ABC inteligentnych sieci

energetycznych –

wprowadzenie do tematyki

dr inż. Olgierd Małyszko

Katedra Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

ul. Sikorskiego 37

70-313 Szczecin

Toruń, 20-21.XI.2014 r.

Sieci elektroenergetyczne

Sieć elektroenergetyczna jest to zbiór linii

napowietrznych i kablowych oraz innych urządzeń

elektroenergetycznych takich jak: stacje, transformatory,

urządzenia kontrolne, pomiarowe, zabezpieczające itp.

przeznaczonych do przesyłania, przetwarzania i rozdziału

energii elektrycznej.

Inteligentna sieć elektroenergetyczna (ISE)

-- Smart Grid --

Jest to sieć elektroenergetyczna, która:

potrafi integrować zachowania i działania wszystkich przyłączonych do niej użytkowników (wytwórców, dystrybutorów, odbiorców),

w której istnieje dwukierunkowa komunikacja między wszystkimi uczestnikami rynku energii.

Jak na razie nie ma jednej powszechnie akceptowalnej definicji, sama koncepcja ewoluuje w czasie.

2006 r. – narodziny inteligentnych sieci, firma IBM przedstawiła rozwiązanie „Smart Grid”

Inteligentny pomiar

-- Smart Metering --

Jest to najważniejszy składnik ISE. W skład inteligentnego

systemu pomiarowego wchodzą:

• inteligentne liczniki,

• systemy komunikacyjne,

• aplikacje do gromadzenia, przechowywania, przetwarzania

i zarządzania danymi pomiarowymi.

Inteligentny pomiar

-- Smart Metering --

Cel:

• pomiar (wielu) parametrów energii,

• zbieranie informacji w czasie rzeczywistym,

• dwukierunkowy przepływ informacji.

Częściami tego systemu są:

• AMI (Advanced Metering Infrastructure ) – Zaawansowana

infrastruktura pomiarowa.

• MDM (Meter Data Management) – Oprogramowanie do

zarządzania danymi pomiarowymi.

• IHD (In-home display) - Wyświetlacz domowy.

Inteligentny licznik

• Rejestracja danych (moce czynne odbierane i produkowane,

moce bierne indukcyjne, pojemnościowe, produkowane,

odbierane, napięcia, cos(), U2, I2, harmoniczne, wartości

maksymalne, …).

• Zdalna konfiguracja licznika.

• Zdalny upgrade firmware.

• Rejestracja zdarzeń (otwarcie osłony, obecność silnego pola

magnetycznego, przerwy w dostawie energii, zanik zasilania w

fazie, itp.).

• Komunikacja dwukierunkowa.

• Opcjonalnie możliwość wyświetlania przez licznik informacji

dla konsumenta.

• Informacje dodatkowe.

Źródło: http://www.energa-operator.pl/25239.xml

Przykładowa struktura zaawansowanej

infrastruktury pomiarowej

Cel wdrażania ISE

Zwiększenie efektywności końcowego wykorzystania

energii dzięki zmianom technologicznym i gospodarczym,

oraz zmianom zachowań konsumentów energii.

Efektywność energetyczna: racjonalne wykorzystanie

energii w produkcji, usługach i gospodarstwach

domowych.

Cel wdrażania ISE

• Tworzenie przepustowej sieci przy minimalizowaniu wpływu na

środowisko.

• Zwiększenie wykorzystania zasobów.

• Zarządzanie i sterowanie rozpływami mocy tak, aby redukować straty

energii oraz zapotrzebowanie w szczytach obciążeń.

• Przyłączenie i zarządzanie OZE.

• Integrowanie i optymalizacja akumulatorów oraz samochodów w celu

magazynowania energii i redukcji obciążenia.

• Wykrywanie i izolowanie zakłóceń w sieci, szybkie przywracanie zasilania.

• Ukierunkowanie zachowań klientów w celu zmniejszenia obciążenia sieci i

optymalizacji wykorzystania zasobów.

Istota sieci:

• Czujniki są wszędzie i zapewniają stałe monitorowanie.

• Dwukierunkowy przepływ danych.

