BPL (Broadband over Power Line) technológia alkalmazása az okos villamosenergia hálózatokban (Smart grid)
A BPL (szélessáv villamos hálózaton keresztül) technológia a villamos elosztóhálózatokon történő nagy sebességű adatátvitel céljából került kifejlesztésre. Mára a műszaki kihívások hardveres és szoftveres megoldása biztonságosan működő rendszereket eredményezett, ezáltal lehetővé válik az elosztóhálózat-tulajdonosok számára – saját villamos hálózati infrastruktúrán – a nagy sebességű kommunikáció.
A jövő okos elosztóhálózataihoz (smartgrid) elengedhetetlen lesz a megbízható, gyors, alacsony késleltetéssel rendelkező adatkommunikáció. A külső szolgáltatási díjak és harmadik fél nélkül kiépíthető hálózati megoldás nagy szerepet tud játszani a fejlesztésekben.
Történelmi áttekintés
Az alapötletet az 1928-ban az AT&T által kifejlesztett PLC (power-line communication,
villamos hálózati kommunikáció) biztosította, melyben az energia átvitel mellett a hálózati
frekvenciától eltérő rádió frekvenciákat használnak jelátvitelre és a hálózat monitorozására. A BPL esetében a nagy adatátviteli sebesség megvalósításához magasabb átviteli frekvenciákra és jelentősen szélesebb frekvencia sávra van szükség, melyek hagyományosan a rádiótávközlés
tartományába tartoznak.
A háztartásokban gyakran alkalmazott powerline adapterek több gyártó termékkínálatában biztosítanak ma már akár 2400 Mbps sebességig adatátvitelt PLC technológiával otthoni környezetben a LAN vagy WIFI háztartási és irodai hálózatokban. A villamosenergia ellátás aktuális kérdései az energia biztonság, a fenntarthatóság, a növekvő felhasználás és decentralizálódó energia termelés és betáplálás, az elektrifikáció egyre magasabb elvárásokat támasztanak a hálózatokkal szemben. A hálózatokon keletkező nagymennyiségű adat és információ feldolgozása, különösen a KÖF és KIF hálózatokon a mérés és vezérléstechnikai berendezések növekvő száma az okos hálózatok, smart gridek koncepciójának gyakorlati megvalósítása nélkül nem működhet.
A kommunikációs hálózatok biztonsága elsőrangú kérdés a smart grid-ek esetében, különösen a mai világpolitikai helyzetben, ahol a terrorizmus, a cyber háborúzás kiemelt célpontjaivá válhatnak az elosztó és átviteli hálózatok. Az említettek tükrében újragondolták a PLC megvalósíthatóságát és szerepét a smart gridek számára. 2009-ben alakult meg a PRIME Alliance (PRIME =PoweRline Intelligent Metering Evolution) nemzetközi szervezet villamosenergia átviteli (TSO), villeamosenergia elosztó (DSO), és elektronikai alkatrész gyártó szervezetek részvételével. A szövetség célja egy új nyitott, publikus és gyártófüggetlen
telekommunikációs megoldás kifejlesztése. A PRIME aktív részt vállalt a PLC szabványosításában és a szabványos megoldások terjesztésében, melynek hatására mára több, mint 20 millió okos mérő működik BPL kommunikációs hálózatokban.
A PLC ezen belül a BPL technológia alkalmazása az okos mérő infrastruktúra (smart metering vagy AMI – Advanced Metering Infrastructure) kiszolgálásában éled újra. A KIF hálózatokban kiegészítő kommunikáció nélküli okosmérő eszközök telepítése a BPL legelterjedtebb alkalmazása.
MŰSZAKI KIHÍVÁSOK ÉS MEGOLDÁSUK
A villamos távvezetékeket és a villamosenergia-elosztó hálózatokat energiaátvitelre építették. Ebből adódóan a nagy frekvenciás adatátvitel számára nem ideálisak a hálózat tulajdonságai. A legjellemzőbb kihívások a technológiával kapcsolatban:
– interferencia különböző rádiófrekvenciás forrásokkal
– kapcsolóeszközök tranzienseiből keletkező hálózati zaj
– kábel és passzív eszközök csillapítása
– aktív eszközök által okozott jeltorzulás
– a szabványok és a kompatibilitás hiánya
A G.HN-BPL (ITU-T-G9960) SZABVÁNY
A szabványt az ITU 2010-ben fogadta el kifejezetten a villamosenergia-hálózatokon való széles sávú kommunikáció szabványosítására. Napjainkra vált a chipgyártók (Intel, Lantiq, Panasonic stb.) által is széles körben forgalmazott beépíthető termékeinek alapjává.
