Wspieranie zrównoważonego rozwoju i odporności energetycznej w obiektach przemysłowych i handlowych z wykorzystaniem mikrosieci i rozproszonych zasobów energetycznych (DER)

Rozproszone zasoby energetyczne (DER), takie jak energia słoneczna, energia wiatrowa, elektrociepłownie (CHP), bateryjne systemy magazynowania energii (BESS), a nawet konwencjonalne generatory mogą w znaczący sposób przyczynić się do poprawy zrównoważonego rozwoju oraz odporności obiektów komercyjnych i przemysłowych, zwłaszcza po połączeniu w mikrosieć wykorzystującą zautomatyzowany system sterowania w celu inteligentnej koordynacji i zarządzania wytwarzaniem, przepływem, magazynowaniem oraz zużyciem energii.

Aby zmaksymalizować korzyści środowiskowe i ekonomiczne mikrosieci, jej kontroler musi równoważyć działanie i integrację rozproszonych zasobów energetycznych (DER) w czasie rzeczywistym, zarządzać inteligentnymi obciążeniami, takimi jak systemy oświetlenia, ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), ładowania pojazdów elektrycznych (EV), jak również instalacjami technologii informatycznych, wykorzystywać historyczne informacje o zapotrzebowaniu do prognozowania przyszłych profili obciążenia, zapewniać bezpieczne i wydajne połączenia z siecią elektroenergetyczną, a także obsługiwać funkcje reagowania na zapotrzebowanie z wykorzystaniem danych o cenach energii w czasie rzeczywistym.

W tym artykule dokonano przeglądu elementów składających się na mikrosieć, przyjrzano się architekturom mikrosieci, omówiono normę IEEE 1547, która ustanawia wymagania dotyczące wzajemnych połączeń źródeł DER, oraz normę IEEE 2030, która określa kompleksowy proces techniczny opisu funkcji sterownika mikrosieci, a następnie rozważono w jaki sposób kontrolery mikrosieci mogą sprzyjać zrównoważonemu rozwojowi i odporności, a także zapewniać korzyści ekonomiczne. Artykuł kończy się krótkim omówieniem problemów związanych z bezpieczeństwem cybernetycznym mikrosieci.

Co jest potrzebne do zbudowania mikrosieci?

Mikrosieci są zróżnicowane pod względem implementacji i komponentów. Aby omówić, w jaki sposób mikrosieci i źródła DER mogą wspomagać zrównoważony rozwój i odporność, najlepiej zacząć od definicji i kilku przykładów komponentów oraz architektur mikrosieci. Amerykański Departament Energetyki (DOE) definiuje mikrosieć jako „grupę połączonych ze sobą obciążeń i rozproszonych zasobów energetycznych w jasno określonych granicach elektrycznych, która działa jako pojedyncza kontrolowana jednostka w odniesieniu do ogólnej sieci energetycznej. Mikrosieć może łączyć się i odłączać od sieci energetycznej, umożliwiając jej działanie w trybie przyłączenia do sieci i w trybie wyspowym”.

Chociaż definicja mikrosieci jest prosta, przy jej budowie można wybierać spośród szeregu kategorii mikrosieci, trybów pracy i możliwych podsystemów, a zapewnienie maksymalnej trwałości oraz odporności mikrosieci wiąże się z wieloma wyborami dotyczącymi architektury i działania. Automatyzacja jest ważną kwestią. Przykłady zautomatyzowanych podsystemów obejmują (ilustracja 1):

• Wytwarzanie w ramach mikrosieci, włączając w to zróżnicowane rozproszone zasoby energetyczne (DER) i elektrociepłownie (CHP)
• Sieci rozdziału zasilania
• Bateryjny system magazynowania energii (BESS)
• Obciążenia takie jak systemy klimatyzacji i wentylacji (HVAC) oraz maszyny i silniki w obiektach przemysłowych
• Zarządzanie połączeniami związanymi z ładowaniem pojazdów elektrycznych i układami pojazd-sieć (V2G)
• Kontrolery i aparatura rozdzielcza mikrosieci
• Połączenia z ogólną siecią przesyłową dla instalacji podłączonych do sieci

Ilustracja 1: mikrosieci mogą obejmować różne rozproszone zasoby energetyczne (DER), elektrociepłownie (CHP) i obciążenia. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Kategorie mikrosieci

Mikrosieci można podzielić na kategorie według tego, czy są podłączone do sieci przesyłowej, czy działają poza nią:

Najpowszechniejszą kategorią są mikrosieci poza siecią przesyłową, prowadzone przez dany obiekt. Przykłady zastosowania obejmują odległe rejony, które nie są obsługiwane przez komercyjną sieć przesyłową, takie jak kopalnie, tereny przemysłowe, domy w górach i bazy wojskowe.

