Internet of Things технологии за интелигентни електроразпределителни мрежи

Mащабната технологична платформа Internet of Things (IoT) предстои да се разрасне до внушителните 50 млрд. свързани устройства до 2020 г., осигурявайки достъп до тази мрежа на все повече потребители, производители и доставчици на комунални услуги, прогнозират пазарните анализатори.

В рамките на IoT електрически и електронни уреди и устройства от редица индустрии ще бъдат свързани помежду си посредством интернет, P2P (peer-to-peer) връзки или в затворени мрежови архитектури, подобни на тези при интелигентните електроразпределителни мрежи - smart grid.

С изместването на глобалния фокус все по-категорично към разумното управление и пестене на енергията и водните ресурси, Internet of Things технологиите се очаква значително да разширят ползите от smart grid инфраструктурата отвъд дистрибуцията, автоматизацията и мониторинга, осъществявани от комуналните оператори. С развитието на IoT платформата, на пазара ще се налагат

все по-достъпни интелигентни системи за енергиен и воден мениджмънт

за домашни и сградни приложения, които ще помагат на потребителите да проследяват собственото си потребление и да коригират своевременно неправилните си навици по отношение на рационалното използване на тези ресурси.

Тези технологии постепенно ще се превърнат в автономни системи, които ще се самонастройват и самоуправляват на базата на информация в реално време от “умни” електромери, сензори за присъствие, движение, дневна светлина и т. н., убедени са маркетолозите. А мащабната трансформация на парадигмата за мениджмънт на енергийните ресурси започва именно с внедряването на първите технологии за интелигентни и свързани електроразпределителни мрежи.

Неизбежни промени в мрежовата архитектура

Изграждането на smart grid инфраструктура обещава подсигуряване на енергийните доставки в свят с постоянно нарастваща популация и ограничен капацитет за производство на енергия. Интелигентните електроразпределителни мрежи редуцират загубите, увеличават ефективността, оптимизират енергийното потребление и дистрибуция.

В допълнение, концепцията за smart grid прави рентабилни и икономически жизнеспособни дори и мащабните соларни и вятърни проекти, неприложими в условията на конвенционално електроразпределение.

Пагубната инфраструктурна амортизация, която неизменно съпътства дългогодишната експлоатация, поставя електроразпределителните мрежи пред сериозни предизвикателства. Такива са повтарящите се прекъсвания на електрозахранването в големи индустриализирани градове по целия свят, повече от 30% загуби на електрическа енергия по трасето от източника до домовете в страни като Индия, както и похабяването на над 35% от питейната вода под формата на течове в държави като Франция и Австралия.

Мрежовите топологии днес

е необходимо да бъдат преструктурирани от централизирани в разпределени архитектури, способни динамично да обхванат различни енергийни източници. На преден план излиза потребността от проследяване в реално време на енергийното потребление от крайните точки на търсене до производствените съоръжения посредством внедряването на интелигентни технологии.

За целта се използват отдалечени сензорни системи, които позволяват измерване, мониторинг и изпращане на данни от отделните елементи на енергийната мрежа, които могат да бъдат използвани за изграждането на “самоуправляваща се” електроразпределителна мрежа.

Допълнителни ползи от подобно внедряване са повишаване на цялостната ефективност на електроразпределението, както и оптимизиране на самонаблюдението на мрежата и процесите по автономно вземане на решения от интелигентната инфраструктура. Свързаната smart grid архитектура осигурява комуникационна платформа, която в бъдеще би могла да свърже всички необходими устройства и оборудване, свързани с енергопотреблението.

Първата стъпка към институционализирането на синергията между IoT технологиите и интелигентните електроразпределителни мрежи е масовото внедряване на смарт електромери.

Интелигентни електромери

Електромерите са сред най-често инсталираните “умни” измервателни уреди по цял свят. Почти всяко второ домакинство В САЩ може да се похвали с такъв уред, свързан с електроразпределителната мрежа, а цялостната равносметка наброява милиони интелигентни устройства от този тип, които ежедневно предават данни за енергийното потребление на домовете, офисите, търговските и индустриални обекти.

Благодарение на технологиите за свързаност, електромерите разширяват функциите си от устройства за измерване параметрите на енергията в двупосочни комуникационни системи. Съвременните технологии в този продуктов сегмент трябва да отговарят на определени критерии, за да изиграят своята критична роля в мащабното внедряване на smart grid решения в глобален аспект.

