Mikroverkon toiminnallisuus ja tekniikka

Standardit

Standardeja tarvitaan, jotta mikroverkon älykkäät automaatio-, ohjaus- ja televiestintälaitteet olisivat keskenään yhteensopivia. Yksityiskohtaisissa standardeissa määritellään pakolliset ja valinnaiset toiminnot, joita kunkin älykkään laitteen on tuettava. Tällaista laitetta voidaan pitää standardin mukaisena ja se voidaan sisällyttää järjestelmään. Kattavat standardit helpottavat mikroverkkojärjestelmien käyttöönottoa ja auttavat vähentämään niiden hankinta- ja käyttökustannuksia.

Mikroverkkosovelluksia koskevat standardit ovat samankaltaisia kuin älykkäissä sähköverkoissa vaaditut standardit. Monia niistä sovelletaan sähkönjakelu- tai it-toimialoilla. Eri tutkimushankkeissa esimerkiksi NIST-hankkeessa Yhdysvalloissa sekä IEC Smart Grid Architecture & Roadmap-hankkeessa on koottu kaikki asiaankuuluvat olemassa olevat standardit ja protokollat, joita älysähköverkoissa sovelletaan. Samalla on tunnistettu niissä olevia puutteita ja kehittämistarpeita. Taulukkoon 1 on koottuna tietoliikennestandardit, joita käytetään älysähköverkoissa.

Kansainväliset järjestöt, jotka määrittelevät mikroverkkoon liittyviä avoimia standardeja, ovat

• IEC – sähköteollisuuden standardit • IEEE – laskenta-, LAN-viestintä- ja yhdysvaltalaiset keskittyneet sähköstandardit (Yhdysvaltain ANSI-standardien mukaisesti) • ITU – kansainvälinen televiestintäliitto, joka määrittelee televiestintäalan standardit julkisille verkoille • IETF – Internet-protokollat.

Tietomallit ja protokollat

Standardit koostuvat kahdesta osasta:

• Tietomallissa on yleinen kuvaus järjestelmän elementeistä. • Tietoliikenneprotokolla määrittää, miten järjestelmän osat vaihtavat tietoja.

Taulukko 1 Älysähköverkoissa sovellettavat tietoliikennestandardit (CIGRE 2015, 49)

Toiminto/ Verkkotaso

Järjestelmätaso, yhteiset tietomallit (CIM)

Mikroverkon dataprotokollat ja tyypit

Customer Metering –Advanced Metering Infrastructure

DER

Standardi Menetelmä

IEC61970 / IEC61968 Verkon mallinnus: • Järjestelmän oppiminen/ mallimääritys • Virtatietojen siirto

IEC61850 IEC61400-25 (Tuulipuistot) IEC60870 Kaikkien verkon tiedonsiirtoprotokollien tiedonsiirtotyypit. Ajan mukaan synkronoitujen järjestelmien laajalti käytetty tiedonsiirtoprotokolla.

IEC 62056 (DLMS /COSEM application layer).

IP v4 / v6. PRIME, G3 Kahdensuuntainen tiedonsiirto mittauksesta, tariffista ja kuormituksesta. Internet-pohjainen palvelujen hallintaprotokolla

Fyysisten osoitteiden pakettien välittäminen päätelaitteelta toiselle.

IEEE 802.11 series

IEEE 1547 IEEE 1588 Radiotaajuustekniikkaan perustuva. Kysyntäjouston liittäminen sähköjärjestelmään. Ajan mukaan.

Jakeluverkkojen säännöt

Kansalliset energiavirastot Palvelujen suojaus IEC/TR 62357 IEC 62351 Kuormituksen kytkeminen sähköjärjestelmään maakohtaisesti.

