Ανθεκτικότητα (resilience) των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας

Μία βιβλιογραφική ανασκόπηση περί ανθεκτικότητας στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας (η.ε.) αναδεικνύει ότι δεν υπάρχει ένα τυποποιημένος ορισμός αλλά και ότι εκτός της τεχνικής σκοπιάς υπάρχουν οικονομικές, κοινωνικές και κανονιστικές/ρυθμιστικές που πρέπει να εξετάζονται [1]. Όπως απορρέει από τη γενική έννοια της ανθεκτικότητας, η ανθεκτικότητα των δικτύων η.ε. υπονοεί τον ρυθμό ανάκαμψης από τη διαταραχή/διακοπή της παροχής υπηρεσίας που εξυπηρετούν. Σύμφωνα με τον οργανισμό Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), η ανθεκτικότητα ενός συστήματος είναι η ικανότητα του να αναμένει (μέσω πρόβλεψης), απορροφά και να ανακάμπτει από τις επιπτώσεις βλαβερών συμβάντων αποδοτικά και εντός εύλογου χρονικού διαστήματος [2]. Ουσιαστικές ιδιότητες ενός ανθεκτικού συστήματος είναι:

1. αποφυγή της διακοπής υπηρεσίας μέσω της πρόβλεψης/αποφυγής, 
2. ελαχιστοποίηση των ζημιών που δημιουργήθηκαν (απορρόφηση/υποβιβασμός), 
3. επανεκκίνηση ή επανακατασκευή της λειτουργικότητας (ανάκαμψη/αποκατάσταση) και
4. μάθηση από παρελθοντικά τέτοια συμβάντα (προσαρμογή) για την αντιμετώπιση μελλοντικών. 

Συνήθως συμβάντα που θεωρούνται επικίνδυα είναι αυτά που σχετίζονται με ακραία καιρικά φαινόμενα που οδηγούν στη διακοπή ηλεκτροδότησης και μπορούν να αφήσουν εκτός ρεύματος αρκετές χιλιάδες πελατών (ως και εκατομύρια) – το 84% των παγκόσμιων βλαβών σε δίκτυα η.ε. οφείλονται σε φυσικά αίτια. 

Οι προαναφερθείσες ιδιότητες για ένα δίκτυο στην πάροδο του χρόνο μπορούν να απεικονιστούν σε στάδια (Εικόνα 1) καθώς μία «Επίθεση» στο δίκτυο λαμβάνει χώρα τη χρονική στιγμή tE και η μετάβαση μέσω των σταδίων του υποβιβασμού (degradation) και της αποκατάστασης (restoration) σχηματίζει ένα «τρίγωνο ανθεκτικότητας».

Εικόνα 1: Στάδια ανθεκτικότητας που σχετίζονται με ζημιογόνα συμβάντα (πηγή: [1])

Ένα σημαντικό στοιχείο για την ανθεκτικότητα των δικτύων είναι η υποδομή τους, η οποία θεωρείται κρίσιμη υποδομή καθώς υποστηρίζει κύριες κοινωνικές, οικονομικές και τεχνολογικές λειτουργίες. Δυσλειτουργίες σε επίπεδο υποδομων μπορούν να συμβούν είτε στο επίπεδο της μεταφοράς της η.ε. είτε στο επίπεδο της διανομής. Το επίπεδο της διανομής έχει μεγαλύτερη πιθανότητα να οδηγήσει σε διακοπή υπηρεσίας προς τους τελικούς πελάτες – δείτε τον Πίνακα 1 στον οποίο οι αναγνώστες θα αναγνωρίσουν την σύμπτωση με την επικαιρότητα.

