Transmisja danych i energii

Na początku przyjrzyjmy się czym są inteligentne systemy pomiarowe. Encyklopedyczna definicja podaje, że inteligentny system pomiarowy, z języka angielskiego smart metering (SM), to system pomiarowy, za pomocą którego można zmierzyć zużycie danego medium przez odbiorcę, uzyskując przy tym znacznie więcej informacji, niż w przypadku konwencjonalnego, standardowego licznika. Co więcej, z urządzeniem takim można się dwustronnie komunikować w czasie rzeczywistym, korzystając z przewodowych i bezprzewodowych systemów łączności.

W przypadku pomiarów elektrycznych możliwa jest też komunikacja z wykorzystaniem tych samych przewodów, które służą do dostarczania prądu do odbiorcy. W tym ostatnim wypadku są to systemy wykorzystujące technologię PLC (Power Line Communication). Inteligentne systemy pomiarowe obejmują inteligentne liczniki, infrastrukturę telekomunikacyjną, centralną bazę danych wraz z system zarządzającym, umożliwiającym m.in. fakturowanie. Wszystkie te elementy są częścią inteligentnej sieci pomiarowej, o której za chwilę. System taki musi zapewnić dokładny pomiar zużycia mediów, transmisję danych w czasie rzeczywistym, obsługę dużej ilości danych, a także realizowane lokalnie wyświetlanie danych o zużyciu mediów, o dostępnych taryfach dla poszczególnych mediów i możliwości korzystania z nich.

Teoretycznie, inteligentny system pomiarowy zastosować można w wypadku dowolnego medium dostarczanego do odbiorcy, zwłaszcza, że do komunikacji posłużyć się można technologią łączności bezprzewodowej, co rozwiązuje wiele problemów związanych bezpośrednio z montażem i podłączeniem licznika. W praktyce systemy tego typu, nazywane też systemami AMI (Advenced Metering Infrastructure) służą przede wszystkim do pomiaru zużycia energii elektrycznej, wody, gazu oraz ciepła.

Typowy system AMI realizuje takie funkcje, jak: odczyt pomiarowy na żądanie, kontrola jakości dostaw, sterowanie obciążeniem, zdalne wyłączanie i załączanie odbiorcy, zdalne programowanie, możliwość aktualizacji firmware’u, gromadzenie danych dotyczących np. chwilowego obciążenia, średniego poboru mierzonego medium, czy charakterystyk odbioru medium związanych ze specyficznymi urządzeniami działającymi u klienta. Dostępne są również funkcje pomagające w wykrywaniu kradzieży energii, wykrywające wycieki gazu lub wody. W polskiej literaturze bardzo często używa się też określenia ISE (Inteligentna Sieć Energetyczna), która zawężona jest do elementów technicznych AMI, bez uwzględnienia procesów organizacyjno-decyzyjnych związanych z zarządzaniem przesyłu energii elektrycznej.

Centralną częścią systemu AMI jest system zarządzania pomiarami określany skrótem MDM (Meter Data Management) lub MDMS (Meter Data Management System). AMI zawiera cztery warstwy funkcjonalne: sprzętową (pomiarową), komunikacji, rejestracji pomiarów i zarządzania pomiarami. W warstwie sprzętowej mamy do czynienia z licznikami pomiarowymi, które wyposażone są w odpowiednie moduły komunikacyjne (przewodowe, bezprzewodowe, PLC) z zaimplementowanym odpowiednim protokołem transmisji, np. TCP/IP.

W warstwie komunikacyjnej realizowana jest dwukierunkowa komunikacja w czasie rzeczywistym pomiędzy urządzeniami pomiarowymi, a systemem rejestracji pomiarów. System odczytowy działający w warstwie rejestracji pomiarów współpracuje z systemem zarządzania pomiarami MDM, do którego dostęp ma, co oczywiste, dostawca medium, np. dystrybutor energii elektrycznej. System zarządzania pomiarami bezpośrednio współpracuje z system IT działającym u dostawcy. Dzięki temu bez problemu przetworzyć można w dowolny sposób zebrane dane i przygotować faktury za zużyty prąd, wodę czy gaz.