Suurten datojen siirtäminen

Päästä päähän tapahtuva suojaus

Standardin SFS 6008-1 mukaan ”Sähkön käytön optimointi perustuu energiatehokkuuden hallintaan. Tähän sisältyvät sähkön hinta, sähkön kulutus ja sen reaaliaikainen sopeuttaminen. Tehokkuus varmistetaan mittauksilla koko sähköasennuksen käyttöiän ajan. Näillä tunnistetaan parannettavat kohteet, jolloin ne voidaan korjata. Parannukset ja korjaukset voidaan tehdä suunnittelemalla asennus uudelleen tai vaihtamalla laitteet. Tavoitteena on energiatehokas sähköasennus, jossa hyväksyttävän suuruisella investoinnilla toteutettu energianhallintaprosessi soveltuu käyttäjän tarpeisiin. Standardi esittelee aluksi menettelyä, joilla voidaan saavuttaa sähköenergian (kWh) säästöön perustuva energiatehokas sähköasennus. Sen jälkeen annetaan ohjeita ensisijaisista menettelyistä, jotka riippuvat investointien takaisinmaksuajasta eli sähköenergian ja sähkötehon kustannussäästöstä jaettuna investointien suuruudella.” (SFS 6008-1:2020 2020, 6).

Standardissa SFS 6008-1:ssa esitetään vaatimukset, jotka koskevat standardin SFS-EN ISO 50001 mukaisen energiahallintajärjestelmän sähköteknistä osuutta. Standardissa SFS 6000-1 sisältää siis vaatimuksia, suosituksia ja menetelmiä sähköasennusten rakenteelle sekä energiatehokkuuden arvioinnille. Vaatimukset esitellään energiatehokkuuden ohjauksen näkökulmasta. Tarkoituksena on saavuttaa paras toiminnallisuus pienimmällä mahdollisella sähköenergian kulutuksella ja hyväksyttävimmällä energian saatavuuden ja taloudellisuuden tasapainolla. (SFS 6008-1:2020 2020, 5.)

Vastaavasti standardin SFS 6008-2 tarkoituksena on varmistaa, että pienjännitesähköasennus on nyt ja tulevaisuudessa sopiva toimittamaan turvallisesti ja tarkoituksenmukaisesti sähköenergiaa kulutuslaitteisiin joko yleisestä jakeluverkosta tai paikallisista lähteistä (SFS 6008-2:2020, 2020, 12).

Ohjaus- ja valvontajärjestelmät

Kehittyneimmät ohjausjärjestelmät toimivat energiatarpeen ennustajina. Tarpeen määrittelyyn käytetään muun muassa sää- ja käyttötietoja, joista ohjausjärjestelmä päättelee, mitä resursseja järjestelmässä on saatavilla energiatarpeiden hallintaan siten, että energia tuotetaan asetettujen tavoitteiden mukaisesti, esimerkiksi kustannustehokkaasti ja hiilidioksidipäästöt minimoiden. Muita toimintoja ovat kuorman seuraaminen, tehohuippujen tasaus, reaaliaikainen tiedonkeruu ja tiedon visualisointi, energian varastoinnin integrointi ja kysyntään reagointi.

Mikroverkko-ohjaimilla suojataan myös järjestelmää esimerkiksi vähentämällä automaattisesti tuotantotehoa akkuenergiavaraston ylikuormituksen välttämiseksi tai vähentämällä ei-kriittistä kuormitusta, jos käytettävissä ei ole tarpeeksi tehoa. Yksi keskeisimpiä asioita mikroverkon suunnittelussa onkin turvallisuuden huomioiminen niin suunnittelussa kuin toteutuksessakin. Turvallisuuden osaalueita ovat ensisijaisesti henkilöturvallisuus, laiteturvallisuus ja tietoturvallisuus.

Ohjaustavat

Mikroverkkojen ohjaus voidaan toteuttaa kolmella tavalla: keskitetysti, hajautetusti tai täysin itsenäisesti eli autonomisesti.

Keskitetyn ohjauksen suorittaa yksi kontrolleri, joka ohjaa kaikkia mikroverkkoon kytkettyjä laitteita keskitetysti. Keskitetty ohjain voi mahdollistaa mikroverkon joustavuuden ja hallittavuuden muita vaihtoehtoja paremmin, mikä minimoi käyttökustannukset. Tämäntyyppinen ohjaus vaatii kuitenkin usein kallista viestintäinfrastruktuuria mittauspisteiden, hajautettujen energia tuottojen ja keskusohjaimen välillä. Keskitetyt ohjaimet vaativat enemmän panostusta käyttöönottoon ja ylläpitoon, sillä mikroverkon laitemuutokset aiheuttavat aina parametrien päivitystarpeen järjestelmään. Algoritmien muutokset eivät ole ns. plug-and-play-tyyppisiä, vaan vaativat insinööritason parametrointia. Mikäli yksittäinen laite on poistettu käytöstä, keskusohjain ei ehkä pysty suorittamaan tehtäviään optimaalisesti tai lainkaan, ellei algoritmia muuteta. Keskitetty ohjaus sopiikin mikroverkoille, joilla on suhteellisen pieni määrä ohjattavia laitteita.

