Doplňování fotovoltaických elektráren o monitorovací systémy
V posledních měsících roku 2010 byly připojovány do distribuční sítě desítky fotovoltaických elektráren, jejichž provozovatelé se logicky museli soustředit na povinnosti spojené s uvedením elektrárny do provozu. V první polovině roku 2011 se začínají projevovat závady a nedodělky, které vznikly při překotném zimním oživování.
Všichni ještě dobře pamatujeme, jak masivní rozmach prožívaly instalace fotovoltaických elektráren ke konci roku 2010. V jeho posledních měsících byly kolaudovány a připojovány do distribuční sítě desítky těchto zařízení, jejichž provozovatelé se logicky museli soustředit na splnění zákonných povinností, spojených s uvedením elektrárny do provozu. O to méně času (a peněz) zbylo na "nedůležité" části, mezi něž patří i systémy, které hlídají řádný chod elektrárny a zpravují majitele nebo správce o výpadcích a poruchách, jež se záhy projeví na sníženém výnosu elektrárny. A ten je ve světle posledních zákonných úprav stěžejním kritériem ekonomické návratnosti celého podniku.
Během šesti měsíců, od dubna do září, vyrobí elektrárna přibližně 70 % roční produkce energie. Výpadky v průběhu tohoto období mají tedy na bilanci významný vliv. Proto je důležité, aby byly poruchy hlášeny bezprostředně po jejich vzniku, ovšem na druhou stranu je třeba minimalizovat počet falešných alarmů, které představují zbytečné náklady v podobě servisních výjezdů.
V první polovině tohoto roku se dále začínají projevovat závady a nedodělky, které vznikly při překotném zimním oživování. Dochází k přehřívání špatně dimenzovaných rozvaděčových skříní, vyhřívají se nedotažené silnoproudé spoje, chybně vybrané izolační materiály popraskané mrazem propouštějí vlhkost. U instalací vybavených trackery se uvolňují mechanické spoje a "odchází" řídicí elektronika - těchto zařízení naštěstí v ČR mnoho není, podstatně pesimističtější zprávy přicházejí z jiných zemí. Kvalitní monitoring je proto nezbytnou součástí funkční fotovoltaické elektrárny.
Standardní rozvaděč pro 16 stringů vybavený měřicími sondami a převodníky.
Většina provozovaných zařízení (co se týče počtu, nikoli instalovaného výkonu) je vybavena monitorovacími systémy, které dodávají přímo výrobci střídačů (např. SMA SunnyPortal), nebo některým z univerzálních systémů, napojených na internetové portály (např. Solar-Log). Tyto monitorovací systémy jsou vesměs vhodné pro homogenní zařízení, tedy elektrárny vybavené jednou značkou střídačů a pokud možno jedním typem panelů, aby bylo možné porovnávat výkony jednotlivých (shodně osazených) střídačů navzájem. Pokud se ale podíváme tváří v tvář skutečnosti, zjistíme, že na řadě českých instalací o výkonu stovek kWp až jednotek MWp pracují střídače dvou až tří značek, o panelech nemluvě. Hektická doba koncem roku 2010 zkrátka nedávala na výběr a developer musel brát, co bylo. Navíc v ČR existují desítky firem, které se správou FVE živí, a jejich technici musí sledovat několik webových portálů, podle toho, jakými střídači a systémy jsou jednotlivé elektrárny jejich zákazníků vybaveny.
Zkoumáme-li veličiny na portálech dostupné, zjistíme, že důraz je kladen na tzv. investorský pohled: prim hraje denní, týdenní atd. výnos, dále se porovnává aktuální výkon a intenzita slunečního záření. Z těchto hodnot se odvozuje, zda střídač (resp. střídač s panely) pracoval s požadovanou účinností. Nechybí výnos v měně příslušného státu a módní hodnota - ušetřené tuny CO2. Z hlediska servisního technika jsou ale podstatné spíše přehledy alarmových událostí a hlavně rychlá reakce v podobě e-mailu nebo SMS. To je bohužel Achillova pata portálů, protože zkušenost z posledního půlroku ukazuje, že alarmy z nich někdy chodí s až dvoudenním zpožděním. V případě poruchy třeba 500 kW střídače je to ovšem netolerovatelné.
Půdorys se stringovými proudy a grafický výpis teplot a denní výroby na centrále.