Πίνακας 1: Δυσλειτουργίες σε επίπεδο υποδομών δικτύων η.ε. (πηγή: Copenhagen Economics)

Μία έννοια που σχετίζεται με την ανθεκτικότητα των δικτύων η.ε. είναι η αξιοπιστία τους: το IEEE την ορίζει ως την απαιτούμενη απόδοση της λειτουργίας του για δεδομένες συνθήκες και χρονικό διάστημα [3]. Σε αυτό το πλαίσιο, η αξοπιστία των δικτύων εξετάζεται από τη συχνότητα και τη διάρκεια των διακοπών υπηρεσίας που οφείλονται σε συνήθεις αστοχίες όπως βραχυκυκλώματα και δυσλειτουργίες συσκευών. Μία σύνοψη των διαφορών των δύο εννοιών (ανθεκτικότητας και αξιοπιστίας) για τα δίκτυα η.ε. φαίνεται στον Πίνακα 2 και το συμπέρασμα που εξάγεται είναι ότι ένα αξιόπιστο δίκτυο δεν είναι απαραίτητα ανθεκτικό. 

Πίνακας 2: Διαφορές στις έννοιες ανθεκτικότητας και αξιοπιστίας δικτύων (πίνακας του συγγραφέα βασιζόμενας στα [4], [5])

Στην ΕΕ, από τα μηνιαία στατιστικά του ENTSO-E (2010-2016, 22 μέλη κράτη), η πλειοψηφία των συμβάντων διακοπής παροχής ηλεκτρισμού οφείλονταν σε βλάβες εξοπλισμού και υλικών (40%) καθώς και ακραίες καιρικές συνθήκες και φυσικές καταστοφές (33%)  - δείτε την Εικόνα 2. Επίσης σύμφωνα με το DSO Observatory Project (DSO-OP) 2018 edition, 80% των διακοπών αυτών οφείλονται σε βλάβες που λαμβάνουν χώρα στο επίπεδο της διανομής [7].

Εικόνα 2: Οι αιτίες των συμβάντων διακοπής παροχής ηλεκτρισμού (πηγή: [6])

Στο [8], οι συγγραφείς – μετά την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας – παραθέτουν τις λύσεις στα σφάλματα των δικτύων σε τέσσερις μεγάλες συστάδες:

1. Αποφυγή και διαχείριση (28% των λύσεων): κυρίως φυσική θωράκιση των υποδομών (υπόγειες γραμμές, ανυψωμένοι υποσταθμοί, προληπτική συντήρηση).
2. Παρακολούθηση και ανίχνευση σφαλμάτων (20%): κυρίως παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο μέσω συστημάτων SCADA για σφάλματα και ανισορροπίες φορτίου.
3. Λύσεις έξυπνων δικτύων (smart grids) (33%): κυρίως διασυνδεδεμένα μικροδίκτυα και η σκόπιμη νησιδοποίηση.
4. Μοντελοποίηση και προσομοίωση (23%): κυρίως μοντελοποίηση ακραίων καιρικών φαινομένων και προσομοίωση διαδοχικών αστοχιών (cascading failures).

Οι λύσεις έξυπνων δικτύων έχουν το μεγαλύτερο μερίδιο γιατί σε αυτά, τα προβλήματα ανιχνεύονται και οι διαχειριστές ειδοποιούνται σε σχεδόν πραγματικό χρόνο ενώ η τοπολογία του δικτύου μπορεί να αναδιαμορφωθεί για να προσφέρει εναλλακτικές οδούς παροχής ρεύματος. Με τις διεσπαρμένες πηγές ενέργειας, η παραγωγή και η κατανάλωση λαμβάνουν χώρα τοπικά ή και πολύ κοντά στη ζήτηση και η επίπτωση των ζημιών σε στοιχεία υποδομής (όπως πχ. γραμμών μεταφοράς και διανομής) από ακραία φαινόμενα μειώνεται. Ειδικά τα μικροδίκτυα μέσω της νησιδοποίησης μπορούν να λειτουργήσουν ανεξάρτητα από το κυρίως δίκτυο και αυτό τα καθιστά σημαντική συνιστώσα λύσεων ειδικά σε περιοχές με ακραία καιρικά φαινόμενα (π.χ. ΗΠΑ). 