W odległych lokalizacjach funkcjonują również sieci prowadzone przez lokalne społeczności. Przykłady użycia obejmują odległe wioski, wyspy i społeczności. Podczas gdy mikrosieci prowadzone przez obiekty są kontrolowane przez jeden podmiot, mikrosieci prowadzone przez społeczności muszą zaspokajać potrzeby grupy użytkowników. Mogą one wymagać bardziej złożonych systemów zarządzania i sterowania.

Obiekty podłączone do sieci przesyłowej mają jednego właściciela, a ich zadaniem jest poprawa niezawodności na obszarach, gdzie główna sieć jest zawodna, a zasilanie jest niezbędne lub w przypadkach, gdy istnieją zachęty ekonomiczne dla odłączania obciążeń i innych usług ze strony właściciela mikrosieci. Przykłady stosowania mogą obejmować szpitale, ośrodki przetwarzania danych, zakłady produkcyjne działające w procesach ciągłych i inne budynki o wysokiej dostępności.

Społeczności podłączone do sieci przesyłowej mają wielu użytkowników i producentów energii podłączonych do głównej sieci i zarządzanych jako jeden podmiot. Przykłady stosowania obejmują kampusy biznesowe lub uniwersyteckie, wioski i miasteczka. Mogą do nich należeć różnorodni użytkownicy, producenci i obiekty magazynowania energii, a sterowanie nimi może być bardzo skomplikowane.

Mikrosieci są niekiedy wyspami

Oprócz omówienia elementów mikrosieci, definicja amerykańskiego Departamentu Energetyki odnosi się do działania mikrosieci „zarówno w trybie podłączonym do sieci, jak i wyspowym”. Definicje tych trybów są proste, ale implementacja jest bardziej złożona i jest uwzględniona w niektórych normach IEEE.

IEEE 1547-2018 - norma dotycząca wzajemnych połączeń zasobów rozproszonych z systemami elektroenergetycznymi, szczegółowo określa wymagania techniczne dotyczące wzajemnych połączeń i interoperacyjności zasobów rozproszonych (DER) z siecią energetyczną. IEEE 1547 to norma, która wciąż ewoluuje. Wcześniejsze wersje IEEE 1547 były opracowane dla niskich poziomów penetracji rozproszonych zasobów energetycznych (DER) i nie uwzględniały potencjalnego zagregowanego regionalnego wpływu zasobów DER na ogólny system elektroenergetyczny. Norma IEEE 1547-2018 dodała bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące regulacji napięcia i częstotliwości oraz możliwości „podtrzymania”, aby zwiększyć niezawodność systemu przesyłowego. Niedawno wprowadzono poprawkę 1547a-2020, uwzględniającą działanie w nietypowych warunkach pracy.

W normie IEEE 2030.74 opisano funkcje kontrolera mikrosieci w kategoriach dwóch trybów pracy w stanie ustalonym (SS) i czterech typów przejść (T) (ilustracja 2):

