Reklama

Monitorování FVE podle normy ČSN EN 61724

2.6.2014

Ing. Jan Vidim

Recenzovaný

Článek seznamuje s obsahem normy pro monitoring fotovoltaických elektráren ČSN EN 61724, pokouší se vysvětlit význam měřených a odvozených veličin a srovnává požadavky normy se současnou provozní praxí. ČSN EN 61724 je mezi uživateli navzdory svému stáří poměrně málo známá, ačkoli obsahuje řadu užitečných informací a tipů. Zásadní význam má pak pro srovnávání různých elektráren navzájem, protože standardizuje vyhodnocovací postupy, což je základním předpokladem pro smysluplný benchmarking.

Reklama

O tom, že pro řádný provoz fotovoltaické elektrárny o větším výkonu je nutný monitorovací systém, dnes snad již žádný investor nepochybuje. Jak ale zhodnotit, zda měřené veličiny jsou dostačující co do typu, způsobu zpracování a četnosti měření? Navést nás může norma ČSN EN 61724 s názvem Kontrola fotovoltaického systému – Směrnice pro měření, výměnu dat a analýzu. Vznikla jako IEC 61724:1998, byla beze změn převzata jako EN 61724 v r. 1998 a poté byla bez dalších modifikací převzata k přímému používání jako ČSN EN 61724 v červnu 1999. Má tedy nyní status české technické normy.

Na 14 stranách norma popisuje přímé veličiny, které je doporučováno u FVE měřit, a doporučené způsoby ukládání dat. Nejzajímavější částí jsou ale tzv. odvozené parametry (derived parameters) v kapitole 8. Podívejme se nyní na jednotlivé veličiny a porovnejme doporučení normy se současnou provozní praxí.

Přímé veličiny, měřené v reálném čase

Jedná se o tzv. okamžité hodnoty, které se vzorkují v intervalu 1 minuta nebo menším. Zde nesmíme zaměňovat pojem „interval vzorkování“ (sampling interval) s intervalem ukládání dat (recording interval). U intervalu vzorkování jde o rychlost aktualizace, tedy za jak dlouho se změna fyzikální veličiny projeví v měřicím systému (např. na jeho zobrazovací jednotce). U prakticky všech dnes používaných monitorovacích systémů se hodnoty z čidel aktualizují v řádu sekund.

Přesností měření se myslí nikoliv jen přesnost samotného čidla, ale celého měřicího řetězce, tedy přenosu hodnoty z čidla do měřicí ústředny a zpracování (digitalizace) signálu v ní. V podstatě všechny používané způsoby převodu analogových hodnot na digitální mají chyby měření řádově hluboko pod hodnotami, jež požaduje norma. Kromě vlastního čidla je tedy jediný článek řetězu, na nějž si musíme dát pozor, chyba měření způsobená délkou kabelu u pasivních čidel teploty. Žíly by proto měly mít průřez doporučený výrobcem čidla a neměla by být překročena maximální přípustná délka kabelu – to platí hlavně u čidel teploty panelů. Ostatní čidla je obvykle možné umístit blízko objektu s měřicí ústřednou.

Intenzita slunečního záření v rovině FV pole (W/m²)

Intenzita se snímá pomocí kalibrovaných čidel, tzv. referenčních článků, nebo pyranometrů. Prakticky každá elektrárna s výkonem nad 300 kWp má toto čidlo instalováno.

Potřebovali bychom zde vlastně čidlo ve funkci fotovoltaického expozimetru. Pyranometr reaguje na širší spektrum než FV panel a tedy dává o intenzitě dopadajícího záření komplexnější informaci než referenční článek, který v podstatě kopíruje charakteristiku FV panelu. Rozdíl mezi měřením pomocí pyranometru a referenčního článku se však v praxi, kde monitoring slouží především k detekci poruch, neuplatní – a tak mívají přednost řádově levnější referenční články. Přesnost by měla být lepší než 5 % měřené hodnoty, což standardní výrobky splňují.

