Умните електромери

Метаморфозата на електроразпределението

Традиционно за измерване на потреблението на електроенергия се използват електромеханични или електронни измервателни уреди - електромери. Те изискват изпращането на представител на фирмата-доставчик до мястото на електромера с цел отчитане на показанията -
а и за извършването на други текущи задачи като например изключване или подмяна на измервателния уред, когато се налага. Посещенията са времеемка и повторяема задача, която има крещяща нужда от автоматизиране.
Интелигентните електромери дават решение на този проблем. Те стават все по-популярни за измерване и отчитане на консумацията на електроенергия без човешка намеса. Известни също и като smart meters, те са част от интелигентната електроразпределителна мрежа и са много актуална тема днес. Те все повече навлизат в класическите мрежи като непосредствени приложения и могат да бъдат използвани като средство за натрупване на опит за бъдещи усъвършенствания, предвид специфичните изисквания на смарт мрежата.

Интелигентният електромер е електронно устройство, което се използва за записване и предаване на информацията за консумацията на електричество в даден обект - дом, офис. След предаването данните обикновено се съхраняват на сървър на енергийния оператор (дистрибутор). Те следва да се използват за по-нататъшни анализи и вземане на решения като например изчисляване на цените на тока, показване на статистика на потреблението или извеждане на друга информация за даден клиент или за група клиенти. В по-голям мащаб данните са основа за формиране на енергийните и ценовите политики.

Най-общо, решенията за умни измервателни устройства включват използването на авангардни измервателни устройства и интегрирани комуникационни системи и дават възможност за двупосочна комуникация между потребителите и доставчиците на енергия като потребителите могат да наблюдават своята консумация и да правят информиран избор. Основните ползи от въвеждането на умните електромери са възможността за по-добър мониторинг на мрежата, подобряването на планирането, поддръжката, качеството на доставка и общата ефективност, както и възможността за редуциране на техническите и нетехническите загуби.

Има данни, че въз основа на интелигентно обработената информация от умните електромери могат да бъдат постигнати значителни икономии на енергия - и на финансови средства. Мащабните инсталации на интелигентни измервателни уреди генерират огромно количество данни. Те могат да предложат на компанията задълбочен поглед върху консумацията на енергия на различните потребители. Така например оперторът ще знае не само кога настъпва вечерният пик на потреблението, но и какво най-много натоварва мрежата - дали най-много ток се консумира от отоплителни тела, от готварски уреди или пък от развлекателни съоръжения.

Масивите от данни предполагат задълбочаване и анализ на тенденциите в потреблението. На свой ред въпросната информация може да се използва, за да помогне за формиране на ценовите политики и мотивиране на потребителите да коригират потреблението си така, че да намаляват сметките си. Енергийният оператор може да „управлява“ това коригиране на поведението. Възможно е, например, да намали натоварването в пиковите часове (сутрин, вечер) и да насърчи натоварването в традиционно слаби периоди (например нощем). Това е от значение за планирането на електроенергийния режим, за безопасното и ефективно функциониране на електроенергийната система, за управлението на наличните мощности. При добре работеща умна електропреносна мрежа може да се постигне дори гъвкаво ценообразуване в реално време (Real-Time-Pricing - RTP).

Ето защо т. нар. „умни градове“ възприемат интелигентните енергийни мрежи и интелигентните измервателни уреди.

Умни електромери за умни градове
Умните електромери постепенно се въвеждат в Европа и предоставят на домакинствата по-голям контрол и възможност за намаляване на тяхната консумация като спомагат за реализиране на целите на енергийната ефективност и климатичните промени на Стария континент. Същевременно, правейки мрежата по-реагираща, те улесняват по-дълбоката интеграция на енергията от променливи възобновяеми източници.