• Komunikacja w czasie rzeczywistym.

Co zrobić aby „nic nie robiąc” poprawić

efektywność wykorzystania energii

Przykład 1:

Mamy dwa odbiorniki zasilane napięciem U=230 V o mocy 2300 W (czyli pobierają prąd I =10 A

każdy). Załączamy odbiorniki najpierw razem a następnie po kolei. Czas pracy t=1 godzina.

Rezystancja linii zasilającej R=1Ω (dla łatwiejszej analizy wyników).

Wniosek:

Załączając odbiorniki po kolei a nie jednocześnie możemy znacznie zmniejszyć straty

przesyłowe (obecnie około 10% energii elektrycznej tracona jest w czasie przesyłu!).

Odbiorniki pracują

jednocześnie

Odbiorniki pracują

„jeden po drugim”

Energia pobrana

Energia stracona na

przesyle

Co zrobić aby „nic nie robiąc” poprawić

efektywność wykorzystania energii

Przykład 2:

15000

16000

17000

18000

19000

20000

21000

22000

00:1

5

01:0

0

01:4

5

02:3

0

03:1

5

04:0

0

04:4

5

05:3

0

06:1

5

07:0

0

07:4

5

08:3

0

09:1

5

10:0

0

10:4

5

11:3

0

12:1

5

13:0

0

13:4

5

14:3

0

15:1

5

16:0

0

16:4

5

17:3

0

18:1

5

19:0

0

19:4

5

20:3

0

21:1

5

22:0

0

22:4

5

23:3

0

P [

MW

]

Zapotrzebowanie mocy KSE w dniu 15-11-2014 r.

Szczyty obciążenia

= droga energia Dolina obciążenia

= tania energia

Źródło: http://www.pse-operator.pl

Wniosek:

Jeśli jest taka możliwość, to odbiorniki należy

włączać w czasie, gdy cena za energię jest najniższa.

Co zrobić aby „nic nie robiąc” poprawić

efektywność wykorzystania energii

Przykład 3:

Źródło: http://www.pse-operator.pl Przykładowe dane za cały 2008 r.:

Czas zapotrzebowania na moc powyżej:

• 25 000 MW wynosił 45 minut,

• 24 600 MW wynosił 3 godziny,

• 24 000 MW wynosił 12,75 godziny,

• 23 000 MW wynosił 116 godzin.

Wniosek: Wyłączenie szczytowego obciążenia przez 116 godz. w roku umożliwia

zmniejszenia obciążenia o ponad 2000 MW. Nie opłaca się budować elektrowni o

mocy ponad 2000 MW która pracowałaby jedynie 116 godzin w roku.

Zarzadzanie popytem

Zarządzanie popytem lub sterownie stroną popytową (DSM – Demand Side

Management) - jest to proces zarządzania zużycia energii przez odbiorców w celu

optymalizacji wykorzystania dostępnych mocy wytwórczych oraz planowania

budowy nowych.

Cele:

• Ograniczenie zużycia energii (oszczędzanie energii, stosowanie

energooszczędnych urządzeń)

• Wyrównanie krzywej obciążenia.

Sterowanie urządzeniami przez licznik

• Klimatyzacja – czy odbiorca się zgodzi?

• Ogrzewanie akumulacyjne.

• Pralki, zmywarki.

• Ochrona przed spadkami częstotliwości.

Zarzadzanie popytem

Taryfy:

• Płaska – jednostrefowa.

• Wielostrefowa.

• Taryfy z ceną krytyczną (w szczycie obowiązuje wysoka cena).

• Taryfa czasu rzeczywistego.

• Taryfy z wyłączaniem.

W umowie z odbiorcą zawarta jest klauzula, że odbiorca akceptuje

przerwy w dostawie części lub całości energii (wyłączanie odbiorcy w

czasie szczytu obciążenia)

Korzyści dla odbiorców energii

Wyświetlacz domowy

IHD (In-home display) (Źródło: PTPiREE- Studium wdrożenia

inteligentnego pomiaru energii elektrycznej w

Polsce )

• Wyświetlacz domowy umożliwia śledzenie na bieżąco danych na temat

cen energii, wielkości zużycia i płatności w danym okresie

rozliczeniowym.