Venkovní teplota (°C)

Je myšlena venkovní teplota ve stínu. Venkovní teplota je důležitým údajem pro diagnostiku systému. Pomáhá nám stanovit tepelné namáhání komponent jako jsou střídače a další prvky vystavené velkému kolísání teplot, především v zimě, kdy v noci elektrárna nevyrábí a ve dne může jet na plný výkon. Chyba měření by měla být max. ±1 K.

Rychlost větru (m/s)

Volitelný parametr, někde se měří kombinovaným meteočidlem spolu s rychlostí i směr větru. Rychlost větru se využívá hlavně u FVE s trackery – při vysoké rychlosti větru se panely nastavují do vodorovné polohy. Chyba měření má být max. 0,5 m/s pro rychlosti do 5 m/s, méně než 10 % měřené hodnoty pro vyšší hodnoty. U elektráren s pevným uložením panelů, kterých je v ČR naprostá většina, má rychlost větru jen informativní význam.

Obr. 1 Čidlo s referenčním článkem

Teplota modulů (°C)

Teplota FV modulů se měří příložným čidlem na spodní straně modulu, přesnou pozici a typ čidla určí projektant v souladu s IEC 61829 (Měření U-I charakteristik FV panelů). Chyba měření by měla být max. ±1 K. Volitelně lze teplotu modulů určit pomocí referenčního článku a na něm umístěného čidla s kompenzací. Např. DOSi 13C-TK nebo DOSi 13C-TKM. Toto čidlo poskytuje výstupní signál 0..10 V, úměrný teplotě, nebo údaj o teplotě panelu na komunikační sběrnici). Při použití referenčního článku s čidlem obdržíme relevantní hodnoty bez nutnosti vést kabel přímo k panelům.

Napětí a proud

U těchto parametrů norma striktně nevyžaduje měření na střídavé straně, „střídavé napětí a proud nemusí být monitorovány ve všech případech“. Jelikož jsou ale elektrické parametry získávány v drtivé většině případů ze střídačů po komunikační sběrnici, jsou stejnosměrné i střídavé napětí a proud běžnou součástí měřených hodnot. Fakt, že známe napětí i proud na stejnosměrné i střídavé straně (vstupu i výstupu) střídačů, může svádět ke snaze počítat z nich účinnost střídače. Zde ovšem pozor: účinnost střídačů limituje někam k 98 %, zatímco chybu měření napětí a proudu výrobci neuvádějí. Chyba se podle odhadů pohybuje v řádu procent, tedy tento výpočet by byl zatížen výraznou nepřesností. Berme tedy hodnoty pocházející ze střídačů za informativní, resp. využitelné pouze pro detekci poruch, nikoli pro vážnou analýzu účinnosti FVE.

Výkony

Při výpočtu stejnosměrného výkonu je nutné pracovat s okamžitými, nikoli průměrovanými hodnotami napětí a proudu. Ideální by bylo - a norma to doporučuje - používat stejnosměrný wattmetr. Ten ovšem představuje vyšší investiční náklady (cca 9 000 ... 15 000 Kč plus kalibrace). Přesnost měření včetně zpracování signálu musí být lepší než 2 % měřené hodnoty.

Norma uvažuje pět zdrojů / spotřebičů energie:

fotovoltaické pole (zdroj)
místní zátěž (spotřebič)
distribuční síť (zdroj i spotřebič)
místní úložiště energie (zdroj i spotřebič)
záložní zdroje (zdroj).

Obr. 2 Obecné schéma systému

Měřicí systém obecně

Norma požaduje automatický měřicí systém, jehož celková přesnost se kontroluje ve dvouletých intervalech postupem uvedeným v Dodatku A normy. Jedná se o kontrolu linearity, stability, nulových integrálů a integrovaných hodnot. K uvedenému postupu je možná alternativní kontrola „jiným způsobem, dohodnutým mezi výrobcem a zákazníkem“, což se v praxi používá častěji; v podstatě jde o běžnou kontrolu měřicího systému, někdy spojenou s rekalibrací čidel.