Всъщност интелигентните измервателни уреди обещават да бъдат критична, „гръбначна“ инфраструктура на бъдещите интелигентни градове и области. Данните показват, че внедряването на смарт-електромерите води до почти незабавен спад от 10% в използването на електроенергия. Това е част от причините за бързия растеж на този пазар. Според MarketsandMarkets, сегментът възлиза на 20,7 милиарда долара за 2020 година, а до 2025 година обемът ще се увеличи до 28,6 милиарда долара (среден годишен темп на растеж 6,7%). Примерите са много. В Португалия местната EDP е решена 80% от клиентите да имат смарт-електромери до 2023 година - и да са онлайн. В Белгия Eandis и Infrax са се прготвили да инсталират 1,3 милиона умни измервателни уреди до 2022 г. В Латвия Sadales Tikls има з цел да инсталира милион смарт-електромера до 2023 г.

В крайна сметка интелигентните измервателни уреди могат да бъдат обединител на комуналните компании и потребителите. Те сближават тези две страни около споделени цели. И двете страни имат интерес да имат стабилна електроразпределителна система, без прекъсвания и сривове, с възможно най-гъвкаво ценообразуване, с интегриране на все по-разпространените възобновяеми енергийни източници, опазвайки околната среда.

Според регулациите на Европейския съюз, умните електромери трябва да показват резултатите от измерванията директно, на място, за потребителите - най-малкото чрез дисплей, но може и чрез „по-сложна система“, например смартфон-приложение. Уредът трябва да бъде удобен и лесен за ползване. Той трябва да е „дълговечен“, гарантирайки, че ще може да се използва продължително в бъдеще. Желателно е да се показват възможно най-много данни от измерванията: активно консумирана енергия, волтаж и др. Желателно е дори данните да се съхраняват и пазят в умния електромер за известно време - с цел справяне с възможни временни проблеми с комуникационните мрежи.

Домашната енергийна система
Съществена част от умните електроенергийни мрежи са домашните системи за енергийно управление, които тепърва ще набират скорост (среща се и като Home Energy Management System - HEMS). Те се използват за управление на електрозахранването и потреблението на даден обект, например конкретна къща. Основната причина за внедряването на тези домашни системи е стремежът да се намали консумацията на енергия чрез насърчаване на потребителите да редуцират потреблението на енергия в периоди, когато тя е скъпа.

Всяка домашна енергийна система е част от цяло съзвездие домашни енергийни системи, които комуникират с голямата „смарт“ мрежа на комуналната компания. В рамките на тази взаимовръзка често се борави с понятия като разширена инфраструктура за измерване (Advanced Metering Infrastructure - AMI), автоматично отчитане на измерването (Automatic Metering Reading - AMR) и автоматично управление на измерването (Automatic Metering Management - AMM). Последните две са грижа именно на интелигентния измервателен уред. Смарт-електромерът записва, събира и изпраща данните за енергийното потребление до комуналната компания. Там данните служат за вземане на решения за генерирането и разпределението на мощността. Наред с това данните се използват и за оформянето на сметката на потребителя.

Инфраструктура
Интелигентният електромер е част от комуникационна инфраструктура, която събира всички индивидуални данни. Освен това интелигентните измервателни уреди би трябвало да могат да се използват за автоматично управление на интелигентните домашни електрически устройства. Условно може да се приеме, че инфраструктурата се състои от две неразвривно свързани части - умната електропреносна мрежа и умният дом.

Умната електропреносна мрежа обхваща разпределението, управлението, контрола и автоматичното събиране на данните за електрическата консумация. Нейното сърце е система за централно управление на енергията. Инсталирането на интелигентни функции подобрява ефективността на системата, като допринася за оптималното предаване и разпределение на електричеството.

Интелигентният дом от своя страна има своята вътрешна среда, която се състои от всички електрически уреди и устройства, принадлежащи на обитателя. Техен обединител е интелигентният електромер. В идеалния случай всичко следва да се управлява от интелигентната енергийна система. Това дава възможност за контрол на всички уреди (напр. осветление, пералня, климатик и т. н.) и разпределение на енергийните ресурси.

