Ali lahko morda bolje upravljamo porabo energije končnih uporabnikov in preprečimo, da bi omrežje zdrsnilo v nezaželeno stanje, ki bi zmanjšalo konično porabo in izboljšalo porazdelitev obremenitve? Ali poleg distributerja električnega omrežja vemo, kakšne koristi to prinaša končnemu uporabniku? In nazadnje: katere druge komponente bi bile potrebne, da bi nizkonapetostno omrežje postalo prilagodljivo?
Na to vprašanje skušamo odgovoriti s pripravo koncepta, v katerega smo vključili rezidenčni (hiša) in javni tip uporabnika (šola).
Vsak od njiju ima statična bremena, ki jih ni mogoče upravljati, in bremena, ki so prilagodljiva in jih je mogoče upravljati na daljavo.
S to postavitvijo prikazujemo, kako je mogoče nadzirati največjo porabo in jo ohranjati na želeni ravni, ki omogoča normalno delovanje nameščene opreme (kabli, transformatorji, števci …).
Pokazati želimo, da lahko z vključitvijo končnega odjemalca in uporabo pametnega števca in ostale že prisotne opreme na nizkonapetostnem omrežju bistveno zmanjšamo vpliv sončnih elektrarn, e-polnilnikov, toplotnih črpalk na omrežje. Omrežje lahko lokalno upravljamo in ga vzdržujemo v želenem stanju z obvladovanjem največje moči, ki za končnega uporabnika nima velikega vpliva in ne posega v njegov standard in način življenja. Poleg tega bi radi pokazali, da lahko ustrezna standardizacija in sodelovanje akterjev iz različnih industrijskih segmentov pripeljeta do celovite interoperabilne rešitve, ki ne zahteva dodatne opreme za krmiljenje in nadzor omrežja.
Pregled stanja danes
Pametno električno omrežje v znanem stanju tehnike zajema množico komponent, kot so tipala, aktuatorji, merilniki fizikalnih količin stanja omrežja in njegove okolice, informacijski linki ter informacijski in upravljavski sistemi. Bistvo delovanja pametnega omrežja so spremljanje, nadzor in komunikacija znotraj energetske oskrbovalne verige z namenom povečanja učinkovitosti delovanja, zmanjšanja energetskih izgub, optimiziranja dobave energije in obremenitve generacijskega dela sistema, zmanjšanja stroškov in povečanja zanesljivosti delovanja.
Z napredkom tehnologije in naraščajočim pomenom varovanja okolja je elektrifikacija čedalje intenzivnejša. Močno se je namreč povečalo število električnih in elektronskih naprav: od preprostih električnih pripomočkov preko električno krmiljenih aktuatorjev na vseh področjih življenja, telekomunikacijskih omrežij in naprav do električnih ogrevalnih in hladilnih naprav, kot so toplotne črpalke, električni grelni paneli, klimatske naprave, in nenazadnje električnih vozil oziroma polnilnic zanje. S to množico naprav sta se izjemno povečala in se še povečujeta potreba po električni energiji ter kompleksnost zagotavljanja zadostne električne energije na vseh ravneh omrežja brez preobremenitve.
Omrežja so v praksi energetsko čedalje bolj in raznoliko obremenjena, zaradi česar pogosto delujejo na robu zmogljivosti in so posledično čedalje manj stabilna. To destabilizacijo povečuje še naraščajoče število razpršenih alternativnih virov električne energije (na primer fotovoltaični paneli in vetrne elektrarne), ki zaradi nepredvidljivosti delovanja dodatno prispevajo k destabilizaciji omrežja.
Znano stanje tehnike
Sodobna električna omrežja v znanem stanju tehnike vsebujejo naraščajoče število komunikacijsko povezanih pametnih naprav. Na ravni posamičnega odjemnega mesta na primer električno omrežje vsebuje pametni števec odjemnega mesta, ki je komunikacijsko na znane načine povezan s centralnim strežnikom in ostalimi pametnimi napravami v električnem omrežju preko skupnega komunikacijskega omrežja. Pametni števec odjemnega mesta poleg merjenja in beleženja skupne porabe električne energije posamičnih porabnikov, ki so priključeni na to odjemno mesto tako kot klasični električni števci, meri tudi trenutno dejansko moč odjemnega mesta, torej seštevek vseh dejanskih moči posamičnih porabnikov tega odjemnega mesta in morebitnih izgub, prav tako pa vsebuje pripadajoča procesorsko-pomnilniška sredstva za beleženje relevantnih podatkov in izvajanje relevantnih algoritmov ter komunikacijska sredstva za povezavo s centralnim komunikacijskim omrežjem.
Zahvaljujoč opisanemu so sodobna pametna omrežja centralizirana za potrebe nadzora in regulacije oziroma usklajenega in uravnoteženega delovanja, vendar so zaradi kompleksnosti celotnega električnega omrežja obenem postala prezahtevna za centralno krmiljenje. Tovrstno centralno krmiljenje zaradi kompleksnosti naloge povzroča med drugim zapoznele reakcije na spremembe v porabi oziroma delovanju posamezne ravni oziroma veje električnega omrežja.
Za stabilno delovanje električnega omrežja je bistvena uravnoteženost proizvodnje in porabe električne energije, kar je zelo oteženo zaradi velikega števila generatorjev in porabnikov (odjemnih mest) oziroma razvejanosti in kompleksnosti celotnega električnega omrežja.
