1 UVOD Klasični elektroenergetski sistem je sestavljen iz velikih elektrarn, ki so priključene na prenosno omrežje in porabnikov, ki so večinoma priključeni v distribucijska omrežja. Električna energija se naprej prenaša prek distribucijskega omrežja do končnih uporabnikov. Kot vidimo tudi na sliki 1, je pretok energije enosmeren, od centrov proizvodnje do uporabnikov. Takšen energetski sistem je zanesljivo deloval že več kot 100 let, zdaj pa se zaradi naraščanja porabe, starajoče se infrastrukture, čedalje večjega števila razpršenih virov energije, ki so priključeni v distribucijsko omrežje, sooča s številnimi izzivi. Poleg Slika 1: Klasični elektroenergetski sistem [1] razpršenih virov se obeta še dodajanje drugih novih elementov (hranilniki energije, električna vozila …) v omrežje. Majhno število novih elementov, ki za stabilnost elektroenergetskega omrežja pomenijo motnjo, nima večjega vpliva, toda z večanjem tega števila obstaja tudi večja možnost nastanka problemov v obratovanju omrežja, ki ni bilo načrtovano za tak način obratovanja. Dodatna motnja je tudi nepredvidljiva narava proizvodnje energije iz obnovljivih virov, ki pomenijo večino razpršenih virov. Zaradi omenjenih problemov so se razvila tako imenovana pametna omrežja (angl. Smart Grids). Pojem pametnih omrežij ne pomeni le nadgradnje obstoječega elektroenergetskega sistema iz porabniškega, pasivnega načina obratovanja v aktivni način, temveč tudi spremembo celotnega načina obratovanja in načrtovanja sistema [2]. Pametno omrežje (slika 2) združuje v celoto vse elemente omrežja, tako klasične kot tudi nove. Prejet 5. oktober, 2012 Odobren 6. november, 2012 94 VUK, BLAŽIČ, KOS Tukaj ključno vlogo odigrajo informacijsko- komunikacijske tehnologije (IKT). Slika 2: Pametno omrežje [1] IKT omogočajo povezavo vseh elementov omrežja. Danes je informatizacija omrežja prisotna na visokonapetostnem in srednjenapetostnem nivoju, nizkonapetostni nivo pa večinoma ni pokrit. V prihodnosti bodo informacijsko povezani vsi akterji v omrežju, tudi končni uporabniki omrežja. Tukaj je pomembno poudariti dvosmernost komunikacije, ki omogoča tako nadzor kot tudi krmiljenje naprav v omrežju. Postavlja se tudi vprašanje, katere tehnologije se bodo uporabljale za postavitev komunikacijske infrastrukture. Naslednja naloga, ki jo je treba rešiti, je obvladovanje velike količine podatkov, ki jih generirajo številne pametne naprave (angl. Inteligent Electronic Devices - IED) v omrežju. Za razvoj pametnih omrežij je zelo pomemben tudi standardiziran način prenosa podatkov in integracije informacijskih sistemov. Pametna omrežja so priložnost tudi za razvoj novih komunikacijskih aplikacij in storitev [3]. Šele razvoj pametnih omrežij bo omogočil izpolnitev okoljskih zavez, ki jih tudi Slovenija kot članica Evropske unije mora izpolniti do leta 2020: 1) 20-% zmanjšanje emisij toplogrednih plinov, 2) 20-% delež energije iz obnovljivih virov, 3) izboljšanje energetske učinkovitosti za 20 %. 