Unijne regulacje

Do 2030 r. inteligentne sieci (Smart Grid) mają stać się jednym z kluczowych punktów unijnej polityki energetycznej. Mają one doprowadzić zarówno do znacznych oszczędności energii, wody i gazu, jak i do zmniejszenia szkodliwych emisji, w szczególności CO2 do środowiska. Zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/72/WE oraz dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/73/WE, państwa członkowskie są zobowiązane do wdrożenia inteligentnych systemów pomiarowych wspomagających aktywne uczestnictwo konsumentów w rynkach dostaw energii elektrycznej i gazu.

W tym miejscu warto zaznaczyć, że inteligentne liczniki to część Trzeciego Pakietu Energetycznego, który Parlament Europejski zatwierdził w kwietniu 2009 r., a wszedł on w życie w 2011 r. Pierwotnie, zgodnie z jego zapisami 80 % konsumentów powinno być już wyposażonych w inteligentne liczniki do 2020 r., a w 2021 r. inteligentne liczniki powinny znajdować się u 90 % odbiorców. Ze względu na koszty, firmom energetycznym z całej Europy brakowało jednak motywacji do zmian i ostatecznie celu tego nie udało się zrealizować. „Olicznikowanie” przesunięto więc odpowiednio na lata 2028–2030.

Aby spełnić wymagania, zawarte w unijnych rozporządzeniach, Sejm 15 kwietnia 2021 r. znowelizował przepisy Prawa energetycznego. Nowelizacja zakłada m.in. stworzenie Centralnego Systemu Informacji Rynku Energii (CSIRE), gdzie gromadzone będą dane z systemów AMI poszczególnych operatorów oraz wprowadza harmonogram montażu inteligentnych liczników. Do końca 2023 r. ma je mieć co najmniej 15 % odbiorców danego dostawcy, dwa lata później 35 %, w 2027 r. wskaźnik ten ma wynosić już 65 %., a do końca 2028 r. co najmniej 80 %.

Dzięki instalacji inteligentnych liczników odbiorcy i dystrybutorzy energii odniosą szereg wymiernych korzyści. Wśród tych, przeznaczonych dla odbiorców wymienia się:

• obniżenie cen dostaw energii – sprzedawcy będą minimalizować różnice między planowanym, a rzeczywistym zużyciem energii, które obecnie przenoszone są na odbiorców końcowych,
• dostosowanie taryfy do indywidualnych potrzeb klienta,
• dokładność rozliczeń za pobraną energię – obecny system cyklicznych odczytów sprzyja powstawaniu błędów, zwłaszcza przy opłatach bazujących na prognozach,
• ograniczenie zużycia energii – faktury wystawiane na podstawie faktycznego zużycia energii zwiększają motywację do jej oszczędzania. Różnego rodzaju badania wskazują, że odczyt danych w cyklu godzinowym umożliwia uzyskanie oszczędności nawet na poziomie 6–10 %.
• poprawę jakości dostaw energii i jej parametrów.

Do korzyści z zainstalowania inteligentnych urządzeń pomiarowych dla dystrybutorów zalicza się:

• ograniczenie różnicy bilansowej,
• ograniczenie strat wynikających z kradzieży infrastruktury technicznej i kradzieży energii. Szacuje się, że zmniejszenie różnicy bilansowej z tytułu ograniczenia energii wynosi 3 % czyli mniej więcej równowartość pracy jednego bloku o mocy 200 MW przez cały rok,
• ograniczenie kosztów związanych z udziałem w rynku bilansującym,
• korzyści wynikające z większej dokładności pomiarów. Na bieżąco rejestrowany może być tu pobór energii przez urządzenia pozostające w trybie gotowości, stand-by,
• eliminacja kosztów „ręcznego” odczytu liczników,
• ułatwienia w windykacji należności wobec odbiorców, których należności uległy przeterminowaniu – liczniki smart umożliwiają zdalne wstrzymywanie energii elektrycznej.