• Umożliwia również sprawdzanie parametrów jakości energii

elektrycznej, a w razie ich niedotrzymania odbiorca może ubiegać się o

bonifikaty w płatnościach.

Korzyści dla odbiorców energii

Alternatywa dla wyświetlaczy IHD

Portal konsumencki

Alternatywą dla wyświetlaczy IHD może być stworzenie portalu konsumenckiego przez

strony www, gdzie każdy z odbiorców posiadałby swoje konto, na którym znajdowałyby się

wszystkie potrzebne informacje, związane poborem energii elektrycznej pomocne w jej

efektywniejszym zarządzaniu.

Źródło: http://www.energa-operator.pl/25241.xml

Korzyści dla odbiorców energii

Alternatywa dla wyświetlaczy IHD

Urządzenia mobilne

Aplikacja mobilna „Mój Licznik” umożliwia bieżące monitorowanie zużycia energii

elektrycznej. Użytkownik może sprawdzić zużycie prądu w domu z każdej zakończonej

doby, porównać, kiedy ta wartość była najwyższa oraz przekonać się, czy zużywa tyle

energii elektrycznej, co osoby korzystające z tej samej taryfy.

Aplikację udostępnia swoim klientom posiadającym liczniki zdalnego odczytu Energa-

Operator.

Można już pobrać z Google Play (na urządzenia z systemem Android) oraz AppStore(na

urządzenia z systemem iOS).

Źródło: http://www.energa-operator.pl/25241.xml

Korzyści dla odbiorców energii

Dzięki ISE odbiorca będzie miał możliwość:

• dostosowania taryfy rozliczeń do swojego dobowego profilu zużycia.

• efektywniejszego zarządzania poborem energii - włączanie

energochłonnych odbiorników w strefach czasowych o niższej cenie.

Aktualnie:

• Taryfa energii dla odbiorców indywidualnych (G11 ) nie skłania do

racjonalnego zużycia energii (brak stref czasowych).

• We wszystkich taryfach brak elastycznych stref czasowych.

Korzyści dla prosumentów

Prosument (producer + consumer) jest to odbiorca, który dysponuje

własnym źródłem energii, przeznaczonym w pierwszej kolejności na

zaspokajanie własnych potrzeb energetycznych, ale w przypadku

dysponowania nadwyżkami, może także energię dostarczać i

sprzedawać do sieci.

Źródło: http://www.deltaenergia.pl/mikrogeneracja-domowa/attachment/mikrogeneracja/

Korzyści dla prosumentów

Dzięki ISE będzie możliwość:

• funkcjonowania generacji energii z przydomowych źródeł

odnawialnych, oprócz produkcji energii na własne potrzeby będzie

możliwość sprzedaży energii do sieci (w zasadzie już jest taka

możliwość).

• przyłączania akumulatorów i świadczenia usług systemowych.

Obecnie:

• Problemy z przyłączaniem do sieci małych (przydomowych) źródeł

energii (konieczność podpisania stosownej umowy, konieczność

instalacji liczników do pomiaru energii produkowanej).

• Do niedawna (do 2013 r.) konieczność rozpoczęcia działalności

gospodarczej (w tym opłaty do ZUS-u).

Korzyści dla prosumentów

Generacja rozproszona (DG – Distributed Generation)

• Turbiny wiatrowe.

• Ogniwa fotowoltaiczne.

• Generatory na olej napędowy.

• Generatory na gaz.

• Ogniwa paliwowe.

• Małe elektrownie wodne.

• Biogaz.

• Biomasa.

• Energia geotermalna.

• Biopaliwo do pieców olejowych.

Inteligentny dom

• Posiada system czujników i detektorów oraz zintegrowany system

zarządzania wszystkimi instalacjami w budynku.

• Jest autonomiczny energetycznie, zdolny do przekazywania nadmiaru

wytwarzanej energii i traktujący sieć jako źródło rezerwowe.

