Mikroverkot ja hajautetut energiaresurssit teollisten ja kaupallisten laitosten kestävän kehityksen ja häiriöidensietokyvyn maksimoinnin tukena

Hajautetut energiaresurssit (Distributed Energy Resource, DER), kuten aurinkoenergia, tuulienergia, sähkön ja lämmön yhteistuotanto (Combined Heat and Power, CHP), akkupohjaiset energian varastointijärjestelmät (Battery Energy Storage System, BESS) ja jopa tavanomaiset generaattorit, voivat parantaa merkittävästi kaupallisten ja teollisten laitosten kestävää kehitystä ja häiriöidensietokykyä erityisesti kytkettynä mikroverkkoon, jonka automaattinen ohjausjärjestelmä koordinoi ja hallinnoi älykkäästi energian tuotantoa, virtausta, varastointia ja kulutusta.

Mikroverkon ympäristö- ja taloushyötyjen maksimoimiseksi ohjaimen täytyy tasapainottaa hajautettujen energiaresurssien toimintaa ja integrointia reaaliajassa, hallita älykkäitä kuormia, kuten valaistus-, lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmiä, sähköajoneuvojen latausta ja tietoteknisiä järjestelmiä, hyödyntää historiallisia kysyntätietoja tulevien kuormaprofiilien ennakointiin, tarjota turvalliset ja tehokkaat kytkennät pääsähköverkkoon sekä tukea kysyntään vastaavia toimintoja reaaliaikaisilla energiahintatiedoilla.

Tässä artikkelissa tutustutaan mikroverkkojen elementteihin ja arkkitehtuureihin, hajautettujen energiaresurssien yhteenkytkentöjen vaatimukset määrittävään IEEE 1547 -standardiin sekä IEEE 2030 -standardiin, jossa on kattava tekninen prosessi mikroverkko-ohjaimen toimintojen kuvailuun. Sitten käsitellään tapoja parantaa mikroverkkojen ohjaimilla kestävää kehitystä, häiriöidensietokykyä ja taloudellisia hyötyjä. Lopuksi artikkelissa esitetään mikroverkkojen kyberturvatekijöiden yleiskatsaus.

Mitä mikroverkon toteuttamiseen vaaditaan?

Mikroverkkojen toteutukset ja komponentit poikkeavat toisistaan. Mikroverkkojen ja hajautettujen energiaresurssien tarjoamien kestävyys- ja sietokykyparannusten käsittelyssä on paras aloittaa määrittämällä mikroverkkojen komponentit ja arkkitehtuurit sekä antamalla niistä esimerkkejä. Yhdysvaltain energiaministeriö (U.S. Department of Energy, DOE) määrittelee mikroverkon ”ryhmäksi selkeästi määritetyillä sähköteknisillä rajoilla yhdistettyjä kuormia ja hajautettuja energiaresursseja, jotka toimivat sähköverkon näkökulmasta yhtenä ohjattavana entiteettinä. Mikroverkko voidaan kytkeä pääsähköverkkoon ja irrottaa siitä, eli se voi toimia sähköverkkoon kytkettynä tai erillistilassa.”

Vaikka mikroverkkojen määritelmä on suoraviivainen, ne jakautuvat lukuisiin eri kategorioihin ja käyttötiloihin. Niiden toteuttamiseen voidaan myös käyttää erilaisia alijärjestelmiä, joten parhaiden mahdollisten kestävyys- ja sietokykyhyötyjen saamiseksi on tehtävä useita päätöksiä arkkitehtuurin ja toiminnan suhteen. Automaatio on tärkeä näkökulma. Esimerkkejä automaattisista alijärjestelmistä (kuva 1):

• mikroverkon sisäinen sähköntuotanto, mukaan lukien erilaiset hajautetut energiaresurssit sekä sähkön ja lämmön yhteistuotantojärjestelmät
• virranjakeluverkot
• akkupohjainen energian varastointi
• kuormat, kuten teollisten laitosten ilmastointijärjestelmät, koneet ja moottorit
• sähköajoneuvojen latauksen sekä ajoneuvojen ja verkon välisten liitäntöjen hallinta
• mikroverkon ohjaimet ja kytkinlaitteisto
• mahdollinen mikroverkon kytkentä sähköverkkoon.

