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पारंपरिक वितरण नेटवर्क इस धारणा पर आधारित था कि बिजली एक ही दिशा में प्रवाहित होती है, यानी बिजली संयंत्र से उपभोक्ता तक। खंभों पर लगे ट्रांसफार्मर का काम केवल उच्च वोल्टेज को घरों में उपयोग होने वाले निम्न वोल्टेज में बदलना था; इसे कभी भी दूसरी दिशा में धारा प्रवाहित करने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया था। लेकिन जब छत पर लगे सौर पैनल, घरेलू बैटरी और इलेक्ट्रिक वाहन वितरण लाइन से जुड़ जाते हैं, तो ऐसे खंड दिखाई देने लगते हैं जहाँ धूप वाले दिन बिजली उपभोक्ता से ग्रिड की ओर विपरीत दिशा में प्रवाहित होने लगती है। एक स्मार्ट ग्रिड एक ऐसा वितरण नेटवर्क है जो मीटरिंग, संचार और नियंत्रण की "सूचना परत" जोड़कर इस दो-तरफ़ा बिजली प्रवाह को सुरक्षित रूप से संभाल सकता है। बिजली ले जाने वाले सबस्टेशन और ट्रांसमिशन लाइनें - सिस्टम का "ढांचा" - कैसे काम करते हैं, इस पर सबस्टेशन और ट्रांसमिशन लाइन प्राइमर में चर्चा की गई है। यह लेख वितरण स्तर पर होने वाले परिवर्तनों को चार स्तंभों के माध्यम से देखता है: स्मार्ट मीटर, संचार प्रोटोकॉल, मांग प्रतिक्रिया और स्व-उपचार वितरण स्वचालन।

30 सेकंड में मुख्य बातें

  • पारंपरिक वितरण नेटवर्क एकतरफ़ा, ऊपर से नीचे की ओर चलने वाला डिज़ाइन था। जैसे-जैसे वितरित ऊर्जा संसाधनों (सौर ऊर्जा, बैटरी, इलेक्ट्रिक वाहन) में वृद्धि होती है, ऐसे खंड सामने आते हैं जहाँ बिजली उपभोक्ता से ग्रिड में वापस प्रवाहित होने लगती है, जिससे वोल्टेज वृद्धि जैसी समस्याएँ उत्पन्न होती हैं, जिनकी पुराने डिज़ाइन में कल्पना भी नहीं की गई थी।
  • स्मार्ट मीटर (AMI: एडवांस्ड मीटरिंग इंफ्रास्ट्रक्चर) केवल मीटर रीडिंग को स्वचालित करने वाला उपकरण नहीं है। यह एक दो-तरफ़ा संचार टर्मिनल है जो 30 मिनट की रीडिंग, रिमोट कनेक्ट/डिस्कनेक्ट और आउटेज डिटेक्शन जैसे बारीक उपयोग डेटा को संभालता है, और जापान में कम वोल्टेज वाले सेगमेंट (घरेलू आदि) के लिए इसका कार्यान्वयन वित्त वर्ष 2024 के अंत तक लगभग पूरा हो चुका है।

  • संचार के तीन मार्ग हैं: बी मार्ग, जो स्मार्ट मीटर को होम एनर्जी मैनेजमेंट सिस्टम (HEMS) से जोड़ता है; ए मार्ग, जिसका उपयोग यूटिलिटी द्वारा किया जाता है; और सी मार्ग, जो खुदरा विक्रेताओं और तृतीय पक्षों को डेटा भेजता है - प्रत्येक का संचार का तरीका और उद्देश्य अलग-अलग है। ECHONET Lite और OpenADR अंतरराष्ट्रीय मानक प्रोटोकॉल हैं जो अलग-अलग स्तरों को कवर करते हैं: क्रमशः घर-आधारित नियंत्रण और व्यावसायिक मांग प्रतिक्रिया।

  • मांग प्रतिक्रिया (DR) एक ऐसा तंत्र है जो मांग-पक्ष के उपकरणों को दूर से नियंत्रित करके आपूर्ति और मांग को इस तरह समायोजित करता है जैसे किसी बिजली संयंत्र का उत्पादन बढ़ाया या घटाया गया हो। यह एक एकल तकनीक से कहीं अधिक एक व्यापक शब्द है जो संचार, अनुबंध और बाजार डिजाइन को संयोजित करने वाली एक प्रक्रिया को दर्शाता है।

