Akıllı Şebeke Temel Bilgileri — Bilgi Katmanı ile Çift Yönlü Güç Akışını Destekleyen Dağıtım Şebekeleri

Geleneksel dağıtım şebekesi, elektriğin tek yönlü, santralden tüketiciye doğru aktığı varsayımıyla tasarlanmıştır. Direğe monte transformatörün görevi, yüksek voltajı evlerde kullanılan düşük voltaja düşürmekti; akımın ters yönde akması için asla tasarlanmamıştı. Ancak çatıya monte güneş panelleri, ev bataryaları ve elektrikli araçlar dağıtım hattına bağlandığında, güneşli bir öğleden sonra elektriğin tüketiciden şebekeye doğru ters yönde aktığı bölümler ortaya çıkar. Akıllı şebeke, ölçüm, iletişim ve kontrolün "bilgi katmanı"nı ekleyerek bu iki yönlü güç akışını güvenli bir şekilde yönetebilen bir dağıtım şebekesidir. Gücü taşıyan trafo merkezlerinin ve iletim hatlarının -sistemin "iskeleti"- nasıl çalıştığı Trafo Merkezi ve İletim Hattı Temel Bilgileri makalesinde ele alınmıştır. Bu makale, dağıtım seviyesinde, dört temel unsur üzerinden nelerin değiştiğini inceliyor: akıllı sayaçlar, iletişim protokolleri, talep yanıtı ve kendi kendini onaran dağıtım otomasyonu.

30 Saniyede Özet

• Geleneksel dağıtım şebekesi tek yönlü, yukarıdan aşağıya bir tasarıma sahipti. Dağıtılmış enerji kaynakları (güneş enerjisi, bataryalar, elektrikli araçlar) arttıkça, elektriğin tüketiciden şebekeye doğru geriye aktığı bölümler ortaya çıkıyor ve eski tasarımın hiç öngörmediği voltaj yükselmesi gibi sorunlar yaratıyor.

• Akıllı sayaç (AMI: Gelişmiş Ölçüm Altyapısı) sadece sayaç okumayı otomatikleştiren bir cihaz değil. 30 dakikalık okumalar, uzaktan bağlantı/kesme ve kesinti tespiti gibi ayrıntılı kullanım verilerini işleyen iki yönlü bir iletişim terminalidir ve Japonya'da düşük voltaj segmenti (haneler vb.) için kurulumun 2024 mali yılının sonuna kadar esasen tamamlandığı söyleniyor.

• Üç iletişim yolu vardır: akıllı sayacı HEMS'e (ev enerji yönetim sistemi) bağlayan B yolu; elektrik şirketi tarafından kullanılan A yolu; ve verileri perakendecilere ve üçüncü taraflara ileten C yolu - her birinin farklı bir iletişim yöntemi ve amacı vardır. ECHONET Lite ve OpenADR, sırasıyla ev içi kontrol ve işletmeler arası talep yanıtı olmak üzere farklı katmanları kapsayan uluslararası standart protokollerdir.

• Talep yanıtı (DR), bir enerji santralinin çıktısı yükseltilmiş veya düşürülmüş gibi arz ve talebi ayarlamak için talep tarafındaki ekipmanı uzaktan kontrol eden bir mekanizmadır. Tek bir teknoloji olmaktan ziyade, iletişim, sözleşmeler ve piyasa tasarımını birleştiren bir operasyon için kullanılan genel bir terimdir.

• Arızalı bir bölümü otomatik olarak izole eden ve alternatif bir yol üzerinden sağlıklı bölümlere güç sağlayan kendi kendini onaran dağıtım otomasyonu, Japon elektrik şirketlerinde zaten yaygın olarak ticari olarak kullanılmaktadır. Akıllı şebeke ile ilgili yeni olan şey, otomatik onarımın kendisi değil, bu kararı vermek için artık mevcut olan verilerin ayrıntı düzeyi ve hızıdır.

1. Şebekenin Neden "Akıllı" Hale Gelmesi Gerekti?

