Sisteme Scada Pentru Tehnologia Smart Grid

PROIECT DE DIPLOMĂ

Sisteme SCADA pentru tehnologia Smart Grid

Capitolul 1

Introducere

Transportul urban electrificat, care are în componență transportul de suprafață inclusiv pe cel subteran, se referă la o resursă necesară oricărui mediu urban în dezvoltare.

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

Având în vedere aceste lucruri , transportul urban electrificat rămâne în continuare unul dintre marii consumatori de energie electrică iar pentru a facilita mai departe imbunatarilea calității transportului, acest aspect trebuie tratat cu o atenție sportita.

Chiar dacă administrarea consumatorilor și surselor producătoare de energie electrică reprezintă o problemă globală, lucrarea de față va sublinia administrația energiei electrice pentru transportul urban electrificat de suprafață.

În acest moment, tehnologia cea mai favorabilă și care începe să apară din ce în ce mai mult în anumite țări este tehnologia smart grid. Această tehnologie vine prin conceptul de autonomie al rețelelor electrice.

În zilele noastre, rețelele electrice inteligente reprezintă o soluție completă la provocările pe care le descrie alimentarea cu energie electrică dar și în alte ramuri în care tehnologia ar putea aduce o ofertă importantă ca de exemplu reducerea emisiilor de dioxid de carbon.

Smart grid încorporează sisteme IT și servicii de comunicație actual existente pe piață, și în anumite situații diverse tehnologii încă experimentale , pentru a fixa o legătură bidirecțională și în timp real între furnizorii de energie electrică și consumatori în interesul gestiunii autonome a resurselor laolaltă cu detectarea, diagnosticarea iar, în anumite situații , soluționarea problemelor ivite în rețea

Transportul urban public electrificat

Tracțiunea electrică

Noțiuni generale

Sistemele de tracțiune urbană constau într-un ansamblu de echipamente și sisteme electrice utilizate în transportul terestru. Acestea sunt mobile sau fixe, integrate pe vehiculele prevăzute cu motoare electrice și care absorb energia de care au nevoie de la o linie electrică de contact. Aceste sisteme de tracțiune urbană ajută 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 ajutorul mijloacelor aflate la bordul vehiculului;

cu aderență la cale:

ghidate

neghidate

fără aderență la cale – cele pe pernă magnetica

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

Dupa modul de alimentare a sistemului de tracțiune:

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

Neautonome – necesită alimentarea prin intermediul unei linii de contact.

Avantajele tractiunii electrice

În ramura sa de aplicație , transportul de călători și marfă urban, interurban și suburban, tracțiunea electrică dispune de unele avantaje față de celelalte sisteme de transport terestru:

Performanțe bune în transportul urban și suburban;

Eliminarea gazelor poluante;

Permite realizarea unui trafic feroviar de mare viteză;

Eficiență sporită în exploatarea energiei electrice;

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

Tracțiunea electrică posedă avantaje majore în cadrul transportului urban, mai ales în cazul metroului. Soluția de neînlocuit în ceea ce privește transportul urban și suburban din marile orașe este capacitatea de a transporta aproximativ 60.000 de călători pe oră pe un singur sens de mers la o viteză comeriala de minim 25 km/h.

Pentru orașele mijlocii, utilizarea vehiculelor articulate de capacitate mare a dus la posibilitatea de a transporta în jur de 6000 de călători pe oră în fiecare sens de mers în comparație cu aproximativ 3000 de călători pe oră care este capacitatea maximă de transport a unei linii de autobuz.

Ca și tracțiunea electrică, în domeniul feroviar mai este utilizată la scară largă și tracțiunea diesel electrică.

Alegerea dintre ele este puternic determinată de costurile de exploatare și de investiție precum și de factorii economici. Costurile de investiție sunt fixe, iar costurile de exploatare diferă în funcție de caracteristicile liniei, volumul traficului,etc.

1.2.1.3 Componentele unui sistem de tracțiune electrică

În schema alăturată este evidențiată structura generală a unui sistem de tracțiunea electrică (STE) cu vehicul electric motor (VEM) neautonom. În această figură sunt prezentate două feluri de instalații, mobile și fixe.

