Okos energiaelosztó rendszerek a gyakorlatban – Olmatic Solutions powered by Endrich

Az energia a természettudomány és mindennapjaink meghatározó fizikai fogalma – fizikai, kémiai és biológiai rend­szerek változatos formában, mozgási energiaként, elektromos energiaként, kémiai energiaként hasznosítják.

Az energiaátalakítók – mint az emberi test, az élőlények általában, az ember készítette eszközök, például a villamos motorok, transzformátorok, akkumulátorok – az energia egyik formáját másikká alakítják, mindeközben sajnos veszteségeket termelnek, amely egy újabb energiafajta (általában hőenergia) formájában jelenik meg. Az energiamegmaradás jól ismert törvénye szerint zárt rendszerben az összes energia mennyisége állandó marad, ugyanakkor fontos a hasznosíthatatlan energia mennyiségét – ami veszteségként értékelhető – csökkenteni, a rendszer „hasznosságát”, azaz hatásfokát növelni. A zárt rendszer számára rendelkezésre álló és a rendszerek működéséhez pillanatnyilag igényelt energia csak úgy alakítható jó hatásfokú egységgé, ha az energiaelosztást a dinamikus priorizálás, méghozzá a megfelelő időben való rendelkezésre állás elvét figyelembe véve, intelligens módon valósítjuk meg. A természet megteszi ezt magától, például az emberi test működtetésekor, a mai kor mérnökeinek feladata, hogy ezt átültessék a technológia világába is, és a villamos energiaelosztó-hálózatok (smart grid), mind a mikroközösségekben (smart home, smart factory), mind pedig az egyes villamos készülékekben is hasonló intelligens energiaelosztást valósítsanak meg. Írásunkban egy lehetséges megoldást, a német Olmatic cég mesterségesintelligencia-alapú energiaelosztó rendszerét mutatjuk be, amelynek bevezetése Európában az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH támogatásával történik, ez utóbbi budapesti fejlesztőközpontja látja el a hardverfejlesztési feladatok egy részét is.
Az intelligens energiaelosztó rendszerek egyik legalapvetőbb példája az emberi test és az ezt alkotó szervek egysége, amit az alap-ellátórendszer, a vérkeringés lát el a működéshez szükséges oxigénnel és tápanyagokkal, kommunikációs hálózatként pedig az idegrendszer szolgál, amely a rendszer teljes felügyeletéért és vezérléséért felel. A kémiai energiaként bevitt és tárolt energia elosztását intelligens módon kell megoldani, mert ez a pillanatnyilag rendelkezésre álló véges energia kell, hogy kiszolgálja az alap-életfunkciók mint szívverés, légzés, agyműködés, emésztés felett például a test izmainak és minden szerv működésének az energiaigényét is. A központi idegrendszer a test „szenzorait” figyelve, azok értékeit valós időben folyamatosan kiértékelve empirikus adatok alapján hozza meg a döntését arról, hogy milyen frekvenciával verjen a szívünk, esetlegesen mely szervek vérellátását korlátozza mások javára, illetve extrém körülmények közé kerülve mennyi vért pumpáljon például a nagyizmokba, és milyen mértékben csökkentse az ujjbegyekbe áramló vér mennyiségét. A dinamikus energiaeloszlást anyagcserénk ezen prioritások mentén a lehető leghatékonyabban és a legkevesebb veszteséggel végzi.

Ennek analógiájára, a helyi elektromos tápellátásra mind lakossági, mind ipari felhasználók számára hasonló funkcionalitást kínál az Olmatic Energiakövető Rendszer (Olmatic Power Tracking – OPT). A központi vezérlőegység mesterségesintelligencia-alapú számítógépe a központi idegrendszerhez hasonló módon végzi a pillanatnyilag elérhető összes energia elosztását a helyi fogyasztók között – az előre felállított prioritások szerint – azok okostápegységeivel való kommunikáció útján. Egyes alrendszerek leszabályozásra kerülnek, miközben az itt felszabadult energiakvóta más alrendszerek pillanatnyilag megnövekedett energiaigényének kiszolgálására fordítható, ezzel biztosítva az elérhető legmagasabb hatásfokot (1. ábra).

