Til Interesserede parter Information om Celleprojektet - Pilotprojekt til intelligent mobilisering af decentral elproduktion 1. Indledning Maj 2008 plu/shs Formålet med celleprojektet er at fremtidssikre det danske elsystem ved i større omfang at styre, regulere og overvåge systemet, og dermed opretholde den høje forsyningssikkerhed og samtidig understøtte det frie elmarked i takt med den stadig stigende mængde decentral elproduktion i systemet. Den grundlæggende tankegang bag Celleprojektet at opdele elsystemet i virtuelle autonome systemområder, såkaldte celler giver nye, mere fleksible og forbedrede styrings-, regulerings- og overvågningsmuligheder til gavn for producenterne, de systemansvarlige parter, forbrugerne og dermed det danske samfund som helhed. Celle-tankegangen kan realiseres gennem udvikling og implementering af et avanceret overvågnings- og reguleringssystem, som overvåger tilstanden i cellen, og i givne ekstreme situationer tager kontrol over dens enkeltkomponenter som f.eks. effektafbrydere, transformere, vindmøller og kraftvarmeværker. Dette avancerede overvågnings- og reguleringssystem kalder vi en celleregulator. Kort sagt, gør teknologien det muligt at styre og kommunikere med alle apparater og produktionsenheder i celleområdet og på sigt i hele det danske elsystem. Hele celleområdet bliver med denne teknologi transformeret fra et klassisk passivt distributionsnet til et intelligent aktivt distributionssystem, der ultimativt kan betragtes som én virtuel generator af en varierende størrelse, der er givet ved summen af de til enhver tid værende vindmøller, kraftvarmeværker og andre typer distribuerede produktionsenheder i drift. Der forventes således et øget antal aktive generatorer på de eksisterende elmarkeder samt mulighed for etablering af nye markeder for reaktiv effekt, aktiv spændingsregulering, rullende reserver m.v. Efter afslutning af Celleprojektet vil der være genereret betydelig ny viden om datakommunikation og -behandling til on-line styring, regulering og overvåg- 1/8
ning af store antal geografisk distribuerede netkomponenter og produktionsenheder. Denne viden forventes at kunne anvendes ved dynamisk allokering af distribuerede produktionsenheder og belastninger på tværs af selskabs- og ejergrænser til nye virtuelle generatorer med specifikke egenskaber for Energinet.dk's markedsdrift og -optimering. 2. Baggrund og ide Transmissions- og distributionsselskaberne i det jysk-fynske område står i dag over for en stadig voksende nødvendighed af at gennemføre en grundlæggende revurdering af den måde, elsystemerne på alle spændingsniveauer traditionelt bliver drevet på. Årsagen er den massive og stadigt stigende decentrale indfødning i mellem- og lavspændingsnettene hidrørende fra vindkraftanlæg og lokale kraftvarmeværker. Hertil kommer, at der inden for en kortere årrække kan forudses en kraftig udbygning med private mikro-kraftvarmeanlæg og solcelleanlæg, så snart disse anlægstyper bliver udviklet til et økonomisk attraktivt alternativ for den almindelige forbruger til den nuværende el- og varmeforsyning. Før udbygningen af den decentrale elproduktion tog fart, var elsystemet karakteriseret ved en entydig effektflowretning fra store centrale kraftværker tilsluttet højspændingsnettet ned igennem mellemspændingsniveauerne til slutforbrugeren på lavspænding; Paradigme 1. I dag foregår der en massiv elproduktion på alle mellem- og lavspændingsniveauer i det jysk-fynske elsystem. Adskillige distributionsselskaber er dagligt nettoeffekteksportører ud af deres eget forsyningsområde og op på transmissionsnettet. Inddrages yderligere den forventede udbygning med private mikrokraftvarmeanlæg og solcelleanlæg, fås et resulterende uoverskueligt miks af effektflowretninger mellem alle spændingsniveauer og slutforbrugere; Paradigme 2. Transmissions- og distributionsselskabernes driftscentraler og driftsfilosofi er hovedsageligt opbygget i henhold til paradigme 1, selvom driftcentralernes daglige virkelighed ligner paradigme 2. For stadigvæk på sigt at kunne kontrollere og regulere det stadigt mere decentrale elsystem er det derfor nødvendigt at opstille og teste alternative driftsfilosofier. Her synes en opsplitning af elsystemets distributionsdel i fuldt autonome celler et spændende og potentielt lovende alternativ. Dette uddybes i følgende tankeeksperiment: Tænkes 60 kv-distributionsnettet under hver 150/60 kv-transformerstation defineret som en autonom (selvregulerende) celle udstyret med en automatisk celleregulator med et datakommunikationsnet til alle kraftvarmeværker, vindmøller og belastningsradialer i cellens område samt synkroniseringsudstyr på effektafbryderne i cellens 150/60 kv-nettilslutning, kan denne celle tildeles en, flere eller alle af de følgende tekniske egenskaber: 1. Automatisk overgang til celle-ø-drift ved betydende fejl i transmissionsnettet. Herved sikres i videst muligt omfang forsyning af forbrugerne 2/8