Kuva 1: Mikroverkkoihin voi kuulua erilaisia hajautettuja energiaresursseja, sähkön ja lämmön yhteistuotantojärjestelmiä sekä kuormia. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Mikroverkkojen kategoriat

Mikroverkot voi luokitella sen mukaan, ovatko ne yhteydessä pääsähköverkkoon:

Laitostyyppiset sähköverkkoon kytkemättömät mikroverkot ovat yleisimpiä. Tyypillisiä käyttökohteita ovat kaukana sijaitsevat kohteet, joihin ei ole mahdollista saada kaupallista sähköverkkoa, kuten kaivokset, teollisuuskohteet, vuoristossa sijaitsevat talot ja sotilastukikohdat.

Myös yhteisötyyppiset sähköverkkoon kytkemättömät mikroverkot ovat yleensä kaukana sijaitsevissa kohteissa. Tyypillisiä käyttökohteita ovat syrjäiset kylät, saaret ja yhteisöt. Laitostyyppisiä mikroverkkoja hallitsevat yksittäiset toimijat, kun taas yhteisötyyppisten mikroverkkojen täytyy vastata lukuisten käyttäjien tarpeisiin. Ne voivat vaatia monimutkaisempia komento- ja ohjausjärjestelmiä.

Verkkoon kytketyillä laitoksilla on yksi omistaja, ja niitä käytetään luotettavuuden parantamiseen paikoissa, joissa pääsähköverkko ei ole kovin luotettava, sekä silloin, kun mikroverkon omistaja voi saada taloudellisia hyötyjä siirrettävistä kuormista ja muista palveluista. Tällaisia käyttökohteita ovat muun muassa sairaalat, datakeskukset, jatkuvatoimiset tuotantolaitokset ja muut korkean käyttöasteen rakennukset.

Sähköverkkoon kytkettyihin yhteisöihin kuuluu useita pääsähköverkkoon kytkettyjä energian käyttäjiä ja tuottajia, joita hallitaan yksittäisenä entiteettinä. Käyttökohde-esimerkkejä ovat yritysten ja yliopistojen kampukset, kylät ja pienet kaupungit. Näihin voi sisältyä lukuisia erilaisia energian käyttäjiä, tuottajia ja varastolaitoksia, ja tällaisen mikroverkon ohjaus voi olla kaikkein monimutkaisinta.

Jotkin mikroverkot ovat erillisiä saarekkeita

Mikroverkkojen komponenttien ohella Yhdysvaltain energiaministeriön määritelmässä käsitellään käyttöä ”verkkoon kytkettynä tai erillistilassa”. Näiden käyttötilojen määritelmät ovat suoraviivaisia, mutta toteutus on monimutkaisempaa, mitä käsitellään eräissä IEEE-standardeissa.

IEEE 1547-2018 ‑standardissa ”Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems” määritellään hajautettujen energiaresurssien ja sähköverkon välisen yhteenkytkennän ja yhteentoimivuuden tekniset vaatimukset. IEEE 1547 on kehittyvä standardi. IEEE 1547 -standardin aiemmat versiot suunniteltiin, kun hajautettujen energiaresurssien käyttö ei ollut vielä kovin yleistä, eikä siinä huomioitu niiden alueellisia kokonaisvaikutuksia laajempaan energiajärjestelmään. IEEE 1547-2018 ‑standardissa lisättiin siirtojärjestelmän luotettavuutta parantavat tiukemmat jännite- ja taajuussäädön vaatimukset sekä sähkökatkon kestoa koskevat vaatimukset. Hiljattain tehtiin 1547a-2020-lisäys ratkaisemaan epänormaalin suorituskyvyn ongelmia.

IEEE 2030.74 -standardissa kuvaillaan mikroverkko-ohjaimen kaksi vakaata käyttötilaa (Steady State, SS) ja neljä siirtymätilaa (Transition, T) (kuva 2):