1. ábra Intelligens energiamenedzsment

A hagyományos energia­menedzs­ment-rendszerekkel szem­ben az OPT rendelkezik egy az emberi test vérkeringéséhez hasonló, a Smart Grid tápellátás szintjén működő há­lózattal is, amin keresztül folyamatos teljesítményszabályozásra van lehetőség. A konvencionális megoldások (2. ábra) csak be- és kikapcsolási utasításokat képesek adni a kommunikációs hálózaton keresztül („központi idegrendszer”) egyes szegmensek számára, az itt felszabaduló energia nem hasznosul, az alrendszer minden eleme tápellátás nélkül marad, ami biztonsági kockázattal járhat, és káoszhoz vezethet.

2. ábra Hagyományos energiamenedzsment

Ilyen megoldás az „okosotthon” koncepcióhoz kifejlesztett rádiófrekvenciás jellel kapcsolható dugaszolóaljzat. Sokkal biztonságosabb a ki-bekapcsoló típusú vezérlés helyett a priorizált dinamikus teljesítményszabályozás, ami a fogyasztók relevanciájának és időbeli energiaszükségletének eltolásán alapuló elosztást valósítja meg, és maximálisan kihasználja a rendelkezésre bocsájtott kvótát, míg a felszabaduló energiamennyiséget átirányítja más szegmensekbe. A 3. ábrán magyarázatként és illusztrációként egy kórház intelligens OPT-alapú energiaellátó rendszerének vázlata látható. A zöld vonalak a váltakozó áramú villamos hálózatot jelképezik, a piros vonalak a rendszer kommunikációs hálózatát mutatják. Az Olmatic opt.control eszköz a központi vezérlőegység és gateway, feladata a digitális hálózati réteg kiszolgálása a kommunikációs szinten (piros vonal), kapcsolat a felhőalapú adatbázissal az Interneten keresztül, valamint a mesterségesintelligencia-szoftver futtatása, továbbá az okosmérés megvalósítása a tápellátás szintjén (zöld vonal). Ez az eszköz felel az opt.sense teljesítményérzékelő szenzoregységek által szolgáltatott adatok kiértékeléséért, a monitorozásért, az adatmentésért, valamint a hardveres és szoftveres védelemért, és kiszolgálja a hálózatba kapcsolt Olmatic „universal” tápegységeket (opt.power) is. Ez utóbbiak a teljesítmény és a terhelés menedzselését a tápellátás szintjén megvalósított digitális hálózati kommunikációval teszik lehetővé.

3. Intelligens OPT-alapú energiaellátó

A rendszer mind a hagyományos erőművi energia, mind az újratermelődő energia (pl. napenergia) elosztását képes támogatni az öt alapvető funkció integrálásával:

