Sítě nízkého elektrického napětí procházejí v současné době na mnoha místech světa rychlými a poměrně zásadními změnami. Elektrická energie v nich totiž často již neproudí jen jedním směrem, tedy z rozvodny ke spotřebitelům, ale spotřebitelé mohou – a mnohdy tak také činí – exportovat elektřinu, kterou sami vyrobili, zpět do sítě. Dalším významným faktorem, který se na proměně podílí, je to, že poptávka po elektřině rychle roste a dále poroste s tím, jak se bude dále elektrifikovat dopravní provoz a jeho infrastruktura – tedy především, jak se bude rozvíjet elektromobilita – a jak bude sílit i elektrifikace dalších významných infrastruktur. A přibývat bude i obnovitelných zdrojů. Spolu s tím vším však porostou i rizika vzniku nestabilit v nízkonapěťových sítích.

Výzkumníci sdružení v Smart Systems Group při edinburghské univerzitě Heriot-Watt se proto ve spolupráci s distribuční společností Scottish Power Energy Networks zaměřili právě na tyto klíčové výzvy. Na základě dat opírajících se o provoz skotských energetických distribučních sítí vědci ukázali, že neuronové sítě umožňující tzv. hluboké učení mohou poskytovat poměrně přesné odhady distribuce napětí ve všech oblastech sítě, i když jsou data dostupná pouze na několika místech této sítě. Předpokladem toho však je, že data se získávají prostřednictvím tzv. chytrých měřičů, a mají dostatečně vysokou granularitu. (Granularita neboli zrnitost je úroveň hloubky reprezentace dat, resp. jejich podrobnosti. Vysoká granularita znamená vysokou úroveň detailu až na atomická data.)

Měřit inteligentně

Kolísání napětí je značným problémem, protože jeho poklesy/rázy mohou vést i k vážnému poškození koncových elektrických spotřebičů. Distributoři elektřiny proto mají zákonnou povinnost zajistit, aby odchylky napětí ve všech uzlech jejich sítí zůstaly v zákonem přísně vymezeném intervalu nebo v rámci provozních podmínek stanovených regulátorem. V současné době tedy řada distributorů přistupuje k instalaci inteligentních měřičů a dalších pokročilých měřicích technologií, aby se zvýšila pozorovatelnost dříve „slepých“ částí sítě a umožnila se tak aktivní správa sítí s cílem zajistit zmírnění rizik.

Zavádění inteligentních měřičů však může implikovat i řadu potíží. V praxi se totiž pak často jedná o zpracovávání rozsáhlých datových toků z desítek tisíc (a potenciálně i milionů) míst a o získávání smysluplných provozních a plánovacích informací z těchto dat, což nemusí být zrovna jednoduché. Data totiž nemusejí být úplná a dostatečně kvalitní, například v důsledku toho, že mnoho sítí se de facto skládá z řady dalších podsítí, které se často vzájemně velmi liší svým typem a technickým stavem. Představa, že kvalitní a kompletní data v dohledné době půjde získat z každého jednotlivého uzlu, zkrátka není příliš realistická. V mnoha zemích a regionech je navíc zavádění inteligentních měřičů zcela dobrovolné a odběratelé je tak mohou bez jakýchkoli následků odmítnout. A i v místech, kde zavádění inteligentních měřičů probíhá úspěšně, je třeba vzít v úvahu zákonnou regulaci, která brání přístupu k soukromým údajům provozovatelů.

To potvrzuje i Maizura Mokhtar, datová expertka, která práci skotských vědců vedla. „Moderní inteligentní měřiče mohou shromažďovat data s vysokou granularitou v podstatě z každé domácnosti, v praxi však existuje při shromažďování tolika dat řada technických omezení. Stejně tak do hry vstupují i obavy koncových odběratelů o své soukromí,“ uvedla.

Pozor na osobní data

Je tedy třeba připustit, že existují oprávněné obavy, že údaje o poptávce po elektřině, zejména pak údaje o konkrétní energetické zátěži, je možné použít i k profilování chování jednotlivých zákazníků. Například ve Velké Británii proto příslušný regulační orgán, jímž je Úřad pro trh s plynem a elektřinou (OFGEM), rozhodl, že údaje o poptávce po energii s vysokou granularitou v intervalu kratším než jeden měsíc musejí být považovány za osobní, a proto jsou chráněny přísnějšími předpisy, než je v souvislosti s energetickým provozem obvyklé.

