Hur mikronät och distribuerade energiresurser kan maximera hållbarhet och resiliens i industriella och kommersiella anläggningar

Distribuerade energiresurser (DER) som t.ex. solenergi, vindkraft, kraftvärme (CHP), energilagringssystem för batterier (BESS) men även konventionella generatorer kan vara viktiga bidrag för förbättringar av hållbarhet och resiliens i kommersiella och industriella anläggningar, särskilt när de kombineras i ett mikronät med ett automatiserat styrsystem för intelligent samordning och hantering av energiproduktion, flöde, lagring och förbrukning.

För att maximera mikronätets miljömässiga och ekonomiska fördelar måste styrenheten balansera drift och integration för distribuerade energiresurser i realtid, hantera smarta laster som t.ex. belysning, värme, ventilation och luftkonditionering, laddning av elfordon (EV) samt installationer för informationsbehandling, använda historisk information om efterfrågan för att förutspå framtida belastningsprofiler, tillhandahålla säkra och effektiva anslutningar till elnätet samt stödja svarsfunktioner vid efterfrågan av data för energiprissättning i realtid.

Artikeln går igenom de beståndsdelar som omfattas av ett mikronät, tittar på arkitekturer för mikronät, presenterar en översikt av IEEE 1547 som fastställer krav för sammankoppling av distribuerade energiresurser, samt IEEE 2030 som tillhandahåller en omfattande teknisk process för att beskriva funktioner hos styrenheter för mikronät, och reflekterar därefter över hur styrenheter för mikronät kan förbättra hållbarhet och resiliens, ekonomiska fördelar för att avslutas med en kort översikt av farhågor för cybersäkerhet i mikronät.

Vad krävs för att bygga ett mikronät?

Mikronät har många olika implementeringar och komponenter. För att diskutera hur mikronät och distribuerade energiresurser kan maximera hållbarhet och resiliens är det bäst att börja med en definition och några exempel på komponenter och arkitekturer för mikronät. Det amerikanska energidepartementet definierar ett mikronät som "en grupp av sammankopplade laster och distribuerade energiresurser inom tydligt definierade elektriska gränser som fungerar som en enda kontrollerbar enhet i förhållande till elnätet. Ett mikronät kan anslutas till och kopplas bort från elnätet så att det kan fungera både nätanslutet och i ödrift."

Även om definitionen av ett mikronät är enkel finns det en rad olika kategorier av mikronät, driftlägen och möjliga delsystem att välja mellan när man bygger ett mikronät, och för att uppnå maximal hållbarhet och resiliens medför det många val som omfattar arkitektur och drift. Automatisering är en viktig faktor. Exempel på automatiserade delsystem är (figur 1):

• Generering inom mikronätet, inklusive ett brett utbud av distribuerade energiresurser och kraftvärme
• Nätverk för kraftdistribution
• Energilagringssystem för batterier (BESS)
• Laster som t.ex. värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem samt maskiner och motorer i industrianläggningar
• Hantering av elfordonsladdning och anslutningar mellan fordon och elnät (V2G)
• Styrenheter och ställverk för mikronät
• Sammankopplingar med elnätet för nätansluten installation

Figur 1: Mikronät kan innehålla olika distribuerade energiresurser, kraftvärme samt last. (Bildkälla: Schneider Electric)

Kategorier av mikronät

Mikronät kan kategoriseras baserat på om de finns utanför elnätet eller är nätanslutna:

Anläggningar utanför elnätet är den vanligaste kategorin. Användningsområden omfattar avlägsna områden som inte betjänas av det kommersiella elnätet, som t.ex. gruvor, industriområden, hus i bergen och militärbaser.

Lokala anläggningar som inte är anslutna till ett elnät kan även finnas på avlägsna platser. Avlägsna byar, öar och samhällen är användarfall som avses. Medan mikronät i anläggningar kontrolleras av en enda enhet, måste lokala mikronät tillgodose behoven hos en grupp användare. Det kan kräva mer komplicerade kommando- och styrsystem.

Nätanslutna anläggningar har en enda ägare och används för att förbättra tillförlitligheten i områden där huvudnätet inte är tillförlitligt och ström är nödvändigt, eller i fall där det finns ekonomiska incitament för uteslutningsbara laster och andra tjänster från mikronätets ägare. Användningsområden kan vara sjukhus, datacenter, tillverkningsanläggningar med kontinuerliga processer och andra byggnader med hög tillgänglighet.