• Dinamikus terheléseltolás: ez a funkció lehetővé teszi a nagy energiafelhasználású, azonban kis prioritással rendelkező fogyasztók energiaigényének kiszolgálását azok időbeli eltolásával olyan időszakokra, amikor a hálózat nem túlterhelt. Ilyen példa a kórházban az elektromos tolókocsik töltésének kérdése, ami nyugodtan áttehető a nyugodtabb éjszakai időszakra.
• Specifikus ki- és bemenetek dinamikus priorizálása: ezzel a funkcióval szoftveresen beállítható egy prioritási sorrend az egyes ki- és bemenetek teljesítményének korlátozására, esetleg azok ki- és bekapcsolására. Bemenetek esetén ilyen lehet a további napelemek igény szerinti bekapcsolása, akkumulátoros táplálásbekapcsolása, esetleg igény szerint a hagyományos hálózatból további energiavételezés. Kimenetek vonatkozásában a legalacsonyabb prioritással rendelkező eszközök teljesítménykorlátozásával vagy kikapcsolásával további energia irányítható át a fontos eszközök számára a rendelkezésre álló kvótából, ezzel is biztosítva a veszteség minimalizálását és a hálózat jó kihasználását. A kórházi példánál maradva a PRIO1-es életmentő monitorok és készülékek mindig elegendő energiához jutnak, lehetőség szerint a világítás (PRIO3) és a fűtés (PRIO2) megtartásával, akár a biztonsági kamerarendszer (PRIO4) és a tolókocsi-akkumulátor töltésének (PRIO5) rovására is.
• Specifikus ki- és bemenetek dinamikus teljesítménykorlátozása: egyes fogyasztók direkt és teljes kikapcsolása nem mindig alkalmazható energiamegtakarítási céllal, elsősorban olyan alkalmazások esnek ebbe a körbe, amelyek valamilyen folyamatos igényt elégítenek ki, mint például vagyonvédelmi megfigyelőrendszerek, utcai világítás vagy járműtöltés. Ilyen esetekben általában elegendő a rendelkezésre álló teljesítmény prioritások mentén történő korlátozása is, gondoljunk csak az utcai lámpák egyes időszakban indokolható leszabályozására, e-autók töltőinek „lassítására”, hiszen sok esetben elég idő áll rendelkezésre, hogy ne kelljen a gyorstöltési funkciót használni.
• Specifikus ki- és bemenetek dinamikus ki- és bekapcsolása: bemenetek esetén a gyakorlatban azt jelenti, hogy például megújuló energiaforrások rendelkezésre állása esetén (szél vagy napsütés jelenlétekor) ezeket a generátorokat bekapcsolva függetleníthetjük a fogyasztókat a hálózati tápellátástól, azt megtarthatjuk a kritikus rendszerek, mint például közlekedési lámpák számára. Könnyen megoldható akkumulátoros vésztáplálás rendszerbe integrálása is. Kimenetek esetén a korábban bemutatott priorizálás alapján egyes rendszerek szenzorok szolgáltatta adatok alapján kikapcsolhatók, példa erre az utcai világítás kikapcsolása mozgásérzékelők jelének figyelembevételével. Az Olmatic eszközök segítségével ez is könnyen megoldható.
• A meglévő energia dinamikus átirányítása: a fenti alapfunkciókkal elért energiamegtakarítás decentralizált energiaellátási rendszerek közötti innovatív megoldásokkal lehetővé tett átirányítása teszi hatékonnyá a folyamatot. A teljesítmény szabályzásakor felszabaduló energia hő formájában veszteségként távozna, ha nem gondoskodnánk annak más felhasználók számára történő aktív felhasználásáról.

Eszközök az intelligens energiaelosztás megvalósítására

Az Olmatic Power Tracking rendszer fő komponensei a központi vezérlőegység (opt.control), az áram- és feszültségviszonyok érzékelését végző okosszenzor (opt.sense) és az univerzális energiamenedzsment-modul (opt.power).

