1 UVOD Vsesplošna rast gospodarstva in navade porabnikov povzročajo rast porabe električne energije (EE) za približno 1.7 % na letni ravni. To pomeni, da se je v obdobju 1997–2007 poraba EE povečala za 32.8 % [1]. To dejstvo sili inženirje v izboljšavo distribucijskega omrežja (DO) in v povečanje proizvodnje EE. Ta problem je mogoče rešiti s priključitvijo malih vetrnih, sončnih in vodnih elektrarn, tako imenovanih razpršenih virov (RV), v obstoječe srednje- (SN) in nizkonapetostno (NN) DO [2]. Žal ta rešitev vključuje tudi stranske učinke, kot so: zmanjšanje zanesljivosti in stabilnosti obstoječega omrežja in nelinearno spreminjanje napetostnega profila [3] vzdolž napajalnega voda (NV). V energetskem omrežju brez RV se je problem napetostnega profila reševal v razdelilni transformatorski postaji (RTP), kjer se je napetost regulirala za vse napetostne vode ene RTP sočasno. Ta pristop je v DO z RV neprimeren zaradi spremenjene strukture omrežja, saj ni oblikovan tako, da so na eni strani proizvajalci EE in na drugi porabniki. Obstoječe omrežje ima veliko dobrih lastnosti, ena izmed njih je linearno zmanjševanje napetosti z oddaljenostjo od RTP. V takem omrežju je moral distributer zagotoviti, da je napetostni profil na NN-omrežju znotraj predpisanih meja, kar se je naredilo z dinamično konfiguracijo bremenskega odcepnega preklopnika (OLTC [4]) v RTP in s fiksno konfiguracijo odcepov v transformatorski postaji (TP). Z dodajanjem RV v SN in NN DO postane dosedanji postopek nadziranja napetostnega profila nezadosten, saj je proizvodnja EE razdružena in neenakomerno porazdeljena na NV. Slika 1 prikazuje preprost primer DO z RV, ki je sestavljen iz enega RTP in iz treh NV, ki imajo različno število RV na različnih lokacijah vzdolž NV. Vsak RV, ki je priključen na omrežje, linearno zvišuje napetost vzdolž voda in pomeni lokalni ekstrem v grafu napetostnega profila. Slika 1: Napetostni profil brez kakršnih koli posegov Na grafu na sliki 1 so prikazani napetostni profili vodov, na katerem lahko opazujemo, kako se spreminjajo glede na razdaljo od RTP. S svetlo sivo Prejet 4. december, 2012 Odobren 15. januar, 2013 mailto:jure.mocnik@iskra-mis.si 238 MOČNIK, ŽEMVA barvo (napetostni vod #1) je prikazan klasičen NV, na katerem ni instaliran RV. V tem primeru je napetostni profil znotraj meja (0.9 – 1.1 pu), ki so sprejemljive v večini držav. Na drugih dveh grafih (napetostni vod #2 in #3) sta prikazana NV z RV, kjer se napetost na določenem odcepu dvigne nad zakonsko določeno mejo (pribl. 1.2 pu), kar ni dopustno. Da bi se izognili temu scenariju, bomo predstavili nov koncept v SN in NN DO, ki temelji na komunikacijah ter nadzornih in upravljalnih mehanizmih. 2 KONCEPT Obstoječe DO ima veliko dobrih lastnosti, vendar ima tudi veliko pomanjkljivost – omrežje namreč ne dobiva povratnih informacij od uporabnikov na SN- in NN- nivoju. Rešitev za to je postavitev informacijske komunikacijske tehnologije (IKT), ki bo povezovala vse elemente v energetskem omrežju (elementi proizvodnje, prenosa, distribucije in končnega porabnika). Vsako DO vsebuje več plasti komunikacij – komunikacije v realnem času, nerealnem času in časovno neodvisne komunikacije. Predlagani koncept vsebuje vse tri plasti komunikacij in temelji na hitrem prenosu podatkov med različnimi baznimi postajami in območnimi nadzornimi centri (ACC) (slika 2). Na sliki 2 je prikazan primer DO, ki vsebuje dva različna tipa linij komunikacij – opravilne in nadzorne. Nadzorne linije so potrebne za pošiljanje meritev in nastavitev med baznimi postajami in ACC in so namenjene zgolj nadzoru nad izmenjavo informacij ter DO. Opravilne linije skrbijo za izmenjavo informacij in ukazov med posameznimi baznimi postajami, ki vsebujejo pametne elektronske naprave (IED) in sisteme naprednega merjenja električne energije (AMI). Te naprave imajo ključni pomen za pravilno delovanje DO. Koncept rešuje dva ključna problema. Prvi je vzpostavitev komunikacij v DO, kar pripomore k boljšemu omrežnem