1

Mićo Dujak Ericsson Nikola Tesla d.d. mico.dujak@ericsson.com

ICT KAO POKRETAČ TRANSFORMACIJE ELEKTROENERGETSKIH MREŽA

SAŽETAK

Jedan od najvećih suvremenih izazova elektroenergetskih postrojenja predstavlja transformacija tradicionalnog modela proizvodnje, transmisija, distribucije i potrošnje u moderni model, odnosno u napredne elektroenergetske mreže (Smart Grids). Osnovni razlog transformaciji leži u uspostavi ravnoteže između proizvodnje i potrošnje u dinamičkim uvjetima elektroenergetskog sustava.

Ovaj rad daje osvrt na napredne informacijsko-komunikacijske sustave i M2M rješenja koja se primjenjuju u transformaciji elektroenergetskih mreža. Također, u radu su prikazani uspješni primjeri implementacije inteligentnih mreža.

Ključne riječi: komunikacija među uređajima, napredni mjerni sustavi, ICT

ICT AS A KEY ENABLER OF POWER SYSTEM TRANSFORMATION

SUMMARY One of the biggest challenges in providing energy is the transformation of the traditional models

of production, transmission, distribution and consumption in the modern model, the so-called Smart Grid. The main reason for the transformation is establishment of a balance between production and consumption in terms of dynamic power system.

This paper provides an overview of advanced information-communication technology (ICT) systems and Machine-to-Machine (M2M) communication solutions applied in the transformation of electricity networks. Also, the paper presents examples of successful implementations and deployments of intelligent networks and Smart Grids.

Key words: machine-to-machine communication, smart metering, ICT

1. UVOD

Dostupnost telekomunikacijskih usluga, odnosno globalna pokrivenost njima, pokrenula je trend

razvoja i ugradnje komunikacijskih modula u sve što može imati koristi od komunikacijske povezivosti. Sveprisutnost pokretnih mreža, niske cijene sklopovlja za bežičnu komunikaciju i dostupnost uređaja sa podrškom za umrežavanje stvorilo je uvjete za razvoj kako platformi za komunikaciju između uređaja (eng. machine-to-machine), u daljnem tekstu M2M, tako i specifičnih usluga i aplikacija zasnovanih na M2M komunikaciji.

Korporacija Ericsson predviđa da će do 2020. godine biti u upotrebi 50 milijardi takvih uređaja što čini i više od deset puta veću penetraciju umreženih uređaja u globalnoj populaciji od one danas [1].

11. savjetovanje HRO CIGRÉ Cavtat, 10. – 13. studenoga 2013.

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

D2-05

2

Drugim riječima, do 2020. godine će komunikacija između strojeva i uređaja postati najzastupljeniji oblik komunikacije.

Jedna od domena u kojoj je M2M komunikacija dominantna su komunalne službe. U tu domenu se ubrajaju sustavi za upravljanje energetskim postrojenjima gdje su najzastupljenije M2M aplikacije poput naprednih mjernih sustava za očitanje/mjerenje potrošnje energije (engl. Smart Metering) te sustavi za upravljanje naprednim energetskim mrežama (engl. Smart Grids) [2].

Navedeni sustavi ne zasnivaju se samo na brojilima već i infrastrukturi/mreži za pružanje ovakvih usluga kao i upravljanju takvim mrežama i sigurnošću. Nadalje, u navedenim sustavima nalazi se niz pozadinskih elemenata poput M2M platforme, koja se npr. može koristiti za usmjeravanje i pretvorbu mrežne komunikacije te naplatu korištenja sustava. Način organizacije i razmjene podataka kao i prihvaćenje zajedničkog standarda svih zainteresiranih strana uključenih u izradu ovakvog sustava jedan je od izazova implementacije.

Slika 1. Napredna energetska mreža (Smart Grid) [3]

U radu je dan pregled određenih trendova, tehnologija kao i uspješnih primjera razvitka naprednih

elektroenergetskih mreža te pogled na tržišta i komercijalna razmatranja, utjecaj na okoliš, zakonske okvire, standardizaciju, ICT i migracijske strategije.

2. M2M KOMUNIKACIJA U NAPREDNIM ELEKTROENERGETSKIM MREŽAMA

Komunikacija između uređaja ili M2M komunikacija, sadrži različite tehnologija i aplikacije. Međutim, M2M primarno podrazumijeva informacijsko-komunikacijski sustav geografski dislociranih uređaja, odabranih komunikacijskih kanala i platforme za upravljanje uređajima. U takvoj konfiguraciji sustava uređaji komuniciraju odabranim komunikacijskim kanalom s aplikativnim rješenjem za slanje, prihvat i dohvat podataka, obično bez potrebe za ljudskom intervencijom.

