Verdubbeling van betrouwbaarheid: Karachi's doorbraak in het slimme elektriciteitsnet

Omdat de vraag enorm toenam en er beperkt inzicht was in de upstream-netwerkactiva, heeft K-Electric uit Karachi een speciaal beveiligingssysteem ontwikkeld dat meer dan 600 MW aan veilige stroomimport levert aan de grootste stad van Pakistan, zonder nieuwe infrastructuur, kapitaaluitgaven of vertragingen.

Karachi, de grootste stad en economische motor van Pakistan, is volgens de volkstelling van 2023 gegroeid tot 20,3 miljoen inwoners. Voor K-Electric (KE), de belangrijkste energieleverancier van de stad – inclusief alle particuliere, commerciële, industriële en agrarische afnemers – biedt die groei niet alleen enorme kansen, maar ook enorme druk.

De afgelopen vijf jaar is de gemiddelde piekvraag gestegen, gedreven door stijgende temperaturen, stedelijke expansie, industrialisatie en een door beleid ondersteunde verschuiving van gefragmenteerde eigen opwekking naar gecentraliseerde netlevering. Hoewel solarisatie de vraag naar het net heeft beïnvloed, heeft KE snel nieuwe industriële afnemers aangetrokken, tientallen aanvragen voor uitbreiding van de belasting verwerkt en gewerkt aan de versterking van belangrijke 132-kV-corridors in het hele net. Tegelijkertijd worstelt het met de toenemende systeemcomplexiteit, gekenmerkt door nieuwe intermitterende en dynamische dynamiek in de belastingopwekking. Bovendien heeft de explosieve bevolkingsgroei de fysieke grenzen van de infrastructuur op de proef gesteld, ondanks gerichte investeringen om de capaciteit en betrouwbaarheid te verbeteren.

1. Deze foto, gemaakt op 9 januari 2021 door het internationale ruimtestation ISS vanaf 420 kilometer boven de Arabische Zee, toont Karachi – de grootste stad van Pakistan – stralend in de nacht. De stad telt nu meer dan 20,3 miljoen inwoners en de explosieve groei en stijgende vraag naar energie dwongen K-Electric tot het ontwikkelen van een nieuwe oplossing voor de netaansluiting, die de stroominvoer verdubbelde zonder nieuwe hoogspanningsleidingen. Bron: NASA

K-Electric, formeel opgericht in 1913 en geprivatiseerd in 2005, exploiteert vandaag de dag een van de meest uitgebreide stedelijke energiesystemen van Zuid-Azië, met een oppervlakte van 6500 vierkante kilometer in Karachi en aangrenzende regio's. De infrastructuur omvat 78 elektriciteitscentrales en bijna 1400 kilometer aan hoogspanningsleidingen, die 3,8 miljoen klanten bedienen. Sinds 2009 heeft het nutsbedrijf meer dan 4,6 miljard dollar geïnvesteerd in verbeteringen op het gebied van opwekking, transmissie en distributie. Dit heeft de eigen opwekkingscapaciteit met meer dan 1500 MW vergroot en de transmissie- en distributiecapaciteit meer dan verdubbeld. Tegelijkertijd is er gewerkt aan een vermindering van de transmissie- en distributieverliezen van 35,9% naar 15,99%.

Het nutsbedrijf is zich volledig bewust van zijn cruciale rol in de economische en infrastructurele ontwikkeling van de stad door betrouwbare, betaalbare en duurzame energie te leveren. Het streeft daarom voortdurend naar energie-optimalisatie en operationele uitmuntendheid. Het project werd geleid door Ali Imran Hussain en Faisal Mairaj, hoofden van KE's Network Control. Zij vertelden POWER dat een parallelle en steeds minder onderhandelbare onderneming is om vindingrijkheid te benutten – oplossingen die het net sneller, slanker en slimmer laten werken.

In 2020, met weinig opties voor nieuwe, grote infrastructuur en geen ruimte voor fouten, implementeerde KE een zelfontwikkelde doorbraak: een op automatisering gebaseerd speciaal beschermingssysteem dat bekendstaat als het Cross Trip Scheme. Dit systeem is zeker de POWER Smart Grid Award 2025 waard.