A területe kiterjed minden Smartgrid alkalmazásra:
– okosmérés, AMI
– okos háztartási eszközök smart appliances
– energiamenedzsment (EMS, PST)
– elektromosjármű-töltés (PEV charging)
Alaptulajdonságok:
– interferencia és zajproblémák megoldása rugalmas teljesítménysűrűség- (PSD) szabályozás maszkolással, dinamikus frekvenciatartomány-vágás
– 2–25 MHz működés otthoni alkalmazásokban, kompatibilitás 50–100 MHz működési profilokkal
– adatátviteli sávszélesség akár 400 Mbps
– alacsony késleltetési idő
– alacsony fogyasztás
– fejlett adatátviteli biztonság AES-128 kódolással, CCMP tit-
kosítási protokollal
– több L3 protokoll támogatása
– meshhálózat-alapú működés
– diagnosztikai mód
A kialakított műszaki feltételek megalapozták a G.hn szabvány alapú BPL-hálózatok széles körű alkalmazhatóságát a villamosenergia-elosztó hálózatokon kialakítandó smartgrid
megoldásokhoz.
A BPL GYAKORLATI ALKALMAZÁSAI SMARTGRID HÁLÓZATOKON, A SMARTGRID ÉS AZ AMI
Általánosabban megfogalmazva a smartgrid egy fejlett villamoselosztó-hálózat a fogyasztó- és termelőpontok között a kapcsolódó menedzsment- és háttérrendszerekkel.
Az okoshálózat szolgáltatásai a hálózati vagy háztartáson kívüli szolgáltatásokra, úgymint az okosmérő-infrastruktúra (AMI), automatizált mérőóra-menedzsment (AMM), automa-
tizált mérőóra-olvasás (AMR), valamint háztartáson belüli szolgáltatásokra (pl. plug-in elektromos járművek (PEV), okos háztartási eszközök – fűtő, vízmelegítő, légkondicionáló, mosóberendezések stb.) és a köztük megvalósuló kommunikációra oszthatóak fel.
Jelen cikk terjedelmébe csak címszavakban fér be a háztartáson belüli alkalmazások ismertetése, az eszközök összekapcsolására a hálózati megoldás tetszőleges (LAN, wifi, PLC), melyek az okosmérőhöz és az AMI-hoz egy energiaszolgáltatói interfészen keresztül csatlakozhatnak (ESI):
- energiafogyasztás mérése
- időzítőnaptár a fogyasztás számlázási szabályokhoz igazításában, pl. többtarifás megoldások, dinamikus árazási
- modell
- rugalmas fogyasztószabályozás
- termelők szabályozása (PV kiserőmű, HMKE)
- tárolók szabályozása, energiafelhasználás
- egyéni tárolókból
- elektromos járművek töltési kommunikációja
- járműhálózat- (V2G – vehicle to grid) technológia a csúcsidőszakok simítására
Az okosmérő infrastruktúra AMI – Advanced Metering Infrastructure létrehozása az egyik legfontosabb célkitűzés a smartgrid alkalmazásában.
Minden fogyasztót érint, milliós végpontszámmal, kétirányú kommunikációval és kiemelkedő biztonsági követelményekkel.
A G.9960 szabványban definiált mesharchitektúra 16 tartományt (domain) és minden tartományhoz 250 végpontot tartalmazhat maximálisan egy tartományvezérlő (head end) esetén. A 1. ábra szemlélteti a mesh-hálózati összeköttetés robusztus működés elvét.
Ha egy útvonal kiesik egy adott végpont irányába, akkor a hálózat képes egyes végpontokon keresztül új útvonalat felépíteni.
A gyártók nagy lehetőséget látnak a BPL KÖF oldali alkal-
mazásában, akár más WAN-technológiákkal (mint pl LTE vagy optika) együttműködve, vagy akár kiváltva azokat. Az indok az alacsonyabb jelcsillapítás, egyszerűbb hálózati topológia, kevesebb leágazás és kevesebb zajforrás a KÖF-hálózatokon.
A BPL félvezetők jelentős számítási teljesítménnyel rendelkeznek, ami lehetővé teszi az edgecomputing, a mesterséges intelligencia és blockchain-alkalmazások BPL csomópontokban történő futtatását.
A 2010-es évektől több európai szolgáltató (CEZ, EON, Iberdrola, ZSD, Innogy stb.) különböző gyártók megoldásaival végzett tömeges teszteket BPL-megoldásokkal. A cikkben három megvalósult projektet mutatok be.
A BPL-TECHNOLÓGIA ALKALMAZÁSA OKOSMÉRŐK ÉS KONCENTRÁTOROK ALKALMAZÁSÁVAL
CEZ Distribuce
Mint több európai szolgáltatónál, a CEZ-nél is keskenysávú PLC (Narrow Band PLC vagy NB-PLC) dominál az okosmérők hálózatában. Az NB-PLC megoldás azonban nincs felkészítve a smartgridek aktuális kihívásaira (nagy adattömeg, kiemelt biztonság, kis késleltetés). A projekt 2011-ben indult a BPL és a NB-PLC kommunikáció teljesítményének összehasonlítására. Ez kiegészült a titkosítási algoritmusok szintjeinek és ezek hatásának vizsgálatával a mérőórák hálózatára. A tapasztalatok alapján az átvitelre kevésbé van hatással, míg a feldolgozási időre jelentősen változó hatással tud lenni a nagyfokú titkosítás.