• SS1 - w stanie ustalonym połączenia z siecią energetyczną, mikrosieć jest połączona z siecią przesyłową. Układ kontrolera może wykorzystywać komponenty mikrosieci do świadczenia na rzecz sieci usług, takich jak wyrównywanie zapotrzebowania szczytowego, regulacja częstotliwości, obsługa mocy biernej i zarządzanie zmianami mocy.
• SS2 - w stabilnym trybie, zwanym trybem „wyspowania”, mikrosieć jest odłączona od sieci energetycznej i działa w izolacji. Zadaniem kontrolera jest równoważenie obciążeń i produkcji w mikrosieci oraz zapewnienie usług magazynowania energii w celu utrzymania stabilnej pracy mikrosieci.
• T1 odnosi się do planowego przejścia od stanu połączenia z siecią do stabilnego stanu pracy wyspowej. Nawet gdy sieć energetyczna jest dostępna, mogą istnieć ekonomiczne lub operacyjne zachęty do przejścia w tryb wyspowy. Ponadto tryb ten może obsługiwać próby działania mikrosieci.
• T2 to nieplanowe przejście ze stanu połączenia z siecią do trybu wyspowego w stanie ustalonym. Jest to analogiczne do działania zasilacza bezprzerwowego w ośrodku przetwarzania danych i jest często używane w przypadku awarii głównej sieci energetycznej. Mikrosieć odłącza się niezauważalnie i działa jako niezależna sieć energetyczna.
• T3 dotyczy przełączenia ze stanu ustalonego w trybie wyspowym do stanu połączonego z siecią. Jest to złożona procedura techniczna w której „tworzący sieć” generator w mikrosieci wykrywa częstotliwość i kąt fazowy mocy w sieci energetycznej i dokładnie dopasowuje mikrosieć do głównej sieci przed ponownym podłączeniem.
• T4 to „zimne” uruchomienie stabilnego stanu pracy wyspowej. W tym przypadku doszło do awarii mikrosieci, która wymaga odizolowania od sieci elektroenergetycznej i ponownego uruchomienia w trybie wyspowym. Sytuacja ta może wystąpić z powodu nieoczekiwanego zaniku zasilania, którego sterownik mikrosieci nie jest w stanie obsłużyć za pomocą stabilnego przejścia T2 lub może być konieczna, jeśli wyspa nie ma wystarczającej mocy wytwórczej lub rezerwy zmagazynowanej energii, aby nadal zaopatrywać wszystkie obciążenia i musi wyłączyć wszystkie zbędne obciążenia przed uruchomieniem generatora. Ponadto każdy bateryjny system magazynowania energii (BESS) w mikrosieci musi zostać przynajmniej częściowo naładowany przed ponownym podłączeniem.

Ilustracja 2: norma IEEE 2030.74 wymaga, aby kontrolery mikrosieci obsługiwały dwa warunki stanu ustalonego i cztery rodzaje przejść między tymi stanami. (Źródło ilustracji: National Rural Electric Cooperative Association)

Wdrażanie mikrosieci

Istnieje prawie tyle samo kombinacji rozproszonych zasobów energetycznych (DER) i obciążeń, co mikrosieci, ale zautomatyzowane kontrolery i aparatura rozdzielcza są ich typowymi elementami. Duże mikrosieci, takie jak przedstawiona na ilustracji 1 powyżej, dzielą się często na scentralizowaną sterownię, rozproszoną aparaturę rozdzielczą dla zasobów DER i obciążeń, a w przypadku projektów połączonych z siecią, podstację, która służy jako aparatura rozdzielcza między mikrosiecią a siecią energetyczną.

Kontrolery mikrosieci potrzebują informacji i muszą działać szybko aby zmaksymalizować odporność i równowagę pracy. Kontrolery wykorzystują sieć czujników monitorujących funkcjonowanie zasobów DER i obciążeń w czasie rzeczywistym. W przypadku mikrosieci podłączonych do sieci energetycznej, kontroler monitoruje również stan lokalnej sieci energetycznej. W przypadku wystąpienia jakichkolwiek anomalii kontroler reaguje w ciągu milisekund i wysyła polecenie do powiązanego zasobu DER, obciążenia lub aparatury rozdzielczej.

Wielkości aparatury rozdzielczej wahają się od kilku kW do wielu MW. Aparatura musi reagować na żądania kontrolera w ciągu kilku milisekund, w przeciwnym razie istnieje ryzyko poważnej awarii. Niektóre rodzaje aparatury rozdzielczej są wyposażone w inteligentne wyłączniki automatyczne, które działają autonomicznie, zapewniając dodatkową warstwę ochrony.