Μία συσχέτιση των ιδιοτήτων της ανθεκτικότητας των δικτύων με τις τέσσερις συστάδες λύσεων έχει προταθεί στο [8] και μπορεί να παρατηρηθεί στον Πίνακα 3. Ενώ οι λύσεις έξυπνων δικτύων είναι η μεγαλύτερη συστάδα, συσχετίζονται κυρίως με την ιδιότητα της ανάκαμψης – οι ολιστικές προσεγγίσεις πρέπει να έχουν λύσεις από όλες τις συστάδες. 

Πίνακας 3: Συσχέτιση των σταδίων ανθεκτικότητας των δικτύων με τις συστάδες λύσεων (προσαρμογή του συγγραφέα με βάση το [8])

Σκόπιμη νησιδοποίηση μετά από διαδοχικές αστοχίες στα πλαίσια του έργου «ebalance-plus».

Η εταιρεία EMTECH στα πλαίσια του έργου «ebalance-plus» (eb+) αναπτύσσει λύσεις αυτοματισμού σε επίπεδο υποσταθμών ΥΤ/ΜΤ, ΜΤ/ΧΤ αλλά και αλγόριθμους για την επίτευξη ανθεκτικότητας και αξιοπιστίας στα δίκτυα διανομής η.ε. Στο έργο ορίζονται οι περιπτώσεις χρήσης (use cases) σύμφωνα με το πρότυπο IEC 62559 και βασιζόμενοι στο Smart Grid Architecture Model [9]. Οι περιπτώσεις χρήσης θα υλοποιηθούν σε πραγματικά δίκτυα (περιοχές επίδειξης) αλλά και σε εργαστηριακό περιβάλλον όταν δεν επιτρέπεται από τον διαχειριστή δικτύου για λόγους ασφάλειας.

Μία από τις περιπτώσεις χρήσης που θα υλοποιήσει η EMTECH είναι η σκόπιμη νησιδοποίηση μετά από διαδοχικές αστοχίες. Οι διαδοχικές αστοχίες είναι μία σειρά αστοχιών που μπορεί να συμβούν σε μία μεγάλη περιοχή του δικτύου και που κάθε αστοχία είναι αποτέλεσμα της προηγούμενης. Οι λόγοι των αστοχιών αυτών είναι πολλαπλοί αλλά το αποτέλεσμα τους μπορεί να προσομοιωθεί με την περιοδική αστοχία ενός αριθμού στοιχείων του δικτύου – αντιμετωπίζονται για την προσομοίωση ως «μαύρο-κουτί» δηλαδή και συμβαίνουν αρκετά γρήγορα η μία μετά την άλλη για να επιτευχθεί η διαδοχικότητα. Το δίκτυο (η διαχείριση) για να ανταποκριθεί μπορεί να προχωρήσει σε κυλιόμενες διακοπές ρεύματος (load shedding) ή/και σε σκόπιμη νησιδοποίηση όπου είναι εφικτό – στη δεύτερη προσέγγιση επιτυχγάνεται μικρότερη διακοπή υπηρεσιών στο σύνολο του δικτύου.

Μία νησίδα έχει μία ή περισσότερες διεσπαρμένες πηγές (παραγωγής ή και αποθήκευσης) ενέργειας και μπορεί να διατηρεί την ισορροπία παραγωγής-κατανάλωσης ώστε να είναι «απομονωμένη». Οι νησίδες αυτές μπορούν να είναι προκαθορισμένες από πρότερη ανάλυση του δικτύου και των σημείων απομόνωσης ή να καθορίζονται δυναμικά κατά τη λειτουργία του με προσομοιώσεις ροών φορτίων (με αυξημένη όμως υπολογιστική πολυπλοκότητα και απαιτήσεις). 