İletim şebekesi, güç akışının uzun zamandır trafo merkezi koruma röleleri ve şebeke operatörleri tarafından merkezi olarak yönetildiği yüzlerce kV, yüksek voltaj ve yüksek kapasiteli bir dünyadır. Bunun aksine, dağıtım şebekesi, sistemin en uç noktasında düşük voltajlı bir dünyadır ve başlangıçta "elektriğin yukarıdan aşağıya doğru aktığı" varsayımına dayanarak tasarlanmıştır. Bu varsayımı bozan şey, küçük ölçekli dağıtılmış enerji kaynaklarının (DER) -çatı üstü güneş panelleri, ev tipi bataryalar ve elektrikli araçlar- hızla yükselişi olmuştur.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Şekil 1 — Talep ve dağıtılmış enerji kaynakları üretiminin dengesi değiştikçe, güç akışı yönü bölümlere göre değişir.

Akıllı sayaçlar ve besleyici sensörleri, dağıtım ve dağıtılmış enerji kaynakları (DER) yönetimine telemetri gönderir ve bu da voltaj, şarj ve talep yanıtı komutlarını geri döndürür.

Ters güç akışı arttıkça, dağıtım hattı boyunca voltaj yükselebilir ve bu da Japonya Elektrik İşletme Yasası (düşük voltajda 101±6V, 202±20V, vb.) kapsamındaki voltaj koruma yükümlülüklerinin ihlal edilmesi endişesini doğurabilir. Voltaj geleneksel olarak bir trafo merkezinin yük altında kademe değiştiricisi (OLTC) veya bölüm düzeyinde otomatik voltaj regülatörleri (SVR) tarafından yönetiliyordu, ancak bunlar elektriğin yukarıdan aşağıya doğru akmasına dayalı kontrol şemalarıdır. Güneş enerjisi çıkışındaki değişim ve talepteki değişim aynı dağıtım hattında eş zamanlı olarak gerçekleştiğinde, yalnızca basit kademe kontrolü artık yeterli olamaz. Akıllı şebeke, bu fiziksel değişime yanıt olarak dağıtım ağına ölçüm, iletişim ve dağıtılmış kontrol katmanları ekleme çabası için kullanılan genel terimdir.

2. Akıllı Sayaç (AMI) — Sayaç Okumadan İki Yönlü Veri Platformuna

Akıllı sayaç, sadece sayaç okuyucunun yerine elektrik kullanımını ölçen bir cihaz değildir. AMI (Gelişmiş Ölçüm Altyapısı) adı verilen tüm bir iletişim ağının uç noktası olarak işlev görür ve aşağıdaki rolleri içerir:

• Hassas aralıklı ölçüm: 30 dakika gibi aralıklarla kullanım verilerini kaydeder ve elektrik şirketine gönderir; bu da kullanım zamanına göre fiyatlandırmanın temel verilerini oluşturur ve talep yanıtının etkisini ölçer.

• Uzaktan bağlantı/kesme: Sözleşme değişikliklerinden ödenmemiş faturalara ve afet sırasında güvenliğe kadar çeşitli nedenlerle, yerinde ziyaret gerektirmeden, elektriğin tedarikini veya kesilmesini uzaktan kontrol edebilir.

• Kesinti tespiti: Sayaç son bir "son nefes" sinyali göndererek, elektrik şirketi müşterilerden telefon beklemeden kesintinin boyutunu anlayabilir.

Japonya'da, Ekonomi, Ticaret ve Sanayi Bakanlığı'nın belirlediği politika doğrultusunda, enerji şirketleri akıllı sayaçlara geçişi hızlandırdı ve yüksek gerilim segmenti (fabrikalar vb.) için 2016 yılına kadar, düşük gerilim segmenti (evler vb.) için ise 2024 mali yılının sonuna kadar uygulamanın esasen tamamlandığı belirtiliyor. Bu, ülke çapında devasa bir sayaç ağının tamamlanmasını sağladı. Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı da bir sonraki aşamayı, yani enerji verilerine dayalı yeni hizmetler (enerji sektörü DX) için altyapı olarak konumlandırılan "yeni nesil akıllı sayaç" şemasını inceliyor.

