Systemy zarządzania mikrosieciami oparte na rozwiązaniach Siemensa
Silnym trendem w sektorze energetycznym jest decentralizacja wytwarzania energii. Związane jest to z rosnącą dostępnością odnawialnych źródeł energii, a także wysokimi cenami energii pochodzącej z dużych źródeł węglowych. W związku ze wzrostem świadomości oraz dzięki szerokiemu dostępowi do wiedzy na temat nowoczesnych rozwiązań na rynku pojawia się coraz więcej tzw. prosumentów, którzy są jednocześnie producentami i konsumentami energii. Wszystkie wymienione czynniki doprowadzają do powstania małych, autonomicznych systemów elektroenergetycznych, czyli mikrosieci. Bardzo ważnym aspektem jest odpowiednie zarządzanie mikrosiecią, dzięki czemu może ona pracować funkcjonalnie, a także spełniać rosnące wymagania dotyczące bezpieczeństwa zasilania, ekologii oraz efektywności ekonomicznej. Do optymalnego zarządzania mikrosiecią opracowany został system SICAM Microgrid Controller.
Zarządzanie mikrosiecią
Mikrosieci będące wydzielonymi systemami elektroenergetycznymi, składają się z rozporoszonych źródeł wytwarzania, magazynu energii oraz układów odbiorczych, które mogą działać niezależnie od sieci dystrybucyjnej OSD. Wyróżnia się dwa tryby pracy mikrosieci: praca z siecią (on-grid) oraz praca w trypie wyspowym (off-grid). Typowymi użytkownikami mikrosieci są operatorzy systemów, kampusy, obszary autonomiczne, wyspy, infrastruktura krytyczna, instalacje wojskowe oraz przemysł ze źródłami odnawialnymi wrażliwy na jakość i pewność zasilania.
Do głównych celów stawianych mikrosieciom można zaliczyć zapewnienie niezawodnej dostawy energii elektrycznej, zminimalizowanie jej kosztu oraz efektywniejsze wykorzystanie źródeł OZE.
W celu osiągnięcia efektywności ekonomicznej i energetycznej mikrosieci należy odpowiednio sterować, planować i regulować pracę rozproszonych źródeł energii, obciążeń i magazynu energii. Kluczowe jest porównanie taryf energii z kosztami generacji z dostępnych jednostek wytwórczych oraz ładowanie/rozładowywanie magazynu energii w odpowiednich okresach. Użytkownicy mogą wykorzystywać dobowe różnice cen energii przez zakup i magazynowanie energii, gdy ceny są najniższe oraz rozładowywanie magazynu w celu sprzedaży energii, kiedy jej cena jest najwyższa (arbitraż cenowy). Kolejnym aspektem funkcjonowania mikrosieci jest kompensacja pobieranej szczytowej mocy czynnej (peak-shaving), która polega na rozładowywaniu magazynu energii w celu obniżenia zapotrzebowania na moc z sieci dystrybucyjnej, kiedy występuje zagrożenie przekroczenia określonej maksymalnej mocy umownej. Dobrym rozwiązaniem na zwiększenie opłacalności pracy mikrosieci z magazynem energii jest także uczestnictwo w programach DSR (Demand Side Response – program redukcji mocy na żądanie).
Bardzo ważnym celem mikrosieci jest niezawodność oraz obserwowalność. Systemy automatyki (szczególnie automatyka regulacji napięcia i częstotliwości) oraz sterowania powinny dopasowywać pracę mikrosieci do panujących warunków. Bardzo istotne jest prawidłowe wykrywanie pracy wyspowej oraz przerwy w zasilaniu, kiedy to mikrosieć musi zostać odłączona od sieci zewnętrznej. Oprócz tego ważna jest także procedura black-startu, która polega na uruchomieniu urządzeń wytwórczych w celu wznowienia dostaw energii elektrycznej w mikrosieci w przypadku braku zasilania w zewnętrznej sieci dystrybucyjnej oraz braku rezerw mocy wytwórczej wewnątrz mikrosieci wystraczających na natychmiastowe jej przejście do pracy wyspowej. Oprócz tego w trybie wyspowym niezbędne jest zarządzanie tzw. „rezerwą wirującą”, czyli różnicą pomiędzy rzeczywiście produkowaną mocą a maksymalną możliwą do natychmiastowego wytworzenia w sytuacji zmiany obciążenia.