Z punktu widzenia dystrybutora, wprowadzenie do użycia inteligentnych liczników pozwala dynamicznie reagować na zmiany zapotrzebowania energetycznego dla danego rejonu. Umożliwiają też sprawniejsze korzystanie z odnawialnych źródeł energii, które generują prąd w zależności od aktualnych warunków atmosferycznych (np. elektrownie wiatrowe) czy zmian nasłonecznienia (farmy paneli fotowoltaicznych).

W miejscach, gdzie wprowadzono inteligentne liczniki energii, udało się zwiększyć efektywność wykorzystania energii elektrycznej, średnio o około 10 %. System informatyczny współpracujący z inteligentnymi licznikami pozwala na bieżąco analizować dane o zużyciu prądu, dzięki czemu istnieje możliwość dokładnego przewidywania kosztów energii elektrycznej – na czym szczególnie zależy Komisji Europejskiej.

Inteligentna sieć energetyczna

Smart Grid, czyli inteligentna sieć energetyczna to sieć korzystająca z inteligentnych urządzeń pomiarowych (liczników energii), dająca możliwość komunikacji punkt-punkt między wszystkimi urządzeniami, a nie tylko między licznikiem, a systemem zarządzania pomiarami MDM. Dzięki temu uzyskać można istotną poprawę sterowania pracą sieci oraz zarządzania dystrybuowaną energią. Innymi słowy, sieci Smart Grid pozwalają na łatwe sterowanie pracą urządzeń, automatyzują ich zadania, skracają czas trwania awarii, umożliwiają łatwiejszą regulację wartości napięć, upraszczają kompensację mocy biernej oraz dostarczają narzędzi potrzebnych do zarządzania zapotrzebowaniem na energię w sytuacjach awaryjnych lub w przypadku zagrożenia wystąpienia deficytu mocy.

Dodatkowo, dzięki obecności wielu czujników, mierników i liczników w inteligentnej sieci energetycznej, sieć sama informuje operatora o swoim stanie, a odpowiednie algorytmy, bazujące na systemach sztucznej inteligencji, mogą wykryć i przewidzieć wystąpienie awarii lub nietypowych sytuacji, co pozwala z wyprzedzeniem planować działania serwisowe i operatorskie.

W inteligentnych sieciach energetycznych, ze względu na możliwość zbierania wielu danych, możliwym staje się uzyskanie informacji o stopniu obciążenia poszczególnych elementów systemu energetycznego oraz o ewentualnych efektach i zmianach w dystrybucji energii, jeżeli doszłoby do wyłączenia bądź uszkodzenia transformatora lub linii energetycznej. Istotna jest też możliwość uzyskania informacji o stanie i kondycji poszczególnych urządzeń sieciowych oraz przewidywanie ich awarii, co pozwala na oszacowanie czasu bezawaryjnej pracy i wyznaczenie terminów konserwacji i napraw. Przekształcanie tradycyjnych sieci energetycznych w inteligentną sieć Smart Grid wymaga jednak wymiany i instalacji odpowiednich, również inteligentnych urządzeń, stworzenia infrastruktury telekomunikacyjnej pozwalającej na transmisję danych w czasie rzeczywistym, oraz przygotowania odpowiedniego oprogramowania sterującego.

Obecnie polscy operatorzy systemów dystrybucyjnych skupiają się na inwestycjach związanych z modernizacją i rozwojem infrastruktury sieciowej, jej automatyzacją i digitalizacją. Wdrażane są również zaawansowane systemy IT. Tak jak już wcześniej wspomniano, rozpoczęła się wymiana liczników na inteligentne liczniki energii. Przedsiębiorstwa energetyczne realizują również przedsięwzięcia, takie jak budowa farm wiatrowych i słonecznych, magazynów energii czy stacji ładowania pojazdów elektrycznych i zapewniają ich ścisłą współpracę z siecią.

