Das Ovation™ Microgrid-Regelungssystem funktioniert als einheitliche Regelungsarchitektur, die kontinuierlich den Systemzustand überwacht und Regelungsmaßnahmen über verteilte Energieressourcen, Lasten und elektrische Infrastruktur hinweg koordiniert. Aufbauend auf der integrierten Regelungsplattform von Ovation ist der Microgrid-Betrieb um drei eng miteinander verbundene Elemente organisiert: Standard-Regelungsfunktionen, die für Transparenz und Stabilität des Kernsystems sorgen, eingebettetes Energiemanagement, das Betriebsziele und -einschränkungen bewertet, sowie eine integrierte Elektrizitätsregelung, die den Energiefluss und Systemumstellungen verwaltet. Zusammen ermöglichen diese Elemente dem Ovation Microgrid-Regelungssystem, dynamisch auf sich ändernde Bedingungen zu reagieren und gleichzeitig einen zuverlässigen Microgrid-Betrieb aufrechtzuerhalten.
Integrierte Standard-Regelungsfunktionen
Datenerfassung
Ovation E/A-Module erfassen Daten jede Sekunde oder alle 100 Millisekunden, um Regelungsanwendungen oder Anforderungen an die Datenerfassung zu unterstützen. Spezielle Ovation Erstwertmeldungen-Module bieten eine Ereignisabfolge-Zeitstempelauflösung von 1/8 Millisekunden. Das Regelungssystem ruft außerdem Informationen ab, typischerweise in Intervallen von 1 bis 5 Sekunden, mithilfe von Kommunikations-Datenanbindungsprotokollen wie IEC 61850, Modbus, IEC 60870-5-104, OPC und DNP3.
Die gesammelten Daten können über das Ovation-Netzwerk übertragen und für Bedienstationen, Bedienfelder und Prozess-Historians verwendet werden.
Prozessgrafiken
Jedes Ovation-System wird mit projektspezifischen Grafiken, wie z. B. einzeiligen Diagrammen, geliefert, die den Microgrid-Status in Echtzeit anzeigen. In die Grafik eingegebene Steuerparameter verwalten Microgrid-Prozesse automatisch. Darüber hinaus werden kritische Analogwerte wie Busspannungen, Frequenz, Energiefluss, Temperaturen, Wechselrichterstatus, Schalter- und Trennschalterpositionen angezeigt.
Alarmmanagement
Das Ovation-Regelungssystem umfasst ein integriertes intelligentes Alarmmanagementsystem, das Microgrid-Alarme priorisiert, damit Probleme schnell isoliert und behoben werden können.
Mit dem Ovation-Alarmmanagementsystem kann der Bediener auf wichtige Microgrid-Situationen aufmerksam gemacht werden, die vom normalen Betrieb abweichen. Abnormale Bedingungen, wie z. B. Punkte außerhalb des Bereichs (hohe oder niedrige elektrische Busspannung oder -frequenz), digitale Zustandsänderungen (Öffnen des Netzschalters oder Betätigung des automatischen Umschalters) und Zeitüberschreitungen werden auf den Ovation-Bedienerstationen als Alarm ausgegeben. Die auf den Bedienstationen angezeigten Alarme werden außerdem an einen Alarmdrucker und den Ovation Prozess-Historian gesendet, der ein chronologisches Protokoll aller Prozessalarme und der darauf folgenden Bedienereingriffe erstellt.
Datenarchivierung
Der Ovation Prozess-Historian ermöglicht die Massenspeicherung sowie die Abfrage großer Mengen von Prozessdaten, Alarmen, Protokollen der Ereignisabfolge und Bedienereingaben an das Ovation System. Vom Ovation-System kontinuierlich erfasste Daten werden zum Abrufen und Analysieren im Historian archiviert. Die Datenaufbewahrung durch den Prozess-Historian ist nur durch den Speicherplatz begrenzt, der durch Bandlaufwerke oder ein DVD-Laufwerk erweitert werden kann.
Berichterstellung
Der Ovation Prozess-Historian enthält ein Berichtssystem, das relevante Verlaufsdaten in verschiedenen Formaten darstellt. Für gängige Berichtsaufgaben können vordefinierte Vorlagen verwendet werden. Für komplexere Datenanalysen stehen benutzerspezifische Berichtsfunktionen zur Verfügung. Berichte können automatisch auf Stunden-, Schicht-, Tages-, Monats- oder Jahresbasis erstellt werden.