Istotnym celem stawianym mikrosieci jest również ekologia i zrównoważony rozwój. Z tego powodu dąży się do zwiększenia udziału odnawialnych źródeł energii, minimalizacji emisji dwutlenku węgla oraz prognozowania generacji i optymalizacji zużycia energii, tak aby pokryć maksymalnie zapotrzebowanie na energię elektryczną ze źródeł odnawialnych.
SICAM Microgrid Controller (SICAM MGC) – aplikacja do zarządzania mikrosiecią
SICAM Microgrid Controller to aplikacja oparta na sterownikach SICAM A8000, która jest zapisywana w ich pamięci. Dzięki temu może być ona integrowana w nowych lub już istniejących systemach sterowania i nadzoru nad mikrosieciami oraz ze środowiskiem HMI SICAM SCC (rys. 3). Aplikacja ma także duże możliwości łączności z urządzeniami procesowymi i innymi sterownikami, dzięki wsparciu dla większości stosowanych w energetyce i przemyśle protokołów komunikacyjnych. Modułowa budowa sterownika SICAM A8000 oraz jego oprogramowania zapewnia również skalowalność, co pozwala na stworzenie optymalnego systemu, a także jego prostą rozbudowę w przyszłości
SICAM Microgrid Controller posiada szeroki wachlarz funkcjonalności. Aplikacja daje możliwość integracji wewnętrznych jednostek wytwórczych znajdujących się w mikrosieci, a także zarządzania punktem przyłączenia do sieci dystrybucyjnej OSD. W sposób ciągły monitoruje stan systemu, bilansując zapotrzebowanie i wytwarzanie, jak również określając optymalny miks energetyczny. W celu utrzymywania niezawodności i bezpieczeństwa systemu zarządza algorytmami działań dla zachowania ciągłości zasilania. Aplikacja realizuje trzy funkcje celu:
- niezawodność zasilania mikrosieci,
- redukcję emisji CO2 oraz
- minimalizację kosztów zużycia energii.
Aby funkcje te były spełnione, obliczane są koszty energii, emisja CO2, rezerwy generacji. Co więcej, aplikacja może sterować pracą źródeł, magazynem energii i regulować w sposób automatyczny napięcie i częstotliwość oraz wykrywać przerwy zasilania (co stanowi analogię do regulacji wtórnej i trójnej w systemie elektroenergetycznym). Posiada ona także zaimplementowane scenariusze takie jak: black-out, automatyczne uruchamianie generatorów, zamierzona praca wyspowa i resynchronizacja, praca baterii jako rezerwowe źródło energii lub jako element bilansujący i stabilizujący pracę mikrosieci. Oprócz tego SICAM Microgrid Controller posiada bardzo rozbudowany tryb symulacji oraz alarmowanie SMS.
Przedstawiono kilka przykładowych okien aplikacji SICAM Microgrid Controller. Jak widać posiada ona przejrzysty interfejs przyjazny użytkownikowi. Na rys. 4 pokazana jest struktura systemu.
Aplikacja SICAM MGC integruje w sobie klasyczny system sterowania i nadzoru nad mikrosiecią (struktura pokazana na rys. 5). Z tego powodu nie ma potrzeby tworzenia niezależnych systemów.
Na rysunku 6 pokazana została przykładowa lista zdarzeń, która jest generowana w aplikacji SICAM MGC.
Rysunek 7 przedstawia profile obciążenia i generacji. Użytkownik ma dostęp do najważniejszych parametrów systemu. Dzięki wizualizacji dane mogą być szybko weryfikowane.
Natomiast na rys. 8 pokazane są dane o kosztach energii i emisji CO2. Przedstawienie danych w postaci wykresów daje możliwość porównania kosztów w poszczególnych okresach.