Bez znalosti topologie sítě je však – na rozdíl od údajů o výkonu, které přímo odhalují spotřebu energie každé domácnosti v každém časovém okamžiku – vytvoření profilu energetického chování zákazníků jen na základě dat o elektrickém napětí značně obtížné.

Skotští vědci se proto zaměřili na vytvoření takových technik strojového učení a Power System Simulator for Engineering (PSSE), které budou schopny efektivně pracovat pouze s napěťovými daty a žádné další datové soubory již nebudou potřebovat. Ve své studii pak vědci také porovnali přesnost predikce poptávky po elektřině s použitím osobních dat a bez nich. Vědci dále zkoumali také účinnost neuronových sítí se schopností hlubokého učení při předpovídání napěťové distribuce i v místech, kde se nenacházejí inteligentní měřiče.

Stav, kdy by všichni zákazníci měli nainstalovány inteligentní měřiče, se totiž pouze zdá být ideální. Pokud by tomu tak opravdu bylo, pak by pochopitelně značně vzrostl objem celkových dat, ale i náklady na správu těchto dat i na jejich následnou analýzu. A právě proto, aby tyto náklady nebyly tak velké, navrhuje skotská studie identifikovat klíčová místa, na kterých jsou inteligentní měřiče nutné k tomu, aby bylo možné zajistit efektivní predikci pro celou nízkonapěťovou síť.

Vědci zjistili, že aby byl prediktivní model přesný a spolehlivý, musí umět:

1. předvídat distribuci napětí v obvodu vždy o jeden krok dopředu, a to při pouze částečném pokrytí chytrými měřiči v nízkonapěťovém obvodu;

2. předvídat napětí, a to pro všechny zákazníky, včetně míst bez chytrých měřičů;

3. používat, ale nevyžadovat data o spotřebě energie s vysokou granularitou od všech zákazníků v síťovém okruhu, potenciálně tedy umět využít tato data v agregované podobě;

4. neklást žádné pevné požadavky týkající fázových připojení jednotlivých zákazníků.

Takto sestavený prediktivní model následně ukázal, že přesnost predikce sítě se zvyšuje spolu s tím, jak vzrůstá počet zákaznických bodů vybavených inteligentními měřiči, přičemž maximální přesnosti predikce je dosaženo při menším počtu bodů, než je jejich celkový počet. Zajímavým zjištěním tohoto výzkumu bylo také to, že na predikci nemělo podstatnější vliv, zda byl součástí vstupních údajů i údaj o spotřebě energie v konkrétních zákaznických bodech.

Práce skotských odborníků tak demonstruje, že k tvorbě vysoce přesných predikcí napětí v celé síti postačují pouze data z několika klíčových míst. Zásadní charakteristikou této metody přitom je, že po zákaznících nepožaduje zadávání žádných citlivých údajů.

Podle profesora Davida Flynna, vedoucího Smart Systems Group, spolupráce univerzity Heriot-Watt a Scottish Power Energy Networks velmi dobře ukazuje, jak lze díky spojení rozdílných odborností dospět k novému uvažování o věcech se zcela konkrétním praktickým užitkem pro britské provozovatelé energetických sítí. „Ukazuje se, že umělá inteligence a analýza velkých objemů dat jsou stále důležitější při řešení výzev, se kterými se britští poskytovatelé energií potýkají, a při dekarbonizaci našich energetických systémů pravděpodobně budou hrát klíčovou roli,“ dodal David Flynn.

Na začátku letošního roku došlo k jedné z nejvážnějších události v evropské rozvodné soustavě za poslední roky. V pátek 8. ledna brzy odpoledne jsme se poprvé po dlouhých letech ocitli relativně blízko velkému výpadku dodávek elektřiny ve významné části Evropy. Na více než hodinu se od evropské sítě oddělila soustava jihovýchodní Evropy.