Proto během posledního půlroku čím dál tím více firem, které se provozováním FVE zabývají, uvažuje o vlastním dispečerském pracovišti. Vlastní dispečink má smysl v těchto případech:
- chceme mít "vše pod kontrolou" a nebýt závislí na provozovateli portálu
Jde především o spolehlivost přenosu alarmů a informací o aktuálních hodnotách. Díky přenosu přes Internet je dispečink s elektrárnou trvale spojen a hodnoty jsou aktualizovány v intervalu několika sekund. Tento princip zároveň funguje jako trvalá kontrola spojení - nedostupnost elektrárny je hlášena prakticky okamžitě. - chceme se vyhnout pravidelným poplatkům, které některé portály fakturují
Zde je potřeba uvažovat s předpokládanými náklady za celou dobu životnosti FVE, tedy kolem 20 let! Náklady na služby portálu nabývají na významu u velkých instalací, protože jsou úměrné instalovanému výkonu. Cena za vlastní monitorovací systém je jednorázová a máme jistotu, že za několik let nezačne plíživě růst. - potřebujeme otevřený systém, který je možné rozšiřovat o další funkce
Ty dnes ani nemusí být požadovány a známy, typicky je to reporting, export dat do dalších programů a systémů, ukládání do cizích databází apod. - plánujeme integrovat více různých typů střídačů společně s monitoringem stringů nebo skupin stringů
Zvláště u stringového měření je nutné volit kompromis mezi počtem měřicích míst (sond), tedy investičními náklady, a požadovanou rozlišitelností. Proto se někdy používá slučování stringů, kdy jedna stejnosměrná sonda měří proud z více stringů dohromady - obvykle se slučuje 2, 4 nebo 8 stringů. Je zřejmé, že v případě 8 nebo 10 sloučených stringů představuje příspěvek jednoho stringu 12,5 nebo 10 % měřené hodnoty, a systém je tedy schopen identifikovat jeden vypadlý string, ale už ne třeba pouze 20% pokles v jeho výkonu. (Tento pokles by představoval změnu měřeného proudu o 2 %, což je pod hranicí rozlišitelnosti stringového měření.) Při tomto způsobu měření je nutné používat volně programovatelný systém, v němž je možné přizpůsobit detekční algoritmy konkrétní instalaci. Mimochodem - identifikace poruch porovnáváním stringů je hodnocena jako nejspolehlivější algoritmus s minimem falešných poplachů (The Limits of Automation, pv magazine 03/2011, str. 84). - chceme vzájemně porovnávat panely různých typů
Musíme tedy normovat jejich proudy, protože výkony jednotlivých stringů se mohou vzájemně lišit. K tomu je opět potřeba volně konfigurovatelný systém. - chceme mít možnost volně definovat informace, které uvidí jednotliví uživatelé, a způsob jejich zobrazování
Zde se jedná o zobrazení typické pro procesní vizualizace (SCADA) používané v technice budov, v elektrotechnice a v průmyslu: technologická schémata (topologie) zařízení s aktuálními hodnotami, půdorysy elektráren s proudy v jednotlivých sekcích a boxech, alarmy a dalšími informacemi, s možností volně definovat zobrazování historických dat, se skoky z tabulky alarmů na schéma zařízení, kde se porucha vyskytla, atd. Podobné požadavky platí pro webový přístup, ten však slouží spíše pro informaci, tzv. "investorský náhled". (Zajímavé je, že správcovské firmy někdy vyžadují v investorském náhledu omezený rozsah alarmových informací: během prvních týdnů investor, okouzlen dálkovým přístupem, věděl o poruchách dříve než technici, a volal i kvůli falešným poplachům, které jsou během ladicí fáze běžné.)
Pokles výkonu po dvou dnech hustého sněžení pomůže zhodnotit nutnost ručního čištění panelů.
Volně konfigurovatelný monitorovací systém, tedy v principu průmyslové PLC, může zároveň plnit i další úlohy, se kterými tvůrci proprietárních monitoringů nepočítali:
- omezení výkonu dodávaného do sítě
Přichází v úvahu při lehce předimenzované elektrárně, většinou díky rezervám výrobce ve výkonu střídačů i panelů. Taková elektrárna sice dodává větší výkon při horších osvitových podmínkách, zároveň ale hrozí překročení maximálního přípustného výkonu při ideálním oslunění. Datalogger, který se střídači komunikuje po sériové sběrnici, může odečítat okamžité výkony všech střídačů a pokud hrozí, že jejich součet by překročil jmenovitý výkon elektrárny, omezí výkony u všech nebo u některých střídačů, a to buď stupňovitě, nebo spojitě (podle možností střídačů). - přenos signálu o přifázování
Signál o přifázování je specialita slovenské distribuční soustavy: distributor vyžaduje, aby elektrárna hlásila pomocí kontaktu ranní najetí a večerní ukončení výroby. Tento signál je možné tvořit v monitorovacím systému na základě dat nakomunikovaných ze střídačů a posílat ho přes výstupní modul do rozvaděče distribuce. Musíme zde ovšem dát pozor na omezení na sběrnici střídačů: při nízkých komunikačních rychlostech a velkém počtu střídačů na sběrnici může signál o přifázování být nepřípustně zpožděn. - přenos dalších signálů
Například signál o tom, že elektrárna dosáhla určitého výkonu, a je možné povolit některá zařízení pro vlastní spotřebu. To se týká kombinovaných zdrojů a systémů, nikoli klasických fotovoltaických plantáží.