2 KONCEPTI PAMETNIH OMREŽIJ Pojem pametnih omrežij vsebuje širok spekter različnih konceptov. V nadaljevanju bodo predstavljeni koncepti, kjer imajo IKT eno ključnih vlog. Informacijsko-komunikacijski sistem elektroenergetskega omrežja sega danes do RTP-jev, kar pomeni, da nad delom srednjenapetostnega in iz nizkonapetostnega omrežja tako rekoč ne prihajajo nikakršne informacije o stanju omrežja. Cilj pametnih omrežij je komunikacijsko povezati tako rekoč vsakega akterja in napravo v omrežju. Za nadzor tako velikega števila priključkov je potreben razvoj novih informacijskih rešitev in konceptov vodenja omrežja. Klasični elektroenergetski sistem ni bil načrtovan za priključevanje visokega deleža razpršenih virov. Razpršeni viri vplivajo na obratovanje EE sistema, in sicer na: 1) Napetostni profil omrežja – napetost na vodih omrežja pada z oddaljevanjem od transformatorja, s strmino, ki je odvisna od moči porabnikov. Razpršeni viri, priključeni na »strani porabe«, na svojih priključnih točkah in okolici dvigujejo napetosti, ki v skrajnih primerih lahko presežejo predpisane meje. Težava se lahko odpravi na več načinov [3], eden od njih je tudi sodelovanje samih razpršenih virov pri regulaciji napetosti. 2) Kakovost električne energije – razpršeni viri lahko na kakovost električne energije vplivajo pozitivno in negativno (sistemska frekvenca, fliker, harmonsko popačenje) [3]. 3) Ravnovesje med proizvodnjo in porabo energije – zaradi velikega števila razpršenih virov z nestalno proizvodnjo lahko nastanejo obratovalne težave [3]. 2.1 Napredna merilna infrastruktura Že pred nastankom koncepta pametnih omrežij so se razvili napredni sistemi za merjenje porabe odjemalcev. Do zdaj so porabo odjemalcev merili s klasičnimi števci električne energije, odčitavanje je bilo periodično, energija se je obračunavala pavšalno glede na preteklo porabo. Eden od ciljev pametnih omrežij je opremljanje končnih odjemalcev s pametnimi števci, ki so prek postavljene komunikacijske infrastrukture zmožni sporočanja merjene porabe v merilni center v realnem času. Prednost pametnih števcev je možnost pregleda nad porabo energije in s tem ozaveščenost porabnika o lastnih porabniških navadah, ceni energije ter posledično omogoča načrtovanje porabnikovega varčevanja z energijo. Temelj koncepta napredne merilne infrastrukture je komunikacijska infrastruktura, ki sega do končnega porabnika. 2.2 Upravljanje s porabo Informacijska povezava s končnim porabnikom omogoča tudi realizacijo koncepta upravljanja s porabo (angl. Demand Side Management – DSM), ki porabniku omogoča aktivno vključevanje v vodenje omrežja. Obstajajo številne klasifikacije programov upravljanja s porabo. Lahko ga razdelimo na programe, ki temeljijo na finančni spodbudi odjemalcu, če sodeluje pri upravljanju odjema (različni načini krmiljenja bremen), ter programe, ki temeljijo na spremembah cene električne energije. 2.3 Virtualna elektrarna Virtualna elektrarna je koncept, pri katerem s pomočjo IKT povežemo večje število razpršenih virov, ki s svojo ponudbo lahko enotno sodelujejo na trgu z električno energijo in tudi na trgu sistemskih storitev. Manjše proizvodne enote so kot del večje virtualne elektrarne na trgu konkurenčnejše. V virtualno elektrarno lahko združimo tudi aktivne odjemalce, ki lahko na zahtevo upravljavca prilagodijo svoj odjem. VLOGA INFORMACIJSKO-KOMUNIKACIJSKIH TEHNOLOGIJ V RAZVOJU PAMETNIH ELEKTROENERGETSKIH OMREŽIJ 95 2.4 Električna vozila V prihodnosti se obeta razvoj na področju električnih vozil (angl. Electrical Vehicle) in njihova čedalje širša uporaba. Z večanjem števila vozil bo naraščalo tudi število električnih polnilnic, kar pomeni tudi veliko sprememb za elektroenergetski sistem. Polnjenje vozil bo moralo biti deloma regulirano, kajti preveliko število sočasnih polnjenj bi lahko bilo preveliko breme za omrežje. Električna vozila se bodo lahko uporabljala tudi kot hranilnik energije, ki se lahko uporabi, dokler je električno vozilo s pripadajočo baterijo povezano v omrežje. 