Inteligentne monitorowanie: szkielet IoT sieci energetycznej

fot. M Yaqoob/stock.adobe.com; wygenerowano za pomocą SI

W miarę ewolucji sieci elektroenergetycznych w celu dostosowania do decentralizacji i źródeł energii odnawialnej stają się one coraz bardziej złożone. Zarządzanie taką złożonością wymaga monitorowania sieci w czasie rzeczywistym i inteligentnego sterowania nimi, aby optymalizować wydajność i zapobiegać przestojom. Unia Europejska przewidziała inwestycję 584 miliardów euro w sieci elektroenergetyczne do 2030 roku, z czego 170 miliardów przeznaczono konkretnie na inteligentną cyfryzację.^[1] Skala tych inwestycji odzwierciedla rosnącą rolę Internetu rzeczy (IoT) jako kluczowego elementu wspierającego budowę bardziej inteligentnych i odpornych sieci elektroenergetycznych.

Urządzenia IoT – m.in. moduły komunikacyjne, procesory sztucznej inteligencji (AI) pracujące na brzegu sieci czy zaawansowane czujniki – dostarczają dane operacyjne o stanie sieci, dzięki którym operatorzy mogą wykrywać i rozwiązywać problemy, zanim rozwiną się w poważniejsze awarie. Wyzwaniem stojącym przed projektantami jest opracowanie skalowalnych i bezpiecznych rozwiązań, które będą odporne na wysokie zakłócenia elektromagnetyczne oraz będą charakteryzować się niskimi opóźnieniami transmisji danych. Niniejszy artykuł omawia konieczność stosowania inteligentnego monitorowania, kluczowe aspekty projektowe oraz technologie IoT niezbędne dla nowoczesnych systemów nadzoru sieci elektroenergetycznej.^[1]

Współczesne sieci elektroenergetyczne stwarzają szereg wyzwań, takich jak wahania zapotrzebowania, niestabilność oraz zagrożenia cybernetyczne. Rozwój rozproszonych źródeł energii (DER – Distributed Energy Resources), takich jak panele fotowoltaiczne czy systemy magazynowania energii, wprowadził nieprzewidywalną dynamikę podaży i popytu. Wahania napięcia i nierównowagi częstotliwości mogą powodować zakłócenia oraz wymagać regulacji w czasie rzeczywistym. Ponadto rozbudowana łączność wiąże się z nowymi słabymi punktami, wymagającymi niezawodnych środków ochrony przed cyberatakami. Integracja zmiennych źródeł energii odnawialnej, takich jak wiatr oraz słońce, dodatkowo komplikuje problem stabilności sieci i wymaga zaawansowanych systemów zarządzania, które mogą szybko dostosowywać się do wahań w wytwarzaniu energii.

Zbieranie i analiza danych w czasie rzeczywistym umożliwiają operatorom zwiększenie niezawodności oraz efektywności sieci. Inteligentne czujniki oraz komunikacja w ramach IoT pozwalają wykrywać anomalie, prognozować awarie i wdrażać strategie reagowania na popyt. Systemy monitorujące sieć energetyczną, wykorzystujące algorytmy uczenia maszynowego oraz sztucznej inteligencji, mogą analizować historyczne i bieżące dane w celu prognozowania trendów zużycia energii i optymalizacji jej dystrybucji. Inwestycje UE w cyfryzację pokazują, że inteligentne monitorowanie to fundament przyszłych systemów elektroenergetycznych. Dzięki IoT dostawcy energii mogą przejść z reaktywnego do proaktywnego modelu zarządzania siecią, ograniczając kosztowne przestoje i zwiększając odporność całego systemu (Ilustracja 1).

Ilustracja 1. Zaawansowane systemy monitorujące oparte na IoT dają wgląd w pracę sieci elektroenergetycznej w czasie rzeczywistym, co pozwala zwiększyć jej efektywność, niezawodność i bezpieczeństwo w coraz bardziej złożonym ekosystemie energetyki (źródło: well/stock.adobe.com; wygenerowano za pomocą SI)

Inteligentne monitorowanie zwiększa wydajność sieci energetycznej i odgrywa istotną rolę w zwiększaniu jej bezpieczeństwa. Zagrożenia cybernetyczne wymierzone w infrastrukturę o znaczeniu krytycznym stanowią coraz większy problem, a rozwiązania oparte na IoT pozwalają je wykrywać i ograniczać w czasie rzeczywistym. Wdrożenie szyfrowanych protokołów komunikacyjnych, mechanizmów wykrywania anomalii oraz zabezpieczeń wspieranych przez SI pozwala zapobiegać nieautoryzowanemu dostępowi i zapewnia integralność danych. Ponadto automatyzacja oparta na IoT umożliwia szybkie reagowanie na nieoczekiwane zakłócenia, co minimalizuje ryzyko awarii i gwarantuje stabilność sieci.

