Aplikacje inteligentnych sieci smart-grid.

Wydział Energetyki pry Austriackim Instytucie Technologicznym pracuje nad przyszłością branży elektroenergetycznej, rozwijając koncepcje automatyki dla inteligentnej dystrybucji energii w inteligentnych sieciach energetycznych. Sieci te odznaczają się rozproszoną, heterogeniczną architekturą, więc do ich budowy najlepiej nadaje się system sterowania typu open source, spełniający wymagania normy IEC 61499. Osadzony w tym standardzie  jako bloki funkcyjne interfejsu serwisowego (SIFB) dla węzłów master i slave, POWERLINK staje się podstawowym protokołem komunikacji w czasie rzeczywistym przez sieć Ethernet w aplikacjach inteligentnych sieci energetycznych.

Malejące zapasy paliw kopalnych i problemy wynikające z ich spalania, takie jak zjawisko globalnego ocieplenia, sprawiają, że przyszłość światowych źródeł energii zależy od możliwości uzupełniania ich o źródła odnawialne (OZE). Niektóre źródła odnawialne, szczególnie konwertery fotowoltaiczne i farmy wiatrowe, podlegają zmiennym siłom natury, a zatem dostarczają prąd mniej regularnie, niż tradycyjne źródła produkcji. Dlatego też przyszłość będzie wymagała liczniejszych i lepszych środków przechowywania energii. Obiekty, takie jak np. budynki, będą zużywały mniej energii, zaś część z nich będzie wymagała jej dostaw w określonych porach, a w innych będą stawały się źródłami prądu.

Inteligentne sieci elektroenergetyczne to konieczność

Opisany powyżej wieloaspektowy model produkcji i poboru energii stoi w sprzeczności z prostym, tradycyjnym podejściem, w myśl którego istnieje jeden, duży dostawca i mnóstwo niewielkich odbiorców. Wymaga on sieci dystrybucyjnych różniących się od istniejących tym, że będą musiały umożliwiać przepływ energii nie w jednym, a w wielu kierunkach. Dlatego inteligentne sieci energetyczne muszą reagować na informacje pozyskiwane od jednostek wytwórczych, magazynów energii i odbiorców oraz wymieniane z tymi jednostkami.

Nie można mierzyć się lokalnie z wyzwaniami na kontynentalnym poziomie, takimi jak rozwój inteligentnych sieci elektroenergetycznych. Dlatego Unia Europejska uruchomiła inicjatywę o nazwie European Electricity Grid Initiative (EEGI) w ramach SET-Plan (Strategic Energy Technology Plan), tj. planu dla strategicznych technologii elektroenergetycznych. Działania inicjatywy są koordynowane przez Wydział Energetyki przy Austriackim Instytucie Technologicznym, który jest źródłem wiedzy eksperckiej o sieciach inteligentnych dla International Smart Grid Action Network (ISGAN) i European Energy Research Alliance (EERA).

Otwarty standard to konieczność

– Jednym z wyzwań, któremu stawiamy czoła, jest heterogeniczna struktura urządzeń sieci elektroenergetycznych – mówi dr Thomas Strasser, Senior Scientist, Austriacki Instytut Technologiczny.

Od końca 2010 r. dr Strasser, kształcący się w inżynierii mechanicznej, zarządza projektem polegającym na instalacji uniwersalnego laboratoryjnego środowiska do badania i symulowania algorytmów sieci dystrybucyjnych oraz systemów inteligentnych sieci energetycznych i ich składników. Gdy środowisko laboratoryjne zostanie ukończone, co nastąpi w drugiej połowie 2012 r., będzie służyło do weryfikacji i optymalizacji implementacji strategii dystrybucji energii elektrycznej na wszystkich etapach rozwoju – od pełnych symulacji po [IZC1] emulację urządzeń zapętlonych i systemów portowanych.

– Implementacje regulacji dystrybucji energii oparte o systemy IT muszą współdziałać z istniejącymi systemami lokalnymi, a także wymagają stabilności i możliwości adaptacji w długim czasie – dodaje dr Strasser. – Dlatego wykluczone jest korzystanie z własnościowych, zastrzeżonych mechanizmów sterowania i protokołów komunikacji. Zamierzamy oprzeć szkielet komunikacji na rozwiązaniach otwartych, takich jak POWERLINK.

