Distribuční síť slouží nejen k přenosu elektrické energie, ale také jako komunikační médium pro přenos dat. Moderní energetika využívá síťové vedení pro hromadné dálkové ovládání (HDO) i pokročilé PLC systémy pro komunikaci s digitálními elektroměry.
Tyto technologie však mohou být vzájemně ovlivňovány elektronickými zařízeními připojenými do sítě, což vyžaduje pečlivou koordinaci frekvencí a dodržování technických norem pro zajištění spolehlivého provozu.
Kromě přenosu elektrické energie může provozovatel distribuční sítě využívat distribuční síť také k přenosu dat. Komunikační signály se přitom přenášejí na síťovém napětí. Výsledkem jsou záměrná napětí signálů na stávající frekvenci napětí. V zásadě se rozlišují komunikační systémy s jedním vysílačem a mnoha přijímači na straně zákazníka a komunikační systémy s mnoha jednotlivými stanicemi tvořenými kombinacemi vysílače a přijímače. Cílem obou systémů je udržet maximální úroveň signálu a dosáhnout dostatečné úrovně příjmu pro zajištění funkce přijímačů. Zařízení uživatelů sítě mohou oba tyto cíle ovlivnit a za určitých podmínek vedou k nepřípustnému rušení komunikačního systému.
Hromadné dálkové ovládání
Ve většině zařízení pro hromadné dálkové ovládání (zařízení HDO) jsou signály tónové frekvence v rozsahu 110 až 2000 Hz superponovány na síťové napětí pomocí sériové nebo paralelní vazby. Přijímače hromadného dálkového ovládání připojené do sítě filtrují a kontrolují signály a v případě správného telegramu provádějí určité akce.
Distribuční sítě se skládají z uceleného zapojení vedení, transformátorů, generátorů, kompenzačních kondenzátorů, zařízení výkonové elektroniky atd., což často vede k obtížně sledovatelným interakcím na frekvencích HDO. Impedance sítě a impedance zařízení uživatelů sítě jsou frekvenčně závislé, a proto představují při tónové frekvenci zcela jinou zátěž než při frekvenci základní. Opatření, která mají příznivý vliv na zkreslení napětí v distribuční síti nebo na zkreslení proudu v zařízeních uživatelů sítě (např. filtrační zařízení), mohou být pro provoz HDO rušivá.
Mechanismy zpětných vlivů
Zpětný vliv na HDO
Funkční spolehlivost HDO vyžaduje dostatečně velkou hodnotu odstupu signál šum. K tomu je třeba splnit následující podmínky:
- Užitečný signál musí mít dostatečný odstup od rušivých napětí (šumu). Přístroje v zařízeních uživatelů sítě nesmí způsobovat nepřípustně vysoké emise v pásmu frekvencí HDO, aby se zabránilo chybnému náběhu přijímačů. Mez funkčnosti přijímačů proto musí mít dostatečnou bezpečnostní rezervu nad úrovní šumu.
- Úroveň signálu HDO musí s dostatečně bezpečným odstupem převyšovat funkční úroveň přijímačů. Zařízení uživatelů sítě proto nesmí svou impedancí na frekvenci HDO nepřípustně snižovat úroveň signálu HDO. Při posuzování zpětného vlivu z pohledu HDO se bere v úvahu vliv celého zařízení uživatele sítě ve společném napájecím bodu. Decentralizovaná výroba může zařízení HDO dodatečně zatížit.
Rušivé zpětné vlivy působící na zařízení HDO lze rozdělit do tří různých kategorií.
1. Zpětný vliv zařízení uživatelů sítě na signál HDO
Emise harmonických a meziharmonických z elektronických zařízení mohou signál HDO negativně ovlivnit. Největší zhoršení lze očekávat v oblasti charakteristických harmonických řádů 5, 7, 9, 11 a 13. Moderní výkonová elektronika může být také zdrojem rušivých vlivů díky meziharmonickým nebo necharakteristickým harmonickým. Proto lze do budoucna s vyšší pravděpodobností očekávat ovlivňování HDO i při těchto frekvencích.
Distribuční síť a k ní připojené přístroje nebo zařízení uživatelů sítě se projevují jako různá zapojení kapacit a indukčností. V případě rezonancí na frekvenci HDO může úroveň signálu HDO značně kolísat. S rostoucí frekvencí signálu HDO roste obvykle i úroveň zpětného vlivu. Vliv na signál HDO je možný také prostřednictvím interakce s řídicími algoritmy moderních výkonových elektronických zařízení (např. střídačů).
2. Vliv distribuční sítě na signál HDO
Vedení vn se střídajícími se úseky venkovního a kabelového vedení se díky svým induktivním a kapacitním vlastnostem chovají jako rezonanční obvody. Zejména při vyšších frekvencích může být skutečná úroveň signálu HDO v určitých místech distribuční sítě v důsledku rezonančních jevů v porovnání s vysílanou úrovni výrazně vyšší.