Událost vzbudila zájem médií a veřejnosti až zpětně, v danou chvíli si ji všiml málokdo mimo obor. Ale brzy poté se v Česku objevily hlasy, podle kterých byla minimálně do určité míry důsledkem rozvoje obnovitelných zdrojů, především v rozhovoru Pavla Farkače z energetické společnosti Sev.en energy pro iDnes.cz. Sev.en Energy (někdy se u nás nepřesně označuje jako Severní energetická) je vlastněná skrze kyperskou společnost českým podnikatelem Pavlem Tykačem. Skupina je zaměřená prakticky výhradně na oblast energetiky, a to především těžby uhlí a výrobu elektřiny z něj.

Nebyl to zcela je ojedinělý hlas. S tvrzením, že jde o malou předzvěst věcí budoucích a že bude hůře, přišly například rakouské energetické firmy Wien Energie a EVN. Podle nich se blackoutu neboli rozsáhlému výpadku dodávek elektřiny podařilo zabránit jen těsně. Jejich prohlášení uvádělo, že s růstem podílu nepředvídatelných obnovitelných zdrojů takových událostí bude přibývat a riziko poroste.

Obnovitelné zdroje ovšem za událostí nejsou. Jednoznačně to říká závěrečná zpráva o události, kterou zpracovala komise jmenovaná Evropským sdružení m provozovatelů přenosových soustav elektřiny (ENTSO-E). Kompletní zprávu můžete získat z této stránky.

Zpráva potvrdila, že rozdělení mělo svůj původ v rozvodně nedaleko zhruba tisícové chorvatské obce Ernestinovo, která leží ve východním cípu země, nedaleko hranice se Srbskem. Problém nebyl v nějakém výkyvu ve výrobě: „K prvotní události, která způsobila odpojení soustavy dne 8. ledna 2021, došlo v chorvatské rozvodně Ernestinovo. Výroba konvenčních elektráren a obnovitelných zdrojů energie v oblasti oddělení soustavy odpovídala plánované výrobě a nedošlo k neplánované nedostupnosti výrobních zdrojů.“ Na vině tedy nebyla vysoká výroba elektřiny v obnovitelných zdrojích nebo to, že nebyl k dispozici dostatek výkonu (nedostatečná výkonová přiměřenost).

Zpráva potvrdila dřívější odhady, že poruchu způsobilo rozpojení dvou přípojnic nadproudovou ochranou v chorvatské rozvodně Ernestinovo. V rozvodně se rozpojilo jedno z připojených 400kilovoltových vedení. Přebytečná energie začala automaticky proudit do dalších vedení, která nápor ovšem také neunesla. Porucha se tak šířila dál. Kaskáda selhání se šířila, jak ochranné prvky jednotlivých systémům automaticky odpojovala jedno vedení za druhým. Nakonec vznikly v Evropě dva obří energetické „ostrovy“, dvě obří, na sobě nezávislé soustavy.

Mapa synchronní zóny kontinentální Evropy zobrazující dvě oddělené oblasti během události 8. ledna 2021 (foto ENTSO-E)
Mapa synchronní zóny kontinentální Evropy zobrazující dvě oddělené oblasti během události 8. ledna 2021 (foto ENTSO-E)

Všechno se odehrálo extrémně rychle, alespoň z lidského pohledu. K prvnímu rozpojení u Ernestinova došlo 14:04:25,9 středoevropského času. Už ve 14:04:48,9 se kvůli přebytku výkonu rozpojilo vedení Subotica-Novi Sad v Srbsku. To vedlo k již zmíněné kaskádě dalších odpojení a v důsledku rozdělení evropské sítě na dvě v čase 14:05:08,6.

Podrobná analýza dále ukázala, že důvodem byly enormní toky výkonu napříč Evropou a nízké rezervy pro udržení stability. ENTSO-E upozorňuje na to, že s dalším rozvojem společného evropského trhu s elektřinou budou tyto situace častější a budou nabírat na intenzitě. Provozovatelé přenosových soustav by proto měli být dostatečně připravení a provozované soustavy měly mít dostatečné zálohy pro řešení obdobných situací.

