Η ανθεκτικότητα στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας

“Αναφορικά με την ανθεκτικότητα στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας”

Το άρθρο υπογράφουν οι: Θάνος Κορωνίδης, Γιώργος Γεωργαντζής και Μάρκος Χαμπάκης.

Αποτελεί αναδημοσίευση από το ηλεκτρονικό περιοδικό «ΠΥΛΩΝΕΣ» της Ελληνικής

Επιτροπής Cigre.

Διαβάστε παρακάτω ολόκληρο το άρθρο.

Εισαγωγή

Ο διεθνώς χρησιμοποιούμενος όρος “resilience” ή “resiliency” έχει αποδοθεί σε λεξικά ως ανθεκτικότητα, αντοχή, δύναμη, σθένος, ελαστικότητα, «επανατακτικότητα», «επαναπροσαρμοστικότητα», ικανότητα αποκατάστασης και προσδιορίζει την ικανότητα για ανάκαμψη από δυσκολίες ή διαταράξεις. Ο όρος  προέρχεται από τον αντίστοιχο λατινικό “resilio”, που σημαίνει επιστροφή σε μια προηγούμενη κατάσταση.   Ο όρος εμφανίστηκε τον 19ο αιώνα αναφορικά με τις ιδιότητες της ξυλείας και την αξιολόγηση της ανθεκτικότητας σε παραμορφώσεις, φωτιά και άλλα αίτια. Στις θετικές επιστήμες εμφανίσθηκε  αρχικά στον  τομέα της οικολογίας με το άρθρο “Resilience and Stability of Ecological systems” (1973), του C.S. Holling, όπου ορίστηκε ως “το μέτρο της αντοχής των συστημάτων και της ικανότητας  τους να απορροφούν μεταβολές και διαταραχές ενώ διατηρούν σταθερές σχέσεις μεταξύ των παραμέτρων καταστάσεώς τους”. Πρόκειται για έννοια που αποκτά σημαντική αξία στις ημέρες μας στα πεδία της μηχανικής, των αγορών και των φυσικών επιστημών. 

Η ανθεκτικότητα, όπως επικράτησε να αποδίδεται ο όρος στα Ελληνικά, είναι πολυδιάστατη έννοια που καλύπτει τέσσερις διαστάσεις και συγκεκριμένα  την  τεχνική, την  οργανωτική, την κοινωνική και την οικονομική. Στην μηχανική και στις κατασκευές η ανθεκτικότητα ορίζεται ως η ικανότητα των κατασκευών και των υποδομών να απορροφούν πλήγματα χωρίς να υφίστανται πλήρη κατάρρευση ή πληρέστερα αυτές να ανταποκρίνονται, να προσαρμόζονται και να ανακάμπτουν σε ένα καταστροφικό συμβάν, ενώ στα δίκτυα η ανθεκτικότητα ορίζεται ως η ικανότητα αυτά να διατηρούν μια αποδεκτή λειτουργικότητα στην αντιμετώπιση σφαλμάτων [1,2]. 

Αναφορικά με το Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ), ανθεκτικότητα είναι η ικανότητα του συστήματος για ανάκαμψη μετά από δύσκολες συνθήκες ή η ικανότητα του  να ανέχεται και να προσαρμόζεται σε αλλαγές ή διαταραχές και να συνεχίζει να συμπεριφέρεται και να λειτουργεί ομαλά. Ειδικότερα στον τομέα του ηλεκτρισμού, ενώ η αξιοπιστία (reliability) αναφέρεται στην πιθανότητα το σύστημα να διατηρεί τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του λαμβάνοντας υπόψη τυπικές και αναμενόμενες απειλές, η ανθεκτικότητα (resilience) μπορεί να θεωρηθεί ως η ικανότητα αυτό να αντιμετωπίζει ακραία συμβάντα (συμβάντα μικρής πιθανότητας και μεγάλων συνεπειών) που πιθανόν δεν έχει αντιμετωπίσει στο παρελθόν και να ανακάμπτει ταχέως ακόμα και σε περίπτωση κατάρρευσης. Τα συμβάντα αυτά μπορεί να είναι ακραία φυσικά φαινόμενα ή σημαντικοί ανθρωπογενείς κίνδυνοι.

Δραστηριότητες Διεθνών Οργανισμών 

Το θέμα της ανθεκτικότητας απασχόλησε τα τελευταία χρόνια  πολλούς οργανισμούς και επιστημονικές ενώσεις παγκοσμίως.  

Η Διεθνής Οργάνωση CIRED ( International  Conference on Electricity Distribution) με το πόρισμα της ομάδας εργασίας με τίτλο “Resilience of Distribution Grids” από τον Μάιο 2018 έχει αναφερθεί διεξοδικά στο ζήτημα αυτό από την άποψη των δικτύων διανομής [3]. Το πόρισμα παρουσιάζει διάφορες καλές πρακτικές και δράσεις διεθνώς σχετικά με την ανθεκτικότητα των δικτύων διανομής με αναφορές σε πρόσφατα συμβάντα μεγάλων συνεπειών από δασικές πυρκαγιές (Αυστραλία), χιονοκαταιγίδες (Ιταλία), και άλλες καταστροφές για τις οποίες απαιτήθηκε κινητοποίηση τεχνικών μονάδων από γειτονικές περιοχές (Πορτογαλία και Κίνα).

Το IEEE Power & Energy Society με την τεχνική έκθεση PES-TR83 με τίτλο “Resilience Framework, Methods, and Metrics for the Electricity Sector” από τον Οκτώβριο 2020 [4], μεταξύ των συμπερασμάτων, αναφέρει ότι συστήνεται η εφαρμογή ενός πλαισίου για όλους τους κινδύνους με έμφαση σε πέντε σημεία, δηλαδή πρόληψη, προστασία, μετριασμός, απόκριση και ανάκτηση. Επίσης τα θέματα ανθεκτικότητας στα ΣΗΕ πρέπει να περιλαμβάνονται σε μια ολοκληρωμένη διαδικασία σχεδιασμού της παραγωγής, της μεταφοράς, της  διανομής και της επενδυτικής προτεραιότητας. Τέλος μια ολοκληρωμένη προσέγγιση για την ανάπτυξη ενός σχεδίου ανθεκτικότητας πρέπει να περιλαμβάνει την ενεργό συμμετοχή όλων των  ενδιαφερομένων, ξεκινώντας από ρυθμιστικούς φορείς και φορείς χάραξης πολιτικής.

