ไมโครกริดและ DER สามารถเพิ่มความยั่งยืนและความยืดหยุ่นสูงสุดในโรงงานอุตสาหกรรมและพาณิชยกรรมได้อย่างไร

แหล่งพลังงานแบบกระจายศูนย์ (DER) เช่น พลังงานแสงอาทิตย์, พลังงานลม, ความร้อนและพลังงานร่วม (CHP), ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) และแม้แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั่วไปก็สามารถมีส่วนสำคัญในการพัฒนาความยั่งยืนและความยืดหยุ่นในเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อรวมกันเป็นไมโครกริดโดยใช้ระบบควบคุมอัตโนมัติเพื่อประสานงานและจัดการการผลิต การไหล การจัดเก็บ และการใช้พลังงานอย่างชาญฉลาด

เพื่อเพิ่มผลประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจของไมโครกริดให้สูงสุด ผู้ควบคุมจะต้องสร้างสมดุลระหว่างการทำงานและการผสานรวมของ DER แบบเรียลไทม์ จัดการสมาร์ทโหลด เช่น แสงสว่าง, การถ่ายเทความร้อนและระบบปรับอากาศ (HVAC), การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (EV) และการติดตั้งเทคโนโลยีสารสนเทศ ใช้ข้อมูลความต้องการในอดีตเพื่อฉายให้เห็นโหลดในอนาคต ให้การเชื่อมต่อระบบสายส่งที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ และให้การสนับสนุนสำหรับฟังก์ชันการตอบสนองความต้องการด้วยข้อมูลราคาพลังงานตามเวลาจริง

บทความนี้มีเนื้อหาเกี่ยวกับการศึกษาองค์ประกอบที่ประกอบด้วยไมโครกริด สถาปัตยกรรมไมโครกริด นำเสนอภาพรวมของ IEEE 1547 ซึ่งกำหนดข้อกำหนดสำหรับการเชื่อมต่อโครงข่ายของ DERs และ IEEE 2030 ที่ให้กระบวนการทางเทคนิคที่ครอบคลุมสำหรับการอธิบายฟังก์ชันของตัวควบคุมไมโครกริด จากนั้นพิจารณา วิธีที่ตัวควบคุมไมโครกริดสามารถเพิ่มความยั่งยืน ความยืดหยุ่น และผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ และปิดท้ายด้วยภาพรวมโดยย่อเกี่ยวกับข้อกังวลด้านความปลอดภัยในโลกไซเบอร์สำหรับไมโครกริด

ต้องใช้อะไรบ้างในการทำไมโครกริด

ไมโครกริดมีความหลากหลายในการใช้งานและส่วนประกอบ เพื่อหารือเกี่ยวกับวิธีการที่ไมโครกริดและ DER สามารถเพิ่มความยั่งยืนและความยืดหยุ่นได้สูงสุด วิธีที่ดีที่สุดคือเริ่มต้นด้วยคำจำกัดความและตัวอย่างบางส่วนของส่วนประกอบและสถาปัตยกรรมของไมโครกริด กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (DOE) ให้คำจำกัดความไมโครกริดว่าเป็น “กลุ่มของโหลดที่เชื่อมต่อถึงกันและแหล่งพลังงานที่กระจายอยู่ภายในขอบเขตทางไฟฟ้าที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ซึ่งทำหน้าที่เป็นหน่วยเดียวที่สามารถควบคุมได้ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับกริด โดยไมโครกริดสามารถเชื่อมต่อและตัดการเชื่อมต่อจากกริดเพื่อให้สามารถทำงานได้ในโหมดเชื่อมต่อกับกริดและโหมดแยกตัวเป็นอิสระ (Island)”

แม้ว่าคำจำกัดความของไมโครกริดจะตรงไปตรงมา แต่ก็มีประเภทของไมโครกริด โหมดการทำงาน และระบบย่อยที่เป็นไปได้ให้เลือกมากมายเมื่อสร้างไมโครกริด และการตระหนักว่าความยั่งยืนและความยืดหยุ่นสูงสุดของไมโครกริดนั้นเกี่ยวข้องกับทางเลือกทางสถาปัตยกรรมและการดำเนินงานมากมาย ระบบอัตโนมัติเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ ตัวอย่างของระบบย่อยอัตโนมัติ ได้แก่ (รูปที่ 1):