Technologia PLC

W wypadku inteligentnych liczników energii, do dwustustronnej komunikacji można wykorzystać technologię PLC (Power Line Communication). Ponieważ do transmisji danych technologia ta wykorzystuje te same przewody, które używane są do dostarczania do użytkownika energii elektrycznej, można więc w istotny sposób zmniejszyć koszty związane z okablowaniem strukturalnym niezbędnym do zapewnienia łączności – i to zarówno kablowej, jak i bezprzewodowej. W tej ostatniej, co prawda do komunikacji z urządzeniami końcowymi wykorzystuje się zazwyczaj fale radiowe, ale i tak do nawiązania łączności wykorzystywane są punkty dostępowe, które „wpięte są do sieci” za pomocą standardowych przewodów telekomunikacyjnych, których w wypadku technologii PLC możemy się po prostu pozbyć.

Od strony technologicznej, standard PLC opisany jest m.in. w normie PN-EN 50090-1 „Transmisja liniami zasilającymi”. Technologia PLC bazuje na możliwości równoległego przesyłania wraz z napięciem o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz sygnału z danymi. Sygnał z danymi przesyłany jest przy pomocy dodawanej do napięcia zmodulowanej nośnej, która charakteryzuje się o wiele wyższą częstotliwością. Wykorzystuje się tu zwykle częstotliwości od kilku kiloherców do kilkudziesięciu megaherców. Wybór częstotliwości, podobnie jak wybór metody modulacji, ma wpływ na parametry transmisji, na przykład na jej szybkość, długość segmentu sieci energetycznej, w którym mogą być przesyłane dane oraz łatwość technicznej realizacji zarówno nadajnika, jak i odbiornika PLC.

W technologii PLC wykorzystuje się najczęściej modulację OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), BPSK (Binary Phase Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying) oraz SFSK (Spread FSK). Najczęściej stosowanym rodzajem modulacji w technologii PLC jest modulacja OFDM. W metodzie tej przesyłane dane dzielone są na kilka strumieni, które są następnie przesyłane jednocześnie linią energetyczną przy wykorzystaniu wielu nośnych. Modulacja OFDM, przy zastosowaniu megahercowej fali nośnej, pozwala uzyskać największą prędkość transmisji przekraczającą 1 Mbit/s. Warto dodać, że jako metodę modulacji podnośnych często stosuje się w tym wypadku modulację fazową PSK.

W jakich zastosowaniach sprawdza się bezprzewodowa i przewodowa transmisja danych? Dariusz Ziółkowski, kierownik działu konstrukcji kabli i rozwoju, TECHNOKABEL SA Praktyczna realizacja techniczna transmisji danych wymaga zaprojektowania i wykonania Systemu Sterowania Transmisją Danych (SSTD), składającego się z punktu nadawania, kanału komunikacyjnego i jednego lub wielu punktów odbioru. Występuje ogromna różnorodność systemów SSTD uwarunkowanych rozlicznymi czynnikami, do których należą m.in. charakter danych; środowisko, w którym system funkcjonuje (warunkujące ewentualne zakłócenia transmisji) czy kanał komunikacyjny i odległość. Kanał komunikacyjny określa dwa zasadnicze rodzaje SSTD – przewodowe i bezprzewodowe. Systemy przewodowe realizowane na kablach miedzianych i światłowodowych sprawdzają się przede wszystkim w obiektach zamkniętych, narażonych na zakłócenia elektromagnetyczne pochodzące od licznych pracujących tam urządzeń. W układach sterowania automatyką przemysłową są niezastąpione, gdyż tylko odpowiednio ekranowane przewody sterownicze zapewnią odbiór niezakłóconego sygnału. Innym obszarem, gdzie systemy przewodowe sprawdzają się zdecydowanie lepiej od bezprzewodowych są instalacje alarmowe i przeciwpożarowe w obiektach, tunelach i między obiektami. Przewodowa Transmisja PLC (Power Line Communication) to unikalna technologia umożliwiająca przekazywanie danych przez istniejące sieci elektryczne niskiego napięcia. Modemy i urządzenia tworzące system pozwalają uniknąć konieczności wytwarzania nowych kanałów komunikacyjnych w postaci okablowania, urządzeń radiowych lub wireless. Systemy bezprzewodowe realizowane są przy użyciu fal elektromagnetycznych, głównie z zakresu radiowego, a także podczerwieni. Wraz z rozwojem telekomunikacji komórkowej występuje niespotykane dotąd zapotrzebowanie na transfer danych między urządzeniami mobilnymi. Za pośrednictwem telefonów komórkowych obsługujemy obecnie różne funkcjonalności, np. zakupy on-line, auto-parkometry itp. Systemy bezprzewodowej transmisji danych znajdują też coraz szersze zastosowanie w automatyce przemysłowej, niezależnie od stosowanych tam niezawodnych rozwiązań przewodowych.