Στους κόλπους της Διεθνούς CIGRE το ζήτημα της ανθεκτικότητας αποτελεί αντικείμενο τα τελευταία χρόνια πολλών  συνεδρίων, συμποσίων, επιτροπών μελέτης και ομάδων εργασίας. Στα πλαίσια αυτά η επιτροπή μελέτης C4 το 2017 σχημάτισε την ομάδα εργασίας WG C4.47 με τίτλο “Power System Resilience”, αποτελούμενη από ειδικούς 19 χωρών, και με στόχο τον ορισμό της ανθεκτικότητας στα ΣΗΕ. Οι αναφορές [5] και [6] αποτελούν πορίσματα της συγκεκριμένης ομάδας εργασίας. Επίσης η επιτροπή μελέτης C6 [7], έχει σχηματίσει τις ομάδες εργασίας WG C6.43 (battery energy storage systems), WG C6/C1.33 (multi-energy system), WG C6/C2.34 (deploying and exploiting DER flexibility), WG C6.35 (DER aggregation) με στόχο να δοθεί έμφαση σε ζητήματα ενσωμάτωσης των διεσπαρμένων και ανανεώσιμων ενεργειακών πηγών σε συνδυασμό με λήψη μέτρων που αφορούν την ανθεκτικότητα. Το Συμπόσιο της CIGRE που διεξάγεται τον Απρίλιο 2022 στο Κιότο της Ιαπωνίας περιλαμβάνει ως προτιμώμενο θέμα την ανθεκτικότητα  υπό τον τίτλο  “Driving towards an enhanced system reliability, security and resiliency” [8]. Στην 49η Σύνοδο της CIGRE στο Παρίσι τον Αύγουστο 2022, το πρώτο προτιμώμενο θέμα της επιτροπής μελέτης  C1 είναι  το  “System transition resilience & asset management response”, ενώ το τρίτο προτιμώμενο θέμα της επιτροπής μελέτης  C6 είναι το “Aggregated DER for enhancing resilience, reliability and energy security of distribution systems” [9].

Η CIGRE, στα πλαίσια των πρόσφατων Τεχνικών Εγχειριδίων, παρουσιάζει σημαντική δραστηριότητα. Συγκεκριμένα η ομάδα εργασίας CIGRE WG B2.54 στο Τεχνικό Εγχειρίδιο TB 598 [10] ασχολήθηκε με τις στρατηγικές διαχείρισης κινδύνου αναφορικά με πιθανά σενάρια έκθεσης σε κίνδυνο του δικτύου εναέριων γραμμών μεταφοράς σε σημαντικές  κλιματικές αλλαγές. Επίσης η ομάδα εργασίας CIGRE WG C2.21 στο Τεχνικό Εγχειρίδιο TB 608 [11] παρουσίασε τα βασικά ευρήματα από πρόσφατες καταστάσεις έκτακτης ανάγκης και περιστατικά μεγάλων διαταραχών, εστιάζοντας στις κύριες αιτίες και τις πιθανές λύσεις για την πρόληψη της εμφάνισης, τον μετριασμό και την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων αναφορικά με τα περιστατικά αυτών.

Ειδικότερα στα πλαίσια του Συμβουλίου της Νοτιοανατολικής Ευρώπης της CIGRE (South East European Region of CIGRE, SEERC) με το θέμα αυτό έχουν οργανωθεί δύο σχετικές ημερίδες, η πρώτη το  2018 στην Ρώμη και η δεύτερη με διαδικτυακή μορφή  το 2021, όπου παρουσιάστηκαν οι δραστηριότητες  και οι εξελίξεις σε χώρες της Νοτιοανατολικής Ευρώπης γύρω από το ζήτημα αυτό. Η εργασία [12] βασίζεται στα αποτελέσματα της ημερίδας του 2018.

Στα πλαίσιο των δραστηριοτήτων της Επιτροπής Λειτουργίας Συστήματος του ENTSO-e, το Steering Group System Resilience έχει ως στόχο να παρέχει καθοδήγηση και υψηλό επίπεδο τεχνογνωσίας στον τομέα της ανθεκτικότητας του συστήματος, καλύπτοντας όλες τις πτυχές που σχετίζονται με α) την ολιστική ασφάλεια των υποδομών ζωτικής σημασίας, β) τα σχέδια ετοιμότητας κινδύνου και γ) τις μεθοδολογίες και τις διαδικασίες που πρέπει να αναπτυχθούν στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Ρυθμιστικού Πλαισίου [13].

Αντίστοιχα ο E.DSO, οργανισμός ο οποίος εκπροσωπεί  διαχειριστές δικτύων διανομής στην Ευρώπη,  με αφορμή την κρίση του COVID-19, αναφέρεται στην πρόκληση αλλαγής των προτύπων κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, όπου οι διαχειριστές του δικτύου έπρεπε να προσαρμοστούν στη νέα πραγματικότητα της εργασίας εξ αποστάσεως, της ελάχιστης φυσικής αλληλεπίδρασης και της συνέχισης της λειτουργίας χωρίς όμως να διακοπεί η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας [14]. Σημειώνεται ότι η πανδημία ήταν διδακτική για τις ευκαιρίες ψηφιοποίησης του επιχειρησιακού μοντέλου, τη συλλογή και ανάλυση δεδομένων και τον εντοπισμό κινδύνων για την ενεργειακή ασφάλεια, όπως οι απειλές στον κυβερνοχώρο σε έναν όλο και πιο ψηφιοποιημένο τομέα διανομής και οι εξαρτήσεις από τον εφοδιασμό στο εξωτερικό.

Δίκτυα υποδομών και αλληλεξαρτήσεις

Η εύρυθμη λειτουργία της οικονομίας και της κοινωνίας γενικότερα, εξαρτάται άμεσα από τη καλή και συνεχή λειτουργία των δικτύων τεχνικών υποδομών που την υποστηρίζουν.  Πέρα από το ηλεκτρικό δίκτυο, η αδιάλειπτη λειτουργία και των άλλων  δικτύων, όπως της ύδρευσης, του φυσικού αερίου, των τηλεπικοινωνιών και των μεταφορών, είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ομαλή καθημερινότητά της κοινωνίας. 