Nätanslutna samhällen har flera olika energianvändare och energiproducenter som är anslutna till huvudnätet och hanteras som en enda enhet. Användningsområden inkluderar företags- och universitetsområden, byar eller små städer. De kan ha en mängd olika energianvändare, producenter och lagringsanläggningar och kan vara de mest komplicerade att kontrollera.

Ibland är mikronät öar

Utöver diskussionen om komponenter i ett mikronät hänvisar det amerikanska energidepartementets definition av mikronätsdrift till "både nätanslutet och ödrift". Definitionen av dessa tillstånd är enkla, men implementeringen är mer komplicerad och behandlas i vissa IEEE-standarder.

IEEE 1547-2018, Standard för anslutningar med distribuerade energiresurser i elnät, beskriver tekniska krav för sammankoppling och interoperabilitet av distribuerade energiresurser i elnätet. IEEE 1547 är en standard under utveckling. Tidigare versioner av IEEE 1547 var utformade för låga penetrationsnivåer av distribuerade energiresurser och tog inte hänsyn till den potentiella sammanlagda regionala effekten av distribuerade energiresurser i elsystemets volym. IEEE 1547-2018 har lagt till strängare krav på spännings- och frekvensreglering samt bibehållen anslutningsförmåga för att öka tillförlitligheten i överföringssystemet. På senare tid har tillägget 1547a-2020 lagts till för att ta hänsyn till onormal driftsprestanda.

IEEE 2030.74 beskriver funktionerna hos en styrenhet för mikronät i form av två driftlägen för stationärt tillstånd (SS) och fyra typer av övergångar (T) (figur 2):

• SS1, stationärt nätanslutet tillstånd, innebär att mikronätet är anslutet till elnätet. Styrenheten kan använda komponenter i mikronätet för att tillhandahålla tjänster som toppreducering, frekvensreglering, stöd för reaktiv effekt och upptrappning till elnätet.
• SS2, stabil ödrift, även kallat "ö-läge”, är när mikronätet kopplas bort från elnätet och drivs isolerat. Styrenheten måste balansera lasterna och mikronätets produktions- och energilagringstjänster för att upprätthålla en stabil drift av mikronätet.
• T1, avser en planerad övergång från nätanslutning till stabil ödrift. Även när elnätet är tillgängligt kan det finnas ekonomiska eller driftsmässiga skäl att växla till ödrift. Dessutom kan det här läget stödja testning av mikronätets drift.
• T2, avser en oplanerad övergång från nätanslutning till stabil ödrift. Detta liknar funktionen hos en avbrottsfri strömförsörjning i ett datacenter och används ofta när huvudnätet fallerar. Mikronätet kopplas sömlöst bort och fungerar som ett oberoende elnät.
• T3, avser återanslutning av stabil ödrift till elnätet. Förfarandet är tekniskt komplicerat där en "nätbildande" generator i mikronätet känner av nätströmmens frekvens och fasvinkel och matchar mikronätet med huvudnätet exakt innan det återansluter.
• T4, är en dödnätsstart till stabil ödrift. I det här fallet har mikronätet stängts av och måste isoleras från elnätet och startas om i ödrift. Denna situation kan uppstå på grund av ett oväntat strömavbrott som mikronätets styrenhet inte kan hantera med en stabil T2-övergång, eller så kan det vara nödvändigt om ön inte har tillräcklig produktion eller energilagringsreserv för att fortsätta försörja alla laster och måste stänga av alla icke nödvändiga belastningar innan generatorn kopplas in. Dessutom måste mikronätets alla energilagringssystem för batterier åtminstone delvis laddas upp innan de återansluts.

Figur 2: IEEE 2030.74 kräver att styrenheter för mikronät ska kunna hantera två stabila tillstånd och fyra typer av övergångar mellan dessa tillstånd. (Bildkälla: National Rural Electric Cooperative Association )

Implementering av mikronät

Det finns nästan lika många kombinationer av distribuerade energiresursenheter och laster som det finns mikronät, men automatiserade styrenheter och ställverk är gemensamma beståndsdelar. I stora mikronät, som det som illustreras i figur 1 ovan, är de ofta uppdelade i ett centralt kontrollrum, distribuerade ställverk för distribuerade energiresurser och laster samt för nätanslutna konstruktioner, en transformatorstation som fungerar som ställverk mellan mikronätet och elnätet.