• Dzięki inteligentnemu opomiarowaniu możliwym staje się samoczynne

ograniczanie poboru mocy (i energii) w okresach szczytowego

obciążenia bez naruszenia jakości życia mieszkańców

Inteligentny dom

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

120,0%

Energia wiatru

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

120,0%

Sty Lut Mar Kwi Maj Cze Lip Sie Wrz Paź Lis Gru

Energia słoneczna

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

120,0%

Zapotrzebowanie na

energię elektr.

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

120,0%

Zapotrzebowanie na

ciepło

Inteligentny dom

Przykład 4:

Mały dom/mieszkanie zużywa 2400 kWh energii elektrycznej rocznie.

Do wyprodukowania tej ilości energii potrzebny jest wiatrak o mocy:

(pomijam wszystkie straty w układzie zasilania)

Czyli wiatrak o mocy 1,37 kW wyprodukuje w skali roku potrzebną ilość

energii ale… nawet przy pełnej mocy (zdarza się to rzadko) nie zasili np.

pralki (moc ok. 2 kW).

Konieczne jest:

• albo przewymiarowanie wiatraka,

• albo akumulacja energii (bardzo podnosi koszty eksploatacji),

• albo… przyłączenie do sieci (ale wtedy to nie jest układ

autonomiczny).

Inteligentny dom

Przykład 5: (Akumulacja energii)

10 mln samochodów, w każdym jest akumulator 12V 60 Ah 540 A.

Moc wszystkich akumulatorów:

Dla porównania moc wszystkich elektrowni w Polsce to ok. 35 GW

Energia zgromadzona w akumulatorach:

Dla porównania jest to ilość energii jaką zużywa średnio ok 16,5 mln

ludzi w Polsce w ciągu jednej godziny. (uwaga: w rzeczywistych warunkach z akumulatorów można pobrać dużo mniej energii niż w przytoczonych

przykładach)

W samochodach elektrycznych moc baterii akumulatorów jest znacznie

większa!!!

Korzyści dla OZE

Przykład 6:

Mamy w swojej okolicy zlokalizowaną dużą farmę wiatrową.

Obecnie:

jak wieje wiatr produkowana energia jest wysyłana do systemu, jak nie wieje

to lokalni konsumenci pobierają energię z systemu – czyli generujemy straty

przesyłowe.

Co można osiągnąć dzięki ISE:

jeśli prognozy przewidują dostateczny wiatr dzięki elastycznym taryfom

będzie można obniżyć cenę energii dla lokalnej społeczności aby zachęcić do

konsumpcji energii w miejscu jej wytwarzania.

Zasobniki energii

• Kinetyczne zasobniki energii FES.

• Pneumatyczne zasobniki energii CAES.

• Superkondensatory.

• Nadprzewodnikowe zasobniki energii SMES.

• Bateryjne zasobniki energii BES.

• Elektrownie szczytowo-pompowe.

• Samochody elektryczne EV jako zasobniki energii.

Fundamentalne cele idei ISE

Fundamentalne cele idei ISE:

• Aspekt techniczny – poprawa bezpieczeństwa pracy KSE,

• Aspekt ekonomiczny – poprawa konkurencyjności na rynku energii,

• Aspekt ekologiczny – wzrost udziału OZE,

• Aspekt społeczny – konsument z biernego odbiorcy stanie się aktywnym

uczestnikiem rynku energii.

Konsekwencje wprowadzenia ISE:

• Wytwarzanie – odejście od elektrowni systemowych w kierunku rozproszonych

źródeł w pobliżu odbiorów,

• Przesył – ograniczenie roli przesyłu dzięki bliskości rozproszonych źródeł,

• Dystrybucja – wykorzystanie ISE do sterowania poziomem zużycia energii, pracą

magazynów energii w celu wyrównywania krzywej obciążenia, pracą źródeł

odnawialnych i elektrowni systemowych,

• Konsumpcja – optymalizacja zużycia energii poprzez oddziaływanie na odbiorców

(zmianę nieefektywnych zachowań).