nadzoru, optimizaciji in hitrejšemu zaznavanju vseh napak na omrežju [5]. Druga pa je rešitev za popoln nadzor nad stanjem napetostnega profila v DO. Ideja za dosego tega cilja je v vgradnji nadzorno-kontrolnega sistema pred vsakim RTP, TP, NV, RV in končnim porabnikom. Sistem si lahko predstavljamo kot črno škatlo s parom komponent (vgrajeni PC in merilnonadzorni center), vendar gre razvoj v smeri združitve komponent v eno samo, ki bo merila električne parametre in izvajala različne ukaze. Ta sistem je na sliki 1 označen s črnim kvadratom, na sliki 2 pa je dodan napis VSM. Ena izmed prednosti, ki jih prinese predlagani koncept, je, da sistem deluje na kraju samem, kar je priročno tudi za druge zahteve DO. Predlagani sistem ima kar nekaj različic, ki se razlikujejo glede na mesto postavitve, vendar imajo kljub temu nekaj skupnih lastnosti. Te so: o Hitrost – sistem mora reagirati takoj, ko je to mogoče, saj s tem prepreči škodo na opremi. o Zanesljivost – sistem mora delovati pravilno v nenormalnih pogojih, hkrati pa mora delovati tudi v primeru lastne odpovedi. o Občutljivost – sistem mora biti zmožen zaznati nenormalno stanje. o Selektivnost – sistem mora odklopiti le okvarjen del in s tem čim bolj omejiti nedelujoči del DO. o Avtomatičnost – sistem mora reagirati sam in v sodelovanju z ACC prilagoditi parametre DO. o Enostavnost vgradnje in vzdrževanja – sistem mora delovati na principu “plug and play”. o Vključitev v obstoječi nadzorni sistem – sistem mora biti skladen z obstoječim nadzornim sistemom DO. Slika 2: Komunikacijske poti v DO z RV Za boljše razumevanje bomo to IED-napravo imenovali vmesnik stičnega mesta (VSM) ali Point of Common Coupling Interface (PCCI). 3 METODOLOGIJA KONCEPTA Predlagani koncept je simuliran na omrežju, ki ga prikazuje slika 2. V tem omrežju so nameščeni različni tipi VSM, ki imajo možnost pošiljanja in sprejemanja meritev in določenih ukazov do/iz drugih VSM, ki so vnaprej določeni. Energetski sistem deluje na principu moči, zato je pomembno, da zna VSM izračunati približne vrednosti porabe le-te. To je narejeno s pomočjo enačb (1) in (2). (1) ∫ (2) Za izračun moči je treba upoštevati, da napetost in tok znotraj izmeničnega tokokroga nista v fazi, zato je treba uporabiti efektivno vrednost napetosti ( ) in toka ( ), pomnoženo s faktorjem moči ). Vsako električno omrežje ima določen napetostni profil [6], ki KOMUNIKACIJSKI – NADZORNI KONCEPT V DISTRIBUCIJSKEM OMREŽJU Z RAZPRŠENIMI VIRI 239 je oblikovan na podlagi prisotnosti in lokacije RV oziroma napetostnih bremen. Na sliki 4 so prikazani primeri napetostnih profilov z različno velikimi RV. Odvisno od količine trenutno dostavljene moči se lahko RV razvrstijo v štiri skupine (nedejavni, mali, srednji in veliki). Vsaka skupina ima svojo karakteristiko in svoj vpliv na napetostni profil, ki zahteva različne pristope k rešitvi problema. Začetek pridobivanja informacij je v vseh primerih enak. Vsak VSM si naredi svoje polje (3) podatkov, ki je sestavljeno iz dneva v tednu, časa meritve (minutni interval) in posamezne meritve (moč, napetost, tok, …). Pridobljeni podatki se povprečijo tako, da se dobijo povprečne vrednosti za vsako uro, dan, delovne dneve in vikende glede na mesec ter letni čas. [ ] * *P = [ ] (3) V podobna polja se beležijo tudi maksimalne vrednosti drugih parametrov v vseh zgoraj omenjenih časovnih intervalih, kar je narejeno izključno zaradi izdelave določenih smernic pri porabi električne energije in za napovedovanje energijskih rezerv, ki se izračunajo na podlagi enačbe (4). V (4) pomeni Pall celotno energijo, ki je seštevek porabljene energije (Puse) in energije (Pres), ki jo moramo imeti v zalogi. Ta se izračuna s povprečjem porabljene energije zadnje ure (PavgH) in maksimalno vrednostjo energije (PmaxH), ki je bila izmerjena v preteklih tridesetih dneh. Dobljeno vrednost povečamo še za 20 %. Pall = Puse + Pres = ((PavgH + PmaxH) / 2) * 1.2 (4) V primeru, ko je RV priključen v omrežje in je nedejaven, je nadzor napetostnega profila