Podział sieci PLC

Sieci PLC podzielić można na sieci wąsko- i szerokopasmowe. W przypadku sieci wąskopasmowych do przesyłu danych wykorzystuje się sygnały o częstotliwości 3–500 kHz. Sieci te pozwalają na transmisję danych z szybkością do kilkuset kilobitów na sekundę na duże odległości, dochodzące nawet do kilku kilometrów z możliwością zwiększenia zakresu przy zastosowaniu repeaterów sygnału. Są to parametry wystarczające do komunikacji z większością inteligentnych mierników, działających na otwartych przestrzeniach, na przykład w sieci energetycznej dostawcy prądu, farmach wiatrowych czy podstacjach transformatorowych.

Z kolei w wypadku sieci szerokopasmowych wykorzystuje się częstotliwości 1,8–250 MHz. W sieci takiej można uzyskać prędkość transmisji dochodząca teoretycznie nawet do kilkuset Mbit/s. Są one wykorzystywane wyłącznie do transmisji informacji na krótkich, maksymalnie kilkusetmetrowych dystansach, np. do komunikacji z inteligentnymi licznikami poboru energii montowanymi w zakładach przemysłowych czy domach.

Drugim z kryteriów podziału sieci PLC jest rodzaj sieci elektroenergetycznej używanej do transmisji danych. Wyróżnić tu można komunikację za pośrednictwem sieci prądu przemiennego, jedno- lub trójfazowego, lub prądu stałego. Najszybciej spotkać się można z sieciami PLC prądu przemiennego. Sieci PLC wykorzystujące do transmisji danych prąd stały spotkać można w niektórych systemach automatyki przemysłowej, oraz w wielu aplikacjach, tam gdzie standardowo do zasilania obwodów wykorzystywany jest prąd stały, np. jako sieci pokładowe w samochodach, samolotach czy pociągach.

Główną zaletą technologii PLC jest możliwość wykorzystania do przesyłu informacji już istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej, bez konieczności instalacji dodatkowego okablowania – jest to idealne rozwiązanie dla inteligentnych liczników i mierników, zwłaszcza mierzących wielkości elektryczne. Na jednym okablowaniu mamy tu bowiem pomiar, przesył energii i transmisję danych. Dzięki temu można znacznie ograniczyć koszty budowy instalacji pomiarowej, eliminując wydatki na okablowanie telekomunikacyjne oraz na jego utrzymanie i konserwację.