Interval vzorkování

U veličin, které se mění v přímé závislosti na intenzitě slunečního záření, to má být 1 minuta a méně, u ostatních veličin hodnota mezi 1 a 10 minutami. Opět je nutno připomenout, že se zde nejedná o interval ukládání dat. Všechny dnes používané systémy toto kritérium splňují. V poznámce norma uvádí, že při částečné oblačnosti může být rychlost změny intenzity slunečního záření až 200 W/m2s, což neznamená, že smyslem normy by mělo být postihnout tyto přechodové děje. V praxi minutové intervaly postačí. Obvykle je výhodné vzorkovat všechny hodnoty ve stejném (nejkratším) intervalu.

Zpracování dat, interval ukládání

V odstavcích 4.9 a 4.10 se řeší integrace hodnot a interval ukládání, pro něj norma doporučuje 1 hodinu. Z praktických důvodů je ale rozumnější ukládat data podstatně častěji, protože integrované hodnoty sice poměrně přesně popisují dlouhodobou účinnost FVE, pro rychlou diagnostiku poruch jsou však málo použitelné. To je také slabá stránka některých serverů pro vyhodnocování a monitoring FVE, u nichž se data zpracovávají v komunikátorech a odesílají jednou za čas přes Internet v podobě kumulovaných nebo integrovaných hodnot. Při poruše pak není možné prohlížením historických dat zjistit, kdy přesně porucha nastala, jak časově souvisí s dalšími událostmi na FVE atd. Při častějším ukládání dat norma celkem prakticky a rozumně požaduje, aby hodina byla celočíselným násobkem intervalu ukládání.

Dokumentace

V této kapitole jsou popsány nároky na zaznamenávání dalších údajů, jako jsou mimořádné události, výměny komponent, poruchy, rekalibrace čidel, čištění panelů atd. K tomu běžně slouží provozní deník, vedený v papírové formě. Ten je ale nutné při každém vyhodnocování mít u ruky a pracovat s ním. Praktičtější je tedy software v podobě elektronického deníku jako součásti monitorovacího systému. Ten se neztratí, je pravidelně automaticky zálohován, lze v něm filtrovat, přiřazovat náklady jednotlivým částem FVE apod. Pro tyto úlohy existuje řada programů, jedním z nich je např. ContPort [1]. I excelová tabulka na sdíleném disku je ovšem lepší, než ztracený notes. Pochopitelně je třeba události zaznamenávat pečlivě a pravidelně, jinak celá dokumentace ztrácí smysl a může být spíše matoucí než přínosná.

Formát dat

Zde je dobře vidět, že norma vznikala v 90. letech, kdy textové soubory byly nejjednodušším prostředkem pro výměnu dat mezi dvěma systémy. Kapitola popisuje příklad struktury – hlavičku a data souboru s hodnotami. I dnes je poměrně snadné exportovat data jako soubory .csv a importovat je analytickými programy. Popis formátu ovšem neřeší důležitou věc, kterou je kvalita dat. Ta je v moderních systémech u každé měřené hodnoty popisována zvláštním atributem, protože i když zaznamenaná hodnota je fyzicky čitelná a dává smysl, nemusí se jednat o hodnotu platnou. Mohou nastat například situace, kdy zařízení pro záznam dat vědělo, že komunikativní čidlo mělo poruchu, nebo elektroměr ukazuje již tři hodiny stejnou hodnotu, ačkoliv elektrárna vyrábí. Dále je například vyloučeno, aby čidlo osvitu naměřilo v půl dvanácté v noci hodnotu 800 W/m². V těchto případech je úkolem měřicího systému, aby vstupní a spočítané hodnoty opatřil před předáním do databáze značkami kvality.