relativno preprost. Paziti moramo le, da napetost na začetku in na koncu vseh NV ne pade ali zraste nad zakonsko določeno vrednost. V ta namen so vzdolž voda vgrajeni VSM, ki dajejo informacije o stanju omrežja. Vsi VSM pošiljajo trenutne meritve VSM v RTP in tistim VSM, ki potrebujejo te informacije (glede na topografijo omrežja). Mehanizmi v VSM RTP imajo prednastavljene limite, ki določajo, v katerih območjih morajo meritve biti. Če pride do odstopanj, VSM izračuna nove nastavitve OLTC, ki nastavi primerno prestavno razmerje in s tem določi začetno vrednost napetosti na vseh NV. Podoben postopek je tudi, če je na vodu priključen majhen RV [7]. Edina razlika je v tem, da VSM, ki je v RTP zaznal prisotnost RV s pomočjo drugih VSM, ki so nameščeni na vodu, in z nadomestnim vezjem (slika 3) izračuna, kakšne bi bile razmere v omrežju ob predvidenem preklopu. Če so vsi izračunani parametri znotraj meja, VSM potrdi preklop. Slika 3: Nadomestno vezje za izračun situacij Razmere postanejo bolj zapletene, če je v omrežje umeščen srednje velik RV. Te razmere lahko vidimo na tretjem grafu slike 4 s črtkano črto, kjer je prikazano, kakšen je napetostni profil, če ni nikakršnega posredovanja (več kot tretjina uporabnikov na prvi liniji ima neprimerno napetost). Če bi se sistem odzval na enak način kot v prejšnjih primerih (OLTC zniža začetno vrednost), bi imeli uporabniku na koncu voda 2 nižjo napetost od zakonsko dovoljene. Tu pride predlagani koncept do največje veljave. Vsi VSM, ki so nameščeni na vodu, pošljejo meritve ACC, ta zazna, da vrednost parametra kmalu ne bo v zakonskih mejah, in zato izračuna nove parametre na podlagi preklopa OLTC (kot v prejšnjih primerih). Če so izračunani parametri še vedno zunaj meja in OLTC nima pravega prestavnega razmerja, potem OLTC nastavi najvišje mogoče razmerje, pri katerem je najmanj uporabnikov zunaj meja in določi, pri katerem VSM to izvede. VSM izklopi del voda, kjer napetost ni prava, in to ugotovitev pošlje VSM v RTP, ki določi, na kateri vod se bo priklopil izklopljeni del, da bo napetostni profil voda znotraj meja, kar povzroči, da imajo vsi vodi primeren napetostni profil. Slika 4: Mogoči napetostni profili v DO glede na velikost RV Obstaja še primer, ko je v omrežje nameščen velik RV ali pa je priključena virtualna elektrarna [8], ki povzroči, da napetost preseže vse meje tolerance. Sistem se odzove podobno kot v prejšnjem primeru, vendar OLTC ne more nastaviti pravilnega razmerja za odklop dela voda. To odločitev VSM v RTP pošlje 240 MOČNIK, ŽEMVA VSM na vodu, kjer bo napetost prestopila mejo, in sistem začne preračunavati, za kolikšen del voda lahko RV samostojno napaja. Če ima RV dovolj moči, pošlje to informacijo VSM v RTP, ki mora to odločitev tudi potrditi, da pride do dejanskega odklopitve voda. Tako deluje ta del kot zasebno oziroma otočno omrežje, kar v trenutni zakonodaji ni dovoljeno, vendar se bo moralo to spremeniti, če bo država hotela množično vpeljati RV. Prednost tega sistema in metodologije delovanja je v vzpostavitvi boljšega nadzora nad RV in DO, kar posledično prinaša optimizacijo le-tega, kar se kaže predvsem v zmanjšanju energetskih zalog. Predlagani koncept tudi posodablja infrastrukturo omrežja, na katero lahko poljubno priklopimo vse RV ne glede na instalirano moč. 4 STRUKTURA VMESNIKA STIČNEGA MESTA Predlagani koncept je predstavljen s prototipnim sistemom VSM, ki je sestavljen iz strojne in programske opreme. Slika 5 prikazuje glavne komponente in povezave med njimi. Glavna komponenta VSM je nadzorni krmilnik, na katerem je nameščen operacijski sistem linux (Ubuntu), in ima možnost programiranja digitalnih izhodov in vhodov, ki lahko krmilijo bistabilne releje. Ti releji opravljajo različne naloge glede na tip VSM. Slika 5: Strojna struktura VSM VSM vsebuje tudi števec porabljene električne energije, ki je nadgrajen v merilni center in ima možnost meritve kakovosti električne energije po standardu SIST EN 50160. Vse pridobljene informacije se prek krmilnika