Raziskave o prihodnosti elektroenergetskih omrežij

Raziskave o prihodnosti elektroenergetskih omrežij

Evropska elektroenergetska omrežja potrebujejo digitalizacijo. Veliko vlogo pri tem igrajo programske aplikacije. V okviru raziskovalnega projekta so strokovnjaki razvili rešitve za avtomatizirano nalaganje programskih posodobitev omrežja.

Iz revije Hi!tech 1/21, junij 2021

Preden elektrika pride do vtičnice v naši hiši ali stanovanju, ima za sabo že dolgo pot po omrežju. Da pa bi to omrežje tudi v prihodnosti zanesljivo delovalo, moramo njegovo upravljanje digitalizirati. Energetske skupnosti, zasebni lastniki sončnih elektrarn ter raznoliki sistemi za upravljanja energije v gospodinjstvih so relativno novi vidiki elektroenergetskega omrežja, ki pred sistemske operaterje postavljajo nove vrste zahtev. Vzorec porabe, za katerega so bila elektroenergetska omrežja načrtovana, se je z novimi igralci v omrežju občutno spremenil. Pri tem je z vidika celotnega sistema potrebno upoštevati tudi sisteme za upravljanje teh novih udeležencev, saj imajo tudi ti nameščene programske komponente, ki lahko vplivajo na varnost in zanesljivost celotnega energetskega omrežja. V smislu nadzora sistema pa je pomemben vidik tudi obnašanje teh sistemov upravljanja pri uvajanju novih funkcionalnosti v energetskem omrežju. 

 

Predvidevamo lahko, da bo digitalizacija predstavljala ogromen zalogaj za sistemske operaterje in nove udeležence v energetskem omrežju. Programsko opremo, ki omogoča digitalizirano delovanje, je občasno potrebno posodobiti, s čimer se zagotovi varno in neprekinjeno odvijanje procesov. Če je programska infrastruktura zgrajena inkrementalno, pa bodo zagotovo potrebne še redne funkcionalne razširitve. Da teh posodobitev in razširitev nikakor ni mogoče opraviti ročno, nam odlično ponazorijo naslednje številke: v Avstriji trenutno obstaja 80.000 nizkonapetostnih omrežij za dovajanje elektrike iz lokalnih omrežnih transformatorjev v gospodinjstva, omrežje polnilnih mest za električna vozila obsega že več 4800 polnilnic, z vsakim dnem pa narašča tudi število nameščenih fotonapetostnih naprav.

Uvedba programske opreme za pametna omrežja

V okviru raziskovalnega projekta LarGo! (Large-Scale Smart Grid Application Rollout) je Siemens Avstrija s partnerji sodeloval pri razvoju rešitve za obsežno in avtomatizirano uvajanje novih programskih aplikacij za pametna omrežja med obratovanjem omrežja. Projekt je trajal tri leta in se zaključil spomladi 2020. Poleg Siemensa so v njem sodelovali še Avstrijski inštitut za tehnologijo, operater distribucijskega omrežja Wiener Netze, raziskovalni in razvojni inštitut OFFIS iz Oldenburga, Fraunhoferjev inštitut za solarne energetske sisteme ISE iz Freiburga ter Kraljeva tehnična visoka šola iz Stockholma. Finančno podporo za projekt LarGo! je med drugim prispevala tudi avstrijska raziskovalna agencija.

 

Cilj projekta LarGo! je, da se sistemskim operaterjem, ki so odgovorni za delovanje informacijske tehnologije, omogoči, da na predlog v projektu razvitega sistema na daljavo izberejo transformatorske postaje, na katerih se bo popolnoma samodejno ali pa s pritiskom na tipko namestila nova programska oprema ali posodobitev obstoječe programske opreme. Primeri take programske opreme so aplikacije, ki analizirajo delovanje omrežja in lahko napovejo morebitne problematične situacije, kot je preobremenitev, ali neposredno regulirajo lastnosti sistema, na primer napetost. Raziskovalni projekt je pokazal, da je za integracijo novih udeležencev na energetskem trgu, kot so upravljalci električnih polnilnih mest ali zasebni dobavitelji energije, potrebno vzpostaviti nadrejeni sistem upravljanja programske opreme oziroma funkcionalnosti, ki jih ta zagotavlja, za kar pa trenutno nimamo niti vsebinskega predpisa niti ustreznih vmesnikov. 

 

"Dodaten izziv pri razvoju te rešitve je bil, kako prilagoditi uvedbo nove oziroma posodobitev obstoječe programske opreme na način, da bo to čim manj motilo delovanje omrežja", poudari Florian Kintzler, ki pri tehnološkem oddelku Siemens Avstrija dela na področju interneta stvari in je bil pri projektu LarGo! koordinator za Siemens. 

 

V okviru projekta LarGo! so raziskovalci razvili procese, ki uvedbo nove programske opreme pogojujejo s stanjem elektroenergetskega omrežja. "Na ta način smo dosegli, da je namestitev programske opreme odvisna od vsakokratnega stanja sistema", pravi Kintzler. Tako se na primer uporaba komunikacijskih virov za uvedbo nove programske opreme lahko pogoji z načrtovano obremenitvijo tega omrežja, s čimer se operater izogne ozkim grlom, ki bi nastala pri hkratni uporabi komunikacijskega omrežja za operativno delovanje sistema. Pristop pa omogoča tudi meddomensko upravljanje, na primer pri posodobitvi funkcije polnilnega stebrička, ki se lahko izvede dinamično glede na načrtovano ali napovedano obremenitev omrežja. Tudi uvedbo nove programske opreme za krmiljenje je možno nadzorovati na ta način, tako da se posledično v sistemu ne more zgoditi, da bi več konkurenčnih mehanizmov krmililo enake fizikalne lastnosti.

