Budowa wirtualnej elektrowni w otwartym standardzie komunikacji VHPready
Struktura wytwarzania energii oraz sposób jej przesyłu ulegają zmianie na naszych oczach. Trend nazywany „ideą sieci inteligentnych” bądź „smart grid”, zapoczątkowany w Europie Zachodniej, w szybkim tempie zmierza również do Polski. Decentralizacja źródeł, prosumencki charakter odbiorców końcowych, elastyczny wybór dostawcy czy rynek energii to zjawiska, które z jednej strony ułatwiają życie konsumentom, chronią środowisko, ograniczają straty energii, jednak z drugiej stawiają dodatkowe wymagania techniczne oraz organizacyjne dostawcom energii.
Coraz większy problem dla dystrybutorów stanowią w ostatnich latach podłączane do sieci mikroźródła oraz odnawialne źródła energii. Dotychczas zdecentralizowany rynek energii ulega zmianie poprzez wprowadzanie do systemu energii pochodzącej z mikroźródeł OZE.
Model systemu elektroenergetycznego, oparty na centralnych elektrowniach konwencjonalnych, przekształca się w zespół współzależnych mikrosystemów tworzonych przez prosumentów uczestniczących w rynku energii poprzez wprowadzanie jej do sieci elektroenergetycznej na poziomie niskiego i średniego napięcia. Rozpoczęty kilkanaście lat temu proces wiąże się z coraz bardziej skomplikowaną integracją różnorodnych technologii i urządzeń w ramach jednego systemu.
Bezpieczna i łatwiejsza integracja rozproszonych źródeł wytwórczych jest możliwa poprzez standaryzację wymagań Operatorów Systemu Dystrybucyjnego w celu stworzenia otwartych standardów komunikacji. Drogą do tego jest opracowanie uniwersalnych modeli danych dla obiektów energetycznych oraz źródeł wytwórczych ze ściśle określoną listą sygnałów oraz wymaganiami w zakresie wzajemnej komunikacji, aspektów technicznych urządzeń oraz cyberbezpieczeństwa. Nowoczesna energetyka wytwórcza oparta na rozproszonych źródłach generacji powinna wykazywać takie cechy jak:
- interoperacyjność – zgodność, by współpracować z innymi produktami lub systemami,
które istnieją, bądź mogą istnieć w przyszłości, bez jakiegokolwiek ograniczenia dostępu
lub ograniczonych możliwości implementacji, - interwymienność – elastyczność w zastępowaniu urządzenia jednego producenta urządzeniem drugiego, innego po względem parametrów fizycznych, lecz identycznego funkcjonalnie (orientacja na obiekt, nie na poszczególne urządzenia).
Rys. 1. VHPready – otwarty standard integracji rozproszonych źródeł OZE
VHPready – otwarty standard komunikacji
Efektem współpracy WAGO oraz pozostałych partnerów w zakresie przemysłu, energetyki, badań i rozwoju jest powstanie otwartego standardu przemysłowego VHPready (Virtual Heat & Power Ready), integrującego ze sobą rozproszone źródła energii elektrycznej i ciepła, prosumentów oraz magazyny energii w ramach tzw. wirtualnych elektrowni. Głównym celem VHPready jest standaryzacja energetyki prosumenckiej poprzez uniwersalne modele danych.
Elektrownia wirtualna to zespół kilku zdecentralizowanych producentów energii, najczęściej ze źródeł odnawialnych, takich jak: instalacje fotowoltaiczne, parki wiatrowe lub biogazownie, którzy tworzą wzajemnie zarządzalny zespół wytwórczy. Standard VHPready definiuje modele danych w zakresie: wymagań technicznych, komunikacji oraz szyfrowania dzięki czemu nie wymagane są dodatkowe nakłady inżynieryjne.
Podstawowe korzyści z zastosowania otwartego standardu VHPready to:
- oszczędność czasu i miejsca przy rozbudowie wirtualnej elektrowni ze względu
na standardowy interfejs komunikacyjny, - korzystanie z modelu wspierania bezpośredniej sprzedaży dzięki standardowej integracji z elektrownią wirtualną,
- uproszczenie i przyspieszenie procedury poprzez certyfikację dostawców,
- zapewnienie kompatybilności wstecznej i wyprzedzającej między kolejnymi generacjami urządzeń/systemów,
- dbałość o korzyści dla spółek dystrybucyjnych i przesyłowych poprzez czuwanie nad bezpieczną rozbudową systemu w kontekście konieczności integracji energii ze źródeł odnawialnych,
- poprawa sterowności i monitoringu wirtualnych elektrowni,
- zapewnienie stabilności sieciowej dzięki zastosowaniu standaryzowanych urządzeń energetycznych,
- lepsza integracja urządzeń energetycznych w celu wykonywania usług systemowych,
- rezygnacja z konieczności dopasowywania urządzenia do indywidualnego projektu
dzięki temu następuje redukcja różnorodności wariantów systemów, - w rezultacie oszczędność na kosztach prac rozwojowych, jak również nakładów w zakresie serwisowania, dokumentacji oraz szkoleń produktowych.