Παρά το γεγονός ότι τα δίκτυα αυτά αποτελούν διακριτές οντότητες με ξεχωριστές φυσικές και διοικητικές δομές, οι δυσλειτουργίες ή οι διακοπές στη  λειτουργία του ενός έχουν άμεσες ή έμμεσες επιπτώσεις, σε μικρό ή μεγαλύτερο  βαθμό, στη λειτουργία του άλλου. Οι αλληλεξαρτήσεις αυτές μεταξύ των διαφόρων δικτύων καταγράφονται εκτενώς στη διεθνή βιβλιογραφία [6], ενώ οι αλληλεξαρτήσεις  της λειτουργίας των δικτύων ηλεκτρισμού με άλλα δίκτυα συνοψίζονται στον Πίνακα 1.

 

Πίνακας 1. Αλληλεξαρτήσεις μεταξύ υποδομών

Επιπτώσεις  στην ομαλή λειτουργίας  των ΣΗΕ από δυσλειτουργίες άλλων υποδομών όπως :		Επιπτώσεις από δυσλειτουργίες των  ΣΗΕ στην ομαλή λειτουργία  άλλων υποδομών όπως :
Φυσικό Αέριο	Άμεσες στην επάρκεια, έμμεσες στις τιμές	Μέτριες π.χ. αδυναμία τροφοδότησης συμπιεστών	Φυσικό Αέριο
Τηλεπικοινωνίες	Άμεσες στα Κέντρα Ελέγχου, SCADA κλπ.	Άμεσες π.χ. αδυναμία ηλεκτρικής τροφοδότησης σε τηλεφωνικά κέντρα, αναμεταδότες κλπ	Τηλεπικοινωνίες
Ύδρευση	Μικρές π.χ. στη ψύξη θερμικών μονάδων	Μέτριες π.χ. αδυναμία άντλησης	Ύδρευση
Μεταφορές	Μικρές π.χ. αδυναμία μετακινήσεων προσωπικού	Μεγάλες στα μέσα σταθερής τροχιάς, μικρές στις λοιπές	Μεταφορές

 

Πηγές διαταραχών, κίνδυνοι, ακραία συμβάντα

Τα ΣΗΕ αποτελούν  μία από τις σημαντικότερες υποδομές, αν όχι τη σημαντικότερη,  της σύγχρονης οικονομίας και κοινωνίας.   Με τις τρέχουσες και τις μελλοντικές εξελίξεις, η καλή λειτουργία των ΣΗΕ καθίσταται ολοένα και πιο κρίσιμη.  Στο παρελθόν η διακοπή παροχής ηλεκτρισμού γινόταν αισθητή από τον απλό χρήστη  ως η αδυναμία κάλυψης των φορτίων, για παράδειγμα έσβηναν τα φώτα.  Σήμερα ο καταναλωτής μπορεί να είναι ταυτόχρονα και παραγωγός   (consumer – prosumer) και  επομένως η διακοπή λειτουργίας του συστήματος οδηγεί και σε αδυναμία διοχέτευσης της παραγωγής του.  Επίσης η λειτουργία άλλων κρίσιμων συστημάτων και υποδομών, όπως π.χ. συστήματα φυσικού αερίου, τραίνων,  τηλεπικοινωνιών, υδροδότησης κλπ. εξαρτώνται  σε μικρό ή μεγαλύτερο βαθμό  από την αδιάλειπτη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας.  Προφανώς η λειτουργία των ΣΗΕ υπόκειται σε διαταραχές από διάφορα  αίτια που προκαλούν διακοπές τροφοδότησης των καταναλωτών μικρής ή μεγάλης έκτασης.  Ο σχεδιασμός της ανάπτυξης και της λειτουργίας είναι τέτοιος, ώστε, με δεδομένες παραδοχές διαταραχών, η κατάσταση λειτουργίας και η πιθανότητα διακοπών τροφοδότησης να παραμένουν μέσα σε αποδεκτά επίπεδα. Ακραία όμως φαινόμενα, πέρα από τα συνήθως αναμενόμενα, που οφείλονται σε εξωτερικούς αλλά  ενίοτε και σε εσωτερικούς παράγοντες, μπορεί να διαταράξουν τη κανονική λειτουργία με δραματικές  επιπτώσεις στην εξυπηρέτηση των χρηστών. 

Οι αντοχές των ΣΗΕ μπορεί να επηρεαστούν σημαντικά στις παρακάτω περιπτώσεις:

Ακραία φυσικά φαινόμενα, όπως δυσμενείς καιρικές συνθήκες, πλημμύρες τυφώνες, χιονοθύελλες, παγετοί, πυρκαγιές, σεισμοί κλπ. Πολλά από αυτά εμφανίζονται όλο και συχνότερα τις τελευταίες δεκαετίες για λόγους που αποδίδονται στη κλιματική αλλαγή. Οι τροπικές καταιγίδες Katrina και Harvey, που έπληξαν τις νοτιοανατολικές πολιτείες των ΗΠΑ τον Αύγουστο του 2005 και 2017 αντίστοιχα, αναφέρονται συχνά στη βιβλιογραφία σαν παραδείγματα ακραίων τέτοιων φαινομένων με δραματικές επιπτώσεις στις τοπικές κοινωνίες, που οδήγησαν μεταξύ άλλων και σε πολυήμερες διακοπές της ηλεκτρικής παροχής σε μεγάλη έκταση. Πρόσφατη όμως είναι η εμπειρία και στη χώρα μας από τις χιονοκαταιγίδες τους τελευταίες χειμώνες  2021-2022. Στο παρελθόν ο παγετός σε συνδυασμό με ισχυρούς ανέμους στη περιοχή πλησίον της Πάρνηθας τον Μάρτιο του 1998  οδήγησαν σε πτώση πυλώνων 400kV  και εκτεταμένες διακοπές στο λεκανοπέδιο της Αττικής. Τέτοια ακραία καιρικά φαινόμενα μπορούν ενδεχομένως να τύχουν μέσο-βραχυπρόθεσμης πρόβλεψης δίνοντας τη δυνατότητα κάποιας προετοιμασίας.  Άλλα όμως φυσικά φαινόμενα, όπως είναι οι σεισμοί, συμβαίνουν χωρίς καμία ή με ελάχιστη δυνατότητα πρόβλεψης.  Παράδειγμα αποτελεί ο σεισμός της Πάρνηθας τον Σεπτέμβριο 1999, που οδήγησε σε κατάρρευση εξοπλισμού και ικριωμάτων σε δύο κέντρα υπέρ-υψηλής τάσεως στην  Αττική με άμεσες επιπτώσεις στην ηλεκτροδότηση [15]. 

