии из генерации энергии в сети энергоснабжения. При этом особенно важен учет различных временных шкал, которые могут составлять от нескольких миллисекунд (отключение и подключение ресурсов телекоммуникационной сети) до нескольких дней (количества энергии и цены на энергию). На основе имеющейся информации из прошлого периода (количества трафика, потребности в энергии, цены на энергию и т.д.) с помощью статистического способа прогнозируется поведение в будущем. Другой важной частью прогноза является метеозависимый прогноз предложения для доступности возобновляемых видов энергии (ветер и солнце), который создается по типу метеосводки (моделируемый расчет, исходя из измеренных значений). Модуль прогноза комбинирует статистические оценки с текущими измеренными значениями и системой моделирования.
- Модуль оптимизации (алгоритмический способ для управления): Ядро оптимизации системы управления может оптимизировать связанные системы - телекоммуникационную сеть и сеть энергоснабжения - согласно различным функциям стоимости. Примерами этого являются:
2
- Минимизация СО-выбросов
- Производственно-экономическая оптимизация для оператора телекоммуникационной сети
- Производственно-экономическая оптимизация для предприятия энергоснабжения, особенно благоприятное предоставление резервной энергии
- Оптимизация относительно стабильности сети энергоснабжения
- Народно-хозяйственная оптимизация (здесь: независимость от импорта энергии)
- Модуль управления: Модуль управления управляет отдельными сетевыми компонентами в телекоммуникационной сети и сети энергоснабжения в соответствии с результатами оптимизации посредством алгоритмического способа оптимизации. Он состоит из центральной инстанции, которая через соответствующие протоколы и интерфейсы может воздействовать на локальные инстанции. Для локального управления накопительными элементами, которые выполнены как USV-установки, должна быть реализована специальная архитектура контроллера.
В частности, нахождение решения как в телекоммуникационной сети, так и в сети энергоснабжения, выполняется иерархически на различных сетевых уровнях. Модуль мониторинга выдает пространственную протяженность обнаруженной помехи. Модуль прогноза вырабатывает высказывание о вероятном поведении этой помехи в пространстве и времени. Модуль оптимизации проверяет возможности воздействия, которые предоставлены в распоряжение элементам телекоммуникационной сети, и затем принимает решение об оптимальной реакции. При этом справедливо, как описано выше, что это осуществляется на самом низком возможном сетевом уровне: критическое падение или нарастание напряжения в одном луче звездообразной распределительной сети, например, по возможности отрабатывается единственной USV-установкой именно в этом луче. Если такая установка не предоставляется в распоряжение, то выбирается следующий по высоте иерархический уровень, и инициируется действие.
Способ согласно фиг. 2 осуществляется следующим образом: модуль мониторинга регистрирует рабочие параметры как телекоммуникационной сети, так и сети энергоснабжения как функцию места х и времени t. При этом рабочими параметрами являются вводимая мощность, режим нагрузки (отдаваемая мощность), параметры качества мощности (как, например, частота, фазовый угол и т.д.), а также другие подходящие параметры. Кроме того, используются внешние информации от диспетчерской поставщика электроэнергии. Для ТК-сети также регистрируются рабочие параметры. Ими являются производительность транспортировки, битовая скорость передачи данных или ширина полосы, электрическое потребление мощности, состояния накопителей энергии, активированный шаблон маршрутизации, а также другие подходящие измеренные величины, соответственно, как функция места х и времени t. Соответственно ассоциированный модуль прогноза прогнозирует на основе статистических алгоритмов описанные рабочие параметры - разрешенные по х и t. Один компонент, согласно предложенному способу, циклически проверяет, достигнуто ли в сети энергоснабжения критическое состояние: это может быть, как событие, которое распознает модуль мониторинга или прогноза, так и, например, авария. Используемые алгоритмы состоят из комбинации детерминированных уравнений (так называемых уравнений движения) и эмпирически найденных вероятных продолжений измеренных состояний без знания движущих сил. Входными параметрами уравнений движения являются вычисленная кривая профиля интенсивностей трафика данных в ТК-сети, прогноз доступности возобновляемых энергоносителей, статистически наиболее вероятное развитие электрической нагрузки (на основе заявленных графиков нагрузки ответственных за балансный округ). Эти движущие параметры позволяют математически вычислять дальнейшее развитие минимальной помехи. В эмпирическом способе, напротив, обнаруженное состояние на основе статистического способа продолжается в будущем периоде. Используемые алгоритмы объединяют оба подхода. Под аварией в данном случае понимается событие, которое воздействует извне на сеть (например, из-за непогоды, природных катастроф и т.д.) и, таким образом, не может прогнозироваться посредством модуля прогноза. Если не распознается критическое состояние, то как сеть энергоснабжения, так и ТК-сеть остаются в нормальном рабочем режиме. Если, однако, распознается критическое состояние, например, с помощью алгоритмов модуля прогноза, то модуль оптимизации сначала оценивает потенциал решения, который с привлечением ТК-сети предоставляется в распоряжение. При этом оцениваются уровней накопления энергии, вычисляются и оцениваются альтернативные шаблоны маршрутизации, а также вычисляется, какой потенциал предоставляет узкополосный режим ТК-сети или частичное отключение. При этом важным является привлечение временных шкал: потенциал ТК-сети для разрешения критического состояния зависит от его временной длительности. Если потенциал ТК-сети оценивается как недостаточный для данного критического состояния, то ТК-сеть остается в нормальном режиме, и устранение проблемы передается в регулирующий домен энергетического хозяйства.
