Intelligens fogyasztásmérés és fogyasztói befolyásolás

Átírás

1 Intelligens fogyasztásmérés és fogyasztói befolyásolás Dr. Raisz Dávid Divényi Dániel Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet Csoport

2 Tartalom Fogyasztók központi vezérlése Hangfrekvenciás központi vezérlés Rádiófrekvenciás központi vezérlés Intelligens fogyasztásmérés Elvárások IM felépítése és elemei IM rendszerek csoportosítása IM alkalmazása központi vezérlésre Modell - Fogyasztói befolyásolás IM eszközökkel raisz.david@vet.bme.hu 2

3 Fogyasztók központi vezérlése HKV és RKV bemutatása 3

4 A fogyasztói befolyásolás okai A villamosenergia-rendszer dinamikus egyensúlya szerint: Cél a névleges frekvenciára és névleges feszültségre szabályozás, ez alapvetően függ a fogyasztók teljesítményétől és a generátorok teljesítményétől A generátorok teljesítményéről kellő információ áll rendelkezésre A fogyasztói teljesítmény jól becsülhető historikus adatok alapján, emellett van lehetőség annak megváltoztatására is raisz.david@vet.bme.hu 4

5 A fogyasztói befolyásolás eredete Fogyasztói befolyásolásnak hívjuk, amikor a fogyasztói teljesítményt valamilyen ösztönző felhasználásával irányítottan változtatjuk meg Hagyományos fogyasztói befolyásolások: Csúcsidőszak alatti felhasználás csökkentése Mélyvölgy alatti felhasználás növelése Jellemző ösztönzők: Kedvezményes villamos energia díjszabás Valós idejű villamos energia díjszabás 1970-es években alkották meg a koncepciót (olajválságok) Nem feltétlenül csökkenti az összfogyasztást, mégis csökkentheti a lekötött csúcskapacitást raisz.david@vet.bme.hu 5

6 Vezérelt fogyasztók Forróvíztároló modellje: C dt( t) dt hővezetési eh. a T ( t) T ( t) c q( t) T ( t) T P v( t) b( t) k víz fajhője v termosztát ( 0 / 1) fűtőszál teljesítménye be hőkapacitás külső hőmérséklet vízfogyasztás hálózati hidegvíz hőmérséklete vezérlés ( 0 / 1) raisz.david@vet.bme.hu 6

7 Nr. of households Vízfogyasztás Mérési adatok felhasználása a modellben: 65 C T cvq(t) be litres/ day raisz.david@vet.bme.hu 7

8 Vezérelt fogyasztók Aggregált modell N = 3000 példány szimulációja (csoportonként). Eredmény: P (MW) 250 P 1,modell (t) P 2,modell (t) 200 P 3,modell (t) P 4,modell (t) 150 P 5,modell (t) P k,measured (t) P 100 k,modell (t) :00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Time (hrs) raisz.david@vet.bme.hu 8

9 Vezérelt fogyasztók Alapprogram Cél: völgyfeltöltés (+ csúcs ne nőjön), korlátok: 90 MW, 8h Nem vezérelt + vezérelt fogyasztás kb.: raisz.david@vet.bme.hu 9

10 A fogyasztói befolyásolás szintjei Passzív befolyásolás, egyirányú kommunikáció, nincs visszajelzés a parancs végrehajtásáról HKV, RKV rendszerek FTK frekvenciafüggő terhelés korlátozás Passzív tarifális befolyásolás Aktív befolyásolás, kétirányú kommunikáció, van visszajelzés a parancs végrehajtásáról Smart metering rendszerek, intelligens fogyasztói eszközök Aktív tarifális befolyásolás raisz.david@vet.bme.hu 10

11 HKV Hangfrekvenciás Központi Vezérlés Távparancs adó rendszer, melynek átviteli útja maga az energia elosztó hálózat Magyarországi alkalmazás Nagy teljesítményű villamos bojlerek és hőtárolós kályhák egyidejű kapcsolásának szabályozása 216,7 Hz és 183,3 Hz 1975, Győr, ÉDÁSZ Kft., első telepítés 1990-es évek, rendszer befejezése 2000-ben kb MW, azóta csökkent Előnyei Nincs szükség külön átviteli útra Tetszőleges számú fogyasztói címezhető egyszerre Hátrányai Egyirányú kommunikáció, nincs visszajelzés a parancsról Az elosztó hálózatot 50 Hz-re tervezték raisz.david@vet.bme.hu 11