Εικόνα 1. Ζημιές στο δίκτυο διανομής από πυρκαγιές

Εικόνα 2. Το ΚΥΤ Αχαρνών μετά το μεγάλο σεισμό Σεπτεμβρίου 1999 [15]

Ακραίες διαταραχές στο ηλεκτρικό σύστημα έχουν συμβεί ακόμη και από άλλα φυσικά φαινόμενα, όπως ηλιακές εκρήξεις και γεωμαγνητικές θύελλες με επιπτώσεις στη λειτουργία των διατάξεων προστασίας, των διατάξεων συγχρονισμού, μετρήσεων, φασικών αποκλίσεων (PMU) κλπ. Ένα τέτοιο συμβάν καταγράφεται τον Μάρτιο 1989 στον ανατολικό Καναδά λόγω γεωμαγνητικής καταιγίδας που προκλήθηκε από ηλιακή έκρηξη. H ηλεκτρομαγνητική επίδραση επάγει επιφανειακά ρεύματα στη επιφάνεια της γης. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, λόγω της χαμηλής αγωγιμότητας του εδάφους της περιοχής, αναπτύχθηκαν  ισχυρές αρμονικές ρεύματος στις γραμμές μεταφοράς με αποτέλεσμα διαδοχικές διακοπές του συστήματος μεταφοράς 735kV από ανεπιθύμητη λειτουργία της προστασίας, που οδήγησαν σε εκτεταμένες και πολύωρες διακοπές [16]. 

Κακόβουλες ενέργειες, όπως κυβερνοεπιθέσεις ή και τρομοκρατικές ενέργειες που μπορούν να διαταράξουν την λειτουργία στα τοπικά ή εθνικά κέντρα ελέγχου, εργοστάσια, υποσταθμούς κλπ. Τα συστήματα Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, η Πληροφορική και οι Τηλεπικοινωνίες παίζουν όλο και σημαντικότερο ρόλο στη καλή λειτουργία των ΣΗΕ. Κακόβουλες ενέργειες που προκαλούνται από ιούς Η/Υ μπορούν να επηρεάσουν άμεσα τα συστήματα αυτά. Για παράδειγμα  στη βιβλιογραφία αναφέρεται ένας αγνώστου προέλευσης ιός που στοχεύει κυρίως συστήματα SCADA και PLC. Η ομάδα εργασίας CIGRE WG B5-D2.46 στο Τεχνικό Εγχειρίδιο TB 603 [17]  επικεντρώνεται στους τύπους επιθέσεων που ξεκινούν από τον κυβερνοχώρο και τις πιθανές συνέπειες και τα αντίμετρα που  ενδιαφέρουν τους μηχανικούς προστασίας και ελέγχου.

Εσωτερικά αίτια και ανθρώπινα σφάλματα, όπως κακή σχεδίαση, ελλιπής συντήρηση εξοπλισμού, παλαιότητα εξοπλισμού, μπορούν να προκαλέσουν μεγάλης έκτασης διακοπές. Επίσης η αδυναμία εκτίμησης μίας τρέχουσας κατάστασης λόγω ανθρωπίνου σφάλματος μπορεί να έχει τεράστιες επιπτώσεις που ξεφεύγουν τοπικών ορίων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η ανωμαλία της 4ης Νοεμβρίου 2006 που προκλήθηκε σε ολόκληρη την Ευρωπαϊκή Ηπειρωτική Διασύνδεση από κακή εκτίμηση της κατάστασης κατά τη διάρκεια χειρισμών ρουτίνας (έγινε προγραμματισμένη διακοπή λειτουργίας ΓΜ υπέρ-υψηλής τάσεως κατά τη διέλευση κρουαζιερόπλοιου από κανάλι) στο Γερμανικό σύστημα. Η διαταραχή οδήγησε σε πολύωρες διακοπές σε 10 εκατομμύρια χρήστες ιδίως σε Γερμανία, Γαλλία, Βέλγιο, Ιταλία και Ισπανία και στο λειτουργικό διαχωρισμό του διασυνδεμένου Ευρωπαϊκού Συστήματος σε τρία τμήματα  με μεγάλες αποκλίσεις στη συχνότητα [18].

Συμπερασματικά τα ΣΗΕ υπόκεινται σε συνήθεις διαταραχές που οδηγούν σε διακοπές τροφοδοσίας που  περιορίζονται σε αποδεκτά επίπεδα. Ακραία όμως φαινόμενα και συμβάντα, που οφείλονται σε εξωτερικά ή και σε εσωτερικά αίτια, δοκιμάζουν τις αντοχές τους και οδηγούν σε μεγάλης έκτασης ή/και μεγάλης διάρκειας διακοπές λειτουργίας. Φυσικά ακραία φαινόμενα εμφανίζονται όλο και συχνότερα τα τελευταία χρόνια για λόγους που αποδίδονται στη κλιματική αλλαγή. Καθώς η λειτουργία του συστήματος εξαρτάται όλο και περισσότερα από τη χρήση Η/Υ, τηλεπικοινωνιών κλπ., εξωτερικά αίτια από κακόβουλες ενέργειες μπορούν να οδηγήσουν σε πολύ σοβαρά  τέτοια περιστατικά. Επίσης καθώς η χρήση του συστήματος εξελίσσεται και διαφοροποιείται, π.χ. διασπαρμένη παραγωγή, χρήστες που είναι ταυτόχρονα καταναλωτές  και παραγωγοί, ηλεκτροκίνηση κλπ., οι  συνέπειες τέτοιων συμβάντων γίνονται όλο και πιο αισθητές. 