Energiemanagement für eine koordinierte Microgrid-Regelung
Schutz vor hohen Macrogrid-Nachfragegebühren
Ein Microgrid kann eine „gemeinsame Kopplungsstelle" mit dem Verteilungsunternehmen (oder Makronetz) und eine Tarifstruktur/einen Vertrag haben, der die maximale Energiemenge (MWh) festlegt, die in einer bestimmten Bedarfsperiode verbraucht werden darf. Bei Überschreitung dieser Grenze können dem Microgrid-Manager dauerhaft höhere Leistungsentgelte entstehen.
Da der Verbrauchsbedarf als Energie (MWh) und nicht als Leistung (MW) gemessen wird, prognostiziert das Ovation-System den Energieverbrauch am Ende des Zeitraums. Erwartete Fehler werden geschätzt, indem die aktuelle Stromverbrauchsrate gemessen und auf das Ende der Bedarfsperiode hochgerechnet wird. Wenn der vorhergesagte Wert die maximale Bedarfsgrenze überschreitet, reduziert das Ovation-System automatisch die Last oder erhöht die Erzeugung aus Erzeugungsressourcen oder Energiespeichern, um den Energieverbrauch aus dem Makronetz zu begrenzen. Außerdem wird ein Alarm ausgegeben, um den Bediener zu alarmieren, damit er Korrekturmaßnahmen ergreift.
Regelung des Energieflusses und Spannungsregelung am gemeinsamen Kopplungspunkt
Macrogrid-Betreiber betrachten Microgrids als verteilte Energieressourcen, deren Energieverbrauch oder Versorgungsrate und deren Auswirkung auf die Systemspannung streng kontrolliert werden müssen. Während Microgrid-Betreiber Energie über das Macrogrid verkaufen und liefern können, können sie auch eine kritische Spannungsstützung nicht nur für das Microgrid selbst, sondern auch für das Macrogrid bereitstellen.
Das Ovation-System steuert den Energiefluss und die Spannungsregelung an der „gemeinsame Kopplungsstelle“ auf vorgegebenen Sollwerten, die durch Hochgeschwindigkeit-Reaktionen auf Bedarfsänderungen oder die Verfügbarkeit von Ausrüstung stets erreicht werden. Microgrid-Regelungsziele beinhalten oft die Maximierung der Erzeugung durch erneuerbare Energie und die Minimierung der Strombezugskosten. Wenn ein Microgrid mehr Strom erzeugt, als von seiner internen Last nachgefragt wird, steuert das Ovation-System den Energiefluss zu Energiespeicherressourcen, zum Macrogrid oder zu beiden, wie vom Betreiber festgelegt.
In Situationen, in denen ein Microgrid nicht genug Strom erzeugen kann, um die internen Lasten zu befriedigen, kann das Ovation-System nicht unbedingt erforderliche Lasten trennen (oder abwerfen), um die Notwendigkeit einer Stromaufnahme aus dem Makrogrid zu minimieren, wenn dies wirtschaftlich vorteilhaft ist. In ähnlicher Weise wird das Ovation-System Microgrid-Lasten abwerfen, wenn ein Wetter- oder anderes Notfallereignis den Betrieb des Macrogrids stört, sodass das Microgrid nicht den benötigten Strom beziehen kann. Es wird dies in der Reihenfolge von der am wenigsten bis zur am meisten wesentlichen Last tun und seine Fähigkeit bewahren, autonom zu arbeiten und die wesentlichsten Lasten so lange wie möglich selbst zu versorgen.
Optimierung von Energieerzeugung, -speicherung und -bezug
Microgrids umfassen eine beliebige Anzahl von Energieversorgungs-, Energiespeicher- und anpassbaren Lastressourcen (Energieverbrauch). Sie haben auch die Möglichkeit, Energie von Lieferanten und Kunden zu kaufen oder an diese zu verkaufen, die an das Makronetz angeschlossen sind. Verteilte Energieressourcen können verschiedene Brennstoffe verwenden, die jeweils unterschiedliche Kosten und Umweltauswirkungen haben.
Die Leistungsziele von Microgrids konzentrieren sich oft auf die Minimierung der Energiekosten, die Minimierung der gesamten Umweltauswirkungen oder eine Kombination aus beidem. Die integriertenneuester Ovation Anwendungen für die Energieerzeugungvon Emerson verwenden modernste Optimierungstechnologien, um Microgrid-Betreiber beim Erreichen ihrer Leistungsziele zu unterstützen. Die Anwendungen ermitteln die besten Regelsollwerte, um das Management verteilter Energieressourcen zu optimieren.
