Úloha PLC přenosových technologií při budování SMART GRIDS Doc. Ing. Jar. Svoboda, CSc. Ing. Tomáš Zeman, PhD. KTT FEL ČVUT v Praze
Historický vývoj Když už jsem se zapotil s natahováním jednoho vedení, byl bych blázen, kdybych jej nevyužil tak, abych nemusel natahovat další! Použijeme-li však jedno vedení pro dva různé elektrotechnické systémy, mohou se k sobě chovat agresivně jako dva kohouti na jednom smetišti! Jára Cimrman Klasik českých vynálezců -
Motto Bylo by přímo mrháním, kdyby se již vybudovaná elektrorozvodná vedení nevyužila i pro přenos zpráv a nezačlenila se do skupiny telekomunikačních prostředků přístupových sítí. Při obrovských nárocích na efektivitu elektrorozvodných soustav budou budovány energetické inteligentní sítě SMART GRIDS, ve kterých budou PLC systémy hrát stále významnější roli.
Chytré (inteligentní) systémy Smart and connected communities Chytře uvědomělá a teleinformaticky propojená společnost. Smart Things Chytré věci zahrnují : Smart Cities Chytrá města Smart Homes Chytré domovy Smart Grids - SG Chytré sítě
Současnost SMART LIFE leden 2014
Změny infrastruktury energetické sítě SMART LIFE leden 2014 Oproti dosud převažující infrastruktuře, která je založena na relativně menším počtu energetických zdrojů velkých výkonů, dochází k významnými změnám v oblasti nových alternativních energetických zdrojů,, které jsou výkonově relativně menší a jsou rozptýleny po celém distribučním území. Některé z těchto zdrojů (např. malé fotovoltaické systémy, větrné generátory) jsou dokonce detašovány až do úrovně jednotlivých budov, ale přitom mohou i svými malými výkony přispívat do veřejné energetické sítě.
Začlenění alternativních zdrojů do veřejné energetické sítě SMART LIFE leden 2014 Tato struktura zdrojů však přináší problémy např. se synchronizací společné sítě. Proto je nutné zavést do sítě velmi sofistikované a efektivní řízení, které umožní ovládat energetickou síť až na úrovni těchto jednotlivých zdrojů. Účinnost úspěšného řízení je kriticky závislá na typu a množství dodaných informací ze zdrojů a spotřebičů energie. To by právě měla zařídit realizace sítí Smart Grids, která by především měla umožnit optimálně využít všechny dostupné teleinformatické systémy.
Smart Grids SMART LIFE leden 2014 Smart Grids (SG) představuje integrální spojení energetických a telekomunikačních sítí, které směřuje k efektivnímu řízení výroby a spotřeby energie v reálném čase jak v lokální, tak i v globální oblasti. Pod pojmem energetická síť se však skrývá nejen elektroenergetická síť, ale i sítě pro výrobu a rozvod plynu i tepla, vodárenská distribuční soustava aj. Princip fungování těchto sítí je založen na obousměrné interaktivní komunikaci mezi dílčími provozními body sítě na straně výroby, rozvodu i spotřeby energie. Teleinformatické prostředky v síti umožňují v reálném čase jednak sběr informací, diagnostiku jednotlivých částí sítě a operativní řízení na straně výroby a rozvodu, ale i rozšíření možností v oblasti prodeje, a také volbě tarifních možností na straně spotřeby, podle programovaných či okamžitých požadavků spotřebitelů.
Budoucnost energetických sítí
Cíle pro nové teleinformatické systémy v 21. století SMART LIFE leden 2014 Velmi nízké provozní náklady Maximální provozní flexibilita Zvyšování automatizace provozních procesů Vysoká úroveň zákaznických služeb Tyto požadavky vedou k tomu, že je nutné směřovat ke vzájemné efektivní kombinaci jednotlivých teleinformatických systémů
SG v elektroenergetických sítích Největší nástup sítí SG je však dnes zaznamenáván právě v elektroenergetických sítích. Řídicí systém by zde měl neustále monitorovat provoz sítě a zajišťovat i tzv. self healing, tj. proces kdy se po vniku mimořádného provozního stavu dokáže síť automaticky uvést do původní rovnováhy. K tomu by měla napomoci i nepřetržitá diagnostika změn provozních parametrů rozvoden,transformátorů a distribučních vedení a zejména okamžitá indikace poruchových stavů.