Norma dále popisuje, jak má monitorovací systém při vyhodnocování kvality postupovat. Neplatná data nejsou do dalších analýz zahrnována. Může se stát, že kvůli výpadku jediné hodnoty (např. intenzitě slunečního záření) ztrácejí použitelnost i hodnoty další, jako jsou odvozené parametry. Dostupnost monitorovaných dat se vyjadřuje jako podíl doby, kdy byla měřena platná data, k celkové době monitorování.

Odvozené parametry

Z okamžitých a kumulovaných hodnot je možné počítat různé tzv. odvozené parametry. Ty jsou vynikající pomůckou pro porovnávání různých FVE mezi sebou, tedy benchmarking. Odvozené parametry se dělí do dvou hlavních skupin, a to na množství elektrické energie (electrical energy quantities) a na indikátory výkonnosti systému (system performance indices).

Globální ozáření

Vyjadřuje se v kWh/m²d (kilowatthodiny na metr čtvereční a den) a představuje celkovou sluneční energii, která za den dopadla na jednotku plochy. Tato veličina je počítána jako suma součinů okamžitého oslunění a intervalu vzorkování. Je zřejmé, že při proměnlivé oblačnosti bude tato hodnota tím nepřesnější, čím je delší interval vzorkování. Pro měření s rozlišitelností na Ws/m²d je vhodné použít samostatné zařízení, solární integrátor [2], který pomocí impulsního výstupu nebo komunikační linky předává kumulované hodnoty monitorovacímu systému.

Množství energie

Jedná se o kumulované hodnoty elektrické práce (v kWh), vycházející z výkonových parametrů měřených v reálném čase. Pro běžné instalace, které neobsahují zvlášť měřenou vlastní spotřebu a nemají úložiště energie ani záložní zdroje s vlastním elektroměrem, jde tedy o výkony na vstupu střídačů (stejnosměrná část) a výstupu do sítě. Stejnosměrné veličiny získáme čtením hodnot ze střídačů, celkovou energii odevzdávanou do sítě nejlépe z fakturačního elektroměru jako jediného směrodatného zdroje údajů.

Z těchto odvozených parametrů, které z hlediska monitorovacího systému jsou vlastně ještě přímo měřenými hodnotami, se pak vypočítávají ty nejzajímavější údaje:

Účinnost BOS (Balance of System), tedy všech částí FVE kromě panelů. Myslí se tím kabeláž, pojistky, string boxy a array boxy, střídače, transformátory atd. Účinnost BOS charakterizuje pouze efektivitu přeměny energie mezi panely a sítí. Veličina neuvažuje s účinností panelů, vlivu úhlu dopadu záření atd. Účinnost BOS je bezrozměrná veličina. Pro vyhodnocování provozu FVE je důležitá závislost BOS na intenzitě slunečního záření.

BOS v podstatě nejde absolutně příliš přesně měřit vzhledem k nízké přesnosti měření stejnosměrných parametrů ve střídačích.

Dalšími odvozenými parametry jsou indikátory výkonnosti systému. Jsou to normalizované parametry, tedy hodnoty vztažené na jmenovitý výkon panelů. Právě ony nám umožňují porovnávat účinnost FV výroben v různých lokalitách a s různými konfiguracemi.

Obr. 3 Denní střední výnos (šířka zelené plochy); obsah zelené plochy je roven obsahu oranžové plochy

Denní střední výnos (h/d) je poměrně neobvyklá veličina. Představuje počet hodin za den, během nichž by FVE musela podávat jmenovitý výkon, aby vyrobila naměřené denní množství energie. Vyhodnocují se tři denní střední výnosy:

Výnos pole Y_a, tedy počet hodin za den, během nichž by FVE musela podávat svůj jmenovitý výkon, aby vyrobila naměřené denní množství energie na výstupu z panelů,

celkový výnos Y_f, tedy počet hodin za den, během nichž by FVE musela podávat svůj jmenovitý výkon, aby vyrobila naměřené denní množství energie na výstupu do sítě (tedy včetně účinnosti kabeláže, střídačů, transformací atd.).