Първо, електромерите трябва да изпращат данни за енергийното потребление от жилища и сгради с различно предназначение обратно към комуналните дружества. В практиката обаче няма единно доказало се решение за свързаност, което да е годно и целесъобразно при всякакви условия.

В САЩ стандартът за тази комуникация е радиочестотен сигнал с ниска мощност (LPRF), който използва т. нар. топология тип “хиперкуб” (Sub-1 GHz mesh) - всеки от възлите в мрежата е свързан до всеки от другите възли в мрежата или до повече от един от тези възли чрез “point to point” връзка.

В зависимост от държавата и естеството на мрежата, безжичната връзка невинаги се оказва най-подходящият вариант. В Испания и Франция за тази цел се използва теснолентова OFDM връзка за комуникации по електрозахранващата мрежа (power line communication, PLC).

Внедряването на IoT технологии в различни електроразпределителни архитектури

изисква по-обширно портфолио от решения за свързване, което включва както безжични, така и жични и хибридни системи.

Второ, интелигентните електромери трябва да осигуряват необходимата информация за енергийната консумация и на собствениците (обитателите или ползвателите) на даден обект посредством дисплей или гейтуей. Тази информация позволява на потребителите да променят навиците си, свързани с потреблението на енергия, за да намалят сметките си за електричество.

В Съединените щати за тази цел се използва стандартът IEEE 802.15.4 2.4 GHz ZigBee, в повечето случаи в комбинация с приложението Smart Energy за оптимизация на профила на потребление на съответния абонат. В други държави, като Великобритания или Япония, се залага на Sub-1 GHz мрежи или на PLC системи с цел постигане на по-голям обхват на комуникацията, както и на комбинирани решения, базирани на хибридни радиочестотни технологии или комуникации по електрозахранващата мрежа.

В обобщение, електромерите се превръщат в интелигентни сензорни системи, способни да комуникират двупосочно (към и от домовете и сградите), които са свързани помежду си в мрежова топология и същевременно изпращат необходимата информация към комуналните дружества.

Преходът към интелигентно измерване на енергията

е свързан със значителни изменения в топологията на измервателните системи. В допълнение към самия измервателен уред, който събира данни за енергийното потребление, сега се монтират и радиочестотни предавателни устройства, програмируеми логически контролери и др. Някои системи се надграждат с функции за предплатени услуги и за near-field комуникации (NFC, технология за пренос на данни на близки разстояния).

Микроконтролерите на интелигентните електромери вече идват с повече памет и повече възможности за свързване и сигурност, съобразени със съответния стандартен комуникационен протокол. Все по-разпространени са решенията, които поддържат динамично ценообразуване, електрозахранване според потребностите, отдалечено свързване и ъпгрейдване, мрежова сигурност и т. н., които позволяват на комуналния оператор да обслужва устройствата в мрежата дистанционно, без да е необходимо изпращането на техник за обновяване на версията на софтуера например.

Интелигентни подстанции

Мрежовите структури в съвременните електроразпределителни мрежи се променят от централизирани, радиално свързани топологии, в децентрализирани “mesh” мрежи, включващи множество различни, пространствено разпределени източници на енергия. Връзката между производствените съоръжения и консуматорите в електроразпределителните мрежи се осъществява от трансформаторните подстанции.

Подстанцията преобразува напрежение, направлява потока на мощността, изолира и пренасочва трасето на мощността при нужда, управлява и координира разпределените енергийни източници (включително вятърни и соларни електроцентрали с различен мащаб), отговаря за прекъсванията и възстановяването на електрозахранването.

Една от ключовите цели на автоматизираното електроразпределение

е възможността динамично да се локализират, наблюдават и управляват подстанциите на ниво населено място, област или държава, както и да се оптимизира работата на електроразпределителната инфраструктура посредством мрежа от свързани подстанции и генериране на база данни, свързани с енергопотреблението.

Самите подстанции еволюират в системи, базирани на Ethernet комуникация посредством интелигентни комуникационни устройства. Подобно на интелигентните електромери, и тук постепенно се налага концепцията за оперативна съвместимост между продуктите от различни производители в подстанциите, подкрепена от индустриалния стандарт IEC 61850.

Съгласно спецификациите на IEC 61850, оборудването в подстанциите - прекъсвачи, трансформатори и генератори, създава чувствителна към фактора време мрежа, в която събира цялата информация от съоръжението и я насочва към централен контролен център. Този център установява двупосочна комуникация - към крайния потребител и към производителя на енергия.