Hajautettu ohjaus soveltuu mikroverkkoihin, joissa on useita eri paikoissa sijaitsevia toimijoita. Se perustuu DER-aggregoijien tekemiin riippumattomiin ja koordinoituihin päätöksiin. Aggregoinnilla tarkoitetaan säätöön kykenevien pienempien sähkön tuotanto-, kulutus- ja varastokohteiden yhdistämistä suuremmiksi kokonaisuuksiksi, joita voidaan tarjota eri sähkömarkkinapaikoille. DERaggregoijilla on pääsy paikallisiin mittauksiin ja ohjainten ilmoittamiin tietoihin.

Olemassa olevat hajautetut ohjaustopologiat edellyttävät merkittävää viestintäinfrastruktuuria, kuten moniagentti-järjestelmää (multi-agent systems, MAS). Moniagentti-järjestelmä on tietokoneohjelmalla toteutettua fyysisten tai virtuaalisten resurssien hallintaa. Tällaisilla järjestelmillä voi hajauttaa monimutkaisen tehtävän pieniin osiin. Hajautetut ohjaimet voivat pilkkoa mikroverkon toiminnan pienempiin palasiin ja reagoida sen mukaisesti, jolloin tehokkaiden prosessoreiden ei tarvitse hallita kaikkia järjestelmän toimintoja. Hajautetut ohjaimet koordinoivat keskenään optimoidakseen kaikki mikroverkon tavoitteet minimoiden ristiriidat paikallisten DER-tavoitteiden kanssa.

Tämä ohjaustapa perustuu hajautettujen aggregoijien yhteistyöhön, jolloin ei tarvita keskusohjauksen tekemää optimoitua valvontaa. Hajautettu ohjaustapa mahdollistaa helposti muokattavan järjestelmän, koska mikä tahansa yksittäinen ohjain voidaan liittää järjestelmään tai irrottaa järjestelmästä ilman uutta ohjausalgoritmia. Uudet laitteet voidaan kytkeä joustavasti plug-and-play-toiminnoilla. Tämäntyyppinen ohjain on käytännöllisin mikroverkoissa, jotka koostuvat useista eri laitevalmistajien toimittamista osista. Laitevalmistajien ei tarvitse tällöin jakaa omaa teknologiaansa, vaan jokainen ohjain pyrkii saavuttamaan sekä ohjaamalleen laitteelle että koko mikroverkolle asetetut tavoitteet. Hajautetut ohjaukset sopivat mikroverkkoihin, joissa on useita eri toimijoita. (Fingrid 2019)

Autonomiset ohjaimet ja laitteet eivät vaadi tiedonsiirtoa DER:ien välillä, ja ne perustuvat ensisijaisesti droop-ohjaukseen paikallisessa tehonohjauksessa. Tämä on yksinkertaisin ja kustannustehokkain ohjaustapa, koska se ei vaadi viestintäinfrastruktuuria. Toisaalta mikroverkon koordinoitu ja optimoitu ohjaus ei kuitenkaan aina ole mahdollista ilman tietoliikenneyhteyttä. Autonomiset ohjaimet voivat olla houkuttelevia jakeluverkon mikroverkoissa, joissa pyritään tukemaan tehon tarvetta alhaisin kustannuksin.

Viestintä on myös olennainen osa mikroverkon käyttöä, ohjausta ja suojausta. Tiedonsiirto voidaan tehdä joko langallisesti tai langattomasti, kun turvallisuus otetaan huomioon. Langaton viestintä on hyvä vaihtoehto, koska se on langallista joustavampi, modulaarisempi ja edullisempi. Ohjauksen ja laitteiden välinen tiedonsiirto on standardoitu. Se mahdollistaa eri järjestelmien yhteensopivuuden, vaikka järjestelmät olisi hankittu eri toimittajilta.