Ponadto transmisję danych z wykorzystaniem sieci elektroenergetycznych można zrealizować także w miejscach o słabo rozwiniętej infrastrukturze telekomunikacyjnej. Mogą to być np. energetyczne linie przesyłowe, farmy wiatrowe czy farmy paneli fotowoltaicznych, kopalnie odkrywkowe, żwirownie, cementownie itp. – czyli wszędzie tam, gdzie nie opłaca się budować sieci telekomunikacyjnej lub masztów i urządzeń nadawczo-odbiorczych, w przypadku transmisji bezprzewodowej.

Pamiętać jednak należy, że podstawową funkcją linii energetycznych nie jest przesył danych, to właściwości tego medium transmisyjnego mogą negatywnie wpływać na parametry transmisji danych w sieciach PLC, co należy też brać pod uwagę montując inteligentne liczniki. Warto też wspomnieć, że sieci PLC zaczynają dominować w sterowaniu procesami generowania energii elektrycznej z rozproszonych, odnawialnych źródeł energii. Chodzi tu przede wszystkim o sterowanie wspomnianymi wcześniej elektrowniami wiatrowymi i słonecznymi.

Systemy pomiarowe i…

Zdalny pomiar i przesył parametrów elektrycznych w przypadku systemów transportu energii dotyczy w tej chwili przede wszystkim jedno- i trójfazowych liczników zużycia mocy. Oprócz urządzeń zamawianych przez dostawców energii elektrycznej bezpośrednio u producentów i montowanych u klientów końcowych, na rynku dostępne są również liczniki i systemy przeznaczone dla firm produkcyjnych przedsiębiorstw przemysłowych. Dzięki nim firmy mogą u siebie na bieżąco monitorować i analizować koszty energii związane z działaniem poszczególnych maszyn, urządzeń i linii produkcyjno-technologicznych.

Jednym z kompleksowych, informatycznych systemów zarządzania energią jest system MoniTorus, dostępny w ofercie grupy Apator. MoniTorus umożliwia optymalizację zużycia energii i pozwala na racjonalizacje wydatków w przyszłości. System MoniTorus dostępny jest w trzech pakietach: BASIC, ADVANCED oraz EXPERT. Użytkownik w zależności od zapotrzebowania wybiera najbardziej dla siebie odpowiednią opcję.

System MoniTorus może informować nie tylko o przekroczeniach zużycia energii na poszczególnych punktach pomiarowych, ale również raportuje ubytki energii, porównując wskazania licznika wejściowego ze wskazaniami podliczników. Możliwe jest też określenie poziomu strat energii i rozpływu wewnętrznego, a także określenie kosztów niewykorzystanej mocy zamówionej. Użytkownik może również ustalić progi wydatków na energię dla poszczególnych linii produkcyjnych czy pojedynczych maszyn oraz stale kontrolować budżet przeznaczony na energie elektryczną. Moduł raportów technicznych pozwala na tworzenie wykresów, zestawień i porównań, a także na analizę procentowego udziału zużycia oddziału, wydziału, procesu na tle zużycia innych jednostek organizacyjnych firmy. Ciekawą opcją jest wizualizacja pracy urządzeń.

System informatyczno-pomiarowy MoniTorus współpracuje z szeregiem modeli inteligentnych liczników. Firma Apator do współpracy z tym systemem oferuje użytkownikom inteligentne liczniki z serii smartESOX, smartESOX Pro i OTUS. Na przykład liczniki smartESOX są wielofunkcyjnymi licznikami służącymi do czterokwadrantowego pomiaru energii elektrycznej i mocy czynnej, pozornej oraz biernej w sieci trójfazowej czteroprzewodowej lub trójprzewodowej. SmartESOX B jest licznikiem do pomiaru bezpośredniego a smartESOX P do pomiaru półpośredniego.