Projektowanie urządzeń przeznaczonych do monitorowania sieci elektroenergetycznych współpracujących z IoT stwarza szereg wyzwań technicznych, wymagających szczególnej uwagi. Stacje transformatorowe i sieci przesyłowe generują znaczne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), które mogą wpływać na działanie urządzeń IoT. Aby uzyskać niezawodną transmisję danych w trudnym środowisku, inżynierowie muszą wdrażać skuteczne techniki ekranowania, zaawansowane algorytmy filtracji oraz odporne na zakłócenia protokoły komunikacyjne. Urządzenia muszą być odpowiednio zabezpieczone przed ekstremalnymi warunkami atmosferycznymi, wahaniami temperatury oraz próbami fizycznej ingerencji, szczególnie w odległych i niezabezpieczonych lokalizacjach.

Efektywność energetyczna to kolejny krytyczny czynnik. Urządzenia monitorujące często pracują w miejscach o ograniczonym dostępie do zasilania. Wydłużenie ich żywotności wymaga zatem projektowania energooszczędnych rozwiązań obejmujących mikrokontrolery o ultraniskim poborze mocy, zoptymalizowane systemy zarządzania energią i pozyskiwanie energii z otoczenia. Projektanci powinni także rozważyć integrację awaryjnego zasilania bateryjnego lub wykorzystanie źródeł energii opartych na panelach fotowoltaicznych, aby zagwarantować ciągłość pracy podczas długotrwałych przerw w dostawie energii.

Kolejnym istotnym aspektem projektowania urządzeń IoT jest skalowalność. Infrastruktura energetyczna jest stale rozwijana, a rozwiązania monitorujące muszą być gotowe na jej rozbudowę. Otwarte protokoły i architektura modułowa ułatwiają interoperacyjność między już stosowanymi i przyszłymi technologiami, co umożliwia łatwą integrację różnych środowisk sieciowych. Inżynierowie powinni projektować elastyczne systemy mogące obsługiwać rosnące wolumeny danych oraz pozwalające na łatwą aktualizację oprogramowania sprzętowego, diagnostykę zdalną i optymalizację wydajności bez konieczności fizycznej wymiany urządzeń na dużą skalę.

Interoperacyjność jest szczególnie ważna ze względu na różnorodność starszych i nowoczesnych systemów w obrębie jednej sieci. W tym kontekście zaleca się stosowanie standardowych protokołów komunikacyjnych, takich jak MQTT, OPC UA oraz IEC 61850, aby zapewnić bezproblemową wymianę danych między urządzeniami i platformami. Nadrzędną kwestią w zastosowaniach związanych z sieciami energetycznymi jest również bezpieczeństwo. Wdrożenie mechanizmów szyfrowania end-to-end, bezpiecznego rozruchu i algorytmów wykrywania anomalii może pomóc ograniczyć ryzyko cyberataków i chronić przed nimi infrastrukturę o znaczeniu krytycznym. Zasadnicze znaczenie dla ochrony infrastruktury sieciowej ma zgodność ze zmieniającymi się przepisami dotyczącymi cyberbezpieczeństwa i stosowanie najlepszych praktyk branżowych.

Kolejnym istotnym aspektem jest minimalizacja opóźnień transmisji danych. Działanie sieci elektroenergetycznej wymaga przetwarzania danych w czasie rzeczywistym do natychmiastowego podejmowania decyzji. Wdrożenie przetwarzania brzegowego SI zmniejsza zależność od obliczeń w chmurze i skraca czas reakcji systemu. Algorytmy analityczne wspierane przez sztuczną inteligencję pozwalają rozpoznawać wzorce zużycia energii, prognozować awarie oraz optymalizować strategie zarządzania zapotrzebowaniem – bez opóźnień związanych z transmisją do centrów danych. Niskie opóźnienia są kluczowe w takich zastosowaniach jak regulacja częstotliwości, stabilizacja napięcia czy wykrywanie usterek w czasie rzeczywistym, w których utrzymanie stabilności sieci wymaga błyskawicznej reakcji.

Inżynierowie opracowujący rozwiązania do monitorowania sieci energetycznej obsługujące IoT mogą wykorzystywać różne najnowocześniejsze technologie do tworzenia odpornych i niezawodnych systemów. Kluczową rolę w zapewnieniu bezpiecznej i niezawodnej transmisji danych odgrywają moduły komunikacyjne. Technologie LPWAN (Low Power Wide Area Network) umożliwiają komunikację na dużą odległość przy niskim poborze mocy, dzięki czemu idealnie nadają się do zdalnego monitorowania. W zastosowaniach wymagających minimalnych opóźnień i wysokiej przepustowości danych sieci 5G oferują duże korzyści, w tym wsparcie dla zaawansowanej analityki w czasie rzeczywistym. Pewne zastosowania mogą wymagać niestandardowych protokołów komunikacyjnych, dostosowanych do określonych potrzeb w zakresie wydajności i bezpieczeństwa oraz dostarczających indywidualne rozwiązania zwiększające niezawodność systemu.