12 Hangfrekvenciás központi vezérlés Hangfrekvenciás központi vezérlés A hangfrekvenciás központi vezérlés (HKV) rendszertechnikailag olyan távparancs adó rendszer, amelynek átviteli útja maga az energia elosztó hálózat. Története: 1975 óta alkalmazzák (Győr, ÉDÁSZ) 1990-es évek elején terjedt el: főleg nagy teljesítményű berendezéseket (bojler, hőtárolós kályha) vezéreltek vele es évek elején 1500MW körüli teljesítményt vezéreltek vele. A hőtárolós kályhák visszaszorulásával illetve a korszerűbb RKV elterjedése miatt kezd kiszorulni. raisz.david@vet.bme.hu 12

13 Hangfrekvenciás központi vezérlés HKV rendszer felépítése Központi egység Jelátvitel Helyi vezérlő egység Adóberendezés Csatoló Folyamatirányítás Adás ellenőrzés Elosztó hálózat Előnyök: Nincs szükség külön átviteli útra hálózat Az adóberendezés kis-, közép- és nagyfeszültségre is telepíthető. Hátrányok: Egy irányú kommunikáció, nincs visszajelzés! Jelek terjedése nem ideális (a hálózatot 50Hz-re tervezték) Vevőkészülék Vezérelt fogyasztó 13

14 Hangfrekvenciás központi vezérlés HKV rendszer elemei Központi egység Áramszolgáltató központi vezérlési helyéről egységesen koordinálja az adóberendezéseket. Jelátvitel A központi egység és a helyi vezérlők közötti kétutas kommunikációs rendszer: mikrohullámon (alapértelmezett), telefonvonalon (tartalék) Helyi vezérlőegység Alállomásokba kihelyezett egység, kapcsolatot tart a központi egység és az adóberendezések között: Központi parancsokból vezérlő jelek előállítása az adóberendezés számára Adóberendezés jelének (minőség, jelszint) ellenőrzése, mérési adatok továbbítása a központ felé raisz.david@vet.bme.hu 14

15 Hangfrekvenciás központi vezérlés HKV rendszer elemei Adóberendezés Hangfrekvenciás feszültség létrehozása (216,7Hz, 183,3Hz) Frekvencia távol legyen a páratlan felharmonikusoktól Alállomásonként kettő, tartalékolás szempontjából. Szinkron üzem szükséges, mivel hurkolt hálózaton is lehet adó. Csatolás A hangfrekvenciás jel erőátviteli hálózatra csatolása: transzformátor és egy rezgőkör segítségével. Vevőkészülék Jelek fogadása, címzésnek megfelelően relék működtetése. raisz.david@vet.bme.hu 15

16 Vevőkészülék A tarifás mérő, B tarifás mérő, vevőkészülék (jel dekódolása, relé működtetése) raisz.david@vet.bme.hu 16

17 Hangfrekvenciás központi vezérlés HKV rendszer jelenlegi funkciói Általános vezérlési feladatok Tarifaváltás Közvilágítás vezérlése Fogyasztói berendezések vezérlése Forróvíztárolók Hőtárolós villanykályhák Klímaberendezések Egyéb vezérlési feladatok Polgári védelmi szirénák Üzemi kapcsolások Díszvilágítás, reklámok világítása 17

18 Rádiófrekvenciás központi vezérlés Rádiófrekvenciás központi vezérlés HKV-val szemben legfontosabb újításai Az információt hosszúhullámú antennával továbbítja, függetlenül a hálózat topológiájától. Kibővül a címzési tartomány, akár egyesével is címezhetők a fogyasztók Jelentős sebességnövekedés, akár több száz kilométerre pár másodperc Nem zavarja kiserőműveket. Története: EFR GmbH élen jár 1995-ben Németországban alkalmazzák először Magyarországon a lakihegyi adotoronyról sugároz 135,6kHz-en (Szlovákia, Horvátország, Ausztria és Csehország területére is!) raisz.david@vet.bme.hu 18

