Smart distribuční sítě a chytrá měření
13. 3. 2019 | doc. Ing. Ladislav Pospíchal, CSc. | www.e-mega.cz
Pojetí smart distribučních energetických sítí se koncentruje na oblast funkcí, silnoproudé technologie, změny ve spotřebě, rozvoj IT a bezpečnostní problematiku. Také měření bude muset projít revizí současných metod a postupů.
Z hlediska konfigurace je i v energetických objektech zřejmé, že centralizace s hvězdicovým připojením klasických měřicích transformátorů napětí i proudů je náročná na prostor, nákladná při instalaci a nepřehledná při provozu. Jako příklad lze zvolit rozváděč nn transformační stanice se statisticky průměrnými šesti nn vývody, které v prostředí diferencované spotřeby a rozptýlené výroby budou muset být zahrnuty do koncepce smart sítí. Pro přívod 6× 3 měřených fázových proudů se jmenovitou hodnotou 1 A je zapotřebí celkem 36 vodičů o průřezu 1,5 mm2. Pro přívod 6× 3 měřených napětí za pojistkou nn vývodu je třeba celkem osmnáct vodičů dimenzovaných pro efektivní střídavé napětí 230 V. Při průměrné vzdálenosti 1,5 m mezi přístrojovými transformátory a centrální měřicí jednotkou umístěnou v konstrukčně samostatné měřicí skříni se spotřebuje vodič v délce 81 m ve svazku o souhrnném průměru přes 20 mm. Dále bude ve skříni třeba 54 rozměrově i cenově nezanedbatelných svorek. V sekundárních obvodech měřicích transformátorů na hladině nn je nutné počítat s potřebou zkratování. V obvodech nn je třeba dodržet povrchovou a vzdušnou vzdálenost 5,5 mm mezi fázovými napětími a zemí, splňující požadavky CAT IV 300 V.
Při decentralizaci měření samostatnými měřicími jednotkami s komunikačními rozhraními, které jsou umístěny v blízkosti měřených obvodů, lze měřicí jednotky propojit komunikační sběrnicí realizovanou komunikačním kabelem a napájecím kabelem s konektory, jejichž robustnost je určena pracovním prostředím. Na objem, cenu a přehlednost propojovacího materiálu je toto pojetí jednoznačně výhodnější. Problematika propojování se přesouvá z extenzivní formy řešení na kvalitativně vyšší sběrnicovou konfiguraci, která je navíc flexibilní a otevřená pro instalaci přístrojů různých výrobců.
I při decentralizované koncepci měření je nutné kalkulovat s rozdílnou dobou zastarávání silnoproudé a slaboproudé techniky. Doba provozování silových zařízení se bude spíše blížit době fyzického zastarání, zatímco měřicí a komunikační zařízení budou spíše stárnout morálně. Aby se význam tohoto rozdílu co nejvíce zmírnil, je vhodné v číslicové části měřicích zařízení použít komponenty s dostatečnou výkonovou a paměťovou rezervou. Ty umožní aktualizaci metod měření a zpracování i archivaci změřených hodnot včetně vyhodnocených výsledků v místě měření. Používané komponenty a technologická řešení analogových částí měřicích zařízení pravděpodobně nebudou vystaveny kvalitativní změně. Přesnosti měření nízkého napětí pod 0,1 % a měřicího řetězce proudu pod 0,2 % ve frekvenčním pásmu do 100. harmonické dosahují i současná cenově, prostorově i energeticky přijatelná měřicí zařízení.
Klasické přístrojové transformátory proudu mají standardizovaný sekundární proud 1 A nebo 5 A. To vyžaduje značné průřezy vodičů: 1,5 nebo 2,5 mm2. Pro chytré řešení senzorů proudu není nutné počítat s klasickými elektromechanickými měřicími přístroji, které ke své funkci vyžadují výkony řádově jednotek wattů. Elektronické měřicí přístroje představují na svých měřicích vstupech zátěž o dva řády menší.
