Retele Electrice Inteligente Aplicatie Pentru Transportul Urban de Suprafata

PROIECT DE DIPLOMĂ

Rețele electrice inteligente – aplicație pentru transportul urban de suprafață

Listă de figuri

Figura 1 Compunerea general a unui sistem de tracțiune electric 6

Figura 2 Schema unui sistem de current trifazat cu frecvență 16 2/3 Hz 8

Figura 3 Schema de principiu a sistemului de tracțiune în current continuu 9

Figura 4 Sistemul de curent monofazat cu frecvență de 16 2/3 Hz cu producerea energiei electrice în centrale proprii 10

Figura 5 Sistem de curent monofazat cu frecvență industrială (50Hz) 12

Figura 6 șină cu canal încorporată în carosabil 13

Figura 7 Schemă substație de tracțiune electrică în current continuu 14

Figura 8 Șina de contact 17

Figura 9 Implementarea smart meter-ului produs de GE 20

Figura 10 23

Figura 11 Schemă de ansamblu a domeniului Generare 27

Figura 12 Schemă de ansamblu a domeniului Transmisiuni 28

Figura 13 Schemă de ansamblu a domeniului Distribuție 29

Figura 14 Schemă de ansamblu a domeniului Operațiuni 30

Figura 15 Schemă de ansamblu a domeniului Client 31

Figura 16 Schemă de ansamblu a domeniului Piețe 32

Figura 17 Schemă de ansamblu a domeniului Furnizor 33

Figura 18 Diferitele nivele de descentralizare 35

Figura 19 Varianta extinsă a modelului NIST 36

Figura 20 Straturile de interoperabilitate 36

Figura 21 Domenii și zone din cadrul modelului SGAM 38

Figura 22 Cadrul SGAM 40

Figura 23 Variația vitezei în funcție de distanță și timp pentru un VEM 43

Figura 24 Schema electrică pentru un șir de LED-uri 56

Listă de tabele

Tabel 1 Importanța parametrilor în stabilirea consumului de energie electrică în transportul public urban 46

Capitolul 1

Introducere

Transportul urban electrificat, atât de suprafață cât și cel subteran, reprezintă o resursă indispensabilă pentru oricare mediu urban în dezvoltare.

Pe lângă performațele sale în ceea ce privește numărul de călători serviți pe oră, vitezele comerciale ridicate iar, în cazul metrourilor, nivelul ridicat al serviciilor în ceea ce privește punctualitatea și standardul ridicat de siguranță, transportul public electrificat reprezintă și cea mai ecologică soluție pentru transportul public.

Cu toate acestea, transportul urban electrificat rămâne în continuare un mare consumator de energie electrică iar pentru a duce mai departe și a înlesni îmbunătățirea calității transportului, acest aspect trebuie tratat cu mare atenție. Deși administrarea consumatorilor și surselor producătoare de energie electrică reprezintă o problemă globală, lucrarea de față va fi concentrată pe administrația energiei electrice pentru transportul urban electrificat de suprafață.

În momentul de față, tehnologia cea mai promițatoare și care își face apariția din ce în ce mai des în diferite țări este tehnologia smart grid. La modul cel mai general, această tehnologie aduce conceptul de autonomie rețelelor electrice.

În prezent, rețele electrice inteligente sunt considerate a fi soluția completă la provocările pe care le prezintă alimentarea cu energie electrică precum si alte domenii în care tehnologia ar putea aduce o contribuție substantială cum ar fi reducerea emisiilor de dioxid de carbon.

Smart grid integrează sisteme IT și servicii de comunicație deja existente pe piață, și in unele cazuri alte tehnologii încă experimentale, pentru a stabili o legătură bidirecțională și în timp real între furnizorii de energie electrică și consumatori în scopul gestuinii autonome a resurselor împreună cu detectarea, diagnosticarea și , în unele cazuri, soluționarea problemelor apărute în rețea.

Transportul urban public electrificat

Tracțiunea electrică

Noțiuni generale

Sisteme de tracțiune urbană reprezintă ansamblul de echipamente și sisteme electrice folosite la transportul terestru, mobile sau fixe, integrate pe vahicule prevăzute cu motoare electrice și care absorb energia necesară de la o linie electrică de contact. Aceste sisteme de tracțiune urbană servesc la realizarea transportului terestru de marfă și călători, public dar și privat.

După modul de propulsie vehiculele electrice se clasifică în:

Vehicule motoare – forța de tracțiune se obține cu mijloace aflate la bordul vehiculului;

cu aderență la cale:

ghidate

neghidate

fără aderență la cale – cele pe pernă magnetică

Vehicule pasive – forța de tracțiune se obține cu mijloace exterioare vehiculului.

După modul de alimentare a sistemului de tracțiune:

Autonome – dispun de surse electrice proprii amplasate la bordul vehiculului;

Neautonome – necesită alimentarea prin intemediul nuei linii de contact.

Avantajele tracțiunii electrice

În domeniul său de aplicație, transport de călători și marfă urban, suburban și interurban, tracțiunea electrică prezintă anumite avantaje față de celelalte sisteme de transport terestru:

Performanțe bune în transportul urban și suburban;

Prestație superioară în transportul feroviar. Aici se distinge prin masa convoaielor remorcate și la viteza de mers;

Capacitate ridicată de suprasarcină a motoarelor electrice de tracțiune și în consecință a vehiculelor electric-motoare (VEM);

Posibilitatea de a implementa la bordul unui VEM puteri unitare mari, până la 8-10 MW pe o singură locomotivă;

Permite realizarea unui trafic feroviar de mare viteză;

Eliminarea gazelor poluante;

Eficiență sporită in exploatarea energiei electrice.

Tracțiunea electrică deține avantaje majore în ceea ce privește transportul urban, mai exact in cazul metrourilor. Având o capacitate de a transporta între 20.000-60.000 de călători pe oră în fiecare direcție de mers la o viteză comercială de cel puțin 25 km/h, reprezintă o soluție de neînlocuit în ceea ce privește transportul urban și suburban din marile metropole.

În cazul orașelor mijlocii, utilizarea vehiculelor articulate de mare capacitate a dus la posibilitatea transportării a 5000-6000 călători pe oră în fiecare direcție de merscomparat cu 2000-3000 călători pe oră cât reprezintă capacitatea maximă de transport a unei linii de autobuz.

Pe lângă tracțiunea electrică se utilizează la scară largă, în domeniul feroviar, și tracțiunea diesel electrică.

Alegerea între cele două este puternic determinată de factori economici precum costuri de investiție și de exploatare. Costurile de investiție sunt fixe, în schimb costurile de exploatare variază în funcție de volumul traficului, modalitatea concretă de desfășurare a traficului, caracteristicile liniei, etc.

Componentele unui sistem de tracțiune electrică

În figura de mai jos sunt prezentate componentele generale ale unui sistem de tracțiune electrică (STE) cu vehicul electric motor (VEM) neautonom. Prin schemă sunt evidențiate două tipuri de instalații, fixe și mobile.

CE – centrală electrică

STR – stații de transformare ridicătoare

LEA – linii electrice aeriene

LES – linii electrice subterane

SSTE – substații de tracțiune electrică

FA – fideri de alimentare

FÎ – fideri de întoarcere

LC – linie de contact

PS – post de secționare

PSS – post de subsecționare

CR – cale de rulare

VEM – vehicul electric motor

Instalații fixe pentru un VEM neautonom:

Instalații de producere, transport și distribuție a energiei electrice:
centrale electrice, stații de transformare ridicătoare de tensiune și linii electrice aeriene de transport a energiei electrice de înaltă tensiune.

Substațiile de tracțiune electrică formate din ansamblul sistemelor și echipamentelor fixe pentru racordarea la sistemul energetic de înaltă tensiune și de adaptare a curentului din linia de contact la necesitățile tracțiunii electrice.

Linia de contact reprezintă o rețea electrică aeriană sau la sol, de c.c. sau c.a., construită și instalată în lungul căii de circulație prin care se alimentează VEM-ul cu ajutorul unei prize alunecătoare de curent (captator).

Calea de rulare constituie modalitatea de circulație a unui VEM. Aceasta poate fi metalică, din beton sau mixtă.

Fiderii de alimentare sunt liniile electrice aeriene de lungime redusă care servesc la alimentarea cu energie electrică a liniei de contact de la substațiile de tracțiune electrică.

Posturile de secționare conțin aparate de comutație și au rolul fie de a secționa linia de contact, fie de a conecta longitudinal și/sau transversal linia de contact. Ele sunt amplasate pe la jumătatea distanței dintre două substații de tracțiune electrică consecutive .

Posturile de subsecționare sunt instalații de comutare care pot secționa dar și conecta longitudinal și/sau transversal tronsoanele dintre o substație de tracțiune electrică și un post de secționare.