Если, в противном случае, потенциал ТК-сети для устранения критического состояния оценивается как достаточный, то ТК-сеть соответственно конфигурируется: примерами являются реконфигурирование шаблона маршрутизации, включение битовой скорости передачи данных с разрешением по элементам и т.д. При включении битовой скорости передачи данных с разрешением по элементам конфигурирование происходит не в сетевом масштабе, а, например, только один сетевой элемент переключается в режим «низкой мощности» или сетевой элемент и соотнесенное с ним удаленное устройство (например, при DSL). Таким образом, не вся сеть подвергается реконфигурированию. При реконфигурировании шаблона маршрутизации это происходит иначе, так как, при известных обстоятельствах, большое количество узлов подвергается влиянию и конфигурируется таким образом, чтобы трафик направлять, например, в обход определенного узла, который как раз не должен использоваться (как описано выше).
Плоскость управления энергией (Energy Control Plane) модуля управления берет в этом случае на себя собственно переключение ТК-сетевых элементов в требуемый подходящий режим (битовая скорость передачи данных, шаблон маршрутизации).
Эта оптимизация проводится до тех пор, пока не будет предотвращено критическое состояние, или потенциал решения ТК-сети недостаточен, и тогда необходимо передавать его в регулирующий домен энергетического хозяйства.
ДАЛЕЕ ОПИСЫВАЮТСЯ НЕКОТОРЫЕ СЦЕНАРИИ.
Сценарий 1: Среднесрочный режим работы сети энергоснабжения с пониженной емкостью для уменьшения ее потребности в мощности в определенной области энергоснабжения.
В этом примере выполнения или соответственно случае применения рассматривается следующий сценарий: если в зоне регулирования выходит из строя, например, один блок электростанции, то можно путем уменьшения потребления мощности телекоммуникационной сети - в определенных границах - отказаться от того, чтобы подключать дорогостоящие и неэффективные резервные электростанции. Если, таким образом, в ограниченной географической области меньше электрической мощности предоставляется в распоряжение в сети энергоснабжения, чем это обычно требуется, то существует возможность стабилизировать сеть энергоснабжения тем, что электрическое потребление телекоммуникационной сети снижается за счет того, что переключаются в режим с уменьшенной шириной полосы, что в работающей адаптивно к нагрузке (и в лучшем случае пропорционально мощности) телекоммуникационной сети приводит к соответствующему уменьшению потребляемой мощности. Модуль прогноза дает оценку для пространственного и временного диапазон возмущающего воздействия при спаде мощности. Ядро оптимизации сравнивает эти данные с адресуемым потенциалом сброса нагрузки и выдает предложение по переключению, которое реализует оптимальное решение. Оно содержит также изменение маршрутизации телекоммуникационных трафиков из затронутой области в качестве дополнительной степени свободы для сброса нагрузки. Так из нормального широкополосного режима переключаются в узкополосный режим с меньшим и пространственно смещенным потреблением мощности: тогда телекоммуникационная сеть в ограниченное время сначала может отбирать мощность из собственных накопителей энергии телекоммуникационной сети, так что в ней в течение времени, определенном емкостью батареи, не должна отбираться мощность из сети энергоснабжения. Если помеха затем все еще остается, то в узкополосном режиме работы вновь может отбираться мощность из сети энергоснабжения, которая все еще значительно меньше мощности, потребляемой в широкополосном режиме работы. При восстановлении полной производительности сети энергоснабжения вновь возвращаются к нормальному широкополосному режиму работы в телекоммуникационной сети.
