Inteligentní sítě: synchronizace času vs dnešní standardy
Zdá se, že s interoperabilitou současného systému není něco v pořádku. Na začátku bylo mnoho prezentací o tom, jak hladký a spolehlivý bude budoucí provoz díky interoperabilitě. Dnes se naplňuje počáteční skepse realistů.
Úspory v interoperabilních systémech inteligentních sítí
Přestože bylo realizováno mnoho instalací a nasazení, nebyly oznámeny žádné souhrnné výsledky o množství přenesených dat (předpokládejme více než jedno čtení denně), dosahu komunikace, skutečných přenosových rychlostech, latenci atd.
Ačkoli se neobjevily žádné informace o výsledcích, je možné najít informace o úsporách v rámci interoperabilních systémů inteligentních sítí (SG). Velkým překvapením je, že tyto informace nepocházejí od jedné energetické společnosti, ale byly zveřejněny Evropskou komisí.
Pokud chtějí distributoři elektřiny fungovat chytře, nestačí mít zákazníky s elektroměry vybavenými relé, které spínají podle tarifu. Pokud zákazníci tuto funkci nepropojí se svou domácí infrastrukturou a nezmění své spotřební chování, budou se papírové výsledky dramaticky lišit od reálných. Jediný, kdo na tom vydělá, jsou tedy výrobci měřičů.
Přehodnocení dnešních norem pro stabilitu sítě
Paradoxně nedávné spuštění systémů ukázalo jednu skutečnost: interoperabilní systémy SG a způsob, jakým jsou dnes navrženy, nejsou schopny zajistit stabilitu a bezpečnost dodávek elektrické energie do sítě. Aby se tato situace změnila, je nutné naplnit komponenty SG rozumným obsahem. Jednou z nejzákladnějších vlastností se zdá být dobrá synchronizace podřízených sítí PLC pro komunikaci s měřiči.
Nejedná se tedy o diskusi o inteligenci zařízení. Důležité je, aby se zařízení v rámci inteligentní sítě chovala koordinovaně. Musí mít synchronizovaný čas, aby mohla těžit z předvídatelného chování inteligentní sítě a zajistit vzájemnou spolupráci jejích součástí.
Synchronizace pomůže v následujících oblastech:
- Časové řízení kvality přenosu datových paketů (TDM – time-division multiplex): Čím nižší je časová nejistota, tím lépe, protože jednotlivá zařízení v síti PLC mohou přenášet data s menším časovým odstupem bez vzájemného rušení, což vede ke zvýšení propustnosti sítě.
- Přesné měření okamžitých napětí a proudů: Pokud tyto hodnoty analyzujeme, jsme schopni určit skutečné zatížení distribuce a napájení transformátorů. Pokud navíc použijeme Kirchhoffovy obvodové zákony pro uzlové proudy a obvodové napětí, můžeme přesně zjistit, kde dochází k neoprávněnému odběru. Vzhledem k tomu, že netechnické ztráty dosahují v Evropě 10-50 % (na jihovýchodě se zvyšují), jedná se o skutečně důležitou záležitost.
- Všechny měřiče jsou schopny měřit proud nebo napětí: Hodnoty naměřené synchronním způsobem lze ukládat do registru FIFO a v případě, že operátor potřebuje analyzovat problémy v dané lokalitě, budou mu předána data uložená v měřidle (včetně časových razítek).
- Synchronizační impulsy lze použít k indikaci jednotlivých fází, které napájejí měřidlo (viz obrázek 1): Nezáleží na tom, zda je napájení jednofázové nebo vícefázové. Můžeme tak detekovat asymetrii proudu vznikající u zákazníků s jednofázovými spotřebiči.
Každá fáze má svou vlastní barvu. Přesně v okamžiku, kdy napětí prochází nulou, je do této fáze vložen signál (kvůli vazbě se přenáší i do ostatních fází, ale pouze jedna z nich má signál v nule protínající příslušné fázové napětí).
