Jak těžké je předcházet opakovaným výpadkům proudu v Portoriku?

Výzkumníci z Laboratoře pro informační a rozhodovací systémy (LIDS) na MIT ukázali, že použití softwaru pro rozhodování a dynamické monitorování počasí a spotřeby energie může významně zlepšit odolnost vůči výpadkům souvisejícím s počasím a může také pomoci efektivně integrovat obnovitelné zdroje energie do sítě.

Výzkumníci poukazují na to, že navrhovaný systém mohl zabránit nebo alespoň zmírnit rozsáhlý výpadek proudu, jaký Portoriko zažilo minulý týden, poskytnutím analýzy pro navádění přesměrování proudu různými vedeními a tak omezení šíření výpadku.

Počítačová platforma, kterou výzkumníci popisují jako DyMonDS (Dynamic Monitoring and Decision Systems), může být použita ke zlepšení stávajících provozních a plánovacích postupů používaných v elektrotechnickém průmyslu. Platforma podporuje interaktivní výměnu informací a rozhodování mezi provozovateli sítě a uživateli na okraji sítě – všemi distribuovanými zdroji energie, systémy ukládání energie a softwarem, které přispívají k síti. Podporuje také optimalizaci dostupných zdrojů a řídícího vybavení sítě, jak se mění systémové podmínky. Dále se hodí k implementaci kooperativního rozhodování různými uživateli elektrické sítě vlastněnými utility a ne-utility, včetně portfolií smíšených zdrojů, uživatelů a úložišť. Provoz a plánování interakcí celkové vysokonapěťové přenosové sítě s místními distribučními sítěmi a mikrosítěmi představuje další hlavní potenciální využití této platformy.

Tento obecný přístup byl ilustrován pomocí souboru veřejně dostupných dat o meteorologii a podrobnostech o výrobě a distribuci elektřiny v Portoriku. Rozšířený software AC Optimal Power Flow vyvinutý společností SmartGridz Inc. se používá pro optimalizaci řídícího zařízení na úrovni systému. To poskytuje pokyny v reálném čase pro rozhodování o tom, kolik energie a kterými přenosovými vedeními by se mělo kanálovat úpravou dispečinku elektrárny a nastavení souvisejících s napětím a v extrémních případech, kde snížit nebo odpojit napájení, aby se zachovala fyzicky implementovatelná služba pro co největší počet zákazníků.

Tým zjistil, že použití takového systému může pomoci zajistit, aby i během hurikánu byla zachována energie pro největší počet kritických služeb, a zároveň může vést k podstatnému snížení potřeby výstavby nových elektráren díky efektivnějšímu využívání stávajících zdrojů.

Zjištění jsou popsána v článku v časopise Foundations and Trends in Electric Energy Systems, výzkumníky MIT LIDS Marijou Ilič a Laurentiu Antonem spolu s nedávnou absolventkou Ramapathi Jaddivadou.

„Použitím tohoto softwaru,“ říká Ilič, ukazují, že „i během špatného počasí, pokud předpovídáte poruchy zařízení a pomocí této výměny informací můžete lokalizovat účinek poruch zařízení a stále obsluhovat mnoho zákazníků, 50 procent zákazníků, zatímco jinak by došlo k výpadku proudu.“

Anton říká, že „způsob, jakým se dnes mnoho sítí provozuje, je suboptimální.“ Výsledkem je, že „jsme ukázali, jak by se mohly zlepšit i za normálních podmínek, bez jakýchkoli poruch, využitím tohoto softwaru.“ Úspory vyplývající z této optimalizace za každodenních podmínek by mohly být v desítkách procent, říkají.

Způsob, jakým systémy utility v současnosti plánují, říká Ilič, „obvykle standardem je, že musí vybudovat dostatečnou kapacitu a pracovat v reálném čase tak, aby v případě selhání jednoho velkého kusu zařízení, jako je velký generátor nebo přenosové vedení, stále obsluhovali zákazníky nepřerušovaným způsobem. Tomu se říká N-minus-1.“ Podle této politiky, pokud selže jedna hlavní součást systému, měli by být schopni udržovat služby alespoň 30 minut. Tento systém umožňuje společnostem utility plánovat, kolik rezervní generující kapacity musí mít k dispozici. To je drahé, zdůrazňuje Ilič, protože to znamená udržovat tuto rezervní kapacitu po celou dobu, i za normálních provozních podmínek, kdy není potřeba.

Kromě toho, „v současné době neexistují žádná kritéria pro to, čemu říkám N-minus-K,“ říká. Pokud špatné počasí způsobí, že současně selže pět kusů zařízení, „neexistuje žádný software, který by pomohl společnostem utility rozhodnout se, co naplánovat“ z hlediska udržení co největšího počtu zákazníků a nejdůležitějších služeb, jako jsou nemocnice a záchranné služby, zásobovaných energií. Ukázali, že i s 50 procenty infrastruktury mimo provoz by stále bylo možné udržet tok energie pro velkou část zákazníků.

Jejich práce na analýze energetické situace v Portoriku začala poté, co ostrov byl zničen hurikány Irma a Maria. Většina kapacity výroby elektřiny je na jihu, zatímco největší zátěže jsou v San Juanu na severu a Mayaguezu na západě. Když se přenosová vedení zřítí, je potřeba rychle přesměrovat hodně energie.

S novými systémy „software najde optimální úpravy pro nastavení bodů,“ například změna napětí může umožnit přesměrování energie méně přetíženými vedeními nebo může být zvýšena tak, aby se snížily ztráty energie, říká Anton.

Software také pomáhá při dlouhodobém plánování sítě. Vzhledem k tomu, že mnoho elektráren na fosilní paliva má být brzy vyřazeno z provozu v Portoriku, stejně jako na mnoha jiných místech, je plánování toho, jak nahradit tuto energii bez nutnosti uchýlit se k zdrojům produkujícím skleníkové plyny, klíčem k dosažení cílů snižování emisí uhlíku. A analýzou vzorců využívání může software řídit umístění nových obnovitelných zdrojů energie tam, kde mohou nejefektivněji dodávat energii tam, kde a kdy je potřeba.

Když jsou elektrárny vyřazeny z provozu nebo jsou součásti ovlivněny počasím, „chtěli jsme zajistit dispečink energie, když se změní zatížení,“ říká Anton, „ale také když se ztratí kritické součásti, abychom zajistili robustnost v každém kroku plánu vyřazení z provozu.“

Jedna věc, kterou zjistili, byla, že „pokud se podíváte na to, kolik generační kapacity existuje, je to více než špičkové zatížení, i když vyřadíte několik fosilních elektráren,“ říká Ilič. „Ale je těžké to doručit.“ Strategické plánování nových distribučních vedení by mohlo znamenat velký rozdíl.

Jaddivada, ředitel inovace ve společnosti SmartGridz, říká, že „hodnotili jsme různé možné architektury v Portoriku a ukázali jsme schopnost tohoto softwaru zajistit nepřerušovanou elektrickou službu. Toto je nejdůležitější výzva, kterou mají dnes energetické společnosti. Musí projít výpočetně zdlouhavým procesem, aby zajistily, že síť bude fungovat při jakémkoli možném výpadku v systému. A to lze provést mnohem efektivnějším způsobem pomocí softwaru, který společnost vyvinula.“

Projekt byl společným úsilím výzkumníků MIT LIDS a dalších na MIT Lincoln Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory, s celkovou pomocí softwaru SmartGridz.