Další funkce SG Řízení by též mělo umožnit, na základě podrobných informací o aktuální spotřebě, rekonfiguraci sítě tak, aby bylo dosaženo co nejmenších ztrát při přenosu energie - tedy využívání lokálních zdrojů pro lokální spotřebu. Kromě toho by však rozptýlenost jednotlivých zdrojů a inteligentní řízení mělo zajistit i rychlé a efektivní řešení kritických stavů, které nastávají při poruchách rozvodné sítě vlivem výpadků zdrojů nebo poškozením vedení.
Další přínosy SG Účinnost úspěšného řízení Smart Grids, která je tvořena velkým počtem zdrojů (stovky) a několikanásobně větším počtem odběrných míst (stovky tisíc), je kriticky závislá na typu a množství dodaných informací ze zdrojů a spotřebičů energie. Důležitý aspekt, zejména pro budoucnost, představuje i určitý návrat ke stejnosměrnému energetickému rozvodu a budování napájecích stanic pro elektromobily. Rozvíjí se i procesy budování tzv. inteligentních budov (Inteligent Buildings),, které by měly zajišťovat ekologicky-ekonomické provozní parametry a vysoký stupeň automatizace provozních procesů, včetně rozvinutí tzv. komunálních služeb.
Návrat ke stejnosměrnému rozvodu elektrické energie I když má střídavý proud řadu zřejmých výhod (např. možnost transformace napětí, existence točivého pole pro funkci asynchronních motorů, menší možnost vzniku koroze vlivem zemních proudů) má zároveň ve srovnání se stejnosměrným proudem některé nevýhody: nutnost udržení synchronního provozu generátorů v síti a regulace frekvence vyšší ztráty a nestabilita při dálkovém přenosu nutnost instalace různých typů transformátorů obtížnost velkokapacitní elektrické skladovatelnosti.
Realizace ss přenosů U malospotřebitelů se objevují návrhy jak výhodně zkombinovat vlastní alternativní zdroje (fotovoltaika, větrné generátory) s možností dobíjení vlastního akumulátoru či elektromobilů levnější noční střídavou energií ze sítě. Avšak hlavní pozornost energetiků je zaměřena na dálkové přenosy energie. V současné době je již realizována řada dálkových stejnosměrných přenosů prostřednictvím podmořských kabelů (např. Anglie a státy severní Evropy). Začínají se však pro svou výbornou účinnost realizovat i pozemní ss přenosy označované anglickou zkratkou HVDC a stejnosměrná přeshraniční vedení.
Příklady dálkových ss přenosů HVDC vedení o napětí 800 kv vybudovaného nedávno v jižní Číně. Stejnosměrná energie je přenášena od vodní elektrárny do průmyslové oblasti na vzdálenost 1 500 km se ztrátami přenosu 2-5% / 1000 km (oproti cca 13% při st přenosu) Projekt DESERTEC, který by měl řešit energetickou budoucnost Evropy. Zdroji mají být větrné elektrárny podél evropského a afrického pobřeží a solárně-termální elektrárny rozmístěné od Maroka až po Saudskou Arábii. - Cílem bude pokrytí 46% energetické spotřeby Evropy z obnovitelných zdrojů do roku 2050 (oproti současným cca 10%).
Význam a potřeby SG Sítě SG tedy představují pro současné i budoucí elektroenergetické sítě řadu provozních i ekonomických výhod. Umožňují vyšší stupeň automatizace rozvoden a transformátorů, což se mj. projevuje snížením provozních ekonomických nákladů. Na druhé straně však vyvozují požadavek na realizaci obousměrného spojení mezi velkým množstvím provozních i spotřebitelských objektů elektroenergetické sítě, což představuje relativně velké i dlouhodobé investice.
Struktura datové SG Celková konfigurace SG datové sítě se skládá z části páteřní (transportní ) a části přístupové. Vzhledem ke konfiguraci energetických sítí je zřejmé, že pro přístupové části SG je technicky i ekonomicky vhodné, kromě klasických telekomunikačních systémů, využívat také úzkopásmových a širokopásmových PLC systémů.
Priority pro volbu přenosových technologií datových sítí Smart Grids Přímé převedení technologií klasických IT sítí do prostředí řídicích a průmyslových sítí nemůže představovat použitelnou variantu i když se na první pohled zdá, že si jsou obě sítě technologicky podobné. Volba vhodné přenosové technologie pro energetickou síť musí totiž vždy vycházet především z tzv. kritických parametrů,, které určují systém priorit, jejichž respektování je pro realizaci takové sítě nezbytné.
