Діаграма добового навантаження; Синій колір показує дійсне використання навантаження, а зелений – зразкове (бажане). Керування навантаженням, також відоме як керування попитом (англ. DSM) — це спосіб врівноваження (балансування) постачання електроенергії в мережі з електричним навантаженням, шляхом зміни навантаження, а не вихідної потужності електростанції.

Цього можна досягти прямим втручанням комунального підприємства в режимі дійсного часу, використанням чутливих до частоти реле, котрі діють на автоматичні вимикачі (пульсаційний контроль), годинників або використанням особливих тарифів на електроенергію для впливу на поведінку споживачів. Керування навантаженням дозволяє комунальним підприємствам зменшувати попит на електроенергію в часи пікового споживання (зниження пікових навантажень), тож водночас, може зменшити витрати, усуваючи потребу в дорогих пікових електростанціях. Крім того, деяким піковим електростанціям може знадобитися більше години, щоби увімкнутися в роботу, що робить керування навантаженням ще більш загрозливим, якщо, наприклад, станція несподівано вимикається. Керування навантаженням також здатне допомогти зменшити шкідливі викиди, оскільки пікові електростанції або резервні генератори, часто брудніші та менш ефективні, ніж електростанції базового навантаження. Нові технології керування навантаженням постійно розробляються — як приватними, так і державними організаціями.

Коротка історія
Сучасне керування навантаженням на електромережі почалося приблизно 1938 року з використанням пульсаційного контролю. До 1948 року пульсаційний контроль був зручною системою, яка широко застосовувалася.

Наприклад чехи вперше застосували пульсаційний контроль у 1950-х роках. Ранні передавачі були малопотужними, порівняно з сучасними системами, лише 50 кіловольт-ампер. Це були обертові генератори, які подавали сигнал 1050 Гц на трансформатори, приєднані до електромереж. Спочатку приймачами були електромеханічні реле. Згодом, в 1970-х роках, почали використовувати передавачі з потужними напівпровідниками. Вони більш надійні, оскільки не мають рухомих частин. Сучасні чеські системи відправляють цифрову «телеграму». Надсилання кожної телеграми триває близько тридцяти секунд. Вона має імпульси тривалістю близько однієї секунди. Є кілька форматів, які використовуються в різних районах.

1972 року, Теодор Джордж «Тед» Параскевакос, працюючи на Boeing у Гантсвіллі, штат Алабама, розробив систему сенсорного нагляду, яка використовувала цифрове передавання сигналів для систем безпеки, пожежної та медичної сигналізації, а також можливості зчитування лічильників для всіх комунальних послуг. Ця технологія була побічним продуктом його запатентованої системи автоматичного визначення телефонної лінії, відомої зараз як Caller ID. 1974 року, Параскевакос отримав патент США на цю технологію.

На замовлення Алабамської енергетичної компанії Параскевакос розробив систему керування навантаженням разом із технологією автоматичного зчитування лічильників. Роблячи це, він використовував здатність системи відстежувати швидкість обертання диска індукційного вимірювача потужності та, як наслідок, споживання електроенергії. Така інформація, разом із часом доби, давала енергетичній компанії можливість вказувати окремим лічильникам, керувати нагріванням води та кондиціонуванням, щоби запобігти пікам навантаження під час високого споживання електроенергії впродовж дня. За цей підхід Параскевакос отримав кілька патентів.

Переваги та спосіб дії
Оскільки електрична енергія постачається у такому вигляді, що вона не може доцільно зберігатися у великих обсягах, її треба виробляти, розподіляти та споживати негайно. Коли навантаження на систему наближається до найбільш можливої генерувальної потужності, оператори мереж повинні або знайти додаткові джерела енергії, або відшукати способи зменшити навантаження, отже керувати навантаженням. Якщо таке не вдасться, система виявиться несталою і можуть статися вимкнення електроенергії.

Довгострокове планування керування навантаженням, може початися з побудови складних моделей для опису фізичних властивостей розподільної мережі (тобто топології, пропускної здатності та інших властивостей ліній електропередавання), а також поведінки навантаження. Дослідження можуть охоплювати майбутні події, які враховують прогнози погоди, передбачуваний вплив запропонованих команд розвантаження, розрахунковий час лагодження автономного обладнання та інші чинники.

