Villamos hálózatok Megbízhatóságának növelése okosméréssel

Míg hazánkban kevésbé jellemzőek az áramkimaradások, ez korántsem általános még a fejlett országokban sem. Az áramszolgáltatás jelenleg megszokott magas megbízhatóságán rontanak az egyébként előremutató változások; a háztartási méretű kiserőművek egy szép napos tavaszi délután az egekbe emelhetik egy adott szegmensben a feszültséget, a villanyautók váratlan terhelést jelenthetnek egy adott szegmensben az évi kétszer előforduló szűlői értekezlet alkalmával, és bizony a szélerőművek termelése is igen nehezen prognosztizálható. Ha kezelni akarjuk ezeket a helyzeteket, szükségesek olyan megoldások, amelyek a technológiai innovációnak köszönhetően ma már alkalmazhatók az energiahálózatok megbízhatóságának növelése érdekében. Az energiabiztonság nemcsak az energiatermelés és -átvitel környezetre gyakorolt hatásának csökkentését teszi lehetővé, hanem a felhasználók energiaköltségeinek mérséklését is.

A Sagemcom francia vállalatcsoport magyarországi kutatás-fejlesztési központja által létrehozott Meter Data Management System (MDMS) egy olyan szoftver, amely az okosmérőórák és egyéb az elosztóhálózatra telepített okoseszköz által rögzített adatok alapján képes az anomáliák feltárására, ezzel támogatva a hálózatok megbízhatóságának növelését. Az alkalmazás már 5 éve működik éles üzemben Ausztriában, ahol közel 1 millió mérőóra adatait kezeli, majd Svájcban is bevezetésre került. Hamarosan hazánkban is megjelenik.

Miért fontos a megbízhatóság?

„Ha áram van, minden van” – hangzik a mondás, ami remekül leírja, hogy milyen mértékben építenek a mai szolgáltatások az elektromos áram elérhetőségére. Minden családban elhangzott már a következő: „Nincs áram, nem tudok dolgozni... sebaj, akkor nézek TV-t... oh....”. Bizony, áram nélkül már nehezen élnénk, és az még nem is széles körben ismert, hogy a legnagyobb áramfelhasználók a vízszolgáltatók, hiszen a szivattyúk működtetéséhez természetesen szintén áram kell. Így tehát még a vezetékes víz elérhetősége is csak akkor valósulhat meg, ha a városok energiaellátottsága állandóan biztosítva van.
Nem nehéz elképzelni, hogy milyen károkat okoz egy-egy áramkimaradás a termelés, illetve szolgáltatások kiesése által. Mindenki számára fontos tehát, hogy az elektromos áram stabilan elérhető legyen, az áramszolgáltatások megbízhatósága magas legyen.

A megbízhatóság csökkenésének okai

Ha a kereskedelmi és üzemeltetésfelelősségi viszonyokat figyelmen kívül hagyjuk, az áram biztosításához két nagy terület együttműködése szükséges:

1. áramtermelés (erőművek által),
2. átvitel és elosztás (átviteli és elosztói hálózati rendszerirányítók által).

Noha a termelés területén is történnek jelentős fejlesztések, ezek elsősorban a hatékonyság és fenntarthatóság növelését célozzák, míg a megbízhatóság kialakításának módszerei már stabilak. Az erőművek egyedileg is biztosítják a magas megbízhatóságot, és mivel a magasfeszültségű átviteli hálózatokra számos erőmű van bekötve, jól kiegyensúlyozható a termelés országos, illetve régiós szinten.
A nehézséget ma már sokkal inkább az áram eljuttatása okozza a termelőhelyektől a fogyasztókig. Ez érinti a magas-, közép- és kisfeszültségű hálózatokat egyaránt. Áramkimaradás akkor történik, ha

• az áram „szállításában” résztvevő eszközök, berendezések meghibásodnak, tönkremennek,
• vagy ha valamely hálózatvédelmi mechanizmus indul be.