19 RKV Rádiófrekvenciás Központi Vezérlés 1990-es években kezdődött a telepítés a HKV rovására Fontos újítások Hosszúhullámú antennával történik a az információ továbbítása, függetlenül a hálózati topológiától Kibővített címzési tartomány miatt nincs szükség több frekvenciára Nem okoz hálózati zavarokat (pl. hibás kiserőművi működés) 1995, EFR GmbH, E.On AG hálózatán indítja az éles szolgáltatást Németországot lefedi egy 100 és egy 50 kw teljesítményű antenna Magyarországon a lakihegyi adótornyot használja az EFR 135,6 khz 100 kw raisz.david@vet.bme.hu 19

20 RKV Antenna Mainflingen Burg Lakihegy Starting operation Height 200 m 315 m 314 m Type Vertical Double cone Double cone Transmitting power 100 kw 50 kw 100 kw Carrier frequency khz khz khz Modulation FSK (Frequency Shift Keying) Frequency swing ±170 Hz Telegram speed 200 Bd raisz.david@vet.bme.hu 20

21 RKV 21

22 Rádiófrekvenciás központi vezérlés RKV rendszer felépítése EFR központi egység Adóberendezés Folyamatirányítás Adás ellenőrzés Teszt vevőkészülék Vevőkészülék EFR központi egység Hasonló szerep, mint az HKV központi egységnek. Adóberendezés Hosszúhullámú (földfelszín alatt is vehető) Vevőkészülék Teszt vevőkészülékkel ellenőrizhető az adás Vezérelt fogyasztó 22

23 Tarifális befolyásolás 23

24 Tarifális befolyásolás Passzív tarifális befolyásolás A fogyasztó előre meghatározott tarifa rendszer szerint szerződik a szolgáltatóval, ennek kihasználása érdekében pedig változtat fogyasztási szokásain éjszakai áram E.ON: fixen csatlakoztatott eszköz, a leágazáson naponta legalább 8 órán keresztül biztosított a villamosenergia-ellátás, a 8 óra azonban előre nem meghatározott ELMŰ: fixen csatlakoztatott eszköz, a leágazáson naponta legalább 8 órán keresztül biztosított a villamosenergia-ellátás, ebből 4-6 óra csúcson kívüli időszakra esik, a legrövidebb kapcsolás pedig legalább 15 perces raisz.david@vet.bme.hu 24

25 Tarifális befolyásolás Aktív tarifális befolyásolás A villamos energia, mint termék valós idejű árazásának a hatására változtat a fogyasztó saját szokásain A hagyományos tarifális rendszerben a fogyasztás gyakorlatilag rugalmatlan, hiszen nincs ösztönző a fogyasztó felé, jóllehet a villamos energia előállítása nem fix áron történik Ontario, 2006 augusztus-szeptember: villamos energia ára -3,10 (!) és 318 $/MWh között változott Ha a fogyasztó elegendő információval bír az árakról, jelentős megtakarítások érhetőek el a rendszerben Carnegie Mellon, 2006: a csúcs 1%-os eltolása 3,9%-kal csökkenti a költségeket, 10% esetén ez kb Mrd $ The Brattle Group, 2007: a csúcsteljesítmény 5%-os csökkentése USA szinten 625 csúcserőművet tenne szükségtelenné, évi 3 Mrd $ szabadulna fel raisz.david@vet.bme.hu 25

26 Árazási rendszerek 26

27 Árazási rendszerek Time-of-Use Pricing (TOU). This design features prices that vary by time period, being higher in peak periods and lower in off-peak period. The simplest rate involves just two pricing periods, a peak period and an off-peak period. Critical Peak Pricing (CPP). This rate design layers a much higher critical peak price on top of TOU rates. The CPP is only used on a maximum number of days each year, the timing of which is unknown until a day ahead or perhaps even the day of a critical pricing day Extreme Day Pricing (EDP). This rate design is similar to CPP, except that the higher price is in effect for all 24 hours for a maximum number of critical days, the timing of which is unknown until a day ahead. Extreme Day CPP (ED-CPP). This rate design is a variation of CPP in which the critical peak price and correspondingly lower off-peak price applies to the critical peak hours on extreme days but there is no TOU pricing on other days. Real Time Pricing (RTP). This rate design features prices that vary hourly or sub-hourly all year long, for some or all of a customer s load. Customers are notified of the rates on a day-ahead or hour-ahead basis. Differing tariff rates exposes customers and utilities to varying amounts of risk. For example, flat rates have the lowest risk from the customer s viewpoint since there is a fixed charge irrespective of the amount and the time when the electricity is consumed. A flat rate would have the highest risk to the utility as they may need to produce additional electricity at a loss during peak periods. raisz.david@vet.bme.hu 27

