Inteligentne sieci energetyczne: Wykorzystaj synchronizację czasu
Wygląda na to, że coś jest nie tak z interoperacyjnością obecnego systemu. Na początku było wiele prezentacji o tym, jak płynne i niezawodne będą przyszłe operacje dzięki interoperacyjności. Dziś początkowy sceptycyzm realistów jest realizowany.
Oszczędności w interoperacyjnych systemach Smart Grid
Chociaż przeprowadzono wiele instalacji i wdrożeń, nie ogłoszono żadnych podsumowujących wyników dotyczących ilości przesyłanych danych (załóżmy, że więcej niż jeden odczyt dziennie), zasięgu komunikacji, rzeczywistych szybkości transmisji, opóźnień itp.
Chociaż nie pojawiły się żadne informacje o wynikach, możliwe jest znalezienie informacji o oszczędnościach w ramach interoperacyjnych systemów inteligentnych sieci (SG). Dużym zaskoczeniem jest to, że informacje te nie pochodzą od jednego przedsiębiorstwa energetycznego, ale zostały opublikowane przez Komisję Europejską.
Jeśli dystrybutorzy energii chcą działać w sposób inteligentny, nie wystarczy mieć klientów z licznikami wyposażonymi w przekaźnik, który przełącza się zgodnie z taryfą. Jeśli klienci nie połączą tej funkcjonalności ze swoją infrastrukturą domową i nie zmienią zachowań konsumpcyjnych, wyniki na papierze różnią się od rzeczywistych w dramatyczny sposób. Jedynymi, którzy na tym zyskują, są producenci liczników.
Ponowne przemyślenie dzisiejszych standardów stabilności sieci
Paradoksalnie, ostatnie wdrożenia uwypukliły jeden fakt: interoperacyjne systemy SG i sposób, w jaki są obecnie projektowane, nie są w stanie zapewnić stabilności sieci energetycznej i bezpieczeństwa dostaw energii. Aby zmienić tę sytuację, konieczne jest zapewnienie komponentów SG o rozsądnej zawartości. Jedną z najbardziej podstawowych cech wydaje się być dobra synchronizacja podległych sieci PLC do komunikacji z licznikami.
Nie jest to zatem dyskusja na temat inteligencji urządzenia. Ważną kwestią jest to, że urządzenia zachowują się w sposób skoordynowany w ramach inteligentnej sieci. Muszą mieć zsynchronizowany czas, aby korzystać z przewidywalnego zachowania inteligentnej sieci i zapewnić wzajemną współpracę jej komponentów.
Synchronizacja pomoże w następujących obszarach:
- Kontrola czasu jakości transmisji pakietów danych (TDM – time-division multiplex): Im niższa jest niepewność czasowa, tym lepiej, ponieważ pojedyncze urządzenia w sieci PLC mogą przesyłać dane z mniejszą przerwą czasową bez wzajemnych zakłóceń, co prowadzi do zwiększenia przepustowości sieci.
- Dokładny pomiar bezpośrednich napięć i prądów: Jeśli przeanalizujemy te wartości, jesteśmy w stanie określić rzeczywiste obciążenie dystrybucji i zasilanie transformatorów. Co więcej, jeśli zastosujemy prawa obwodów Kirchhoffa dla prądów węzłowych i napięcia obwodu, możemy dokładnie określić, gdzie ma miejsce nieautoryzowany pobór. Biorąc pod uwagę, że straty nietechniczne sięgają 10-50% w Europie (rosnąc na południowym wschodzie), jest to naprawdę ważna kwestia.
- Wszystkie mierniki mogą mierzyć prąd lub napięcie: Wartości mierzone w sposób synchroniczny mogą być przechowywane w rejestrze FIFO, a w przypadku, gdy operator musi przeanalizować problemy w danej lokalizacji, dane przechowywane w mierniku (w tym znaczniki czasu) zostaną mu przekazane.
- Impulsy synchronizacji mogą być używane do wskazywania pojedynczych faz zasilających licznik (patrz rysunek 1): Nie ma znaczenia, czy zasilanie jest jednofazowe czy wielofazowe. W ten sposób możemy wykryć asymetrię prądową występującą u klientów z urządzeniami jednofazowymi.
Każda faza ma swój własny kolor. Dokładnie w momencie, gdy napięcie przechodzi przez zero, sygnał jest wstrzykiwany do tej fazy (z powodu sprzężenia jest on również przesyłany do innych faz, ale tylko jedna z nich ma sygnał w zerze przekraczający odpowiednie napięcie fazowe).