Ορισμός και Χαρακτηριστικά της ανθεκτικότητας στα ΣΗΕ

Ο σχεδιασμός της ανάπτυξης και ο προγραμματισμός λειτουργίας των ΣΗΕ γίνεται λαμβάνοντας υπόψη το ενδεχόμενο διαταραχών με στόχο την όσο δυνατόν μικρότερη επίπτωση στους χρήστες. Για παράδειγμα από τότε που άρχισαν να αναπτύσσονται τα ηλεκτρικά δίκτυα εφαρμόζεται το κριτήριο ασφάλειας Ν-1, δηλαδή σε περίπτωση απώλειας ενός στοιχείου του συστήματος να μην υπάρχει καμία επίπτωση στην λειτουργία του. Εδώ και δεκαετίες, από τότε που εγκαταστάθηκαν Η/Υ στα Κέντρα Ελέγχου των ΣΗΕ, χρησιμοποιούνται κατάλληλα προγράμματα ανάλυσης ενδεχομένων  σε πραγματικό χρόνο για να εξετάζουν πλήθος πιθανών διαταραχών (απλές Ν-1 ή και πολλαπλές Ν-2, Ν-x κλπ.) και ενημερώνονται οι λειτουργοί του συστήματος για τις συνέπειες (υπερφορτίσεις, υπερτάσεις, υποτάσεις κλπ.),  ώστε να ληφθούν τα κατάλληλα προληπτικά μέτρα.

Παράλληλα και καθώς προχώρησε η ανάπτυξη των συστημάτων και των διασυνδέσεων ο προγραμματισμός της ανάπτυξης γίνεται με βάση σενάρια διαταραχών με συγκεκριμένες υποθέσεις και παραδοχές ως προς την πιθανότητα να συμβούν,  έτσι ώστε η κατάσταση λειτουργίας και οι τυχόν διακοπές σε τέτοια ενδεχόμενα να διατηρούνται σε αποδεκτά επίπεδα. Η αξιοπιστία συνεπώς του συστήματος με βάση συγκεκριμένα κριτήρια αποτέλεσε βασική παράμετρο για το σχεδιασμό λειτουργίας και ανάπτυξής του.  Από τη σκοπιά του καταναλωτή η αξιοπιστία του συστήματος γίνεται αντιληπτή ως η δυνατότητα παροχής αδιάλειπτης ηλεκτρικής ενέργειας ή έστω οι όποιες διακοπές να είναι εντός αποδεκτών ορίων σε διάρκεια και σε έκταση. Καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται με τη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), διασπαρμένης παραγωγής, αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, ηλεκτροκίνησης, η έννοια της αξιοπιστίας διευρύνεται.  Ένας σύγχρονος ορισμός της αποδίδεται από την ομάδα εργασίας της CIGRE WG C1.27 ως  “Το μέτρο της ικανότητας του ηλεκτρικού συστήματος να παραδίδει την ηλεκτρική ενέργεια σε όλα τα σημεία κατανάλωσης και να παραλαμβάνει ηλεκτρική ενέργεια από όλα τα σημεία παραγωγής εντός αποδεκτών κριτηρίων ποιότητας και στις επιθυμητές ποσότητες” [19].

Όπως αναπτύχθηκε πιο πάνω, ακραία συμβάντα μπορεί να οδηγήσουν το ηλεκτρικό σύστημα σε ιδιαίτερα δυσχερείς καταστάσεις και εκτεταμένες διακοπές πέρα από αυτές που τυχόν είχαν προβλεφθεί κατά τον σχεδιασμό του με βάση κριτήρια αξιοπιστίας. Τέτοιες καταστάσεις  είναι συχνότερες λόγω της κλιματικής αλλαγής, αλλά και οι επιπτώσεις είναι σοβαρότερες λόγω της πολυπλοκότερης λειτουργίας στις σημερινές συνθήκες.

Κατά συνέπεια εισάγεται η έννοια της ανθεκτικότητας που περιλαμβάνει την ικανότητα ενός συστήματος όχι μόνο να ανθίσταται σε επιβαρυντικές καταστάσεις, αλλά και να επανακάμπτει ή να επανέρχεται στη προηγούμενη κατάσταση, έστω και μερικώς. Η ανθεκτικότητα έρχεται να προσθέσει μια νέα διάσταση στη διαχείριση ενός συστήματος, με σκοπό να οδηγηθούν οι ηλεκτρικές επιχειρήσεις και οι ρυθμιστικές αρχές σε επενδύσεις και δραστηριότητες που θα ενισχύσουν και θα βελτιώσουν την αντοχή του συστήματος σε εξαιρετικά ακραία συμβάντα και διαταραχές, που χαρακτηρίζονται από μικρή ή σπάνια πιθανότητα εμφάνισης, αλλά έχουν εξαιρετικά δυσμενείς επιπτώσεις (High Impact  Low Frequency, HILF). Στο χώρου του ηλεκτρισμού αναφέρονται διάφοροι ορισμοί από διαφορετικούς φορείς, κοινό χαρακτηριστικό των οποίων είναι ο προσδιορισμός της ανθεκτικότητας ως η  ικανότητα ενός ΣΗΕ να περιορίζει την δυσλειτουργία του σε σπάνιες και  ακραίες διαταραχές και να ανακάμπτει ταχέως  μετά από τέτοια συμβάντα. Η κύρια διαφορά μεταξύ αξιοπιστίας και ανθεκτικότητας μπορεί να συνοψιστεί στο ότι η ανθεκτικότητα καλύπτει ακόμα και τα ενδεχόμενα που αντιστοιχούν σε πολύ μικρή πιθανότητα, αλλά οδηγούν σε ακραίες διαταραχές [4].