A LODIS projekt célja:
okosmérőkből és koncentrátorokból álló hálózat segítségével a terhelés lokális szabályozása az energiaáramlás optimalizálása a KIF-/KÖF-alállomások alatti KIF-hálózati szakaszon. A feladat a helyi HMKE- (háztartási méretű kiserőművek, esetünkben napelemes rendszerek) termeléshálózatba betáplálásgörbéjének szabályozása kapcsolható vízmelegítők segítségével. Napi szinten optimalizált kapcsolási terv kialakítása, a helyi szabályozás hatásának analízise, melyhez az időjárásadatok, a HMKE becsült termelési adatok és a becsült fogyasztói viselkedési adatok lettek felhasználva. Az így kialakult optimális dinamikus díjazási és kapcsolási (TOU – Time of Use) táblát a fogyasztási pontra töltötték le.
A projekt eredményeként sikerült a termelési és fogyasztási csúcsokat valós környezetben csökkenteni és kisimítani. (2. ábra)
TERMELÉS, TÁROLÁS, FOGYASZTÁS ÖSSZEKAPCSOLÁSA, AZ OKOSMÉRŐ-ÁTJÁRÓ (SMART METER GATEWAY)
A BPL hálózati alkalmazások egyik legfontosabb eleme a feszültségmonitoring, frekvenciamonitoring-funkciókkal kiegészülve a jövőben. A KIF-hálózaton feszültségérzékelés a feszültségsáv-változások alapján automatikus beavatkozási lehetőséget biztosít akár kiesések, akár a minőségi problémák gyors kezelésében. Több információt ad az egész rendszer számára, ami előny a szolgáltatásminőség és a rendszerkihasználtság növelésében, egyúttal a helyi megújuló terhelés menedzselésében.
2017-ben az E.ON végzett nagy kiterjedésű tesztet a BPL-technológia alkalmazásával az okosmérő hálózati infrastruktúrája számára. Több szállító megoldásait tesztelve összesen 10 000 KIF-/KÖF-állomáson elhelyezett fejállomáson keresztül 200 000 háztartás került csatlakoztatásra a smartmeter gateway-hez.
A BPL hálózat 75 000 repeatere háromfázisú adatgyűjtőként is működve a KIF-hálózat monitorozását is ellátta.
A teszt során több gyártó több hálózati megoldása is szerepet kapott. Vezeték nélküli kommunikáció: úgymint publikus mobil, 450 MHz rádió. Vezetékes széles sávú kommunikáció: úgymint xDSL, Docsis és PLC (BPL, keskenysávú) kommunikáció. A BPL-technológia első ipari szinten több mint 100 000 hálózati elemet tartalmazó alkalmazása csak a nagy rendelkezésre állású központi menedzsmentszoftver segítségével működhetett.
A 2019-es tömeges induláshoz az E.ON a Corinex BPL megoldását választotta azzal az elkötelezettséggel, hogy a PRIME Alliance keretein belül az ITU-T G.hn BPL szabvány által nyújtott nagy teljesítményű, különböző gyártók termékeinek együttműködését támogató rendszer jöhessen létre.
BPL KÖF-HÁLÓZATON
Az előzőekben bemutatott BPL Smartgrid alkalmazások KIF-elosztóhálózaton kerültek kialakításra, melyek működése nagyban függ a KÖF-hálózat rendelkezésre állásától. A KIF-/ KÖF-állomásokban elhelyezett koncentrátorokban összegyűjtött adatokat a hálózatirányitó központba kell feljuttatni. A legelterjedtebb gerinchálózati megoldások vezeték nélküli mobil vagy üvegszálas optikai kapcsolatra épülnek. Kézenfekvő lenne a saját KÖF-hálózati infrastruktúrán BPL-re épülő adatkommunikáció, amennyiben a megfelelően széles sávú adatátvitel, az adatbiztonság és az átviteli minőség garantálható a BPL-technológiával.
Az Iberdrola a 2000-es évek elejétől kísérletezik a KÖF-hálózatán megvalósított gerinchálózati BPL-adatátvitellel. A 3. ábrán látható inhomogén gerinchálózati megoldás a legtöbb szolgáltatóra jellemző. Mára közel 50 000 KIF-/ KÖF-transzformátorából kb. 18 000 rendelkezik BPL KÖF-összeköttetéssel, és az üveg-szálas optikai megoldás után a BPL biztosítja a második legnagyobb rendelkezésre állási időt.
A BPL-technológia KÖF-hálózaton történő alkalmazhatóságát több tényező befolyásolja. A legjelentősebb ezek közül a csillapítás, ami a frekvencia és a távolság növekedésével arányosan nő.
Ezért az átviteli minőség elsősorban új földkábelek esetében a legjobb kb. 1000 m hatótávolságban. Régi típusú (pl. papírszigetelésű) földkábelek esetében az effektív távolság kb. 500 m.
ÖSSZEFOGLALÁS, A BPL JÖVŐBENI SZEREPE
A BPL-technológia sok szolgáltató számára jó választás a késleltetési idő, adatátvitel és a szolgáltatásminőség szempontjából az egyre „okosabb” hálózat kialakítása érdekében.