• การผลิตไฟฟ้าภายในไมโครกริด รวมถึง DER และ CHP ที่หลากหลาย
• เครือข่ายการกระจายพลังงาน
• BESS
• โหลดเช่นระบบ HVAC และเครื่องจักรและมอเตอร์ในโรงงานอุตสาหกรรม
• การจัดการการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าและการเชื่อมต่อรถยนต์กับกริด (V2G)
• ตัวควบคุมไมโครกริดและสวิตช์เกียร์
• เชื่อมต่อกับระบบสายส่งสำหรับการติดตั้งที่เชื่อมต่อกับกริด

รูปที่ 1: ไมโครกริดสามารถรวม DER, CHP และโหลดต่างๆ ได้ (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

ประเภทของไมโครกริด

ไมโครกริดสามารถแบ่งประเภทได้ไม่ว่าจะเชื่อมต่อแบบออฟกริดหรือแบบเชื่อมกริด:

ออฟกริดตามสิ่งอำนวยความสะดวกเป็นหมวดหมู่ที่พบบ่อยที่สุด กรณีการใช้งานรวมถึงพื้นที่ห่างไกลที่ไม่ได้ให้บริการโดยโครงข่ายสาธารณูปโภคเชิงพาณิชย์ เช่น เหมือง แหล่งอุตสาหกรรม บ้านบนภูเขา และฐานทัพทหาร

ออฟกริดตามชุมชนนั้นมีการใช้งานในพื้นที่ห่างไกล กรณีการใช้งานรวมถึงหมู่บ้าน เกาะ และชุมชนห่างไกล แม้ว่าไมโครกริดตามสิ่งอำนวยความสะดวกจะถูกควบคุมโดยหน่วยเดียว แต่ไมโครกริดที่นำโดยชุมชนจะต้องตอบสนองความต้องการของกลุ่มผู้ใช้ ซึ่งอาจต้องการระบบคำสั่งและการควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น

สิ่งอำนวยความสะดวกที่เชื่อมต่อกับกริดมีเจ้าของเพียงรายเดียวและใช้เพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือในพื้นที่ที่โครงข่ายหลักที่ไม่น่าเชื่อถือและจำเป็นต้องมีพลังงานไฟฟ้า หรือในกรณีที่มีแรงจูงใจทางเศรษฐกิจสำหรับโหลดที่ปลดออกได้และบริการอื่นๆ จากเจ้าของไมโครกริด กรณีการใช้งานอาจรวมถึงโรงพยาบาล ศูนย์ข้อมูล โรงงานผลิตที่มีกระบวนการต่อเนื่อง และอาคารที่มีความพร้อมใช้งานสูงอื่นๆ

ชุมชนที่เชื่อมต่อกับกริด มีผู้ใช้และผู้ผลิตพลังงานหลายรายเชื่อมต่อกับกริดหลักและจัดการเป็นหน่วยเดียว กรณีการใช้งานรวมถึงธุรกิจหรือวิทยาลัย หมู่บ้าน และเมืองเล็กๆ ซึ่งอาจมีผู้ใช้พลังงาน ผู้ผลิต และสิ่งอำนวยความสะดวกในการจัดเก็บที่หลากหลาย และสามารถควบคุมได้ยากที่สุด

บางครั้งไมโครกริดก็เป็นแบบแยกตัวอิสระ

นอกเหนือจากการกล่าวถึงส่วนประกอบของไมโครกริดแล้ว คำจำกัดความของ DOE ยังหมายถึงการทำงานของไมโครกริดใน "ทั้งที่เชื่อมต่อกับกริดและโหมดแยกตัวอิสระ" คำจำกัดความของโหมดเหล่านั้นตรงไปตรงมา แต่การนำไปใช้นั้นซับซ้อนกว่าและระบุไว้ในมาตรฐาน IEEE บางส่วน