CE – centrală electric

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 sectionare

PSS – post de subsectionare

CR – cale de rulare

VEM – vehicul electric motor

Instalații fixe pentru VEM neautonom:

a. 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.

b. Substatiile de tranctiune 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.

c. Linia de contact semnifică o rețea electrică aeriană sau la sol , de curent continuu sau curent alternativ, întemeiată și montată de-a lungul căii de circulație prin care se alimentează VEM-ul prin intermediul unui captator.

d. Calea de rulare reprezintă modul de circulație a unui VEM. Aceata poate fi din beton , metalică și mixtă.

e. Fiderii de alimentare reprezintă liniile electrice aeriene care au o o lungime scurtă și se folosesc pentru a alimenta linia de contact de la substatiile de tracțiune electrică cu energie electric

f. Posturile de secționare au în componență aparate de comutație și au rolul de a conecta logitudinal sau transversal linia de contact sau de de a secționa linia de contact. Se află la jumătatea distanței dintre două substații de tracțiune electrică .

g. Posturile de subsectionare reprezintă instalații de comutare care pot conecta transversal ori longitudinal tronsoanele dintre o substație de tracțiune electrică și un post de secționare.

h. Posturile de legare în paralel au echipamente de comutație care în cazul prezenței a două linii de contact se face 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 subsectionare în schema generală.

i. Fiderii de întoarcere reprezintă cabluri de record ale liniei electrice aeriene ori subterane dintre circuitul de forță al substatiei de tracțiune electrică și șina metalică a căii de rulare.

Instalațiile mobile reprezintă acele instalații care sunt instalate direct pe VEM. Acestea procesează energia electrică primită de la linia de contact după care o distribuie mai departe motoarelor electrice, care apoi o transformă în energie mecanică ce ajută la deplasare.

1.2.1.4 Clasificarea sistemelor de tracțiune electrică

Pana in acest moment au fost create patru sisteme dintre care doar trei mai sunt utilizate in prezent:

a. Sistem de curent trifazat cu frecventa de 16 2/3 Hz

b. Sistem de curent continuu

c. Sistem de curent monofazat cu frecventa de 16 2/3 Hz

d. Sistem de curent monofazat cu frecventa industriala (50 Hz)

Sistemul de curent trifazat cu frecvență de 16 2/3 este primul sistem de tracțiune electrică feroviară. Acesta a fost folosit prima dată în Elveția și Italia prin anul 1900, dar din cauza faptului că au apărut niște complicații la liniile de contact bifilare la încrucișări și în stații , acesta a fost abandonat.

Sistemul de curent continuu a apărut tot prin anul 1900 și a avut o expansiune mare între 1920-1939, în tracțiunea electrică urbană cât și cea feroviară.

Avantajele pe care sistemul de tracțiune electrică în curent continuu le prezintă sunt :

a. Posibilitatea racordării directe a substatiei de tracțiune electrică la rețeaua trifazată de frecvență industrială fără să producă dezechilibre electrice în aceasta;

b. Perturbațiile care rezultă în urma inducției magnetice se pot limita din atenuare și prin absorbie a armonicilor de curent.

Principalele dezavantaje ce le prezinta sistemul sunt :

a. Costul ridicat al substatiilor de tracțiune electrică;

b. Apariția curenților foarte mari de ordinul ka , în cazul tracțiunii feroviare, din cauza nivelului limitat al tensiunii în linia de contact.

Sistemul de curent monofazat cu frecvență de 16 2/3 Hz și-a făcut apariția în anul 1910 drept urmare 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.

Pentru alimentarea cu energie electrică se pot folosi două variante:

a. Prima variantă are scopul de a produce și a transporta energia electrică direct în curent alternativ monofazat de 16 2/3 Hz, în centrale proprii aflate în gestiunea administrațiilor de cale ferată.

În centralele electrice ( de tip hidroelectric 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 aeriene exclusiv la substatiile de tracțiune electrică.

A doua modalitate este utilizarea stațiilor de conversie feroviară ce asigură conversia numărului de faze și a frecvenței . Stațiile de conversie sunt alcătuite din :

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.

Avantajele principale ale unui astfel de sistem sunt :

secțiunea firului liniei de contact va fi scăzută datorită nivelului crescut al tensiunii și astfel rezultă un consum scăzut de cupru și o construcție simplificată a catenarei.

distanța medie dintre substatiile de tracțiune este mărită aproape de 50km

problema alimentării serviciilor auxiliare e mă ușor rezolvată

flexibilitate ridicată în exploatare din cauza apariției transformatorului coborâtor pe locomotivă și a construirii secundarului cu mai multe trepte de tensiune.