Posturile de legare în paralel dispun de echipamente de comutație care, în cazul căilor duble de circulație (cu două linii de contact), permit legarea suplimentară, în paralel, a ramurilor liniei de contact dintre o substație de tracțiune electrică și un post de secționare atunci când nu există posturi de subsecționare în schema generală.

Fiderii de întoarcere sunt cablurile de record ale liniei electrice aeriene sau subterane dintre șina metalică a căii de rulare și circuitul de forță al substației de tracțiune electrică.

Deoarece orice sistem de tracțiune electrică cu VEM neautonome este considerat un consumator de energie de gradul I, substațiile de tracțiune electrică se realizează cu dublă siguranță.

Instalațiile mobile sunt cele instalate direct pe VEM. Ele procesează energia electrică primită de la linia de contact după care o distribuie motoarelor electrice, care la rândul lor o transformă în energie mecanică pentru deplasare.

Clasificarea sistemelor de tracțiune electrică

De-a lungul timpului au fost dezvoltate patru sisteme dintre care numai trei sunt utilizate în prezent:

Sistem de curent trifazat cu frecvență de 16 2/3 Hz

Sistem de curent continuu

Sistem de curent monofazat cu frecvență de 16 2/3 Hz

Sistem de curent monofazat cu frecvență industrială (50 Hz)

Sistemul de curent trifazat cu frecvență de 16 2/3 reprezintă primul sistem de tracțiune electrică feroviară. El a fot aplicat în Elveția și în Italia în jurul anului 1900, dar a fost repede abandonat datorită complicațiilor apărute în cazul liniei de contact bifilare la încrucișări și în stații.

Sistemul de curent continuu a debutat tot în jurul anului 1900 și a cunoscut o expansiune mare între anii 1920-1939, atât în tracțiunea feroviară dar și în tracțiunea electrică urbană.

Principalele avantaje pe care le prezintă sistemul de tracțiune electrică în c.c. sunt:

Posibilitatea racordării directe a substației de tracțiune electrică la rețeaua trifazată de frecvență industrială fără a duce la dezechilibre electrice în aceasta;

Perturbațiile rezultate în urma inducției electromagnetice pot fi limitate din atenuare și prin absorbția armonicilor de curent .

Printre dezavantajele acestui tip de sistem se enumeră:

Substațiile de tracțiune electrică sunt mai complicate și costisitoare;

Apariția curenților mari (de ordinul kA), în cazul tracțiunii feroviare, datorită nivelului limitat al tensiunii în linia de contact.

Sistemul de curent monofazat cu frecvență de 16 2/3 Hz a apărut în 1910 în urma optării din partea Comisiei Federale de Studii pentru Electrificarea Căilor Ferate pentru tracțiunea în curent monofazat la tensiune de 15kV la frecvență de 16 2/3, o treime din cea practicată normal în industrie.

Sistemul este utilizat și astăzi în Germania, Elveția, Austria, Norvegia și Suedia.

Din punct de vedere al alimentării cu energie electrică, există 2 variante:

O variantă are în vedere producerea și transportul energiei electrice direct în c.a. monofazat la 16 2/3 Hz, în centrale proprii aflate în gestiunea administrațiilor de cale ferată.

În centralele electrice (de tip hidro sau termoelectric), generatoarele sincrone monofazate produc energia electrică monofazată direct la 16 2/3 Hz și tensiune de 3-6 kV. Stațiile de transformare ridicătoare, echipate cu transformatoare monofazate, ridică nivelul tensiunii la 60 (110) kV în vederea transportului cu pierderi minime a energiei pe liniile electrice ariene exclusiv la substațiile de tracțiune electrică.

Ca structură, substațiile de tracțiune electrică comportă numai transformatoare monofazate coborâtoare, fiind cea mai simplă soluție de SSTE.

În a doua variantă sunt utilizate stații de conversie feroviară care asigură conversia numărului de faze și a frecvenței. Stațiile de conversie sunt compuse din:

T1, transformator trifazat coborâtor

Un grup convertizor rotativ MS+GS format dintr-un motor sincron trifazat la 50Hz care antrenează la turație constantă un generator sincron monofazat de frecvență 16 2/3.

Principalele avantaje ale unui asemenea sistem sunt:

Secțiunea firului liniei de contact va fi redusă din cauza nivelului ridicat al tensiunii ceea ce rezultă într-o construcție simplificată a catenarei și un consum redus de cupru;

Distanța medie dintre substațiile de tracțiune este crescută, până la 50 km;

Problema alimentării serviciilor auxiliare este mai simplu rezolvată;

Elasticitate în exploatare crescută datorită prezenței transformatorului coborâtor pe locomotivă și a realizării secundarului acestuia cu mai multe trepte de tensiune.

Printre dezavantajele sistemului monofazat de frecvență joasă sunt:

Necesitatea unui sistem energetic propriu;

Nevoia unor stații de conversie feroviară relativ complicate, pe suprafețe mari;

Apariția de perturbații electromagnetice asupra liniilor de telecomunicație vecine;

Construcție complicată a instalațiilor de centralizare a stațiilor de cale ferată.

Ultimul sistem prezentat este sistemul de curent monofazat cu frecvență industrială.

Acest sistem prezintă unele avantaje semnificative față de cele prezentate până acum:

Alimentarea substațiilor se face direct din sistemul energetic național;

Tensiune crescută în linia de contact astfel încât distanța între substații consecutive este crescută și construcția liniei de contact este ușor construită;

Construcție simplă a substațiilor de tracțiune.

Mai jos este prezentată schema de principiu al acestui sistem:

În cazul de față, substația de tracțiune are echipate numai transformatoare monofazate coborâtoare alimentate la două faze ale sistemului energetic național. Secundarul monofazat este legat la lina de contact ce este alimentată cu ULC = 25kV la frecvență industrială.

Pentru această variantă sunt necesare numai două transformatoare monofazate pentru substația de tracțiune.

Un alt avantaj este că distanța dintre substații poate ajunge și la 60-80 km ca urmare a tensiunii nominale de 25kV din linia de contact. Cu toate acestea, tensiunea in linia de contact nu trebuie să depășească cu mai mult de 10% tensiunea nominală și să nu scadă sub 19kV.

Tramvaie

Pentru tramvaie sunt folosite în cea mai mare parte aceleași tehnici ca la căile ferate electrificate doar că adaptate pentru condițiile urbane de trafic. Sistemul de propulsie este alimentat în curent continuu la 600 sau 825 V. Elementele sale componente sunt:

Calea. Aici, față de căile ferate, se găsește șina cu canal. Acest tip de șină este necesar pentru încorporarea căii în carosabilul străzii iar aici rezemarea șinelor se face pe pat de piatră spartă sau pe longrine de beton.

De obicei, în zone urbane, calea este dispusă central, între cele două sensuri de circulație.

Figura 6 șină cu canal încorporată în carosabil (sursa: www.zeno.org)

În scopul diminuării dispersiei curentului de retur, la calea de rulare pentru tramvai șinele sunt sudate pe toată lungimea liniei.

Linia de contact și substațiile de tracțiune. Linia de contact aeriană reprezintă partea din instalația fixă de tracțiune care asigură transportul energiei electrice și a cărei particularitate funcțională constă în faptul că ea furnizează energia electrică vagonului prin intermediul pantografului.

În cazul tramvaielor există diferențe minore față de instalațiile de contact folosite la căile ferate (în principal diferă sistemul de susținere). La fel și pentru substațiile de tracțiune cu mențiunea că se compară între ele sistemele de alimentare în curent continuu. Mai jos este prezentată schema circuitelor de forță ale unei substații electrice de tracțiune de curent continuu (600 sau 825V).

Substația prezentată dispune de unu sau două sisteme de bare trifazate (1) de înaltă tensiune ce sunt alimentate de liniile (2) ale sistemului energetic național. De la barele de primire pornesc cablurile de alimentare (3) ale transformatoarelor (4), iar de la înfășurările secundare ale acestora , prin intermediul barelor (5) sunt alimentate redresoarele (6).

Vagoanele de tramvai. Acestea se împart în vagoane motor și vagoane osii dispuse pe două și patru osii. Există restricții clare privind viteza de circulație a vagoanelor în mediul urban, la distanțe de 300-500m între stații se stabilește o viteză comercială de cca. 14-18 km/h.

Capacitatea unui vagon de tramvai se poate calculapentru grade diferite de ocupare a spațiului rămas liber Sp în urma scăderii suprafeței totale St a spațiului ocupat de scaune Ss după formula:

unde:

Nt – numărul total de călători;

Na – numărul călătorilor așezați;

np – numărul de călători în picioare pe m2;

Np – numărul de călători în picioare.