3. Vzájemné ovlivňování různých systémů HDO
V Německu, Rakousku, Švýcarsku a Česku provádí koordinaci používaných frekvencí HDO přímo provozovatel sítě nebo dodavatelé systému HDO, aby se zabránilo vzájemnému rušení jednotlivých zařízení HDO různých provozovatelů sítí. Přitom je třeba vzít v úvahu, že k takovému ovlivnění může docházet v důsledku rezonancí sítě i na více napěťových hladinách, pokud jsou frekvence postižených zařízení HDO stejné nebo navzájem posunuté o ± 100 Hz (sousedící frekvence).
Vliv zařízení HDO na zařízení v síti
Signál HDO rovněž představuje zatížení pro přístroje v zařízeních uživatelů sítě připojené k distribuční síti. Aby se zabránilo rušením těchto zařízení vlivem signálu HDO, musí provozovatel sítě na své straně dodržovat přípustnou úroveň signálu HDO. Na druhé straně musí každý uživatel sítě v distribuční síti se signálem HDO zajistit, aby přístroje připojené v jeho zařízení měly dostatečnou odolnost vůči maximální přípustné úrovni signálu HDO.
Opatření
V případě rušení zařízení vlivem signálu HDO lze použít následující nápravná opatření:
- Kódování telegramů a dohodnutí přenosových časů
- Opakované vysílání v případě poruchy přenosu
- Oddělení zařízení uživatele sítě hradicími a sacími obvody v místě připojení
- Snížení vysílacích úrovní signálu HDO způsobujícího rušení v distribuční síti
- Zabránění kritickým provozním zapojením sítě
Metrologické ověření
Metrologické ověření se doporučuje mimo jiné v případě, že ve fázi plánování nelze s dostatečnou přesností určit možný vliv zařízení uživatele sítě na HDO.
Přitom se pomocí frekvenčně selektivního měření napětí/proudu prověří splnění podmínek definovaných v části mechanismy zpětných vlivů. Úroveň signálu HDO se stanoví podle ČSN EN 61000-4-30 ed. 3 třída A na základě 10 periodových efektivních hodnot. Hodnotí se přitom 99% kvantil 3sekundových maximálních hodnot za jeden týden.
Měření úrovní může být při vyšších frekvencích HDO zkresleno frekvenčně závislým přenosovým chováním použitých transformátorů napětí.
Komunikace PLC
Pro komunikaci s digitálními elektroměry (Smart Meter) se stále častěji používá úzkopásmové PLC (Power Line Communication), které pracuje především ve frekvenčním rozsahu od 30 kHz do 95 kHz v pásmu PLC A (3 kHz ÷ 95 kHz). Kromě toho se v budoucnu očekává rozšíření aplikací v pásmu do 500 kHz (pásmo FCC).
V zásadě pro tyto aplikace platí srovnatelné mechanismy zpětných vlivů, jako pro HDO zařízení, které jsme již popsali. Šíření rušivých a užitečných signálů je však na těchto frekvencích obvykle omezeno na několik set metrů. Z tohoto důvodu jsou stanice navrženy jako vysílač a přijímač komunikující přímo mezi sebou nebo předávající data pro jiné stanice. Jednotliví výrobci používají různé systémové architektury, modulační metody a protokoly.
Přípustné vysílací úrovně pro pásmo PLC A jsou zadány v normě ČSN EN 50065-1 ed. 2 a v současné době jsou v pásmu FCC regulovány národními předpisy. Pro frekvenční rozsah do 150 kHz jsou požadavky na odolnost proti rušení uvedeny v normě ČSN EN 61000-4-19 a úrovně kompatibility pro koordinaci nízkofrekvenčních rušení pro veřejné sítě nn jsou uvedeny v normě ČSN EN 61000-2-2.
Závěr
Komunikace po síťovém vedení představuje klíčovou technologii moderní energetiky, která umožňuje efektivní využití stávající distribuční infrastruktury nejen pro přenos elektrické energie, ale také pro přenos dat. Systémy HDO, které se osvědčily v praxi po několik desetiletí, nyní doplňují pokročilé PLC technologie umožňující obousměrnou komunikaci s digitálními elektroměry a dalšími inteligentními zařízeními.
Hlavní výzvou těchto technologií zůstává vzájemné ovlivňování komunikačních signálů s elektronickými zařízeními připojenými do sítě. Rostoucí počet výkonových elektronických zařízení, střídačů fotovoltaických elektráren a dalších moderních technologií vytváří nové zdroje harmonických a meziharmonických složek, které mohou negativně ovlivnit spolehlivost komunikačních systémů. Řešení spočívá v pečlivé koordinaci frekvencí, dodržování technických norem a implementaci vhodných filtračních opatření.
S rozvojem smart grid technologií a digitalizace energetiky bude význam komunikace po síťovém vedení nadále růst. Rozšiřování PLC systémů do vyšších frekvenčních pásem až do 500 kHz otevírá nové možnosti pro rychlejší a spolehlivější komunikaci. Současně však vyžaduje důkladnější analýzu elektromagnetické kompatibility a koordinaci s ostatními systémy.
Komunikace po síťovém vedení tak zůstává nepostradatelnou součástí moderní energetické infrastruktury, která umožňuje realizaci konceptu inteligentních sítí a efektivní správu energetických zdrojů.