Ползи от IoT технологиите за интелигентни електромрежи

Свързаните “умни” електромери и подстанции постепенно проправят пътя на smart grid решенията в електроразпределението. Ползите от това са много и безспорни. Платформата Internet of Things позволява свързването към практически всички комунални активи в мрежата - от електромери до подстанции, служебни превозни средства, дори оператори. Тази многопосочна връзка не само улеснява процесите, но и спомага за увеличаване на производителността посредством комуникация.

Едно от най-съществените предимства на smart grid архитектурите е възможността превантивно да се отстраняват потенциални причинители на аварии, да се предотвратяват непланирани прекъсвания на електрозахранването, да се подменят амортизирани мрежови активи, преди на практика да са се повредили. Така критичната за електроподаването инфраструктура може да бъде възстановена много по-скоро в сравнение със случаите, в които комуникацията е ре-, а не проактивна.

Ключова полза от внедряването на IoT технологии в интелигентните електроразпределителни мрежи е възможността

“умните” домакински електроуреди

да се свързват с портал за енергиен мониторинг, който дава на потребителите гъвкавостта да определят сами електроподаването съгласно потребностите.

В бъдеще, оборудвани с тези технологии, комуналните оператори ще могат лесно да разширяват съществуващи безжични мрежи с цел по-ефективно да управляват електроразпределителната инфраструктура.

В миналото, притежаваните от частни инвеститори, общинските и кооперативни комунални дружества обикновено инвестираха в три типа комуникационни мрежи: мрежи с гласова комуникация, позволяваща подаването на информация към полевите служители; мобилни мрежи и свързани служебни превозни средства; мрежи от типа “машина-към-машина” (machine-to-machine, M2M), събиращи информация от оборудване като помпи, агрегати и др.

Посредством

smart grid технологиите

комуналните оператори вече не се нуждаят от тези три типа мрежи. Днес всичко това е възможно в една обща, IP-базирана цифрова мрежа, в която всеки потребител може да използва наличните услуги за различни цели. Това намалява потребността от влагане на средства в мрежови комуникации и позволява преразпределение на капиталовите инвестиции.

С въвеждането на интелигентни термостати, “умни” домашни дисплеи за визуализация на данни за енергийното потребление и смарт контакти (които автоматично свързват включеното устройство към Internet of Things), потребителят има властта да избира кои елементи от електроразпределителната мрежа да наблюдава.

С помощта на комуникационни стандарти като ZigBee или Wi-Fi различни устройства и уреди могат да бъдат свързвани към мрежата и да получат необходимата информация през домашен гейтуей или директно чрез облачна свързаност посредством мобилно приложение за смартфон или таблет.

Технологията smart plug

позволява включването на конвенционални уреди в тези интелигентни контакти и моментално, срещу по-ниска цена, ги превръща в “умни”.

IoT решенията за електроразпределителни мрежи дават на операторите и възможността да създават стойност от потребителските данни, правейки тази информация достъпна за самите потребители.

Възможни са креативни бизнес модели като предплатени пакети енергия, подобно на предплатените мобилни услуги, които осигуряват на клиента свободата да заплати само толкова, колкото му е необходимо да използва. Всички тези smart grid решения подобряват качеството на услугите, които комуналните дружества предоставят на абонатите си.

Оптимизира се и управлението на мрежовите инфраструктури от операторите, които все по-масово влизат в партньорства с различни технологични компании и доставчици на услуги с цел разработване на персонализирани интелигентни мрежови решения.

Посредством технологиите за интелигентни електроразпределителни мрежи IoT платформата се явява двигател на иновации и производителност по отношение на енергията за домове и бизнеси. С информация за локацията и условията, в които се експлоатират дадени мрежови активи, само с натискането на един бутон, комуналните компании могат напълно да променят начина, по който обслужват клиентите си.

Същевременно, доставчиците на решения за интелигентни електроенергийни мрежи подпомагат технологичното развитие в тази сфера, разработвайки специализирани мобилни приложения, виртуални инструменти, различни софтуерни продукти и други, които създават условия за информиран избор при управление на активите.

В резултат, комуналните компании днес са способни да вземат много по-адекватни и рационални бизнес решения, да повишават постоянно ефективността си и да осигуряват на клиентите си най-качествените възможни услуги.