Doświadczenia IASE w zakresie wykorzystania transmisji PLC

Transkrypt

1 Doświadczenia IASE w zakresie wykorzystania transmisji PLC Autorzy: Dr Grzegorz Bałuka, dr inŝ. Jacek Kiernicki, mgr inŝ. Józef Niepokój - Instytut Automatyki Systemów Energetycznych Sp. z o.o ( Energetyka grudzień 2007) Pod pojęciem PLC (Power Line Communication) rozumie się system transmisji informacji z wykorzystaniem jako nośnika przewodów linii elektroenergetycznych nn (niskiego napięcia). W naszych aplikacjach korzystamy z transmisji PLC opierającej się na wprowadzeniu zmodulowanego sygnału o częstotliwościach nieco poniŝej 100 khz do sieci rozdzielczej niskiego napięcia 230V/50 Hz. Okazało się, Ŝe taki sposób transmisji funkcjonuje poprawnie w sieciach o rozległości rzędu 500 m. Zrealizowane przez IASE pilotowe instalacje do zdalnego pomiaru energii elektrycznej wykorzystujące transmisję PLC działają w wybranych obszarach miejskich i wiejskich sieci elektroenergetycznych. Instalacje te słuŝą do zdalnego odczytu stanów liczników energii elektrycznej odbiorców komunalnych w celu prowadzenia monitoringu zuŝycia energii, określenia strat technicznych i handlowych energii elektrycznej, a takŝe umoŝliwienia zdalnego sterowania odbiorami w systemie sterowania popytem, DSM (Demand Side Management). Zastosowanie transmisji PLC ma wiele oczywistych zalet, takich jak np. brak konieczności tworzenia dodatkowych sieci transmisji danych (sieci przewodowe, radiowe, GSM), co znacznie zmniejsza ich koszty instalacji i utrzymania, daje gwarancje ścisłego wzajemnego uzaleŝnienia nośnika transmisji danych (PLC) i przesyłu energii elektrycznej, tzn. uszkodzenie linii, po której przebiega transmisja PLC jest równoznaczne z zaprzestaniem dostarczania energii elektrycznej. Niestety te oczywiste zalety są okupione trudnościami eksploatacyjnymi, gdyŝ linie rozdzielcze niskiego napięcia, podlegające róŝnego rodzaju awariom, procesom starzenia, zuŝycia, korozji itp. nie zawsze są idealnym medium dla transmisji danych. System zdalnego odczytu stanu liczników energii elektrycznej MZS (Monitorowanie Zapotrzebowania i Strat), który stanowi podstawę dla przedstawianych rozwaŝań nad celowością stosowania techniki PLC jest eksploatowany w Rejonie Energetycznym Środa Śląska od września 2004 roku. Jest to więc okres dostatecznie długi, by moŝna było podzielić się doświadczeniami z jego eksploatacji i przedstawić korzyści i trudności, jakie niesie tego typu rozwiązanie. Opis systemu MZS System MZS w części akwizycyjnej składa się z: modułu akwizytora zbudowanego na bazie komputera wyposaŝonego w system gromadzenia danych oraz w układy transmisji PLC, linii transmisji PLC (w rzeczywistości linii sieci nn), liczników energii elektrycznej wyposaŝonych w układy transmisji PLC oraz układy sterowania (zdalne załączanie i wyłączanie podłączonych do nich odbiorów).

2 Schemat ideowy instalacji do zdalnego odczytu stanów liczników energii elektrycznej przedstawiono na rysunku 1. Wynika z niego, Ŝe system akwizytora (koncentrator) jest usytuowany w pobliŝu transformatora SN/nn, po stronie nn. Jako jego lokum wybiera się najczęściej pomieszczenie stacji transformatorowej SN/nn. Jest to związane z tym, Ŝe w stacji transformatorowej znajduje się zwykle przestrzeń pozwalająca na umieszczenie elementów układu i ich zabezpieczenie przed wpływem czynników zewnętrznych i przed ingerencją niepowołanych osób. W systemie MZS komunikacja odbywa się w obu kierunkach, tj. od liczników do akwizytora oraz od akwizytora do liczników (istnieje konieczność przesyłania do liczników niezbędnych parametrów oraz sygnałów synchronizacji czasu, zapytań oraz innych danych technicznych, istnieje takŝe moŝliwość sterowania wybranymi odbiorami). System MZS przeznaczony jest do pracy w sieci trójfazowej czteroprzewodowej. Nakłada to konieczność identyfikacji faz, do których podłączeni są odbiorcy jednofazowi, oraz właściwe podłączenie faz w licznikach trójfazowych. Wymóg ten wynika z realizowanej w systemie MZS funkcji bilansowania poboru energii oddzielnie dla kaŝdej z faz. Oprócz przedstawionego pokrótce podsystemu akwizycyjnego w skład systemu MZS wchodzi równieŝ podsystem nadrzędny, w którym odbywa się interpretacja gromadzonych przez część akwizycyjną danych. Medium transmisyjnym na drodze między licznikiem a akwizytorem jest przewód linii energetycznej, zaś transmisja danych między akwizytorem a ośrodkiem decyzyjnym (Poziom RE/ZE) odbywa się drogą telefoniczną poprzez modemy GSM.

