Jak mohou mikrosítě a DER maximalizovat trvalou udržitelnost a odolnost v průmyslových a komerčních závodech

Distribuované zdroje energie („distributed energy resource“, DER), jako je solární energie, větrná energie, kombinovaná výroba tepla a elektřiny („combined heat and power“, CHP), bateriové systémy skladování energie („battery energy storage system“, BESS) a dokonce i konvenční generátory mohou významně přispět ke zlepšení trvalé udržitelnosti a odolnosti v komerčních a průmyslových závodech, zejména při spojení do mikrosítě pomocí automatizovaného řídicího systému pro inteligentní koordinaci a řízení výroby, toku, skladování a spotřeby energie.

Pro maximalizaci ekologických a ekonomických přínosů mikrosítě musí řídicí jednotka vyvážit provoz a integraci DER v reálném čase, řídit inteligentní zátěže, jako jsou osvětlení, topení, ventilace a klimatizační systémy („heating ventilation, and air conditioning“, HVAC), nabíjení elektrických vozidel („electric vehicle“, EV) a instalace informačních technologií, využívat historické informace o poptávce k projektování budoucích profilů zatížení, poskytování bezpečného a efektivního připojení k rozvodné síti a poskytování podpory funkcím odezvy na poptávku s údaji o cenách energie v reálném čase.

Tento článek shrnuje prvky, které tvoří mikrosíť, zabývá se architekturami mikrosítí, představuje přehled normy IEEE 1547, která stanovuje požadavky na propojení DER, a normy IEEE 2030, která poskytuje komplexní technický proces pro popis funkcí řídicí jednotky mikrosítě, poté je zde zvažováno, jak mohou řídicí jednotky mikrosítě zlepšit udržitelnost, odolnost a ekonomické výhody, a končí stručným přehledem kybernetických bezpečnostních problémů pro mikrosítě.

Co je k vytvoření mikrosítě potřeba?

Co se týče implementací a součástí, jsou mikrosítě rozmanité. Chceme-li diskutovat o tom, jak mohou mikrosítě a DER maximalizovat trvalou udržitelnost a odolnost, je nejlepší začít s definicí a několika příklady součástí a architektur mikrosítí. Americké ministerstvo energetiky („Department of Energy“, DOE) definuje mikrosíť jako „skupinu vzájemně propojených zátěží a distribuovaných energetických zdrojů v jasně definovaných elektrických hranicích, které s ohledem na síť působí jako jediná ovladatelná entita. Mikrosíť se může připojit a odpojit od sítě, aby mohla fungovat v režimu připojení k síti i v ostrovním režimu.“

Zatímco definice mikrosítě je přímočará, existuje řada kategorií mikrosítí, provozních režimů a možných subsystémů, ze kterých si můžete při budování mikrosítě vybrat, přičemž realizace maximální trvalé udržitelnosti a odolnosti mikrosítě zahrnuje řadu architektonických a provozních možností. Důležitým faktorem ke zvážení je automatizace. Příklady automatizovaných subsystémů zahrnují následující položky (obrázek 1):

• Výroba v rámci mikrosítě, včetně rozmanité řady DER a CHP
• Rozvodné sítě
• BESS
• Zátěže jako systémy HVAC a stroje a motory v průmyslových závodech
• Správa nabíjení elektromobilů a připojení vozidla k síti („vehicle-to-grid“, V2G)
• Řídicí jednotky a rozváděče mikrosítě
• Propojení s rozvodnou sítí u instalací připojených k rozvodné síti

Obrázek 1: Mikrosítě mohou zahrnovat různé DER, CHP a zátěže. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Kategorie mikrosítí

Mikrosítě lze rozdělit do kategorií podle toho, zda jsou mimo rozvodnou síť nebo připojené k síti:

Mimo rozvodnou síť řízené závodem je nejběžnější kategorie. Příklady použití zahrnují vzdálené oblasti, které nejsou obsluhovány komerční rozvodnou sítí, jako jsou doly, průmyslové areály, horské chaty a vojenské základny.

Mimo rozvodnou síť řízené komunitou se na odlehlých místech vyskytují také. Příklady použití zahrnují vzdálené obce, ostrovy a komunity. Zatímco mikrosítě řízené závodem jsou řízeny jediným subjektem, mikrosítě řízené komunitou musí uspokojovat potřeby skupiny uživatelů. Mohou vyžadovat složitější systémy řízení.

Závody připojené k síti mají jediného vlastníka a používají se ke zlepšení spolehlivosti v oblastech, kde je hlavní síť nespolehlivá a je nutné napájení, nebo v případech, kdy vlastník mikrosítě poskytuje ekonomické pobídky pro vyřaditelné zátěže a jiné služby. Případy použití mohou zahrnovat nemocnice, datová centra, výrobní závody s nepřetržitým procesem a jiné budovy s vysokou dostupností.