3 KOMUNIKACIJSKA ARHITEKTURA PAMETNEGA OMREŽJA Komunikacijsko omrežje je ključni element pametnega elektroenergetskega omrežja. Dosega namreč vsak posamezni element omrežja: razpršene vire, hranilnike energije, odjemna mesta, aktivne uporabnike itn. Povezava omogoča avtomatizacijo, vodenje in upravljanje celotnega omrežja. Zato je treba za realizacijo pametnega omrežja postaviti dovolj zmogljivo, razširljivo, zanesljivo in varno informacijsko-komunikacijsko infrastrukturo. Na sliki 3 je prikazana komunikacijska arhitektura pametnega omrežja. Pametno omrežje je sestavljeno iz več različnih podsistemov, kjer se uporabljajo različne tehnologije. Za vsak segment omrežja obstaja veliko mogočih standardiziranih in nestandardiziranih, lastniških tehnoloških rešitev. Končni cilj je omogočanje dvosmerne komunikacije med vsemi akterji sistema, ne glede na tehnologije, uporabljene na nižjih plasteh modela OSI (Open Systems Interconnection). Na strani končnih uporabnikov imamo različna uporabniška omrežja: hišna omrežja (angl. Home Area Network - HAN), stavbena/poslovna omrežja (angl. Building/Business Area Network - BAN) in industrijska omrežja (angl. Industrial Area Network - IAN). Pri omrežjih končnih uporabnikov je mogoča uporaba različnih žičnih in brezžičnih tehnologij [5]. Pri dostopovnem omrežju obstaja veliko tehnoloških rešitev. Izbira tehnologije je odvisna od številnih parametrov, kot so krajevna dostopnost posamezne tehnologije, zahtevana hitrost prenosa podatkov, zakasnitev, raven varnosti, cena itn. Dostopovno omrežje združuje promet več različnih sistemov in aplikacij, kot so sistem naprednega merjenja, upravljanja s porabo, vodenje in nadzor distribucijskega omrežja in razdelilnih transformatorskih postaj. Tudi v bližji prihodnosti se bo na tem segmentu uporabljalo več različnih tehnologij [5]. Prostrana omrežja (angl. Wide Area Network - WAN) agregirajo in prenašajo promet različnih aplikacij in sistemov. So premostitvena omrežja med dostopovnimi omrežji in omrežji razdelilnih transformatorskih postaj na eni strani ter omrežji centrov vodenja in ponudnikov storitev na drugi strani. Prostrano omrežje obsega hrbtenično omrežje in regijska ter mestna omrežja. V hrbteničnem omrežju se za prenos največ uporabljajo visokozmogljive optične povezave. Razdelilne transformatorske postaje prenosnega in distribucijskega omrežja in naprave kot so zbiralniki prometa sistemov naprednega merjenja (tudi del distribucijskega omrežja) potrebujejo zanesljive povezave proti hrbteničnemu omrežju. Sistemski operaterji prenosnega in distribucijskega omrežja imajo na razpolago več tehnologij, ki jim to omogočajo: najeti Prostrana omrežja (WAN) Internet Uporabniška omrežja Dostopovna omrežjaAgregacija Hrbtenično omrežje Distribucijska RTP omrežja Regijska in mestna omrežja RTP omrežja Izvori električne energije Prenosno omrežje Distribucijsko omrežje Pametni števci Uporabniško omrežje Komunikacijska arhitektura pametnega omrežja Elektroenergetski sistem pametnega omrežja Lokalna omrežja (LAN) Slika 3: Komunikacijska arhitektura pametnega omrežja [3] 96 VUK vodi, privatne mikrovalovne