Η CIGRE στα πλαίσια της δραστηριότητας της Επιτροπής Μελέτης SC4 ενεργοποίησε την ομάδα εργασίας C4.47 [5,6] με σκοπό την διαμόρφωση ενός ολοκληρωμένου ορισμού της ανθεκτικότητας, κατάλληλου για τις ανάγκες του ηλεκτρικού συστήματος και  κατέληξε στην εννοιολογική προσέγγιση που θα πρέπει:

• να περιλαμβάνει την ενδελεχή θεώρηση και αξιολόγηση της απόκρισης του συστήματος σε διαταραχές, όχι μόνο  αναφορικά με την “κατάρρευση” υπό τέτοιες συνθήκες, αλλά και με τη συμπεριφορά του κατά την φάση της αποκατάστασης, περιλαμβάνοντας επίσης και τα μέτρα που απαιτούνται προληπτικά ώστε να βελτιωθεί η απόδοση του
• να υποστηρίζει τον προσδιορισμό και τη σχεδίαση πρακτικών, μέτρων και δράσεων για τη βελτίωση της απόκρισης του συστήματος μετά από ακραία συμβάντα που προκαλούνται από εξαιρετικά δυσμενή καιρικά φαινόμενα, κακόβουλες δράσεις, κυβερνοεπιθέσεις κλπ. με επαναξιολόγηση σχετικών καταστάσεων του παρελθόντος

Ως εκ τούτου ο ορισμός της ανθεκτικότητας ενός ΣΗΕ διαμορφώθηκε  ως “Η ικανότητά αυτού να περιορίζει την έκταση, τη σοβαρότητα και την διάρκεια της υποβάθμισής  του μετά από ένα ακραίο συμβάν. Τούτο επιτυγχάνεται μέσω ενός συνόλου καθοριστικών μέτρων και δράσεων που ενεργοποιούνται πριν, κατά τη διάρκεια και μετά από ακραία φαινόμενα και περιλαμβάνουν την Πρόβλεψη, την Προετοιμασία, την Απορρόφηση, την Διατήρηση των Κρίσιμων Λειτουργιών, την Γρήγορη Επαναφορά και τέλος την Προσαρμογή, συμπεριλαμβάνοντας  και τα Διδάγματα για το Μέλλον”.

Οι πρακτικές διαδικασίες και τα στάδια για την επίτευξη μεγάλης ανθεκτικότητας εξειδικεύονται ως ακολούθως:

• Η “πρόβλεψη”, στάδιο  κατά το οποίο αξιολογούνται προβλέψεις για συμβάντα  που μπορεί να έχουν καταστροφικές συνέπειες και διαμορφώνονται σχετικά σενάρια. 
• Η “προετοιμασία”, διαδικασία κατά την οποία  αναλύονται και αξιολογούνται τα συμπεράσματα της “πρόβλεψης” με στόχο τη διαμόρφωση συγκεκριμένων μέτρων.
• Η “απορρόφηση” της διαταραχής, στάδιο κατά το οποίο το σύστημα πρέπει να απορροφήσει ένα μέρος των επιπτώσεων ακραίων συμβάντων ελαχιστοποιώντας τις συνέπειες. 
• Η “διατήρηση των κρίσιμων λειτουργιών”, που αφορά την διατήρηση κρίσιμων λειτουργιών  σε περιορισμένο αλλά αποδεκτό επίπεδο. Για παράδειγμα την δυνατότητα ταχείας ανάπτυξης εφεδρικού εξοπλισμού, όπως φορητές γεννήτριες, μονάδες αδιάλειπτης παροχής  και άλλα.
• Η “γρήγορη επαναφορά”, διαδικασία που αφορά την ανταπόκριση στο αρχικό συμβάν, ώστε να περιορισθούν και να μειωθούν οι συνέπειες με έμφαση στα κρίσιμα φορτία. 
• Η “προσαρμογή” και εκμάθηση μετά από ανάλυση συμβάντων ακραίων διαταραχών. Περιλαμβάνει βελτίωση και αναμόρφωση στρατηγικών του σχεδιασμού, της  λειτουργίας και της συντήρησης με βάση τα μαθήματα και τις εμπειρίες του παρελθόντος.

Τα προηγούμενα στάδια αναφορικά με την εξέλιξη της ανθεκτικότητας σχηματοποιούνται στην Εικόνα 3. Στον κατακόρυφο άξονα του σχήματος καταγράφεται το επίπεδο της ανθεκτικότητας του συστήματος, ενώ στον οριζόντιο ο χρόνος πριν, κατά τη διάρκεια και μετά το συμβάν. Κατά το στάδιο της πρόβλεψης και αναμονής, καθώς και κατά το στάδιο της προετοιμασίας, το επίπεδο της ανθεκτικότητας βελτιώνεται. Μετά το συμβάν το επίπεδο ανθεκτικότητας μειώνεται, αλλά διατηρούνται κάποιες κρίσιμες λειτουργίες ή οδηγείται σε κατάρρευση, στη συνέχεια αρχίζει η αποκατάσταση της λειτουργίας με την ολοκλήρωση της οποίας  τα επίπεδα ανθεκτικότητας επανέρχονται στην προ του σφάλματος κατάσταση. Μετά το συμβάν και εφόσον ακολουθεί το στάδιο της προσαρμογής και εκμάθησης, το επίπεδο βελτιώνεται.

Εικόνα  3. Το τραπεζοειδές της ανθεκτικότητας με βάση τον ορισμό της CIGRE [6]

Αναφορικά με τη “μέτρηση” της ανθεκτικότητας αναφέρονται στη βιβλιογραφία διάφορες προσεγγίσεις.  Σε μία απλουστευμένη διατύπωση η “απώλεια της ανθεκτικότητας” μπορεί να εκφραστεί και να μετρηθεί ως η εκτιμώμενη μείωση της ποιότητας λειτουργίας ενός ΣΗΕ από την αρχή του ακραίου συμβάντος μέχρι την αποκατάσταση της λειτουργίας του [6].

Γενικές Αρχές Βελτίωσης της Ανθεκτικότητας

Όπως αναλύθηκε προηγουμένως, τα αίτια που δοκιμάζουν την ανθεκτικότητα των ΣΗΕ είναι ποικίλα, δηλαδή φυσικά αίτια, κακόβουλες ενέργειες, ανθρώπινα σφάλματα, και αφορούν διάφορα τμήματα του συστήματος, όπως Γραμμές Μεταφοράς, Δίκτυα Διανομής, Υποσταθμούς, καθώς και γενικευμένες διαταραχές. 

