A villamosenergia-hálózatot üzemeltető vállalatok jelentős erőfeszítéseket tesznek annak érdekében, hogy a piaci környezet megváltozásából és a technológiai fejlődésből adódó új kihívásoknak megfeleljenek. A szakemberhiány miatt sokszor nehéz összeegyeztetni a meglévő hálózaton időszerű karbantartás és a hálózatfejlesztés feladatait. Hogyan lenne lehetséges a hatékonyabb munkaszervezés, milyen technológiával lehetne pontosabban előre jelezni a meghibásodásokat, fejlesztési fókuszokat?
A hálózatok IoT alapú digitalizációs fejlesztése sok ígéretes lehetőséget tartogat üzemeltetési szempontból. Ahhoz viszont, hogy ezek a lehetőségek elérhetővé váljanak, a meglévő hálózatnak – annak fejlettségétől függően, – át kell esnie egy evolúciós folyamaton, ami átgondolt, fokozatosságra épülő tervezést és nagy odafigyelést igényel. Megközelítésünk szerint a digitalizációs fejlesztésnek négy fontos szakasza van. Az első szakaszban transzparenssé, azaz digitálisan is láthatóvá kell tenni azt szenzorok, mérések és különböző kommunikációs egységek beépítésével, továbbá a kommunikációképes intelligens rendszerelemek integrálásával.
Ezzel rálátást lehet szerezni az eszközökre.
A második szakaszban meg kell valósítani a kapcsolódó IoT-alapú szoftveres adatgyűjtést, és az eszközök közös platformra történő szervezését – helyi, vagy felhő alapú adattárolás megfelelően biztonságos illesztésével. Ez mélyebb betekintést ad a rendszer működésébe, ekkor már időrendben látható a hálózat mérhető és kiolvasható adatai, ami már jó kiindulási alap az aktív hálózatmenedzsmenthez. Ennek használatával már riasztások, üzenetküldések is beállíthatók, ami megkönnyíti a szükséges hibaelhárítási beavatkozások meghatározását.
Analitika segítségével pedig megkezdődhet az egyes hibaesemények állapot- és adat alapú definiálása, és az eszközök jelzéseinek monitorozása.
Ez elvisz bennünket a harmadik szakaszba, ahol már az üzemeltetési adatokból előrejelzéseket lehet tenni prediktív és preventív karbantartások szükségességek előrejelzésére is, továbbá a vezérelhető eszközök használatbavételével bizonyos távoli beavatkozások szintén megvalósíthatóak, ami tovább csökkentheti az üzemeltetési ráfordításokat. A negyedik szinten mesterséges intelligencia-alapú algoritmusokkal autonóm hálózatmenedzsmentet alakíthatunk ki a külső beavatkozások szükségességének csökkentésével, és a
rendszer például akár egy hibát előrejelezve be tud avatkozni, hogy a hibaelhárítás idő előtt megkezdődhessen.
A gyakorlatban milyen adatokat lát, láthatna a szolgáltató egy alállomás működéséről az említett felügyeleti rendszerek segítségével? Milyen adatok keletkeznek, amelyek lehetővé teszik a hibák pontos előrejelzését?
Az üzemeltető jellemzően kapcsolási státuszokat és villamos mérési adatokat lát, valamint bizonyos berendezéseket távolról is képes működtetni. Azonban rengeteg további olyan adat keletkezik az adott állomásban, amelynek feldolgozása hatékonyságjavulást hozhat. E rendszerek folyamatosan ellenőrizhetik a primer kapcsolóberendezések környezeti feltételeit is, mint a hőmérséklet- és páratartalom információkat, továbbá a rendszer szigetelésének állapotát, a készülékek „egészséges” működését.
Így láthatóvá válik az is, hogy adott helyszínen, adott berendezés adott áramkörén, milyen üzemi igénybevételek jelentkeznek.
Az intelligens szoftverek ezen információk alapján képesek automatikus értesítést adni a kezelő és üzemeltető személyzet számára például egy előre hozott karbantartás szükségességéről, a lokáció meghatározásával.
A hálózatfejlesztés rendkívül forrásigényes tevékenység, minden szereplőnek alaposan mérlegelnie kell, hogy a rendelkezésére álló eszközöket milyen célokra fordítja. Hogyan javasolt belefognia a szolgáltatóknak a felügyeleti rendszerek kiépítésébe úgy, hogy az általános karbantartás és fejlesztés is sokszor irreális terhelést jelent a számukra? Mi lenne az első lépés?