Průběh synchronizace a ostrovní charakteristiky
Systém čtení a přenosu dat k zákazníkům a od zákazníků má ostrovní charakter s jedním centrem: distribučním transformátorem. V tomto transformátoru je umístěno zařízení (koncentrátor dat), které komunikuje po nízkonapěťovém vedení s inteligentními elektroměry zákazníků. Celá distribuční síť nízkého napětí je souborem těchto ostrovů.
Synchronizace probíhá na dvou úrovních. Nejprve se synchronizuje koncentrátor dat a následně se synchronizace přenese na jednotlivá měřidla.
Toto navrhované řešení má několik výhod:
- Synchronizační impuls je přesně definován a je přenášen v okamžiku průchodu nulou určitého fázového napětí včetně časové značky.
- Normy pro synchronní fázorové systémy (používané pro řízení systémů velmi vysokého napětí) připouštějí odchylku nižší než 1 %. Pro frekvenci 50 Hz je tedy povolena nejistota ± 30 µs, což je v rámci přijatelné přesnosti pro systémy nízkého napětí (vlastní synchronizace pro měření fázorů má výrazně vyšší přesnost: ± 1 µs.
Výpočet zpoždění synchronizace
Pro výpočet zpoždění, které je způsobeno vlastnostmi elektrického vedení, budeme předpokládat konstantní rychlost světla k = 0,6 a maximální délku vedení nízkého napětí, která z důvodu zajištění maximálních ztrát nepřesáhne cca 2 km. Doba periody sítě dosahuje 0,02 s.
To znamená, že je možné spolehlivě realizovat synchronizaci zařízení napájených ze sítě nn s přesností ±50 µs pro všechna zařízení. Pro srovnání, například standard PRIME synchronizuje podřízená koncová zařízení pomocí datového paketu přenášeného po elektrickém vedení.
Omezení přesnosti standardu PRIME
Pokud paket projde bez opakování signálu (obvykle se opakuje 4-8krát), dosahuje přesnost za velmi příznivých podmínek ± 0,01 s. Tento „standard“ má však velkou slabinu: výše uvedené číslo představuje základní přesnost a v důsledku opakování signálu dochází na jednotlivých metrech ke značnému časovému posunu.
Obvyklá přesnost měřičů PRIME tak dosahuje ±1 s. Tento systém je vhodný pro přepínání tarifů. Není však použitelný pro řízení sítě (viz výše).
Metody synchronizace koncentrátorů dat
Vraťme se k synchronizaci koncentrátoru dat. Existuje několik způsobů synchronizace koncentrátorů dat. Pokud je datový koncentrátor připojen přímo (kabelem) k internetu, je možné použít protokoly NTP nebo PTP, které se používají pro synchronizaci času zařízení připojených k internetu. Pokud je připojení bezdrátové (GPRS nebo EDGE) prostřednictvím mobilních operátorů, nemůžeme tento kanál pro synchronizaci použít z důvodu nedefinovaného zpoždění.
Druhou možností je synchronizace pomocí signálu GPS (nebo podobného). Přesnost je podobná nebo dokonce lepší než u služeb NTP nebo PTP. Jedinou nevýhodou je, že tento signál není garantovaný a jeho majitel jej může bez varování vypnout.
Obrana vědy před byrokratickou kontrolou
Pozor na systém, který funguje na základě fyzikálních zákonů, pokud je řízen byrokraty. Často předkládají rozhodnutí, která přezkoumávají pouze oni sami bez potřebných znalostí, a naivně doufají, že bude dlouhodobě fungovat správně.
Naštěstí se energetika těmto tlakům většinou brání. Faktem však zůstává, že je jen otázkou času, kdy bude poražen. Pokud se tak stane, je třeba mít připravena technická řešení založená na vědeckých zákonech, nikoli na hezkých obrázcích a prezentacích, které jsou v praxi nepoužitelné.