<>OPT.CONTROL

Az opt.control központi egység és okosmérő egy egyedileg készített moduláris felépítésű szerkezet, ami az OPT rendszer struktúrájában a mesterséges intelligencia. A szoftver az idő előrehaladtával tanul, az empirikus adatok rendszerbe foglalásával, és hasonló applikációkban tapasztaltakkal összevetve valós időben analizálva adja ki a parancsokat a kommunikációs hálózaton keresztül. Az áramfelvételeket folyamatosan figyelve, az adatokból valószínűsíthető terhelési csúcsok figyelembevételével határozza meg az energiamenedzsment-modulok számára szükséges vezérlési és szabályozási feladatokat. Beépített szünetmentes tápegységgel, beágyazott számítógéppel rendelkezik, védett távoli hozzáférési pontot ad a távfelügyelet számára.
Ez a plug & play és platformfüggetlen Olmatic Gateway intelligens vezérlőközpont a digitális energiavilág jövője, és megteremti az összes alrendszer platformfüggetlen hálózatát. A nyílt ipari szabványok használatával átfogó kommunikációt tesz lehetővé a felhasználók eszközei és a felhőinfrastruktúra között. A mélytanulási algoritmusokkal felvértezett mesterséges intelligencia alkalmazásával a felhasználó saját rendszere megtanulja az optimális energiaigény biztosítására szükséges lépéseket.
Interfészek: Ethernet/IP, WLAN
Kommunikációs protokollok: TCP/IP, OPC UA, MQTT,
OCPP, ...
Az opt.control összeköti egymással az energiafogyasztókat, valamint a rendelkezésre álló energiaforrásokat és a helyi energiatárolókat, valamint tárolóplatformokat (gyártó­függetlenül), és a vezetéknélküli szenzorok bevonásával valós időben biztosítja az összes energiaparaméter maximális átláthatóságát. Ez az IoT „edge gateway” az Olmatic IoT Cloudhoz fejlesztett interfészen keresztül képezi a kapcsolatot az ügyfél helyszíni rendszere és az intelligens Olmatic IoT Cloud között, amely a paraméterek megjelenítésére szolgáló intuitív, grafikus felületen túl a dinamikus és automatikus terheléskezelést is biztosítja a beágyazott, speciálisan kifejlesztett mélytanulási algoritmusok útján. Ezen az IoT peremátjárón keresztül – a fogyasztói és forrásoldal, valamint az Olmatic IoT Cloud között – létrejövő kétirányú kapcsolat lehetővé teszi a maximális átláthatóság és teljes funkcionalitás megteremtését, az optimalizálási lehetőségek elemzésétől kezdve egészen a dinamikus és automatikus terheléskezelés megvalósításáig.
Az „Olmatic IoT Cloud Infrastructure” a központi vezérlő- és felügyeleti központ az összes Olmatic IoT Edge eszköz számára. Minden eszköz automatikusan regisztrálásra kerül, és ellátva a megfelelő szoftvermodulokkal, beleértve a saját adatbázist is, a szoftver- vagy licencfrissítések gond nélkül futnak a digitális iker eszközökön keresztül. Az Olmatic innovatív frontend/user interfész lehetővé teszi az összes adat megjelenítését, és hozzáférést biztosít a háttérprogramokhoz a rendszer és az egyes munkafolyamatok konfigurálására.

A kifinomult biztonsági rendszer átfogó védelmet nyújt a felhasználó minden adata számára.

Funkciói:

• Egyedi kialakítású moduláris felépítésű központi vezérlőegység
• Platformfüggetlen
  • Támogatja az ismert ipari buszrendszereket és interfészeket
  • Szabványos ki- és bemenetekkel rendelkezik
  • Szabványos kommunikációs protokollok alapján működik
  • AC és DC tápellátást egyaránt támogat
• Egyedi házkialakítás, IP védelem
• Az energiarendszer kommunikációs szintjén valósít meg digitális hálózatkezelést
• Mesterségesintelligencia-szoftver központi, titkosított felhőalapú adatbázissal
• Okosmérő
• Távoli hozzáférés vezérléshez, monitorozáshoz, szabályzáshoz
• Átlátható helyi energiaelosztó rendszer
• Beépített szünetmentes táplálás
• Integrált óra (RTC)
• Idő- és eseményvezérelt rendszer
• Integrált WatchDog

<>OPT.POWER

Az univerzális energiamenedzsment-modul (opt.power) nem­csak egy intelligens tápegység, hanem képes az energiaellátó há­ló­zat (smart grid) szintjén, valamint szabványos kommunikációs hálózaton keresztül (CAN, KNX) az opt.control egy­­sé­gekkel történő kommunikációra és intelligens teljesítmény- és terhelésszabályozásra is.
Az ipari környezet megbízható tápellátására tervezett opt.power termékportfólió a termékek széles skáláját kínálja, és a kiváló minőségű AC/DC tápegységektől az integrált UPS-sel ellátott tápegységekig terjed. Az integrált energiagazdálkodási folyamatok lehetővé teszik az egyes kimenetek programozását és vezérlését a mellékelt szoftver segítségével. Például a kimenetek szabályozhatók, ki-be kapcsolhatók, vagy a meglévő energiatartalékok más kimenetekhez rendelhetők. Az Olmatic IoT Cloudhoz való intelligens kapcsolódás útján generált optimalizálási potenciál automatikusan, intelligens módon és valós időben realizálható.