Projekt EcoGrid

Cel projektu: przetestowanie systemów dystrybucji energii elektrycznej pochodzącej z energii

wiatrowej, aktualnie na Bornholmie 50% energii elektrycznej pochodzi z energii wiatru.

Miejsce: wyspa Borholm.

Wykonanie: 2000 odbiorców energii otrzyma urządzenia regulujące zapotrzebowanie energii

umożliwiających programowanie automatycznych preferencji zapotrzebowania oraz podających

informacje w czasie rzeczywistym, w okresach zbyt słabego lub silnego wiatru odbiorcy będą

redukować swoje zużycie, w zamian otrzymają tańszą taryfę w czasie „dobrych wiatrów”, Smart

grid w automatyczny sposób odłącza ustalony odsetek zużycia każdego odbiorcy w czasie

wysokich cen energii i umożliwia zwiększenie zużycia przy niskich cenach. W ramach projektu

opracowany zostanie system komputerowy, który będzie obliczał cenę energii na podstawie

sytuacji w układzie produkującym i dystrybucyjnym.

Spodziewany efekt: odbiorcy mają rozwiązać problem niedoboru energii w okresach słabych

wiatrów zamiast wykorzystywać do tego turbiny gazowe lub import energii z innych rejonów.

Budżet projektu: 21 mln Euro, czas realizacji: 2011-2015.

Inteligentne liczniki w Europie

• Wielka Brytania – plan zainstalowania 53 mln inteligentnych

liczników energii i gazu do 2019 r.

• Francja – do 2016 r. montaż inteligentnych liczników u wszystkich

odbiorców.

• Szwecja – w 2010 r. 100% odbiorców posiadało inteligentne liczniki.

• Włochy – do końca 2010 r. było 33,5 mln inteligentnych liczników

(90% odbiorców).

ISE w Polsce

Do 2020 r. co najmniej 80% konsumentów musi zostać wyposażona w

inteligentne liczniki.

W Polsce każda spółka dystrybucyjna rozpoczęła pilotażowe programy.

Na przykład w Energa-Operator zainstalowano ok. 100 tyś. liczników w

Kaliszu, w okolicach Drawska Pomorskiego oraz na półwyspie Helskim,

trwają prace nad integracją komunikacyjną liczników.

Docelowo ma być ok. 2,5 mln odbiorców komunalnych (taryfa G) i ok.

290 tyś. odbiorców biznesowych (taryfy C1).

ISE w Polsce

Zakres projektu na Helu (pierwszy w Polsce pilotażowy projekt

inteligentnej sieci):

• Pełne wdrożenie inteligentnych liczników,

• Wdrożenie rozwiązań DMS do monitorowanie sieci nn (SCADA nn),

• Automatyczne wykrywanie i lokalizacja miejsca uszkodzenia,

• Automatyczna rekonfiguracja sieci,

• Zaawansowany system kontroli i regulacji napięcia w sieci SN,

• Wizualizacja sieci w układzie geograficznym,

• Integracja z systemem GIS,

• Umożliwienie pracy wyspowej systemu dystrybucyjnego,

• Stworzenie podstaw do świadczenia nowych usług i integracji z generacją

rozsianą.

Zagrożenia

Koszty wdrażania systemu

• Oszacowanie rzeczywistych kosztów wdrożenia systemu

SmartMetering jest bardzo trudne.

• Programy pilotażowe uruchomione przez OSD prowadzone

są na zbyt małą skalę i działają zbyt krótko, aby mogły

stanowić miarodajną podstawę do oszacowania kosztów

całego projektu.

• Koszty poniesione w krajach w których już funkcjonuje

system AMI, w przeliczeniu na układ pomiarowy wahają się

od 280 zł we Włoszech, do 872 zł w Szwecji.

• W Polsce według raportu PTPiREE, łączne nakłady w cenach

stałych roku 2010 wyniosłyby ok. 7,8 mld zł w scenariuszu

optymistycznym, oraz 10,2 mld zł w scenariuszu

pesymistycznym.

Zagrożenia

Dodatkowe korzyści dla OSD

1. Zmniejszenie kosztów bezpośredniej obsługi technicznej układów

pomiarowych dzięki ograniczeniu ilości wyjazdów monterów do liczników.