  • स्व-उपचार वितरण स्वचालन, जो स्वचालित रूप से दोषपूर्ण अनुभाग को अलग करता है और वैकल्पिक मार्ग के माध्यम से स्वस्थ अनुभागों में बिजली बहाल करता है, जापानी बिजली कंपनियों में पहले से ही व्यापक रूप से व्यावसायिक उपयोग में है। स्मार्ट ग्रिड की नई बात स्वचालित बहाली स्वयं नहीं है, बल्कि उस निर्णय को लेने के लिए अब उपलब्ध डेटा की सटीकता और गति है।

1. ग्रिड को "स्मार्ट" क्यों होना पड़ा

संचरण नेटवर्क सैकड़ों केवी, उच्च वोल्टेज और उच्च क्षमता की दुनिया है, जहां बिजली प्रवाह को लंबे समय से सबस्टेशन सुरक्षा रिले और ग्रिड ऑपरेटरों द्वारा केंद्रीय रूप से प्रबंधित किया जाता रहा है। इसके विपरीत, वितरण नेटवर्क प्रणाली के अंतिम छोर पर स्थित एक निम्न-वोल्टेज वाली दुनिया है, जिसे मूल रूप से इस आधार पर डिज़ाइन किया गया था कि "बिजली ऊपर से नीचे की ओर प्रवाहित होती है।" इस आधार को तोड़ने वाला कारक छोटे पैमाने पर वितरित ऊर्जा संसाधनों (डीईआर) का तेजी से विकास था - जैसे कि छतों पर लगे सौर पैनल, घरेलू बैटरी और इलेक्ट्रिक वाहन।

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टेलीमेट्री और नियंत्रण लूप से द्विदिशात्मक विद्युत प्रवाह को अलग करने वाला एक स्मार्ट-ग्रिड आरेख

चित्र 1 — मांग और डीईआर उत्पादन के संतुलन में परिवर्तन के साथ अनुभाग के अनुसार बिजली प्रवाह की दिशा बदलती है। स्मार्ट मीटर और फीडर सेंसर वितरण और डीईआर प्रबंधन को टेलीमेट्री भेजते हैं, जो वोल्टेज, चार्जिंग और मांग-प्रतिक्रिया संबंधी निर्देश वापस भेजता है।

रिवर्स पावर फ्लो बढ़ने पर वितरण लाइन पर वोल्टेज बढ़ सकता है, जिससे जापान के विद्युत व्यवसाय अधिनियम (कम वोल्टेज पर 101±6V, 202±20V, आदि) के तहत वोल्टेज-रखरखाव दायित्वों के उल्लंघन की चिंता बढ़ जाती है। वोल्टेज को परंपरागत रूप से सबस्टेशन के ऑन-लोड टैप चेंजर (OLTC) या सेक्शन-लेवल ऑटोमैटिक वोल्टेज रेगुलेटर (SVR) द्वारा नियंत्रित किया जाता था, लेकिन ये नियंत्रण योजनाएं बिजली के अपस्ट्रीम से डाउनस्ट्रीम प्रवाह पर आधारित हैं। जब सौर ऊर्जा उत्पादन और मांग में एक साथ उतार-चढ़ाव एक ही वितरण लाइन पर होते हैं, तो केवल साधारण टैप नियंत्रण से काम नहीं चलता। स्मार्ट ग्रिड इस भौतिक परिवर्तन के जवाब में वितरण नेटवर्क पर मीटरिंग, संचार और वितरित नियंत्रण को एकीकृत करने के प्रयास के लिए एक व्यापक शब्द है।

2. स्मार्ट मीटर (एएमआई) — मीटर रीडिंग से लेकर दो-तरफ़ा डेटा प्लेटफ़ॉर्म तक

स्मार्ट मीटर केवल एक ऐसा उपकरण नहीं है जो मीटर रीडर के स्थान पर बिजली की खपत को मापता है। यह एएमआई (एडवांस्ड मीटरिंग इंफ्रास्ट्रक्चर) नामक एक संपूर्ण संचार नेटवर्क के अंतिम बिंदु के रूप में कार्य करता है, जिसकी भूमिकाएँ निम्नलिखित हैं:

  • फाइन-इंटरवल मीटरिंग: यह 30 मिनट जैसे अंतरालों पर उपयोग डेटा रिकॉर्ड करता है और इसे बिजली कंपनी को भेजता है, जो टाइम-ऑफ-यूज़ प्राइसिंग के लिए आधारभूत डेटा का निर्माण करता है और डिमांड रिस्पॉन्स के प्रभाव को मापता है।

  • रिमोट कनेक्ट/डिस्कनेक्ट: यह साइट पर आए बिना, दूर से ही बिजली की आपूर्ति या कटौती को नियंत्रित कर सकता है, जिसके कारण अनुबंध में बदलाव, बकाया बिल या आपदा के दौरान सुरक्षा जैसे हो सकते हैं।

  • आउटेज डिटेक्शन: मीटर द्वारा अंतिम "लास्ट गैस्प" सिग्नल भेजने से, बिजली कंपनी ग्राहकों के फोन कॉल का इंतजार किए बिना ही आउटेज की सीमा का पता लगा सकती है।

जापान में, अर्थव्यवस्था, व्यापार और उद्योग मंत्रालय द्वारा निर्धारित नीति के अनुसार, बिजली कंपनियों ने स्मार्ट मीटरों की ओर तेज़ी से कदम बढ़ाए हैं। उच्च-वोल्टेज क्षेत्र (कारखाने आदि) के लिए यह प्रक्रिया 2016 तक और निम्न-वोल्टेज क्षेत्र (घरेलू क्षेत्र आदि) के लिए वित्त वर्ष 2024 के अंत तक लगभग पूरी हो चुकी है। इससे एक विशाल राष्ट्रव्यापी मीटरिंग नेटवर्क का निर्माण पूरा हो गया है। प्राकृतिक संसाधन और ऊर्जा एजेंसी अगले चरण - "अगली पीढ़ी के स्मार्ट मीटर" योजना - का भी अध्ययन कर रही है, जिसे बिजली डेटा पर आधारित नई सेवाओं (बिजली क्षेत्र DX) के बुनियादी ढांचे के रूप में स्थापित किया गया है।

स्मार्ट मीटर डेटा तीन अलग-अलग संचार मार्गों से होकर गुजरता है, जिनका उपयोग विभिन्न उद्देश्यों के लिए किया जाता है।

मार्ग डेटा की दिशा मुख्य उपयोग संचार विधि का उदाहरण
एक मार्ग मीटर ⇔ बिजली कंपनी (संचरण और वितरण संचालक) मीटर रीडिंग, रिमोट कनेक्ट/डिस्कनेक्ट, ग्रिड संचालन वायरलेस मल्टी-हॉप, 1:N वायरलेस, पीएलसी
बी रूट मीटर ⇔ उपभोक्ता (एचईएमएस, आदि) विज़ुअलाइज़ेशन, उपकरण नियंत्रण, डीआर मुख्य रूप से 920 मेगाहर्ट्ज बैंड वायरलेस (वाई-सन), द्वितीयक रूप से जी3-पीएलसी
सी रूट मीटर ⇔ खुदरा बिजली प्रदाता/तृतीय पक्ष (ए रूट के माध्यम से) दर योजनाएं, डेटा-उपयोग सेवाएं ए रूट के माध्यम से बिजनेस-टू-बिजनेस समन्वय

बी रूट के माध्यम से एचईएमएस को उपयोग डेटा भेजे जाने से, ऐसी सेवाएं संभव हो जाती हैं जो घर के सौर पैनल, बैटरी और एयर कंडीशनर को एक इकाई के रूप में प्रबंधित करती हैं, बिजली के उपयोग को "विज़ुअलाइज़" करती हैं और इसे स्वचालित रूप से नियंत्रित करती हैं।

3. संचार प्रोटोकॉल की परतें — घर के भीतर नियंत्रण और बिजनेस-टू-बिजनेस समन्वय अलग-अलग परतें हैं