M2M rješenja se danas najčešće primjenjuju u okviru (polu)automatiziranog praćenja potrošnje

energije u cilju učinkovitijeg upravljanja potrošnjom energije te time i samim energetskim izvorima. No, komunalne službe su koristile osnovnu M2M opremu za nadgledanje već desetak godina, tako da ovo tržište nije novo. Is traživanja pokazuju da će narednih 10 godina ovaj segment biti najbrže rastući segment, uglavnom zbog regulativnih obaveza kojima vlade uvode propise za implementaciju pametnih brojila.

3

Napredne elektroenergetske mreže su primjer primjene M2M komunikacije koja se provodi unutar senzorima i drugim aktivnim elementima instrumentalizirane elektroenergetske mreže a kojima se upravlja i u stvarnom vremenu prati niz pokazatelja energetskog sustava poput potrošnje električne energije, gubitaka u distribuciji električnom energijom, ispada u distribuciji, radnog učinka pojedinih dijelova mreže i mnogih drugih [5].

Razvijanje rješenja čija će upravljačka forma nalikovati internetskoj mreži u kojoj se poslovanjem i

proizvodnjom slobodno trguje i u kojoj su oni lako dostupni. Ovakav koncept će omogućiti razvoj novih sustava kao što su upravljanje imovinom energetskih mreža (eng. Asset Management), razvoj električnih vozila i punionica, pa čak će takav razvoj ići do virtualnih energetskih objekata. U takvom konceptu svako domaćinstvo može proizvoditi i primati energiju, dok solarne ili hidroelektrane imaju samo jedan smjer a to je da proizvode energiju. Time će energija će kružiti poput podataka na internetu i time će biti stavljena na tržište na kojem će biti dostupna ovisno o zahtjevima potrošača.

Međutim, temelj za ostvarivanje navedenih usluga su svakako M2M komunikacijske tehnologije

čija se uloga najviše ističe kro vrijeme realizacije usluga. Usluge poput prikupljanja i obrade podatka, udaljenog isključenja, povratnih informacija od korisnika, upravljanje kvalitetom mreže moći ćemo odrađivati u mnogo kraćim vremenskim intervalima nego što je to sada uopće bilo i moguće.

3. POTREBE I TRENDOVI TRANSFORMACIJE ELEKTROENERGETSKOG TRŽIŠTA

M2M tržište je dinamično, služi različitim vertikalnim industrijama s nizom različitih uređaja preko različitih mreža. Rast je potaknut nizom različitih čimbenika, uključujući novu regulativu, različite poslovne modele, inovacije, pada troškova hardvera i tehnološki razvoj. Pokretne mreže su pogodne kako bi ponudili povezivost za niz različitih M2M aplikacija, a operateri su sve više usmjereni na M2M, posebice u zrelim i zasićenim tržištima [4].

Transformacija elektroenergetskog sektora se može uočiti širom svijeta. Operateri, bilo iz energetskog, bilo iz komunalnog segmenta suočeni su sa sljedećim.

• Tradicionalne, postojeće infrastrukture zasnovane su na zastarjelim principima i modelima. Najbolji primjer tome su upravo energetske infrastrukture koje su zasnovane na načinu isporuke električne energije koji potječe iz 19. stoljeća. Porast potražnje za električnom energijom u kombinaciji s zastarjelim principima i modelima zasićuje postojeću infrastrukturu. S obzirom na negativan pokazatelj energetske učinkovitosti i ovisnosti Hrvatske o uvozu električne energije, može se reći da je zasićenje već dostignuto.

• Potrošači stvaraju pritisak, inzistirajući na većoj vlastitoj energetskoj učinkovitosti te nastoje svoju ulogu u mreži promijeniti s pasivnog potrošača na aktivnog potrošača-proizvođača.

• Europski trend deregulacije energetskih sustava u nastojanju uspostave konkurentnog energetskog tržišta.

• Potreba i uloga za informacijsko-komunikacijskim tehnologijama u cilju automatizacije upravljanja i nadzora uređaja.

• Zahtjevi raznih zajednica i udruga za rješavanje klimatskih uvjeta.