under alvorlige netfejl. Dette kræver automatisk regulering af cellens spænding, frekvens og effektbalance. Se nedenfor. 2. ensynkronisering med transmissionsnettet efter veloverstået fejl i transmissionsnettet. 3. Synkronisering med og spændingssætning af nærved værende opsplittede dele af dødt transmissionsnet som følge af en fatal fejl i transmissionsnettet. Hver celle kan således yde momentan spændings- og effektstøtte ved genopbygning af transmissionsnettet og dødstart af centrale kraftværksenheder. 4. Kontrolleret spændingsregulering på udvalgte synkronmaskiner i cellen udføres af celleregulatoren ud fra kendskab til det aktuelle spændingsreguleringspotentiale på hver enkelt synkronmaskine på kraftvarmeværkerne inden for cellens område. Det ønskede spændingssætpunkt på udvalgte stationer/skinner i cellen styres af celleregulatoren i ø-driftsituationer. Når cellen er i normal paralleldrift med transmissionsnettet, kan et spændingssætpunkt eller et sætpunkt for reaktiv effektudveksling med det overliggende transmissionsnet gives løbende fra et overordnet regionalt/lokalt kontrolrum. Opnåelse af denne egenskab kræver aktivering af synkronmaskinernes spændingsregulatorer samt aftale med generatorejerne om accept af et udefra kommende spændings- eller effektfaktorreguleringssignal. 5. Kontrolleret frekvensregulering på udvalgte synkronmaskiner i cellen udføres af celleregulatoren ud fra kendskab til det aktuelle frekvensreguleringspotentiale på hver enkelt synkronmaskine på kraftvarmeværkerne inden for cellens område. Det ønskede frekvenssætpunkt i cellen styres af celleregulatoren i ø-drift situationer. Denne evne bruges bl.a. til gensynkronisering med transmissionsnettet efter netfejl. Når cellen er i normal paralleldrift med transmissionsnettet drives generatorerne i traditionel effektregulering (markedsdrift). Opnåelse af denne egenskab kræver aktivering af synkronmaskinernes hastighedsregulatorer samt aftale med generatorejerne om accept af et udefra kommende frekvensreguleringssignal når cellen er i ø-drift. 6. Kontrolleret effektbalance til sikring af kontrolleret overgang til celle-ødrift udføres af celleregulatoren ud fra kendskab til den aktuelle totale produktion og belastning i cellen samt kendskab til det aktuelle reguleringspotentiale på hver enkelt synkronmaskine og vindmølle i cellens område. Det kan her være nødvendigt for celleregulatoren at bortkoble vindmøller og/eller kraftvarmeværker i situationer med effektoverskud. Det kan omvendt være nødvendigt for celleregulatoren at udføre bortkobling af dedikerede belastningsradialer ved effektunderskud. Formålet vil være at sikre, at cellen i videst muligt omfang forbliver i drift under og efter en kritisk overgang til celle-ø-drift. 7. Anvendelse af de i cellerne dedikerede belastningsradialer til automatisk udførelse af elsystemets frekvensaflastningsplan. Det sikres således, at 3/8
det kun er rene belastningsradialer, der indgår i frekvensaflastningsplanen og ikke, som det p.t. søges undgået, radialer med netto effektproduktion. Denne anvendelse vil yderligere kunne raffineres, idet celleregulatoren til ethvert tidspunkt har et fuldt billede af, hvilke produktionsanlæg der er i drift samt hvert enkelt anlægs aktuelle produktion. Celleregulatoren vil således dynamisk kunne identificere og anvende de bedst egnede belastningsradialer til en given frekvensaflastning. Celleregulatorens funktion i et givet 60 kv distributionsområde er illustreret ved Figur 1. 