• SS1 on vakaa tila, jossa mikroverkko on kytkettynä pääsähköverkkoon. Ohjain voi tarjota mikroverkon komponenttien avulla erilaisia palveluita sähköverkkoon päin, kuten kulutushuippujen leikkaaminen, taajuudensäätö, loistehon tuki sekä muuttumisnopeuden hallinta.
• SS2 on vakaa erillistila tai ”saareketila”, jossa mikroverkko ei ole yhteydessä pääsähköverkkoon vaan se toimii itsenäisesti. Ohjaimen tulee varmistaa mikroverkon vakaan toiminta tasapainottamalla kuormat, sähköntuotanto ja energian varastointipalvelut.
• T1 on suunniteltu irtautuminen pääsähköverkosta erillistilaan. Vaikka yhteys pääverkkoon olisi mahdollinen, erillistila voi tarjota taloudellisia tai toiminnallisia hyötyjä. Lisäksi tämä tila mahdollistaa mikroverkon toiminnan testaamisen.
• T2 on suunnittelematon irtautuminen pääsähköverkosta erillistilaan. Tätä voi verrata UPS-virtalähteen toimintaan datakeskuksessa, ja sitä käytetään usein, kun pääsähköverkko vikaantuu. Mikroverkko kytkeytyy saumattomasti irti ja toimii itsenäisenä energiaverkkona.
• T3 on vakaassa erillistilassa olevan mikroverkon kytkeytyminen uudelleen pääsähköverkkoon. Tässä monimutkaisessa teknisessä menettelyssä mikroverkon generaattori havaitsee pääsähköverkon taajuuden ja vaihekulman sekä sovittaa mikroverkon toiminnan tarkasti näihin arvoihin ennen yhdistämistä takaisin pääsähköverkkoon.
• T4 tarkoittaa itsenäistä käynnistystä vakaaseen erillistilaan. Tässä tapauksessa mikroverkko on sammunut, ja se täytyy eristää pääsähköverkosta ja käynnistää uudelleen erillistilassa. Näin voi tapahtua odottamattoman katkoksen vuoksi, jos mikroverkon ohjain ei voi palauttaa toimintaa vakaalla T2-siirtymällä, tai jos erillistilassa ei voida tarjota riittävästi sähköntuotantoa tai varastoitua energiaa virran toimittamiseksi kaikille kuormille ja kaikki ei-kriittiset kuormat on sammutettava ennen generaattorin uudelleenaktivointia. Tällöin mikroverkon akkujärjestelmät tulee myös ladata ainakin osittain ennen uudelleenkytkentää.

Kuva 2: IEEE 2030.74 ‑standardissa vaaditaan, että mikroverkkojen ohjaimet tukevat kahta vakaata toimintatilaa ja neljää siirtymätilaa näiden välillä. (Kuvan lähde: National Rural Electric Cooperative Association)

Mikroverkkojen toteutus

Erilaisia DER-resurssien ja kuormien yhdistelmiä on lähes rajattomasti, mutta automaattiset ohjaimet ja kytkinlaitteistot ovat yleisiä elementtejä. Suurissa mikroverkoissa, kuten yllä kuvassa 1 esitellyssä, ne on usein erotettu keskitettyyn ohjaamoon sekä DER-resurssien ja kuormien hajautettuihin kytkinlaitteistoihin. Verkkoon kytketyissä kohteissa on myös jakelukeskus, joka toimii mikroverkon ja pääsähköverkon välisenä kytkinlaitteistona.

Mikroverkon ohjaimet tarvitsevat tietoa, ja kestävyyden ja häiriöidensietokyvyn optimoimiseksi niiden on toimittava nopeasti. Ohjaimet käyttävät anturiverkostoa DER-resurssien ja kuormien valvontaan reaaliajassa. Sähköverkkoon yhdistetyissä mikroverkoissa ohjaimet myös seuraavat paikallisen sähköverkon tilaa. Jos ohjain havaitsee häiriöitä, se reagoi millisekunneissa ja lähettää komennon tarvittaville energiaresursseille, kuormille tai kytkentälaitteille.

Kytkinlaitteistojen kapasiteetti vaihtelee aina muutamasta kilowatista useaan megawattiin, ja ne reagoivat ohjaimen vaatimuksiin muutamassa millisekunnissa, muutoin seurauksena voi olla vakava vikatilanne. Joissain kytkinlaitteistoissa on älykkäät johdonsuojakatkaisijat, joiden itsenäinen toiminta tarjoaa lisäsuojakerroksen.

Pienemmissä kohteissa ohjain ja kytkinlaitteisto voidaan yhdistää samaan laitteeseen, jota kutsutaan energian ohjauskeskukseksi (Energy Control Center, ECC). ECC-laitteistoja on saatavilla valmiiksi johdotettuina, koottuina ja tehtaalla testattuina. ECC-laitteet yksinkertaistavat ja nopeuttavat mikroverkkojen asennusta, ja niillä voi hallita useita energialähteitä, kuten verkkosähköä ja DER-resursseja, joilla on priorisoidut kuormat. Esimerkiksi Schneider Electric tarjoaa ECC 1600/2500 -mallistoa rakennuskokoluokan mikroverkoille (kuva 3). ECC 1600/2500 -malliston ominaisuuksia:

• tilauksen mukaan konfiguroitava nimellisteho 100–750 kW, voidaan optimoida olemassa olevaa tai uutta rakennusta varten
• tukee erilaisia hajautettuja energiaresursseja, kuten aurinkoenergia, BESS-akkujärjestelmät, tuulienergia sekä bensiini- ja dieselgeneraattorit
• ohjain parantaa häiriöidensietokykyä sähkökatkojen aikana käyttämällä esimerkiksi aurinkosähköä ja sellaista lisäresurssia kuten varageneraattoria tai BESS-akkujärjestelmää
• automaattinen älykäs mittaus auttaa ymmärtämään sähkön laatua, energian käyttöä ja hajautettujen energiaresurssien toimintaa
• kytkinlaitteisto 1600 – 2500 A:n virranjakeluväylällä
• pilvipalvelupohjainen analyysi häiriöidensietokyvyn ja hajautettuihin energiaresursseihin tehtyjen sijoitusten tuoton maksimoimiseksi.

Kuva 3: ECC-laitteet yhdistävät mikroverkon ohjaimen (vasemmalla) ja kytkinlaitteiston (oikealla) samaan laitteeseen. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Turvallista ja suojattua energiaa

Kyberturva on tärkeä osa energiavarmuutta ja häiriöidensietokykyä. Kansainvälisen energiajärjestön (International Energy Agency, IEA) määritelmä energiavarmuudelle on ”energialähteiden keskeytyksetön saatavuus edulliseen hintaan”. Mikroverkot voivat merkittävästi parantaa energiavarojen edullista saatavuutta, turvallisuutta ja häiriöidensietokykyä.

Tiedonsiirto on olennainen osa mikroverkkojen toimintaa. Tämä merkitsee viestintää pilvipalveluiden ja mahdollisesti paikallisen pääsähköverkon kanssa suorituskyvyn optimoimiseksi. Lisäksi tyypilliseen mikroverkkoon sisältyvät hajautetut energiaresurssit ja kuormat ovat tyypillisesti peräisin eri valmistajilta, ja niissä on käytössä erilaisia tiedonsiirtoprotokollia ja -tekniikoita. Internetyhteys ja langattomat tekniikat, kuten Wi-Fi, ovat käytössä lähes kaikissa mikroverkoissa, ja ne voivat olla hyvinkin olennaisen tärkeitä täyden hyödyn saamiseksi. Ne tukevat myös täydentäviä toimintoja, kuten sääennusteiden sekä polttoaineen ja energian hintojen reaaliaikaista keräämistä.

Kyberturvallisuuden varmistaminen on monimutkaista. Jotta hyökkääjät eivät saisi pääsyä arkaluontoisiin tietoverkkoihin ja tietoihin eivätkä voisi jopa vaurioittaa mikroverkon toimintaa manipuloimalla ohjaukseen käytettyjä ohjelmistoja, tarvitaan suojatut laitteet, käytännöt ja menetelmät sekä luotettavat työntekijät. Terroristit ovat vain yksi huolenaihe; muita mahdollisia uhkia ovat kilpailijat ja vihamieliset työntekijät. Lisäksi ongelmia voivat aiheuttaa käyttäjien virheet, vanhentuneiden ohjelmistojen aiheuttamat verkkojen tietoturvaongelmat ja niin edelleen (kuva 4). Kyberturvaa ei siis voi jättää taka-alalle. Jotta se voisi toimia tehokkaasti, se on suunniteltava mukaan alusta alkaen kaikkiin mikroverkon laitteistoihin, ohjelmistoihin ja prosesseihin.

Kuva 4: Mikroverkon mahdollisia hyökkäysvektoreita ovat henkilöstöön, prosesseihin ja fyysisiin turvallisuusaukkoihin liittyvät haavoittuvuudet. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Yhteenveto

Mikroverkot yhdistävät hajautettuja energiaresursseja ja kuormia samaan järjestelmään kestävän kehityksen ja häiriöidensietokyvyn maksimoimiseksi. On useita mikroverkkoarkkitehtuureja, joilla halutut energia- ja verkkoyhteystarpeet voidaan täyttää. Mikroverkkojen kasvavan määrän ja hajautettujen energiaresurssien suosion nousun myötä IEEE 1547 ‑yhteenkytkentästandardia on pitänyt kehittää, ja mikroverkkojen kyberturvakysymykset ovat entistä enemmän huomion keskiössä.