Upravo su ovi gore navedeni pokretači doveli su do toga da IP kao mrežna tehnologija postaje široko prihvaćena u M2M industriji, a omogućuje zajednička I troškovno učinkovita rješenja u energetskom sektoru. Kako M2M rješenja postaju sve više rasprostranjena, smanjenje uglavnom operativnih troškova i troškova životnog ciklusa zahtjeva učinkovitija rješenja kao što su automatsko provizioniranje i daljinsko upravljanje M2M uređajima I njihovom povezivosti.

Implementacija naprednih mjernih sustava i naprednih mreža za upravljanje elektroenergetskim

sustavima zahtijeva sposobnost i kompetentnost u domeni informacijsko-komunikacijskih tehnologija ali i projektima velikih razmjera i složenosti koji su izvan granica iskustva i resursa većine pružatelja komunalnih usluga. Drugim riječima, za razvoj i implementaciju naprednih mjernih sustava potrebna je sinergija znanja iz područja energetike i ICT područja. Povrh toga potrebno je iskustvo u upravljanju složenim projektima.

4

4. ICT TEHNOLOGIJE U ULOZI TRANSFORMACIJE ELEKTROENERGETSKIH SUSTAVA

U tradicionalnim energetskim sustavima se primijeti jako malo korištenje ICT tehnologija u svrhu efikasne distribucije energije u dinamičkim uvjetima elektroenergetskog sustava. Sa stajališta mrežne arhitekture, M2M komunikacija ima arhitekturne i poslovne zahtjeve koji zahtijevaju omogućavanje pojedinih funkcionalnosti, usluga i aplikacija specifičnih za pravilan rad elektroenergetskog sustava. Kao jedan od začetnika transformacije elektroenergetskih mreža iz tradicionalnih u moderne distribucijske mreže korištenjem modernih ICT tehnologija, u nastavku je predloženo uvođenje nove funkcionalnosti omogućavanja usluga zasnovanih na M2M komunikaciji (engl. M2M Service Enablement), u daljnjem tekstu M2M SE, i uloga vanjskih usluga treće strane.

Funkcionalnost M2M SE podrazumijeva prikupljanje, spremanje, usmjeravanje i obradu podataka

koje šalju različiti M2M uređaji specifičnih primjena koje nakon toga obrađuju M2M aplikacije drugih proizvođača. Konceptom (slica 2) baziranim na M2M SE je prikazana arhitektura sustava temeljena na pojedinim komponentama koji su potrebni za uslugu naprednog mjerenja i upravljanja mrežom. Na lijevoj strani se nalazi senzori ili brojila koja putem različitih pristupnih modula ili terminala određenim komunikacijskim protokolima šalju očitane podatke. Podaci se putem mrežnih servisa prenose u sustav za prikupljanje, nadzor i spremanje podataka. Točke 4. i 5. zapravo predstavljaju komponentu iza koje stoji poslovna inteligencija jer upravo ovakva jedna platforma je omogućitelj M2M usluga (eng. M2M Service Enablement, M2M SE). Putem ove platforme svi senzori se povezuju sa pozadinskim aplikacijama, poput naplate, sustavima za brigu o korisnicima, sustavima za upravljanje imovinom i dr.

Slika 2. Generička uloga M2M SE u naprednim energetskim mrežama

Omogućavanje M2M usluga se nadalje oslanja na fundamentalno odvajanje temeljnih

komunikacijskih usluga od jezgrenih informacija i podatkovno orijentiranih usluga. Odvajanje je uzrokovano činjenicom da je M2M komunikacija orijentirana uslugama i informacijama a ne uređajima. Kao takve, komunikacijske usluge mogu biti osigurane kroz Web Services/REST ili neku sličnu arhitekturu. Poanta je da sredstvo komunikacije treba biti transparentno za podatkovno i uslužno orijentirane usluge kao i za M2M aplikacije. Ova činjenica ima utjecaj na imenovanje i adresiranje u smislu da je za usluge senzora i aktuatora potrebno zasebno imenovanje i adresiranje od onog koje se koristi za komunikacijske usluge [6].

Omogućavanje M2M usluga može se podijeliti u četiri glave funkcionalne grupe:

• Povezivost uređaja i poručivanje: grupa obuhvaća uniformni pristup uređaja M2M sustavu neovisno o komunikacijskom mehanizmu (pretpostavka je IP protokol).

5

• Podatkovne i informacijske usluge: grupa obuhvaća podatkovno orijentiranu obradu kao što je prihvat podataka, spremanje podataka i održavanje različitih usluga direktorija.

• B2B pristup uslugama: grupa obuhvaća pristup M2M uslugama i aplikacijama kroz uglavnom standardizirana ili otvorena sučelja (API).