Akıllı sayaç verileri, farklı amaçlar için kullanılan üç ayrı iletişim yolu üzerinden yönlendirilir.

B rotası üzerinden HEMS'e iletilen kullanım verileriyle, bir evin güneş enerjisi, batarya ve klima sistemini tek bir ünite olarak yöneten, güç kullanımını "görselleştiren" ve otomatik olarak kontrol eden hizmetler mümkün hale gelir.

3. İletişim Protokollerinin Katmanları — Ev İçi Kontrol ve İşletmeler Arası Koordinasyon Ayrı Katmanlardır

Akıllı şebeke iletişimi tek bir protokol üzerinde çalışmaz. Ev içi cihaz kontrolü ve kamu hizmetleri/toplayıcılar arasındaki iletişim farklı özellikler gerektirir.

• ECHONET Lite: ECHONET Konsorsiyumu tarafından oluşturulan, akıllı bir evin içindeki ekipmanı kontrol etmek için bir protokol. UDP/IP üzerine kurulu olan bu protokol, klimalar, su ısıtıcıları, bataryalar ve elektrikli araç şarj cihazları da dahil olmak üzere 90'dan fazla cihaz sınıfını tanımlar. Uluslararası olarak ISO/IEC standardı olarak standartlaştırılmış olup, HEMS ile ev içi cihazlar arasındaki "son mil"i yönetir.

• OpenADR (Open Automated Demand Response): Elektrik şirketleri/toplayıcılar ve tüketiciler (veya ağ geçitleri) arasında talep yanıtı sinyallerini otomatik olarak değiştirmek için kullanılan uluslararası bir standart protokoldür. OpenADR 2.0b, işletmeler arası talep yanıtını otomatikleştirmek için kullanılan temsili bir spesifikasyondur.

• Şebeke ve trafo merkezi tarafı protokolleri: Bir trafo merkezinin içindeki koruma ve kontrol, IEC 61850 kullanır (ayrıntılar için Trafo Merkezi ve İletim Hattı Temel Bilgileri bölümüne bakın). Dağıtım sistemi izleme ve kontrolü bazen SCADA'da kullanılan IEC 60870-5-104 veya DNP3 gibi iletişim standartlarını kullanır. Özetle, ECHONET Lite ev içi iletişimi, OpenADR işletmeler arası talep yanıtı (DR) sinyallerini ve IEC 61850 ailesi protokolleri iletim/dağıtım omurgasını yönetir; akıllı şebeke, farklı amaçlara sahip birden fazla protokolün katmanlar halinde üst üste yığıldığı bir sistemdir. Genellikle tek bir "akıllı şebeke protokolü" olduğu yanlış anlaşılır; aslında yoktur.

4. Talep Yanıtı (DR) — Talep Tarafını Bir "Enerji Santrali" Olarak Kullanmak

Talep yanıtı (DR), şebekeye bir enerji santralinin çıktısını yükseltmek veya düşürmekle aynı etkiyi vermek için tüketici ekipmanlarını kontrol eden bir mekanizmadır. Gücün kıt olduğu zamanlarda talebi azaltan "aşağı yönlü DR" ve öğlen güneş zirveleri gibi gücün fazla olduğu zamanlarda talebi artıran "yukarı yönlü DR" vardır.

Kurumsal olarak, genel olarak iki kategoriye ayrılır.

• Teşvik Tabanlı Talep Yanıtı: Bir elektrik şirketi veya toplayıcı, sözleşmeli tüketicilerin ekipmanlarını doğrudan ve uzaktan kontrol eder ve yanıta orantılı olarak tazminat öder.

• Tarife Tabanlı Talep Yanıtı: Elektrik tarifeleri günün saatine veya arz-talep dengesizliğinin olduğu dönemlere göre değişir ve tüketicilerin kullanımlarını nasıl değiştireceklerine kendileri karar vermelerine olanak tanır.