 

V ta namen se obstoječi sistemi za upravljanje programske opreme integrirajo s krmiljenjem fizičnega sistema na način, ki omogoča skupno upravljanje različnih sistemov programske opreme. Prav tako je za namen optimalne uvedbe programske opreme mogoče vplivati na stanje sistema, ki se ga bo nadziralo. Načrt uvedbe tako lahko vsebuje korake za rezervacijo pasovne širine v informacijsko-komunikacijskem omrežju ali za preklop porabnikov ali načina polnjenja shranjevalnih sistemov v energetskem omrežju. S tem lahko že vnaprej zmanjšamo negativne učinke začasnega izklopa krmilnih funkcij.

 

Uporaba prototipa za nadzor kompleksnih namestitev programske opreme, ki je bil razvit v okviru projekta LarGo!, pa ni omejena samo na pametna omrežja, ampak se lahko razširi tudi na številne druge tako imenovane kibernetsko-fizične sisteme, kot so prometni sistemi ali industrijski postroji.

Visokonivojska arhitektura implementiranega prototipa za načrtovanje in uvedbo programske opreme v kibernetsko fizičnih sistemih.

Orodje za kompleksna razmerja

BIFROST je orodje za razvoj scenarijev in simulacije, ki so ga v sodelovanju z oblikovalsko agencijo razvili pri Siemens Technology v Avstriji. Orodje je primerno za uporabo kot poskusno okolje za prototipe programske opreme in kot orodje za demonstracijo kompleksnih razmerij na področju pametnih infrastruktur. Dodatne informacije ter poskusna verzija so na voljo na bifrost.siemens.com.

Orodje za razvoj scenarijev in simulacije BIFROST so razvili v Siemens Avstrija.

Simulacija različnih scenarijev

Seveda pa učinkov obširnejše uvedbe ali posodobitve programske opreme iz varnostnih razlogov ne moremo preveriti v resničnem električnem omrežju. Položaj je podoben kot pri operaciji na odprtem srcu. Preden se kirurg loti take operacije, tisočkrat ponovi posamezne korake, dokler se vse ne ujema. Enako se zgodi pri električnem omrežju. "V ta namen informacijsko in komunikacijsko infrastrukturo povežemo z virtualnimi distribucijskimi omrežji, v katerih izvajamo simulacije različnih scenarijev", pojasni Kintzler. "Tako želimo preveriti, kako se obnaša električno omrežje, ko pride do izpada komunikacijskega omrežja. Kaj se zgodi, če zamenjamo enega od algoritmov? Če ta vprašanja že vnaprej sistematično razčistimo in nato uvedbo novih programov in posodobitev starih izvedemo tako, kot smo to preverili v simulacijah, so motnje v delovanju omrežja malo verjetne."

 

Da bi ocenili ustreznost zasnovanih algoritmov, so strokovnjaki v okviru projekta LarGo! razvili in dopolnili različna testna okolja. Pri tem so uporabili zgolj tiste programske rešitve za skupno simulacijo IT okolja in električnega omrežja, pri katerih je bila programska oprema v velikih sistemih virtualno nameščena tako, da je omogočala simulacijo motenj med uvajanjem programske opreme tako v električnem kot tudi v komunikacijskem omrežju. Oceno zasnove strojne opreme je omogočilo simulacijsko okolje, v katerem so bila s pomočjo programske opreme simulirana električna omrežja krmiljena s pravimi terenskimi napravami.

 

S pomočjo simulacijskega in demonstracijskega okolja BIFROST, ki so ga prav tako razvili pri Siemens Technology Avstrija, so strokovnjaki simulirali uvedbo programske opreme v velikih omrežjih. Okolje olajša demonstracijo učinkov uvedbe nove programske opreme v realnih sistemih, ki se jo enostavno lahko posreduje tudi kupcu.

 

Te različne ravni simulacij je mogoče uporabiti tako za preverjanje že razvitih algoritmov kot za avtomatizirani preizkus načrta uvedbe nove programske opreme na resničnem kibernetsko fizičnem sistemu pod simuliranimi dinamičnimi pogoji z vsemi znanimi scenariji incidentov. V okviru raziskovalnega projekta Aspern Smart City Research v soseski Seestadt Aspern na Dunaju ter v poskusni napravi v Nemčiji je bila poleg validacije simulacijskih zasnov izvedena tudi uvedba programskih komponent v realnih sistemih. V okviru LarGo! razvite zasnove so bile tako preizkušene tudi v praksi.

 

Da bi uvedba programskih rešitev za pametna omrežja potekala čimbolj nemoteno, je potrebno načrtovati predpogoje, ki naj jih razviti LarGo! prototip nadzoruje, ter postopke, ki bodo vodili do želenega cilja, ter jih vključiti v ustrezni načrt uvedbe. V ta namen so bili v okviru projekta pregledani različni koncepti, kako bi znanje o celotnem sistemu izkoristili za preprečevanje napak med uvedbo nove programske opreme ter za zmanjševanje števila motenj. Za obetavna koncepta sta se izkazala upravljanje znanja s pomočjo ontologij ter optimizacija značilnosti procesa uvedbe nove programske opreme, kot je zmanjšanje vpliva na kakovost napetosti ob hkratnem skrajšanju trajanja uvedbe. Zaradi kompleksnosti tematike pa bo na tem področju v prihodnosti potrebno opraviti še dodatne raziskave.

Različne ravni testne postavitve LarGo!: varnostna, aplikacijska in fizična raven.

80.000 nizkonapetostnih omrežij v Avstriji dovaja elektriko v gospodinjstva

Od takšnih lokalnih transformatorskih postaj se elektrika preko nizkonapetostnih omrežij dovaja v gospodinjstva.