Zároveň ale uvádí, že se zjevně z podobných událostí můžeme poučit. Konkrétně zmiňuje, že rychlý spolupráce a reakce provozovatelů soustav zabránila opakování události z roku 2006. Dne 4. listopadu 2006 totiž došlo k velmi podobné události, která však skončila mnohem hůře.

Aby mohla projet loď ze severoněmecké loděnice Meyer Werft do Severního moře, došlo k neuváženému odpojení dvou vedení s velmi vysokým napětím v době, kdy byly linky v oblasti využity prakticky na maximum. Miliony obyvatel v Německu, Francii, Itálii, Belgii, Španělsku a Portugalsku pak zasáhl zhruba dvouhodinový blackout. Příčinou byla tehdy lidská chyba, ale poučení z této události podle zprávy pomohlo omezit škody v roce 2021.

Co se letos stalo?

Událost naštěstí nezpůsobila žádné velké škody. Obě části soustavy měly v danou chvíli podobný problém – nerovnováhu mezi výrobou a spotřebou. Velmi zjednodušeně tedy v danou chvíli měla „balkánská“ část nadvýrobu, ve zbývající části kontinentální Evropy včetně ČR zároveň nastal nedostatek výkonu. Rozdíl byl v obou částech zhruba 6300 megawattů (MW), v každé ale s opačným znaménkem.

Nerovnováha byla jednoduše dána okamžitou situací na trhu. Rozdělení neprobíhalo přímo podle hranic států – na dvě části se rozpadla například i rumunská soustava. Obecně však platilo, že severní část soustavy byla spíše importní, jižní spíše exportní.

Přehled prvků a vedení, které byly odpojeny v důsledku události z 8. ledna 2021 (foto ENTSO-E)
Přehled prvků a vedení, které byly odpojeny v důsledku události z 8. ledna 2021 (foto ENTSO-E)

Většina zemí na severu tedy elektřinu dovážela, a to zejména Španělsko, Francie a Maďarsko (našly se ale i státy přebytkové, jako Česko, Německo nebo Švýcarsko). Balkán byl spíše exportní, což není v tomto období roku neobvyklý jev. Jižní Evropa má poměrně vysoký podíl výroby elektřiny z vodních elektráren, které nejlépe fungují právě během zimních a jarních měsíců. Tehdy bývají stavy vody nejpříznivější.

Přebytek či naopak nedostatek výkonu se okamžitě a nevyhnutelně projevil změnou frekvence v síti. V balkánské části Evropy bylo elektřiny moc, a tak elektřina „kmitala rychleji“. Nadfrekvence dosáhla hodnoty až 50,6 hertzů (Hz). Naopak v severní části se došlo ke krátkodobému poklesu frekvence o 254 mHz až na hodnotu 49,74 Hz. Jak vidíte, výkyvy neměly stejnou amplitudu, jednoduše proto, že obě části soustavy nebyly stejně veliké. Severní část byla podstatně větší.

V každém případě ovšem výkyvy byly mimo běžné bezpečnostní hranice. Povolená tolerance běžné frekvence 50 Hz je plus minus 0,2 hertzu. Každé vybočení mimo tyto limity se již považuje za ohrožení stabilního provozu sítě.

Síly rychlé reakce

Kaskáda poruch se ovšem zastavila a výkyv se podařilo rychle narovnat. Ve větší, „nedostatkové“ části soustavy se v zásadě prováděly dva typy opatření: odstavovali se zákazníci a zapínaly se nové zdroje.

V Česku bývá řešení obvykle spíše druhé zmíněné – tedy zvyšuje se výroba. Česko přispělo k vyrovnání rovnováhy navýšením výroby zhruba o 100 MW. Rezerva byla ještě větší, podle společnosti ČEPS, která zajišťuje bezpečný provoz české sítě, byla celková výše rezerv zhruba 1100 MW. Některé jsou schopné naběhnout řádově v jednotkách sekund, jiným do trvá déle. V každém případě nebylo nutné sáhnout „až na dno“. Ostatně přispěli i jiní: zhruba 500 megawattů dodaly velmi rychle do evropské sítě podmořskými kabely Velká Británie či skandinávské země, které mají k dispozici řadu vodních elektráren, u nichž lze výkon rychle regulovat (pokud tedy již nejedou na maximum, samozřejmě).