Principalele dezavantaje ale sistemului monofazat de frecvență joasă sunt:

necesitatea unui sistem energetic propriu

necesitatea unor stații de conversie feroviară relativ complexe pe suprafețe mai mari

prezența unor perturbații electromagnetice împotriva liniilor de telecomunicație vecine

realizare mai sofisticată a instalațiilor de centralizare a stațiilor de cale ferată.

Sistemul de current monofazat cu frecventa industriala are niste avantaje semnificative fata de cele prezentate pana acum:

alimentarea substatiilor se face direct de la sistemul energetic național

tensiunea este ridicată în linia de contact iar în acest mod distanța între substații este ridicată iar realizarea liniei de contact se face mai ușor.

realizare mai simplă a substatiilor de tracțiune

În acest caz , substatia de tracțiune este echipată doar cu transformatoare monofazate coborâtoare alimentate la două faze ale sistemului energetic național. Secundarul este legat la linia de contact care e alimentată cu 25kV la frecvență industrială.

Pentru soluția aceasta este nevoie doar de două transformatoare monofazate pentru substatia de tracțiune.

Alt avantaj ar fi distanța dintre substații care ajunge și la 60-80km ca urmare a tensiunii nominale de 25 kv a liniei de contact.

Tramvaie

La tramvaie sunt folosite cam aceleași soluții ca la căile ferate electrificate doar că adaptate pentru condițiile urbane de trafic. Sistemul de propulsie este alimentat în curent continuu la 600 sau 825V.

Elementele componente sunt :

Calea. La tramvai este diferit față de căile ferate , aici găsindu-se șină cu canal. Acest fel de șină este necesar în scopul incorporării caii în carosabilul străzii iar rezemarea șinelor se face pe pat de piatră spartă sau pe longrine de beton.

De cele mai multe ori , în zonele urbane , calea este dispusă central , între cele două sensuri de circulație.

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

Linia de contact și substatiile de tracțiune. Linia de contact aeriană este acea parte din instalația fixă de tracțiune ce asigură transportul energiei electrice și a cărei particularitate funcțională constă în faptul că ea furnizează energia electrică a vagonului prin intermediul pantografului.

În cazul tramvailor sunt prezente diferențe minore față de instalațiile de contact utilizate la căile ferate. La fel și pentru substatiile de tracțiune cu mențiunea că se compară între ele sistemele de alimentare în curent continuu.

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

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

Nt = Na + (St – Ss)np = Na + Np

unde:

Nt – numărul total de călători

Na – numărul călătorilor așezați

np – numărul călătorilor în picioare pe m2;

Np – numărul de călători în picioare

Troleibuze

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

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

Din cauza faptului că circuitul electric de întoarcere nu se realizează prin șină ca la tramvai și deoarece troleibuzul rulează pe pneuri, ceea ce înseamnă 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 tramvaie, în majoritatea cazurilor de 600V. Aceasta permite ca substatiile 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.

Avantajele acestui mod de transport sunt :

viteză comercială ridicată, 35-40km/h

capacitate mare de transport, 40.000 călători / oră pe un sens

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

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

tunelul liniei curente

tunelul salonului peroanelor stației;

tunelurile de acces ale materialului rulant la stațiile de întreținere reparații;

tunelurile de acces ale publicului călător;

calea de rulare;

sistemul de alimentare cu energie ;

sistemul de alimentare restului instalațiilor;

sistemul de ventilație;

sistemul de pompare apelor subterane.

O altă caracteristică prin care se diferențiază de restul mijloacelor electrice de transport de suprafața constă în șina de cintact prin care vagoanele de metrou sunt de regulă alimentate, denumită și șina a treia. Aceasta se amplasează la sol , în afara caii de rulare.

Capitolul 2

2.1 Smart Grids

" Smart Grids " reprezintă 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 întru-un mod mai eficient, sigur și economic.

O definiție pentru această tehnologie este dată de European Technology Platform Smat 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 efficently deliver sustainable, economic and secure electricity supplies. "

La baza acestui sistem se află un contor inteligent . În anii '80 a fost implementată pentru prima dată contorizarea automată, iar mai târziu 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 momentul de față, rețelele 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 controbutie sustantiala cum ar fi reducerea emisiilor de dioxid de carbon.