În afara orelor de vârf capacitatea normală se calculează cu n= 3…3,5 călători/m2, iar pentru orele de vârf se ia n=5…5,5 călători/m2.

Troleibuze

Troleibuzele reprezintă vehicule electrice neautonome de curent continuu 600 sau 825 V care, de cele mai multe ori, același șasiu (cu anumite modificări) și o caroserie asemănătoare cu cea a unui autobuz.

Diferența față de tramvai constă în faptul că circuitul electric de tracțiune dispune de un al doilea fir de contact, identic cu cel de alimentare.

Datorită faptului că circuitul electric de întoarcere nu se realizează prin sină ca la tramavai și deoarece troleibuzul rulează pe pneuri, ceea ce inseamnă că vehiculul este izolat electric față de sol, duce la măsuri riguroase privind calitatea izolației electrice

Tensiunea de alimentare a rețelelor de troleibuze este aceeași ca la tramavaie, în majoritatea cazurilor de 600 V. aceasta permite ca substașiile de tracțiune să fie comune pentru ambele mijloace de transport.

Metroul

Metroul este un mod de transport tipic mediului urban. Caracteristica ce îl diferențiază față de restul transportului public este faptul că are o cale proprie, subterană sau aeriană, complet separată de rețeaua stradală a orașului.

Printre avantajele pe care le are acest mod de transport sunt:

Viteză comercială ridicată, 35-40 km/h;

Capacitate mare de transport, 35.000-40.000 călători/oră pe un sens.

Transportul pe liniile de metrou se disting prin frecvența foarte mare, viteze de circulație ridicate (până la 80 km/h) și prin stații amplasate la distanțe relativ mici (600-800-1200m)

Elementele constitutive ale metroului, în cazul metroului subteran, sunt:

Tunelul liniei curente;

Tunelul salonului și peroanelor stației;

Tunelurile de acces ale materialului rulant la stațiile de întreținere și reparații;

Tunelurile de acces ale materialului rulant la stațiile de întreținere și reparații;

Tunelurile de acces ale publicului călător;

Calea de rulare;

Sistemul de alimentare cu energie electrică;

Sistemul de alimentare a restului instalațiilor;

Sistemul de ventilație;

Sistemul de pompare a apelor subterane.

O altă trăsătură prin care se diferențiază de restul mijloacelor electrice de transport de suprafață constă în șina de contact prin care vagoanele de metrou sunt de regulă alimentate, denumită și șina a treia. Aceasta se amplasează la sol, în afara căii de rulare.

Șina este amplasată lateral față de calea de rulare și susținută la aproximativ 20-30 cm nălțime față de nivelul superior al șinei de un suport fixat la rândul său de traversa căii ferate.

Izolatorul este construit din porțelan, bazalt, bachelită sau sticlă dură și are rolul de a separa electric șina de contact de suportul său și de cele două șine metalice ale căii de rulare.

Șina de contact poate fi realizată din oțel moale și poate avea același profil ca șinele căii de rulare.

Smart grids

“Smart grids” se refera la o rețea electrică ce integrează tehnologii IT pentru a aduna și disemina informații despre comportamentul furnizorilor și al consumatorilor într-un mod autonom, pentru a produce și distribui energia electrică într-un mod mai efficient, sigur și economic.

O definiție pentru aceasta tehnologie este data de European Technology Platform Smart Grid (ETPSG) :

"A smart grid is an electricity network that can intelligently integrate the actions of all users connected to it – generators, consumers and those that do both – in order to efficiently deliver sustainable, economic and secure electricity supplies."

La baza acestui sistem stă "smart meter" (contor inteligent). În anii '80 a fost implementată pentru prima oara contorizarea automată, iar mai tarziu aceasta a progresat spre infrastructura avansată de contorizare din anii '90 unde se putea înregistra cum era consumat curent în diferite porțiuni ale zilei. Contoarele inteligente vin cu avantajul că adaugă un flux continuu de informații, permițând o monitorizare în timp real.

În prezent, rețele electrice inteligente sunt considerate a fi soluția completă la provocările pe care le prezintă alimentarea cu energie electrică precum și alte domenii în care tehnologia ar putea aduce o contribuție substanțială cum ar fi reducerea emisiilor de dioxid de carbon.

Caracteristici

Fiabilitate, prin utilizarea tehnologiilor existente pentru a îmbunătăți detecția erorilor în rețea și de asemenea, solutionarea lor cu intervenție umană minimă. Aceasta asigură o vulnerabilitate scăzută la atacuri virtuale sau dezastre naturale.

Flexibilitatea unei astfel de rețele este demonstrată prin abilitatea acesteia de a gestiona fluxuri bidirecționale de energie, utilizand astfel, mult mai eficient surse de energie alternativă cum ar fi panouri fotovoltaice, instalații eoliene și alte surse. Această caracteristică pune de asemenea, o bază solidă pentru o infrastructură ce permite introducerea autovehiculelor electrice ca alternativă fezabilă la cele pe combistibili fosili.

Gestionarea sarcinii reprezintă o provocare, deoarece sarcina totală conectată la rețeua electrică variază substanțial de-a lungul zilei. În mod normal, pentru a face față unei creșteri rapide a consumului, sunt puse într-o stare de repaus disipativ mai multe generatoare de rezervă. O rețea smart grid ar putea adresa aceasta problemă prin anunțarea unuia sau mai multor consumatori să își reducă temporar sarcina, pentru a permite unui generator adițional să intre în funcțiune, sau pentru o perioada mai îndelungată în cazul în care resursele sunt limitate. Smart grid-ul va putea utiliza algoritmi matematici pentru a prezice perioadele de vârf și să activeze exact câte generatoare va avea nevoie pentru acele ore de vârf.

Sustenabilitatea este una din caracteristicile cele mai importante a tehnologiei smart grid. Aici ea este evidențiată prin capacitatea de a folosi și distribui atât eficient cât și la mari distanțe energia produsă de surse regenerabile cum ar fi panouri solare și turbine eoliene. Infrastructura existentă nu prea permite multe puncte de acces distribuite pentru asemenea surse iar cele permise operează la un nivel de distribuție local. Din cauză că energia produsă de sursele regenerabile fluctuează rapid din motive specifice fiecărui tip de sursă este necesară acoperirea acestor fluctuații prin utilizarea unor surse mai stabile cum ar fi turbinele cu gaz. Acest fapt prezintă încă o ocazie în care tehnologia smart grid poate fi cheie pentru adăugarea unor cantități foarte mari de energie regenerabilă la rețea.

Acomodarea în funcție de cerere este probabil cea mai vizată îmbunătățire care vine odată cu această tehnologie. Ea permite generatoarelor și sarcinilor să interactioneze într-un mod automat și în timp real, astfel gestionând cererea pentru a evita vârfuri. Odată cu soluționarea acestei probleme este eliminată și nevoia de a instala generatoare de rezervă în plus, extinde durata de viață a echipamentului și permite clienților să-și reducă factura la curent prin ajustarea consumului.

În mod normal, comunicațiile între clienți și furnizori sunt unidirecționale, de la clienți și sarcinile pe care le controlează, la furnizorii care încearcă să acomodeze cererea reușind sau eșuând în funcție de situație. Tehnologia smart grid întâmpină aceasta problemă utilizând tehnologii IT existente pentru a asigura atât o comunicație bidirecțională cât și o latentă pe cât posibil micșorată.

Componente

Comunicații integrate ce permit control în timp real, schimb de date pentru optimizarea sistemului, îmbunătățirea fiabilității, utililzarea optimă a resurselor și securitate.

Smart meter-ul reprezintă un înlocuitor pentru contorul analog convențional, acesta fiind un contor digital care înregistrează consumul în timp real și dispune de comunicație bidirecțională între client și furnizor dar și către alte dispozitive inteligente din rețea. Rețeaua de smart meter-uri distribuite poatră numele de Advanced Metering Infrastructure (AMI).

Figura 9: Implementarea smart meter-ului produs de GE (sursa: www.gedigitalenergy.com)

Unitățile de măsură a fazorilor sau PMU (Phasor Measurement Unit) reprezintă senzori de mare viteză care, odata distribuiți în rețea, pot fi folosiți pentru a supraveghea calitatea energiei și în unele cazuri să răspundă automat la situații de urgență. Implementarea lor la scală largă în rețea poartă numele de WAMS (Wide Area Measurement System) iar aceasta poate asigura o monitorizare în timp real la nivel regional sau chiar national.

Controlul avansat este compus din 4 elemente:

Automatizarea sistemului energetic ce permite diagnosticarea rapidă și soluționarea intreruperilor ce pot apărea în rețea;

Sisteme de control inteligente distribuite;

Unelte analitice: algoritmi software și computer de mare viteză;

Aplicații operaționale cum ar fi SCADA sau substații automatizate.

