7

Napredni gradovi

Boris Njavro

Končar-Inženjering za energetiku i transport d.d., Zagreb, Croatia boris.njavro@koncar-ket.hr

Drago Cmuk

KONČAR-Elektronika i informatika d.d., Zagreb, Croatia

dcmuk@koncar-inem.hr

Mato Lasic

KONČAR-Institut za elektrotehniku d.d., Zagreb, Croatia

mlasic@koncar-institut.hr

Marko Bago

KONČAR-Institut za elektrotehniku d.d., Zagreb, Croatia

marko.bago@koncar-institut.hr

MIPRO 2012/HEP 105

106 MIPRO 2012/HEP

Slika 1. Ukupan broj stanovnika u svijetu od 1971. do 2009. godine.

Slika 2. Relativan udio urbane populacije u ukupnom broju stanovnika od 1971. do 2009. godine.

Napredni gradovi

Marko Bago*, Drago Cmuk**, Mate Lasić* i Boris Njavro*** * Končar – Institut za elektrotehniku, Zagreb, Hrvatska

** Končar – Elektronika i informatika, Zagreb, Hrvatska *** Končar – Inženjering za energetiku i transport, Zagreb, Hrvatska

mbago@koncar-institut.hr, dcmuk@koncar-inem.hr, mlasic@koncar-institut.hr, boris.njavro@koncar-ket.hr

Sažetak – Napredni gradovi su krovni pojam kojim se pokriva široki spektar metoda, tehnika i tehnologija usmjerenih prema adaptaciji i optimizaciji procesa u urbanim sredinama. Ovaj rada dati će kratki pregled izazova i rješenja iz perspektive Končar Grupe.

I. UVOD

Gradovi, odnosno urbani centri oduvijek su bili važni za razvoj i funkcioniranje društava. U proteklom i ovom stoljeću dolazi do velikih društvenih promjena. Posljednjih 40 godina primjetan je kontinuirani porast stanovništva na svijetu, Slika 1, a istovremeno u trendu je globalni proces urbanizacije stanovništva, tj. migracija stanovništva iz ruralnih krajeva u urbane centre.

Zbog navedenih trendova po prvi put u ljudskoj povijesti veći broj ljudi živi u urbanim centrima nego u ruralnim krajevima, Slika 2.

Takav razvoj događaja donosi i neke nove tehničke, financijske, društvene i političke izazove. Ti izazovi mogu se savladati učinkovitijim korištenjem raspoloživih resursa, uz nužno smanjenje negativnog ljudskog utjecaja na okoliš. Jedan od krovnih pojmova, kojim se pokrivaju različiti oblici rješenja predstojećih izazova u urbanim sredinama, je „Napredni Gradovi“ (engl. Smart Cities).

U gradovima moguće je ugrubo definirati dva tipa „infrastrukture“: „tvrda infrastruktura“ i „mekana infrastruktura“. Pod pojmom „mekana infrastruktura“ misli se na zdravstvene, odgojno-obrazovne i dr. sustave koji utječu na dodatno podizanje razine kvalitete života u urbanoj sredini, a nositelji i provoditelji aktivnosti unutar tih infrastruktura su ljudi. S druge strane pod pojmom „tvrda infrastruktura“ misli se na klasične ili temeljne infrastrukturne cjeline: prometnice, vodoopskrbu i odvodnju, elektroenergetski sustav, distribuciju plina,

telekomunikacijski sustav itd. Ovaj rad bavi se nekim od mogućih rješenja na području „tvrde infrastrukture“.

Napredni gradovi ne nastaju kao proizvod dobrih želja već se formiraju kroz implementaciju naprednih infrastruktura. Napredne infrastrukture ugrubo bi se mogle definirati kao one infrastrukture koje obilježava prijelaz s filozofije robusnih, čitaj predimenzioniranih, sustava na filozofiju adaptivnih sustava, tj. stabilnih sustava s dinamički promjenjivim svojstvima odnosno parametrima.