W aplikacji dostępne są także okna zawierające informacje o źródłach, odbiorach oraz magazynach energii. Poniżej na rys. 9 przedstawiono okno z danymi o źródłach. Pozostałe mają bardzo zbliżony wygląd.
W aplikacji możliwa jest także opcja wyświetlenia stanu ogniw PV pracujących w ramach mikrosieci, co zostało przedstawione na rys. 10.
Microgrid Management System – optymalizacja zarządzania mikrosiecią
Microgrid Management System (MGMS) to zaawansowane oprogramowanie optymalizacyjne oparte na Spectrum Power 7 przeznaczone do sterowania i zarządzania mikrosiecią. Dzięki niemu możliwa jest optymalizacja w zakresie ceny energii oraz emisji CO2. Aplikacja potrafi przewidywać obciążenia uwzględniając ceny energii z poszczególny źródeł, dzięki czemu możliwe staje się znalezienie najbardziej opłacalnego rozwiązania dotyczącego miksu energetycznego na kolejne 24 godziny. Prognozy, załączanie/wyłączanie jednostek oraz punkty pracy są aktualizowane w czasie rzeczywistym. Oprogramowanie może koordynować wiele źródeł energii konwencjonalnych oraz odnawialnych, magazyny energii oraz odbiory. Użytkownik ma możliwość wyboru, na jakim aspekcie funkcjonowania mikrosieci szczególnie mu zależy, np. ekonomicznym czy emisji. Microgrid Management System zapewnia także funkcjonalności takie jak sterowanie źródłami, odbiorami i magazynem energii, regulację napięcia i częstotliwości, wykrywanie pracy wyspowej, black-startu. Co więcej, dostępne są także bardziej zaawansowane funkcje z zakresu redundancji, udziału w rynku oraz cyberbezpieczeństwa. Oprogramowanie tworzy również archiwum z danymi historycznymi dotyczącymi poszczególnych jednostek. Tworzone są raporty roczne, które mogą być przydatne przy projektach mikrosieci.
Na rysunku 11 przedstawiony został widok okna głównego oprogramowania. W środkowej części widoczny jest miks energetyczny w danym okresie, a poniżej wykres z cenami. Po prawej stronie w postaci wykresów kołowych pokazany jest udział poszczególnych źródeł i odbiorów energii oraz wykres emisji i kosztu w funkcji czasu. Z lewej strony widoczna jest informacja o pracy mikrosieci (w tym przypadku praca wyspowa), informacje o pogodzie oraz poziom rezerw. W lewym dolnym rogu użytkownik może wybrać, czy system ma być zoptymalizowany pod względem ekonomicznym czy ekologicznym.
EnergyIP Distributed Energy Optimization (DEOP) do biznesowego zarządzania mikrosiecią
DEOP to aplikacja chmurowa przeznaczona do biznesowego zarządzania mikrosieciami oraz rozproszonymi źródłami energii. Jest to doskonałe rozwiązanie dla użytkowników, którzy chcą mieć stały dostęp do danych o swoich obiektach energetycznych z dowolnego miejsca i w dowolnym czasie. Dostęp taki może być realizowany poprzez aplikację sieciową (rys. 12), a także poprzez aplikację mobilną. Rozwiązanie to charakteryzuje wysoka konfigurowalność, dzięki czemu może być ono dostosowane do konkretnych wymagań użytkownika w zakresie wyglądu i funkcjonalności.