Interfața și sistemul de suport pentru decizii include tehnologii de sintetizare și abstractizare a datelor într-un format ușor de înțeles și utilizat de către operator, sisteme software ce pun la dispoziția operatorului opțiunile necesare atunci când intervenția sa este necesară și simulatoare pentru instruire și analiza situațiilor posibile.

Cercetare

Mai departe sunt prezentate doar cateva din programele mari de cercetare in acest domeniu la nivel global.

IntelliGrid este un program de cercetare înființat de EPRI (Electric Power Research Institute, SUA). Arhitectura InteliGrid furnizează metodologii, unelte și recomandări asupra standardelor și tehnologiilor în vederea utilizării în cadrul planificării și achiziționării sistemelor IT cum ar fi contorizare avansată, automatizarea distribuției și răspunsul la cerere.

Modern Grid Initiative (MGI) reprezintă o colaborare între DOE ( Department of Energy, SUA) și NETL (National Energy Technology Laboratory), furnizori, consumatori, cercetători și alți acționari pentru a dezvolta o viziune comună la nivel national a rețelei energetice americane modern.

Unul dintre proiectele în derulare la nivel European îl reprezintă proiectul Sesame (Securing the European Electricity Supply Against Malicious and accidental thrEats) ce are ca scop contribuirea la dezvoltarea uneltelor și un cadru legislative pentru securitatea rețelei energetice europene împotriva atacurilor natural, accidentale sau rău intenționate.

GridTech este un proiect la nivel European cu obiectivul principal de a desfășura o evaluare a tehnologiilor noi și implementarea lor ce prezintă un impact asupra rețelei energetice.

REALISEGRID reprezintă un proiect european finalizat în martie 2013 ce a avut ca scop dezvoltarea unui set de criterii, metode și unelte pentru a evalua cum infrastructura de transmisie a energiei ar trebui dezvoltată correct și optim în vederea spijinului pentru a atinge o aprovizionare cu current electric competitive, fiabilă și sustenabilă în cadrul Uniunii Europene

Implementări

În acest subcapitol vor fi prezentate câteva dintre implementările și inițiativele pentru tehnologia smart grid la nivel global iar in figura de mai jos sunt exemplificate doar câteva din investițiile la nivel global a unor guverne pentru implementarea tehnologiei smart grid, eficientizarea și extinderea rețelelor energetice.

Figura 10 (sursa: www.ge.com)

Enel este în present responsabil pentru implementarea celui mai mare și primul sistem energetic smart grid în Italia. Proiectul Telegestore a fost completat in 2005. În implementarea sistemului, Enel a proiectat si fabricat propriile contoare inteligente, sistemul software și a preluat intagrarea sistemului. Sistemul aduce economii anuale de 500 mil. euro la un cost de 2.1 miliarde la finalizarea proiectului.

InovGrid este un proiect pornit în Evora, Portugalia cu scopul de a-și echipa rețeaua energetică cu echipamente IT și dispositive pentru automatizarea administrării rețelei, îmbunătățirea calității serviciilor, reducerea costurilor operaționale dar și creșterea aportului de energie regenerabilă.

În Olanda a fost formată o alianță compusă din 26 de companii sub numele de Smart Energy Collective având ca scop dezvoltarea, testarea și demonstrarea tehnologiilor pentru servicii energetice inteligente, creearea unei platform de informare și dezvoltarea unei piețe commune pentru smart grid.

Un alt proiect in desfășurare, inceput in 2011, se numește RiesLing și reprezintă o colaborare între ABB, Deutsche Telekom, EnBW Ostwrttemberg Donau Ries (ODR) AG și EnBW Regional AG pentru a dezvolta și testa solușii privind rețeaua de distribuție în Nordlinger Ries în sud vestul Germaniei. Printre obiectivele proiectului se numără îmbunătățirea stabilității rețelei de distribuție, integrarea suselor de energie regenerabilă, reducerea duratei căderilor de curent

Vattenfall și Gotlands Energi AB (GEAB), Suedia, în parteneriat cu ABB au dat startul la proiectul intitulat Smart Grid Gotland ce are ca scop instalarea unui sistem intelligent de distribuție a energiei pentru insula Gotland, Suedia folosind majoritatea tehnologiilor smart grid existente în prezent. Printre rezultatele vizate se numără integrarea surselor de energie eoliană, creearea unei infrastructuri fiabile pentru mașini electrice, capacitatea de a răspunde la cerere, stocarea eenergiei și îmbunătățiri în ceea ce privește fiabilitatea și eficiența.

Avantaje și dezavantaje

Avantaje

Printre numeroasele beneficii pe care le aduce aceasta tehnologie de remarcat sunt următoarele:

Vulnerabilitate scăzută la evenimente natural și defecte prin capacitatea sa de autodiagnosticare a problemei și soluționare rapidă astfel eliminând nevoia ca un consummator să anunțe furnizorul de un defect în rețea.

Capacitatea de a integra și administra resurse energetice larg distribuite cum ar fi surse regenerabile de energie. Aceasta este posibilă prin managementul fluxurilor bidirecțonale de informații și energie, disponibilitatea datelor în timp real și echilibrarea cererii și ofertei.

Participarea consumatorilor prin utilizarea tehnologiilor noi de monitorizare astfel permițându-le să-și administreze consumul de energie.

Suport pentru pătrunderea vehiculelor electrice prin creearea unei infrastructure ce le permite să devină o opțiune viabilă la cele pe combustibili fosili.

Dezavantaje

Securitatea unui asemenea sistem, care se bazează într-o proporție foarte mare pe sisteme IT, este prima problemă care apare în agenda oricui ar dori să implementeze un asemenea sistem. Conceput pentru a permite comunicații în timp real între consumatori și furnizori se naște riscul ca aceste capanilități să fie folosite în scopuri criminale sau chiar teroriste.

În vederea instalării oricărui sistem intelligent apare problema costurilor de implementare iar situația de față nu este o excepție. Numai stabilizatoarele de energie ce trebuie instalate pe generatoare sunt foarte scumpe și sunt complicat de integrat în sistemul de control al rețelei, de menționat este că ele sunt eficiente doar atât timp cât și ceilalți furnizori din sistem au asemenea dispositive instalate.

Un alt aspect mai neobișnuit este că un sistem smart grid nu detectează furtul de energie sau pierderea acesteia ci necesită echipamente specializate integrate în sistem ce implică costuri adiționale.

Sinteză

Sursele convenționale de generare a energiei împreună cu infrastructura existentă nu mai sunt în stare să ne poarte mai departe iar surse viitoare de generare a energiei electrice mai au până să ne lumineze casele. Sistemul smart grid reprezintă atât soluția pentru exploatarea și managementul eficient a curentului pe care îl producem prin metode tradiționale dar și o platformă satisfăcătoare pentru integrarea surselor regenerabile de energie împreună cu metode mai ecologice de transport.

Capitolul 2

Arhitectura model SMART GRID pentru implementări

În acest capitol vom aborda implementarea sistemului smart grid și a tehnologiilor implicate în cadrul transportului public de suprafață electric.

Dintre diferitele arhitecturi existente, una din cele luate în considerație pentru acest proiect va fi arhitectura dezvoltată de NIST pentru sisteme smart grid. Arhitectura NIST este una dezvoltată pe baza antecedentelor de implementare din sectorul privat și construită în scopul flexibilității, uniformității și a neutralității din punct de vedere tehnologic.

Această arhitectură se concentrează pe șapte zone principale:

Generarea în masă a energiei electrice

Transmisia energiei electrice

Distribuția

Clientul

Operațiuni

Piețe

Furnizori

A doua arhitectură ce va fi prezentată în proiect va fi cea SGAM dezvoltată de CEN, CENELEC și ETSI ca o îmbunătățire a modelului conceput de NIST cu marele avantaj că în cadrul acestui model se iau în considerare resursele distribuite de energie – DER.

După aceea vor fi prezentate condițiile necesare integrării tehnologiilor smart grid la alimentarea transportului public electric, care sunt acestea și ce implică aducerea lor în cadrul sistemului propus.

Arhitectura NIST

Generalități

În dezvoltarea acestei arhitecturi, NIST a divizat smart grid-ul în șapte domenii principale care, împreună cu subdomeniile sale, cuprind atât actori dar și aplicații ale sistemului. De reținut este că modelul dezvoltat de NIST este unul descriptiv, nu o rețetă pentru implementare ci mai degrabă o unealtă pentru a ghida în această activitate.

În cazul de față prin actori se înțeleg dispozitivele, sistemele sau programele care iau decizii și fac schimb de informații necesare în scopul aplicațiilor ( smart meter-uri, generatoare solare, sisteme de control etc. Aplicațiile sunt sarcinile îndeplinite de unul sau mai mulți actori în cadrul unui domeniu.