Ezeket kell tehát megelőzni a megbízhatóság emelése érdekében, illetve ha már nem sikerült megelőzni, a hatásukat kell csökkenteni.
A védelmi mechanizmusok akkor lépnek érvénybe, amikor a termelés és fogyasztás egyensúlya felborul (például ha hálózati túlterhelés történik a háztartási napelemek által egy váratlanul napos májusi délutánon). Ezek a mechanizmusok sokfélék, és különösen a napelemek gyors térnyerése által éppen fejlesztés alatt állnak világszerte. A téma különálló áttekintést érdemel, jelen cikkünk ezt nem taglalja, a továbbiakban a berendezések védelmével kapcsolatos módszerekről írunk.
Az eszközökkel, berendezésekkel kapcsolatos problémákkal több módon is érdemes foglalkozni:

• meghibásodások megelőzése – megfelelő adatok birtokában kimutathatók olyan környezeti, áram-, illetve feszültségjellemzők, amelyek az eszköz működését negatívan befolyásolják, megrövidítik élettartamát;
• a meghibásodás korai fázisának detektálása – a meghibásodott, vagy gyengülő kapacitású eszközök lokalizálhatók megfelelő adatok birtokában;
• ha a meghibásodás megtörtént, okosmérőkkel könnyen lokalizálható a hiba helye.

A megbízhatóság növelésének eszközei

Az okoshálózat és az okos-fogyasztásmérők olyan adatokat szolgáltatnak, amelyek új lehetőségeket nyitnak meg a közműszolgáltatók üzleti tevékenységében. Ezek az eszközök biztosítják az építőelemeket az üzemzavarokra való gyors reagáláshoz, az elosztó berendezések élettartamának maximalizálásához és az ügyfelekkel való kényelmesebb kapcsolattartáshoz.
Az okoseszközökből áramló adatok feldolgozása elsődlegesen MDMS rendszerekben történik meg. Az MDMS az okosmérési infrastruktúra legfelsőbb szintű eleme, amelybe az adatok a végponti okosmérőórákból, a választott kommunikációs eszközökön és az azokkal való kommunikációt kezelő központi ún. Head-end rendszeren keresztül jutnak el (lásd 1. ábra).
Amikor valamivel több mint egy évtizeddel ezelőtt kitalálták a tömegesfogyasztás-mérésre szolgáló MDM-rendszereket, azok alig jelentettek többet, mint egy mérőadatok tárolására szolgáló tárolóhely, központi gyűjtőhely és az összes mérőadat központi nyilvántartási rendszere. Ma az MDM-rendszerek továbbra is központi gyűjtőpontként szolgálnak, de ezek a korai rendszerek fejlődtek, és a közműszolgáltatók átfogó elemzési stratégiájának részévé váltak.

1. ábra Mérési infrastruktúra felépítése

Az elemzési stratégiában a legértékesebb MDM-rendszerek azok, amelyek minden nap minden leolvasott mérőórát validálnak, hogy aktuális, megbízható adatokat szolgáltassanak a szomszédos megoldások számára. Az MDM-rendszereknek könnyen összekapcsolhatóknak kell lenniük a szomszédos rendszerekkel. Az MDM-megoldások központosított és összekapcsolt jellege lehetővé teszi a közüzemi részlegek számára, hogy hozzáférjenek a legfontosabb adatokhoz, használatra kész formátumban, hogy teljesíthessék a részleg feladatát: pontos számlázási adatok a számlázási részleg számára, valós idejű használati adatok az ügyfélszolgálati képviselők számára és időben rendelkezésre álló üzemszüneti információk a hálózatüzemeltetők számára.
Az adatok sokrétűek, így sokféle probléma mutatható ki azokból közvetlenül és egymással összevetve is.

2. ábra Mérési adatok megjelenítése MDMS-ben

Az ellátásbiztonság növelése céljából az alábbi adatok alakulásából nyerhetünk információt:

• maximummutató (más néven maximálisteljesítmény-mérő vagy csúcsmérő),
• meddő teljesítmény,
• látszólagos teljesítmény,
• teljesítménytényező (cos φ).

A maximummutató felfutó értéke fontos információkat nyújt az energetikai rendszer szempontjából. A maximummutató felfutó értéke az az időszakos csúcs, amelyet a rendszer teljesítményének mérésére használnak, és az alábbi területeken ad felvilágosítást:

• csúcsterhelés: a maximummutató felfutó értéke megmutatja, hogy mikor és milyen mértékben lép fel csúcsterhelés a rendszerben. Ez segít az energiaszolgáltatóknak és a rendszerüzemeltetőknek az energiaigények pontosabb előrejelzésében és az energiarendszerek megfelelő méretezésében;
• terheléselosztás: a maximummutató értéke segít a terheléselosztás optimalizálásában, biztosítva, hogy a terhelés egyenletesen oszlik el a rendszer különböző részei között. Ez megelőzheti a túlterhelést és az esetleges áramkimaradásokat;
• dinamika és stabilitás: a rendszer dinamikus viselkedésének és stabilitásának értékelésére is szolgál. A felfutó értékek elemzése segíthet azonosítani azokat az időszakokat, amikor a rendszer leginkább ki van téve instabilitásnak vagy zavaroknak, lehetővé téve a proaktív intézkedéseket a stabilitás fenntartására;
• szabályozási stratégiák: a maximummutató által szolgáltatott adatok lehetővé teszik a fejlettebb szabályozási stratégiák alkalmazását, mint például a keresletoldali szabályozás (demand-side management), ahol a csúcsidőszakokban csökkentik a fogyasztást különböző ösztönzők és technológiai megoldások alkalmazásával.

A meddő teljesítmény kezelése és optimalizálása kritikus a rendszer hatékonyságának és stabilitásának fenntartása szempontjából. Az ilyen típusú teljesítmény figyelemmel kísérése segíthet azonosítani és orvosolni a reaktív terhelések okozta problémákat:

• feszültségszabályozás: a meddő teljesítmény segít fenntartani a megfelelő feszültségszintet a rendszerben. A reaktív teljesítmény ingadozásai feszültségingadozásokat is okozhatnak, ami befolyásolhatja a rendszer stabilitását és megbízhatóságát;
• berendezések terhelése és élettartama: a meddő teljesítmény magas szintjei növelhetik a berendezések terhelését és csökkenthetik azok élettartamát. Az olyan eszközök, mint a transzformátorok és kábelek, nagyobb terhelésnek vannak kitéve, ami gyorsabb elhasználódást okozhat.

A látszólagos teljesítmény pillanatnyi értéke (VA-ban mérve) fontos információkat nyújt az energetikai rendszer működéséről és állapotáról. Íme néhány szempont, amelyet a látszólagos teljesítmény megvilágíthat:

• rendszerterhelés: a látszólagos teljesítmény segít megérteni a rendszer teljes terhelését. Ez fontos a megfelelő méretezéshez és a berendezések kapacitásának meghatározásához, például a transzformátorok, generátorok és kábelek esetében;
• teljesítménytényező: a látszólagos teljesítmény és az aktív teljesítmény aránya meghatározza a teljesítménytényezőt (cos φ). A teljesítménytényező javítása (például kapacitív kompenzációval) csökkentheti a látszólagos teljesítményt, javítva ezzel a rendszer hatékonyságát és csökkentve az energiaveszteséget;
• berendezések terhelése: a látszólagos teljesítmény pillanatnyi értéke segít megérteni a berendezések, például generátorok, transzformátorok és kábelek valós terhelését. Ez fontos a berendezések méretezéséhez és az optimális működés biztosításához.

A teljesítménytényező (cos φ) pillanatnyi értéke kritikus mutató az energetikai rendszer hatékonysága, stabilitása és költséghatékonysága szempontjából.

• A rendszer stabilitása: a teljesítménytényező pillanatnyi értéke segíthet azonosítani a rendszer stabilitásával kapcsolatos problémákat. A nagyon alacsony vagy ingadozó teljesítménytényező instabilitást okozhat, ami befolyásolhatja a rendszer megbízhatóságát és a feszültségszabályozást.
• A berendezések élettartama: az alacsony teljesítménytényező növelheti a berendezések, például motorok, transzformátorok és vezetékek terhelését, ami csökkentheti azok élettartamát és növelheti a karbantartási költségeket.

A felhasználás jövője

Az energiaelosztás jövőjét a technológia folyamatos fejlődése és a fogyasztói igények változása fogja alakítani. A mesterséges intelligencia és a gépi tanulás jelentős szerepet fog játszani a hálózati műveletek optimalizálásában és a keresleti minták pontosabb előrejelzésében. Emellett a mikrohálózatok és a közösségi alapú energetikai kezdeményezések fejlődése várhatóan további decentralizációt és rugalmasságot fog eredményezni az energetikai infrastruktúrákban.
Összefoglalva, az energiaelosztás jövője az intelligens hálózati technológiák bevezetésében rejlik. Az innováció felkarolásával és a modern hálózati infrastruktúrába való beruházással megbízhatóbb, hatékonyabb és fenntarthatóbb energia-ökoszisztémát hozhatunk létre az elkövetkező generációk számára.

Szerző: Óvári Szilárd, R&D igazgató, Sagemcom Magyarország Kft.