Strategie wdrożeniowe systemów dystrybucji energii opartych na infrastrukturze IT, z których korzystają wiedeńscy naukowcy, wynikają z normy IEC 61499. Celem normy jest stworzenie przenośnych aplikacji sterujących niezależnych od platform sprzętowych. Dlatego określa ona powszechnie działający model dla rozproszonych systemów regulacji, zastępując model wykonania cyklicznego (oparty na starszych normach) modelem uruchamianym zdarzeniami. Nowszy model oparto na filozofii obiektów z blokami funkcyjnymi. Naukowcy wdrażają środowiska inżynierskie i wykonywania programów w ramach 4DIAC (Framework for Distributed Industrial Automation & Control), otwartego systemu sterowania przeznaczonego dla aplikacji rozproszonych zgodnych z normą IEC 61499.

Komunikacja niezależna od topologii

Komunikacja między procesorami głównymi systemu sterowania i zdalnymi jednostkami wejść/wyjść w obrębie rozproszonej architektury wymaga szybkiego i wszechstronnego protokołu komunikacji. – Zależy nam na przemysłowych rozwiązaniach standardu Ethernet. Wierzymy, że tak powszechnie stosowany protokół będzie używany przez wiele kolejnych lat – twierdzi mgr Filip Andrén, inżynier elektryk-automatyk kierujący pracami wdrożeniowymi. – Najważniejszymi kryteriami wyboru były: całkowita niezależność od ograniczeń topologicznych, możliwość nawiązywania bezpośredniej komunikacji oraz dostępność rozwiązania w formie open source.

Po przeanalizowaniu konkurencyjnych protokołów stosowanych w gałęziach przemysłu, naukowcy uznali, że tylko jeden system spełnia wszystkie stawiane przez nich wymagania.

– Większość przemysłowych systemów Ethernet nie jest dostępna w standardzie open source –  mówi dr Thomas Strasser. – POWERLINK to jedyny system, dla którego opublikowano implementacje open source w postaci kodu źródłowego i który dostępny jest również na licencji BSD3 (Berkeley Software Foundation), dzięki czemu architekci systemów mogą pracować z nieskrępowaną swobodą, jednocześnie chroniąc własną wiedzę fachową o aplikacji.

– Cenną przewagą wybranego rozwiązania jest fakt, że właścicielem wszystkich praw patentowych jest Ethernet POWERLINK Standardisation Group (EPSG) – dodaje Filip Andrén. – Prawa do użytkowania patentów będą zatem przenoszone wraz z licencją, co zabezpieczy użytkowników przed potencjalnymi konfliktami prawnymi.

POWERLINK – standard Smart Grid

POWERLINK, dzięki swojej otwartości, jest nie tylko technologią gwarantująca swobodę rozwoju teraz i w przyszłości ale jednocześnie najlepszym rozwiązaniem dla komunikacji ze zdalnymi jednostkami wejść/wyjść w systemach sterowania o zdecentralizowanej architekturze, takich jak 4DIAC. Ograniczając się wyłącznie do wprowadzenia klas obiektów dla węzłów nadrzędnych i podrzędnych oraz dla przekształceń między procesami zależnymi od czasu i zdarzeń, Filip Andrén i Thomas Strasser dokonali pełnej integracji z otwartym systemem sterowania zgodnie z wymaganiami IEC 61499. Za pomocą bloków funkcyjnych interfejsu serwisowego (SIFB), umożliwiających komunikację poprzez POWERLINK, naukowcy stworzyli środowisko komunikacyjne, które można łatwo i szybko dostosować do różnych urządzeń bez modyfikowania samego oprogramowania.

Opracowane bloki SIFB zostaną wydane w drugiej połowie 2012 r. jako implementacje open source i wprowadzone do systemu 4DIAC.Między innymi, będzie to podstawą projektu sieci energetycznej typu MAS (Multi Agent System), w której rozproszone systemy lokalne będą współpracowały ze sobą bez scentralizowanego inteligentnego systemu sterowania. POWERLINK stanie się jedynym całkowicie odpowiadającym normie IEC 61499 standardem zaawansowanej komunikacji danych w inteligentnych sieciach dystrybucji energii elektrycznej.

 „Zamierzamy oprzeć szkielet komunikacji na rozwiązaniach otwartych, takich jak POWERLINK." Dr. Thomas Strasser, Senior Scientist.