Talep yanıtını, tek bir enerji santraliymiş gibi piyasada işlem görebilecek şekilde paketlemek, bir sonraki makalede ele alınan Sanal Enerji Santrali'nin (VPP) yaptığı şeydir. Talep yanıtının bir piyasa ürünü olarak nasıl işlem gördüğü, Sanal Enerji Santrali (VPP) Temel Kılavuzu ayrıntılı olarak ele alınmıştır.

5. Kendi Kendini Onaran Dağıtım Şebekeleri

İletim hattı arızası sırasında yalnızca arızalı bölümü hızla izole eden mekanizma, Trafo Merkezi ve İletim Hattı Temel Kılavuzu'nda ele alınan koruma rölelerinin rolüdür. Dağıtım seviyesinde de benzer bir kavram mevcuttur ve buna dağıtım otomasyonu denir. Bu, Japon elektrik şirketlerinde zaten yaygın olarak ticari olarak kullanılmaktadır; örneğin, Kyushu Elektrik Enerjisi İletim ve Dağıtım şirketinin otomatik dağıtım hattı kontrol sistemi, arızalı bölümü otomatik olarak tespit eder ve alternatif bir güzergah üzerinden sağlıklı bölümlere hızlı bir şekilde güç sağlar.

Temsili bir şema, zaman gecikmeli sıralı onarımdır. Bir arıza meydana geldiğinde, trafo merkezindeki kesici önce gücü tamamen keser, ardından her bölüme kurulan otomatik anahtarlar, trafo merkezi tarafından sırayla, belirli bir zaman gecikmesiyle birbiri ardına kapanır. Belirli bir bölümde tekrar bir arıza akımı tespit edilirse, ondan hemen önceki anahtar açık kalır ve yalnızca arızalı bölümü izole eder; daha sonra aşağı akışta bulunan sağlıklı bölümlere güç, alternatif bir güzergahtan (bitişik, birbirine bağlı bir dağıtım hattı) yönlendirilir.

Şekil 2 — Dağıtım otomasyonu, arızalı bir bölümü izole etmek için arızalı bölümün her iki tarafındaki anahtarları otomatik olarak açar, ardından bitişikteki sağlıklı bir dağıtım hattından (farklı bir trafo merkezinin sistemi) gücü yeniden yönlendirir ve arızalı bölümün dışındaki kesinti süresini en aza indirir. Bu kararı ve geçişi sağlayan mekanizma İnsan müdahalesi olmadan hızlı bir şekilde gerçekleşen otomasyona "kendiliğinden onarım" denir.

Bu tür otomasyon, akıllı şebekeden önce de vardı, ancak akıllı sayaç arıza tespiti ve gerçek zamanlı sensör verilerinin eklenmesi, hem arızalı bölümün tahmin doğruluğunu hem de onarım hızını artırdı. "Kendiliğinden onarım şebekesi" terimindeki yenilik, otomatik onarımın kendisi değil, bu yargıyı bilgilendiren verilerin artık tüketici tarafından elde edilen verilere de uzanmasıdır.

6. Gerilim Yükselmesi ve İnverter Gerilim Düzenlemesi

Dağıtılmış enerji kaynakları arttıkça ortaya çıkan ilk teknik zorluk, dağıtım hattındaki gerilim yükselmesidir. Dağıtım hattının empedansını R+jX, gönderilen aktif gücü P ve reaktif gücü Q olarak yazarsak, gönderen ve alıcı uçlar arasındaki gerilim farkı şu şekilde yaklaşık olarak hesaplanabilir:

Güneş enerjisi üretimi talebi aştığında, P, tüketici tarafından şebeke tarafına doğru (işaret tersine döner) yönelir ve bu da dağıtım hattının uzak ucundaki voltajı yükseltme eğilimindedir. Bunu bastırmak için bir dizi önlem kullanılır: güç düzenleyicinin (PCS) reaktif gücü otomatik olarak ayarlamasına olanak tanıyan otomatik voltaj düzenleme fonksiyonları Q, SVR'lerin ve otomatik voltaj regülatörlerinin kontrol mantığında yapılan revizyonlar ve bataryalar aracılığıyla çıkış kısıtlaması. Voltajı korumak, "akıllı şebekenin en gösterişsiz ancak en temel zorluğu"dur ve bu kontrolün ne kadar hassas bir şekilde gerçekleştirilebileceği, AMI verilerinin ayrıntı düzeyine bağlıdır.