Componente

Arhitectura NIST are în componența sa următoarele domenii:

Generarea în masă a energiei electrice. Aplicațiile în acest domeniu reprezintă prima etapă în livrarea energiei electrice către consumatori. Acest domeniu este conectat la domeniul Operațiunilor, Pieței și cel al Transmisiunilor. Printre avantajele integrării tehnologiilor smart grid în acest domeniu se numără: rerutarea automată a puterii de la zone în care generatoarele au cedat, includerea surselor regenerabile de energie în rețea etc.

Transmisia energiei electrice. Acest domeniu poate să conțină resurse distribuite de energie cum ar fi stocarea energiei sau generatoare de vârf. Energia și serviciile auxiliare sunt achiziționate prin intermediu Pieței și administrate de către Operațiuni și apoi livrate prin domeniul Transmisiei de sistemul de distribuție către consumatori. Actori în acest domeniu pot include contoare pentru substații, relee de protecție, unități de măsură a fazorilor, monitoare pentru deformarea liniilor de putere și interfețe pentru utilizatori în substații.

Distribuția. În mod normal rețelele de distribuție au puține instrumente integrate iar comunicațiile, în mare măsură, au fost efectuate manual de către oameni. În prezent, rețelele de distribuție au implementate un grad mare de interconectare, echipamente de control și monitorizare și, de asemenea, resurse de energie distribuită capabile să stocheze și să genereze putere. Beneficii aduse acestui domeniu odată cu implementarea smart grid-ului ar putea include capacitatea rețelei de distribuție de a se fragmenta în ”micro-rețele” în cazul unor defecțiuni.

Clientul. Reprezintă un domeniu conectat electric la Distribuție, Operațiuni, Piețe și Furnizor. De regulă, actori în acest domeniu permit clienților să-și gestioneze uzul și generarea de energie electrică. Actorii în acest domeniu de asemenea asigură control și un flux de informații între Client și alte domenii. Uzual, granițele acestui domeniu sunt contoarele și/sau portalul de comunicare cu furnizorul, la fața locului.

În cadrul acestui domeniu se regăsesc trei tipuri de clienți: industrial, comercial și casnic iar toate aceste tipuri au în componența lor un contor și un portal de comunicare ce se poate regăsi ori în contor ori este asigurat de un actor independent. Acest portal reprezintă principala interfață de comunicare de la un alt domeniu către Client și poate fi via infrastructură AMI (Advanced Metering Infrastructure) sau prin Internet. Între dispozitivele din domeniul Client comunicația se poate face printr-o rețea de tip LAN. Comunicația cu alte domenii din cadrul sistemului permite control de la distanță a sarcinii, monitorizarea și controlul generării distribuite, afișarea consumului pentru utilizatorul casnic, citirea contoarelor pentru alte utilități și ar putea înregistra date în scopuri de securitate.

Operațiuni. Domeniul acesta include funcțiile de management desfășurate pentru funcționarea fără evenimente a sistemului de alimentare. Printre aplicațiile tipice se numără managementul și controlul rețelei, gestionarea defecțiunilor, analiza operațiilor, statistici și rapoarte operaționale.

Piețe. Activități în acest domeniu cuprind, de regulă, stabilirea tarifelor și echilibrarea cererii și a ofertei. Legătura dintre Piață și domeniile responsabile pentru generarea energiei este crucială deoarece în cadrul Pieței se produce corelarea eficientă între producție și consum. Resurse distribuite de energie (DER) este reprezentată de curentul produs nu numai în domeniul Generare dar și în Transmisie, Distribuție și Client iar deși aceste resurse interacționează în piețe astăzi este de așteptat ca această interacțiune să crească odată cu dezvoltarea smart grid-ului.

Furnizorul. Actorii din acest domeniu îndeplinesc, în mod normal, funcții ce vin în suportul operațiunilor economice ale producătorilor, distribuitorilor și clienților. Serviciile aduse de furnizor trebuie sub nici o formă să compromită securitatea, fiabilitatea, stabilitatea sau integritatea rețelei energetice.

Acest domeniu este mărginit de către rețeaua de transmisie și distribuție a energiei, controlate de către Operații.

Caracteristici

Pentru a-și organiza munca, NIST s-a concentrat asupra unor aspecte critice pentru implementările în desfășurare și cele aproape de finalizare:

Conștientizare situațională la scară largă: monitorizarea și afișarea componentelor din cadrul sistemului și a performanței acestora pe o arie geografică largă în timp real;

Răspuns la cerere și eficiența energetică a consumatorilor: mecanisme și motivație pentru reducerea consumului în perioade de cerere mare de către clienți;

Stocarea energiei: metode de stocare directă sau indirectă a energiei electrice;

Transportul electric: se referă în principal la integrarea în masă a vehiculelor electrice.

Securitate virtuală: cuprinde totalitatea măsurilor pentru păstrarea integrității, confidențialității și disponibilității sistemelor de comunicație și control necesare pentru managementul și protecția resurselor din smart grid.

Comunicații in rețea: utilizarea de către domeniile și subdomeniile smart grid-ului a rețelelor de comunicație prin fir și wireless.

Infrastructura avansată de contorizare (AMI): constă în componentele hardware și software, sisteme asociate și programe de management ale datelor în scopul stabilirii unui canal de comunicație bidirecțional între contoarele inteligente și utilități.

Managementul rețelei de distribuție: se concentrează pe maximizarea performanțelor din partea fiderilor, transformatoarelor și alte componente ale sistemului de distribuție și, de asemenea, integrarea cu sistemele de transmisie și operațiuni.

Modelul dezvoltat de NIST reprezintă o unealtă benefică pentru analiza cazurilor de implementare, identificarea interfețelor pentru care standarde de interoperabilitate sunt necesare și facilitarea dezvoltării unei strategii eficiente pentru securitatea virtuală a unei asemenea rețele.

Arhitectura SGAM

Generalități

Modelul conceptual european este bazat pe cel dezvoltat de NIST, la care sunt adăugate unele modificări și adaptări la cerințele europene. Acest model european formează un model template, el reprezentând o legătură între modele construite din diferite puncte de abordare.

În momentul de față sistemul energetic european este bazat pe un număr mare de participanți eterogeni, ce sunt ierarhizați și conectați între ei. Fiecare participant își construiește și administrează rețeaua în propria manieră fiind în același timp nevoiți sa conlucreze.

Prin urmare modelul european este nevoit să abordeze diferitele nivele de descentralizare și să permită modelarea diferitelor nivele de descentralizare între două extreme: un sistem energetic complet centralizat și un sistem energetic complet descentralizat, după cum este arătat mai jos.

”Fully Centralized Energy System”: în extrema aceasta nu există resurse distribuite de energie iar domeniul DER nu este necesar.

”Fully Decentralized Energy System”: la această extremă nu există domeniul ”Generare în masă” iar asemenea sisteme nu există. Energia electrică este produsă de un număr mare de unități distribuite și interconectate de producere a curentului electric. Puterea produsă este cumulată de către rețeaua de distribuție și trimisă rețelei de transmisie.

Una din adițiile pe care le aduce modelul european față de cel NIST este integrarea DER-urilor (Distributed Energy Resources) care l-a rândul ei devine conectată cu alte domenii NIST, din punct de vedere electric și al comunicațiilor.

Componente

Straturile SGAM

Modelul SGAM este compus din cinci straturi de interoperabilitate reprezentând obiective economice și procese, funcții, schimb de informație și modele, protocoale de comunicație și componente.

Fiecare strat acoperă un plan al sistemului smart grid, care este compus din domenii și zone de management al informației.

Stratul economic: reprezintă viziunea din punctul de vedere al unei afaceri asupra schimbului de informații asociat sistemului smart grid. SGAM poate fi folosit pentru a mapa structuri legislative și economice și politici, modele de afacere, portofoliile de afacere ale partenerilor economici implicați. În cadrul acestui strat pot fi reprezentate și abilități și procese economice.

Stratul funcțional: acesta descrie funcțiile și serviciile împreună cu relațiile dintre ele din punct de vedere arhitectural

Stratul informațional: constă în informațiile ce sunt folosite și schimbate între funcții, servicii și componente. El conține pachete de informație și modelele de date canonice. Aceste pachete și modele de date reprezintă limbajul comun pentru funcții și servicii în scopul schimbului de informații interoperabil.

Stratul de comunicații: rolul acestui strat este de a descrie protocoale și mecanisme pentru schimbul interoperabil de informații dintre componente, funcții sau servicii și pachete de informații sau modele de date asociate.

Stratul de componente: accentul se pune aici pe distribuția fizică a tuturor componentelor în contextul smart grid-ului.