Klíčové požadavky datových sítí energetických systémů Dány především normami: IEC 61 850, IEC 870-5-104, IEC 62 350 a IEC 61 970. Skupiny priorit: priority řídicích požadavků priority dohledových činností.
Topologie Smart Grids Závislá na konfiguraci energetických prvků Nejčastěji Ethernet jednoduchá nebo rozšířená hvězda, doplněná příčkami Nezbytné jsou záložní cesty příčky a protokoly umožňující připojení několika datových cest do jednoho síťového prvku Nasazení metod pro zrychlení přepnutí datových toků z hlavní na záložní cestu
Příprava tzv. inteligentní infrastruktury energetické sítě AMI (Advanced Metering Infrastructure) - tato infrastruktura by měla umožnit informační dostup ke všem významným prvkům energetické sítě a jejich dálkové monitorování, odpojování, řízení i diagnostiku, a také umožnit sledování výpadků i jakosti dodávané energie.
Příprava automatizovaného dálkového měření spotřeby a jeho vyhodnocování AMR Automated Meter Reading, nebo AMM Automated Meter Management - je reprezentováno novými technologiemi měření, které jsou schopny obousměrné komunikace mezi zákazníkem a dodavatelem elektrické energie kromě přenosu měřených hodnot jednotlivých elektroměrů může zajišťovat i dálkové odpojení neplatičů, a také vyvozovat závěry z okamžité spotřeby pro účely regulace a změnu sazeb.
Bezdrátové přenosy Optické (laserové) FSO Rádiové Rádiové Pozemské sítě Směrové spoje Satelitní. FVA WLL Bod-bod Bod-multibod GSM+GPRS PTR LDMS (PMP) LEO UMTS MEO WiFi, DECT GEO WiMax LTE HDO
Přenosy po vedeních Optická vedení PON AON Metalická vedení Energetické sítě Telekomunikační sítě PLC / BPL HDSL Kabelová TV HDO SDSL Kabel. širokop. modemy VF PLC ADSL Lokální SF PLC VDSL ISDN BRA ISDN PRA
Trendy při využívání energetických vedení pro přenos zpráv nerozvětvené Silnoproudé vedení rozvětvené venkovní vvn kabelové zemní fázové přídavné optický vn nn lano vodiče lano kabel vn vn+nn nn
Klasifikace pásem pro přenos zpráv pomocí energetických vedení Název pásma podhovorové hovorové středofrekvenční vysokofrekvenční Rozsah pásma f < 300 Hz f = 300 Hz 4 khz f = 4 150 khz f > 150 khz Příklady užívaných 0 Hz, 50 Hz 166 Hz, 217 Hz 300 Hz 2500 Hz 300 Hz 3400 Hz 3 95 khz 9 95 khz 40 khz 750 khz 1 MHz 30 MHz kmitočtů a a 316 Hz, 425 Hz 95 148,5 khz pásem 1050 Hz
Telekomunikační služby provozované po silnoproudých vedeních a sítích SLUŽBY úzkopásmové širokopásmové hovorové nehovorové transportní přístupové (vvn + optika) (vvn,vn, nn) (vvn, vn) (distribuční nn síť nn) služební telefonie dálkové měření přenos datových souborů přístup k intranetu standardní telefonie dálková regulace přenos sdružených kanálů přístup k internetu dálkové ovládání přenos videosignálů dálková signalizace LAN budovy dálková synchronizace LAN bytu hromadné dálkové ovládání dálkový odečet bytových měřičů přenos od zabezpečovacích zařízení
Přehled sdělovacích systémů PLC používajících pro přenos energetická vedení a sítě SMART LIFE leden 2014 Úzkopásmové systémy PLC: Hromadné dálkové ovládání HDO Lokální úzkopásmové sf teleinformatické systémy Vf přenosové telekomunikační systémy Širokopásmové systémy PLC: Broad Power Line BPL
. Technické uspořádání HDO ŘŘC1 Centrála HDO ŘC2 110 kv Vysílač HDO 800 kva / 317 Hz 220V/50Hz 1-5V/317Hz 22 kv PHDO PHDO 0,4 kv ČSN 334570