7. Mevcut Teknoloji ve Araştırma Odak Noktaları

• Yeni nesil akıllı sayaçlar: Daha yüksek frekanslı veri toplama ve daha güçlü güvenlik hedefleyen mevcut AMI'nin iletişim standartları ve işlevselliğini yeniden gözden geçirmek için çalışmalar devam etmektedir.

• Dağıtım sistemlerinin dijital ikizleri: Dağıtım hatlarındaki güç akışını ve voltajı simüle ederek, dağıtılmış üretimin ne kadarının önceden değerlendirilebileceğini belirlemek. Birbirine bağlı.

• Daha gelişmiş dağıtım seviyesi pazarları ve kontrolü: Gerilim ve güç akışı kısıtlamalarını dikkate alan bir Dağıtım Sistemi Operatörü (DSO) tipi işlevin incelenmesi.

• Siber güvenlik: On milyonlarca akıllı sayaç ve iletişim ağlarıyla saldırı yüzeyi geniştir ve kimlik doğrulama, şifreleme ve anormallik tespiti tasarımı artık çalışma için bir ön koşuldur.

• DERMS (Dağıtılmış Enerji Kaynak Yönetim Sistemi): Dağıtım sisteminin kısıtlamaları dahilinde çok sayıda güneş enerjisi kurulumunu, bataryayı ve elektrikli aracı koordine eden ve kontrol eden bir yazılım platformu.

Özet: Akıllı Şebeke "Katmanlı Bir Bilgi Sistemine Sahip Bir Dağıtım Ağıdır"

Akıllı şebeke tek bir teknoloji değildir; akıllı sayaçlar aracılığıyla ölçüm, çok katmanlı iletişim protokolü, talep yanıtı yoluyla talep tarafı kullanımı ve kendi kendini onaran dağıtım otomasyonu gibi çeşitli katmanlı mekanizmalardan oluşan bir sistemdir. Ortak noktaları, dağıtılmış enerji kaynaklarının fiziksel olarak zaten oluşturduğu bir güç akışını iki yönlü bilgi akışı yoluyla yönetme girişimidir. iki yönlü.

Bir bölgenin akıllı şebeke çalışmalarını incelerken, aşağıdaki noktaları kontrol etmekte fayda var:

1. Hangi iletişim yolu ve protokolü hangi verileri iletiyor?

2. Gerilim yönetimini kim (PCS, SVR, batarya) ve hangi zaman ölçeğinde gerçekleştiriyor?

3. Talep yanıtı teşvik tabanlı mı yoksa tarife tabanlı mı ve hangi pazara veya sözleşmeye bağlı?

4. Bir arıza sırasında otomatik onarımın ne kadarı insan müdahalesi olmadan tamamlanıyor?

Bu dört noktayı aklınızda tutmak, "akıllı sayaçlar artıyor" gibi bir başlığın ötesine geçerek, arkasındaki dağıtım ağının tasarım felsefesini anlamanıza olanak tanır.

Referanslar

• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı — Yeni Nesil Akıllı Sayaç Sistemi Çalışma Grubu Özeti
• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı — Akıllı Sayaçtan Vazgeçme Hakkında
• ECHONET Lite Spesifikasyonu/Genel Bakış
• Kyushu Elektrik Enerjisi İletim ve Dağıtımı — Otomatik Dağıtım Hattı Kontrol Sistemi
• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı — Elektrik Şebekesinin Modernizasyonu
• İletim Operatörlerinin Bölgesel Koordinasyon Örgütü, Japonya (OCCTO)
• IEC 61850 — Elektrik şebekesi otomasyonu için iletişim ağları ve sistemleri
• NREL — Şebeke Modernizasyonu