Kompatybilność ze standardem VHPready
Wszystkie komponenty oraz urządzenia wchodzące w skład wirtualnych elektrowni opartych
o standard VHPready muszą spełniać odpowiednie wymagania w zakresie:
- technicznych aspektów budowy mikroźródeł OZE,
- sterowania oraz protokołów komunikacyjnych,
- wymiany informacji,
- cyberbezpieczeństwa.
Wymagania te zapewniają sprawną integrację infrastruktury technicznej źródła wytwórczego
do systemu wirtualnej elektrowni. Najważniejsze aspekty, na które standard VHPready kładzie nacisk to:
- ciągłość i niezawodność pracy lokalnego źródła generacji energii elektrycznej/ciepła,
- optymalne wykorzystanie technik magazynowania energii,
- planowe i spontaniczne zarządzanie/sterowanie pracą rozproszonych źródeł,
- bezpieczeństwo i niezawodność wymiany informacji.
Wymagania ogólne
Do najważniejszych części systemu kompatybilnego z VHPready zalicza się pierwotne
oraz wtórne źródło energii elektrycznej i ciepła, jak również centralny system nadrzędny. Elementami dodatkowymi są pozostałe generatory, magazyny energii oraz systemy pomiarowe. Wymiana danych
z systemem nadrzędnym odbywa się przy wykorzystaniu modemów GSM/DSL oraz spełnieniu odpowiednich wymagań w zakresie cyberbezpieczeństwa.
Rys.2. Wymiana informacji zgodna ze standardem VHPready
Wymiana informacji odbywa się poprzez sieć IP. Z wielu istniejących protokołów telemetrycznych wybrano sprawdzone już na rynku protokoły IEC 60870-5-104 i IEC 61850-7-420. Standard VHPready definiuje modele danych w zakresie komunikacji oraz szyfrowania informacji przy wykorzystaniu protokołów SSL/TLS oraz PKI. Natomiast synchronizacja czasu następuje poprzez wykorzystanie protokołów SNTP/NTP.
Obsługiwane protokoły zgodne ze standardem VHPready:
- IEC 60870-5-104
- IEC 61850-7-420
- TCP/IP
- SSL/TLS/PKI
- SNTP/NTP
W celu uzyskania optymalnego poziomu bezpieczeństwa danych, komponenty VHPready podłączone są do nadrzędnego systemu sterowania przy użyciu wyselekcjonowanych protokołów zabezpieczających. Fizycznie, połączenie chronione może bazować na komunikacji DSL bądź GSM/GPRS wykorzystując publicznie dostępną sieć poprzez protokół IP.
Rys. 3. Cyberbezpieczeństwo systemu poprzez sieć VPN
Ze względu na rozproszenie punktów sterowania i ogromną liczbę danych do analizy, wirtualne elektrownie wymagają sprawdzonych i skutecznych technologii komunikacyjnych, zapewniających cyberbezpieczeństwo i odpowiedzialne dzielenie się danymi. Dlatego standard VHPready stawia wysokie wymagania dotyczące bezpieczeństwa przesyłu danych wobec wszystkich wykorzystywanych urządzeń. Zdalny dostęp do urządzeń jest szyfrowany przy pomocy „Virtual Private Network“ (VPN). Do wyboru są protokoły OpenVPN i IPsec. Tunel VPN łączy sterownik z siecią przez GPRS i transmituje dane w zaszyfrowanej formie dzięki SSL i TLS, zapewniając optymalna ochronę przed dostępem osób niepożądanych. Certyfikowane moduły VHPready VPN są używane do identyfikacji autoryzowanych źródeł danych. Dzięki temu nieuprawnieni użytkownicy nie są w stanie nawiązać komunikacji z systemem nadrzędnym wirtualnej elektrowni.
Certyfikacja urządzeń
Członkowie Stowarzyszenia Forum Przemysłowego VHPready aktywnie uczestniczą w pracach nad rozwojem programu certyfikacji oraz opracowaniu odpowiednich do tego narzędzi. W ramach certyfikacji sprawdza się, czy dany system wytwórczy spełnia wymagania standardu VHPready i czy możliwe jest wprowadzenie takiego rozwiązania na terenie danego Operatora Systemu Dystrybucyjnego zgodnie z obowiązującymi przepisami i wymaganiami technicznymi. Standard VHPready, tworząc uniwersalne modele danych obiektów energetycznych, wspierając wybrane protokoły komunikacji oraz szyfryzacji danych zapewnia interoperacyjność i interwymienność systemu, dzięki czemu centrum nadrzędne jest w stanie wymieniać informacje z zdecentralizowanymi źródłami wytwórczymi bez dodatkowych badań zgodności infrastruktury technicznej obiektów podłączanych.
Kluczowym aspektem powstania „inteligentnych sieci” smart grids jest standaryzacja wymagań. Bezpieczna i łatwiejsza integracja rozproszonych źródeł wytwórczych jest możliwa poprzez ujednolicenie wymagań Operatorów Systemu Dystrybucyjnego współpracujących ze sobą w ramach na rzecz stworzenia otwartych standardów komunikacji. Drogą do tego jest opracowanie uniwersalnych modeli danych dla obiektów energetycznych z uwzględnieniem wymagań w zakresie aspektów technicznych, wymiany danych, komunikacji oraz bezpieczeństwa.
Adrian Dałek, WAGO.PL