Domenii SGAM

În cadrul arhitecturii SGAM, este acoperit în întregime lanțul de conversie al energiei electrice după cum urmează:

Generare în masă: cuprinde generarea energiei electrice prin intermediul surselor regenerabile sau convenționale, în mod uzual conectate la sistemul de transmisie;

Transmisie: reprezintă infrastructura și organizarea ce transportă curentul electric pe distanțe mari;

Distribuție: reprezintă infrastructura și organizarea ce distribuie curentul electric pe distanțe mari;

DER: cuprinde resursele electrice distribuite conectate la rețeaua publică de distribuție, folosind generare de energie electrică la scară mică.

Sediul clientului: este compus atât din utilizatori dar și producători de energie electrică. Sediile pot include facilități industriale, comerciale sau case. Sunt de asemenea suportate metode de producere a curentului cum ar fi panouri fotovoltaice, stocare pentru vehicule electrice, baterii, micro turbine, etc.

Zone SGAM

Aceste zone reprezintă nivelele ierarhizate ale sistemului de management al puterii. Zonele compun un model ierarhizat ce ia în considerare conceptul de agregare și separare funcțională în sistemul de management al puterii.

Conceptul de agregare conține două aspecte în cadrul sistemului:

Agregarea datelor – datele din teren sunt, în mod obișnuit, concentrate într-o stație locală pentru a reduce cantitatea de informații ce trebuie comunicate și procesate în zona de operațiuni.

Agregare spațială – pornind de la o zonă distinctă se ajunge la o arie largă (ex: contoarele inteligente de la sediul clienților sunt agregate de către concentratoare pentru un întreg cartier)

Pe lângă agregare, partiționarea pe zone a modelului urmează și conceptul de separare funcțională, adică funcții diferite sunt desemnate unor zone specifice. Motivul pentru această alocare este, de obicei, natura specifică a funcțiilor. De ex. funcțiile în timp real sunt, de regulă, regăsite pe teren sau în zona stației. Funcțiile ce acoperă o zonă, mai multe substații sau centrale, districte de oraș sunt localizate în zona de operație. Mai jos sunt enumerate zonele cuprinse în cadrul acestei arhitecturi.

Procesare. Aici sunt incluse transformările fizice, chimice sau spațiale ale energiei și echipamentele fizice implicate direct

Teren. Această zonă este compusă din echipamentele pentru protecția, controlul și monitorizarea proceselor din sistem, orice dispozitiv electronic inteligent ce achiziționează și utilizează date de la sistemul energetic.

Stație. Reprezintă agregarea spațială la nivel de teren, de ex. sisteme SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) locale, supervizarea uzinelor, automatizarea substațiilor, etc.

Întreprindere. Cuprinde procese comerciale și organizaționale și servicii și infrastructuri pentru întreprinderi

Piața. Sunt reprezentate toate operațiunile de piață ce pot apărea de-a lungul lanțului de conversie energetic.

Cadrul SGAM

Cadrul SGAM este într-un final obținut prin înglobarea celor trei dimensiuni prezentate anterior:

Domenii;

Straturile de interoperabilitate;

Zone.

Caracteristici

Acest model a fost dezvoltat cu scopul de a permite utilizatorilor să înțeleagă principiile după care a fost conceput și cum să folosească cadrul de implementare SGAM.

Principalele caracteristici după care este compus sistemul sunt:

Universalitate. SGAM a fost conceput pentru a fi un model de reprezentare a arhitecturilor smart grid într-o viziune comună și neutră, ce nu favorizează arhitecturi deja existente.

Localizare. Ideea de bază a acestei arhitecturi este de a plasa entitățile acolo unde este nevoie de ele în planul SGAM și, respectiv, în stratul său. Cu ajutorul acestui principiu, o entitate împreună cu relațiile sale cu alte entități sunt reprezentate în mod clar și sistematic.

Consistență. O mapare consistentă a unui caz de implementare dat sau funcție rezultă ca toate straturile din arhitectura SGAM au desemnată o entitate potrivită. Dacă un strat rămâne neacoperit, asta înseamnă că nu există o specificație sau componentă disponibilă pentru a sprijini acel caz sau funcție. Atunci când toate cele cinci straturi sunt acoperite, înseamnă că acel caz sau funcție poate fi implementat/ă cu specificațiile/standardele date și componentele sale.

Flexibilitate. Acest principiu de flexibilitate poate fi aplicat oricărui strat din arhitectura SGAM pentru a permite proiectări alternative, funcții și servicii. Caracteristica este esențială pentru maparea viitoarelor implementări smart grid și evoluția funcțiilor și serviciilor.

Scalabilitate. SGAM cuprinde întreaga rețea smart grid ca imagine de ansamblu.

Extensibilitate. Odată cu evoluția smart grid-ului ar putea apărea nevoia extinderii arhitecturii SGAM cu zone și domenii.

Interoperabilitate. În general, conexiunile între entități este stabilită de interfețe. Cu alte cuvinte, consistența unei interacțiuni interoperabile poate fi reprezentată de un lanț de entități, interfețe și conexiuni în straturile arhitecturii SGAM.

Integrarea SMART GRID transportului public de suprafață electric

Introducere

Transportul public electric reprezintă un mare consumator de energie electrică. Pentru a implementa sisteme de economisire și management a energiei electrice, este necesar un model pentru estimarea consumului de energie.

Energia electrică este absorbită din rețeaua de alimentare pentru:

Deplasarea vehiculului electric motor neautonom VEM;

Servicii auxiliare la bordul VEM;

Servicii auxiliare în locații adiacente.

La acestea se adaugă și energia pierdută în circuitul de alimentare și retur, în linia de contact și în șine.

Tensiunea de alimentare a VEM-ului variază cu poziția și cu mărimea curentului absorbit, curent ce depinde și de viteza de mers a VEM-ului. Pentru asigurarea unei fluențe în trafic este necesară limitarea căderii de tensiune medii ∆Umed, în circuitul de alimentare respectiv. De asemenea, funcționarea corectă a serviciilor auxiliare de la bordul VEM-ului este condiționată de nivelul minim al tensiunii de alimentare din linia de contact.

Astfel că, în cele ce urmează vom prezenta principalii consumatori în transportul electric public, dar și expune factorii care influențează consumul de energie și importanța lor.

Consumul de energie în transportul public urban

Consumul de energie al unui VEM depinde atât de viteza și accelerația pe care acesta o are la fiecare moment de timp cât și de forța de tracțiune, masa totală, distanța parcursă și numărul de opriri/porniri pe întregul traseu. Pe durata deplasării sale, asupra unui vehicul acționează forța de tracțiune dezvoltată de motoarele sale dar și suma forțelor rezistente care se opun mersului, la care se adună timpul frânării împreună cu forțele de frânare.

Pentru a asigura deplasarea, forța de tracțiune trebuie să fie mai mare decât rezistențele opuse mersului, scop pentru care este utilizată energia electrică. Determinarea acestor forțe de rezistență deține o importanță deosebită pentru calculele de tracțiune și energetice și pentru proiectarea noilor vehicule și a noilor căi de rulare.

Elementele ce influențează consumul de energie electrică la vehiculele electrice motoare sunt:

Caracteristicile traseului;

Caracteristicile constructive ale VEM-ului;

Moduri de funcționare și operare ale vehiculului de-a lungul traseului;

Condiții climatice;

Tipurile de instalații fixe care participă la procesul de deplasare.

De asemenea, pentru determinarea consumului pe un tronson de linie, trebuie cunoscute și caracteristicile traseului parcurs:

Lungimea;

Panta;

Numărul de curbe și raza lor;

Numărul de panouri de informare;

Lungimea interstațiilor;

Numărul de intersecții parcurse;

Numărul de semafoare;

Timpul mediu de așteptare pentru traversarea unei intersecții;

Numărul de tunele și lungimea acestora;

Numărul de stații subterane;

Numărul de lifturi și scări rulante.

În ceea ce privește serviciile auxiliare de la bordul vehiculului, ne sunt necesare date despre condițiile climatice:

Temperatură minimă, medie și maximă pentru fiecare sezon;

Numărul de zile cu temperaturi sub limita înghețului;

Umiditatea medie;

Volumul precipitațiilor.

În stațiile de pasageri trebuie luat în calcul consumul de energie pentru iluminat, sisteme electronice, echipamente electromecanice în stațiile subterane (lifturi, scări rulante, echipamente pentru ventilație).

Pentru infrastructura de alimentare trebuie calculați și optimizați următorii parametri: secțiunea, diametrul și materialele din care sunt făcute firul de contact și cablurile de alimentare și retur, rezistența acestora, numărul de substații și distanța la care sunt situate acestea, tensiune de alimentare și puterea substațiilor de tracțiune, puterea și timpul necesar pentru încălzirea macazelor.