Leistungsberechnungen
Der Global Performance Advisor von Emerson ist verfügbar, um die Effizienz aller Gas- und/oder Dampf-Turbogeneratoren im Microgrid zu berechnen. Der Advisor Monitor ermöglicht es Betreibern, kontrollierbare Verluste zu identifizieren, die Anlagenleistung im Vergleich zu Konstruktionsmerkmalen zu verfolgen und problematische Prozessbereiche schnell zu identifizieren, um die Betriebskosten zu senken. Diese Lösung bietet einen kompletten Satz von Berechnungen der Kessel- und Turbinenleistung (basierend auf ASME Performance Test Codes), der auf die spezifischen Anlagen und Ausrüstung abgestimmt ist.
Elektrizitätsregelung für sicheren Microgrid-Betrieb
Schutzschaltersteuerung und Anschluss an IEDs
Die im Ovation-System eingebettete Schutzschalterregelungslogik ermöglicht es einem Bediener, über einzeilige Diagramme, die auf Bedienerstationen angezeigt werden, die Befehle ÖFFNEN und SCHLIESSEN zu erteilen. Bevor ein Vorgang ausgeführt wird, prüft die Logik, ob sich der Schutzschalter im richtigen Zustand befindet, um diesen Vorgang auszuführen. Wenn ein Befehl erteilt wird und die Statusanzeige innerhalb einer bestimmten Zeitspanne nicht den neuen Zustand widerspiegelt (d. h. der Schutzschalter zeigt nicht an, dass der Vorgang erfolgreich war), wird ein Alarm generiert.
Das Ovation-System überwacht kontinuierlich die Stromqualität des Makronetzes. Wenn ein Macrogrid-Problem erkannt wird, kann Ovation den Schutzschalter an der gemeinsamen Kopplungsstelle innerhalb von 50 Mikrosekunden öffnen. Durch diese Aktion wird das Microgrid sofort isoliert, wodurch seine Fähigkeit geschützt und erhalten bleibt, weiterhin die native Last zu versorgen.
Ovation kommuniziert mit intelligenten elektronischen Geräten (IEDs) unter Verwendung verschiedener Protokolle:
- Modbus über serielle RS485-Verbindung
- Modbus über TCP/IP
- DNP
- Profibus
- IEC 61850
- IEC 60870-5, IEC 60870-5
Lastabwurf
Lastabwurf ist eine wichtige Regelungsfunktion für Microgrids. Die Ovation-Anwendungen für Notfallanalysen und Lastabwurf reagieren automatisch auf elektrische Störungen wie den Ausfall des Netzes oder des Stromerzeugers, um stabile Zustände wiederherzustellen.
Wenn eine Stromquelle wie ein Netz, ein Generator oder ein Verbindungsschalter an einem Erzeugungsbus ausfällt (ein Notfall), muss die entsprechende Last in der ursprünglich von dieser Stromquelle gelieferten Menge sofort abgeworfen werden. So wird sichergestellt, dass die verbleibenden Stromerzeuger nicht überlastet werden und Störungen für das Microgrid minimiert werden.
Wenn die Last nicht sofort reduziert wird, um der verfügbaren Erzeugung gerecht zu werden, kommt es zu einem Blackout des Microgrids.
Die Lastabwurfanwendung der Ovation-Plattform wählt die Zuleitungen, die abzuwerfende Lasten versorgen, aus einer Liste verfügbarer Zuleitungen aus. Die Auswahl der Zuleitungen erfolgt in der Reihenfolge von den am wenigsten bis zu den kritischsten. Die Logik prüft ebenso, ob der Lastabwurfschalter für die automatische Auslösung verfügbar ist (geschlossen und mit MW Durchfluss) und mit dem importierenden Bus verbunden ist, nicht mit dem exportierenden Bus.
Die Liste der Schutzschalter für jeden möglichen Lastabwurffall wird kontinuierlich aktualisiert und an die Regeleinrichtungen weitergegeben. Das Ovation-System wirft die ausgewählten Schutzschalter automatisch und unverzüglich ab, wenn eine Stromquelle ausfällt.
Ovation-Grafiken zeigen Microgrid-Betreibern leicht die Liste der Lasten, die im Notfall abgeworfen werden müssen. Der Bediener kann jederzeit die Priorität einer Last anpassen oder sie vorübergehend aus dem Lastabwurfsystem entfernen, um zu verhindern, dass sie während eines Notfalls abgeworfen wird. Natürlich muss darauf geachtet werden, dass nicht zu viel Last vom Lastabwurfsystem entfernt wird, da dies zu einem allgemeinen Stromausfall im Microgrid führen kann.
Die schnelle Lastabwurflogik von Ovation verhindert eine Überlastung des Generators und mögliche Stromausfälle. Lasten werden abgeworfen, wenn der Stromquellen-Schutzschalter geöffnet wird.