povezave, navidezna zasebna omrežja (angl. Virtual Private Network - VPN), protokol MPLS, protokol IPsec itn. Različne aplikacije pametnih omrežij, kot je bilo že omenjeno, imajo različne zahteve glede kakovosti storitev (angl. Quality of Service - QoS). Čeprav ni komunikacijske tehnologije, ki bi bila najustreznejša za vse aplikacije pametnih omrežij, je na ravni omrežne plasti ključna uporaba IP-protokola. TCP/IP je tudi robustna tehnologija z velikim številom zrelih varnostnih in upravljavskih aplikacij. 4 STANDARDIZACIJA Pametna omrežja obsegajo veliko različnih akterjev, objektov, in s tem tudi številne različne sisteme. Zato sta standardizacija in integracija različnih informacijskih sistemov zelo pomembni. Na evropski ravni je evropska komisija dala mandat [6] za podajanje smernic v razvoju pametnih omrežij standardizacijskim organizacijam CEN, CENELEC in ETSI. Omenjenih bo nekaj najpomembnejših smernic. Zelo pomembno je kreiranje konceptualnega modela pametnega omrežja, ki definira glavne akterje pametnega omrežja in njihove medsebojne relacije. Tehnično poročilo IEC TR 62357 [7] podaja referenčno integracijsko infrastrukturo za integracijo naprav, sistemov in aplikacij elektroenergetskega sistema, ki jo vidimo na sliki 4. V spodnji horizontali se nahajajo končne naprave v polju. Vsaka od njih je na določen način komunikacijsko povezana z določenimi informacijskim sistemom, med katere spadajo:  Sistem SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition),  Sistem za upravljanje prenosnega omrežja (angl. Energy Management System - EMS),  Sistem za upravljanje distribucijskega omrežja (angl. Distribution Management System - DMS),  Podpora trgu z električno energijo,  Načrtovanje in vzdrževanje,  Zunanji sistemi. Način komunikacije za posamezen primer je prikazan v vertikalah arhitekture. Pri sistemih naprednega merjenja so pomembni standardi IEC 61334 in DLMS/COSEM. Za področje avtomatizacije omrežja v Evropi prevladujeta uporaba standarda IEC 60870-5- 101 in njegova prilagoditev na paketni prenos podatkov IEC 60870-5-104. Standard, ki na tem področju največ obeta, je IEC 61850, standard za načrtovanje avtomatizacije elektroenergetskega sistema, še zlasti razdelilnih transformatorskih postaj. V nasprotju s prej omenjenimi standardi se IEC 61850 ne omejuje le na prenos podatkov, temveč določa tudi celoten podatkovni model. Pri povezavi med centri vodenja se uporablja standard IEC 60870-6. Naslednji nivo je nivo integracije med informacijskimi sistemi v podjetju, kot tudi z zunanjimi podjetji. S čedalje večjim prilivom podatkov različnih izvorov ni pomemben le način prenosa, temveč tudi določanje, kateri podatki so pomembni za prenos. Z objektnim modeliranjem podatkov je prišlo do ločitve samih podatkov od protokolov prenosa. Čedalje bolj razširjen je koncept platformno neodvisne arhitekture informacijskih sistemov (angl. Model Driven Slika 4: Referenčna arhitektura za integracijo informacijskih sistemov elektroenergetskega sistema [1] VLOGA INFORMACIJSKO-KOMUNIKACIJSKIH TEHNOLOGIJ V RAZVOJU PAMETNIH ELEKTROENERGETSKIH OMREŽIJ 97 Architecture - MDA). Pri pametnem elektroenergetskem omrežju ima glavno vlogo pri modeliranju standard CIM. 4.1 CIM Standard CIM (Common Information Model) omogoča standardizirani objektni opis elementov elektroenergetskega omrežja in informacijskih tokov med različnimi procesi in s tem različni programski opremi omogoča izmenjavo informacij o konfiguraciji in stanju elektroenergetskega omrežja [8]. CIM je vzdrževan kot informacijski model v poenotenem modelirnem jeziku UML (Unified Modeling Language) ter podaja osnovno ontologijo za elektrogospodarstvo. Definiran je v standardu IEC 61970, in sicer za prenosno omrežje, v standardu IEC 61968 pa je razširjen še za potrebe distribucijskega omrežja. 