În sistemul de tracțiune electrică, energia este mai ales utilizată pentru deplasarea masei vehiculului, compensând pentru forțele de frecare și pierderile de putere electrică și mecanică.

Consumul de energie al unui VEM depinde de viteza și accelerația sa la fiecare moment în timp, forța de tracțiune proiectat să o dezvolte, masa totală, distanța parcursă și numărul de opriri pe întreg traseul.

Dintre caracteristicile constructive ale vehiculelor electric motoare, enumerăm: numărul, tipul și puterea motoarelor, energia necesară fiecărui motor pentru a dezvolta puterea maximă, posibilitatea de frânare recuperativă, masa efectivă și masa totală, capacitatea, viteza și accelerația, numărul de uși și geamuri ce se pot deschide, consumul de energie al sistemului de ventilație, aer condiționat și încălzire, consumul de energie pentru iluminat.

Tabel 1 Importanța parametrilor în stabilirea consumului de energie electrică în transportul public urban

Sisteme și echipamente necesare pentru implementare

În această parte a lucrării se va pune accentul pe tehnologiile și echipamentele necesare implementării sistemului smart grid pentru transportul public electric.

Aceste tehnologii variază de la contoare inteligente și rețele avansate de senzori până la sisteme de comunicații și suport decizional. După cum a fost descris în părțile anterioare ale lucrării smart grid-ul reprezintă un sistem de sisteme, de aceea o interconectare eficientă și optimă a tuturor acestor echipamente este crucială pentru buna funcționare a sistemului.

Componente avansate

Componentele avansate joacă un rol vital în determinarea comportamentului din punct de vedere electric al rețelei. Aceste dispozitive aduc cu ele cele mai noi descoperiri în materiale, supraconductibilitate, stocarea energiei, circuite de putere și microelectronică pentru a obține densitate mai mare de putere, fiabilitate crescută și o mai bună calitate a energiei, eficiență crescută ce va duce la câștiguri din punct de vedere ecologic și diagnostic în timp real.

Short Circuit Current Limiter (SCCL). Această tehnologie dezvoltată de SIEMENS folosește tiristoare pentru activarea unui reactor menit să reducă curenții de scurt circuit.

Controlul fluxului energetic prin cabluri HTS. Circuit de impedanță mică care poate ușura congestia pe circuitele paralele și controla fluxurile de putere într-o rețea.

D-VAR sau DSTATCOM. Aceste echipamente folosesc tranzistoare IGBT răcite prin aer și operează foarte eficient rezultând în armonici reduse. Ele pot fi folosite pentru stabilizarea tensiunilor, reduce fluctuații, îmbunătăți calitatea puterii, etc.

Static Synchronous Series Compensator (SSSC). SSSC-ul reprezintă un invertor de tensiune conectat în serie cu linia de transmisie în scopul controlului precis al fluxului de putere în linie.

Solid State Transfer (SST) Switches. Echipament conceput pentru a furniza clienților energie de la doi fideri independenți.

Medium Voltage Static Transfer Switch (MVSTS). Oferă protecție împotriva căderilor de curent la un cost scăzut față de un sistem UPS industrial atunci când este disponibilă distribuția prin doi fideri.

Static Var Compensator (SVC). Sunt echipamente precise, de răspuns rapid și înaltă performanță folosite pentru controlul tensiunii dar pot fi folosite și pentru reducerea fluctuațiilor de putere, îmbunătățirea stabilității și optimizarea controlului puterii reactive.

Baterii ZnBr. Reprezintă baterii pentru stocare la un cost scăzut ( mai puțin de 200$/kWh), cu ciclu de viață de peste 100.000 ore, impact ecologic mic și densități de stocare mari.

Resurse distribuite de energie pe bază de client. Exemple de asemenea resurse sunt vehiculele electrice hibrid, pile electrice, control al sarcinii integrat, etc.

Demand Response Business Network (DRBizNet). Aceasta este o infrastructură integrată ce poate fi implementată într-o manieră distribuită și aduce performanțe substanțial crescute în procese economice de cerere și ofertă.

Variable Frequency Transformer (VFT). Este un dispozitiv controlabil, bidirecțional ce poate transfera putere între rețele asincrone.

Superconducting Magnetic Energy Storage System (SMES). Este folosit la stocarea apoi descărcarea instantanee a unor cantități mari de energie.

Metode de control avansate

Reprezintă noi metode și algoritmi pentru monitorizarea componentelor din cadrul sistemului, în felul acesta realizându-se diagnosticarea cât mai rapidă și acționarea corespunzătoare la evenimentele ce pot apărea. Acestea suportă de asemenea și managementul resurselor și eficientizarea operațiunilor.

Distributed Intelligent Control Systems. Sunt sisteme inteligente, adaptive, semi-autonome de control ce folosesc procesare paralelă și distribuită. Procesarea distribuită este practic procesare paralelă prin intermediul mai multor computere independente ce comunică între ele pentru a îndeplini o sarcină comună.

Substation Automation. Reprezintă implementarea senzorilor inteligenți cu sisteme de comunicații integrate în scopul monitorizării în timp real și a controlului echipamentelor din substații.

Advanced SCADA. Adaugă la sistemul de bază funcții adiționale cum ar fi tagging, alarme, interfețe de utilizator avansate, managementul sarcinilor, predicții pe termen scurt în ceea ce privește sarcinile în rețea.

SMP Gateway. Include toate funcțiile necesare pentru integrarea dispozitivului la nivel de substație: convertor de protocol, server terminal, procesor de automatizare și sincronizare de timp.

Distribution Automation. Implică integrarea comunicațiilor cu senzori inteligenți pentru a reconfigura echipamentele de distribuție în timp real în scopul prevenirii căderilor de curent și a reduce timpul întreruperilor în servicii.

Areva-BITRONICS 70 Series Real-Time Monitoring and Event Recording. Este o soluție pentru automatizarea substațiilor conceput pentru a furniza monitorizare și înregistrare a evenimentelor în timp real în substațiile c.a. de înaltă tensiune.

Areva-CBWatch. Monitorizează în continuu siguranțele din circuit și atenționează în privința oricărei defecțiuni în timp real.

Dynamic Security Assesment. Tehnologie on-line care surprinde condiția sistemului la un moment dat, îndeplinește evaluări de securitate în timp real și atenționează operatorii în privința situațiilor anormale și furnizează recomandări în privința soluțiilor.

HIQgrid Digital Control System. Acesta este un sistem flexibil de monitorizare și control ce poate fi adaptat pentru orice echipament alimentat. Conectează dispozitive din diferite sisteme la o interfață comună de control, sistemul este scalabil până la sute de mii de puncte de control.

Enhanced Automation. Adaugă date despre vreme, prețul energiei electrice și date de la contoare la un sistem de management al energiei în scopul unui control îmbunătățit al costurilor și confort ridicat.

Advanced Feeder Automation. Folosește comunicații peer-to-peer și inteligență distribuită pentru a izola o secțiune defectă în linie și restaura puterea către secțiunile funcționale ale liniei.

Automatic Protective Coordination After Feeder Reconfiguration. Sistem de coordonare a protecției ce este actualizat automat după reconfigurarea circuitelor.

Physical Operating Margin (POM) for Ultrafast Load Flows with Boundry of Operating Region Vizualization Tools. Calculează fluxuri de sarcină ultra rapid (un sistem de 40.000 de VEM-uri în 0.5 s) și generează nomograme pentru operatori.

Physical Operating Margin (POM) for Ultrafast Load Flows with Optimal Mitigation Measures (OPM). Permite reducerea congestiei la transmisie, management optim al căderilor de curent și planificare CAPEX.

Distributed Energy Workstation (DEW). DEW creează modele integrate pentru sistemele de transmisie-distribuție.

Advanced Grid Observation Reliable Algorithms (AGORA). Monitorizează și analizează starea rețelei electrice pentru a genera ți propune, în mod automat, planuri optimizate pentru reabilitarea sistemului atunci când apare o defecțiune reală la scară largă sau simulată.

Weather and Load Forecasting – Artificial Neural Network (ANN). ANN este un grup interconectat de neuroni artificiali ce utilizează modele matematice pentru a procesa informații și a furniza predicții meteo și în ceea ce privește sarcina în sistem.

Monitorizare și măsurare

Aici sunt cuprinse tehnologii care îmbunătățesc măsurătorile în cadrul sistemului energetic și permit transformarea datelor în informații. Ele evaluează sănătatea echipamentelor, integritatea rețelei și suportă măsuri avansate de protecție.

Phasor Measurement Units (PMU). Sunt dispozitive ce pot măsura undele electrice dintr-o rețea în mod sincronizat pentru determinarea stării rețelei electrice în scopul automatizării, controlul sarcinii în rețea și creșterea calității puterii.