Styrenheter för mikronät behöver information, och för att maximera resiliens och hållbarhet måste de vara snabba. Styrenheter använder ett nätverk av givare för att övervaka de distribuerade energiresursernas och lasternas funktioner i realtid. För nätanslutna mikronät övervakar styrenheten även det lokala elnätets status. Om något onormalt skulle inträffa reagerar styrenheten inom några millisekunder och skickar ett kommando till tillhörande distribuerad energiresurs, last eller ställverk.

Ställverkens storlek varierar från några få kW till flera MW och måste inom några millisekunder reagera på styrenheternas krav för att inte riskera ett allvarligt feltillstånd. Vissa ställverk har smarta säkringar som fungerar autonomt för att tillhandahålla ett extra lager av skydd.

För mindre installationer kan styrenhet och ställverk kombineras till en enda utrustning som ibland benämns energikontrollcenter (ECC). Energikontrollcenter finns färdigkopplade, monterade och fabrikstestade. Energikontrollcenter förenklar och påskyndar installationen av mikronät och kan hantera flera energikällor, inklusive nätström och distribuerade energiresurser med prioriterade laster. Schneider Electric erbjuder till exempel energikontrollcenter i serien 1600/2500 för mikronät i byggnader (figur 3). Några funktioner i energikontrollcenter i serien 1600/2500 är:

• Konfigurerbar på beställning med effekter från 100 till 750 kW och kan optimeras för befintliga eller nya byggnader
• Fungerar med flera distribuerade energiresurser som t.ex. solceller, energilagringssystem för batterier samt vind-, gas- och dieselgeneratorer
• Styrenheten möjliggör resiliens vid strömavbrott, inklusive användning av solceller med en ankarresurs som t.ex. en reservgenerator eller ett energilagringssystem för batterier
• Automatiserad intelligent mätning tillhandahåller insikter om elkvalitet, energianvändning och produktion av distribuerade energiresurser
• Ställverk med en kraftfördelningsbuss på 1 600 till 2 500 A
• Molnbaserade analyser för att maximera resiliens och avkastning från investeringar i distribuerade energiresurser

Figur 3: Energikontrollcenter kombinerar styrenheter för mikronät (vänster) och ställverk (höger) till en enda apparat. (Bildkälla: Schneider Electric)

Trygg och säker energi

Cybersäkerhet är en viktig aspekt för energisäkerhet och resiliens. Det internationella energiorganet (IEA) definierar energisäkerhet som "oavbruten tillgång till energikällor för ett överkomligt pris". Mikronät kan i hög grad bidra till att säkerställa en billig, säker och resilient energiförsörjning.

Kommunikation är en viktig del av mikronät. Det innebär kommunikation med molnet, och eventuellt med det lokala elnätet, för att optimera prestanda. Därutöver, kommer de olika distribuerade energiresursenheter och laster, som ingår i ett typiskt mikronät, från olika tillverkare och använder heterogena kommunikationsprotokoll och teknologier. Internetanslutning och trådlös teknik, som t.ex. WiFi, finns i nästan alla mikronät och kan vara avgörande för maximal nytta. De har även stöd för kompletterande funktioner, som t.ex. insamling av väderprognoser samt bränsle- och energipriser i realtid.

Att säkerställa cybersäkerhet är komplicerat. Förutom säker hårdvara krävs policyer, rutiner och människor för att hantera cybersårbarheter som kan göra det möjligt för angripare att få tillgång till känsliga nätverk och data och till och med manipulera styrprogram, vilket kan leda till skador på mikronätets funktion. Terrorister är bara ett problem; det finns också konkurrenter eller skrupelfria anställda att ta hänsyn till. Operatörsfel kan uppstå, nätverk kan ha okända kryphål på grund av föråldrad programvara och så vidare (figur 4). Cybersäkerhet får inte vara en bisak. För att vara effektiv måste den redan från början integreras i alla aspekter av mikronätets hårdvara, programvara och rutiner.

Figur 4: Sårbarhet hos människor, rutiner och hål i den fysiska säkerheten kan utgöra attackmöjligheter mot mikronät. (Bildkälla: Schneider Electric)

Sammanfattning

Mikronät integrerar många distribuerade energiresurser och laster i ett enda system för att maximera hållbarhet och resiliens för energin. Åtskilliga arkitekturer för mikronät kan användas för att stödja specifika energi- och anslutningsbehov. Det ökande antalet mikronät och den ökande mängden distribuerade energiresurser har resulterat i en utveckling av anslutningsstandarden IEEE 1547 och är drivande för ett ökat fokus på cybersäkerhet för mikronät.