Використання керування навантаженням, може допомогти електростанції досягти вищого коефіцієнта потужності, показника середнього використання потужності. Коефіцієнт потужності — це показник потужності електростанції порівняно з найбільшою потужністю, яку вона здатна виробити. Коефіцієнт потужності часто визначається як відношення середнього навантаження до потужності або відношення середнього навантаження до пікового навантаження за певний час. Вищий коефіцієнт навантаження є вигідним, оскільки електростанція може бути менш діяльною за низьких коефіцієнтів навантаження, високий же коефіцієнт навантаження означає, що постійні витрати розподіляються на більшу кількість вироблених кВт-год (що дає нижчі ціни за одиницю електроенергії), а вищий коефіцієнт навантаження означає більший загальний випуск. Якщо на коефіцієнт навантаження впливає відсутність палива, зупинка на технічне обслуговування, незапланований вихід з ладу або зниження попиту (оскільки рівень споживання коливається протягом дня), виробництво треба змінювати, оскільки зберігання енергії в мережі часто є непомірно дорогим.

Менші комунальні підприємства, які купують електроенергію замість того, щоби виробляти власну, раптом дізнаються, що вони також можуть отримати вигоду, встановивши систему контролю навантаження. Штрафи, які вони повинні сплачувати постачальнику електроенергії за пікове споживання, можна значно зменшити. Багато хто повідомляє, що система керування навантаженням спроможна окупитися всього за один сезон.

Промислові споживачі, такі як алюмінієві заводи або системи опалення з тепловими насосами в приватних домогосподарствах, можна вимкнути на певний час, не впливаючи на робочий процес або затишок. Для таких випадків у договорі зазначено, на який час і які пристрої з електричним приводом можна вимкнути. Водночас, споживач отримує знижку від загального тарифу на електроенергію. Натомість не можна вимикати жодні системи, які є (життєво важливими) задля безпеки та для споживача (наприклад, системи сигналізації, освітлення в темних коридорах і кімнатах, комп’ютерні системи).

В деяких країнах, без централізованого керування розподілом навантаження з боку електропостачальних компаній, споживачі можуть отримувати грошову винагороду через змінні тарифи, за добровільне зміщення в часі попиту на електроенергію з пікових періодів.

Порівняння з відповіддю на попит
Коли ухвалюється рішення зменшити навантаження, це робиться на основі надійності системи. Енергетичне підприємство в певному сенсі, «володіє вимикачем» і скидає навантаження лише тоді, коли сталість або надійність системи розподілу електроенергії перебуває під загрозою. Комунальне підприємство (яке здійснює виробництво, розподіл і постачання електроенергії) не буде порушувати власний бізнес-процес без належної причини. Керування навантаженням, якщо воно виконується належним чином, є неруйнівним (неінвазивним) і не створює складнощів для споживача. Навантаження варто переносити на непікові години.

Реагування на попит, дає споживачу можливість самому «увімкнути-вимкнути» за допомогою таких пристроїв, як перемикач керування навантаженням, який працює від розумної мережі. Тоді як багато побутових споживачів платять сталу ставку за електроенергію цілий рік, витрати комунального підприємства насправді постійно змінюються залежно від попиту, розподільної мережі та складу портфеля виробництва електроенергії компанії. На вільному ринку гуртова ціна на енергію коливається протягом дня. Програми реагування на попит, такі як ті, що впроваджуються інтелектуальними мережами, намагаються заохочувати споживача обмежити використання через проблеми з витратами. Оскільки витрати зростають протягом дня (якщо система досягає пікової потужності та використовуються більш дорогі пікові електростанції), вільна ринкова економіка повинна допускати зростання ціни. Відповідно спад попиту на товар, має відповідати зменшенню ціни. Хоча це працює для передбачуваних нестач, багато криз розвиваються за лічені секунди через непередбачені збої обладнання. Вони повинні бути вирішені в той самий термін, щоб уникнути вимкнення електроенергії. Багато комунальних підприємств, які зацікавлені в реагуванні на попит, також висловили інтерес до можливостей керувати навантаженням, щоби вони могли працювати з «вимикачем» до того, як оновлення цін може бути оприлюдненим для споживачів.

