כיצד מיקרו-רשתות-חשמל ו-DERs יכולים למקסם את הקיימות ויכולת ההתאוששות במתקנים תעשייתיים ומסחריים

משאבי אנרגיה מבוזרים (DERs‏) כמו אנרגיה סולארית, אנרגיית רוח, חום וחשמל משולבים (CHP‏), מערכות אחסון אנרגיה בסוללות (BESS), ואפילו גנרטורים קונבנציונליים, יכולים לתרום משמעותית לשיפור הקיימות וכושר ההתאוששות במתקנים מסחריים ותעשייתיים, במיוחד כשהם משולבים לתוך מיקרו-רשת-חשמל באמצעות מערכת בקרה אוטומטית לתיאום וניהול חכמים של ייצור, הולכה, אחסון וצריכה של אנרגיה.

כדי למקסם את היתרונות הסביבתיים והכלכליים של מיקרו-רשת-חשמל, הבקר חייב לאזן את הפעולה והשילוב של DERs בזמן-אמת, לנהל עומסים חכמים כמו תאורה, ונטילציית חימום ומיזוג אוויר (HVAC), טעינת רכבים חשמליים (EV) ומתקני טכנולוגיית מידע, השתמשו בנתוני ביקוש היסטוריים כדי לחזות פרופילי עומס עתידיים, לספק חיבורים בטוחים ויעילים לרשת החשמל הציבורית ולספק תמיכה עבור פונקציות היענות עבור הביקוש עם נתוני תמחור אנרגיה בזמן-אמת.

מאמר זה סוקר את הארכיטקטורות והאלמנטים המרכיבים של מיקרו-רשת-חשמל, מציג סקירה כללית של IEEE 1547‏, הקובע את הדרישות עבור חיבור בין DERs, ושל IEEE 2030‏ המספק תהליך טכני מקיף עבור תיאור הפונקציות של בקר מיקרו-רשת-חשמל, לאחר מכן דן כיצד בקרי מיקרו-רשתות-חשמל יכולים לשפר את הקיימות, החוסן והיתרונות הכלכליים, ומסיים עם סקירה קצרה של נושאי אבטחת סייבר עבור מיקרו-רשתות-חשמל.

מה נדרש כדי ליצור מיקרו-רשת-חשמל?

מיקרו-רשתות-חשמל הן מגוונות במימושים וברכיבים שלהן. כדי לדון כיצד מיקרו-רשתות-חשמל ו-DERs יכולים למקסם את הקיימות והחוסן, עדיף להתחיל עם הגדרה וכמה דוגמאות של רכיבים וארכיטקטורות של מיקרו-רשתות-חשמל. משרד האנרגיה של ארה"ב (DOE) מגדיר מיקרו-רשת-חשמל כ-"קבוצה של עומסים מחוברים ומשאבי אנרגיה מבוזרים בתוך גבולות חשמליים מוגדרים בבירור, הפועלת כישות אחת ניתנת-לבקרה ביחס לרשת החשמל. מיקרו-רשת-חשמל יכולה להתחבר ולהתנתק מרשת החשמל הציבורית כדי לאפשר לה לפעול באופן מחובר-רשת או באופן אי (Island‏)." ¹

בעוד שההגדרה של מיקרו-רשת-חשמל היא פשוטה, יש מגוון של קטגוריות מיקרו-רשת, אופני פעולה ותת-מערכות אפשריות לבחירה בעת בניית מיקרו-רשת, ומימוש הקיימות והחוסן המקסימליים של המיקרו-רשת כרוך בבחירות רבות של ארכיטקטורה ופעולה. אוטומציה היא שיקול חשוב. דוגמאות של תת-מערכות אוטומטיות כוללות (איור 1):

• ייצור בתוךמיקרו-רשת-החשמל, כולל מגוון רחב של DERs ו-CHP
• רשתות פילוג הספקת-כוח
• BESS‏
• עומסים כמו מערכות HVAC ומכונות ומנועים במתקנים תעשייתיים
• ניהול טעינת רכבים חשמליים וחיבורי רכב-לרשת-החשמל (V2G‏)
• בקרים וציוד מיתוג של מיקרו-רשת-חשמל
• חיברורי רשת החשמל הציבורית עבור התקנות מחוברות-רשת-חשמל

איור 1‏: מיקרו-רשתות-חשמל יכולות לכלול DERs‏, CHP‏ ועומסים שונים. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

קטגוריות מיקרו-רשת-חשמל

מיקרו-רשתות-חשמל ניתן לסווג לפי האם הן מחוברות-לרשת-החשמל הציבורית או מחוץ לרשת-החשמל (Off-Grid‏):

Off-Grid‏ מפעלי הם הקטגוריה הנפוצה ביותר. מקרי השימוש כוללים אזורים מרוחקים שאינם משורתים על ידי רשת החשמל הציבורית המסחרית, כמו מכרות, אתרי תעשייה, בתים בהרים ובסיסי צבא.

