Умные сети: Переосмысление современных стандартов
Кажется, что с совместимостью нынешней системы что-то не так. Вначале было много презентаций о том, насколько гладкими и надежными будут будущие операции благодаря оперативной совместимости. Сегодня первоначальный скептицизм реалистов оправдывается.
Экономия при использовании совместимых систем Smart Grid
Несмотря на большое количество инсталляций и внедрений, не было объявлено никаких сводных результатов об объемах передаваемых данных (предположим, более одного чтения в день), дальности связи, реальной скорости передачи, задержке и т.д.
Несмотря на отсутствие информации о результатах, можно найти сведения об экономии в рамках взаимодействующих систем интеллектуальных сетей (SG). Большим сюрпризом является то, что эта информация поступила не от одной коммунальной компании, а была опубликована Европейской комиссией.
Если дистрибьюторы электроэнергии хотят работать по-умному, недостаточно иметь у клиентов счетчики, оснащенные реле, которое переключается в зависимости от тарифа. Если потребители не подключат эту функцию к своей домашней инфраструктуре и не изменят потребительское поведение, результаты на бумаге будут разительно отличаться от реальной жизни. Таким образом, в выигрыше остаются только производители счетчиков.
Переосмысление современных стандартов для обеспечения стабильности электросетей
Как ни парадоксально, но недавние внедрения выявили один факт: взаимодействующие системы SG и то, как они разработаны сегодня, не способны обеспечить стабильность электросети и безопасность энергоснабжения. Для того чтобы изменить эту ситуацию, необходимо выполнить компоненты СГ с разумным содержанием. Одной из самых основных характеристик представляется хорошая синхронизация подчиненных сетей ПЛК для связи со счетчиками.
Поэтому речь не идет об интеллекте устройства. Важный вопрос заключается в том, чтобы устройства вели себя согласованно в рамках интеллектуальной сети. Они должны иметь синхронизированное время, чтобы извлекать выгоду из предсказуемого поведения интеллектуальной сети и обеспечивать взаимное сотрудничество ее компонентов.
Синхронизация поможет в следующих областях:
- Контроль качества передачи пакетов данных по времени (TDM — time-division multiplex): Чем меньше временная неопределенность, тем лучше, поскольку отдельные устройства в сети PLC могут передавать данные с меньшим временным разрывом без взаимных помех, что приводит к увеличению пропускной способности сети.
- Точное измерение мгновенных напряжений и токов: Если мы проанализируем эти значения, то сможем определить реальную нагрузку на распределение и питание трансформаторов. Кроме того, если применить законы Кирхгофа для узловых токов и напряжения в цепи, можно точно определить, где происходит несанкционированное потребление. Учитывая, что нетехнические потери достигают 10-50% в Европе (увеличиваясь на юго-востоке), это действительно важный вопрос.
- Все измерители способны измерять ток или напряжение: Значения, измеренные синхронно, могут быть сохранены в регистре FIFO, и в случае, если оператору необходимо проанализировать проблемы в данной местности, данные, сохраненные в счетчике (включая метки времени), будут переданы ему.
- Импульсы синхронизации могут использоваться для обозначения отдельных фаз, питающих счетчик (см. рис. 1): При этом не имеет значения, однофазное или многофазное питание. Таким образом, мы можем обнаружить асимметрию тока, возникающую у потребителей с однофазными приборами.
Каждая фаза имеет свой цвет. В тот самый момент, когда напряжение проходит через ноль, сигнал подается в эту фазу (из-за связи он передается и в другие фазы, но только в одной из них сигнал в нуле пересекает соответствующее фазовое напряжение).
Курс синхронизации и островные характеристики
Система считывания и передачи данных потребителям и от них имеет островной характер с одним центром — распределительным трансформатором питания. Внутри этого трансформатора находится устройство (концентратор данных), которое обменивается данными по низковольтным линиям электропередачи с интеллектуальными счетчиками потребителей. Вся распределительная низковольтная сеть представляет собой набор таких островков.
Синхронизация происходит на двух уровнях. Сначала синхронизируется концентратор данных, а затем синхронизация передается на отдельные счетчики.
У этого решения есть несколько преимуществ:
- Импульс синхронизации точно определен и передается в момент пересечения нуля определенного фазового напряжения, включая метку времени.
- Стандарты на синхрофазометры (применяемые для управления системами очень высокого напряжения) допускают отклонение менее 1%. Таким образом, для частоты 50 Гц допускается погрешность ± 30 мкс, что находится в пределах принятой точности для систем низкого напряжения (собственная синхронизация для измерения фазовых параметров имеет значительно большую точность: ± 1 мкс).
Расчет задержек синхронизации
Для расчета задержки, обусловленной характеристиками линий электропередач, примем постоянную k = 0,6 скорости света, а максимальную длину низковольтных линий, которая из-за гарантии максимальных потерь не превышает примерно 2 км. Время сетевого периода достигает 0,02 с.
Это означает, что можно надежно реализовать синхронизацию устройств, питающихся от сети низкого напряжения, с точностью ±50 мкс для всех устройств. Для сравнения, например, стандарт PRIME синхронизирует подчиненные конечные устройства с помощью пакета данных, передаваемого по линиям электропередачи.
Ограничения точности стандарта PRIME
Если пакет проходит без повторения сигнала (обычно число повторений достигает 4-8 раз), то точность достигает ±0,01 с при очень благоприятных условиях. Однако у этого «стандарта» есть большая слабость: приведенное выше число представляет собой базовую точность, а из-за повторения сигнала на отдельных метрах происходит значительный временной сдвиг.
Обычная точность счетчиков PRIME при этом достигает ±1 сек. Эта система подходит для переключения тарифов. Однако она неприменима для управления сетью (см. выше).
Методы синхронизации концентраторов данных
Давайте вернемся к синхронизации концентраторов данных. Существует несколько способов синхронизации концентраторов данных. Если концентратор данных подключен напрямую (через кабель) к интернету, то можно использовать протоколы NTP или PTP, которые применяются для синхронизации времени устройств, подключенных к интернету. Если подключение беспроводное (GPRS или EDGE) через мобильных операторов, то использовать этот канал для синхронизации нельзя из-за неопределенной задержки.
Другой вариант — синхронизация по сигналу GPS (или аналогичному). Точность аналогична или даже выше, чем у NTP или PTP-сервисов. Единственным недостатком является то, что этот сигнал не гарантирован и его владелец может отключить его без предупреждения.
Защита науки от бюрократического контроля
Остерегайтесь системы, работающей на основе физических законов, если ею управляют бюрократы. Часто они представляют решения, которые рассматривают только они сами, не обладая необходимыми знаниями, и наивно надеются, что они будут работать правильно в течение длительного периода времени.
К счастью, энергетическая отрасль, как правило, защищается от такого давления. Однако остается фактом, что это лишь вопрос времени, когда она будет побеждена. Если это произойдет, необходимо быть готовым к техническим решениям, основанным на законах науки, а не на красивых картинках и презентациях, которые не могут быть использованы на практике.