Ovládací kmitočty HDO Volba ovládacích kmitočtů Dolní mez: nízká impedance induktivních spotřebičů Horní mez: útlum sítě Normalizované kmitočty v Hz (ČSN 334570, PNE 382530) 183,3 216,6 283,3 316,6 383,3 Vhodné pro úroveň vvn / vn 425 500 600 750 1050 1350 Vhodné pro úroveň vn / nn Pokrytí území ČR signálem: převážná většina státu Počet instalovaných přijímačů: více než půl milionu
Užití systémů HDO Přímé ovládání elektrických spotřebičů Ovládání pro tarifní účely Regulace velkoodběratelů el. energie Ovládání osvětlení Ovládání poplachových a svolávacích zařízení Ovládání geograficky rozptýlených objektů Časová signalizace a synchronizace veřej. hodin
SF systémy po fázových vodičích vvn a vn Způsoby vazby anténní kapacitní induktivní Pásmo: 30 khz - 750 khz jednofázová mezifázová Šířka kanálu Rozvodna VFZ2 VFZ1 Vedení 2,5 khz 4 khz ZS1 C1 PS1 VAF PZ C2 PS2 ZS2 Užití : hovor dálnopis data telemetrie
Vývoj vf systémů PLC Klasické úzkopásmové analogové vf systémy jsou pro současnost již nedostatečné a vývoj se ubírá dvěma směry: 1. Tyto systémy jsou ve vyspělých zemích rušeny, klasická zemní lana venkovních vedení vvn jsou nahrazena zemními lany se zabudovanými optickými kabely, po kterých pak probíhá přenos pomocí koncových zařízení běžně užívaných v telekomunikačních optických sítích s relativně velkou přenosovou kapacitou. Česká energetika již tuto cestu nastoupila. 2. V zemích s rozsáhlými energetickými sítěmi (Ruská federace, Čína, Indie aj.) je však tato náhrada ekonomicky velmi nákladná, a proto se pro překlenutí přechodného období vf PLC systémy modernizují. Pro zvýšení jejich teleinformatických kapacit dochází k procesu digitalizace jejich přenosu a klasické analogové systémy jsou nahrazovány digitálními úzkopásmovými systémy. Zařízení tohoto typu do těchto zemí již dodávají známé telekomunikační firmy jako např. Siemens, ABB aj. V rámci programu EUREKA byl vyvinut takovýto systém i v ČR (TTC Marconi).
Úzkopásmové lokální PLC systémy Účel použití Lokální aplikace pro účely měření, signalizace a ovládání Např.: přenos údajů měřičů energie (elektřina, voda, plyn, teplo aj.) ovládání klimatizace a větrání ovládání osvětlení přenos signálů od bezpečnostních čidel a jiné
Normalizace úzkopásmových služeb Evropská norma EN 50 065 = ČSN EN 50 065 V instalacích nízkého napětí v rozsahu od 3 khz do 148,5 khz Lu [dbμ] 134 ~ 5V 122 ~ 1,25V 116 ~ 0,631V A B C D Užití: úzkopásmové nehovorové služby 3 9 95 125 132 140 148,5 f [khz] F n
Příklad realizací / širokopásmového PLC/BPL 2 Mbit/s STVN/TZ 400 m STVN/TZ ÚM BPL KZ P PbÚ TELC T PbÚ PP ÚM BPL KZ VN NN SM PDSL 300 m OM PDSL BUDOVA 4,5 Mbit/s Internet KZ KZ FáVN/TZ FáVN/TZ BUDOVA 2 Mbit/s 2000 m
Kombinace technologií Systémy PLC/BPL se v současné praxi často kombinují s dalšími telekomunikačními technologiemi: Metalická datová síť BPL = nejčastější aplikace. Historické a inteligentní budovy, hotely, školy aj. Optická datová síť BPL např. Firma PowerWAN - HFPLC BPL 24 Mbit/s po vn WiFi např. F. Amperion PowerWiFi Vn vedení jako anténa základnové stanice GSM či WiFi - např. F.Corridor Systems - Produkt : PowerCorridor MOBILE ( v pásmech 800 MHz 10 GHz)
Elektromagnetická kompatibilita systémů PLC Problémy v průběhu vývoje PLC (Elektrárenská telefonie, HDO) EMC systémů BPL. Rozdílnost interferenčních vlivů v různých uspořádáních BPL : outdoor - indoor Technologický vývoj generací BPL EMC EU: Směrnice 89/336/EHS Směrnice 2004/108/ES EMC ČR: Zákon 22/1997 Sb. a Nařízení vlády 18/203 Sb. Mezinárodní i národní doporučení vztahu BPL EMC.