Caracteristici

Fiabilitate, prin utilizarea tehnologiilor existente pentru a îmbunătății detecția erorilor în rețea și de asemnea, soluționarea 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, utilizând astfel , mult mai eficient surse de energie alternativacum ar fi panouri fotovoltaice, instalații eoliene și alte surse. Această caracteristică pune de asemnea , o bază solidă pentru o infrastructură ce permite introducerea autovehiculelor electrice ca alternativă fazabila la cele pe conbustibili fosili.

Gestionarea sarcinii este o provocare, pentru că sarcina totală conectată la rețeaua 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 rapaus disipativ mai multe generatoare de rezervă. O rețea smart grid ar putea adresa această problemă prin anunțarea unuia sau mai multor consumatori să își reducă temporar sarcina, pentru a permite unui generator adițional să între în funcțiune, sau pentu o perioadă mai îndelungată în cazul în care resursele sunt limitate. Smart grid-ul va putea utiliza algorimi matematici pentru a prezice perioadele de vârf și să activeze exact câte generaoare 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 distrbui atâta eficient cât și la mai distanțe energie produsă de surse regenerabile cum ar fi panouri solare și turbine eoliene. Infrastructura existentă nu prea permite multe puncte de acces distruite pentru asemnea surse iar cele permise operează la un nivel de distrbutie 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 cea mai vizată îmbunătățire care vine odată cu această tehnologie. Aceasta permite generatoarelor și sarcinilor să interacționeze într-un mod automat și în timp real, astfel gestionând cererea entru 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 clientlor să-și reducă factura la curent prin ajustarea consumului.

În mod normal, comunicațiile între clienți și furnizori sunt unidirecționale, de 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 această problemă utilizând tehnologii IT existente pentru a asigura atât o comunicație bidirecțională cât și o latență pe cât posibil micșorată.

Componente

Comunicații integrate ce permit control în timp real , schimb de date pentru optimizarea sistemului, îmbunătățirea fiabilității, utilizarea 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 poartă numele de Advanced Metering Infrastructure ( AMI).

Unitățile de măsură a fazorilor sau PMU ( Phasor Measurement Unit ) reprezintă senzori de mare viteză care, odată distribuiți în rețea, pot fi folosiți pentru a supraveghea calitatea enegiei și în unele cazuri să răspundă automat la situații de urgență. Implementarea lor la scară largă în rețea poartă numele de WAMS ( wide area measurement system ) iar această poate asigura o monitorizare în timp real la nivel regional sau chiar național.

Controlul avansat este compus din 4 elemente:

automatizarea sistemului energetic ce permite diagnosticarea rapidă și soluționarea interruperilor ce pot apărea în rețea;

sisteme de control inteligente distribuite

unelte analitice: algoritmi software și computer de mare viteză;

aplicații operaționale cum ari fi SCADA sau substații automatizate

Interfața și sitemul 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 analiză situațiilor posibile.

Cercetare

Mai departe sunt prezentate doar câteva din programele mari de cercetare în 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 Inițiative (MGI) este o colaborare între DOE ( Department of Energ , SUA ) și NETL ( National Energy Technology Laboratory), furnizori, consumatori, cercetători și alți acționari pentru a dezvolta o viziune comună la nivel național a rețelei energetice americane modern.

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 corect și optim în vederea sprijinului pentru a atinge o aprovizionare cu curent electric competitivă , 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 în figura de mai jos sunt exemplificate doar câteva din investițiile la nivel global a unor guverne pentru implementarea tehnologiei smart grid, eficientizarea și extindearea rețelelor energetice.

Enel este în prezent responsabil pentru implementarea celui mai mare și primul sistem energetic smart grid în Italia. Proiectul Telegestore a fost completat în 2005. În implementarea sistemului, Enel a proiectat și fabricat propriile contoare inteligente, sistemul software și a preluat integrarea sistemului. Sistemul aduce economii anuale de 500 milioande 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 dispozitive 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 energtice inteligente, crearea unei platforme de informare și dezvoltarea unei piețe comune pentru smart grid.

Avantaje și dezavantaje

Avantaje:

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

Vulnerabilitate scăzută la evenimente naturale și defecte prin capacitatea sa de autodiagnosticare a problemei și soluționare rapidă astfel eliminând nevoia ca un consumator 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 bidirecționale de informații și energie, disponibilitatea datelor în timp real și echilibrarea cereri 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 infrastructuri 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 capabilități să fie folosite în scopuri criminale sau chiar teroriste.