3 System MZS przeznaczony do monitorowania i rozliczania zuŝycia energii umoŝliwia: podłączenie do systemu dowolnego typu licznika z wyjściem impulsowym, uzyskiwanie bieŝącej informacji o zuŝyciu energii dla wybranych obszarów z podaniem czasu odczytu, wykonywanie bilansów zuŝycia energii elektrycznej według dowolnego przekroju czasowego i typu odbiorców. Schemat przepływu danych w systemie MZS jest pokazano na rysunku 2. Jak juŝ wspomniano, między licznikami a akwizytorem dane przepływają w dwóch kierunkach. Podsystem nadrzędny pozwala parametryzować układ akwizycyjny poprzez przesyłanie do niego odpowiednich pakietów danych technicznych, których część, przeznaczona do parametryzacji liczników, jest dalej wysyłana (przez system akwizycyjny) do adresatów (liczników). W podobnym trybie do liczników wysyłane są zapytania o zebrane dane pomiarowe. Liczniki wysyłają dane tylko w odpowiedzi na polecenie akwizytora. Przedstawione zasady uwidaczniają hierarchię panującą w systemie, która to hierarchia powoduje, Ŝe sam podsystem akwizycyjny działa zasadniczo jako podsystem sterowany przez SN, tzn. przepływ danych do SN odbywa się w odpowiedzi na zapytania kierowane od niego z góry". JednakŜe po przestaniu koniecznych parametrów system akwizycyjny moŝe zajmować się gromadzeniem danych praktycznie w trybie autonomicznym. Dane otrzymywane z systemu akwizycyjnego to wartości odczytanych stanów liczydeł liczników energii elektrycznej za kaŝde 15 minut, gromadzone w plikach pozwalających określać zuŝycie energii w dowolnym kwadransie, w dowolnej chwili roku. Na tej podstawie podsystem nadrzędny zainstalowany w ośrodku decyzyjnym określa zuŝycie energii w dowolnym przedziale czasowym dla poszczególnych odbiorców, dla poszczególnych faz czy grup odbiorców. Na podstawie zgromadzonych danych wykonywane są bilanse energii elektrycznej w poszczególnych fazach, które pozwalają na wyznaczanie strat bilansowych energii