Off-Grid‏ קהילתי ניתן גם כן למצוא במקומות מרוחקים. מקרי השימוש כוללים קהילות, כפרים ואיים מרוחקים. בעוד שמיקרו-רשתות-חשמל מפעליות מבוקרות על ידי ישות אחת, מיקרו-רשתות-חשמל קהילתיות חייבות לתת מענה לצרכים של קבוצת שונות של משתמשים. הן עשויות לדרוש מערכות שליטה ובקרה מורכבות יותר.

למפעלים המחוברים לרשת החשמל הציבורית יש בעלים אחד והם משמשים לשיפור האמינות באזורים בהם רשת החשמל הראשית אינה אמינה ויש צורך בהספק גבוה יותר, או במקרים בהם יש תמריצים כלכליים להורדת עומסים מרשת החשמל ולשירותים נוספים מהבעלים של מיקרו-רשת-החשמל. מקרי השימוש יכולים לכלול בתי חולים, מרכזי נתונים, מפעלי ייצור עם תהליכים שלא ניתן להפסיקם, ובניינים אחרים המחייבים זמינות גבוהה.

בקהילות המחוברות לרשת החשמל הציבורית יש צרכני אנרגיה רבים ומספר יצרני אנרגיה המחוברים לרשת החשמל הראשית ומנוהלים כישות אחת. מקרי השימוש כוללים קמפוסים עסקיים או אוניברסיטאיים, כפרים וערים קטנות. אלה יכולים להיות בעלי מגוון של צרכני אנרגיה, יצרנים ומתקני אחסון ועשויים להיות המורכבים ביותר לבקרה.

לעיתים מיקרו-רשתות-חשמל הם איים

בנוסף לדיון ברכיבים של מיקרו-רשת-חשמל, הגדרת ה-DOE מתייחסת לפעולת מיקרו-רשת-חשמל כ"אופן מחובר לרשת החשמל ואופן אי כאחד". ההגדרות של אופני פעולה אלה הן פשוטות, אך המימוש הוא מורכב יותר ומטופל במספר תקני IEEE.

IEEE 1547-2018‏, תקן לחיברור משאבים מבוזרים עם מערכות הספק חשמלי, מפרט דרישות טכניות לחיברור ופעולה-הדדית של DERs עם רשת החשמל. IEEE 1547 הוא תקן מתפתח. גרסאות מוקדמות של IEEE 1547 תוכננו עבור רמות חדירת DER‏ נמוכות ולא הביאו בחשבון את ההשפעה האזורית המצרפית הפוטנציאלית של DERs על מערכת החשמל הגולמית. IEEE 1547-2018 הוסיף דרישות מחמירות יותר לגבי ייצוב המתח והתדר ויכולת ה-Ride-Through‏ כדי לסייע לאמינות מערכת התמסורת. אחר כך נוסף תיקון 1547a-2020‏ כדי להתאים לביצועי פעולה לא-רגילים.

IEEE 2030.74‏ מתאר את הפונקציות של בקר מיקרו-רשת-חשמל במונחים של אופני פעולה עם שני מצבים-יציבים (SS) וארבעה סוגי מעברים (T) (איור 2):