Застосування технології керування навантаженням, продовжує зростати сьогодні (2020-і) завдяки продажу як радіочастотних систем, так і систем зв’язку на основі ліній електропередач. Певні типи інтелектуальних лічильників також можуть служити системами контролю навантаження. Системи контролю заряджання можуть запобігти підзаряджанню електромобілів у години пік. Системи «автомобіль-мережа»  можуть повертати електроенергію від акумуляторів електромобілів до комунального підприємства або вони здатні гальмувати заряджання акумуляторів автомобіля до більш повільної швидкості.

Для прикладу, контроль навантаження вже багато років здійснюється німецькою компанією Saarbrücker Stadtwerke. Тут морозильні камери та холодильники в супермаркетах вимикаються на певний час. Термостати попередньо налаштовано так, щоб вони охолоджували або заморожували їжу за трохи нижчої температури. Якщо постачальник електроенергії потім від’єднає пристрої охолодження від джерела живлення за допомогою дистанційного керування, вони можуть залишатися вимкненими протягом приблизно 1-2 годин, перш ніж їх потрібно буде знову увімкнути, щоб захистити продукти від розморожування.

Пульсаційне керування
Пульсаційне керування є поширеним видом керування навантаженням і використовується в багатьох країнах світу, зокрема в Сполучених Штатах, Австралії, Чехії, Новій 
новозеландському будинку. Лівий автоматичний вимикач керує живленням водонагрівача (на дану мить увімкнено), а правий – живленням обігрівача вночі (натепер вимкнено).
Зеландії, Великобританії, Німеччині, Нідерландах та Південній Африці. Таке керування передбачає накладання високочастотного сигналу (зазвичай між 100 і 1600 Гц10) на стандартні 50–60 Гц основного сигналу живлення. Коли приймальні пристрої, приєднані до несуттєвих житлових або промислових навантажень, отримують цей сигнал, вони вимикають навантаження, доки сигнал не буде припинено або не буде отримано сигнал іншої частоти.

Перші впровадження пульсаційного контролю відбулися під час Другої світової війни в різних частинах світу за допомогою системи, яка обмінюється даними через мережу розподілу електроенергії. У ранніх системах використовувалися обертові генератори, приєднані до розподільних мереж через трансформатори. Системи пульсаційного керування, здебільшого, поєднуються з дво- (чи більше) рівневою системою ціноутворення, згідно з якою електроенергія дорожча в години пік (ранки і вечори) і дешевша під час низького споживання (зазвичай рано вранці, вночі).

Перелік побутових пристроїв, яких це стосується, залежить від регіону, але може передбачати побутові електричні водонагрівачі, кондиціонери, насоси для басейнів або насоси для поливу сільськогосподарських культур. У розподільчій мережі, оснащеній керуванням навантаження, ці пристрої оснащені зв’язаними контролерами, які можуть запускати програму, котра обмежує робочий цикл обладнання під керуванням. Споживачі зазвичай винагороджуються за участь у програмі нагляду за навантаженням, сплачуючи знижену ставку за енергію. Належне керування навантаженням, яке виконує комунальне підприємство, дозволяє їм застосовувати розвантаження, щоб уникнути постійних вимкнень електроенергії та зменшити витрати.

Пульсаційний контроль може бути непопулярним, оскільки інколи пристрої можуть не отримати сигнал задля вчасного увімкнення обладнання для затишку, наприклад нагрівачів гарячої води або електричних обігрівачів. Сучасні електронні приймачі надійніші застарілих електромеханічних систем. Також деякі сучасні системи повторюють телеграми стосовно вмикання пристроїв для комфорту. Також, за запитом багатьох користувачів, велика кількість приймачів пульсаційного керування, мають перемикач для примусового увімкнення пристроїв задля затишку.

Сучасні пульсаційні контролери надсилають цифрову телеграму тривалістю від 30 до 180 секунд. Спочатку їх отримували електромеханічні реле. Зараз їх часто приймають мікропроцесори. Багато систем повторюють надсилання, щоби переконатися, що пристрої для комфорту (наприклад, водонагрівачі) увімкнено. Оскільки частоти передач сигналу перебувають у межах людського слуху, вони часто викликають чутну вібрацію дротів, лампочок розжарення або трансформаторів.