A hálózatüzemeltetők jelentős tapasztalattal és tudással rendelkeznek a hálózatuk működésével és szűk keresztmetszeteivel kapcsolatban. Ebből kifolyólag érdemes megvizsgálni, hogy fizikailag hol vannak az elosztóhálózatban azok a monitorozandó és szabályozandó területek, ahol reális és érdemes digitális fejlesztésekbe kezdeni. Tapasztalataink szerint a legnagyobb fejlesztési lehetőségek jelenleg a hálózathoz csatlakozó fogyasztókhoz közelebbi zónákban, vagyis pl. a lakossági fogyasztókat ellátó, középfeszültségről kisfeszültségre átalakító kompakt transzformátorállomásoknál, a kisfeszültségű kábel- és távvezetékhálózaton, továbbá a fogyasztói csatlakozásoknál vannak, de a nagyfeszültségről középfeszültségre alakító alállomások esetében is komoly lehetőségek mutatkoznak még.
A jó tervezés kulcsát a kibővített hálózati transzparenciában látom.
A megnövekedett háztartási napelemes kiserőművek miatt a trafóházakat és az alállomásokat meg kell erősíteni, kapacitást szükséges bővíteni. Az elektromobilitás terjedésével további fogyasztói tömegek fognak belépni a rendszerbe. Digitalizációs eszközökkel hatékonyan segíthető a kapacitások bővítése: a terepi eszközök és szenzorok által folyamatosan továbbított hálózati mérési eredmények, státuszjelzések automatikusan hálózatszimulációs környezetbe vihetőek, és ahol több kapcsolási forgatókönyv vizsgálható. Ezzel támogathatóak az üzemviteli döntések és a jövőbeli hálózatfejlesztési célok, ami a hálózatfejlesztési tervezés kulcsfontosságú eleme.
Ezt követően nyílik lehetőség arra, hogy az üzemszerűen végzett tervezett karbantartások, hibaelhárítási munkálatok, új létesítések folyamatait a digitalizációval lehessen kombinálni. Így például egy-egy karbantartás elvégzésével egy időben hatékonyan megtörténhet az új rendszerelemek installációja is.
Összességében, az erősáramú rendszerek digitalizációjával olyan rendszert lehet létrehozni, amely pontosan megmutatja, a hálózat mely pontján szükséges azonnali fejlesztés, karbantartás, és hol vannak szabad kapacitások.
A hatékonyságnövelésen túl a kiberbiztonság témáját is meg kell említenem.
Az Európai Unió a fejlesztési elvárásokkal párhuzamosan kötelezettségeket is kiró a kritikus infrastruktúrák terén. 2022 novemberében az Európai Parlament elfogadta a NIS2 direktívát, amely 2023. január 13-i hatályba lépése óta 21 hónapot adott a tagországoknak arra, hogy a kritikus infrastruktúrákat üzemeltetők üzemvitelük mindennapjaiba kötelező kiberbiztonsági elemeket emeljenek be, valamint valós idejű információkkal rendelkezzenek bizonyos berendezéseikről. Egy átgondolt és alapos tervezéssel megtámogatott digitalizációs fejlesztéssel ezen elvárásoknak is meg lehet felelni.
Mik a hazai tapasztalatok, milyen állapotban van a kisfeszültségű elosztóhálózat digitalizációs szempontból? Egyre többször hallunk úgynevezett „öngyógyító” hálózatokról, ez valójában mit takar?
A közép-kisfeszültségű transzformátok szekunder oldala (kisfeszültség), amelyekre a lakossági- és egyéb kisfogyasztók közvetlenül csatlakoznak, sok esetben digitálisan elérhetetlenek a szolgáltató számára. Ez azt jelenti, hogy a központi üzemirányításnak nincs teljes rálátása arra, hogy pontosan mi történik egy kisfeszültségű trafókörzetben. Az üzemvitel jellemzően telefonos hibabejelentés alapján értesül az ellátási zavarokról. A bejelentést követő hiba a lokalizáció és helyreállítási idő emiatt lassabb, sőt,
ha sokáig ellátáskimaradás lép fel, hűtők, fagyasztók olvadhatnak le, ráadásul az áramszolgáltatónak büntetést kell fizetnie, ha nem tudja biztosítani a szerződésekben foglalt szolgáltatási feltételeket.