Ein Microgrid, das vom Makronetz getrennt ist, fungiert als unabhängige elektrische Insel, auf der die Frequenz der Insel von den eigenen Stromerzeugern der Insel aufrechterhalten werden muss. Wenn die Microgrid-Last die Erzeugung übersteigt, fällt die Inselfrequenz relativ langsam unter den Nennwert von 60 Hz (50 Hz in vielen Weltregionen).
Wenn die Inselfrequenz unter einen Mindest-Schwellenwert sinkt, wirft die Ovation-Logik genügend Lasten mit niedriger Priorität ab, um die Frequenz wieder auf den Nennwert zu bringen. Die Absenkung der Frequenz erfolgt in der Regel über einen langen Zeitraum und wird daher allgemein als „langsamer Lastabwurf“ bezeichnet.
Ein langsamer Lastabwurf kann auch erforderlich sein, wenn sich die Netzkopplungstransformatoren einer Überlastung nähern.
Ausgleich von Produktion und Nachfrage (Frequenz-/Spannungsregelung)
Die Regelungstechniken für das Gleichgewicht zwischen Stromversorgung und Nachfrage innerhalb des Microgrids variieren je nach Art der Energieerzeugungs-, Speicher- und Lastausrüstung innerhalb der Grenzen des Microgrids, ob das Microgrid an das Macrogrid angeschlossen ist und ob die Last des Microgrids Wechselstrom (AC), Gleichstrom (DC) oder einen Hybrid aus beidem verwendet.
Mit dem Macrogrid verbundene Systeme stellen immer sicher, dass genügend Strom verfügbar ist, um die Lasten des Microgrids zu versorgen. In diesem Fall steuert Ovation die Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Energie und Strom im Microgrid, wobei die vom Makronetz gelieferte Energie und Leistung innerhalb der durch die Ziele des Microgrids definierten Grenzen verwendet wird. Dies schließt die Nutzung von Blindleistung in Fällen ein, in denen vom Makronetzbetreiber Gebühren für den Verbrauch oder die Erzeugung von Blindleistung über eine bestimmte Grenze hinaus anfallen.
Inselbetriebene Microgrids sorgen für ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage, indem sie Sollwerte für Generatoren, Wechselrichter, Transformatoren und steuerbare Lastelemente wie Thermostate anpassen. Insellasten werden nur dann abgeworfen, wenn dies erforderlich ist, um Frequenz, Spannung und Leistungsfaktor im gesamten Microgrid auf den gewünschten Werten zu halten.
Im Spezialfall von AC- und Hybrid-Power-Microgrids mit rotierenden Generatoren wird die Frequenzregelung eingesetzt, um die reale Stromversorgung auszugleichen. Die Spannung wird über verschiedene Blindleistungselemente geregelt, z. B. durch Anpassungen der Generatorerregung, Transformator-Stufenschalter unter Last (OLTCs) und Kondensatorbänke.
In Microgrids ohne rotierende Generatoren (AC, DC oder Hybrid) werden die im gesamten Microgrid vorgenommenen Spannungs- und Leistungsfaktormessungen (oder Blindleistung) durch Anpassung der Sollwerte an Wechselrichtern, Transformatoren und regelbaren Lastelementen innerhalb der gewünschten Bereiche gehalten. Auch der Lastabwurf wird in diesem Szenario als letztes Mittel eingesetzt.
In jedem Fall gewährleistet die Ovation Microgrid-Regelung einen möglichst zuverlässigen, wirtschaftlichen und umweltverträglichen Betrieb.
Synchronisierung
Synchronisierung ist der Prozess des Messens und Steuerns der Spannungen, Frequenzen und Phasenwinkel der Systeme auf beiden Seiten eines Leistungsschalters. Die Synchronisierung stellt sicher, dass die Unterschiede zwischen diesen Parametern innerhalb der angegebenen Grenzwerte liegen, bevor der Schalter geschlossen wird. Andernfalls besteht das Risiko eines katastrophalen Ausfalls der Geräte in beiden Systemen. Dies ist eine wichtige Funktion beim Anschluss eines isolierten Microgrids an ein Makronetz zum Energieaustausch.
Ebenso müssen vor dem Öffnen der Leistungsschalter der Strom- und Energiefluss unter den definierten Grenzwerten liegen.
Die Ovation Microgrid-Regelung beinhaltet sowohl Hardware- als auch Softwarekontrollen für die Synchronisierung sowie eine Auto-Synchronizer-Schnittstelle, die das Microgrid mit dem Makronetz synchronisiert.
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