4 elektrycznej, a następnie na ich podział na straty techniczne i straty handlowe. System MZS dysponuje teŝ moŝliwościami oceny na bieŝąco parametrów eksploatacyjnych procesu zasilania odbiorców. Podział strat moŝliwy jest dzięki zaimplementowanym danym o parametrach elektrycznych sieci, co pozwala na bezpośrednie obliczanie i bilansowanie rozpływów mocy w kaŝdym 15- mi-nutowym odcinku czasu. Bilansowanie odbywa na podstawie odczytów dodatkowych liczników zainstalowanych w punktach węzłowych badanej sieci. Znając wartości energii, która została wprowadzona do sieci oraz sumaryczną wartość energii pobranej przez odbiorców moŝna obliczyć niezbilansowanie, tj. stratę bilansową energii elektrycznej. Dzięki prowadzeniu odczytów energii dla kaŝdej z faz oddzielnie moŝliwe jest obliczenie niezbilansowania na poziomie poszczególnych faz, co z kolei pozwala określić poziom asymetrii obciąŝeń i ułatwia identyfikację miejsc nielegalnego poboru. Problemy z aplikacją PLC Przystępując do opracowania systemu MZS brano pod uwagę dostępne sposoby transmisji danych z liczników energii elektrycznej do systemu akwizycyjnego. ZałoŜono celowość dokonywania bilansu energii co 15 minut. ZałoŜenie bilansowania na bieŝąco wymaga w ciągu doby 96 transmisji danych na kaŝdy licznik, co w ciągu miesiąca w przypadku stosowania GSM wygenerowałoby niebagatelną kwotę, która obciąŝałaby właściciela systemu. Zatem moŝliwość dokonywania darmowych transmisji to duŝy atut PLC. Postawione projektowanemu systemowi załoŝenia były bardzo rygorystyczne, gdyŝ ze względu na pragnienie realizacji funkcji bilansowania zuŝycia energii elektrycznej w kaŝdym kwadransie, implikowały wymóg bezawaryjnego odczytu wszystkich liczników w tym przedziale czasu. Na podstawie przeprowadzonych analiz techniczno-ekonomicznych uznano, Ŝe transmisja PLC będzie najbardziej korzystna. RównieŜ nasz partner, ówczesny ZE Wrocław (obecnie EnergiaPro Koncern Energetyczny SA Oddział Wrocław) podzielał naszą opinię. Zaprojektowany i zbudowany przez IASE przy udziale ZE Wrocław system zdalnego odczytu liczników wraz z systemem przetwarzania danych, MZS, obsługuje dwa obszary sieci nn: obszar sieci kablowej w mieście Środa Śląska z 84 punktami pomiarowymi i obszar sieci napowietrznej we wsi Lipnica (7 km od Środy Śląskiej) z 88 punktami pomiarowymi (licznikami energii elektrycznej, jedno- lub trójfazowymi). UŜywany przez nas do transmisji PLC system oparty na modułach firmy Echelon sprawiał wiele kłopotów w czasie rozruchu i wstępnej eksploatacji, zwłaszcza w przypadku instalacji wiejskiej. Brak było regularnych odczytów z ok. 10 liczników, zwykle tych najbardziej oddalonych od akwizytora. Przeprowadzone badania i analizy wskazywały na zły stan techniczny sieci napowietrznej - głównie były to wadliwe złączki przewodów oraz zestarzałe, niekonserwowane fragmenty linii napowietrznej. Po wykonaniu przez specjalistów z Rejonu Energetycznego Środa Śląska i Instytutu Automatyki Systemów Energetycznych badań i napraw sytuacja uległa duŝej poprawie, ale nadal występowały sporadyczne braki komunikacji z niektórymi licznikami. Problem został dopiero rozwiązany po zainstalowaniu pośredniego akwizytora, co skróciło drogę sygnałów PLC. Instalacja w sieci kablowej w początkowym okresie nie budziła Ŝadnych zastrzeŝeń. Po około roku pojawiła się jednak grupa kilkunastu liczników, które w godzinach odpowiadających

5 zwiększonemu obciąŝeniu traciły kontakt z akwizytorem. Obecnie trwają badania przyczyn takiego zachowania się tych liczników. Po dokonaniu oględzin i pomiarów na miejscu przeprowadzono zabiegi modernizacyjne, które zaowocowały znacznym zmniejszeniem się liczby trudnych" liczników. Obecnie uzyskaliśmy wsparcie Politechniki Wrocławskiej, która zaproponowała wspólne prowadzenie magisterskich prac dyplomowych, badań i działań dotyczących wykorzystania i poprawy parametrów transmisji PLC w sieciach elektroenergetycznych. Prace nad doskonaleniem transmisji PLC prowadzone są w IASE na bieŝąco, a ich wyniki robiły zawsze bardzo dobre wraŝenie na tych, którzy mieli okazję zapoznać się z nimi w naszych instalacjach pilotowych. Istnieje moŝliwość wykorzystania infrastruktury stworzonej w ramach systemu MZS do przesyłania z wykorzystaniem transmisji PLC innych danych, jak choćby odczytów z odpowiednio dostosowanych liczników innych mediów czy sygnałów alarmowych. Jesteśmy otwarci na propozycje współpracy w dziedzinie wykorzystania systemu transmisji PLC do celów związanych z nadzorowaniem sieci elektroenergetycznych i chętnie odpowiemy w miarę naszych moŝliwości na wszelkie pytania PT Czytelników. LITERATURA [1] Tomczyk A., Harasimowicz L, Stawski R: Zasady i moŝliwości bieŝącego monitorowania zuŝycia i strat energii elektrycznej w sieciach nn - system MZS, XII Międzynarodowa Konferencja Naukowa - APE'05, 8-10 czerwca 2005, Gdańsk-Jurata [2] LonWorks, Technology Data Service, Motorola, Rev. 3