150 kv Input Output Cell controller 60 kv 60 kv 60 kv 60 kv 10 kv 10 kv 10 kv 60 kv 60 kv 60 kv 10 kv 10 kv 60 kv 10 kv Figur 1. Celleregulatorfunktionalitet. Normal on-line produktions- og tilstandsovervågning er illustreret ved grønne input fra alle relevante produktionsenheder og belastningsradialer. Overgang til celle-ø-drift initieret af uafvendeligt black-out på transmissionsniveau er illustreret ved røde regulator output, der viser handlinger såsom åbning af effektafbrydere, aktiv regulering på produktionsenheder m.v. 3. ennemførelse I Eltra regi blev der i november 2004 igangsat den første fase (A) af celleprojekt til udvikling af den nødvendige arkitektur (reguleringsudrustning og datakommunikationsnet) til autonom drift af en 60 kv-distributionscelle. Celleprojektet er generelt opdelt i tre faser benævnt A, B og C. Faserne B og C opdeles hver yderligere i 3-4 delprojekter, da disse faser indeholder hardware installation og test i den valgte pilotcelle. Se nedenfor. 4/8
Formålet med celleprojektets fase A var afgrænset til følgende hovedpunkter: 1. Identifikation og definition af funktionskrav for pålidelig operation af selvregulerende (autonome) celler under 150/60 kv-stationer med betydelig decentral generering. 2. Identifikation af datakrav til i) individuelle celleoperationer som f.eks. mellem celleregulator, kraftvarmeværker, vindmøller, belastningsradialer m.v. og ii) systemoperationer på og over 150 kv-niveau som f.eks. mellem celleregulator, regionale driftscentraler og Energinet.dk's driftscentral. 3. Udvikling af systemarkitektur til implementering af den kernefunktionalitet, der er nødvendig for decentraliseret drift af distributionsnet med autonome celler. 4. Udarbejdelse af tidsplan og budget for projektets fase B1. 5. Afsluttende rapport. For at få klarlagt antal, geografisk spredning samt reguleringstekniske muligheder af kraftvarmeværker, vindmøller og egnede belastningsradialer i en 150/60 kv-celle, blev der i fase A udvalgt en 150/60 kv-station med underliggende 60 kv-net til demonstrationscelle. En mulig kandidat til en egnet 150/60 kv-celle skal have en anseelig elproduktion fra både kraftvarmeværker og vindmølleanlæg. I samarbejde med Syd Energi Net A/S blev 150/60 kv station Holsted og det underliggende 60 kv distributionsnet valgt som pilotcelle. Se Figur 2. Pilotcelle: Holsted 60 kv netområde Testområde 1 8,8 MW BID MØR Installeret k/vv: 37 MW Installeret vind: 39 MW Maks. forbrug: 61 MW 150/60 kv Trf: 100 MVA 2 MW HEJ BIO 4 MW BIS 7 MW ÅRR AB 3,3 MW VOB LIK Testområde 3 15,5 MW 2 MW BMØ LE ØR HOS FØV 2 MW HOD 3 MW 3,8 MW BRØ 2 MW VJV REV 3,6 MW Testområde 2 Figur 2. 60 kv net samt installerede k/v-værker og vindmøller i Holsted-pilotcellens forsyningsområde. Det første testområde B1 omfattende Hejnsvig og Billund kraftvarmeværker samt 4 stk. 1 MW møller. Det andet testområde B2 omfatter Holsted og Brørup kraftvarmeværker samt 24 vindmøller på 600 kw eller der over. Det tredje testområde B3 omfatter Bramminge kraftvarmeværk samt yderligere 19 vindmøller. 5/8
Pilotprojektet udføres i tæt samarbejde med bla. følgende partnere: Syd Energi Net A/S www.sydenergi.dk Dansk Energi www.danskenergi.dk Spirae Inc. www.spirae.com Energynautics.m.b.H. www.energynautics.com Siemens A/S www.siemens.dk Projektets fase A blev afsluttet med meget lovende resultater i oktober 2005. Projektets Fase B omfatter hardwaredesign og installation af moniterings- og kommunikationsudstyr i den valgte 150/60 kv-station, udvalgte kraftvarmeværker, vindmøller og belastningsradialer samt det nødvendige datatransmissionsnet. I denne fase testes og demonstreres, at de nødvendige moniterings- og kommunikationsegenskaber til autonom celledrift er tilvejebragt. Fase B indeholder følgende hovedpunkter: 1. Installation af den nødvendige måle- og datakommunikationsudrustning i den valgte pilotcelle. 2. Demonstration af fuld tilgængelighed af alle nødvendige målesignaler samt kommunikationssignaler til k/v-værker, vindmøller, belastningsradialer osv. i den valgte pilotcelle. 3. Detaljeret dataindsamling og modeldannelse samt gennemførelse af avancerede statiske og dynamiske systemberegninger på pilotcellen med henblik på design af prototype celleregulator. 4. Detaljeret design og laboratorietest af prototype celleregulator. 5. Udarbejdelse af tidsplan og budget for projektets fase C. 6. Afsluttende rapport. Endelig omfatter projektets fase C det endelige hardwaredesign og udvikling af celleregulatoren. I denne sidste fase færdigudvikles, installeres og testes selve celleregulatoren. Cellen aktiveres, og der foretages dataindsamling og -analyse ved drift af den autonome celle over en aftalt periode. Fase C indeholder følgende hovedpunkter: 1. Endeligt design og udvikling af prototype celleregulator. 