Jak při dodávce monitorovacího systému postupujeme? Jako u každé akce na klíč, v prvním kroku musí být provedena analýza stávajícího stavu:
- Je dostupná dokumentace skutečného provedení? U řady elektráren tomu tak není. V tom případě je nutné "provést místní šetření", zpovídat subdodavatele, kudy vlastně vedli kabely atd.
- Jaké jsou značky, typy a verze firmwaru instalovaných střídačů? Vzhledem k prudkému vývoji je možné, že střídače nemají nejnovější firmware a některé funkce nejsou podporovány, například řízení výkonu a účiníku, otevřený komunikační protokol, monitorování stringových rozvaděčů stejného výrobce apod.
- Jsou střídače vybaveny rozhraním nebo komunikačními kartami? Některé střídače mají komunikační vybavení jako volitelné příslušenství (např. Schneider Xantrex, SMA - Webbox apod.).
- Bude instalováno měření stringů? Pokud ano, jsou pro to stávající rozvaděče vhodné a lze je doplnit sondami, nebo je bude nutné nahradit novými rozvaděči?
- Jsou v areálu instalovány vhodné komunikační linky? Kdo je správcem sítě, tedy s kým se bude řešit adresní plán pro síťová rozhraní, nastavení přístupu přes Internet apod.?
- Je v elektrárně přístup přes Internet s veřejnou IP adresou, nebo bude nutné využít proxy serveru?
- Je k dispozici výstup z centrálního elektroměru? Měření distributora může mít pouze impulsní výstup, v ČR se nám nepodařilo dojednat elektroměr s komunikační linkou ani možnost automatických ("strojních") odečtů z webu ČEZ. Další možností je využít vnitřních hodnot ve střídačích nebo podružných elektroměrů v trafostanicích, jsou-li instalovány. S podružnými elektroměry můžeme navíc porovnávat hodnoty ze střídačů a těchto elektroměrů a tak - podle zapojení - třeba měřit vlastní spotřebu atd.
- Kde bude instalována centrála? V sídle správcovské firmy, hostovaná v datacentru, přímo v elektrárně - nebo někde jinde? Jak bude řešeno zálohování historických dat?
- Bude na centrálu webový přístup? (Pak je nutné zajistit veřejnou IP adresu a příslušné zabezpečení.)
- Jak budou vypadat scénáře (use cases) pro nakládání s alarmy? Tedy co se stane, když přijde alarm během pracovního dne, o víkendu, jaká je očekávaná reakční doba, kdo má klíče od elektrárny, jak je elektrárna střežena a odstřežována? Podle toho budou nakonfigurovány cesty pro přenosy alarmů - mail, SMS, eskalující alarm (při nepotvrzení během dané doby přichází alarm nadřízenému) apod.
- Počítá se i s rozšířením systému? Bude nutné exportovat data? Bude si správcovská firma budovat vlastní webový portál přes otevřené rozhraní (API) nebo využije webového přístupu ve vizualizaci?
Pak teprve může vzniknout nabídka, po jejím přijetí a podpisu smlouvy dochází k realizaci. Zákazníka vždy zajímá, jak rychle je možné monitorovací systém nasadit; zde záleží na tom, jak je elektrárna vybavena. Pokud existuje internetové připojení, jsou připraveny vnitřní datové linky a střídače jsou řádně naadresovány a zkomunikovány, sběr hodnot do vlastní databáze může začít už třeba během pěti dnů. Instalace o megawattových výkonech, kam je nutné dodat nové rozvaděče pro monitorování stringů, mohou trvat až několik měsíců. Následuje další fáze, která obvykle trvá půl roku, aby postihla jak letní, tak zimní podmínky. V ní se nastavují parametry pro spuštění alarmů, aby se zabránilo falešným alarmům, ale zároveň byl systém dostatečně citlivý.
Webový přístup na dispečerskou centrálu.
O tom, že i volně programovatelný monitorovací systém nemusí být pro instalaci a uvádění do provozu složitý, svědčí i fakt, že se systémem Domat pracují významní hráči na poli správy českých fotovoltaických elektráren. Někteří z nich použili přístup k databázi (API) při tvorbě vlastního webového portálu, jiní využívají webového přístupu na procesní vizualizaci s definováním uživatelů s různými přístupovými právy.
Domat Control System s.r.o. patří k evropské špičce dodavatelů řídicích systémů a regulací pro inteligentní budovy, průmysl a energetiku. Cílem této ryze české společnosti je vyvíjet, vyrábět a dodávat řídící systémy v mezinárodním měřítku.