• Podrška poslovanju i operacijama: grupa obuhvaća automatski plug-and-play uređaja i udaljeno upravljanje uređajima. Ovaj skup funkcionalnosti obuhvaća i nove funkcionalnosti kao i iskorištavanje postojećih funkcionalnosti kao što je npr. omogućavanje krajnjim korisnicima i pružateljima usluga administriranje uređaja i pratećih usluga.

Gore navedene funkcionalne grupe mogu se paketirati na razne načine ovisno o potrebnom

paketu usluga kao što je npr. Platforma za upravljanje uređajima, Platforma za prihvat podataka ili Posredovanje upravljanjem usluga. Fleksibilnost paketiranja je nužna kako bi se omogućilo pravilno adresiranje nezrelog ali s druge strane brzo nadolazećeg tržišta M2M usluga.

5. PRIMJERI USPJEŠNE IMPLEMENTACIJE NAPREDNIH ELEKTROENERGETSKIH MREŽA

Kao što je u uvodu spomenuto, sveprisutnost pokretnih mreža, niske cijene sklopovlja za bežičnu

komunikaciju i dostupnost uređaja sa podrškom za umrežavanje stvorilo je uvjete za razvoj kako platformi za M2M komunikaciju, tako i specifičnih usluga i aplikacija zasnovanih na M2M komunikaciji. U nastavku su opisani samo neki od uspješnih primjera implementacije sustava za napredne elektroenergetske sustave. Veliki dio znanja i iskustva dolazi i od Ericssonovih globalnih Smart Metering i Smart Grid projekata u Kanadi, Italiji, Estoniji i Australiji a pojedine implementirane funkcionalnosti i aplikacije su prikazane slikom 3.

Slika 3. M2M komunikacija kao okosnica arhitekture napredne elektroenergetske ili komunalne mreže

5.1 Hydro Quebec

Hydro Quebec je treći najveći proizvođač i opskrbljivač električnom energijom u Sjevernoj Americi. Suočen s kaskanjem u opskrbi u odnosu na porast potražnje za električnom energijom, pokrenuo je Smart Metering program opravdan ranije izvršenom cost-benefit analizom koja je rezultirala predviđenim NPV u periodu od 2013. do 2033. godine na razini od 520 miliona dolara [7]. Najveći dio generira detekcija ilegalnih priključaka, automatizam očitavanja, zaračunavanja i naplate potrošnje te optimizacija napona u distribucijskom sustavu.

6

Osim implementacije sustava za M2M servise (označene narančastom bojom na slici 3),

Ericsson je iskoristio stručnost u integraciji sustava za operativnu (OSS) i poslovnu (BSS) podršku poslovanju u telekom segmentu, i sličnost tih sustava s odgovarajućim u energetskom i komunalnom sektoru, na temelju koje je obavio integraciju sustava za M2M servise s OSS (meter management, AAA, asset management) i BSS (billing, CRM, upravljanje radnim nalozima) sustavima.

5.2 Acea i ASM Termi Group

Dva vrlo slična projekta dolaze iz Italije. Dok je ACEA jedan od dva najveća talijanska dobavljača vode i električne energije, ASM TERNI Group je federacija talijanskih manjih komunalnih i energetskih kompanija. Oba su klijenta, potaknuta regulatornim izmjenama temeljenim na EU direktivi za energetsku efikasnost (o.a. naplata potrošnje el. energije po stvarnoj, mjesečnoj potrošnji), ali i vlastitim ekonomskim i operativnim potrebama, krenula u implementaciju inteligentnog očitanja potrošnje električne energije.

Za razliku od projekta za Hydro Quebec, Ericsson je na ova dva projekta bio usredotočen, osim

na uspostavu M2M komunikacije, i na implementaciji određenih operativnih sustava podrške (označeno zelenom bojom na slici) Međutim osnovna razlika u odnosu na Hydro Quebe rješenje je da su za oba talijanska klijenta ugovoreni i model upravljanih usluga (Managed Services) [8]. Ericsson je u skladu sa svojim kompetencijama u području sistemske integracije odgovoran za implementaciju i integraciju svih dijelova sustava te povezivanje sa središtem za upravljanje, u kojem će se obrađivati podaci potrebni za naplatu, upravljanje mrežom te brigu o klijentima.

Acea će ujedno rabiti i Ericsonove usluge operativnog upravljanja središtem za nadzor mreže.