स्मार्ट ग्रिड संचार किसी एक प्रोटोकॉल पर नहीं चलता है। घर के भीतर उपकरण नियंत्रण और यूटिलिटीज/एग्रीगेटर्स के बीच संचार के लिए अलग-अलग विशेषताओं की आवश्यकता होती है।

  • ECHONET Lite: स्मार्ट हाउस के अंदर उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए एक प्रोटोकॉल, जिसे ECHONET कंसोर्टियम द्वारा स्थापित किया गया है। UDP/IP पर आधारित, यह एयर कंडीशनर, वॉटर हीटर, बैटरी और EV चार्जर सहित 90 से अधिक डिवाइस श्रेणियों को परिभाषित करता है। ISO/IEC मानक के रूप में अंतरराष्ट्रीय स्तर पर मानकीकृत, यह HEMS और घर के अंदर के उपकरणों के बीच "लास्ट माइल" को संभालता है।

  • OpenADR (ओपन ऑटोमेटेड डिमांड रिस्पॉन्स): यूटिलिटीज/एग्रीगेटर्स और उपभोक्ताओं (या उनके गेटवे) के बीच डिमांड-रिस्पॉन्स सिग्नल के स्वचालित आदान-प्रदान के लिए एक अंतरराष्ट्रीय मानक प्रोटोकॉल। OpenADR 2.0b एक प्रतिनिधि विनिर्देश है जिसका उपयोग बिजनेस-टू-बिजनेस DR को स्वचालित करने के लिए किया जाता है।

ग्रिड और सबस्टेशन-साइड प्रोटोकॉल**: सबस्टेशन के अंदर सुरक्षा और नियंत्रण के लिए IEC 61850 का उपयोग किया जाता है (विवरण के लिए सबस्टेशन और ट्रांसमिशन लाइन प्राइमर देखें)। वितरण प्रणाली की निगरानी और नियंत्रण के लिए कभी-कभी IEC 60870-5-104 या DNP3 जैसे संचार मानकों का उपयोग किया जाता है, जिनका उपयोग SCADA में होता है।

संक्षेप में, ECHONET Lite घरों के भीतर संचार को संभालता है, OpenADR व्यावसायिक-से-व्यावसायिक DR संकेतों को संभालता है, और IEC 61850-परिवार के प्रोटोकॉल संचरण/वितरण बैकबोन को संभालते हैं — स्मार्ट ग्रिड एक ऐसी प्रणाली है जहाँ विभिन्न उद्देश्यों वाले कई प्रोटोकॉल परतों में व्यवस्थित होते हैं। अक्सर यह गलत समझा जाता है कि केवल एक ही "स्मार्ट ग्रिड प्रोटोकॉल" है; ऐसा नहीं है।

4. मांग प्रतिक्रिया (DR) — मांग पक्ष को "पावर प्लांट" के रूप में उपयोग करना

मांग प्रतिक्रिया (DR) एक ऐसी व्यवस्था है जो उपभोक्ता उपकरणों को नियंत्रित करके ग्रिड को वही प्रभाव देती है जो किसी पावर प्लांट के आउटपुट को बढ़ाने या घटाने से उत्पन्न होता है। दो प्रकार की बिजली खपत होती है: "डाउनवर्ड डीआर", जो बिजली की कमी होने पर मांग को कम करती है, और "अपवर्ड डीआर", जो बिजली की अधिकता होने पर, जैसे कि दोपहर के समय सौर ऊर्जा के चरम समय में, मांग को बढ़ाती है।

संस्थागत रूप से, इसे मोटे तौर पर दो श्रेणियों में बांटा जा सकता है:

  • प्रोत्साहन-आधारित डीआर: एक यूटिलिटी या एग्रीगेटर अनुबंधित उपभोक्ताओं के उपकरणों को सीधे और दूरस्थ रूप से नियंत्रित करता है और उनकी प्रतिक्रिया के अनुपात में मुआवजा देता है।

दर-आधारित डीआर: बिजली की दरें दिन के समय या मांग-मांग में कमी के समय बदलती रहती हैं, जिससे उपभोक्ता स्वयं अपने उपयोग को नियंत्रित करने का निर्णय ले सकते हैं।