În vederea instalării oricărui sistem inteligent apare problema costurilor de implementare iar situația de față nu este o excepție. Numai stabilizatoarele de enegie 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 dispozitive 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 sunse 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 enegie împreună cu metode mai ecologice de transport.

Capitolul 3

3.1 Arhitectură 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 dintre 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 implemantare 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 imbunataire a modelului conceput de NIST cu marele avantaj că în cadrul acestui model se iau în considerare resursele distrbuite 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.

3.1.1 Arhitectura NIST

3.1.1.1 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 implemantare 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.

3.1.1.2 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. Prințe avantajele integrării tehnologiilor smart grid în acest domeniu se număra : recrutarea 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 intermediul 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 distribuitie 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 incerconectare, echipamente de control și monitorizare și , de asemenea, resurse de energie distribuită capabile să stocheze și să genereze putere. Beneficii aduse acestui domeniu pdata 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 infrastructura 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 ce număra 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 că aceaasta interacțiune să crească odată cu dezvoltarea smart grid-ului.

Furnizorul. Actorii din acest domeniu îndeplinesc , în mod normal, funcții ce vin în suportul operatiuniilor 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.

3.1.1.3 Caracteristici

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

Conștientizare situatilonala 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 eficientă 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: curpinde totalitatea măsurilor pentru păstrarea integrității, confidențialității și disponibilității sistemelor de comunicație și control necesare pentru managementul și protecția resurselor din smart grid.

Comunicații de 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 performatelor din partea fiderilor, transformatoareleor și alte componente ale sistemului de distribuție și, de asemenea, integrarea cu sistemel de transmisie și operațiuni.

3.1.2 Arhitectura SGAM

3.1.2.1 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 su nt ierarhizați și conectați întrei ei. Fiecare participant își construiește și administrează rețeaua în prorpia manieră find în același timp nevoiți să conlucreze.

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

"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 faa de cel NIST este integrarea DER-urilor ( Distributed Enegy Resources) care l-a rândul ei devine conectată cu alte domenii NIST, din punct de vedere electric și al comunicațiilor.

3.1.2.2 Componente

3.1.2.2.1 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, potofoliile de afacere ale partenerilor economici implicați. În cadrul acestui strat pot fi reprezentate și abilități și procese economice.

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

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

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

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

3.1.2.2.2 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, comeriale sau case. Sunt de asemenea suportate metode de producere a curentului cum ar fi panouri fotovoltaice, stocare pentru vehicule electrice, baterii, micro turbine, etc.

3.1.2.2.3 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 zonă 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 interg cartier)

Pe lângă agregare, partiționarea pe zone a modelului urmează și conceptul de separare funcțională, adică funcții diferite sunt desemnate ușor 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, distincte 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 echipamente 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 substatiilor , etc.

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

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

3.1.2.2.4 Cadrul SGAM

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

Domenii

Straturile de interoperabilitate

Zone

3.1.2.3 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 implemantare 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 implemantare dar sau funcție rezultă că toate straturile din arhitectura SGAM au desemnată o entitate potrivită. Dacă un strat rămâne neacoperit, asta înseamnă că nu există o specificație sau componența disponibilă pentru a sprijini acel caz sau funcție. Atunci când toate cele cinci straturi sunt acoperite , înseamnă că acel caz sau funcție poate fi implemantata cu specificațiile/standardele date și componentele sale.

Flexibilitate. Acest principiu de flexibiliate 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 în 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 nevoie extinderii arhitecturii SGAM cu zone și domenii.

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

3.2 Integrarea SMART GRID transportului public de suprafata electric

3.2.1 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 auxialiare 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 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 asgurarea unei fluențe în trafic este necesară limitarea căderii de tensiune medii în circuitul de alimentare respectiv. De asemnea, 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 exppune factorii care influențează consumul de energie și importanța lor.

3.2.2 Consumul de energie in transportul public urban

Consumul de energie al unui VEM depinde atât de viteză și accelerația pe care acesta o are la fiecare moment de timp cât și de forța de tracțiune, masa totală, distranta parcursă și numărul de opriri/porniri pe întregul traseu. Pe durata deplasării sale, asupra unui vehicul acționează forța de tracțiune devoltata 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 pentri 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 luingul traseului;

Condiții climatice;

Tipuri de instalații fixe car 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 interstatiilor;

Numărul de intersecții parcuse;

Numărul de semafoare;

Timpul meiu 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:

Temperatura 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 den 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 substatiilor de tracțiune, putearea 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 de timp, forța de tracțiune proiectat sao dezvolte, masa totală, distanța parcursă și numărul de opriri pe întreg traseul.