Στη βιβλιογραφία υπάρχουν συγκεκριμένες αναφορές σε διαφορετικά   συμβάντα  με προτεινόμενα μέτρα αντιμετώπισης. Λόγω όμως της πολυμορφίας του θέματος δεν είναι δυνατόν να προταθεί μία ομοιογενής προσέγγιση που να καλύπτει ένα ευρύ φάσμα περιπτώσεων. Άλλωστε σκοπός του παρόντος είναι η γενικευμένη προσέγγιση του θέματος και όχι η καταγραφή μέτρων για την αντιμετώπιση ειδικών περιπτώσεων. Πιο κάτω περιγράφονται συνοπτικά ορισμένα γενικευμένα μέτρα και προσεγγίσεις αναφορικά με τη βελτίωση της Ανθεκτικότητας, όπως περιλαμβάνονται στη βιβλιογραφία [4]: 

• Διαμόρφωση Κωδίκων και Προτύπων για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας. Είναι σκόπιμο να αναγνωρίζονται  οι γεωγραφικές ιδιαιτερότητες κάθε συστήματος και υποσυστήματος, π.χ.  σε συγκεκριμένες  γεωγραφικές περιοχές είναι αυξημένοι οι κίνδυνοι και οι επιπτώσεις πυρκαγιάς, σε άλλες οι κίνδυνοι  θυελλωδών ανέμων, παγετού, σεισμών  κλπ. 
• Βελτίωση και ανάπτυξη μοντέλων μέσο – μακροπρόθεσμης πρόβλεψης καιρού. Το θέμα αυτό είναι άμεσα συνυφασμένο με τα ακραία καιρικά φαινόμενα που παρατηρούνται τα τελευταία χρόνια και αποδίδονται στη κλιματική αλλαγή.
• Επόπτευση της κατάστασης μετά από ένα ακραίο συμβάν σε πραγματικό χρόνο.  Είναι ιδιαίτερα σημαντικό να γίνει η εκτίμηση της κατάστασης, των συνεπειών και της έκτασης της καταστροφής κατά τον χρόνο που το συμβάν είναι σε εξέλιξη και αμέσως μετά. Είναι φανερό ότι τούτο επιτρέπει την ταχύτερη έναρξη των διαδικασιών αποκατάστασης. Η βελτίωση των συστημάτων επικοινωνίας, καθώς  και του κεντρικού και περιφερειακού ελέγχου, είναι ασφαλώς προς τη σωστή κατεύθυνση. Η ευρεία χρήση ευφυών μετρητών (smart metering) δίνει μια άμεση εικόνα της περιοχής, όπου υπάρχει διακοπή τροφοδότησης σε επίπεδο μέσης ή χαμηλής τάσης. Η διαθεσιμότητα άλλων μέσων εποπτείας (ελικόπτερα, drones) δίνει μια άμεση εικόνα της έκτασης της φυσικής καταστροφής και  της κατάστασης  των οδών πρόσβασης, που θα επιτρέψει τη ταχύτερη διέλευση των συνεργείων αποκατάστασης.
• Βελτίωση των τεχνολογιών  και των διαδικασιών που επιτρέπουν καλύτερο συντονισμό. Μία μεγάλη πρόκληση μετά από τέτοια συμβάντα είναι ο συντονισμός των δραστηριοτήτων συνεργείων που ενεργούν για την αποκατάσταση και επανατροφοδότηση. Το άνοιγμα των δρόμων και η κοπή των δέντρων που έχουν πέσει προηγούνται της δυνατότητας επέμβασης των συνεργείων  διανομής και μεταφοράς. Βελτίωση των τεχνικών μέσων και των διαδικασιών επικοινωνίας και συντονισμού μεταξύ  διαφορετικών φορέων, όπως αστυνομίας, πυροσβεστικής,  συνεργείων δήμων και περιφέρειας με τους υπεύθυνους του ηλεκτρικού συστήματος είναι απαραίτητη.
• Βελτίωση εργαλείων επιτήρησης εξοπλισμού και ανάλυσης του Συστήματος. Εδώ περιλαμβάνονται η εποπτεία και επιτήρηση εξοπλισμού, ώστε να  προβλεφθούν ενδεχόμενες αστοχίες εξοπλισμού, και η ανάλυση θεμάτων δυναμικής και μεταβατικής ευστάθειας και ταλαντώσεων χαμηλής συχνότητας κλπ., που μπορεί να οδηγήσουν σε εκτεταμένες διαταραχές.
• Βελτίωση διαδικασιών και εργαλείων για τη ταχύτερη απόκριση σε διαταραχές. Με την αύξηση της διείσδυσης των ΑΠΕ, τα περισσότερα των οποίων συνδέονται στο σύστημα μέσω ηλεκτρονικών ισχύος,  η στρεφόμενη μάζα (αδράνεια) του συστήματος μειώνεται. Το γεγονός αυτό σε περιπτώσεις  διαταραχής στο ισοζύγιο παραγωγής-φορτίου οδηγεί σε ταχείες μεταβολές της συχνότητας (υποσυχνότητα, υπερσυχνότητα)  με κίνδυνο αλυσιδωτής απόρριψης μονάδων ή φορτίου και ενδεχόμενο μερικό ή ολικό  blackout. Είναι φανερό ότι ο σχεδιασμός απόρριψης φορτίου σε υποσυχνότητα θα πρέπει διαρκώς να επικαιροποιείται.  Επίσης πρέπει να αξιοποιούνται περαιτέρω οι δυνατότητες των μοντέρνων ηλεκτρονικών ισχύος ώστε να μεταβάλλουν ταχύτατα την παρεχόμενη ισχύ στο σύστημα, έχοντας βέβαια σαν απαραίτητη προϋπόθεση την διατήρηση  περιθωρίων εφεδρικής ισχύος.  Κάτι τέτοιο μπορεί να  αντισταθμίσει την μείωση της στρεφόμενης μάζας του συστήματος. 
• Βελτίωση της επικοινωνίας και του συντονισμού μεταξύ των κέντρων ελέγχου Μεταφοράς και Διανομής. Τα Κέντρα  Ελέγχου Ενέργειας σε επίπεδο μεταφοράς (ΚΕΕ)  δεν ασκούν έλεγχο  στα αντίστοιχα Κέντρα Ελέγχου Δικτύων Διανομής (ΚΕΔΔ) και αντίστροφα. Παραδοσιακά τα πρώτα ρυθμίζουν το ισοζύγιο παραγωγής και φορτίου μέσω του AGC (Automatic Generation Control) επιτηρώντας την παραγωγή των μονάδων που εγχέουν ισχύ στην  υψηλή τάση και την  ροή ισχύος στις διασυνδέσεις. Η τροφοδοσία των φορτίων, των τάσεων και της τοπολογίας του συστήματος διανομής γίνεται από τα αντίστοιχα κέντρα διανομής. Όπως εξελίσσεται η τεχνολογία  με την αύξηση της διείσδυσης παραγωγής από ΑΠΕ σε επίπεδα μέσης και χαμηλής τάσης,  ο παραδοσιακός αυτός τρόπος εποπτείας και ελέγχου δεν θα είναι πλέον επαρκής. Τα  ΚΕΕ θα πρέπει να έχουν πληροφορία σε πραγματικό χρόνο από τα αντίστοιχα ΚΕΔΔ όσον αφορά την παραγόμενη εκεί ηλεκτρική ισχύ  και αντίστροφα τα ΚΕΔΔ θα πρέπει να γνωρίζουν τη τρέχουσα κατάσταση του ισοζυγίου παραγωγής και φορτίου σε επίπεδο μεταφοράς, ώστε να γίνονται αντιληπτές οι σχετικές ανάγκες. Η βελτίωση επομένως της επικοινωνίας και ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ των Κέντρων Ελέγχου Μεταφοράς και Διανομής καθίσταται πλέον απαραίτητη. 