Obr. 1. Kompaktní monitor MEg70
Aby bylo možné i za provozu, bez nebezpečí ztráty přesnosti měření, rozpojit sekundární proudové obvody, je třeba proudové transformátory vybavit elektronickou ochranou. Tuto ochranu lze navrhnout jako nízkoztrátovou i pro vysoké nadproudové číslo, čímž se dosáhne malých ztrát i při dlouhodobém rozpojení sekundárního obvodu a zajistí se spolehlivá funkce při zkratech.
U napěťových transformátorů je třeba mít na paměti, že napětí 100/√3 V je napětí nebezpečné. To je zřejmé při přímém měření nízkého napětí. Přesto se vyskytují požadavky a řešení, kdy je nízké napětí vedeno do měřicí skříně, která se považuje za bezpečnou. Z bezpečnostního hlediska jde o nezanedbatelnou komplikaci, zvláště při měření v distribučních transformačních stanicích. Ve smyslu chytrého měření je vhodné nízké napětí v místě měření převést na velikost jednotek voltů, kterou lze přesně měřit i běžnými měřicími přístroji navrženými s dostatečným potlačením souhlasného a sériového rušení. Tato chytrost tak ekonomicky výhodně nahrazuje historickou robustnost.
Zvláštní pozornost si zasluhuje problematika zajištěného napájení měřicích a komunikačních přístrojů v distribučních sítích. Pro měřicí a komunikační zařízení dálkově měřených a ovládaných stanic s rezervou postačuje napájení se jmenovitou hodnotou stejnosměrného napětí 12 V, pro které je dostačující jeden akumulátor. Sortiment 12 V akumulátorů je ve srovnání s 24 V akumulátory podstatně bohatší. Jestliže se uvažuje o dálkové manipulaci, v současnosti se z důvodu výkonu použitých elektromotorů používá stejnosměrné napětí 24 V. Výhodnější by však pro tento případ mohlo být použití ještě vyššího stejnosměrného napětí. To se ale nepoužívá, protože i současná dvojice běžně používaných dvou 12 V akumulátorů zapojených do série je rozměrná, hmotná a citlivá na poruchu jednoho z dvaceti sériově zapojených článků. Chytré by však bylo použití DC/DC měničů z napětí 12 V využívaných i v jiných oblastech průmyslu. Napájecí napětí měřicích přístrojů s příkonem jednotek voltampérů lze snadno realizovat v rozsahu stejnosměrných napětí 10 až 30 V, v důsledku čehož otázku napájecího napětí 12, nebo 24 V pro měřicí přístroje není nutné řešit okamžitě. K diskusi je otázka bezúdržbových akumulátorů a rozvíjejících se lithiových baterií.
Obr. 2. Souprava monitoru vývodu MEg71
V oblasti napájení měřicích přístrojů nelze opomenout hledisko měření i v době přerušení napětí. Především na hladině nn je informačně významný průběh napětí a proudů při přerušení napětí a při aktivaci funkce opětovného zapnutí. Potřebnou energii k měření na nn vývodech po dobu 5 s a při měření kvality napětí po dobu 1 min lze skladovat v superkapacitorech zdroje měřicího přístroje.
Složitější situace je při řešení napájení prostředků dálkové komunikace, kdy se v opodstatněných případech dálkového ovládání nebo dohledu požaduje zajištěné napájení po dobu až 8 h. Takový objem elektrické energie lze zatím rentabilně skladovat pouze v akumulátorech. Z důvodu efektivního využití energie akumulátoru je vhodné, aby zdroj zajištěného napájení měl dva nebo více napájecích výstupů. Výstup nejvyšší priority je určen k napájení komunikačních zařízení a výstupy nižších priorit řízené procesorem jsou určeny k napájení měřicích a dalších systémově méně významných funkcí. Procesor zdroje zajištěného napájení může monitorovat objem akumulované elektrické energie a při jejím poklesu pod stanovenou hranici může zdroj prostřednictvím komunikačních prostředků informovat o přechodu na úsporný provoz.
Na základě uvedených úvah jsou navrhovány měřicí přístroje společnosti MEgA – Měřící Energetické Aparáty, a. s.
Vyšlo v časopise Elektro č. 3/2019 na straně 56.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.