28 Tarifális befolyásolás Energy Management Systems Olyan otthoni, központi rendszer, mely képes az egyes intelligens fogyasztói eszközök működésének összehangolására a fogyasztó igényeinek, valamint az aktuális villamosenergia-tarifának a figyelembevételével A dinamikusan változó tarifákról a fogyasztó tájékoztatást kap Automatikusan, vagy a fogyasztó figyelmeztetésével olcsóbb időszakokra ütemezi át a fogyasztást A fogyasztó saját maga alakítja ki szabályait (pl. hiába olcsó az áram, a mosógép ne hajnalban induljon el), a központból érkező parancsot pedig felülírhatja Gyakori fogyasztói eszközök Mosógép, centrifuga Mosogatógép Hűtő, fagyasztó Bojler, termosztát raisz.david@vet.bme.hu 28

29 Intelligens fogyasztásmérés Smart metering 29

30 Intelligens fogyasztásmérés Intelligens fogyasztásmérés bemutatása A technológia újszerűsége miatt nincs egyértelmű definíció az intelligens mérésre (Smart Metering) Alig egy évtizede ismert IM fejlesztése a világ több pontján párhuzamosan folyik helyi igényekhez igazított célokkal. Első tapasztalatok alapján (Olaszország) átgondolt, megtervezett bevezetésre van szükség. A holland NTA 8130 (Netherlands Technical Agreement) szabvány egyre több helyen mérvadó. Eleinte villamos energia, gáz, hőmennyiség és víz mérésére vonatkozott, de a végleges verzióba csak az előbbi kettő került be kötelező érvényűként. raisz.david@vet.bme.hu 30

31 Intelligens fogyasztásmérés IM elvárások (NTA 8130) Távparanccsal leolvasható, rendszeres és kérésre végzett valós mérési eredményekkel járuljon hozzá az adminisztratív folyamatok fejlesztéséhez. Tegye lehetővé a szolgáltató számára az energiatudatos, energiatakarékos fogyasztói viselkedés jutalmazását. Legyen képes távparanccsal biztonságosan fel- és lekapcsolni villamos és gáz fogyasztásmérőket, csoportosan és egyesével is. Legyen képes korlátozni a felvehető energia mennyiségét a fogyasztásmérőkön csoportosan és egyesével is. raisz.david@vet.bme.hu 31

32 Intelligens fogyasztásmérés IM elvárások (NTA 8130) Tegye lehetővé egy elektromos- vagy vízszolgáltató számára, hogy differenciált tarifarendszert használjon. Támogassa az előre fizetett szolgáltatás ( feltöltő kártya ) rendszerét. Fel lehessen használni az elosztóhálózat monitorozására. A szabvány részletes specifikációval is szolgál az egyes funkciókat illetően, definiálja a maximálisan megengedett hibákat, időkésleltetéseket, meghatározza az egyes folyamatok pontos menetét. raisz.david@vet.bme.hu 32

33 IM rendszer felépítése IM rendszer portjai Kema Consulting, Main Document Dutch Smart Meter Requirements P0: külső eszközökkel való kommunikációs port P1: kizárólag olvasásra szolgáló port P2: mérőrendszer és legfeljebb 4 mérőeszköz közötti kommunikációra (kivéve a villamosenergia-mérő) P3: mérőrendszer és központi adattároló közti kommunikációra P4: központi adattároló és külső szolgáltatók közötti kapcsolatot szolgálja raisz.david@vet.bme.hu 33

34 IM rendszer felépítése IM rendszer elemei Topológia szempontból 4 fő egymástól elkülöníthető elem 1. Intelligens fogyasztásmérő (E, G, W/T) A fogyasztási adatok kellő pontosságú mérése 2. Adatkoncentrátor (Metering system) Több fogyasztásmérő adatait fogja össze, felel az adattárolásért és az alárendelt mérőkkel való kommunikációért. 3. Központi adattároló és adatkezelő rendszer (CAS) A beérkező adatok feldolgozása, kiértékelése. 4. Hálózati útvonalak Az egyes szinteket összekötő hálózat felelős a kommunikációért. Az elvárások szintek között eltérhetnek. raisz.david@vet.bme.hu 34