Doskonałym przykładem skutecznego rozwiązania komunikacyjnego jest moduł Murata Type 1SJ LoRaWAN™ (ilustracja 2). Zapewnia on łączność LPWAN oraz jest kompaktowy i energooszczędny, przez co idealnie nadaje się do zastosowań związanych z monitorowaniem sieci. Moduł charakteryzuje się wysoką czułością -137 dBm i mocą wyjściową do +22 dBm. Może obsługiwać pasma ISM 868 MHz i 915 MHz na potrzeby niezawodnej komunikacji dalekiego zasięgu. Murata Type 1SJ jest pomyślany do zastosowań energooszczędnych. Wydłuża żywotność baterii, dzięki czemu szczególnie dobrze nadaje się do stosowania w odległych instalacjach monitorowania sieci, w których występują ograniczenia zasilania.

Ilustracja 2. Moduł Murata Type 1SJ LoRaWAN zapewnia łączność LPWAN oraz jest kompaktowy i energooszczędny, dlatego pozwala uzyskać niezawodną komunikację dalekiego zasięgu dla monitorowania sieci inteligentnych i aplikacji IoT (źródło: Mouser Electronics)

Poza modułami komunikacyjnymi w monitorowaniu sieci energetycznych istotną rolę odgrywają procesory i elektronika sterująca dla brzegowej SI. Umożliwiają one analizę danych oraz podejmowanie decyzji w miejscu ich zbierania. Funkcje wykrywania anomalii pozwalają tym systemom identyfikować zakłócenia działania sieci i potencjalne awarie urządzeń przed ich eskalacją, co skraca czas przestojów i zapobiega kosztownym awariom. Funkcje konserwacji predykcyjnej analizują dane z czujników, aby przewidzieć awarie podzespołów, optymalizując w ten sposób harmonogramy konserwacji i wydłużając żywotność urządzeń. Ponadto kompresja danych oparta na sztucznej inteligencji zmniejsza wymagania dotyczące przepustowości, co umożliwia zdalnym systemom monitorowania przesyłanie tylko niezbędnych informacji i oszczędza zasoby przy zachowaniu efektywności.

Wzorowym produktem z tej kategorii jest układ SoC MediaTek Genio 1200 IoT AI (ilustracja 3), oferujący zaawansowane możliwości obliczeniowe dla SI na brzegu sieci. Technologia ta usprawnia monitorowanie sieci, umożliwiając inteligentne przetwarzanie danych w miejscu ich zbierania w celu minimalizowania opóźnień i poprawy ogólnej szybkości reakcji systemu. Rozwiązania służące do monitorowania sieci z obsługą SI mogą również obejmować zaawansowane modele uczenia maszynowego w celu poprawy prognozowania zapotrzebowania, optymalizacji równoważenia obciążenia i wspierania samonaprawiających się sieci, które w przypadku awarii automatycznie przekierowują energię.

Ilustracja 3. MediaTek Genio 1200 to flagowe urządzenie SoC w najnowocześniejszej technologii 6 nm (źródło: Mouser Electronics)

Kolejną nową technologią w inteligentnym monitorowaniu sieci są symulacje cyfrowych bliźniaków. Dzięki wykorzystaniu danych z IoT i modelowania opartego na sztucznej inteligencji przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mogą tworzyć wirtualne kopie sieci elektroenergetycznej do symulacji różnych scenariuszy, testowania nowych konfiguracji i optymalizacji wydajności przed wdrożeniem zmian. Technologia cyfrowego bliźniaka umożliwia operatorom wykrywanie nieefektywności, przewidywanie awarii urządzeń i ocenę wpływu integracji energii odnawialnej z niespotykaną dotąd dokładnością. 

Rosnąca złożoność sieci elektroenergetycznych wymaga stosowania inteligentnych rozwiązań monitorujących, w których urządzenia obsługujące IoT pozwalają optymalizować wydajność oraz zwiększają niezawodność i bezpieczeństwo cybernetyczne. Projektanci odgrywają kluczową rolę w tworzeniu skalowalnych, bezpiecznych i wydajnych systemów monitorowania, zdolnych wytrzymać ekstremalne warunki i przetwarzać dane z minimalnymi opóźnieniami. Integrując zaawansowane moduły komunikacyjne, brzegowe procesory SI i bezpieczne urządzenia IoT, inżynierowie mogą pomóc kształtować przyszłość zarządzania energią.

Ponieważ inwestycje w inteligentną infrastrukturę sieciową stale rosną, wdrażanie najnowocześniejszych technologii IoT będzie miało zasadnicze znaczenie dla budowania bardziej odpornej i inteligentnej sieci elektroenergetycznej. Postępy te zwiększają wydajność dystrybucji energii oraz zapewniają stabilność i bezpieczeństwo infrastruktury o znaczeniu krytycznym. Dzięki innowacjom i strategicznemu projektowaniu inżynierowie mogą przyczynić się do stworzenia inteligentniejszej, bardziej zrównoważonej sieci elektroenergetycznej, spełniającej zmieniające się wymagania nowoczesnego krajobrazu energetyki.

[1] https://www.iea.org/energy-system/electricity/smart-grids