Licznik smartESOX umożliwia pomiar istotnych parametrów sieci, ma rozbudowaną rejestrację zdarzeń, oraz umożliwia odczyt danych pomiarowych z wyświetlacza w przypadku braku zasilania sieciowego. Urządzenie jest przystosowane do komunikacji dwukierunkowej i jest odporne na działanie zewnętrznego pola magnetycznego – informuje operatora o nielegalnym poborze energii elektrycznej. Z kolei seria Pro to wielotaryfowe, czterokwadrantowe liczniki energii elektrycznej czynnej i biernej stosowane w sieciach trójfazowych 3- lub 4-przewodowych. Dedykowany jest odbiorcom zasilanych z wysokiego, średniego bądź niskiego napięcia. Ma rozbudowane możliwości pomiaru i rejestracji wielkości elektrycznych oraz parametrów jakości energii. Stanowi optymalne rozwiązanie w pomiarach wysokiej precyzji, w tym również w sieciach Smart Grid.

Podobnym do systemu MoniTorus rozwiązaniem jest EcoStruxure Power Monitoring Expert firmy Schneider Electric. EcoStruxure Power Monitoring Expert to oprogramowanie do zarządzania energią i sterowania cyfrowymi systemami rozdziału zasilania. Oprogramowanie to pozwala uzyskać wyższą niezawodność zasilania obiektów, weryfikację jakości energii dostarczonej od dostawcy, optymalizację wykorzystania maszyn i urządzeń, monitoring wielu kluczowych zmiennych, szybszą i skuteczniejszą eksploatację dla obsługi oraz łatwe rozliczanie kosztów. Dzięki możliwości przygotowywania zaawansowanych raportów, osoby zarządzające mają narzędzia do weryfikacji zgodności rachunków, identyfikacji i określenie realnego zapotrzebowania obiektu, właściwego alokowania kosztów procesów, dowody w sporach z dostawcą oraz identyfikacji obszarów o niskiej efektywności i dużym zużyciu.

Na jakie urządzenia związane z transmisją danych warto zwrócić uwagę? Jarosław Molenda, IoT Product Manager, Elmark Automatyka SA Bez wątpienia transmisja danych ma coraz istotniejszy wpływ na naszą codzienność i nasze oczekiwania są coraz większe. Chcemy, by informacje docierały do nas w trybie natychmiastowym i miały przyjazną postać wizualną. W takiej sytuacji najistotniejsze stają się szybkość oraz bezpieczeństwo. Starsze standardy, które z powodzeniem funkcjonują jeszcze w przemyśle, nie mogą sprostać takim wymaganiom. Dlatego już od dawna zastępowane są znacznie szybszymi sieciami ethernetowymi, w których standardem jest przepustowość gigabitowa bądź szybsza. Niemniej jednak są to rozwiązania wymagające odpowiedniej infrastruktury lub okablowania. Dlatego coraz częściej sięgamy po rozwiązania powiązane z sieciami komórkowymi LTE, które gwarantują szybkość transmisji na poziomie 150 Mb/s oraz pełną niezależność. Nowe technologie 5G w niedługim czasie mają zapewnić przepustowość rzędu 10 Gb/s oraz szereg nowych możliwości. Do takich standardów potrzebne są odpowiednie routery, które łączą różne standardy z sieciami komórkowymi. Dobrym przykładem są rozwiązania marki Advantech przeznaczone do trudnych warunków pracy. Ich wyróżnikiem jest łączność z różnorodnymi interfejsami szeregowymi, Ethernet, Wi-Fi oraz protokołami takimi, jak DNP3.0, IEC101, IEC104, Modbus/TCP, Modbus/RTU oraz innymi. Są to swoiste bramy, łączące starsze technologie z nowymi. Ważnym aspektem jest też zapewnienie bezpieczeństwa transmisji. Urządzenia te – w celu zapobiegania nieautoryzowanemu dostępowi do sieci lokalnych – korzystają z szerokiego wachlarza funkcji tego typu, jak Firewall, filtrowanie ruchu między konkretnymi portami, NAT oraz tworzenie tuneli szyfrujących VPN.