Според някои специалисти, архитектурата на интелигентната електро-мрежа се състои по-скоро от три слоя. Първият обхваща индивидуалните консуматори на енергия. Вторият включва регионални групи от консуматори, обединени в малки мрежи. Става дума за групи потребители в малки географски области - квартали, малки селища, индустриални зони и др. Третият слой са широкообхватните мрежи, използвани за свързване на множество регионални мрежи. Това разпределение има значение от гледна точка на стремежа към изграждане на малки умни електро-мрежи - т. нар. „смарт микро-грид“. Според някои специалисти, най-добрата икономия на енергия се постига не чрез пълна децентрализация на мощностите и не чрез пълна централизация, а именно чрез формирането на малки интелигентни микро-мрежи.

Преносни технологии
Интелигентният електромер събира данните от уредите на клиентите и ги предава уред към събирача на данни (напр. в локална мрежа - LAN). Данните могат да се подават на интервал, например на всеки 50-60 минути или веднъж на ден. След това събирачът на данни изпраща информация за измервателния уред към комуналната компания.

Има три основни типа комуникационни технологии на измервателната система: безжична - най-често радиочестотна (RF), кабелна - чрез захранващата линия (PLC), клетъчна - чрез инфратруктурата на телекомуникационен оператор. Компанията за комунални услуги следва да избере най-добрата технология в зависимост от своите политики и особеностите на региона. Тук тя трябва да се съобрази с локалните особености - релеф, климатични характеристики и др.

Чрез радиочестотната (RF) комуникационна технология интелигентният изпраща данните до събирача чрез безжична радиовръзка. Тук има две вариации на технологията. Вариантът „от точка до точка“ предполага интелигентният измервателен уред да комуникира директно с колектора, обикновено кула. Този подход има няколко предимства като голяма честотна лента. RF технологията от точка до точка обаче не е удачна за отдалечени райони заради топографията и големите разстояния. Другата радиочестотна технология - „разгърнатата мрежа“ - позволява интелигентните измервателни уреди комуникират помежду си чрез локална мрежа (LAN) и чрез нея - с пункта за събиране на данни. Разгърнатата мрежа има широка честотна лента и приемлива латентност, според специалистите.

Чрез захранваща линия пък е възможно да се прехвърлят данни между интелигентния измервателен уред и дружеството за комунални услуги, използвайки самите електропроводи. PLC са предпочитано решение в много случаи, защото елиминира нуждата от изграждане на отделна комуникационна инфраструктура или сключване на договор с оператор на такава. Освен това има достъп до всеки абонат, където и да е той. PLC се счита за единственото рентабилно решение за селските региони, покривайки дори много дълги разстояния.

Клетъчната връзка пък използва клетъчните мрежи на телекомуникационните оператори. Компанията може да на разчита на висока надеждност и добро покритие. Може да се предположи, че технологията тепърва ще се популярира с навлизането на мрежите от пето поколение (5G) и „Интернета на нещата“.

Фактори на сложността
Нещата щяха да изглеждат що-годе лесни, ако задачата беше само в подмяната на старите електромери с „умни“ такива, избора на технология за преноса и закупуване на сървъри. Задачата обаче се усложнява от няколко текущи тенденции, които засягат и тепърва ще засягат все повече домакинства, малки бизнеси и големи фирми.

Възходът на възобновяемата енергетика е на ход с ускорени темпове. Освен големите соларни и ветроенергийни паркове тя включва и малки производители на възобновяемо електричество - соларни покриви, единични вятърни „перки“. В рамките на тази промяна потребителите биват насърчавани да бъдат едновременно и производители на електроенергия. Наричат ги „прозюмери“ (от производител, PROducer + консуматор, conSUMER). Това съчетание изисква електромерите да са най-малкото двупосочни, но най-вече да са наистина интелигентни: да „разбират“ в кой момент домът черпи ток от електропреносната мрежата, кога черпи от собствения си соларен масив, кога подава ток към електропреносната мрежа. Ако домашните системи за енергийно управление включват и акумулаторен масив, задачата на електромера действително изисква той да е „умен“, за да борави с всички възможни режими на използване на електроенергията.