35 IM rendszer felépítése Intelligens fogyasztásmérők funkciói Mérés: Egyfázisú / háromfázisú Mennyiségek: kétirányú hatásos, igény esetén meddő ( látszólagos) teljesítmény feszültség, frekvencia származtatott mennyiségek: nettó/átlagos fogyasztás, feszültségminőség Pontosság: 1 vagy 2 (IEC), A vagy B (EN) Terhelési profil rögzítése (15, 30, 60 perces) Tarifa Több tarifa kezelése (2-6 tarifa) Tarifaváltása távparanccsal Esemény napló Kapcsolás Távparanccsal vezérelhető relé (1-2 db) raisz.david@vet.bme.hu 35

36 IM rendszer felépítése Adatkoncentrátor Szerepe: a központi adattároló és az intelligens mérők közötti interfész biztosítása Funkciók Kétirányú kommunikáció a központi adattárolóval és a mérőkkel is Adattárolás és adatszolgáltatás: Belső adattároló (pár 10MB) Rendszeresen (naponta) mérési adatok továbbítása a központ felé Egyedi adatszolgáltatás biztosítása központ és fogyasztó felé Mérőkkel kapcsolatos feladatok órák szinkronizálása rendszeres ellenőrzés, meghibásodás jelzése fogyasztói visszaélések detektálása raisz.david@vet.bme.hu 36

37 IM rendszer felépítése Központi adattároló, Hálózati kapcsolatok Központi adattároló funkciói Az áramszolgáltató által igényelt szolgáltatások (üzemvitel tervezés, SCADA) Hálózati kapcsolatok Mérő és adatkoncentrátor között online, Adatkoncentrátor és központ között csak az adattovábbítás idejére Útvonalak Vezetékes: RS-232, RS-485, M-bus (meter-bus), PLC, Ethernet Vezeték nélküli: GSM/GPRS, Wi-Fi, Bluetooth Protokoll: TCP/IP 37

38 Intelligens fogyasztásmérési rendszerek IM rendszerek áttekintése Az egyes IM rendszerek közt jelentős különbségek is adódhatnak, azok bonyolultságát, struktúráját, képességeit figyelembe véve. A nemzetközi szakirodalomban három betűszó által képviselt rendszer definíciója elterjedt: AMR: Automatic Meter Reading AMM: Automatic Meter Management AMI: Advanced Metering Infrasrtucture raisz.david@vet.bme.hu 38

39 Intelligens fogyasztásmérési rendszerek AMR Automatic Meter Reading Intelligens fogyasztás mérés kiindulási fokozata: Fogyasztásmérési adatok automatikus leolvasása és központi feldolgozó egységbe való továbbítása. Előnyei és hátrányai +Közvetlen hozzáférés nélkül kinyerhetők a mérési adatok Egyirányú kommunikáció Technológiák: hordozható (kézi leolvasós) AMR rádiófrekvenciás illetve PLC-s megoldások (távparancs is lehetséges) raisz.david@vet.bme.hu 39

40 Intelligens fogyasztásmérési rendszerek AMM - Automatic Meter Management Az IM mérés mai elképzelésének megfelelő technológia. Fejlődés az AMR-hez képest: Nagyobb sávszélesség kétirányú kommunikáció Mérő által tárolt (és továbbított) adatok sorát bővítik: Alacsony akkumulátor töltöttségi szint, meghibásodás riasztás Napi terhelési görbe, fogyasztott energia és ára Szolgáltatói felügyeleti lehetőségek Beavatkozási lehetőség: részterhelések ki/bekapcsolása Tervezhetőség Szoftverfrissítések raisz.david@vet.bme.hu 40