Komunity připojené k síti mají více uživatelů a výrobců energie připojených k hlavní síti a řízených jako jeden subjekt. Příklady použití zahrnují obchodní nebo univerzitní kampusy, obce a malá města. Ty mohou mít různorodé spotřebitele energie, výrobce a skladovací zařízení a jejich řízení může být nejsložitější.

Mikrosítě někdy jako ostrovy

Kromě diskuse o součástech mikrosítě se definice DOE týká provozu mikrosítě v „jak v režimu připojení k síti, tak v ostrovnímu režimu“. Definice těchto režimů jsou jednoduché, ale implementace je složitější a řeší ji některé standardy IEEE.

IEEE 1547-2018, norma pro propojení distribuovaných zdrojů energie s elektrizační soustavou („Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems“), podrobně popisuje technické požadavky na propojení a interoperabilitu DER s elektrickou sítí. IEEE 1547 je vyvíjející se norma. Dřívější verze normy IEEE 1547 byly navrženy pro nízké úrovně penetrace DER a nezohledňovaly potenciální souhrnný regionální dopad DER na hlavní část elektrizační soustavy. Norma IEEE 1547-2018 přidala přísnější požadavky týkající se regulace napětí a frekvence a schopnosti průchodu, aby napomohla spolehlivosti přenosového systému. Nedávno byl přidán dodatek 1547a-2020, aby se přizpůsobil požadavkům abnormálního provozního výkonu.

V normě IEEE 2030.74 je popsána funkce řídicí jednotky mikrosítě z hlediska dvou provozních režimů ustáleného stavu („steady state“, SS) a čtyř typů přechodů („transition“, T) (obrázek 2):

• SS1 – ustálený režim připojení k síti, mikrosíť je připojena k rozvodné síti. Řídicí jednotka může používat součásti v mikrosíti k poskytování služeb, jako je vyrovnávání špiček, regulace frekvence, podpora jalového výkonu a správa navyšování výkonu do sítě.
• SS2 – stabilní ostrov nebo „ostrovní“ režim je, když je mikrosíť odpojena od rozvodné sítě a funguje izolovaně. Řídicí jednotka je nutná pro vyrovnávání zátěže a služby generování mikrosítě a skladování energie za účelem udržení stabilního provozu mikrosítě.
• T1 – představuje plánovaný přechod z připojené sítě k ostrovnímu režimu v ustáleném stavu. I když je rozvodná síť k dispozici, mohou pro přechod na ostrovní režim existovat ekonomické nebo provozní motivy. Kromě toho může tento režim podporovat testování provozu mikrosítě.
• T2 – představuje neplánovaný přechod z připojené sítě k ostrovnímu režimu v ustáleném stavu. To je analogické s provozem zdroje nepřerušitelného napájení v datovém centru a často se používá při výpadku hlavní sítě. Mikrosíť se plynule odpojí a funguje jako nezávislá elektrická síť.
• T3 – představuje opětovné připojení ostrovu v ustáleném stavu k rozvodné síti. Jedná se o složitý technický postup s generátorem ‚tvořícím síť“ na mikrosíti, který snímá frekvenci a fázový úhel výkonu sítě a před opětovným připojením přesně sladí mikrosíť s hlavní sítí.
• T4 – je „black start“ neboli start ze tmy do ostrovního režimu v ustáleném stavu. V tomto případě došlo k výpadku mikrosítě a ta musí být odpojena od rozvodné sítě a restartována v ostrovním režimu. Tato situace může nastat kvůli neočekávanému výpadku, který řídicí jednotka mikrosítě nedokáže zvládnout pomocí stabilního přechodu T2, nebo může být nutná, pokud ostrov nemá dostatečnou zásobu pro výrobu nebo skladování energie, aby mohl pokračovat v zásobování všech zátěží, a před uvedením generátoru do provozu musí vypnout všechny nepodstatné zátěže. Kromě toho musí být jakýkoli BESS v mikrosíti před opětovným připojením alespoň částečně dobit.

Obrázek 2: Norma IEEE 2030.74 vyžaduje, aby řídicí jednotky mikrosítě vyhovovaly dvěma podmínkám v ustáleném stavu a čtyřem typům přechodů mezi těmito stavy. (Zdroj obrázku: asociace National Rural Electric Cooperative Association)

Implementace mikrosítí

Existuje téměř tolik kombinací DER a zátěží jako mikrosítí, ale běžnými prvky jsou automatizované řídicí jednotky a rozváděče. Ve velkých mikrosítích, jako je ta na obrázku 1 výše, jsou často rozděleny na centralizovanou řídicí místnost, distribuovaný rozváděče pro DER a zátěže, a u konstrukcí připojených k síti na rozvodnu, která slouží jako rozváděč mezi mikrosítí a rozvodnou sítí.