IEEE 1547-2018 มาตรฐานสำหรับการเชื่อมต่อแหล่งพลังงานแบบกระจายศูนย์ที่เชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้ากำลัง, รายละเอียดข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับการเชื่อมต่อโครงข่ายและการทำงานร่วมกันของ DER กับโครงข่ายไฟฟ้า โดย IEEE 1547 เป็นมาตรฐานที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง IEEE 1547 เวอร์ชันก่อนหน้าได้รับการออกแบบมาสำหรับระดับการแทรกซึมของ DER ที่ต่ำ และไม่ได้พิจารณาถึงผลกระทบในระดับภูมิภาคโดยรวมที่อาจเกิดขึ้นของ DER ต่อระบบไฟฟ้าจำนวนมาก IEEE 1547-2018 ได้เพิ่มข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับการควบคุมแรงดันไฟฟ้าและความถี่ และความสามารถในการส่งผ่าน เพื่อช่วยความน่าเชื่อถือของระบบส่งกำลัง เมื่อไม่นานมานี้ มีการเพิ่มการแก้ไข 1547a-2020 เพื่อรองรับประสิทธิภาพการทำงานที่ผิดปกติ

IEEE 2030.74 อธิบายฟังก์ชันของตัวควบคุมไมโครกริดในแง่ของโหมดการทำงานในสภาวะคงที่ (Steady State, SS) สองโหมดและการเปลี่ยนผ่าน (Transition, T) สี่ประเภท (รูปที่ 2):

• SS1 โหมดเชื่อมต่อกับกริดในสถานะคงที่ มีไมโครกริดเชื่อมต่อกับระบบสายส่ง ตัวควบคุมสามารถใช้ส่วนประกอบในไมโครกริดเพื่อให้บริการต่างๆ เช่น การลดกำลังไฟฟ้าสูงสุด การควบคุมความถี่ การรองรับพลังงานรีแอคทีฟ และการจัดการแรมป์ไปยังกริด
• SS2 โหมดแยกตัวเสถียรหรือโหมด "แยกตัวอิสระ (Islanding)" คือเมื่อไมโครกริดถูกตัดการเชื่อมต่อจากระบบสายส่งและทำงานแยกกัน ซึ่งตัวควบคุมจำเป็นต้องสร้างสมดุลของโหลดและการสร้างไมโครกริดและบริการจัดเก็บพลังงานเพื่อรักษาการทำงานของไมโครกริดให้เสถียร
• T1 หมายถึงการเปลี่ยนแปลงที่วางแผนไว้จากกริดที่เชื่อมต่อกับโหมดแยกตัวอิสระในสภาวะคงที่ แม้ว่าระบบสายส่งจะพร้อมใช้งาน อาจมีแรงจูงใจทางเศรษฐกิจหรือการดำเนินงานในการเปลี่ยนไปใช้โหมดแยกตัวอิสระ นอกจากนี้ โหมดนี้สามารถรองรับการทดสอบการทำงานของไมโครกริด
• T2 เป็นการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ได้วางแผนไว้จากกริดที่เชื่อมต่อกับโหมดแยกตัวอิสระในสภาวะคงที่ ซึ่งคล้ายกับการทำงานของเครื่องสำรองไฟฟ้าในศูนย์ข้อมูล และมักจะใช้เมื่อโครงข่ายไฟฟ้าหลักล้มเหลว ไมโครกริดตัดการเชื่อมต่ออย่างราบรื่นและทำงานเป็นเครือข่ายไฟฟ้าอิสระ
• T3 หมายถึงการเชื่อมต่อระบบแยกตัวในสถานะคงที่กับระบบสายส่งอีกครั้ง ซึ่งเป็นขั้นตอนทางเทคนิคที่ซับซ้อนโดยมีตัวสร้าง 'การฟอร์มกริด' บนไมโครกริดเพื่อตรวจจับความถี่และมุมเฟสของพลังงานกริด และจับคู่ไมโครกริดกับกริดหลักก่อนที่จะเชื่อมต่อใหม่
• T4 เป็น Black Start เข้าสู่โหมดแยกตัวอิสระในสภาวะคงที่ ในกรณีนี้ ไมโครกริดหยุดทำงานและต้องแยกออกจากระบบสายส่งและรีสตาร์ทในโหมดแยกตัวอิสระ สถานการณ์นี้อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดที่ตัวควบคุมไมโครกริดไม่สามารถจัดการได้โดยใช้การเปลี่ยนผ่านที่เสถียรของ T2 หรืออาจจำเป็นหากระบบที่แยกตัวไม่มีการสร้างหรือเก็บสำรองพลังงานเพียงพอที่จะจ่ายโหลดทั้งหมดต่อไปและต้องปิดโหลดที่ไม่จำเป็นทั้งหมดก่อนที่จะนำเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าสู่ระบบ นอกจากนี้ BESS ใดๆ บนไมโครกริดจะต้องได้รับการชาร์จอย่างน้อยบางส่วนก่อนที่จะเชื่อมต่อใหม่