Ha okos eszközöket vetnek be, akkor nemcsak gyorsabban kiderülnek a hibák, hanem hálózatminőségi jellemzőkön keresztül stratégiai döntéseket lehet hozni például arról, hogy milyen hálózati komponensek szükségesek ott, ahol sok háztartási kiserőmű csatlakozott, vagy jelentős a villamosautó-töltés. A kisfeszültségű hálózatkezelés szoftveres támogatása, valós idejű információk alapján történő menedzsmentje új lehetőségeket teremt a gazdaságos és stabil üzemvitel szempontjából.
A hálózatok „self-optimizing” vagy öngyógyító képessége is ígéretes: a hurkolt topológiájú középfeszültségű elosztóhálózatok öngyógyítóvá tehetők. Az alállomásokból minden közép-/kisfeszültségű transzformátorhoz két irányból jön az energia: ha az egyik kábellel valami probléma van, akkor a másikról kap energiát. A kompakt transzformátorállomások kapcsolóberendezéseinek tartozékaként telepített egyszerű zárlatjelző eszközökkel érzékelhető, hogy melyik kábelszakaszon van probléma.
E jelzést a szolgáltatók az irányítástechnikai rendszerükben fogadni képesek, de a hálózat automatizált hibakezelése még nem elterjedt.
Létezik szoftveres megoldás arra, hogy a hibás kábelszakaszt mindenfajta helyszíni vagy irányítástechnikai személyi beavatkozás nélkül, automatikusan kizárják az ellátási vonalból, és a hálózat a távműködtetett kapcsolókészülékek által önmagát átkonfigurálja. Az automatizált megoldás előnye a kézi beavatkozással szemben a kiesési idők drasztikus csökkenése, így növelve az ellátás minőségét, biztonságát.
Úgy kell elképzelni ezeket az említett okoseszközöket, mint egy háztartási smart home rendszer elemeit? Okoskonnektor, okostermosztát, okosredőny?
A hasonlat jó, persze, a léptékek és a technológiai részletek mások. Például van olyan biztosítóbetét, amely pont úgy cserélhető, mint a hagyományos, de a rászerelhető szenzoron keresztül felokosított, így
a meglévő beépítési környezet minimális módosításával az adott áramkör azonnal modernizálható.
Kombinálva ezeket központi IoT szenzorral, rengeteg adatot lehet szerezni pl. kompakt betonházak áramköreiről. Egy központi szenzorba integrált telekommunikációs interfész által, SIM kártyával, telekommunikációs hálózat segítségével pedig eljuttathatók a mért adatok például egy felhőalapú monitoring szoftverhez. A monitoring biztonságos adattovábbításán keresztül az interneteléréssel rendelkező üzemeltetők, karbantartók számára azonnal láthatóvá válik az adott helyszínre vonatkozó mérési információ, illetve hibajelenség.
Ezekkel a megoldásokkal lecsökkenthető a hibafeltárás, a reagálás, az elhárítás szintideje. A hálózat digitalizációja jól skálázható, az egy-egy helyszínen pilot jelleggel kipróbált megoldás könnyen kiterjeszthető. Például,
ha döntés születik arról, hogy mostantól csak okosbiztosítékokat szerelnek be, akkor minden egyes helyszíni hibaelhárításnál a kollégák már folyamatosan ilyenre cserélhetik a meghibásodott eszközöket.
A különböző digitalizációs fejlesztések egyik legnagyobb pozitív hozadéka a hibaelhárítás és a fejlesztések idejének csökkentése. Van még más olyan megoldás, amellyel időt, ezáltal költséget lehetne megtakarítani?
Számos iparágban, például az építőiparban vagy épületgépészetben is tetten érhető az előreszerelt, előregyártott elemek, berendezések egyre szélesebb körű használata. Miért használ az építőipar minél több előregyártott elemet? Azért, mert időt, pénzt spórolnak meg. Digitálisan megtervezik az épületet, megépítik az egységeket, a helyszínen pedig már „csak” a telepítés, összeszerelés történik. Kevesebb a logisztika, hatékonyabban, koncentráltabban tud megvalósulni az építkezés.
Az energetikai iparágban ugyanez a folyamat megy végbe.
Az új ipari beruházások növekvő energiaigényét megfelelő időben kiszolgálni jelenleg komoly fejtörést okoz az áramszolgáltatói oldalon. Az új alállomások klasszikus módszerekkel történő felépítése hosszadalmas, emiatt új koncepcióban is érdemes lehet gondolkodni. Megoldást jelenthet, ha ezt a kivitelezési munkát kiszervezik egy olyan szolgáltatónak, amelyik az alállomás tervezéstől, a gyártáson keresztül, a telepítésig minden mozzanatot átvállal. A Siemens egy új hazai beruházáshoz szállított úgynevezett E-house-os megoldása például ezt a filozófiát követi.