डीआर को एक साथ समूहित करना ताकि इसे बाजार में एक ही बिजली संयंत्र की तरह बेचा जा सके, यही वर्चुअल पावर प्लांट (वीपीपी) (जिस पर अगले लेख में चर्चा की जाएगी) का उद्देश्य है। डीआर को बाजार उत्पाद के रूप में कैसे बेचा जाता है, इसकी विस्तृत जानकारी वीपीपी (वर्चुअल पावर प्लांट) प्राइमर में दी गई है।

5. स्व-उपचार वितरण नेटवर्क

ट्रांसमिशन लाइन में खराबी आने पर केवल खराब हिस्से को तुरंत अलग करने की प्रक्रिया ही प्रोटेक्शन रिले की भूमिका है, जिसके बारे में सबस्टेशन और ट्रांसमिशन लाइन प्राइमर में विस्तार से बताया गया है। वितरण स्तर पर भी इसी तरह की एक अवधारणा मौजूद है, जिसे वितरण स्वचालन कहा जाता है। यह पहले से ही जापानी बिजली कंपनियों में व्यापक रूप से व्यावसायिक उपयोग में है - उदाहरण के लिए, क्यूशू इलेक्ट्रिक पावर ट्रांसमिशन एंड डिस्ट्रीब्यूशन की स्वचालित वितरण-लाइन नियंत्रण प्रणाली स्वचालित रूप से खराब हिस्से का पता लगाती है और वैकल्पिक मार्ग के माध्यम से स्वस्थ हिस्सों में बिजली की आपूर्ति तुरंत बहाल कर देती है।

एक प्रतिनिधि योजना है समय-विलंबित अनुक्रमिक बहाली। खराबी आने पर, सबस्टेशन ब्रेकर सबसे पहले पूरी तरह से बिजली काट देता है, फिर प्रत्येक हिस्से में स्थापित स्वचालित स्विच सबस्टेशन की ओर से एक के बाद एक निर्धारित समय अंतराल के साथ क्रम से बंद हो जाते हैं। यदि किसी दिए गए सेक्शन में फिर से फॉल्ट करंट का पता चलता है, तो उससे ठीक पहले वाला स्विच खुला रहता है, जिससे केवल फॉल्ट वाले सेक्शन को ही अलग किया जाता है — इसके बाद आगे के स्वस्थ सेक्शनों को बिजली एक वैकल्पिक मार्ग (निकटवर्ती, परस्पर जुड़ी वितरण लाइन) से भेजी जाती है।

Diagram 3 · Use the button to switch views
Isolating a faulted section and rerouting power via distribution automationSwitches on either side of the faulted section open, and power is restored to the healthy section by rerouting from an adjacent healthy distribution line Substation A Switch ① (closed) Faulted section Switch ② (open) Switch ③ (open) Switch ④ (closed for rerouting) Substation B ① Fault detected → ② Switches on either side open to isolate the section ③ Rerouted power is brought in from an adjacent healthy distribution line (Substation B side) ④ Only the faulted section remains without power until repairs are made

6. वोल्टेज वृद्धि और इन्वर्टर वोल्टेज विनियमन

वितरित ऊर्जा संसाधनों में वृद्धि के साथ सामने आने वाली पहली तकनीकी चुनौती वितरण लाइन पर वोल्टेज वृद्धि है। वितरण लाइन के प्रतिबाधा को R+jX, भेजी गई सक्रिय शक्ति को P और प्रतिक्रियाशील शक्ति को Q के रूप में लिखते हुए, इन दोनों के बीच वोल्टेज अंतर प्रेषक और प्राप्तकर्ता छोरों को लगभग इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

\Delta V \approx \frac{RP+XQ}{V}

जब सौर ऊर्जा उत्पादन मांग से अधिक हो जाता है, तो P उपभोक्ता पक्ष से ग्रिड पक्ष की ओर इंगित करता है (चिह्न उलट जाता है), जिससे वितरण लाइन के दूर के छोर पर वोल्टेज बढ़ने की प्रवृत्ति होती है। इसे नियंत्रित करने के लिए, कई उपायों का संयोजन उपयोग किया जाता है: स्वचालित वोल्टेज-विनियमन फ़ंक्शन जो पावर कंडीशनर (PCS) को प्रतिक्रियाशील शक्ति को स्वचालित रूप से समायोजित करने की अनुमति देते हैं Q, SVR और स्वचालित वोल्टेज नियामकों के नियंत्रण तर्क में संशोधन, और बैटरी के माध्यम से आउटपुट कटौती। वोल्टेज को बनाए रखना "स्मार्ट ग्रिड की सबसे कम आकर्षक लेकिन सबसे मूलभूत चुनौती" है, और यह नियंत्रण कितनी सटीकता से किया जा सकता है, यह AMI डेटा की सटीकता पर निर्भर करता है।