• SS1 , מצב-יציב של אופן מחובר-לרשת-החשמל, שבו מיקרו-רשת-החשמל מחובר לרשת החשמל הציבורית. הבקר יכול להשתמש ברכיבים במיקרו-רשת-החשמל כדי לספק שירותים כמו "גילוח" שיא, ייצוב תדר, תמיכה בהספק ראקטיבי וניהול מדרגות לרשת החשמל.
• SS2, אופן אי (Island‏) יציב הוא כאשר מיקרו-רשת-החשמל מנותקת מרשת החשמל הציבורית ופועלת במבודד ממנה. הבקר נדרש לאזן את בין העומסים לבין ייצור החשמל ואחסון האנרגיה כדי לשמור על פעולה יציבה של מיקרו-רשת-החשמל.
• T1, מתייחס למעבר מתוכנן מאופן מחובר-לרשת-החשמל לאופן Island‏ מצב-יציב. אפילו כאשר רשת החשמל הציבורית זמינה, עשויים להיות תמריצים כלכליים או תפעוליים לעבור לאופן Island‏. בנוסף, אופן זה יכול לתמוך בבדיקה של פעולת מיקרו-רשת-החשמל.
• T2, מתייחס למעבר לא-מתוכנן מאופן מחובר-לרשת-החשמל לאופן Island‏ מצב-יציב. זה מקביל לפעולה של ספק-כוח אל-פסק (UPS) במרכז נתונים, והוא משמש לעתים קרובות כאשר רשת החשמל הראשית נופלת. מיקרו-רשת-החשמל מתנתקת בצורה חלקה ופועלת כרשת הספקת חשמל עצמאית.
• T3‏, מתייחס לחיבור-מחדש של Island‏ מצב-יציב לרשת החשמל הציבורית. זהו הליך טכני מורכב עם גנרטור 'יוצר רשת-חשמל' על מיקרו-רשת-החשמל שחש את התדר וזווית הפאזה של הספק הרשת ומתאים בדיוק את מיקרו-רשת-החשמל לרשת הראשית לפני חיבור-מחדש.
• T4‏, הוא אתחול "שחור" לאופן Island‏ מצב-יציב. במקרה זה, מיקרו-רשת-החשמל נפלה ויש לבודד אותה מרשת החשמל הציבורית ולהפעיל מחדש באופן Island‏. מצב זה עלול להתרחש בגלל נפילה בלתי-צפויה של הרשת שאיתה בקר מיקרו-רשת-החשמל לא יכול להתמודד באמצעות מעבר יציב T2, או שזה עשוי להיות נחוץ אם ל-Island‏ אין מספיק רזרבות ייצור או אחסון אנרגיה כדי להמשיך לספק את כל העומסים, ועליו לכבות את כל העומסים הלא-חיוניים לפני חיבור הגנרטור לרשת. בנוסף, כל BESS על מיקרו-רשת-החשמל חייב להיטען לפחות חלקית לפני חיבורו-מחדש.

איור 2: IEEE 2030.74 מחייב בקרי מיקרו-רשת-חשמל כדי לטפל בשני מצבים-יציבים וארבעה סוגי מעברים בין המצבים הללו. (מקור התמונה: ^2‏National Rural Electric Cooperative Association‏)

מימוש מיקרו-רשתות-חשמל

ישנם צירופים רבים של DERs ועומסים כמעט כמו מיקרו-רשתות-חשמל, אך בקרים אוטומטיים וציוד מיתוג הם אלמנטים נפוצים. במיקרו-רשתות-חשמל גדולות כמו זו המוצגת באיור 1 לעיל, הן מופרדות לעתים קרובות לחדר בקרה מרכזי, ציוד מיתוג מבוזר עבור DERs ועומסים, ועבור תכנים מחוברים-לרשת-החשמל, תחנת משנה המשמשת כציוד מיתוג בין מיקרו-רשת-החשמל לבין רשת החשמל הציבורית.

בקרי מיקרו-רשת-החשמל זקוקים למידע, וכדי למקסם את כושר ההתאוששות והקיימות, הם צריכים להיות מהירים. הבקרים משתמשים ברשת של חיישנים כדי לנטר את תפקוד ה-DERs והעומסים בזמן-אמת. עבור מיקרו-רשתות-חשמל המחוברות-לרשת-החשמל הציבורית, הבקר מנטר גם את הסטטוס של רשת החשמל הציבורית המקומית. במקרה של אנומליות כלשהי, הבקר מגיב בתוך מילי-שניות ושולח פקודה ל-DER, לעומס או לציוד המיתוג המשויכים.

גודלי ציוד המיתוג הוא מקילוואטים בודדים ועד למגה-וואטים רבים, והוא צריך להגיב לדרישות הבקר בתוך מספר מילי-שניות או להסתכן במצב תקלה חמור. לחלק מציוד המיתוג יש מפסקי זרם חכמים הפועלים אוטונומית כדי לספק שכבה נוספת של הגנה.

עבור התקנות קטנות יותר, ניתן לשלב את הבקר וציוד המיתוג לכדי יחידת ציוד אחת, המכונה לפעמים מרכז בקרת אנרגיה (ECC). קיימים ECCs‏ שהם מחווטים-מראש, מורכבים ונבדקו במפעל. ה-ECCs מפשטים ומאיצים את ההתקנה של מיקרו-רשתות-חשמל והם יכולים לנהל מספר מקורות אנרגיה, כולל הספקת-כוח מרשת החשמל ו-DERs עם עומסים בעדיפויות שונות. לדוגמה, Schneider Electric‏ מציעה את קו ECC 1600 / 2500 עבור מיקרו-רשתות-חשמל בסדר-גודל של בניינים (איור 3). כמה מהמאפיינים של קו ECC 1600 / 2500 כוללים:

• הגדרת-תצורה לפי הזמנה עם דירוגי הספק מ-100 עד 750 קילוואט וניתן לבצע אופטימיזציה עבור בניינים קיימים או חדשים
• פעולה עם מספר DERs כמו PV, BESS, רוח, גז וגנרטורים דיזל
• הבקר מעניק יכולת התאוששות בזמן נפילת הרשת, כולל שימוש ב-PV עם משאב עוגן כגון גנרטור אופן-המתנה או BESS
• מדידה חכמה אוטומטית מעניקה תובנות לגבי איכות הספקת החשמל, צריכת האנרגיה וייצור DER
• ציוד מיתוג עם אפיק פילוג הספקת-כוח של 1,600 עד 2,500 אמפר
• ניתוח מבוסס-ענן כדי למקסם את יכולת ההתאוששות ואת החזר ההשקעה מ-DERs

איור 3‏: ECCs המשלבים את בקר מיקרו-רשת-החשמל (משמאל) וציוד המיתוג (מימין) לתוך יחידת ציוד אחת. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

אנרגיה בטוחה ומאובטחת

אבטחת סייבר היא היבט חשוב של אבטחת אנרגיה ויכולת ההתאוששות. סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA‏) מגדירה אבטחת אנרגיה כ"זמינות ללא-הפסקה של מקורות אנרגיה במחיר סביר" ^3‏. מיקרו-רשתות-חשמל יכולות לתרום משמעותית להבטחת אספקת אנרגיה זולה, מאובטחת ועם יכולת התאוששות.

התקשורת היא מרכיב חיוני של מיקרו-רשתות-חשמל. המשמעות היא תקשורת לענן, עם חיבור אפשרי לרשת החשמל הציבורית המקומית, כדי למטב את הביצועים. בנוסף, ה-DERs והעומסים השונים המהווים מיקרו-רשת-חשמל טיפוסית מגיעים מיצרנים שונים ומשתמשים בטכנולוגיות ופרוטוקולי תקשורת הטרוגניים. חיבוריות אינטרנט וטכנולוגיות אלחוט כמו Wi-Fi נמצאות כמעט בכל מיקרו-רשת-חשמל ויכולות להיות חיוניות עבור תועלת מקסימלית. הם גם תומכים בפונקציות עזר כמו איסוף תחזיות מזג אוויר ומחירי דלק ואנרגיה בזמן-אמת.

הבטחת אבטחת סייבר היא מורכבת. בנוסף לחומרה מאובטחת, נדרשים מדיניות, נהלים ואנשים לטפל בפרצות סייבר, העלולות לאפשר לתוקפים לגשת לרשתות ונתונים רגישים ואפילו לתפעל תוכנות בקרה וכתוצאה מכך לפעולת מיקרו-רשת-חשמל פגומה. טרוריסטים הם רק דאגה אחת; יש גם מתחרים או עובדים חסרי מצפון שיש להביא בחשבון. יכולות להתרחש שגיאות מפעיל, לרשתות יכולות להיות פרצות לא ידועות עקב תוכנה מיושנת, וכן הלאה (איור 4). אבטחת סייבר לא יכולה להיות מחשבה לאחר מעשה. היא חייבת להיות מתוכננת מלכתחילה עבור כל ההיבטים של החומרה, התוכנה והתהליכים של מיקרו-רשת-החשמל כדי להיות יעילה.

איור 4: פרצות מאנשים, תהליכים וחורים באבטחה הפיזית עלולות לגרום לווקטורי תקיפה של מיקרו-רשת-חשמל. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

סיכום

מיקרו-רשתות-חשמל משלבות מספר רב של DERs ועומסים לתוך מערכת אחת כדי למקסם את הקיימות ויכולת ההתאוששות של הספקת האנרגיה. מספר ארכיטקטורות מיקרו-רשת-חשמל יכולות לשמש כדי לתמוך בצורכי אנרגיה וחיבוריות ספציפיים. המספר ההולך וגדל של מיקרו-רשתות-חשמל והחדירה הגוברת של DERs הביאו להתפתחויות בתקן החיברורים IEEE 1547 הדוחפות להתמקדות מוגברת באבטחת סייבר של מיקרו-רשתות-חשמל.

מקורות:

1. יוזמת מיקרו-רשת-חשמל (Microgrid‏) של משרד האנרגיה האמריקאי, DOE
2. הגדרת מיקרו-רשת-חשמל באמצעות IEEE 2030.7‏, National Rural Electric Cooperative Association
3. אבטחת אנרגיה - הבטחת זמינות ללא-הפסקה של מקורות אנרגיה במחיר סביר, IEA