รูปที่ 2: IEEE 2030.74 กำหนดให้ตัวควบคุมไมโครกริดรองรับสภาวะคงตัวสองสภาวะและการเปลี่ยนผ่านสี่ประเภทระหว่างสถานะเหล่านั้น (แหล่งที่มาภาพ: National Rural Electric Cooperative Association)

การใช้ไมโครกริด

มี DER และโหลดรวมกันเกือบเท่ากับไมโครกริด แต่ตัวควบคุมอัตโนมัติและสวิตช์เกียร์เป็นองค์ประกอบทั่วไป ในไมโครกริดขนาดใหญ่เช่นเดียวกับที่แสดงในรูปที่ 1 ด้านบน มักจะถูกแยกออกเป็นห้องควบคุมส่วนกลาง สวิตช์เกียร์แบบกระจายศูนย์สำหรับ DER และโหลด และสำหรับการออกแบบที่เชื่อมต่อกับกริด สถานีย่อยที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์เกียร์ระหว่างไมโครกริดและระบบสายส่ง

ตัวควบคุมไมโครกริดต้องการข้อมูล และเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นและความยั่งยืนให้สูงสุด ซึ่งจำเป็นต้องมีความรวดเร็ว ตัวควบคุมใช้เครือข่ายเซ็นเซอร์เพื่อตรวจสอบการทำงานของ DER และโหลดแบบเรียลไทม์ สำหรับไมโครกริดที่เชื่อมต่อกับกริด ตัวควบคุมยังตรวจสอบสถานะของระบบสายส่งในพื้นที่ หากเกิดความผิดปกติใดๆ ตัวควบคุมจะตอบสนองเป็นมิลลิวินาทีและส่งคำสั่งไปยัง DER, โหลด หรือสวิตช์เกียร์ที่เกี่ยวข้อง

ขนาดของสวิตช์เกียร์มีตั้งแต่ไม่กี่ kW ไปจนถึงหลาย MW และจำเป็นต้องตอบสนองต่อความต้องการของตัวควบคุมในเวลาไม่กี่มิลลิวินาที หรือเสี่ยงต่อสภาวะความผิดปกติร้ายแรง สวิตช์เกียร์บางตัวมีเซอร์กิตเบรกเกอร์อัจฉริยะที่ทำงานอัตโนมัติเพื่อเพิ่มการป้องกันอีกชั้น

สำหรับการติดตั้งขนาดเล็ก ตัวควบคุมและสวิตช์สามารถรวมเป็นอุปกรณ์ชิ้นเดียวได้ บางครั้งเรียกว่าศูนย์ควบคุมพลังงาน (ECC) ซึ่ง ECC นั้นมีการต่อสาย ประกอบ และผ่านการทดสอบจากโรงงานแล้ว โดย ECC ช่วยลดความซับซ้อนและเพิ่มความเร็วในการติดตั้งไมโครกริด และสามารถจัดการแหล่งพลังงานหลายแหล่ง รวมถึงพลังงานจากกริดและ DER ที่มีโหลดที่มีจัดลำดับความสำคัญ ตัวอย่างเช่น Schneider Electric นำเสนอกลุ่มผลิตภัณฑ์ ECC 1600 / 2500 ของ ECC สำหรับไมโครกริดระดับอาคาร (รูปที่ 3) คุณสมบัติบางอย่างของกลุ่มผลิตภัณฑ์ ECC 1600 / 2500 ได้แก่:

• กำหนดค่าตามคำสั่งด้วยกำลังไฟตั้งแต่ 100 ถึง 750 kW และสามารถปรับให้เหมาะสมสำหรับอาคารเดิมหรืออาคารใหม่
• ทำงานร่วมกับ DER หลายตัว เช่น PV, BESS, ลม, ก๊าซ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล
• ตัวควบคุมให้ความยืดหยุ่นระหว่างการหยุดทำงาน รวมถึงการใช้ PV กับแหล่งสำรอง เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสแตนด์บายหรือ BESS
• มิเตอร์อัจฉริยะแบบอัตโนมัติให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคุณภาพกำลังไฟฟ้า การใช้พลังงาน และการผลิต DER
• สวิตช์เกียร์ที่มีบัสจ่ายไฟ 1,600 ถึง 2,500 A
• การวิเคราะห์บนคลาวด์เพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นและผลตอบแทนจากการลงทุนจาก DER