Σε κάθε διεσπαρμένη μονάδα ενέργειας υπάρχει η μονάδα επικοινωνίας και ελέγχου DERMU της EMTECH, οι οποίες εκκινούν τους αλγόριθμους ενεργειακής ισορροπίας της πλατφόρμας eb+ για τη λειτουργία της νησίδας όταν ανιχνευθούν οι διαδοχικές αστοχίες. Για τις περιοχές του δικτύου που δεν μπορεί να επιτευχθεί η νησιδοποίηση και προκειμένου να συνεχιστεί η παροχή μέχρι την αποκατάσταση του δικτύου πραγματοποιούνται κυλιόμενες διακοπές.

Φυσικά κάποιες παραδοχές θα πρέπει να είναι αποδεκτές για την προσομοίωση όπως ότι στην τοπολογία θα πρέπει να υπάρχουν αρκετές διεσπαρμένες πηγές για τον σχηματισμό νησίδων, ότι υπάρχει υποδομή έξυπνων μετρητών για να γνωρίζονται επαρκώς τα φορτία των χρηστών αλλά και ότι ο διαχειριστής έχει εγκατεστημένο ένα Outage Management System. Οι σχέσεις σε επιχειρηματικό επίπεδο μεταξύ των εμπλεκόμενων ρόλων σε αυτή την περίπτωση χρήσης απεικονίζονται στην Εικόνα 3 σύμφωνα με το πρότυπο και επίπεδο SGAM.

Εικόνα 3: Σχέσεις εμπλεκομένων ρόλων στην περίπτωση χρήσης σκόπιμης νησιδοποίησης

Το έργο έχει ολοκληρώσει την φάση του ορισμού των περιπτώσεων χρήσης και των απαιτήσεων. Περισσότερες πληροφορίες μπορούν να βρεθούν στον ιστότοπο www.ebalanceplus.eu 

Αναφορές:

1. Jufri, F.H., Widiputra, V., & Jung, J. (2019). State-of-the-art review on power grid resilience to extreme weather events: Definitions, frameworks, quantitative assessment methodologies, and enhancement strategies.
2. IPCC, Field CB, Barros V, Stocker TF, Qin D, Dokken DJ, et al. Managing the risks of extreme events and disasters to advance climate change adaptation; 2012.
3. International Electrotechnical Commission (IEC). IEC glossary; n.d. http://std.iec.ch/terms/terms.nsf/0/1036BB0DDCDB80CDC1257E36004BC268?
4. M. Panteli and P. Mancarella, "The Grid: Stronger, Bigger, Smarter?: Presenting a Conceptual Framework of Power System Resilience," in IEEE Power and Energy Magazine, vol. 13, no. 3, pp. 58-66, May-June 2015.
5. J.P. Watson, R. Guttromson, C. Silva-Monroy, et al., “Conceptual Framework for Developing Resilience Metrics for the Electricity, Oil, and Gas Sectors in the United States,” Technical Report SAND2014-18019, Sandia National Laboratories
6. EC, 2018. “Study on the quality of electricity market data of transmission system operators, electricity supply disruptions, and their impact on the European electricity markets”
7. EC, 2018. “Distribution System Operators Observatory 2018”
8. Mar, Adriana & Pereira, Pedro & Martins, João. (2019). A Survey on Power Grid Faults and Their Origins: A Contribution to Improving Power Grid Resilience. Energies. 12. 4667. 10.3390/en12244667.
9. CEN-CENELEC-ETSI Smart Grid Coordination Group, 2012. CEN-CENELEC-ETSI Smart Grid Coordination Group “Smart Grid Reference Architecture”.

Τα περιεχόμενα του άρθρου αυτού είναι μέρος της ερευνητικής εργασίας της εταιρείας EMTECH ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΗ ΜΟΝΟΠΡΟΣΩΠΗ ΙΚΕ που συμμετέχει στο χρηματοδοτούμενο από την ΕΕ έργο «ebalance-plus»

- Ο Γεώργιος Στραβοπόδης είναι Product and Project Manager Smart-Grids.