Czas i synchronizacja – czy przyszła energetyka będzie bezpieczna?

- Reklama -

Książka „Blackout” Marka Elsberga, sensacyjny thriller naukowy, przedstawia jeden z najczarniejszych scenariuszy awarii energetycznej, której cichym i niezauważalnym sprawcą mógłby być zafałszowany czas i desynchronizacja. Autor barwnie opisuje sytuację, kiedy następuje niespodziewana, wydłużająca się przerwa w dostawie prądu, a codzienne życie zaczyna się stopniowo załamywać. Padają telefony, telewizja, Internet. Ustaje komunikacja. Brak zasilania uniemożliwia działanie stacji benzynowych, przez co staje transport, a wraz z nim zaopatrzenie. Jeden z bohaterów książki, były haker, formułuje tezę o ataku terrorystycznym jako przyczynie blackout’u.

Aby zrozumieć to zagrożenie, musimy widzieć różnicę między tym co jest, a tym co będzie w niedalekiej przyszłości. Przyszła inteligentna energetyka (smart grid), o której głośno w mediach, zasadniczo różni się od tej obecnej. Zgodnie z definicją tworzą ją:„inteligentne sieci elektroenergetyczne, gdzie istnieje komunikacja między wszystkimi uczestnikami rynku energii mająca na celu dostarczanie usług energetycznych zapewniając obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności oraz zintegrowanie rozproszonych źródeł energii, w tym także energii odnawialnej”. Niesie ona liczne zalety, ale wymaga solidnych fundamentów infrastruktury, aby lepsze nie okazało się wrogiem dobrego. Do krytycznych atrybutów zapewniających stabilność smart grid należy dokładny czas i jego synchronizacja.

W tradycyjnej energetyce prąd wytwarza elektrownia (produkcja), rozprowadza operator (dystrybucja), a na końcu jesteśmy my (odbiorcy). Jednokierunkowe dostarczanie prądu do domów i zakładów działa świetnie od ponad stu lat, ale dziś przestaje wystarczać. Rozwijająca się gospodarka wymusza rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną. Pojawiają się także ograniczenia rozbudowy infrastruktury. Dyskusję nad rozwiązaniami utrudnia konieczność ochrony środowiska, które musi służyć pokoleniom.

Na szczęście stajemy się świadkami zmian i przejścia energetyki w nową erę Przemysłu 4.0. Obecnie na dachach instaluje się panele fotowoltaicznie, coraz częściej widzimy krajobraz turbin wiatrowych czy biogazowni. Te nowe źródła pozwalają powiększyć pulę energii do wykorzystania przez społeczeństwo.

W inteligentnej rozproszonej energetyce przyszłości, nadrzędna rola klasycznych elektrowni zostanie ograniczona. Prąd będzie wytwarzany przez wiele równoważnych instalacji jednocześnie. Te „fabryki prądu” będą zapewne znacznie oddalone od siebie. W odróżnieniu od współczesnej dystrybucji, prąd będzie musiał być przekazywany dwukierunkowo i kierunki te będą się dynamicznie zmieniać w czasie. Zaczną obowiązywać tutaj zasady podobne do kierowania ruchem kolejowym, z tą różnicą, że odpowiedniki „zwrotnic” (funkcję tę pełnią przekaźniki/przełączniki o akronimie IED – ang. Intelligent Electronic Device) muszą być przełączane jednocześnie po obu stronach „toru” i to z dokładnością milionowej części sekundy (mikrosekundy 1μs).

Dlaczego dokładność 1μs jest tak ważna? Dłuższy interwał pozostawia linię przesyłu zbyt długo rozwartą powodując przerwę w dostawie prądu.  Ponieważ w smart grid jest wielu wytwórców i odbiorców prądu jednocześnie, to czas i synchronizacja IED („zwrotnic”) jest szczególnie istotna. Złe zarządzanie oprócz lokalnych braków, może prowadzić do niepożądanego skumulowania nadwyżek energii. Gospodarowanie energią polegać będzie na balansowaniu pomiędzy jej nadmiarem a niedomiarem.  Skrajne wielkości tych parametrów mogą uruchomić zabezpieczenia prowadzące do niekontrolowanego efektu domina awarii skutkującego nawet blackout’em. W systemie nie może być zbyt dużo, ani zbyt mało energii. Istotne jest, aby w sieci zawsze znajdowało się jej  „w sam raz”, a to jest już płynne i zmienne w czasie. Sterowanie smart grid będzie się zapewne koncentrować na minimalizacji strat i maksymalizacji efektywności przesyłania energii (moc czynna vs. moc bierna). Cel taki osiąga się, zarówno poprzez możliwość precyzyjnego wpływania na wydajność źródeł produkujących prąd (np. można spowalniać lub okresowo wyłączać turbiny wiatrowe chroniąc się przed nadprodukcją energii), jak i poprzez dynamikę zmian połączeń torów trakcji dystrybucji prądu realizowaną z wykorzystaniem IED. Dlatego aby podejmować właściwe decyzje, trzeba znać stan faktyczny, super pewną informację „tu i teraz”  –  zarówno lokalnie jak i globalnie.

Do bieżącej oceny stanu energetycznego służą rozproszone po całym obszarze / regionie / kraju sensory PMU (ang. Phasor Measurement Unit) wyposażone w lokalne zegary. Muszą być one zsynchronizowane z dokładnością 1μs podobnie jak IED, czyli urządzenia wykonawcze zestawiania połączeń. Monitorowanie systemu zakłada, że informacje pozostałe po filtracji (odsiewane są np. dane, które docierają z nieakceptowalnym opóźnieniem) z dużym prawdopodobieństwem odzwierciedlają faktyczny stan energetyczny.

Bazując na tym, centrala zarządzania ekstrapoluje sytuację w kolejnej chwili przyszłości, wydając do IED instrukcje sterowania trakcją. Tak powstaje zmienna w czasie, dynamiczna struktura przesyłu energii w smart grid, której stabilność zależy od czasu i synchronizacji.

- Reklama -

Treści PREMIUM

Otrzymuj cotygodniowy e-mail od BrandsIT, który sprawia, że czytanie wiadomości jest naprawdę przyjemne. Dołącz do naszej listy mailingowej, aby być na bieżąco i uzyskać dotęp do treści PREMIUM za darmo.

- Reklama -