CPZ^®-4Z

Sygnalizatory CPZ^® w sieciach kablowych SN z radiową komunikacją do SCADA

Sygnalizatory zwarć bez zewnętrznych źródeł zasilania w obiektach sieci SN do transmisji danych wykorzystują moduły radiowe w technologii LoRaWAN.

OSD realizują plany modernizacji infrastruktury zapewniające poprawę wskaźników SAIDI i SAIFI. Jest to wynik obowiązujących regulacji nałożonych przez URE na działających w Polsce operatorów. Z prostych analiz wynika, że najczęstszą przyczyną złych wskaźników są awarie w sieci średniego napięcia. I co oczywiste, w obszarze sieci SN dzieje się najwięcej.

Strategie na działanie zgodnie z modelem Regulacji Jakościowej są różne, ale w większości koncentrują się one wokół modernizacji stacji SN lub budowy nowych, wyposażonych w urządzenia telemechaniki w celu realizacji funkcji FDIR (ang. Fault Detection, Isolation and Restoration). Na rysunku poniżej przedstawiono uproszczony schemat sieci SN z sygnalizatorami do detekcji zwarć umieszczonymi w stacjach transformatorowych i złączach kablowych. Grafika obrazuje ideę wyznaczania miejsca wystąpienia np. doziemienia. Realizowana na podstawie wskazań przebudowa sieci polegająca na wyłączeniu odcinka dotkniętego awarią i załączenia pozostałej części sieci w czasie nie przekraczającym 3 minut możliwa jest dzięki zautomatyzowanym systemom.

Do działania potrzebują one elementów wykonawczych i danych o stanie sieci. Nowe lub zmodernizowane obiekty wyposażane są w urządzenia telemechaniki zapewniające taką kontrolę sieci. Wszystkie urządzenia wymagają zasilania ze źródeł gwarantujących ciągłość pracy przez kilkadziesiąt godzin, niezależnie od stanu sieci SN. Wykonanie układów zasilania w obiektach, gdzie jest dostępne niskie napięcie, jest prostsze, ale wymaga rozwiązań typu UPS i akumulatorów. Jeszcze trudniej jest tam, gdzie nie ma źródła nn. W takim przypadku możliwym rozwiązaniem jest transformator potrzeb własnych. Jego montaż wymaga zaplanowania przestrzeni, w której będzie umieszczony. W złączach kablowych może to być trudne i powodować dodatkowe koszty. Innym wyzwaniem, z jakim trzeba się zmierzyć, są warunki eksploatacji akumulatorów. Bywają one skrajnie trudne, a wówczas niska i wysoka temperatura znacząco skraca ich żywotność. Dodatkowo obsługa serwisowa takich obiektów staje się obciążeniem dla brygad.

Opisany obraz sieci SN i działań zmierzających do podniesienia jej niezawodności skłonił zespół konstruktorów firmy ZAE do opracowania wersji sygnalizatora CPZ^®, która umożliwi pracę w obiektach, gdzie nie ma do dyspozycji źródeł zasilania 230VAC lub 24VDC. Jednocześnie takie sygnalizatory nie wymagałby instalacji dodatkowej aparatury pierwotnej i układów z akumulatorami do zasilania.

Sieci objęte kontrolą

Dostępne na rynku urządzenia CPZ^®, od wielu lat dostarczane jako wyposażenie stacji SN, kontrolują ciągi kablowe w sieciach kablowych lub kablowo-napowietrznych:

Zasilanie i budowa

Sygnalizator CPZ^®-4Z dedykowany do złącz kablowych SN w swojej pracy korzysta ze źródła zasilania, jakim są przekładniki Ferrantiego. Są to te same trzy przekładniki, które w obwodach pomiarowych sygnalizatora służą do pomiaru prądów roboczych w trzech fazach ciągu SN. Uzysk energii z przekładników przy prądzie roboczym na poziomie 5 A jest wystarczający do zasilania elektroniki i gromadzenia zapasu na potrzeby transmisji danych przez moduł komunikacyjny.