Az energiaközpontot a beruházó műszaki kritériumai szerint, gyártói környezetben kívülről szigetelt, önhordó acélszerkezetben berendezett kapcsolóhelységekből alakítottuk ki, így a helyszínen már csak minimális építészeti és csatlakozási feladatokat kellett lebonyolítani, alapszintre csökkentve a nagy komplexitású helyszíni kivitelezési feladatokat.
Ezzel a megoldással 20-50 százalékos időmegtakarítást lehet elérni, költségekben pedig legalább 20 százalékot.
A hazai energiaelosztó hálózat digitalizációs szintje hol helyezkedik el Európában? Csak Magyarország küzd az említett problémákkal?
Ezekkel a kihívásokkal mindenkinek most kell megküzdenie, Magyarország egyáltalán nincs lemaradva Európától. Rengeteg változás kezdődött el egymással párhuzamosan és nagyon rövid idő alatt: egyre több a fogyasztó a villamos hálózaton, megjelentek olyan új fogyasztók, akik már nem csak felhasználók, hanem termelők is egyben. A dekarbonizációs célok teljesítése már önmagában is nagy feladat, amihez még hozzájött a háborús helyzet, ami az ellátásbiztonságot nehezítette meg.
A cél, hogy a hálózat minél biztonságosabban, stabilabban tudjon energiát elosztani, a megújulók és az energiatárolási megoldások szabályozott hálózatba történő integrálásával.
A klasszikus fogyasztói szerepből történő kilépéssel, – amikor a fogyasztók akár visszatáplálni is tudnak a rendszerbe szabályozott keretek között – létrejöhet egy olyan ökoszisztéma, ami decentralizált kialakításának köszönhetően biztonságosabb, az összhálózatot kevésbé terheli, és a folyamatos szabályozás által növeli a hálózat stabilitását.
Az ún. mikrogrid rendszer az a megoldás, amellyel irodaházak, kampuszok, ipari létesítmények energiaelosztása optimalizálható. Szabályozási megoldásokkal ugyanis képesek vagyunk az energiatermelést, -tárolást, -elosztást, -fogyasztást menedzselni.
Például azzal, hogy a napelemből származó energiát időben eltolva az autóflotta töltésére fordítsuk energiatároló beiktatásával.
Ezzel menedzselhetőek a hálózati csúcsterhelések, csökkenthető a CO2 kibocsátás, az elosztóhálózat igénybevétele csökkenthető.
Mivel a legtöbb félvezetős technológiával megvalósított energiatároló, fogyasztói vagy energiatermelő rendszerek ipari kommunikációs protokollokon „beszélgetnek”, a mikrogrid-szabályozás képes ezeket összehangolni, a frekvencia- és feszültségszabályozást lokálisan megvalósítani. Minél több szabályozható alrendszer van ezen a belső villamosenergia-hálózaton, annál több lehetőségünk lesz energiahatékonyságot növelni. Ezek a rendszerek külső áramszolgáltatói/aggregátori jel alapján is szabályozhatók, így teremtve lehetőséget különböző hálózatstabilitási vagy rugalmassági célú szolgáltatások nyújtására.
Akár adott időszakra előre lekötött teljesítményt képes egy ilyen rendszer visszatermelni a hálózatba, vagy éppen a napenergia dömping miatt teljesítményt felvenni a hálózatból pl. villamosautó töltő infrastruktúra segítségével, ezzel biztosítva új bevételi forrást a telephely/épület tulajdonosa számára.
Ez az ökoszisztéma a klasszikus energiaelosztást új szintre tudja emelni azzal, hogy lokálisan egy intelligensebb hálózatmenedzsmentet alakítunk ki, így tehermentesítve a mögöttes hálózatot, növelve annak stabilitását.
Egy új EU jogszabály bevezetésével 2030-ra Magyarországon meg kellene négyszerezi a publikus elektromos autó töltő hálózat kapacitását. Az elektromobilitás felfutása ettől függetlenül is óriási terhet ró az áramszolgáltatóra. Hogyan tud megbirkózni ezzel a feladattal, milyen fejlesztések szükségesek a cél eléréséhez?