7. वर्तमान प्रौद्योगिकी और अनुसंधान फोकस

  • अगली पीढ़ी के स्मार्ट मीटर: उच्च आवृत्ति डेटा अधिग्रहण और मजबूत सुरक्षा के उद्देश्य से वर्तमान AMI के संचार मानकों और कार्यक्षमता की समीक्षा के लिए अध्ययन जारी है।

  • वितरण के डिजिटल ट्विन सिस्टम**: वितरण लाइनों पर बिजली प्रवाह और वोल्टेज का अनुकरण करके यह पूर्व-मूल्यांकन करना कि कितनी वितरित उत्पादन क्षमता को आपस में जोड़ा जा सकता है।

  • अधिक परिष्कृत वितरण-स्तरीय बाजार और नियंत्रण: वोल्टेज और बिजली प्रवाह की बाधाओं को ध्यान में रखते हुए वितरण प्रणाली संचालक (डीएसओ) जैसी कार्यप्रणाली की जांच करना।

साइबर सुरक्षा: लाखों स्मार्ट मीटर और उनके संचार नेटवर्क के साथ, हमले की संभावना बहुत अधिक है, और प्रमाणीकरण, एन्क्रिप्शन और विसंगति-पहचान डिजाइन अब संचालन के लिए एक पूर्व शर्त है।

डीईआरएम (वितरित ऊर्जा संसाधन प्रबंधन प्रणाली): एक सॉफ्टवेयर प्लेटफॉर्म जो वितरण प्रणाली की सीमाओं के भीतर बड़ी संख्या में सौर प्रतिष्ठानों, बैटरी और इलेक्ट्रिक वाहनों का समन्वय और नियंत्रण करता है।

सारांश: स्मार्ट ग्रिड "एक स्तरित सूचना प्रणाली वाला वितरण नेटवर्क" है

स्मार्ट ग्रिड कोई एक तकनीक नहीं है; यह कई स्तरित तंत्रों से बनी एक प्रणाली है - स्मार्ट मीटर के माध्यम से मीटरिंग, संचार प्रोटोकॉल की कई परतें, मांग प्रतिक्रिया के माध्यम से मांग-पक्ष उपयोग और स्व-उपचार वितरण स्वचालन। इन सभी में एक बात समान है: दो-तरफ़ा सूचना प्रवाह के माध्यम से उस विद्युत प्रवाह को प्रबंधित करने का प्रयास, जिसे वितरित ऊर्जा संसाधनों ने भौतिक रूप से पहले ही दो-तरफ़ा बना दिया है।

किसी क्षेत्र के स्मार्ट ग्रिड प्रयासों का अध्ययन करते समय, निम्नलिखित बिंदुओं की जाँच करना महत्वपूर्ण है:

  1. कौन सा संचार मार्ग और प्रोटोकॉल किस डेटा का आदान-प्रदान कर रहा है?

  2. वोल्टेज प्रबंधन (पीसीएस, एसवीआर, बैटरी) कौन संभाल रहा है, और किस समय सीमा पर?

  3. क्या मांग प्रतिक्रिया प्रोत्साहन-आधारित है या दर-आधारित, और यह किस बाज़ार या अनुबंध से जुड़ी है?

  4. किसी खराबी के दौरान स्वचालित बहाली का कितना भाग मानवीय हस्तक्षेप के बिना पूरा होता है?

इन चार बिंदुओं को ध्यान में रखते हुए, आप "स्मार्ट मीटर बढ़ रहे हैं" जैसे शीर्षक से आगे बढ़कर वितरण नेटवर्क की डिज़ाइन फिलॉसफी को समझ सकते हैं।

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संदर्भ

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