2. Installation af prototype celleregulator. 3. ennemførelse af detaljeret testprogram af celleregulator i pilotcelle. 4. Afsluttende rapport. Da Holsted pilotcellen dækker et meget stort forsyningsområde, gennemføres faserne B og C hver som 3 delprojekter, hvor cellens område deles op i mindre testområder. Fase B1 og C1 er således planlagt gennemført i den nordlige del af Holsted cellen dækkende Billund og Hejnsvig k/v-værker, én 10 kv vindmølleradial med 4 stk. 1 MW møller samt et passende antal 10 kv belastningsradialer som vælges af Syd Energi Net. Se figur 1. Fase B2 og C2 er planlagt gennemført omkring Vorbasse, Lindknud, Holsted, Holsted Syd, Brørup og Føvling dækkende Holsted og Brørup k/v-værker, 24 6/8
vindmøller på 600 kw eller der over samt et passende antal 10 kv belastningsradialer som vælges af Syd Energi Net A/S. Se Figur 2. De sidste faser B3 og C3 vil omfatte den resterende del af Holsted-cellen omkring Agerbæk, lejbjerg, ørding, Bramming og Årre dækkende Bramminge k/v-værker og 19 vindmøller på 600 kw eller der over samt et passende antal 10 kv belastningsradialer som vælges af Syd Energi Net A/S, så hele Holstedforsyningsområdet er dækket. Se Figur 1. 4. Tidsplan Projektets fase A blev gennemført i 2005. Projektets fase B1 blev gennemført i 2006. Projektets fase B2 og C1 er under gennemføres og afsluttes primo 2009 Projektets fase B3 og C2 gennemføres i 2009 og 2010. Projektets fase C3 gennemføres i 2011. 5. Status og konklusion Projektets fase A og B1 er jf. ovenstående tidsplan gennemført og i skrivende stund er gennemførslen af fase B2-C1 godt i gang. Der er nu også etableret datakommunikationslinjer til de 6 nye transformerstationer, 2 nye k/v-værker og 24 nye vindmøller i testområde 2 og det nødvendige datamoniteringssystem - det såkaldte CMS-system - er installeret og idriftsat. CMS-systemet opsamler nu on-line driftsdata for både område 1 og 2. Disse driftsdata bliver løbende analyseret og resultaterne heraf bliver brugt ifm. udviklingen af den første version af celleregulatoren, der planlægges testet i testområde 1 i løbet af vinteren 2008. Modeldannelsen af testområde 1 er afsluttet og modeldannelsen af testområde 2 pågår i øjeblikket og forventes afsluttet primo 2009. Planlægningen af celleregulatortesten i testområde 1 er fuld gang og forventes afsluttet i september 2008, så testen kan gennemføres i løbet af november og december 2008. Som et vigtigt led i planlægningen, bliver der foretaget simuleringer af de forskellige tests der planlægges gennemført. Simuleringerne foretages for at få størst mulig viden om det forventede udfald af de egentlige test, så disse kan gennemføres på betrykkende vis og uden væsentlige gener for elproducenterne og -forbrugerne i testområdet. ennemførslen af projektets fase B2-C1 forventes afsluttet primo 2009, hvorefter næste fase B3-C2 startes op. Planlægning af fase B3-C2 er påbegyndt og forventes afsluttet i løbet af efteråret med oplæg til projektplan og budget for 2009 og 2010. ennemførslen af celleprojektet er, som det fremgår af ovenstående, godt i gang og med fuldførelse af hele pilotprojektet vil Energinet.dk og de danske netselskaber være tilført tilstrækkelig viden til at kunne påbegynde en langsigtet redesign-proces af distributionsnettene til optimal indpasning af den voksende mængde decentrale elproduktion, hvoraf det meste vil være vindenergi og andre vedvarende energiformer. Hertil kommer en kontrolstruktur, der muliggør intelligent, optimal anvendelse af de eksisterende og alle typer kommende distribuerede ressourcer igennem distribueret agentteknologi. 7/8
Som eksempler på anvendelse for både transmissions- og i særlig grad distributionsselskaberne kan nævnes: fuldt overblik over alle produktionsenheder og netbelastning, specialfunktioner som minimering af Mvar-flow på 150/60 kv skillefladerne, overgang til område-ø-drift ved system black-out samt blackstart af transmissionsnettet ligeledes ved system black-out. Den videre brug og implementering af resultaterne fra celleprojektet vil således medvirke til opretholdelsen af den stabile elforsyningen og understøtte den fortsatte udvikling af det frie elmarked til gavn for forbrugerne og det det danske samfund som helhed. 8/8