shranijo na disk (večja zanesljivost sistema in arhiviranja podatkov). Za prenos podatkov do ACC in do končnih porabnikov skrbi komunikacijski modul (ethernet, GPRS ali WiFi), ki ima neposreden dostop do podatkov, shranjenih na disku, do katerih je mogoče dostopati v internetni aplikaciji. Komunikacija med VSM in ACC temelji na ethernetu, ki uporablja zasebno omrežje (PN) [9] ali pa GPRS [10] povezavo na osnovi standarda IEC 61850. Slika 6: Programska struktura VSM Slika 6 prikazuje glavne programske komponente VSM in povezave med njimi. Komponente so razdeljene na dva dela, ki si delita pomnilnik. Prvi del je odgovoren za zbiranje meritev (MC) in izvajanje ukazov (CC), ki jih pošljemo v programsko središče, imenovano MiBox. Drugi del programske strukture pa deluje kot nekakšen semafor in razvršča podatke glede na vrsto namestitve VSM ali pa pošlje podatke ACC. Na sliki 2 vidimo, da obstaja pet različnih VSM – VSM TP za TP, VSM RV za RV, VSM UPR za končne porabnike, VSM RTP za RTP, VSM V za EV. Ko so podatki pravilno razvrščeni, aplikacija podatke kodira v skladu s standardom IEC 61850 ter jih pošlje prej določenim prejemnikom. 5 INTEGRACIJA V STANDARD IEC 61850 Da bi bil sistem bolj prepoznaven in uporaben, ga je mogoče integrirati v že obstoječi standard IEC 61850 [11], ki je namenjen energetskemu sektorju za komunikacije znotraj energetskih objektov [12] in omrežij. Standard IEC 61850-7-420 [13] je sestavljen iz številnih vnaprej določenih logičnih vozlišč (LN), ki nadzorujejo določeno področje. Ker je standard relativno nov, še ne vključuje vseh možnosti, ki jih ponuja sodobno DO. Eden manjkajočih LN je vozlišče za nadzor omrežnega napetostnega profila [14], ki je tudi predlagan in prikazan – imenujemo ga Voltage Profile LN (VP LN). V tabeli 1 je predstavljen nov razred LN SCP, ki vsebuje vse informacije za nadziranje napetostnega profila v DO. Ena izmed posebnosti tega LN je visoka prioriteta aktiviranja, kar pomeni, da se povezava sproži z aktiviranjem določenega alarma. Koncept integracij novih LN v standard IEC 61850 prinese nove izzive, ki jih v tem prispevku ne obravnavamo. V energetskem okolju že obstaja standard, ki določa komunikacije med TP (IEC 61850- 90-1) in med ACC ter TP (IEC 61850-90-2), vendar manjkajo le še deli standarda, ki bodo določali protokol pri končnem porabniku in bodo določali osebna LN ter njihovo medsebojno komunikacijo. Z določitvijo še teh manjkajočih delov standarda IEC 61850 bo družina standarda zaključena in bo vključevala celoten energetski sektor (od proizvajalca do končnega porabnika), kar bo vodilo k poenostavitvi komunikacije v DO in razpoznavnosti omenjenega standarda. KOMUNIKACIJSKI – NADZORNI KONCEPT V DISTRIBUCIJSKEM OMREŽJU Z RAZPRŠENIMI VIRI 241 Tabela 1: Predlagano logično vozlišče (razred SCP) 6 SKLEP Vključevanje RV v DO postaja vsakdanji pojav, ki vpliva na obstoječe stabilno in zanesljivo omrežje. Kljub zaprtemu okolju, v katerem deluje, je treba zagotoviti, da motnje, ki jih vnašajo RV, ne bodo vplivale na razmere v omrežju. Te razmere je mogoče rešiti s pomočjo elektrotehniških in komunikacijskih mehanizmov, ki tvorijo IKT. S postavitvijo IKT in s primernim programskim paketom lahko pridobimo boljši nadzor nad DO in dostopnost do podatkov končnih porabnikov s pomočjo spletne aplikacije, ki dovoljuje spremljanje in nastavljanje določenih meritev oz. nastavitev. V članku je predstavljen komunikacijski- nadzorni koncept, ki se uporablja za nadzor napetostnega profila na SN- in NN-omrežju, ki zazna tudi težave, ki nastajajo v DO. Predlagani koncept ima prednost pred obstoječimi rešitvami [15]-[18] pri boljšem distribuiranju in porabljanju električne energije, saj ne uporablja vložka jalove energije, algoritmov za nadzor aktivnih in jalovih bremen, regulatorjev napetosti in napetostnih kompenzatorjev, temveč samo prestavi vir voda, ki potrebuje energijo, in ne spremeni moči delovanja RV. Ena izmed posebnosti tega koncepta je možnost integracije v obstoječi standard IEC 61850.