Primjenom sustava klijenti ovog distributera plaćat će račune sukladno aktualnoj potrošnji i birati neku od različitih tarifa, a ujedno se očekuju i rjeđi prekidi struje zbog dostave obavijesti o aktualnom stanju električne mreže. Postizanje pune funkcionalnosti sustava očekuje se do kraja 2009. godine.

5.3 Ausgrid

Australski najveći distributer električne energije Ausgrid izgradio je bežičnu mrežu 4G za potrebe elektroenergetskog sustava. Ericsson je dizajnirao i integrirane bežičnu mrežu 4. generacije koja omogućuje dvosmjernu komunikaciju između električnih kontrolnih uređaja za upravljanje, centralnog energetskog sustava i pametnih brojila u kućanstvima. Mreža je implementirana 2011. godine i pokriva gradska područja Sydneya te regionalna područja sjeverno od Sydneya. Mreža prikuplja očitane podatke sa preko 12.000 naprednih mjernih brojila spojenih na naprednu elektroenergetsku mrežu [9].

Prednosti za kupca očituju se u novim procesima koji koriste tehnologije naprednih mreža, kvalitetnije upravljanje troškova za cijelo vrijeme eksploatacije uz korištenje najnovijih telekomunikacijskih standarda, podizanje svijesti o utjecaju na okoliš te povećanju mogućnosti u upravljanju energijom u kućanstvu.

5.4 Eesti Energia

Ericsson je implementirao sustav za upravljanje radnim nalozima i pozivni centar te isti integrirao sa centralnim sustavom. Oba sustava su se koristila za vrijeme projekta pri zamjeni starih brojila. Nakon projekta je sustav za upravljanje radnim nalozima korišten za održavanje brojila i distribucijske mreže, dok je pozivni centar korišten za krajnje korisnike (potrošače) ali i servisere na terenu.

7

6. ZAKLJUČAK

Bitan faktor u uspostavi efikasne distribucije energije je uspostava kontrole i svijesti opskrbljivača energijom o trenutnim energetskim potrebama do na razini pojedinog potrošača. Napredni mjerni sustavi osiguravaju da izmjerene se vrijednosti udaljenih i razmještenih brojila potrošnje energenata integriraju u složen i sveobuhvatan sustav za nadzor i upravljanje mrežom.

Međutim to nisu sve usluge koje ovakvi sustavi omogućuju. Napredni sustavi za pametno očitanje

donose prednosti kao što su usluge dodane vrijednosti unutar pametne kuće, razni alarmi i upravljanje mrežom, integraciju ovakvih usluga unutar kućne lokalne mreže, pregled raznih parametara, i dr.

No, temelj za ostvarivanje svih ovih prije spomenutih usluga je svakako M2M komunikacija

između uređaja i centralnih aplikacija. Uloga M2M komunikacija se najviše ističe na vrijeme realizacije svih do sada spomenutih usluga, tako da ćemo usluge prikupljanja podatka, udaljenog isključenja, povratne informacije od korisnika, upravljanje kvalitetom mreže odrađivati u mnogo kraćim vremenskim intervalima nego što je to sada uopće bilo i moguće.

Kao zaključak se može reći da standardizirana M2M komunikacija, informacijski sustavi i

inteligentno mjerenje imaju vrlo važnu ulogu u transformaciji komunalnih službi iz tradicionalnih u moderne distribucijske mreže, no nužna komponenta je standardizirana komunikacija a pametna brojila se nameću kao začetnik razvoja i implementacije naprednih elektroenergetskih mreža.

LITERATURA [1] Ericsson White Paper,“More Than 50 Billion Connected Devices“, 284 23-3149 Uen, February

2011 [2] M. Hatton, Machine-to-Machine Communication in the Utilities Sector 2010-20, machine Research,

2011.

[3] National Institute of Standards and Technology, NIST & the Smart Grid, Introduction to NISTIR 7628. Guidelines for. Smart Grid Cyber Security. September 2009

[4] Pyramid Research, The Machine-to-machine market: A high-growth opportunity for MNOs, Report October 2011

[5] M. Lukičić, M2M komunikacije u primjeni naprednih elektroenergetskih mreža, Revija br.1, III/43-III/57, 2011,

[6] Ericssonovi interni materijali o M2M SE [7] Smart Metering & Infrastructure Program – Business Case Haydro Quebec, dostupno na povezici:

http://www.bchydro.com/content/dam/BCHydro/customer-portal/documents/projects/smart-metering/smi-program-business-case.pdf

[8] Dostupno na poveznici: http://www.ericsson.com/article/acea_italy_1595655423_c [9] Dostupno na poveznici: http://www.ausgrid.com.au/smarthome