Developing a Functional Description of a Local Energy Operating System

Abstract

Energy communities using distributed renewable energy resources can play a significant role in combating the global environmental, social, and economic challenges brought about by the human induced climate change. This thesis focuses on microgrid energy communities specifically, due to their potential in providing rural communities self-sufficiency and resiliency in the face of environmental and economic disruptions. Various obstacles for implementing microgrids are identified. The control and optimal management of the microgrid energy resources is deemed as critical for the operation of any microgrid system. This thesis examines a low carbon energy community project in South-Wales, the South Cornelly Local Energy Market, where a Belgian energy specialist company Challoch Energy is developing a Local Energy Operating System (LEOS). Under the guidance of Mike Parr of Challoch Energy, this thesis has built upon the Challoch Energy work and presents a functional description of the LEOS using the Smart Grid Architecture Model (SGAM) frame-work. Multiple standards and frameworks for describing microgrids and microgrid control systems are discussed in the chapter 2, alongside exploring microgrid control strategies in the section 2.3. and discussing microgrid PV hosting capacity and Reverse Power Flow prevention in the section 2.4. Due to its fit for the European technical and regulation frameworks and the efficient structures it provides for system and functional level analysis, the SGAM frame-work is selected as the basis for the LEOS model. An implementation of the SGAM framework is available as an extension to the visual modelling and design software Enterprise Architect, which is used to produce the figures presented in this study. The SGAM Toolbox and the involved methodology is detailed in the chapter 3, together with the UML diagrams used to mod-el the LEOS functionality. The chapter 4 presents a case study scenario for the South Cornelly LEM and identifies the actors involved. A business case for the LEOS is established, with the corresponding high-level use case of utilising a LEOS. The high-level use case is then mapped into 18 primary use cases, which form the core of the LEOS functional description. For each primary use case, the actors involved and relations to other use cases are defined, after which UML activity and sequence diagrams are presented to detail the flow of actions and communication in each of the use cases. The chapter 5 discusses the implications the LEOS model has for the South Cornelly LEM project and defines the limitations of the model. The presented model gives an overview on the systems required to operate the South Cornelly LEM and provides a basis for further expansion into the SGAM Communication, Information and Component layers. Possible future additions to the model or opportunities for further studies include using the SGAM framework to analyse and implement economic optimisation methodology, developing pricing and contractual frameworks, outlining cybersecurity measures, and expanding on reactive power control and better islanding capability.

Hajautettuun uusiutuvaan energiantuotantoon perustuvat energiayhteisöt ovat merkittävässä roolissa ihmisen aiheuttaman ilmastonmuutoksen tuomien ekologisten, yhteiskunnallisten ja taloudellisten haasteiden torjunnassa. Tämä diplomityö keskittyy erityisesti mikroverkkopohjaisiin energiayhteisöihin, jotka parantavat maaseudun ja haja-asutusalueiden omavaraisuutta sekä resilienssiä ympäristön ja talouden muutoksille. Mikroverkkojen käyttöönotossa ja ylläpidossa kriittistä on mikroverkon resurssien, kuten hajautetun energiantuotannon ja kysyntäjouston hallinta. Tämä diplomityö tarkastelee vähähiilistä South Cornelly Local Energy Market (LEM) -energiayhteisöhanketta Etelä-Walesissa, jonne belgialainen energia-alan konsulttiyhtiö Challoch Energy kehittää niinsanottua paikallista energiakäyttöjärjestelmää LEOS (Local Energy Operating System). Tämä työ pohjautuu Challoch Energyn tekemään pohjatyöhön ja Challoch Energyn puolesta työn toteuttamista on ohjannut Mike Parr. Työ esittelee Smart Grid Architecture Model (SGAM) -viitekehyksen mukaan rakennetun mallin LEOS:in toiminnallisuuksista. Työssä käydään läpi eri standardeja ja malleja mikroverkkojen ja niiden hallintajärjestelmien kuvaamiseen, sekä tutustutaan mikroverkkojen ohjaushierarkiohin. Lisäksi työssä perehdytään mikroverkon jännitteen ja tehotasapainon hallintaan ja esitetään menetelmiä merkittävän aurinkoenergiatuotannon integroimiseksi matalajänniteverkkoon. Esitellyistä standardeista LEOS-mallin perustaksi valittiin SGAM-viitekehys, koska se soveltuu hyvin euroopplaiseen tekniseen ja lainsäädännölliseen toimintaympäristöön, sekä tarjoaa kattavasti rakenteita ja työkaluja mikroverkon hallintajärjestelmän toiminnallisuuksien kuvaamiseen. SGAM-viitekehyksen soveltamista mallinnukseen edesauttaa sen integraatio visuaalisen mallinnuksen ohjelmisto Enterprise Architectin kanssa. Tämän SGAM Toolbox -laajennuksen määrittelemä metodologia ja Unified Modeling Language (UML) -mallinnuskielen mukaiset kaaviot muodostavat pohjan työssä esitellylle LEOS-järjestelmän toiminnalliselle mallille. Esitelty malli on suunniteltu tapaustutkimusskenaariolle, jonka rajoissa South Cornelly LEM -hankkeeseen liittyvät sidosryhmät ja toimijat on määritelty. Eri toimijoiden tavoitteiden pohjalta on johdettu liiketoimminllaiset tavoitteet, joita LEOS-järjestelmä toteuttaa. Näiden pohjalta on laadittu ylätason käyttötapaus LEOS-järjestelmälle. Tämä on jaoteltu 18:aan pääasialliseen käyttötapaukseen. Jokaiselle käyttötapaukselle on määritelty riippuvuussuhteet muihin käyttötapauksiin sekä eri toimijoihin. Tämän jälkeen käyttötapaukset on kuvattu yksityiskohtaisesti aktiviteetti- ja sekvenssikaavioiden avulla. Lopuksi työssä käydään läpi suunnitellun LEOS-mallin merkitys South Cornelly LEM -hankkeen jatkolle sekä keskustellaan työn ja esitellyn mallin rajoitteista. LEOS-malli antaa yleiskuvan järjestelmistä ja toiminnallisuuksista joita South Cornellyn mikroverkon hallinta vaatii ja mahdollistaa mallin laajentamisen edelleen SGAM-viitekehyksen viestintä-, informaatio- ja komponenttitasoille. Mahdollisia tulevia kehitys- ja tutkimuskohteita ovat SGAM-viitekehyksen hyödyntäminen mikroverkon resurssien taloudellisessa optimoinnissa, tietoturvaominaisuuksien kartoittamisessa, sekä loistehon kompensoinnin että saarekekäytön kehittämisessä.