Posledním je referenční výnos Y_r, což je počet hodin za den, během nichž by oslunění muselo splnit referenční parametry (pro jmenovitý výkon), aby FVE vyrobila naměřené denní množství energie na výstupu do sítě. Pokud by referenční oslunění bylo rovno 1000 W/m², globální ozáření (v kWh/m²d) by bylo numericky rovné jmenovitému výkonu panelů v kWh/dkW. Referenční výnos Y_r by pak byl teoretický počet hodin s referenčním osluněním denně (h/d).

Je pravda, že tyto parametry jsou počítány málokdy a uživatele zajímá spíše denní nebo měsíční výroba vztažená na denní či měsíční globální ozáření.

Normalizované ztráty se udávají v h/d a představují čas, po nějž by výrobna musela podávat jmenovitý výkon, aby pokryla kumulované denní ztráty. Ztráty jsou:

Ztráty v poli (panelů), tedy referenční výnos mínus výnos pole; jsou to vlastně ztráty způsobené tím, že účinnost panelů je podstatně nižší než 100 %.

Ztráty v BOS, čili ztráty v kabeláži, střídačích, transformátorech (viz výše).

Posledním parametrem této skupiny je účinnost R_p, poměr celkového výnosu k výnosu referenčnímu. Tato účinnost se v praxi počítá právě pomocí hodnot, které poskytuje solární integrátor. Je třeba si uvědomit, že se nejedná o okamžitou hodnotu (podíl výkonů), ale o hodnotu počítanou z kumulovaných hodnot (podíl energií za určité období). V monitorovacím systému tedy musíme uchovávat jako historická data kumulované hodnoty (hodnoty z elektroměru a solárního integrátoru) a účinnost počítat vždy k intervalu, který nás zajímá. Tím může být aktuální měsíc, minulý měsíc, od počátku roku, minulý rok atd. Účinnost se počítá z rozdílů kumulovaných hodnot pro začátek a konec příslušného období.

Poslední skupinou jsou účinnosti systému.

Střední účinnost FV pole (opět: během určitého období) je podíl výroby pole a energie, která na pole během období dopadla. Je to údaj, který představuje jakost panelů. Je užitečný v porovnání s účinností panelů při jmenovitém výkonu, kterou udává výrobce. Rozdílem jsou ztráty v diodách, kabeláži a vadných částech panelů.

Celková účinnost FVE je součin střední účinnosti pole a účinnosti, s níž je energie přenášena ze zdrojů ke spotřebičům. V našem případě FVE bez úložišť energie atd. je to prakticky součin střední účinnosti pole a účinnosti BOS, neboli poměr mezi energií odevzdanou do sítě a energií dopadnuvší na plochu panelů.

Výnosy, ztráty a účinnosti mohou být počítány k libovolnému časovému období. V praxi se často porovnávají meziroční hodnoty, aby byly zřejmé dlouhodobé vlivy, které snižují účinnost celého řetězce. Je nutno zdůraznit, že vzhledem k přesnosti měření napětí a proudů ve střídačích i ostatních veličin se jedná vždy jen o relativní měření, tedy můžeme porovnávat ztráty, účinnosti a další veličiny na jedné elektrárně v čase a sledovat jejich zlepšování nebo zhoršování. Pro vážně míněný benchmarking by bylo nutné používat na všech hodnocených elektrárnách stejnou technologii (s předpokládanou stejnou chybou měření) – ale pak by se nám vytratil smysl benchmarkingu. Další možností by bylo zajistit samostatné měření s odpovídající přesností a stabilitou.