Aplikacja posiada wiele przydatnych funkcji, dzięki którym spełni potrzeby różnych grup użytkowników. Aktualizowane w czasie rzeczywistym dane o obiektach energetycznych takich jak źródła czy odbiory są prezentowane w przejrzysty sposób. Dodatkowo użytkownik może dopasować śledzenie wybranych kluczowych wskaźników efektywności, które na bieżąco są porównywane z ustalonymi wartościami. Co więcej, aplikacja posiada system zarządzania alarmami, rozpoznaje anomalie, a także oferuje wsparcie przy podejmowaniu decyzji. Do optymalizacji kosztów bardzo przydatne są funkcjonalności związane z optymalizacją planu pracy oraz zarządzania punktami pracy. Aplikacja może zostać w prosty sposób zintegrowana m.in. z automatyką budynkową oraz infrastrukturą do ładowania samochodów elektrycznych, co również redukuje dodatkowe koszty. Użytkownik ma również dostęp do informacji o taryfach i rynkach energii. Aplikacja posiada także funkcje do tworzenia scenariuszy składających się z serii algorytmów jak również raportów. Inną istotną cechą tego rozwiązania do zarządzania mikrosiecią jest to, że w porównaniu do innych platform IoT projekty tworzone w tej aplikacji mają mniejszy rozmiar oraz zapewniony jest w niej wysoki standard cyberbezpieczeństwa.
Przedstawiono przykładowe okna aplikacji. Na rys. 13 przedstawiono okno, na którym widać podstawowe właściwości połączonego obiektu (na przykładzie źródła energii), takie jak rodzaj źródła, prognozowane oraz rzeczywiste wartości energii i mocy. Użytkownik może wybrać, które dane mają być wyświetlane na wykresie.
W aplikacji DEOP istnieje możliwość wyświetlenia sekcji dotyczącej mikrosieci. Zaprezentowane tam są wszystkie informacje przydatne do biznesowego zarządzania takim systemem (przykładowe okna na rys. 14 i rys. 15).
Korzyści z zastosowania rozwiązań Siemensa w zakresie zarządzania mikrosieciami i generacją rozproszoną
Zmiany w sektorze energetycznym, rozwój dostępnych technologii oraz świadomości ekologicznej wymuszają tworzenie niezawodnych rozwiązań mogących spełniać ciągle rosnące wymagania systemów oraz osób nimi zarządzających. Portfolio firmy Siemens zawiera nowoczesne rozwiązania odpowiadające na potrzeby rynku. Przedstawione aplikacje do zarządzania mikrosiecią są tego przykładem. SICAM Microgrid Controller oraz SICAM Photovoltaic Plant Controller to rozwiązania oparte na sterownikach SICAM A8000, dzięki czemu możliwa jest ich prosta integracja z nowymi lub istniejącymi systemami sterowania i nadzoru oraz środowiskiem HMI SICAM SCC. Dzięki dostępności popularnych protokołów komunikacyjnych wymiana danych między urządzeniami jest bardzo prosta. Dzięki modułowości sterownika systemy są skalowalne i możliwy jest dobór optymalnego rozwiązania, a także rozbudowa i zwiększenie funkcjonalności systemu w przyszłości.
Opisywane aplikacje posiadają bardzo rozbudowane funkcjonalności, które umożliwiają optymalne zarządzanie mikrosiecią. Realizują one cele w zakresie niezawodności systemu, efektywności ekonomicznej oraz ekologii, czyli wszystkiego, co istotne dla mikrosieci. Dzięki zastosowaniu takich rozwiązań system może pracować w sposób bezpieczny i pewny, przy jednoczesnej minimalizacji emisji, optymalizacji kosztów i ilości sprzętu.
Przyjazny użytkownikowi interfejs aplikacji ułatwia pracę osób zarządzających mikrosiecią. Dane są prezentowane w czytelny sposób, dzięki zastosowaniu licznych wizualizacjom oraz grupowaniu informacji w konkretnych oknach. Wszystko to sprawia, że praca z opisanymi aplikacjami jest prosta i przyjemna.
Przedstawione aplikacje stanowią jedynie część gamy produktów Siemensa do zarządzania mikrosiecią. Więcej informacji o produktach firmy Siemens z zakresu mikrosieci można znaleźć na stronie siemens.com/microgrid.
Zapisz się na Newsletter
Interesują Cię aktualności Siemens Polska? Zasubskrybuj nasz Newsletter
Kontakt
Joanna Kamińska
Siemens Sp. z o.o.