W przypadku mniejszych instalacji kontroler i aparaturę rozdzielczą można połączyć w jedno urządzenie, czasami nazywane centrum sterowania energią (ECC). Centra sterowania energią (ECC) są dostępne jako wstępnie połączone, zmontowane i przetestowane fabrycznie. Centra ECC upraszczają i przyspieszają instalację mikrosieci i mogą zarządzać wieloma źródłami energii, w tym energią z sieci przesyłowej i zasobami DER z priorytetyzacją obciążeń. Na przykład firma Schneider Electric oferuje serię centrów ECC 1600/2500 do mikrosieci dla budynków (ilustracja 3). Niektóre cechy centrów sterowania energii z serii ECC 1600 / 2500:

• Możliwość konfiguracji mocy znamionowych od 100 do 750kW na zamówienie i możliwość optymalizacji pod kątem istniejących lub nowych budynków
• Współpraca z wieloma zasobami DER, takimi jak fotowoltaika (PV), bateryjne systemy magazynowania energii (BESS), energia wiatrowa, turbiny gazowe i generatory dieslowskie
• Kontroler zapewnia odporność podczas zaników zasilania, w tym wykorzystanie fotowoltaiki z zasobem kotwiczącym, takim jak generator rezerwowy lub BESS
• Zautomatyzowane opomiarowanie inteligentne daje wgląd w jakość energii, jej zużycie i produkcję z zasobów DER
• Aparatura rozdzielcza z szyną rozdziału zasilania od 1600 do 2500A
• Analityka oparta na chmurze maksymalizuje odporność i zwrot z inwestycji w rozproszone zasoby energetyczne (DER)

Ilustracja 3: centra sterowania energią (ECC) łączą w jednym urządzeniu kontrolery mikrosieci (z lewej) i aparaturę rozdzielczą (z prawej). (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Bezpieczna i pewna energia

Cyberbezpieczeństwo jest ważnym aspektem bezpieczeństwa i odporności energetycznej. Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) definiuje bezpieczeństwo energetyczne jako „nieprzerwaną dostępność źródeł energii w przystępnej cenie”. Mikrosieci mogą znacząco przyczynić się do zapewnienia tanich, bezpiecznych i odpornych dostaw energii.

Komunikacja jest istotnym elementem mikrosieci. Oznacza to komunikację z chmurą i ewentualnie z lokalną siecią energetyczną w celu optymalizacji parametrów działania. Ponadto różne rozproszone zasoby energetyczne (DER) i obciążenia składające się na typową mikrosieć pochodzą od różnych producentów i wykorzystują niejednorodne protokoły i technologie komunikacyjne. Łączność z Internetem i technologie bezprzewodowe, takie jak Wi-Fi, występują w prawie wszystkich mikrosieciach i mogą mieć kluczowe znaczenie dla maksymalizacji korzyści. Obsługują one także funkcje pomocnicze, takie jak gromadzenie prognoz pogody oraz cen paliw i energii w czasie rzeczywistym.

Zapewnienie cyberbezpieczeństwa jest skomplikowane. Oprócz bezpiecznego sprzętu, niezbędne są zasady, procedury i ludzie, którzy będą eliminować luki w zabezpieczeniach cybernetycznych, umożliwiające atakującym dostęp do wrażliwych sieci i danych, a nawet manipulowanie oprogramowaniem sterującym, prowadzące do awarii mikrosieci. Terroryści to tylko jeden problem. Istnieje też konkurencja lub pozbawieni skrupułów pracownicy. Operator może popełnić błąd, w sieci mogą występować nieznane luki zabezpieczeń spowodowane przestarzałym oprogramowaniem i tak dalej (ilustracja 4). Cyberbezpieczeństwo nie może być kwestią drugorzędną. Aby było ono skuteczne, należy od początku uwzględniać wszystkie aspekty sprzętu, oprogramowania i procesów mikrosieci.

Ilustracja 4: słabe punkty, których źródłem są ludzie, procesy i luki w zabezpieczeniach fizycznych stanowią wektory ataku na mikrosieci. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Podsumowanie

Mikrosieci integrują wiele rozproszonych zasobów energetycznych (DER) i obciążeń w jeden system, aby maksymalizować zrównoważony rozwój i odporność energetyczną. Do zaspokojenia określonych potrzeb w zakresie energii i łączności można zastosować kilka architektur mikrosieci. Coraz większa liczba mikrosieci i rosnąca penetracja zasobów DER spowodowała ewolucję normy IEEE 1547 w zakresie połączeń wzajemnych, powodując większy nacisk na bezpieczeństwo cybernetyczne mikrosieci.