Децентралізоване керування попитом на основі частоти
Більші електричні навантаження, фізично сповільнюють ротори синхронізованих генераторів мережі. Це призводить до того, що мережа змінного струму має дещо знижену частоту, коли вона занадто навантажена. Знижена частота одразу відчувається по всій мережі. Недорога місцева електроніка може легко й точно вимірювати частоту мережі та вимикати навантаження, які можуть бути відкинуті. У деяких випадках ця функція майже безкоштовна, наприклад якщо керувальне обладнання (лічильник електроенергії або електронний термостат у системі кондиціонування повітря) вже має мікроконтролер. Більшість електронних лічильників електроенергії внутрішньо вимірюють частоту, і для вимкнення обладнання потрібні лише проміжні реле. В іншому обладнанні часто єдиним необхідним додатковим обладнанням є резисторний подільник для визначення циклу мережі та тригер Шмітта (невелика інтегральна схема), щоби цифровий вхід мікроконтролерів міг надійно сприймати швидкий цифровий фронт. Тригер Шмітта, вже є звичайним обладнанням багатьох мікроконтролерів.

Основна перевага перед пульсаційним керуванням, полягає у більшій зручності для споживачів: неотримані телеграми пульсаційного керування можуть призвести до того, що водонагрівач залишиться вимкненим, спричинивши холодний душ. Або вони можуть призвести до того, що кондиціонер залишиться вимкненим, внаслідок чого вдома буде спекотно. 

Навпаки, коли мережа відновлюється, її частота природним чином підвищується до нормальної, через це пристрій керування навантаженням за частотою, автоматично вмикає водонагрівачі, кондиціонери та інше обладнання для комфорту. Вартість обладнання може бути нижчою, і немає жодних побоювань щодо перекриття або областей недосяжності, неправильно прийнятих кодів, потужності передавача тощо.

Основною вадою порівняно з пульсаційним керуванням, є менш точне керування. Наприклад, енергетичний мережевий орган має лише обмежену можливість обирати, які навантаження вимикаються. У керованих економіках воєнного часу це може бути суттєвим недоліком.

Система була винайдена в PNNL на початку 21 століття, і було доведено, що вона стабілізує мережі.

Подальший розвиток
Останніми роками дослідницька цікавість до заходів керування навантаженням значно збільшилася. Тоді як протягом 1990-х років, стосовно цього питання було оприлюднено лише кілька десятків дослідницьких робіт, з початку нового тисячоліття їх кількість різко зросла. У 2000/2001 роках з’явилося майже 100 робіт, а 2009/10 року вже було поширено близько 1000 досліджень. У 2011/2012 роках, ця кількість сягнула вже 1760 нових дописів.

Через збільшення коливань виробництва електроенергії від фотоелектричних і вітряних електростанцій, керування навантаженням, серед інших заходів, ставатиме все більш важливим. У Великій Британії та США випробовуються способи, в яких побутові прилади, такі як холодильники, а також сушарки та електробойлери вмикаються та вимикаються із затримкою або завчасно, залежно від частоти мережі. Отже вони можуть брати участь у первинному контролі. Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія випробовувала так званий Grid Friendly Appliance Controller на 200 пристроях у американському штаті Вашингтон. Ще одне польове випробування у Великобританії провела компанія RLtec разом з виробником побутової техніки Indesit і постачальником енергії Npower. У Німеччині, наприклад, використання керування попитом наразі вивчається у двох пілотних проектах Німецького енергетичного агентства (dena) у співпраці з багатьма компаніями. Метою є, серед іншого, перевірити способи для дослідження та вивчення можливостей DSM на підприємствах і розробити стандартизовані процедури та процеси. У зв'язку з цими подіями, також з'явився термін flexumer, який стає все більш важливим. Flexumers — це кінцеві споживачі, які використовують свою гнучкість (споживання електроенергії, виробництво, накопичувальні ємності) для надання ринкових, мережевих або системних послуг.

Див. також

* Пікові потреби
* Віялові вимкнення

Джерела