"Het project, dat volledig in eigen huis werd ontworpen, getest en geïmplementeerd, stelde K-Electric in staat om het beveiligings- en regelsysteem veilig te verbeteren, zodat transformatoren en lijnen optimaal konden worden benut en tegelijkertijd konden worden bespaard op kapitaaluitgaven", aldus Abbas Husain, Chief Generation and Transmission Officer. "In een netwerkomgeving, waar betrouwbaarheid afhangt van kostbare infrastructuur en lange doorlooptijden, leverde de softwaregestuurde oplossing van KE flexibiliteit en veerkracht met precisie – en dat alles binnen negen maanden."

De 600-MW-barrière doorbreken

De oplossing kwam voort uit operationele en economische behoeften. "Er was stroomopwaarts in het land een overschot aan stroom beschikbaar", herinnert Hussain, hoofd Transmission Operations bij KE, zich. "We waren enthousiast, omdat we hiermee het nationale net konden helpen een deel van de onderbenutting en de problemen met de capaciteitstarieven aan te pakken. Er was dus een uitdaging: hoe konden we meer stroom uit de bestaande interconnectie halen zonder de technische beperkingen, de betrouwbaarheid van het netwerk of de veiligheid en beveiliging van de interconnectie zelf in gevaar te brengen?"

Destijds lag de importlimiet van KE uit het nationale net op ongeveer 600 MW, een plafond dat werd opgelegd door beschermingsdrempels, zorgen over de betrouwbaarheid van de interconnectie en beperkt inzicht in niet-KE-netactiva. KE moest dit plafond verhogen naar ten minste 1.000-1.100 MW. Een haalbaarheidsstudie, uitgevoerd in 2020 in samenwerking met externe consultants, sloot conventionele infrastructuuropties echter uit. Nieuwe interconnecties of uitgebreide transformatorcapaciteit waren te duur, hadden langere projecttermijnen en waren te onzeker om aan de behoefte op korte termijn te voldoen.

In plaats daarvan onderzocht de studie de technische haalbaarheid van een speciaal beschermingssysteem gebaseerd op "cross trip"-logica – een digitale besturingsarchitectuur die dynamische belastingsafwijzing mogelijk maakt als reactie op realtime netstoringen, waardoor zowel het interne netwerk van KE als de upstream-activa van de nationale netbeheerder worden beschermd. Simulaties modelleerden worstcasescenario's – inclusief het verlies van autotransformatoren en het uitschakelen van hoogspanningsverbindingen – en gaven aan dat KE met de juiste adaptieve logica de import aanzienlijk kon verhogen zonder kritieke operationele drempels te overschrijden. Even belangrijk was dat de aanpak geen nieuwe kapitaalinvesteringen vereiste.

Een technische innovatie

Het systeem dat KE uiteindelijk ontwierp en implementeerde, is in essentie een op maat gemaakt Special Protection System (SPS) dat is ontworpen om snel en geautomatiseerd te reageren op netstoringen. "De infrastructuur bestaat uit drie lagen", legt Faisal Mairaj, hoofd Netwerkplanning, uit. "Ten eerste de beveiligingsrelais. Ten tweede de communicatieapparatuur, bestaande uit Remote Terminal Units (RTU's) en Synchronous Digital Hierarchy (SDH). En ten slotte de SCADA – de logica die op ons KE-systeem is ontwikkeld en die de operator in realtime waarschuwt en acties begeleidt."

Het SPS werkt met adaptieve triplogica: een aangepaste digitale regelset die de automatische belastingsafwijzing regelt op basis van transformatorbelasting, schakelaarposities en de stroomrichting over belangrijke verbindingen. Relaispanelen bewaken deze variabelen continu op kritieke netknooppunten. Wanneer instabiliteit wordt gedetecteerd, zoals overmatige belasting of het uitschakelen van 500-kV-leidingen stroomopwaarts, stuurt het systeem transfer trip-signalen naar geselecteerde substations. Dit initieert gefaseerde uitschakelingen van specifieke 132-kV-feeders om de systeemintegriteit te behouden.