4.2 IEC 61850 IEC 61850 je standard, ki definira podatkovne modele elementov in procesov na področju razdelilnih transformatorskih naprav. Prvotno je bil IEC 61850 namenjen za uporabo znotraj RTP-jev, pozneje se je uporaba in standardizacija razširila tudi na povezovanje med podsistemi, vključevanje razpršenih virov in povezovanje s centri vodenja. Standard definira tako podatkovne modele kot tudi komunikacijske profile. Standardizirana je vrsta komunikacijskih storitev, kot so branje vrednosti, nastavljanje vrednosti, naročanje na poročila, beleženje, opozarjanje, konfiguriranje, časovna sinhronizacija [9]. Komunikacijske storitve standarda se lahko preslikajo v več protokolov, tako imamo v standardu definirane različne komunikacijske profile (slika 5):  Jedrni profil ACSI omogoča povezavo odjemalec–strežnik. Uporablja se preslikava v protokol MMS in prenos prek protokolnega sklada TCP/IP.  Profil GOOSE je namenjen časovno kritičnim izmenjavam podatkov. Aplikacije GOOSE se uvrščajo neposredno v okvirje Ethernet in se tako zagotavlja kratek odzivni čas.  Profil GSSE je predviden za časovno kritične izmenjave statusov.  SMV profil omogoča multicast način prenosa podatkov po procesnem vodilu. SMV aplikacije se tudi uvrščajo neposredno v Ethernet protokol.  Profil časovne sinhronizacije, pri katerem se podatki uvrščajo v protokole UDP in IP. V standardu je definiran tudi konfiguracijski opisni jezik SCL (Substation Configuration Language), ki temelji na že obstoječem jeziku XML (eXtensible Markup Language). SCL je namenjen individualnemu opisu naprav in njihovih konfiguracij. Slika 5: Komunikacijski profili standarda IEC 61850 [10] 5 STANJE RAZVOJA PAMETNIH OMREŽIJ V SLOVENIJI IN SVETU Razvoj pametnih omrežij prinaša v sedanji elektroenergetski sistem bistvene spremembe in prilagoditve. Med najpomembnejše korake uvedbe pametnih omrežij v Sloveniji štejemo pospešeno vgradnjo avtomatiziranih stikalnih naprav z možnostjo daljinskega vodenja, spodbujanje vpeljave pametnih števcev ter uvajanje novih konceptov vodenja omrežij [11]. V slovenskem distribucijskem omrežju trenutno obstaja dobro avtomatiziran sistem vodenja na ravni RTP-jev na visokonapetostnem in srednjenapetostnem nivoju. Večina RTP-jev je z distribucijskimi centri vodenja (DCV) povezana prek lastnega optičnega omrežja ter obstaja možnost daljinskega vodenja srednjenapetostne opreme, kot so zaščitne naprave, odklopniki in transformatorji. S ciljem lokalnega nadzora celotnega RTP-ja se v vsakem RTP-ju nahaja računalniški sistem s sistemom SCADA. V Sloveniji se že izvaja veliko projektov na področju pametnih omrežij [11]. Največkrat gre za projekte s področja sistemov naprednega merjenja, a se čedalje bolj uveljavljajo tudi projekti, vezani na upravljanje s porabo, virtualne elektrarne in električna vozila. Največja projekta v Sloveniji, ki ju je sofinancirala tudi TIA, sta SUPERMEN in KIBERnet. Namen projekta SUPERMEN [12] (»Inteligentna elektroenergetska platforma za nadzor in vodenje razpršenih virov in porabnikov«) je bil razvoj rešitev za upravljanje razpršenih virov in odjema električne energije. Pri tem je bil razvit Vmesnik stičnega mesta (VSM), ki se lahko upravlja iz centra vodenja, pomeni pa lahko pametnega uporabnika, razpršen vir ali drugo energetsko napravo. Projekt KIBERnet [13] (»Razvoj sistema za krmiljenje industrijskih bremen in razpršene proizvodnje na distribucijskem elektroenergetskem omrežju«) je razvijal izdelek za krmiljenje bremen in razpršenih virov industrijskega odjemalca. V tem letu je izšel tudi Program razvoja pametnih omrežij v Sloveniji, ki natančno opredeljuje naloge, raziskave in aktivnosti implementacije, potrebne za razvoj pametnih omrežij v Sloveniji, ter način financiranja, s katerim bi do leta 2020 dobili delujoč 98 VUK, BLAŽIČ, KOS koncept pametnih omrežij. Na področju pametnih omrežij je bil v Sloveniji ustanovljen kompetenčni center SURE (Napredni sistemi učinkovite uporabe električne energije), pri katerem sodeluje več slovenskih podjetij, raziskovalnih institucij in upravljavcev distribucijskega omrežja. S KC SURE sodeluje tudi kompetenčni center Opcomm [14], ki na svoji odprti komunikacijski platformi za internet stvari (angl. Internet of Things - IoT) razvija tudi storitve in aplikacije za pametna omrežja. V Evropi in svetu je bilo končanih že veliko projektov, povezanih s pametnimi omrežji. FP7 (Framework Programmes for Research and Technological Development) je v obdobju 2007–2013 glavni vir financiranja projektov EU in je v tem sklopu tudi velik odstotek projektov s področja pametnih omrežij. Med njimi je tudi veliko projektov, ki se ukvarjajo z vlogo in razvojem IKT v pametnih omrežjih [15]: ADDRESS, FENIX, MICROGRIDS, FINSENY ... Obstajajo tudi številni primeri uvajanja pametnih omrežij v praksi. Na tem področju lahko omenimo italijanski Telegestore [16], ki je s pametnimi števci povezal 27 milijonov uporabnikov, in T-city [17], ki se izvaja v nemškem mestu Friedrichshafen in katerega namen je s številnimi podprojekti in uporabo sodobnih IKT izboljšati kakovost življenja v mestu. 6 SKLEP IKT so temeljni gradnik pametnih elektroenergetskih omrežij prihodnosti. Omogočajo dvosmerno povezavo vseh akterjev elektroenergetskega sistema, ki posledično omogoča nadzor in kontrolo celega omrežja. Za komunikacijsko infrastrukturo se bo uporabljalo veliko različnih tehnologij, izbira le-teh pa je odvisna od več parametrov, kot so pomembnost aplikacij, zahtevana kakovost storitev in obstoječa infrastruktura. Komunikacijska povezanost omogoča izmenjavo podatkov, katerih bo z večanjem števila pametnih naprav čedalje več. Zato sta obvladovanje velike količine podatkov in integracija informacijskih sistemov velik izziv. Zelo pomembna je standardizacija, pri kateri na področju pametnih omrežij izstopajo standardi IEC 61850 in CIM. IEC 61850 obsega standardizacijo komunikacije in podatkovnih modelov v RTP-ju, CIM pa omogoča standardizirani objektni opis elementov elektroenergetskega omrežja in informacijskih tokov med različnimi procesi. V Sloveniji že obstaja več projektov s področja pametnih omrežij, a je še precej prostora za napredek. Razvoj pametnih omrežij je obenem tudi priložnost za slovensko industrijo, ki ima potencial za razvoj in uvajanje novih konceptov v elektroenergetski sistem.