Řídicí jednotky mikrosítí potřebují informace, a aby maximalizovaly odolnost a trvalou udržitelnost, musí být rychlé. Řídicí jednotky využívají k monitorování fungování DER a zátěží v reálném čase síť senzorů. U mikrosítí připojených k síti monitoruje řídicí jednotka také stav místní rozvodné sítě. Pokud dojde k jakékoli anomálii, řídicí jednotka zareaguje v řádu milisekund a odešle příkaz do přidruženého DER, zátěže nebo rozváděče.

Velikosti rozváděčů se pohybují od několika kW do několika MW a musejí zareagovat na požadavky řídicí jednotky během několika milisekund, jinak hrozí vážný poruchový stav. Některé rozváděče jsou vybaveny inteligentními jističi, které fungují autonomně a poskytují další vrstvu ochrany.

U menších instalací lze řídicí jednotku a rozváděč spojit do jednoho zařízení, někdy označovaného jako centrum řízení energie („energy control center“, ECC). Zařízení ECC jsou k dispozici jako předem zapojená, sestavená a testovaná ve výrobě. Zařízení ECC zjednodušují a urychlují instalaci mikrosítí a mohou spravovat více zdrojů energie, včetně napájení ze sítě a DER se zátěžemi podle priority. Například společnost Schneider Electric nabízí řadu ECC 1600/2500 pro mikrosítě v měřítku budov (obrázek 3). Mezi funkce řady ECC 1600/2500 patří:

• Zařízení lze konfigurovat na objednávku se jmenovitým výkonem od 100 do 750 kW a lze jej optimalizovat pro stávající nebo nové budovy.
• Zařízení pracuje s více DER, jako jsou PV, BESS, větrné elektrárny a plynové a dieselové generátory.
• Řídicí jednotka zajišťuje odolnost během výpadků, včetně použití PV s kotevním zdrojem, jako je záložní generátor nebo BESS.
• Automatizované inteligentní měření poskytuje přehled o kvalitě energie, spotřebě energie a produkci DER.
• Rozváděč s napájecí sběrnicí 1 600 až 2 500 A.
• Cloudová analýza pro maximalizaci odolnosti a návratnosti investic z DER.

Obrázek 3: ECC kombinují řídicí jednotku (vlevo) a rozvaděč (vpravo) do jediného zařízení. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Bezpečná a zabezpečená energie

Kybernetická bezpečnost je důležitým aspektem energetické bezpečnosti a odolnosti. Mezinárodní energetická agentura („International Energy Agency“, IEA) definuje energetickou bezpečnost jako „nepřetržitou dostupnost energetických zdrojů za dostupnou cenu“. K zajištění levných, bezpečných a odolných dodávek energie mohou významně přispívat mikrosítě.

Základním prvkem mikrosítí je komunikace. To znamená komunikace s cloudem a případně s místní rozvodnou sítí za účelem optimalizace výkonu. Kromě toho různé DER a zátěže, které tvoří typickou mikrosíť, pocházejí od různých výrobců a využívají různorodé komunikační protokoly a technologie. Připojení k internetu a bezdrátové technologie, jako je síť Wi-Fi, se nacházejí téměř ve všech mikrosítích a mohou být pro dosažení maximálních výhod nezbytné. Podporují také doplňkové funkce, jako je shromažďování předpovědí počasí a cen paliva a energie v reálném čase.

Zajištění kybernetické bezpečnosti je složité. Kromě zabezpečeného hardwaru, metod a postupů musejí lidé řešit kybernetickou zranitelnost, která může útočníkům umožnit přístup k citlivým sítím a datům, a dokonce manipulovat s řídicím softwarem, což může mít za následek poškození provozu mikrosítě. Teroristé představují jen jednu z hrozeb. Je třeba vzít v úvahu také konkurenci nebo bezohledné zaměstnance. Může dojít také k chybám na straně operátora, sítě mohou mít neznámé mezery v důsledku zastaralého softwaru a tak dále (obrázek 4). Kybernetickou bezpečnost nelze opomíjet. K tomu, aby byl celý systém účinný, musí být od začátku navržen ve všech aspektech hardwaru, softwaru a procesů mikrosítě.

Obrázek 4: Zranitelnosti způsobené lidmi, procesy a mezerami ve fyzickém zabezpečení mohou představovat prostor pro útok na mikrosíť. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Souhrn

Mikrosítě integrují velké množství DER a zátěží do jediného systému, aby maximalizovaly energetickou trvalou udržitelnost a odolnost. Pro podporu specifických potřeb energie a konektivity lze použít několik architektur mikrosítě. Rostoucí počet mikrosítí a rostoucí penetrace DER vedly k vývoji normy propojení IEEE 1547 a ke zvýšenému zaměření na kybernetickou bezpečnost mikrosítí.