… urządzenia

Oddzielną grupę urządzeń dla sieci Smart Grid stanowią analizatory jakości energii nazywane też analizatorami sieci energetycznych, analizatorami jakości zasilania, analizatorami parametrów sieci czy rejestratorami parametrów sieci. Tak naprawdę są to elektroniczne, skomputeryzowane mierniki dokonujące precyzyjnych pomiarów napięcia i natężenia prądu elektrycznego, na podstawie których obliczają szereg parametrów jakościowych energii elektrycznej. Urządzenia takie standardowo wyposażone są w nieulotną pamięć, w której przechowywane są pomiary oraz moduł komunikacyjny pozwalający na dwukierunkową wymianę danych. Najczęściej znajdziemy w nich Modbus RTU (RS-485), Modbus TCP (Ethernet), Profibus, Profinet, M-bus, Bacnet IP, a także obsługują protokół http, który pozwala na połączenie się z urządzeniem za pomocą przeglądarki internetowej. Sporo modeli wyposażonych jest również w modem PLC.

W przeciwieństwie do liczników energii, analizatory jakości energii oprócz pobranej ilości energii czynnej i biernej, potrafią precyzyjnie mierzyć napięcie i natężenie w czasie rzeczywistym, na podstawie których wyliczają moc czynną, bierną, pozorną, dostarczoną energie czynną, bierną, wyższe harmoniczne, prąd upływu, częstotliwość napięcia, migotanie napięcia, niezrównoważenie napięcia, stany nieustalone i wiele innych. Odczyt danych z licznika energii najczęściej można wykonać ręcznie za pomocą wyświetlacza LCD lub automatycznie. Do analizatora można się też zalogować korzystając z protokołu TCP/IP i przeglądarki internetowej.

Ciekawą konstrukcją jest analizator parametrów sieci z wbudowanym sterownikiem PLC, Centrax CU5000. CENTRAX CU5000 to urządzenie montowane na szynie TH35 zawierające w jednej obudowie funkcje precyzyjnego analizatora parametrów sieci oraz swobodnie programowalnego sterownika PLC. W wielu przypadkach nie ma więc potrzeby stosowania oddzielnie sterownika PLC, przyrządu pomiarowego czy też rejestratora danych. Część CU5000 odpowiedzialna za pomiary może zapamiętać 15 000 informacji o stanie sieci, zużyciu energii i jakości zasilania, a część odpowiedzialna za sterowanie przetwarza te dane, wykorzystując je w algorytmach sterowania.

Innym, przykładowym analizatorem jakości energii jest montowany na szynie DIN zaawansowany analizator energii elektrycznej Janitza UMG 605, dostępny w ofercie firmy Elmark Automatyka. Umożliwia on pomiar i analizę mocy czynnej, biernej, harmonicznych, do 63, współczynnika THD a także niezrównoważenia w sieci. Z urządzeniem można komunikować się za pomocą popularnego protokołu szeregowego Modbus RTU lub Profibus DP. Dostępny jest też moduł PLC oferujący możliwość programowania w graficznym języku Jasic.

Na koniec warto wspomnieć o układzie scalonym STCOMET firmy ST. Układ ten jest kompletnym urządzeniem pomiarowym SoC (System-on-Chip) ze zintegrowanym modem PLC (Power Line Communication). Podsystem metrologiczny jest odpowiedni do zastosowań pomiarowych prądu przemiennego zgodnych z normami EN 50470-1, EN 50470-3, IEC 62053-21, IEC 62053-22 i IEC 62053-23, klasa 1, klasa 0.5 i klasa 0.2. Na jego bazie zbudować można dowolny inteligentny licznik, który korzysta z interfejsy PLC. Przykładem może być tu przygotowana przez firmę ST płytka inżynieryjna płytka ewaluacyjna EVLKSTCOMET10-1, będąca kompletnym 3-fazowym, 3-kanałowym inteligentnym licznikiem i analizatorem jakości energii, który można wykorzystać w swoich projektach i urządzeniach pomiarowych.

źródło: Automatyka 7-8/2021