На Фиг. 3 показан специальный пример применения, при котором нахождение пути (маршрутизация) во взаимосвязанной (замкнутой) сети привлекается в качестве степени свободы в смысле приведенного выше представления: в левой части чертежа показана сеть в нормальном режиме работы, при котором все узлы и соединения работают при полной (нормальной) емкости и потреблении мощности. На правой стороне чертежа представлена та же сеть при дефиците предложения энергии в обозначенном регионе: теперь все соединения - за исключением одного остающегося - с соответствующим сетевым узлом деактивируются, и узел снижает настолько свою емкость - и потребляемую мощность, так как он должен теперь обрабатывать только потребности в трафике, которые возникают в непосредственно ассоциированном с ним регионе снабжения или предназначены для него. Все другие трафики, например транзитные трафики, которые в нормальном режиме тоже передавались бы через этот узел, посылаются через альтернативные узлы в сети, так что потребность в мощности в этом регионе для стабилизации сети энергоснабжения может быть снижена.
Сценарий 2: Кратковременное сокращение пика нагрузки в распределительной сети.
Этот пример исходит из заметно меньшей по пространству и времени диапазона возмущающего воздействия, чем в сценарии 1. Возможность управления электрическим потреблением мощности телекоммуникационной сети в данном случае предоставляется в распоряжение оператору распределительной сети, без вмешательства в относящиеся к зонам регулирования процессы для предоставления энергетических резервов. Краткосрочность помехи, которая распознается модулем прогноза, имеет следствием то, что ответ модуля оптимизации дополняет возможное переключение на узкую полосу телекоммуникации другими действиями. В зависимости от величины отклонения от графика нагрузки, может приниматься решение осуществлять ввод энергии из накопителей электроэнергии USV-установки в локальную сеть снабжения. В этом случае накопители должны осуществлять как снабжение электрических установок телекоммуникационной сети, так и вводить определенную электрическую мощность в локальную распределительную сеть. Это, очевидно, возможно только в течение ограниченного временного интервала и предъявляет особые требования к локальной архитектуре контроллера. Поэтому временной профиль должен постоянно исследоваться модулем мониторинга, прогноза и оптимизации на то, может ли ограничение обработки помехи поддерживаться на уровне распределительной сети, или должно быть задействовано создание резервной энергии в масштабе зоны регулирования. Это означало бы переход к сценарию 1, для которого теперь в общем случае больше не имелись бы в распоряжении основанные на накопителях краткосрочные компоненты сброса нагрузки.
Сценарий 3: Сверхкритический децентрализованный ввод энергии в распределительные сети.
В этом сценарии в качестве объекта управления используются децентрализованно вводимые возобновляемые энергии. Это становится только тогда проблемой или помеховым случаем, когда лежащий в основе вычисления графика нагрузки пространственно-временной прогноз фотогальванически выработанной или ветровой энергии сильно отклоняется от реальной ситуации. Ввиду сложного характера метеосистем, с такими погрешностями прогноза также следует считаться и в будущем. В случае сильного отклонения в сторону повышения ввода энергии существует опасность нестабильности - в особенности для распределительной сети (ветровая энергия обычно подается на сетевые уровни более высокого напряжения). Если распределительная сеть к тому же имеет топологию с низкой степенью взаимосвязи, то эта опасность нестабильности усиливается. Настоящее изобретение в таком случае с помощью собственного модуля прогноза (который работает на более короткой временной шкале, чем упоминавшийся выше метеопрогноз) анализировало бы опасность нестабильности для распределительной сети с пространственно-временным разрешением. Алгоритм оптимизации вычисляет в этом случае оптимальные действия имеющихся в распоряжении элементов - они включают в себя локальное промежуточное накопление электроэнергии или, например, предоставление реактивной мощности. Модуль управления реализует эти действия на уровне элементов. Следует учитывать, что промежуточное хранение предполагает предоставление накопительных емкостей. Успех краткосрочного действия зависит, таким образом, от среднесрочного режима управления, который должен разрабатываться исходя из статистических и технико-экономических анализов совместно с заинтересованными сторонами энергоснабжения.
ЛИТЕРАТУРА И ИСТОЧНИКИ