Funkciói:

• Moduláris felépítésű energiamenedzsment-modul
• Platformfüggetlen
• Feladatspecifikus IC (ASIC)
• Digitális hálózat megvalósítása a tápellátás szintjén
• Tápegység teljesítmény- és terhelésszabályozása
• Folyamatos teljesítményszabályozás és a megtakarított energia intelligens elosztása

<>OPT.SENSE

A platformfüggetlen opt.sense a vezeték nélküli érzékelő technológiának köszönhetően számos felhasználási lehetőséget kínál, és garantálja a maximális átláthatóságot. Akár új telepítés vagy utólagos felszerelés – ezek az intelligens energiagyűjtő érzékelők egyszerűen integrálhatók a rendszerbe, és vezeték nélkül csatlakoztathatók intelligens vezérlőegységükhöz (opt.control). Az alkalmazott vezeték nélküli kommunikációs technológia lehetővé teszi az átfogó hálózati infrastruktúra működtetését valós időben.
Interfész/kommunikációs protokoll: WiFi
Az opt.sense termékportfólió vezeték nélküli szenzortechnológiája lehetővé teszi, hogy az energiamenedzsment-rendszer valós idejű adatokat gyűjtsön az összes releváns energiaparaméter bevonásával minden fogyasztóról, forrásról és energiatároló eszközről. Karbantartásmentes plug & play termékként könnyen és egyszerűen alkalmazható a megfelelő mérési pontokon minimális szerelési ráfordítással, speciális szerszámok szükségessége nélkül. Az érzékelők nagyon rövid időn belül automatikusan csatlakoznak az opt.control-hoz, és azonnal rendelkezésre állnak a vonatkozó energetikai paraméterek. Ily módon maximális az átláthatóság.
Az energetikai paraméterek rugalmasan beállíthatók és bővíthetők. A klasszikus paraméterek mellett, mint a teljesítmény, az áramerősség és a feszültség, az Olmatic érzékelők számos egyéb paramétert is szolgáltatnak, mint például a fázisfrekvencia, a nullátmenet ideje, a jelalakelemzés, hatásos és meddő teljesítmény. Az ügyfelek számára nemcsak az energiahatékonyság növeléséhez szükséges paraméterek állnak rendelkezésre, de számos más jellemző is, amik a készülékek esetleges meghibásodására, szokásos működéstől való eltérésekre figyelmeztetnek, és a megelőző karbantartást teszik lehetővé, ezzel növelve az üzembiztonságot is.
Az opt.sense a mérési pontokhoz bonyolult kábelezés nélkül csatlakozik, így a telepítési ráfordítás nagyon alacsony. A mérőfejeket egyszerűen a fázisvezetékekre kell csiptetni és a kommunikációs eszköz csatlakoztatása után az automatikusan rögzíti a vonatkozó energiaparamétereket. A vezeték nélküli szenzortechnológiával való kombináció karbantartásmentes alkalmazást tesz lehetővé a digitális ökoszisztéma területén.
Mivel az OPT koncepció mindig egyedi kialakítást és skálázást igényel, a bevezetése komoly előzetes konzultációt, felmérést kíván. Az OPT használható a smart-grid szintjén, az okosotthon megoldások részeként, az E-mobility területén és rengeteg más területen, ahol az energiafelhasználás optimalizálása fontos feladat.

Szerző: Kiss Zoltán okl. villamosmérnök,
Export Igazgató
Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com