EMC širokopásmových telekomunikačních systémů Širokopásmové přenosové systémy provozované po metalických vedeních mohou být obecně zdroji rušivých interferencí, které mohou ovlivňovat provoz jiných telekomunikačních systémů v jejich okolí Takovými systémy však mohou být nejen zařízení BPL, provozovaná po silnoproudých vedeních, ale i např. zařízení typu xdsl provozovaná na účastnických telefonních vedeních Vnitřní rozvody telefonní i energetické mají z čistě fyzikálního hlediska obdobné předpoklady pro nežádoucí vyzařování
Různorodost elektromagnetických interferencí BPL. SMART LIFE leden 2014 Úroveň rušení v okolí vodičů po nichž se přenáší signály PLC/BPL je pro různé případy značně rozdílná: Amplituda a provozní pásmo signálu BPL Napájecí úroveň VN NN, Počet přípojek NN na trafo VN/NN Venkovní vedení Závěsný kabel Podzemní kabel Vnitřní rozvod stíněný a nestíněný Nerozvětvené a rozvětvené vedení NN rozvody vodiči Al nebo Cu Průchodnost vstupních zařízení NN přípojky pro signál BPL
Measurement with VDSL and BPL Modem inside the building (Universitaet Pegel [dbµv/m] Duisburg Essen, The Open University Manchester) 120 100 Disturbances from Electronic Equipment (Switched Power Supply) Shortwave Transmitters 80 60 40 20 150k 300k 500k 1M 2M 3M 4M 6M 10M 30M Frequenz [Hz] No modem active PLC at mains No modem active (other day) VDSL at phone line Measured with Loop Antenna, Peak-Detector, Bandwidth 9KHz, PLC: Measurement time: about 4 pm, VDSL: Measurement time: about 7 pm
. Shrnutí Využití silnoproudých sítí pro přenos zpráv SMART LIFE leden 2014 Výhody Využití vybudované síťové infrastruktury vytváří předpoklady efektivního přenosu a ekonomických úspor Problémy Technologicky náročná vazba signálu Elektromagnetické prostředí energ. sítě Elektromagnetické rušení BPL Řešení Hromadná výroba prvků a zařízení Užití moderních telekomunikačních technologií Řešení problematiky elektromagnetické kompatibility Výběr telekomunikačních služeb vhodných pro toto prostředí Konvergence vybraných služeb s jinými telekomunikačními službami a sítěmi, zejména při budování Smart Grids
. PLC/BPL systémy se zákonitě stávají jedním z důležitých telekomunikačních prostředků moderních přístupových sítí Jsou i neodmyslitelným prostředkem při budování Smart Grids Budování Smart Grids je příkazem současného období na cestě k zefektivnění výroby i spotřeby elektrické energie Telekomunikační výrobci a operátoři spatřují dnes v budování SG zdroj významných zisků
Literatura: SMART LIFE leden 2014 [ 1 ] SVOBODA, J. - ŠIMÁK, B. ZEMAN, T. Základy teleinformatiky, Praha: ČVUT 1998 [ 2 ] SVOBODA, J. Využití silnoproudých vedení a sítí pro přenos zpráv. In Konference Komunikace po silnoproudých vedeních vn a nn. Praha : Sdružení Power-Com a Katedra telekomunikační techniky FEL ČVUT, CD sborník, 2005 [ 3 ] SVOBODA, J. Technické a ekonomické předpoklady i možnosti pro zavádění a řízení spotřeby přiloženým tónovým kmitočtem v ČSSR, Praha: ČVUT FEL, 1961 [ 4 ] SVOBODA, J. Systém hromadného dálkového ovládání a problematika elektromagnetické kompatibility, Praha: ČVUT FEL Habilit. práce, 1976 [ 5 ] SVOBODA, J. HRAD, J. ZEMAN, T. PLC System and their Role in Convergence of Teleinformatic Network and Services, In International Conference 6th Advances in Mechatronics 2011, Faculty of Military Technology, University of Defence, Brno, 2011 [ 6 ] SVOBODA, J. Využívání silnoproudých vedení a sítí pro přenos zpráv, Praha: ČVUT, 2012, 230 stran, ISBN 978-80-01-05168-9