V dodatku normy je pak uveden návrh metody pro pravidelnou kontrolu monitorovacího systému, a sice

které signály by měly být kontrolovány
test linearity (měření v šesti bodech rozsahu)
test stability měření při konstantním vstupním signálu
test integrace při konstantním vstupním signálu
test integrace nuly (při nulovém vstupním signálu nesmí integrované veličiny vzrůstat o více než 1 %).

Tato doporučení jsou použitelná v závislosti na typu a principu monitorovacího systému. Pokud to s monitorováním myslíme vážně, počítejme s tím, že každoroční kalibrace celého měřicího řetězce je nutná. Samozřejmě zde do kalkulace vstupuje ekonomické hledisko a nejspíše se ukáže, že pro běžnou detekci provozních poruch budou stačit pravidelné kontroly, bez kalibračních procesů.

Pětileté zkušenosti v oblasti monitorování FVE a dalších energetických systémů nám ukazují, že většina uživatelů se soustřeďuje především na prosté udržení FVE v chodu, tedy hlášení a odstraňování provozních výpadků. K tomu jim stačí přímé veličiny. Z kumulovaných hodnot využívají jen výrobu, tedy kumulovanou energii na výstupu do sítě či na výstupech jednotlivých střídačů. Abychom ale mohli provádět hlubší analýzu a během několika desetiletí provozu FVE udržet technický stav výrobny tak, aby byla schopna odevzdávat výnosy podle projektovaných parametrů, je nutné sledovat i parametry odvozené. Při výběru monitorovacího systému si tedy všímejme toho, zda je systém schopen buď parametry počítat sám, nebo alespoň exportovat data pro ruční výpočty a porovnání.

Nezávislá zkušební organizace TÜV SÜD vypracovala v roce 2012 pro monitorovací systémy testovací předpis. Kromě parametrů uvedených v normě při certifikaci monitorovacího systému zkoumá ještě další vlastnosti, především možnosti ukládání a přenosu dat a komunikace se střídači. Jako první na světě získala certifikaci v nejvyšší třídě A společnost Domat Control System, která od r. 2008 nasazuje monitorovací systémy pro FVE na desítkách akcí v České republice i v zahraničí. Domat v současnosti monitoruje více než 750 MWp instalovaného výkonu. U menších zařízení je řídicí stanice obvykle součástí elektrárny, u větších celků s více investory a jednou správcovskou firmou má technické oddělení správcovské firmy centrální dispečink s online hodnotami pro servisní práce, zatímco investory spolu s energetikem správce zajímají především odvozené parametry, které poskytují dlouhodobější obraz o stavu výrobny.

Protože agenda spojená s vyhodnocováním je srovnatelně náročná pro malé i velké FVE, u menších instalací příliš hluboká analýza nedává ekonomický smysl. Pro menší výrobny do 100 kWp se většinou spokojíme se záznamy aktuálních hodnot oslunění a výkonu a hlášením anomálií – nesouladů, které ukazují na poruchové stavy. U větších instalací ovšem může být prostor ke zvyšování účinnosti. Základními veličinami pro analýzu jsou globální ozáření a množství energie, střední účinnost FV pole a celková účinnost FVE. Výsledky porovnáváme buď vzájemně mezi FVE podobného typu v blízkých lokalitách, nebo lépe s výsledky certifikovaného auditu, který u nás nabízí TÜV SÜD. Audit totiž určí podle reálně instalovaných technologií (nikoli jen podle realizačního projektu) opravdový možný výnos FVE, k němuž by se měly měřené výsledky přibližovat.

Zdroje

English Synopsis

PV plant monitoring according to EN 61724

The article describes the norm for photovoltaic plant monitoring, EN 61724. It attempts to explain the meaning of measured and derived values, and compares the requirements of the norm with today’s operational practice. The EN 61724 is, in spite of being 15 years old, not very much known, although it contains many useful informations and hints. It is crucially important for comparing of PV power plants between each other, as it standardizes the evaluation processes, which is the basic condition for a meaningful benchmarking.