2. Ograniczenie kosztów odczytów liczników, brak pomyłek odczytowych.

3. Zmniejszenie strat z powodu kradzieży energii elektrycznej. Odczyt

liczników w czasie rzeczywistym, pozwala na zbilansowanie wybranych

fragmentów sieci i szybkie wychwycenie różnic bilansowych pomiędzy

licznikiem kontrolnym a energią zmierzoną przez liczniki zabudowane u

odbiorców.

4. Docelowe obniżenie kosztów legalizacji układów pomiarowych. Wdrożenie

AMI spowoduje docelowo zmianę przepisów metrologicznych w zakresie

legalizacji liczników. Zamiast funkcjonującej obecnie legalizacji ponownej,

przejście na legalizację statystyczną. Jest to konieczne z tego względu, iż

liczniki indukcyjne posiadały 15 letni okres legalizacji, dla liczników

inteligentnych jest to 8 lat.

5. Umożliwienie funkcjonowania w systemie energetycznym generacji

rozproszonej, w postaci małych przydomowych źródeł odnawialnych energii

elektrycznej.

Dodatkowe korzyści dla

odbiorców energii

1. Na bieżąco można śledzić dane na temat ceny energii, wielkości zużycia i

płatności w danym okresie rozliczeniowym.

2. Możliwość sprawdzania parametrów jakościowych energii elektrycznej, w

razie ich niedotrzymania można ubiegać się o bonifikaty w płatnościach.

3. Dostosowanie taryfy rozliczeń do swojego dobowego profilu zużycia.

4. Możliwość efektywniejszego zarządzania poborem energii - włączanie

energochłonnych odbiorników w strefach czasowych o niższej cenie,

podejmowanie działań zmierzających do oszczędzania energii.

5. Możliwość funkcjonowania generacji energii z przydomowych źródeł

odnawialnych, oprócz produkcji energii na własne potrzeby możliwość

sprzedaży energii do sieci.

Dodatkowe korzyści dla spółek

sprzedaży energii

1. Zmniejszenie kosztów obsługi klientów – możliwość zdalnego rozpatrzenia

zasadności wielu reklamacji (np. błędnego odczytu licznika).

2. Praktycznie wyeliminowanie strat z tytułu zaległości za energię elektryczną -

możliwość zdalnego wyłączania odbiorcy.

3. Znaczne ograniczenie kradzieży energii elektrycznej.

4. Ułatwiony dostęp do klienta przez terminal domowy lub portal konsumencki.

5. Zwiększanie atrakcyjności oferty handlowej poprzez tworzenie nowych planów

taryfowych, stosowanie różnych bonusów za pobór energii w określonych

godzinach.

6. Dokładniejszy pomiar energii przez liczniki elektroniczne – liczniki indukcyjne

posiadają duży moment rozruchowy powodujący, że pobór energii przez

odbiorniki pozostawione na czuwaniu a nawet żarówki małej mocy, nie

powodował reakcji licznika (np. dla liczników półpośrednich przy przekładni 200/5

pobór energii o mocy 1kW nie powodował obrotów tarczy licznika). Częste są

przypadki zgłaszania przez odbiorców wzrostu wskazań, po wymianie licznika na

elektroniczny.

Dodatkowe korzyści dla OSP

(Operator Systemu Przesyłowego)

1. Zwiększenie bezpieczeństwa Krajowego Systemu

Elektroenergetycznego dzięki pełniejszej informacji na temat wielkości

pobieranej mocy, łatwiejsze zaplanowanie poziomu rezerwy mocy w

systemie.

2. Możliwość wyłączania lub ograniczenia poboru mocy u odbiorców

końcowych w przypadku awarii katastrofalnej systemu.

3. Dokładna informacja o pracy generacji rozproszonej przyłączonej do

sieci OSD pozwoli na lepsze planowanie pracy sieci przesyłowej oraz

wytwórców systemowych.

ABC inteligentnych sieci

energetycznych –

wprowadzenie do tematyki

Toruń, 20-21.XI.2014 r.

Dziękuję za uwagę