Przebieg synchronizacji i charakterystyka wyspiarska
System odczytu i transmisji danych do i od klientów ma charakter wyspowy z jednym centrum: zasilaniem transformatora dystrybucyjnego. Wewnątrz tego transformatora znajduje się urządzenie (koncentrator danych), które komunikuje się za pośrednictwem linii niskiego napięcia z inteligentnymi licznikami klientów. Cała sieć dystrybucji energii niskiego napięcia składa się z takich wysp.
Synchronizacja odbywa się na dwóch poziomach. Przede wszystkim synchronizowany jest koncentrator danych, a następnie synchronizacja jest przekazywana do poszczególnych liczników.
To sugerowane rozwiązanie ma kilka zalet:
- Impuls synchronizacji jest precyzyjnie zdefiniowany i jest przesyłany w momencie przejścia przez zero określonego napięcia fazowego wraz ze znacznikiem czasu.
- Normy dla synchronicznych systemów fazorowych (stosowanych do kontroli systemów bardzo wysokiego napięcia) akceptują odchylenie mniejsze niż 1%. Tak więc dla częstotliwości 50 Hz dopuszczalna jest niepewność ± 30 µs, co mieści się w dopuszczalnej dokładności dla systemów niskiego napięcia (własna synchronizacja do pomiaru fazorów ma znacznie wyższą dokładność: ± 1 µs).
Obliczanie opóźnień synchronizacji
W celu obliczenia opóźnienia wynikającego z charakterystyki linii elektroenergetycznych przyjmiemy stałą k = 0,6 prędkości światła oraz maksymalną długość linii niskiego napięcia, która ze względu na gwarancję maksymalnych strat nie przekracza ok. 2 km. Czas okresu sieci wynosi 0,02 s.
Oznacza to, że możliwa jest niezawodna realizacja synchronizacji urządzeń zasilanych z sieci NN z dokładnością ±50 µs dla wszystkich urządzeń. Dla porównania, na przykład standard PRIME synchronizuje podrzędne urządzenia końcowe za pomocą pakietów danych przesyłanych przez linie energetyczne.
Ograniczenia dokładności standardu PRIME
Jeśli pakiet przechodzi bez powtórzeń sygnału (zwykle liczba powtórzeń sięga 4-8 razy), dokładność osiąga ± 0,01 s w bardzo korzystnych warunkach. Istnieje jednak duża słabość tego „standardu”: powyższa liczba reprezentuje podstawową dokładność, a z powodu powtarzania sygnału występuje znaczne przesunięcie czasowe na pojedynczych metrach.
Zwykła dokładność liczników PRIME wynosi ±1 sek. System ten jest odpowiedni do przełączania taryf. Nie ma on jednak zastosowania do sterowania siecią (patrz wyżej).
Metody synchronizacji koncentratorów danych
Wróćmy do synchronizacji koncentratorów danych. Istnieje kilka sposobów synchronizacji koncentratorów danych. Jeśli koncentrator danych jest podłączony bezpośrednio (przez kabel) do Internetu, możliwe jest użycie protokołów NTP lub PTP, które są używane do synchronizacji czasu urządzeń podłączonych do Internetu. Jeśli połączenie jest bezprzewodowe (GPRS lub EDGE) za pośrednictwem operatorów komórkowych, nie możemy użyć tego kanału do synchronizacji z powodu niezdefiniowanych opóźnień.
Innym wyborem jest synchronizacja za pomocą sygnału GPS (lub podobnego). Dokładność jest podobna, a nawet lepsza niż w przypadku usług NTP lub PTP. Jedyną wadą jest to, że sygnał ten nie jest gwarantowany i jego właściciel może go wyłączyć bez żadnego ostrzeżenia.
Obrona nauki przed biurokratyczną kontrolą
Należy uważać na system, który działa w oparciu o prawa fizyczne, jeśli jest kontrolowany przez biurokratów. Często przedstawiają oni decyzje, które są weryfikowane tylko przez nich samych bez niezbędnej wiedzy i naiwnie liczą, że będzie on działał poprawnie przez długi czas.
Na szczęście branża energetyczna generalnie broni się przed tymi naciskami. Faktem jest jednak, że to tylko kwestia czasu, aż zostanie pokonana. Jeśli tak się stanie, trzeba być gotowym na rozwiązania techniczne oparte na prawach nauki, a nie na ładnych obrazkach i prezentacjach, których nie da się wykorzystać w praktyce.