41 Intelligens fogyasztásmérési rendszerek AMM Automatic Meter Management 41

42 Intelligens fogyasztásmérési rendszerek AMI - Advanced Metering Infrastructure Az AMM szolgáltatásainak működéséhez megfelelő infrastruktúra szükséges AMI 3 fő része van: a fogyasztó eszközei: fogyasztást szabályozó/mérő berendezések a szolgáltató eszközei: kiépített AMM hálózat az informatikai háttér: szolgáltató arzenálja, a szoftveres háttér A fogyasztásmérő gyártók már nem csak a mérő szállítását, hanem az egész infrastruktúra kiépítését is vállalják. raisz.david@vet.bme.hu 42

43 Intelligens fogyasztásmérés Intelligens fogyasztásmérés a világban Megvalósult: Olaszország, az úttörő USA: Arizona, Baltimore Ausztrália: PowerSmart szolgáltatás Finnország: gázmennyiséget is regisztrálnak Dánia Megvalósulóban: Ausztria: tervek Csehország: tesztüzem És még sokan mások (FR, CAD, GB, D, N, SP, S, NZ) Magyarország Tervezés folyamatban Az energia 80%-át a mérők 45%-a méri le. Haddad Richárd, Ipsol Rendszerház, MEE-MAIT 2011 raisz.david@vet.bme.hu 43

44 Intelligens mérés alkalmazása központi vezérlésre IM alkalmazása központi vezérlésre Három gondolkodásmód Nincs direkt szolgáltatói vezérlés, a fogyasztókat a tarifarendszer alakításával indirekt módon ösztönzik készülékeik üzemének ütemezésére. Rögzített tarifa / real-time árazás Nincs direkt szolgáltatói vezérlés, de a fogyasztó rendelkezik valamilyen kiegészítő eszközzel, ami automatikusan ütemezi az egyes készülékek üzemét. Az eszköznek nyilván kapcsolatban kell lennie az IM rendszerrel. Szerződésben foglalt keretek között direkt szolgáltatói vezérlés adott fogyasztói eszközök üzemeltetésére. raisz.david@vet.bme.hu 44

45 Intelligens mérés alkalmazása központi vezérlésre Központi vezérlések összehasonlítása Szempont HKV RKV IM Vezérelt teljesítmény országosan 1200MW > vevő (E.On) Pár 10 ezer mérő Szinkronizálási időköz??? 10 sec Napi egyszer (illetve parancsra) Parancskiadási sűrűség 4% (1 órára)??? Kommunikáció függő Parancskiadás hossza másodperc 1 másodperc Kommunikáció függő Parancs eljutása a készülékig Vezérelhető csoportok száma 1-2 perc 4-5 másodperc 1 másodperc (debreceni pilot) Adatkoncentrátoronként 2 10 Vezérlés módja Távirat, impulzus csomagok Távirat, impulzus csomagok szoftverfüggő Élettartam 15 év év 15 év Redundancia 100% (mindenből 2) Antenna 0% Központ 100% Adatkoncentrátor esetleges duplázása Több tarifa ok ok max. 8 tarifáig Adáson keresztül paraméterezhetőség + + raisz.david@vet.bme.hu 45

46 Intelligens mérés alkalmazása központi vezérlésre Központi vezérlések összehasonlítása Szempont HKV RKV IM Adáson keresztül firmware frissítés Fejlesztés alatt + Önfogyasztás 1-2W 1-2W 1-2W Utólagos bővíthetőség Terheléskorlátozás rugalmassága Meteorológiai vagy egyéb polgári védelmi riasztások Kétirányú kommunikációt igénylő elosztói feladatok Kétirányú kommunikációt igénylő kiegészítő funkciók raisz.david@vet.bme.hu 46

47 Intelligens mérés IM-ben rejlő további lehetőségek Kiegyenlítés napi terhelési görbe egyenletesebbé tétele mérlegköri kiegyenlítő energia csökkentése Pillanatnyi vezérelt fogyasztás becslésére Real-time zárt hurkú szabályozás Reprezentatív fogyasztói kör használata egy vezérelt csoporton belül Tanuló eljárással kiegészített reprezentatív fogyasztói kör Vezérelt tarifa szabálytalan használatának kezelése Teljesítmény állandóság figyelése Teljesítményváltozások elemzése Intelligens eszközök használata 47

48 Egyéb érdekes megoldások 48

49 Intelligens hűtőszekrény 49

50 Home Area Network Pl. intelligens konnektorok, ZigBee kommunikáció 50