Trenutne rešitve
Dosedanje rešitve nadzora in regulacije električnega omrežja za doseganje ravnotežja med proizvodnjo in porabo električne energije v električnem omrežju temeljijo na centralni obdelavi podatkov o proizvodnji in porabi električne energije, podatkov o stanju omrežja, ki bi lahko vplivali na prenos energije po omrežju (na primer zunanja temperatura, veter), izpad delovanja nekaterih delov omrežja, napovedi povečane /zmanjšane proizvodnje električne energije in podobno. Na osnovi teh podatkov, ki se preko skupnega komunikacijskega omrežja pošljejo na centralni strežnik, se tam z algoritmi določajo ukrepi za vklop / izklop posameznih porabnikov, transformatorskih postaj oziroma vej električnega omrežja ali vklop / izklop posameznih generatorjev električne energije. Po sedaj znanih rešitvah se za nadzor in regulacijo električnega omrežja za doseganje uravnotežene porabe in proizvodnje električne energije uporabljajo napredni postopki umetne inteligence, na primer nevronske mreže, strojno učenje, genetski algoritmi in podobno.
Omenjeni postopki umetne inteligence pomenijo bistveno izboljšanje nadzora in regulacije električnega omrežja in so omogočeni zaradi večanja procesorske moči, zmogljivosti shranjenih podatkov centralnih strežnikov in večanja informacijskega pretoka po centralnem komunikacijskem omrežju, ki jih ti postopki zahtevajo. Ena od skupnih lastnosti do sedaj znanih rešitev za nadzor in krmiljenje električnega omrežja je centraliziran pristop, kjer mora biti na enem centralnem strežniku (to je običajno center za nadzor, zbiranje, razpošiljanje in obdelavo podatkov) poznano celotno stanje električnega omrežja. Takšno centralizirano krmiljenje električnega omrežja je zaradi kompleksnosti zelo zahtevna naloga, poleg tega pa je tako centralno krmiljeno električno omrežje ranljivejše v primeru izrednih dogodkov fizične ali kibernetske narave, groženj, ki lahko povzročijo okvaro infrastrukture, kršitve zasebnosti, motnje v delovanju ali nedostopnost storitve.
Zaradi kompleksnosti električnega omrežja, morebitnih hipnih sprememb v porabi električne energije ali nepredvidenih izrednih dogodkov so lahko omenjeni centralno izvajani postopki prepočasni pri regulaciji in zagotavljanju električnega omrežja, zaradi česar je lahko omrežje nezanesljivo z vidika stabilnosti in/ ali ne deluje optimalno.
Aktivni nadzor obremenitve
Aktivni nadzor obremenitve robustno omogoči samodejno dinamično regulacijo delovanja električnega omrežja, da se doseže dinamično ravnotežje med proizvodnjo in porabo električne energije v celotnem električnem omrežju in po potrebi prilagodi delovanje električnega omrežja glede na temperaturo okolja ali druge dejavnike, ki vplivajo na zmogljivost posameznega transformatorja, posamezne veje ali ravni električnega omrežja, s čimer se prepreči preobremenitev električnega omrežja ob zagotavljanju največje možne moči, ki jo uporabniki v določenem trenutku potrebujejo. Prednost postopka je v tem, da opravi svojo nalogo regulacije s precej enostavnimi algoritmi, ki zahtevajo dokaj malo procesorske moči, in omogoča izvajanje na več ravneh, torej necentralizirano, kar zmanjša kompleksnost posamičnega algoritma. Tako nadzor in regulacijo električnega omrežja dosežemo bolj stabilno in odzivneje.
Tehnična težava je rešena z uporabo AIMD algoritma na vsaj dveh ravneh električnega omrežja, in sicer vsaj na ravni posamičnih odjemnih mest in ravni nizkonapetostnih transformatorjev.
Z uporabo aktivnega nadzora obremenitve se lahko električno omrežje dinamično prilagaja spreminjajočim se razmeram in zahtevam ter zagotavlja zanesljivo in učinkovito oskrbo z električno energijo. Ta pristop optimizira uporabo razpoložljivih virov in zmanjša tveganje za nestabilnost omrežja ali okvare. Poleg tega izboljšuje zmožnost nemotenega vključevanja obnovljivih virov energije in nastajajočih tehnologij v omrežje, kar podpira prehod na trajnostno in odporno energetsko infrastrukturo.
Prikaz koncepta krmiljenja
Zaključki
Sistem, naprava in postopek omogočajo samodejno dinamično regulacijo delovanja električnega omrežja, da se doseže dinamično ravnotežje med proizvodnjo in porabo električne energije v celotnem električnem omrežju, s čimer se prepreči preobremenitev električnega omrežja ob zagotavljanju največje možne moči, ki jo uporabniki v določenem trenutku potrebujejo.
Prednost postopka je v tem, da se regulacija izvaja z enostavnimi algoritmi, ki zahtevajo malo procesorske moči, in omogoča izvajanje na več ravneh, torej necentralizirano, kar zmanjša kompleksnost posamičnega algoritma.
Tehnična težava je rešena z uporabo AIMD algoritma na vsaj dveh ravneh električnega omrežja, in sicer vsaj na ravni po-samičnih odjemnih mest in na ravni nizkonapetostnih transformatorjev, pri čemer vsak AIMD strežnik izvaja prvi del AIMD algoritma, vsak AIMD odjemalec pa izvaja drugi del AIMD algoritma. Tako nadzor in regulacijo električnega omrežja do-sežemo bolj stabilno in odzivneje.