Възходът на електромобилите ще сложи още едно „неизвестно“ в уравнението. Електрическите коли консумират големи количества енергия за своето зареждане - при това бързо. В момента се разработват технологии за батерии, които са способни да се зареждат за 10 минути и да гарантират 500 км пробег. Това означава огромен, внезапен товар върху мрежата. От друга страна обаче все повече системни оператори съзнават, че със своите мощни батерии електромобилите могат да изиграят ролята и на спасителни акумулатори, които да „връщат“ енергия към мрежата в момент на пиково натоварване. По този начин те могат да помогнат за балансиране на натоварването на цялата енергийна система. В тази светлина умните електромери имат ролята да помогнат на електромобилите да бъдат стабилизиращ компонент от енергийната система, без това да означава компромис за индивидуалния потребител - намаляване пробега или друг дискомфорт.

Наред с това възходът на IoT - „интернета на нещата“ - усложнява картината. IoT е комплексна екосистема от уреди и комуналните компании трябва да са наясно, че скоро нито един домашен електроуред няма да е обикновен и лесно предвидим. Климатици, хладилници и бойлери вече могат да се управляват през интернет и да се включват дори тогава, когато няма никой в дома.

Към всичко това, разбира се, следва да се добавят и някои традиционни фактори. Различните държави и региони имат свои собствени метеорологични модели, които са определящи за технологиите, използвани в електроенергийните мрежи. От значение са и природните бедствия и климатичните екстреми, които зачестяват заради цялостното изменение на климата. Законодателството постоянно се променя. То все повече изисква от операторите на различни инфраструктури да прилагат нови мерки за безопасност, защита на личните данни и др. Не на последно място постоянно се мени и картината на гъстотата на населението. Урбанизацията тече с пълна сила и това поставя под натиск всички градски инфраструктури. От друга страна пандемията подтикна много хора да потърсят живот далеч от града - на отдалечени места, където потребността от електрозахванване означава дълги преносни трасета, по-трудна поддръжка, интегриране на локални ВЕИ и др.

Предизвикателства
Като цяло замяната на традиционния електромер с интелигентен може да донесе редица предимства. Въпреки това, проектирането, внедряването и поддръжката на интелигентния измервателен уред водят до различни предизвикателства, наред с гореизборените фактори. Внедряването на интелигентен измервателен уред в разпределена система изисква инвестиции - както за уредите по обектите, така и за настройването на мрежата и свързаните с това софтуерни инструменти. Следователно замяната на конвенционалните електромери с интелигентни може да бъде финансово предизвикателство за комуналните компании - и клиентите им.

От друга страна пълната полза от тези устройства се явява едва тогава, когато всички уреди и устройства в разпределителната и измервателната мрежа са включени в комуникационната мрежа.

От тук произтича и следващото предизвикателство за операторите - те трябва да си подсигурят необходимото оборудване за събирането, съхраняването и анализа на голямото количество данни, които започват да се натрупват. Неизбежно операторът на енергийна мрежа днес се превръща в своеобразен център за данни и задълбочени анализи. Макар да изглежда далечна, технологията на изкуствения интелект скоро ще се намеси в този процес - и е важно да бъде планирана и замислена още отсега. Големите обеми данни ще изискват и голяма изчислителна мощ, за да могат да бъдат „сдъвкани“ данните от изкуствения разум и да се разкрият ценните тенденции, които данните носят. Наличието на огромно количество данни за потребителите от цели градове, окръзи и държави пък е и примамлива хапка за хакери.