V jiných zemích se například spíše odstavovalo. Francie a Itálie odstavily celkem zhruba 1700 megawattů. Jednalo se pouze o dodavatele, kteří takovou možnost mají ve smlouvě. Tedy obvykle provozy, u nichž případné odstavení od provozu nezpůsobí velké ekonomické škody či škody přímo na zařízení. Pro zajímavost, ČEPS v Česku například podobně zkoušel odstávky papírenských provozů či rypadla v hnědouhelném dole. V jižní části soustavy se samozřejmě musel řešit problém opačný, přebytek dodávek, a tak se odpojovaly zdroje. Již ve 14:04:57 se tak odpojila téměř gigawattová elektrárna v Turecku.

Opatření rychle zabrala. V „naší“ části soustavy se kmitočet přibližně po deseti sekundách vrátil do normálního pásma provozu, tedy do rozmezí 49,8–50,2 Hz. Jen zhruba pět minut po události, ve 14:09, již byla odchylka snížena pod 0,1 Hz. V jižní části soustavy trvalo zvládnutí odchylky delší dobu, pod 50,2 Hz se frekvence dostala až zhruba ve 14:30. Pak už jen došlo ke „sladění“ obou soustav a v 15:07:31,6 k „energetickému sjednocení“, tj. resynchronizaci obou oddělených částí soustavy.

Frekvence v synchronní zóně kontinentální Evropy odpoledne 8. ledna 2021. Modrá křivka zobrazuje průběh změny frekvence pro severozápadní část, která trpěla nedostatkem výkonu. Oranžově pak jihovýchodní část, kde ho byl zase přebytek (foto ENTSO-E)
Frekvence v synchronní zóně kontinentální Evropy odpoledne 8. ledna 2021. Modrá křivka zobrazuje průběh změny frekvence pro severozápadní část, která trpěla nedostatkem výkonu. Oranžově pak jihovýchodní část, kde ho byl zase přebytek (foto ENTSO-E)

Mohlo se něco stát?

Varovným hlasům se jistě zaslouží naslouchat, ale v tomto případě jde podle všeho o hlasy zaujaté. Sev.en má evidentně zájem na provozování fosilních zdrojů paliv, především uhlí, které má v Evropské unii nepříliš slibnou budoucnost. Zvyšování cen emisních povolenek i politický tlak nejspíše povedou k jeho relativně rychlému konci.

Podobné je o i se zmíněnými rakouskými firmami. „Firmy Wien Energie a EVN situaci zneužily k tomu, aby prosazovaly své projekty. V současnosti totiž usilují o podporu státu pro výstavbu baterií pro ukládání energie z obnovitelných zdrojů, případně na výrobu elektřiny z plynu,“ komentoval situaci asistent generálního ředitele APG Florian Pink na dotaz českého Deníku Referendum. Ostatně společnost Wien Energy nakonec raději změnil názor: „Z našeho dnešního pohledu obnovitelné zdroje 8. ledna nezpůsobily situaci blížící se blackoutu,“ odpověděla mluvčí firmy Lisa Grohsová Referendu zhruba dva týdny po události.

Faktem totiž je, že k dispozici byly ještě další rezervy a stabilizace bylo dosaženo pouze s vynaložením jejich relativně malé části. Navíc šlo vysloveně o ojedinělou událost způsobenou patrně poruchou či jinou chybou. Selhání rozvodny v Ernestinovu nebylo důsledkem dlouhodobé zátěže sítě či jejich komponentů. Podle analýzy ČEPS se provoz v daný den nijak výrazně nelišil od stejných období v předchozích pěti letech.

Je jistě pravdou, že síť s vyšším podílem obnovitelných zdrojů je nutné regulovat jinak než sítě založené jen na fosilních či jaderných zdrojů. Zvláště pokud jde o tak obří systém, jakým je evropská soustava ENTSO-E. Řešení existují, musí je ovšem někdo zaplatit. Ať již se bavíme o stavbě a udržování záložních zdrojů, nejrůznějších typů úložišť či nucených odstávkách některých zdrojů (redispečinku).

Load More