รูปที่ 3: ECC รวมตัวควบคุมไมโครกริด (ซ้าย) และสวิตช์เกียร์ (ขวา) ไว้ในอุปกรณ์ชิ้นเดียว (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

พลังงานที่ปลอดภัยและมั่นคง

ความปลอดภัยทางไซเบอร์เป็นสิ่งสำคัญของความมั่นคงด้านพลังงานและความยืดหยุ่น องค์การพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) ให้คำนิยามความมั่นคงด้านพลังงานว่า "ความพร้อมใช้งานของแหล่งพลังงานอย่างต่อเนื่องในราคาที่เหมาะสม" ไมโครกริดสามารถมีส่วนร่วมอย่างมากในการรับประกันการจัดหาพลังงานที่มีต้นทุนต่ำ ปลอดภัย และยืดหยุ่น

การสื่อสารเป็นองค์ประกอบสำคัญของไมโครกริด ซึ่งหมายถึงการสื่อสารไปยังระบบคลาวด์และกับระบบสายส่งในพื้นที่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน นอกจากนี้ DER และโหลดต่างๆ ที่ประกอบด้วยไมโครกริดทั่วไปมาจากผู้ผลิตหลายรายและใช้โปรโตคอลและเทคโนโลยีการสื่อสารที่แตกต่างกัน การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตและเทคโนโลยีไร้สาย เช่น Wi-Fi พบได้ในไมโครกริดเกือบทั้งหมด และจำเป็นต่อการใช้งานให้เกิดประโยชน์สูงสุด นอกจากนี้ยังรองรับฟังก์ชันเสริม เช่น การรวบรวมพยากรณ์อากาศและราคาเชื้อเพลิงและพลังงานตามเวลาจริง

การดูแลความปลอดภัยในโลกไซเบอร์นั้นซับซ้อน นอกจากฮาร์ดแวร์ที่ปลอดภัยแล้ว นโยบาย ขั้นตอน และบุคลากรจำเป็นต้องจัดการกับช่องโหว่ทางไซเบอร์ที่สามารถทำให้ผู้โจมตีสามารถเข้าถึงเครือข่ายและข้อมูลที่มีความละเอียดอ่อน และแม้แต่ควบคุมซอฟต์แวร์ควบคุมซึ่งส่งผลให้การทำงานของไมโครกริดเสียหาย ผู้ก่อการร้ายอาจเป็นเพียงข้อกังวลประการหนึ่งเท่านั้น แต่ก็ควรพิจารณามีคู่แข่งหรือพนักงานไร้จรรยาบรรณด้วย ซึ่งข้อผิดพลาดของผู้ปฏิบัติงานอาจเกิดขึ้นได้ เครือข่ายอาจมีช่องโหว่เนื่องจากซอฟต์แวร์ที่ล้าสมัย และอื่นๆ (รูปที่ 4) โดยความปลอดภัยทางไซเบอร์เป็นสิ่งที่ไม่สามารถคำนึงถึงในภายหลังได้ ไมโครกริดจึงต้องได้รับการออกแบบในทุกด้านของฮาร์ดแวร์ ซอฟต์แวร์ และกระบวนการไมโครกริดตั้งแต่เริ่มต้นจึงจะมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 4: ช่องโหว่จากบุคลากร กระบวนการ และช่องโหว่ในการรักษาความปลอดภัยทางกายภาพสามารถนำเสนอเวกเตอร์การโจมตีแบบไมโครกริด (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

สรุป

ไมโครกริดมี DER และโหลดจำนวนมากไว้ในระบบเดียวเพื่อเพิ่มความยั่งยืนและความยืดหยุ่นของพลังงาน สามารถใช้สถาปัตยกรรมไมโครกริดหลายแบบเพื่อรองรับความต้องการด้านพลังงานและการเชื่อมต่อที่เฉพาะเจาะจง จำนวนไมโครกริดที่เพิ่มขึ้นและการใช้ DER ที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้เกิดวิวัฒนาการในมาตรฐานการเชื่อมต่อโครงข่าย IEEE 1547 และกำลังผลักดันการมุ่งเน้นที่เพิ่มขึ้นในการรักษาความปลอดภัยทางไซเบอร์ของไมโครกริด