Dintre caracteristicile constructive ae 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 energetic pentru iluminat.

3.2.3 Sisteme si 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.

Acest 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 accea o interconectare eficientă și optimă a tuturor acestor echipamente este crucială pentru buna funcționare a sistemului.

3.2.3.1 Componenente 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, imbunatitirea calității puterii.

Static Synchronous Series Compensator (SSSC). SSSC-ul reprezintă un invertor de tensiune conectat în serie cu linia de transmisie în scopul cotrolului 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 diponibila 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 fluctuatilor de putere , îmbunătățirea stabilității și optimizarea controlului puterii reactive.

Baterii ZnBr. reprezintă baterii pentru stocare la un cost scăzut, 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 asemnea 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 (SMEȘ). Este folosit la stocarea apoi descărcarea instantanee a unor cantități mari de energie.

3.2.3.2 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 corespunsazaotare la evenimentele ce pot apărea. Aceasta 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 disribuita. Procesarea distribuită este practic procesare paralelă prin intermediul mai multor computere independente ce comunică inter ele pentru a îndeplini o sarcină comună.

Substation Automation. Reprezintă implementarea senzorilor inteligenți cu sisteme de comunicații interate 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, predicti 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 senzorii inteligenți pentru a reconfigura echipamentele de distribuitie în timp real în scopul prevenrii 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 substatiilor conceput pentru a furniza monitorizare și înregistrare a evenimentelor în timp real în substatiile c.a. de inailta tensiune.

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

Dynamic Security Asses,emt. 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. Conecteza 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 inteligența distribuită pentru a izola o secțiune defectă în linie și restaura puterea către secțiunile funcționale ale liniei.

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

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

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

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

Weather and Load Forecasting – Artifical 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.

3.2.3.3 Monitorizare și măsurare

Aici sunt cuprinse tehnologii care îmbunătățesc măsuratorile în cadrul sistemului enegetic 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 sincronziat pentru determinarea stării rețelei electrice în scopl automatizării , controlul sarcinii în rețea și creșterea calității puterii.

Sisteme de monitorizare a cablurilor. Ajută la determianrea stării cablurilor impamantate. Printre sistemele folosite se număra : 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 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 furnizaeaza 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 determianrea riscului pentru resursele din rețea.

Relee de protecție avansate. Printre funcțiile avansate ce pot fi îndeplinite se numără localizarea defecțiunilor la impedanță înaltă și utilizarea comunicatilor 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 Transmision 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 scare termică.

3.2.3.4 Interfețe îmbunătățite și suport decisional

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 cater un proces dicizional mult mai eficient, precis și rapid la toate nivelele rețelei.

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

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

CERTS VAR-Voltage Management Tool. Livrează data 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 că unelte pentru suport decizional.

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

GridAgents . Sunt algoritmi inteligenți pentru minitorizarea 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 informați legate de reataeua electrică la nivelul intergului sistem.

Power System Analysis Tools. Este o suita de unelte software pentru moderarea, 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 curent continuu dar și pentru curent alternativ.

3.2.3.5 Comunicații integrate

Comunicații de mare viteză, bidirecționale și complet integrate ce transformă smart grid-ul într-o infrastructura 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 Specificaion (DLMS). Această variantă a comunicațiilor PLC este destinată aplicațiilor de viteză joasă cum a 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 Acces (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 Tehnology (VPG). Tehnologia VPG este o soluție ce adresează pericolul atacurilor virtuale prin criptarea endpoint-to-endpoint a traficului de date.

3.2.3.6 Sinteza

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 4

4.1 Descriere

În acest capitol vom descrie 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 3 baterii AA de 1,5V iar nivelul de consum prin trei sirusi de LED-uri, fiecare și având trei grupe de culori ( V, G , R ). LED-urile vor fi dispuse în trei linii pe o placă de textolit 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 un rezistor de 330ohm 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 al 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 led-uri, câte 3 pentru fiecare culoare , va avea câte 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 placă de achiziție.