Az biztos, hogy az e-mobilitás igénye az áramszolgáltatók számára komoly kihívást jelent, de egyben katalizátor is a fejlődéshez. Klasszikus megoldással, azaz önmagában a keresztmetszetek és kapacitások növelésével a kihívás nem kezelhető kellő gazdaságossággal, de innovatív eszközökkel kombinálva beruházási megtakarítások érhetők el. Az EU-ban a TEN-T direktíva szerint az európai útvonal-gerinchálózat mentén (főleg autópályákra érdemes gondolni) 60-120 kilométerenként 300-1000kW töltési teljesítményeket kell biztosítani, mely extrém beruházást jelent, erre a jelenlegi jellemzően közútvilágítási és információs rendszereket kiszolgáló energiaellátás nincs felkészülve.
A technológia ugyanakkor lehetőséget kínál pl. puffer energiatárolók alkalmazásával, napelemes rendszerek integrálásával, mikrogrid rendszerek kialakításával arra, hogy autópálya-pihenők, benzinkutak környezetében rövid időn belül biztosítani lehessen a szükséges kapacitásokat.
Az látható, hogy a technológiai fejlődés jelenlegi szintje új megoldásokat hoz, amikkel ezek a szigorú határidők teljesíthetővé válhatnak.
Hogyan tudunk infrastruktúrát kialakítani rövid időn belül úgy, hogy komfortos legyen az átállás lakossági és üzleti szférában az e-mobilitásra? Ez kicsiben is elkezdődhet például egy lakópark garázsában vagy ipari környezetben, ha minden töltőinfrastruktúra-telepítés során terhelésmenedzsment rendszereket is kialakítunk. Azaz folyamatosan figyeljük, hogy a telephely fogyasztása hogyan alakul az áramszolgáltatói csatlakozási pontban és a belső hálózaton töltőszabályozással kerüljük el a káros túlterhelődések bekövetkezését. Azokkal a szoftveres rendszerekkel, amelyekkel ezeket a töltőket műszaki és gazdasági szempontból üzemeltetjük, szintén van lehetőség terheléskorlátozásra: beállíthatók, hogy milyen időszakban, – akár áramszolgáltatói szerződés függvényében, – milyen teljesítménnyel működjenek.
Ha decentralizációra és mikrogrid hálózatok kiépítésére, mint a központi hálózatfejlesztési probléma megoldására gondolunk, akkor az infrastruktúra fejlesztésének finanszírozását is meg kell osztani a szereplőknek? El kell felejteni azt a modellt, hogy mindent a szolgáltató old meg saját erőforrásból?
Többféle forgatókönyv lehetséges. A klasszikus ügymenet az, hogy a tulajdonos/beruházó hálózati csatlakozási igényt nyújt be a helyi áramszolgáltatóhoz, amely ennek teljesíthetőségét megvizsgálja, és a hálózatbővítésre, illetve a hálózat csatlakozási pont kialakításra ajánlatot ad. Vannak azonban olyan helyszínek, ahol az áramszolgáltató csak jelentős költségek árán vagy jelentős átfutási idővel tudná kiszolgálni a kért igényeket. Ilyen körzetek lehetnek például az autópályák melletti pihenők és benzinkutak, ahol nem a nagy gyorstöltő teljesítmények kiszolgálására alakították ki az infrastruktúrát korábban.
Megvizsgálható az is, hogy az iparban milyen új technológiai lehetőségek vannak.
Az energiatárolós berendezések például töltésszabályozással kombinálva alternatívát jelenthetnek: viszonylag kis teljesítménnyel a hálózatról folyamatosan tölthetőek és a hozzájuk csatlakoztatott gyorstöltők számára energiát biztosíthatnak a rendelkezésre álló tárolási kapacitástól függően. Napelemes rendszerrel tovább fejleszthető egy ilyen tárolós rendszer, modern eszközökkel szimulációk végezhetők a komponensek megfelelő méretezéséhez, azaz, hogy mekkora időszakra biztosítandó milyen töltési teljesítményhez milyen energiatároló- és napelem rendszer illesztése lehet szükséges.
A hazai energiastratégiában a hidrogén, mint energiahordozó – és energiatároló – szintén hangsúlyosan szerepel.
Ahhoz viszont, ahol a hidrogént előállítsuk, illetve felhasználjuk, igen stabil belső villamos hálózat szükséges, ami szintén mikrogrid szabályozással hozható létre. Összességében, a jövő hálózatai decentralizált és diverzifikált elemekből álló, a korábbiakhoz képest rugalmasabb és stabilabb szolgáltatást fognak nyújtani a megváltozott fogyasztói igények kiszolgálásához.
Címlapkép és képek: Siemens
A cikk megjelenését a Siemens Zrt. támogatta.