Επίλογος

Διάφορα ακραία φυσικά φαινόμενα, αλλά και κάποιες ανθρωπογενείς δράσεις, μπορεί να επηρεάσουν σε σοβαρό βαθμό την λειτουργία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η ανθεκτικότητα του συστήματος είναι ένας νέος σχετικά όρος και ταυτόχρονα μια πολυδιάστατη και δυναμική έννοια. Σχετίζεται με την ανάπτυξη κατάλληλων στρατηγικών για τη βελτίωση της ικανότητας του συστήματος,  ώστε αυτό να προβλέπει τις κρίσιμες καταστάσεις,  να προετοιμάζεται για αυτές, να απορροφά τις επιπτώσεις των κινδύνων, να αποτρέπει την επιδείνωση της λειτουργίας με στόχο την αποφυγή της  πλήρους κατάρρευσης και να ανακάμπτει. 

Στην εργασία αυτή έγινε αναφορά στις δραστηριότητες Διεθνών Οργανισμών σχετικά με την ανθεκτικότητα, παρουσιάστηκαν σε αδρές γραμμές τα τεχνικά δίκτυα και τα  συστήματα και οι αλληλεξαρτήσεις μεταξύ τους, ορίστηκαν οι πηγές διαταραχών, οι κίνδυνοι και τα ακραία συμβάντα και δόθηκαν ορισμοί της αξιοπιστίας και της ανθεκτικότητας στα ΣΗΕ. Τέλος παρουσιάστηκαν συνοπτικά ορισμένα γενικευμένα μέτρα και προσεγγίσεις αναφορικά με τη βελτίωση της ανθεκτικότητας.

Αναφορές

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Resilience

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Resilience_(engineering_and_construction)#19th_century

3. CIRED WG on Resilience of Distribution Grids,  Final Report: 31.05.2018, http://www.cired.net/cired-working-groups/resilience-of-distribution-grids

4. IEEE Power & Energy Society, Industry Technical Support Leadership Committee Task Force, Technical report PES-TR83 ‘Resilience Framework, Methods, and Metrics for the Electricity Sector’, October 2020.

5. E. Ciapessoni, D. Cirio et al behalf of CIGRE WG C4.47 WG Members, Defining power system resilience, Electra No. 306, pp. 32-34, October 2019.

6. S. Skarvelis-Kazakos, R. Moreno et al on behalf of the CIGRÉ WG C4.47 Power System Resilience, Resilience of interdependent critical infrastructure, Electra No. 320, pp. 01-13, February 2022.

7. K. Dedekind, C. Schwaegerl from CIGRE SC C6, Resilience considerations with increased Distributed Energy Resource (DER) integration, CIGRE Future Connections, Edition 8, January 2022.                                                     https://www.cigre.org/article/GB/news/the_latest_news/resilience-considerations-with-increased-distributed-energy-resource-der-integration

8. http://cigrekyoto2022.jp/topics.html

9. https://www.cigre.org/GB/events/cigre-session-2022

10. Henry Haves, William Chisholm et al CIGRE WG B2.54, Guidelines for the Management of Risk Associated with Severe Climatic Events and Climate Change on Overhead Lines, Electra No.278, pp.15-21, February 2015 (TB 598).

11. B.Li, P. Gomes et al CIGRE WG C2.21, Lessons Learnt from Recent Emergencies and Blackout Incidents, Electra No.279, pp.65-73, April 2015 (TB 608).

12. K. Reich, M.Pompili, K. Bakic, Y. Bondarenko, Development of Resilience Issues and Challenges in the SEERC Region, paper C1-114, CIGRE 48th Session, 2020. 

13. https://www.entsoe.eu/about/system-operations/#system-resilience

14. https://www.edsoforsmartgrids.eu/the-viral-resilience-lessons-learnt-from-one-year-of-covid-19-in-the-european-electric-power-distribution-industry/

15. https://www.tanea.gr/1999/09/10/greece/dwrean-reyma-stoys-seismopatheis/ 

16. https://spaceweatherarchive.com/2021/03/12/the-great-quebec-blackout/

17. D.Holstein, T.W. Cease et al CIGRE JWG B5-D2.46, Application and Management of Cybersecurity Measures for Protection and Control, Electra No.278, pp.51-54, February 2015 (TB 603).

18. Final Report System Disturbance on 4 November 2006, Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity.

19. P. Jeffrey Palermo, Graeme Ancell et al CIGRÉ WG C1.27, The future of reliability, Electra No.296, pp.75-79, February 2018 (TB 715).

 

 

    

 

---