С оглед навлизането на пазара на смарт електромерите е важно потребителите да са запознати, както с техните предимства, така и с техните недостатъци. Предимство на електромерите е възможността на потребителите да контролират online своето потребление. Те могат да следят потреблението си в реално време и да предприемат адекватни мерки за намаляване на своите разходи за електроенергия. Доставчиците от своя страна могат да получат информация за изразходваната енергия също в реално време и да съставят своите графици за натовареността на потреблението. Те могат да управляват и наблюдават подаването на електроенергия до устройствата, да следят за качеството на подаваната енергия и по-сигурно и бързо да прекъсват и възстановяват електрозахранването. По този начин се намаляват разходите за отчитане, включване и изключване на нередовните потребители. В този случай се избягват и проблемите за достъп до електромерите, при отказ от страна потребителите и се спестяват средства за работни заплати на инкасатори. От друга страна съществено се намаляват и загубите на доставчика. Системата може да отчита всякакви опити за кражба и манипулации. Тя може да извършва баланс чрез монтаж на балансови електромери в трафопостовете. Същевременно могат да се откриват и отчитат загуби от лошо заземяване, некачествени електрически инсталации в сградите, както и неправилно свързване.

Недостатък на новото поколение интелигентни електрически мрежи е, че компонентите им могат да бъдат „хакнати“, с цел промяна на енергийните настройки на домовете или за злоупотреба. Хакери могат да атакуват дистанционно устройствата или да нарушат комуникациите на компаниите, които се грижат за електроразпределението. Ако се окаже възможно един смарт електромер да е свързан със съседния, а съседния със следващия от съседната къща, това значи, че злонамереният хакер може да програмира всички тези устройства и в даден момент да се спре електрозахранването на домовете в голям район. Това би предизвикало срив в цялата електропреносна мрежа. От друга страна, за да може да се използва ефективността на технологията е необходимо постоянно следене на използваната енергия. Проблемът, който засяга смарт електромера, е че ако въобще започне да се пести енергия в началото на използването му, то с течение на времето този процес започва да отслабва. Такива устройства могат да имат бъдеще само ако станат част от навиците и всекидневието на потребителите.

Сигурността
Ключов извор на загриженост относно интелигентните измервателни уреди е киберсигурността. Няма софтуер, писан от човешка ръка, който да не може да бъде „пробит“ от друга човешка ръка. Преносът на данни пък е отлична възможност за злонамерени играчи.

Кражбата на данни е един от възможните рискове. Тук могат да се съдържат различни клиентски данни, информация за броя и вида уредите в даден обект и т. н. Най-голям ужас предизвиква сценарият с хакване на медицински уреди - освен разкриването на данни за нечие здраве, това може да значи сериозна опасност за неиче здраве и дори живот. Наред с това репутационният срив би бил достатъчно голям удар за компанията-оператор - той може да бъде достатъчен да унищожи предприятието. Хакерски действия за сриването на в мрежата са другият възможен риск. Съвсем не е немислимо цели квартали и градове да бъдат оставени „на тъмно“. Подобни ситуации могат да се използват за изнудване на комуналните компании, за изнудване на градски и общински власти и на трети страни. Биха могли да се използват и за всяване на хаос в райони и цели градове, което е удобна възможност за извършване на други престъпления.

Киберсигурността е една от основните теми, които се обсъждат във връзка с разпространението на интелигентни енергийни мрежи. От една страна национални и наднационални правителства създават регулации, чрез които електропреносните и електроразпределитените системи да бъдат защитени от умишлени опити за нанасяне на щети или за придобиване на личните данни на потребителите. От друга страна различни компании и частни организации предлагат услуги, развиват стандарти и решения за киберсигурност на енергийните мрежи. Опитът и предприетите от заинтересованите страни мерки в САЩ и в Европейския съюз са много различни, а сътрудничеството и обмяната на опит могат да доведат до създаването на международни стандарти, чрез които да бъде постигната най-надеждна защита от кибератаки.

Енергийната сигурност заема важно място в повечето политики на ЕС относно енергетиката, като сигурността на електрозахранването е едно от петте взаимно поддържащи се измерения на стратегията на ЕС за Енергиен съюз. Предложението за Европейска стратегия за енергийна сигурност включва краткосрочни и дългосрочни мерки, насочени към предпазването на критичната енергийна инфраструктура, като се очаква вътрешният енергиен пазар на ЕС да стане интегриран и устойчив, а насърчаването на енергийната ефективност и местното енергийно производство ще благоприятства за намаляване на зависимостта от вноса на енергия.