De KE-experts merkten op dat simulatiemodellen cascade-responsfasen schetsten: als de stroombelasting op belangrijke circuits de drempelwaarde langer dan de gewenste duur overschreed, zouden relais een gerichte belastingsafwijzing activeren, te beginnen met niet-kritieke 132-kV-feeders die industriële en commerciële zones bedienen. Ernstigere calamiteiten – zoals het uitschakelen van beide 500-kV-verbindingen of volledige upstream-eilandschakeling – zouden leiden tot bredere bezuinigingen, waaronder stroomtransformatorcircuits en zelfs hoogspanningsfeeders van 220 kV. De drempelwaarden zijn gecodeerd in beveiligingsrelais en nauw geïntegreerd met het SCADA-systeem om realtime inzicht en geautomatiseerde uitvoering mogelijk te maken via de gecentraliseerde besturingsinterface van KE.

Een van de meest kritieke ontwerpbeperkingen van het project was echter dat KE deze logica moest bouwen zonder toegang tot live SCADA-data van de upstream-activa waarvan het afhankelijk was. "Dit is in feite een afgelegen station waarvan we stroom importeren, maar het wordt onderhouden en beheerd door een andere entiteit", legde Mairaj uit. "Als het probleem zich in ons netwerk bevindt, kunnen we het oplossen. Maar als het zich in het andere netwerk bevindt en we geen inzicht hebben, kunnen we het niet beheren." Om dit te verhelpen, heeft KE zijn systeem zo ontworpen dat het de netcondities alleen afleidt uit de status van de stroomonderbrekers en de belasting van de transformatoren, waardoor betrouwbare, realtime actie mogelijk is, zelfs bij gebrek aan volledige data of directe controle.

Implementatie en coördinatie

Gezien de urgentie van het project stelde KE een speciale, cross-functionele taskforce samen, die zich bezighield met beveiliging, besturing, telecom en SCADA. "Er was een complete roadmap met schema's en tijdlijnen – wat moest er gebeuren, door wie en wanneer," aldus Imran. Om de implementatie te versnellen, herstructureerde KE zijn bestaande infrastructuur en vertrouwde het volledig op eigen personeel om het plan in de substations te implementeren. Hoewel interne afstemming een snellere doorlooptijd mogelijk maakte, vereiste de betrokkenheid van de nationale netbeheerder voortdurende coördinatie en consensusvorming om de aanpak te valideren, merkte hij op.

Het project was begin 2021 volledig geïmplementeerd en in gebruik genomen. Een belangrijk voordeel van de snelle uitrol was dat KE de inkoopvertragingen en -kosten kon minimaliseren, wat te danken was aan het robuuste ontwerp. Door meer tijd te investeren in het begrijpen van het netwerk, de risico's en het schetsen van de logica in het ontwerp, kon de uitvoering worden versneld, vergelijkbaar met een routinematige netwerkupgrade.

De impact was echter onmiddellijk merkbaar. Het project ontgrendelde meer dan 600 MW aan extra netimport – genoeg om de toegenomen kapitaalinvesteringen te compenseren en aan de stijgende vraag te voldoen. Het project is sinds de ingebruikname continu in bedrijf geweest en heeft al minstens twee grote netstoringen helpen voorkomen.

"Met de hulp van de Almachtige God is er geen enkel scenario geweest waarin het project mislukte", aldus Abbas Husain, Chief Generation and Transmission Officer. "Geen enkele andere oplossing had zo'n impact zo snel kunnen realiseren. Je kunt niet in vijf tot zes maanden een interconnectie van 600 MW realiseren. Je kunt geen geëlektrificeerde opwekkingscapaciteit toevoegen in vijf tot zes maanden – dat zou minstens drie jaar duren. Maar we hebben de stad goedkopere elektriciteit gegeven. We hebben ervoor gezorgd dat fossiele centrales niet zijn doorgebrand. Dat is geen geringe winst."

Gevraagd naar de lessen die uit het project zijn getrokken, drongen de experts er bij collega's op aan om prioriteit te geven aan een doordacht ontwerp. Ze merkten op dat door de mens gemaakte systemen altijd ruimte bieden voor fouten, en daarom moet investeren in zorgvuldig ontwerp voorrang krijgen boven implementatie. Het identificeren en communiceren van risico's is cruciaal, aangezien geloofwaardigheid op het spel staat. Een robuuste ontwerpaanpak ondersteunt ook de strategische uitvoering en maakt duurzame energie-import mogelijk zonder hoge kapitaalinvesteringen, aldus de experts.