Pobór prądu z baterii

400 µA

Praca w stanie czuwania

15 lat

Praca w stanie sygnalizacji

do 600 godzin

Temperatura otoczenia

-25°C ÷ +55°C

Wilgotność względna

90% (bez kondensacji)

Zasięg łączności

15 km teren otwarty / 5 km zabudowany

Standardowo sygnalizator CPZ^®-4Z kontroluje dwa odcinki i w komplecie posiada sześć przekładników Ferrantiego z otwieranym torem (rdzeniem) magnetycznym, dzięki czemu montaż odbywa się bez rozłączania kabla w głowicy.

Komunikacja LoRa^® i integracja ze SCADA

Praca sygnalizatorów współpracujących z systemem nadrzędnym do realizacji funkcji FDIR, w przypadku wykrycia zwarcia, wymaga zdalnego przesłania alarmu. Zapewnia to karta komunikacyjna, w którą został wyposażony sygnalizator. Drogą radiową dane o stanie urządzenia wraz z pomiarami przesyłane są do koncentratora. Podane wcześniej sposoby i parametry zasilania sygnalizatorów dotyczą również tej komunikacji.

To nowatorskie rozwiązanie zaprojektowane i wykonane w oparciu o technologię LPWAN (ang. Low Power Wide-Area Network) sprawia, że sygnalizatory zainstalowane w obiektach (stacjach i złączach) w promieniu 15 km w terenie otwartym i 5 km w terenie zabudowanym od bramy systemu radiowego, mają łączność dwukierunkową z koncentratorem. Prezentowany sygnalizator CPZ^®-4Z jest wyposażony w kartę komunikacyjną z modułem radiowym firmy Semtech pracującym w standardzie LoRa^®.

Zaletą tego standardu jest jego dostępność. Gateway'e LoRa^® rozmieszczone na obszarze odpowiadającym rejonowi OSD zapewniają szyfrowaną transmisję do bazy danych koncentratora, skąd łączem VPN są dostarczane np. w protokole DNP-3 do systemu SCADA. DNP-3 jest protokołem komunikacyjnym używanym do kontroli urządzeń w energetyce.

Działanie urządzenia z transmisją o możliwe najmniejszym zapotrzebowaniu na energię do zasilania wynika z zastosowania energooszczędnych mikrokontrolerów oraz cyklu pracy modułu radiowego. Po wysłaniu ramki danych moduł w standardzie LoRa^® przechodzi w stan uśpienia na ustawiony programowo czas (czyli do następnej ich transmisji). W przypadku detekcji zwarcia urządzenie wybudza się z trybu czuwania i natychmiast wysyła alarm. Po każdej transmisji z urządzenia sygnalizacyjnego moduł radiowy przełącza się w tryb odbioru i wówczas możliwa jest transmisja do urządzenia. Dzięki temu można z systemu nadrzędnego wysyłać do sygnalizatora komendę sterowania np. test lub kasowanie pobudzenia.

LoRa^® i logo LoRa^® są znakiem towarowym Semtech Corporation.

Autonomia i oszczędzanie energii

Odstępy czasu pomiędzy kolejnymi transmisjami ustawione są w przedziale od 10 min do kilku godzin przy pracy na baterii. Jeśli zgromadzona w superkondensatorach energia uzyskana z przekładników jest jeszcze wystarczająca, to urządzenie nie obciąża baterii. Taki zgromadzony w stanie czuwania zapas energii pozwala na wysłanie ponad 300 ramek z danymi.

W ten sposób konstruktorzy z ZAE uzyskali urządzenie autonomicznie pracujące przez co najmniej 200 godzin bez zewnętrznego zasilania i kolejne 600 godzin w trybie pracy bateryjnej. W trybie czuwania pomiary wykonywane przez sygnalizator są rejestrowane i przesyłane cyklicznie do koncentratora.

Statuetka PSE na ENERGETAB 2018