Sisteme de monitorizare a cablurilor. Ajută la determinarea stării cablurilor împământate. Printre sistemele folosite se numără: GE IDA 200, AVO CableTrend® și NetworkTrend®, KEMA, etc.

Sisteme de monitorizare a bateriilor. Aceste monitoare pot verifica starea elementelor galvanice, tensiunea la borne, caracteristica de încărcare/descărcare, etc pentru bateriile folosite în substații pe post de surse de rezervă.

Advanced Metering Infrastructure (AMI). AMI este un sistem complet ce integrează contoare inteligente cu sisteme corespunzătoare de comunicații pentru a furniza informații despre consum și starea sistemului către operatorii de rețea.

Portal pentru consumatori. Reprezintă o interfață inteligentă între consumator și furnizor ce poate furniza soluții pentru creșterea eficienței, confortului și siguranței.

Wireless ePulse. Tehnologia furnizează înregistrare și comunicare de date pentru detecția preventivă a defecțiunilor.

Sisteme de protecție avansate. Cuprinde dispozitive electronice inteligente ce monitorizează condițiile de funcționare a rețelei și îndeplinesc calcule și analize pentru determinarea riscului pentru resursele din rețea.

Relee de protecție avansate. Printre funcțiile avansate ce pot fi îndeplinite se numără localizarea defecțiunilor, localizarea defecțiunilor la impedanță înaltă și utilizarea comunicațiilor în rețea.

Protecție avansată pentru linii aeriene (PulseClosing). Sistemul aplică un puls slab de mare viteză liniei astfel reducând semnificativ curenții dăunători și dilatarea liniei afectate de acești curenți.

Real Time Transmission Line Monitoring System (RL-TLMS). Este un sistem de senzori de la distanță, ce funcționează în timp real, pentru monitorizarea liniilor aeriene de înaltă tensiune.

Senzori infraroșii. Camere infraroșii ce convertesc radiația termică emisă de componentele rețelei în imagini ce sunt calibrate după o scară termică.

Interfețe îmbunătățite și suport decizional

Un sistem smart grid va avea nevoie des de o utilizare la scară largă, continuă și în timp real a aplicațiilor și uneltelor care permit operatorilor și managerilor de rețea să ia decizii rapide. Suportul decizional împreună cu interfețele îmbunătățite vor deschide calea către un proces decizional mult mai eficient, precis și rapid la toate nivelele rețelei.

GIS Map Displays with Spatial Analysis, Attribute Mapping and Data Conversion. Sistem pentru crearea și administrarea datelor geografice și a atributelor asociate.

PowerWorld Retriever. Oferă operatorilor o vedere în timp real sau istorică asupra sistemului și a diverșilor parametri ce îl caracterizează.

CERTS VAR-Voltage Management Tool. Livrează date operaționale într-un format vizual ușor de înțeles către operatori.

CERTS Area Control Error (ACE)-Frequency Real-Time Monitoring System. Unealta se bazează pe date generate o dată la 4 secunde de către toate zonele rețelei pentru a crea o imagine de ansamblu, în timp real, a întregii rețele electrice.

Control Room Automation (CORA), EOOS Plant Monitoring Tools. Sisteme software de monitorizare a centralei ce include suita CORA și monitorul de risc EOOS ca unelte pentru suport decizional.

OSI PI Process Book. Software ce permite utilizatorilor să creeze afișaje grafice dinamice și interactive.

GridAgents. Sunt algoritmi inteligenți pentru monitorizarea și filtrarea datelor capabile să ia decizii într-un mod adaptiv.

Self Organizing Maps. Algoritmi ce utilizează recunoașterea tiparelor pentru a afișa profilul sarcinilor și informații legate de rețeaua electrică la nivelul întregului sistem.

Power System Analysis Tools. Este o suită de unelte software pentru modelarea, proiectarea și analizarea rețelelor electrice.

Distribution System Modeling Software. Unelte software pentru modelarea și analiza sistemelor de distribuție.

Real Time Digital Simulators (RTDS). Reprezintă o unealtă software utilă pentru studiul rețelelor electrice de înaltă tensiune atât pentru c.c. dar și pentru c.a.

Comunicații integrate

Comunicații de mare viteză, bidirecționale și complet integrate ce transformă smart grid-ul într-o infrastructură dinamică și interactivă în scopul schimbului de energie și informații în timp real. O arhitectură deschisă deschide drumul pentru un mediu care pune în legătură, într-un mod securizat, componente, clienți și operatori pentru a comunica, asculta și interacționa.

Power Line Communication (PLC). Sistemul TWACS® (Two-Way Automatic Communication System) folosește liniile electrice deja existente pentru comunicații bidirecționale via radio frecvență.

Narrowband PLC Device Language Message Specification (DLMS). Această variantă a comunicațiilor PLC este destinată aplicațiilor de viteză joasă cum ar fi citirea automată a contoarelor.

WiMax (4G). Este o soluție ideală pentru comunicații de mare viteză și la distanțe mari (16-48km). Se folosește de standardul IEEE 802.16 pentru comunicarea cu mai mulți clienți.

Time Division Multiple Access (TDMA). TDMA este o tehnologie de transmisiune digitală ce alocă fiecărui utilizator un slot unic în cadrul fiecărui canal.

Internet Protocol Version 4 (IPv4). Reprezintă cel mai răspândit și ușor de implementat protocol pentru transmisia datelor în rețea.

Virtual Private Groups Technology (VPG). Tehnologia VPG este o soluție ce adresează pericolul atacurilor virtuale prin criptarea endpoint-to-endpoint a traficului de date.

Sinteză

Tehnologiile prezentate mai sus sunt doar o parte din totalitatea soluțiilor atât existente pe piață dar și, în prezent, în dezvoltare. Smart grid-ul reprezintă o tehnologie ce se caracterizează prin abilitatea sa de a evolua odată cu implementarea la scară din ce în ce mai mare dar și prin absorbția de tehnologii noi și inovatoare cu potențialul de a duce rețeaua electrică la următorul pas de performanță.

Capitol 3

Descriere

În această parte a lucrării va fi descrisă proiectarea și funcționarea blocului electronic.

Vor fi prezentate schema bloc și schemele electrice pentru partea hardware dar și proiectarea software-ului ce va sta la baza funcționării.

Ideea ce stă la baza proiectării este de a demonstra capacitatea unui sistem smart grid de a reacționa dinamic și în timp real la fluctuații în cererea din cadrul rețelei electrice.

Consumatorii vor fi reprezentați prin trei seturi de câte trei baterii AA de 1,5V iar nivelul de consum prin trei șiruri de LED-uri, fiecare și având trei grupe de culori (V, G și R). LED-urile vor fi dispuse în trei linii pe o placă de textolit de dimensiuni 20×15 cm iar diodele din fiecare grupă vor fi legate între ele în paralel.

Anodul comun al LED-urilor va fi legat la +5V iar catodul fiecărei diode va fi legat în serie cu o rezistor de 330Ω pentru limitarea tensiunii la catod. Catodul comun al diodelor va fi legat la colectorul unui tranzistor bipolar de tip NPN BC547, ce are rol de comandă a LED-urilor.

Tranzistoarele la rândul lor vor avea înseriate la bază câte un rezistor de 10K pentru limitarea curentului în bază. Într-un final, fiecare grup de leduri, câte 3 pentru fiecare culoare deci 9 în total, va ”deține” câte o intrare digitală a unei plăci de achiziții LabView de unde vor primi comanda de aprindere/stingere.

La intrările analogice ale plăcii de achiziție se vor conecta trei baterii formate din cele câte trei elemente galvanice de 1,5V, fiecare baterie având intrarea sa și masa comună conectată tot la placa de achiziție.

Schemă bloc

Listă componente

R1, R2, R3 = 10K;

R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 = 330Ω;

D1, D2, D3 = LED-uri roșii;

D4, D5, D6 = LED-uri galbene;

D7, D8, D9 = LED-uri verzi;

T1, T2, T3 = BC547 NPN;

9x baterii AA de 1,5V.

Calcul economic

Schemă electrică

Schemă de fiabilitate

Program LabView

Programul în LabView este conceput să compare nivelele de tensiune primite la intrările sale analogice și în funcție de aceste nivele să aprindă/stingă LED-urile în funcție de acestea.

Logica sa este după cum urmează:

Având intervale de valori prestabilite, se vor determina pentru fiecare ramură numărul de baterii conectate;

Se va căuta cel mai comun număr minim de baterii conectate la fiecare ramură;

Se va scade acel număr minim la fiecare din cele 3 ramuri și se va determina o treaptă comună de tensiune;

În funcție de diferența de treaptă pe fiecare ramură se vor aprinde LED-urile corespunzător.

Bibliografie