Intelligens fogyasztásmérés és fogyasztói befolyásolás

Intelligens fogyasztásmérés és fogyasztói befolyásolás Dr. Raisz Dávid Divényi Dániel

Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet Csoport

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

[email protected]

2

Fogyasztók központi vezérlése HKV és RKV bemutatása

[email protected]

3

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

[email protected]

4

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 [email protected]

5

Vezérelt fogyasztók 

Forróvíztároló modellje: hővezetési eh.

víz fajhője

termosztát ( 0 / 1)

fűtőszál teljesítménye

dT (t ) C  aT (t )  Tk (t )   cv q(t )T (t )  Tbe   P  v(t )b(t ) dt hőkapacitás

külső hőmérséklet vízfogyasztás

[email protected]

hálózati hidegvíz hőmérséklete

vezérlés ( 0 / 1)

6

Vízfogyasztás Mérési adatok felhasználása a modellben:

Nr. of households



litres/ day

...  c v q(t )65C  Tbe   ... [email protected]

7

Vezérelt fogyasztók – Aggregált modell N = 3000 példány szimulációja (csoportonként). Eredmény: 250 P1,modell(t) P2,modell(t)

200

P3,modell(t)

P (MW)

P4,modell(t) P5,modell(t)

150

Pk,measured(t) Pk,modell(t)

100

50

0 00:00

03:00

06:00

09:00

12:00

15:00

18:00

21:00

00:00

Time (hrs)

[email protected]

8

Vezérelt fogyasztók – „Alapprogram” Cél: völgyfeltöltés (+ csúcs ne nőjön), korlátok: 90 MW, 8h Nem vezérelt + vezérelt fogyasztás kb.:

[email protected]

9

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

[email protected]

10

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. 1500 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 [email protected]

11

• 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. • 2000-es évek elején 1500MW körüli teljesítményt vezéreltek vele. • A hőtárolós kályhák visszaszorulásával illetve a korszerűbb RKV elterjedése miatt kezd kiszorulni.

[email protected]

12


HKV rendszer felépítése Központi egység

Folyamatirányítás

Jelátvitel

Helyi vezérlő egység

Adóberendezés

Adás ellenőrzés

• Előnyök: • Nincs szükség külön átviteli útra  hálózat • Az adóberendezés kis-, közép- és nagyfeszültségre is telepíthető.

Csatoló

Elosztó hálózat

Vevőkészülék

Vezérelt fogyasztó

• Hátrányok: • Egy irányú kommunikáció, nincs visszajelzés! • Jelek terjedése nem ideális (a hálózatot 50Hz-re tervezték) [email protected]

13


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 [email protected]

14


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.

[email protected]

15

Vevőkészülék „A” tarifás mérő, „B” tarifás mérő, vevőkészülék (jel dekódolása, relé működtetése)

[email protected]

16


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

[email protected]

17

• 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!) [email protected]

18

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 [email protected]

19

RKV Antenna Starting operation Height Type Transmitting power Carrier frequency Modulation Frequency swing Telegram speed

Mainflingen 1995 200 m Vertical

Burg 1995 315 m Double cone

Lakihegy 2005 314 m Double cone

100 kW

50 kW

100 kW

129.1 kHz

139.0 kHz FSK (Frequency Shift Keying) ±170 Hz 200 Bd

135.6 kHz

[email protected]

20

RKV

[email protected]

21

• Rádiófrekvenciás központi vezérlés

RKV rendszer felépítése EFR központi egység

Folyamatirányítás

Adóberendezés

Adás ellenőrzés

Teszt vevőkészülék

• EFR központi egység • Hasonló szerep, mint az HKV központi egységnek.

Vevőkészülék

Vezérelt fogyasztó

• Adóberendezés • Hosszúhullámú (földfelszín alatt is vehető)

• Vevőkészülék • Teszt vevőkészülékkel ellenőrizhető az adás [email protected]

22

Tarifális befolyásolás

[email protected]

23

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

[email protected]

24

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. 8-28 Mrd $ • The Brattle Group, 2007: a csúcsteljesítmény 5%-os csökkentése USA szinten 625 csúcserőművet tenne szükségtelenné, évi 3 Mrd $ szabadulna fel [email protected]

25

Árazási rendszerek

[email protected]

26

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. [email protected]

27

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 [email protected]

28

Intelligens fogyasztásmérés Smart metering

[email protected]

29

• 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.

[email protected]

30


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.

[email protected]

31


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.

[email protected]

32

• IM rendszer felépítése

IM rendszer portjai

Kema Consulting, Main Document – Dutch Smart Meter Requirements. 2009

• 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 [email protected]

33


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.

[email protected]

34


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) [email protected]

35


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

[email protected]

36


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

[email protected]

37

• 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

[email protected]

38


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)

[email protected]

39


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

[email protected]

40


AMM – Automatic Meter Management

[email protected]

41


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.

[email protected]

42


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

[email protected]

43

• 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.

[email protected]

44


Központi vezérlések összehasonlítása Szempont

HKV

RKV

IM

Vezérelt teljesítmény

országosan 1200MW

>400.000 vevő (E.On)

Pár 10 ezer mérő

Szinkronizálási időköz

???

10 sec

Napi egyszer (illetve parancsra)

4% (1 órára)

???

Kommunikáció függő

30-120 másodperc

1 másodperc

Kommunikáció függő

1-2 perc

4-5 másodperc

1 másodperc (debreceni pilot)

213

213

Adatkoncentrátoronként 210

Távirat, impulzus csomagok

Távirat, impulzus csomagok

szoftverfüggő

15 év

15-20 év

15 év

100% (mindenből 2)

Antenna 0% Központ 100%

Adatkoncentrátor esetleges duplázása

Több tarifa

ok

ok

max. 8 tarifáig

Adáson keresztül paraméterezhetőség

−

+

+

Parancskiadási sűrűség Parancskiadás hossza Parancs eljutása a készülékig Vezérelhető csoportok száma Vezérlés módja Élettartam Redundancia

[email protected]

45


Központi vezérlések összehasonlítása Szempont Adáson keresztül firmware frissítés

HKV

RKV

IM

−

Fejlesztés alatt

+

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

−

−

+

Önfogyasztás

[email protected]

46

• 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 [email protected]

47

Egyéb érdekes megoldások

[email protected]

48

Intelligens hűtőszekrény

[email protected]

49

Home Area Network • Pl. intelligens konnektorok, ZigBee kommunikáció

[email protected]

50

Lépcsőkben vezérelhető fogyasztó VAGY kiserőmű!

[email protected]

51

Köszönöm a figyelmet!

[email protected]

52

Intelligens fogyasztásmérés és fogyasztói befolyásolás

Recommend Documents