U svjetskoj literaturi moguće je pronaći pokušaje rangiranja gradova prema stupnju „naprednosti“, kao npr. [1], međutim takva istraživanja dobrim dijelom međusobno isprepliću pokazatelje „mekane“ i „tvrde infrastrukture“. Navedena studija rangirala je 70 odabranih gradova srednje veličine u Europi prema 74 kriterija podijeljenih u 6 kategorija. U studiju je uključen i Zagreb kao jedini grad s područje Republike Hrvatske, koji se nalazi u zlatnoj sredini na 35. mjestu. Iako infrastrukture nisu strogo odijeljene moguće je izvući neke osnovne zaključke. Slika 3 prikazuje normirane pokazatelje uspješnosti za:

• ukupno najbolje rangirani grad (Luxemburg),

• najbolje rangirane gradove po pojedinim kategorijama (Luxemburg, Aarhus, Tampere, Maastricht, Montpellier i Salzburg),

• ukupno najlošije rangirani grad (Pleven), te

• Zagreb.

Iz prikazanog grafa vidljivo je da je u četiri kategorije Zagreb podjednako srednje razvijen, dok u dvije,

MIPRO 2012/HEP 107

Slika 3. Ukupan broj stanovnika u svijetu od 1971. do 2009. godine.

Slika 4. Ukupna isporuke električne energije u svijetu od 1971. do 2009. godine.

ekonomiji i okolišu, postoji znatno negativno odstupanje. Jedan od mogućih razloga za ovakvu situaciju svakako je i nedostatak koordiniranog razvoja visokotehnoloških industrijskih proizvoda i usluga, kao i nedostatak mogućnosti izvedbe industrijskih pilot rješenja na području Grada Zagreba. S obzirom da je Grad Zagreb najrazvijenije područje u državi zaključak je moguće proširiti na cijelo područje Republike Hrvatske.

Visokotehnološki industrijski proizvodi i usluge omogućavaju poboljšanja u načinu korištenja „tvrde infrastrukture“, a koja je moguće ostvariti novim načinima korištenja dostupnih tehnologija. U samom središtu razvoja „naprednih gradova“ nalazi se korištenje tehnologija za prikupljanje, obradu i prijenos velikih količina informacija. Na temelju obrade tih informacija moguće je donositi kvalitetnije odluke pri upravljanju „tvrdom infrastrukturom“. Infrastruktura za prijenos velikih količina informacija u urbanim sredinama postoji. To su položeni optički kablovi i sveprisutne bežične i mobilne mreže treće ili čak četvrte generacije. Infrastruktura za obradu velikih količina informacija također postoji ili ju je relativno jednostavno moguće izvesti, jer je tehnologija poznata (paralelna superračunala, cloud computing, itd.). Problem se nalazi u infrastrukturi za prikupljanje informacija, tj. senzorskim mrežama.

Kako bi se moglo ostvariti detaljno motrenje cjelokupne infrastrukturne cjeline, npr. elektroenergetske mreže, vodovoda ili prometa, potrebno je postaviti rasprostranjenu senzorsku mrežu. To je moguće samo ako su senzori cjenovno pristupačni, a tehnološki jednostavni za uključivanje u postojeće sustave, te ako ih je moguće na jednostavan način međusobno povezati. Rasprostranjena senzorska mreža tek je prvi, jednostavniji korak. Sljedeći korak je dobivene podatke interpretirati, što zahtijeva detaljna ekspertna znanja o ponašanju motrene infrastrukture. U trećem koraku interpretirani podatci služe za izradu modela temeljem kojih je moguće izraditi predikciju ponašanja sustava. Takvu predikciju, odnosno modele ponašanja sustava potrebno je potvrditi stvarnim događajima, a tek u četvrtom koraku moguće je početi upravljati cjelokupnim sustavom u stvarnom vremenu.

S obzirom da su različite infrastrukture međusobno isprepletene, npr. vodovod, električna mreža i prometnice,

nužno je korištenje podataka o događanjima iz različitih infrastruktura za predviđanje događanja u promatranoj. Npr. puknuće vodovodne cijevi ili nestanak struje u jednom dijelu grada dovodi do mogućeg prometnog zastoja u tom dijelu. Ovakvo ispreplitanje i međudjelovanje različitih sustava unutar neke cjeline poznato je u biologiji i naziva se živi organizam. Upravljanje takvim sustavom je izuzetno složeno kako s tehničke strane tako i etičke strane, jer je kod živog organizma svaki podsustav podređen radu tog organizma, a u gradovima su funkcionalni dijelovi grada i njegovi građani.

Elektroenergetski sustav je jedna od infrastruktura na čijoj se naprednoj verziji, tj. „smart gridu“, intenzivno radi u svijetu. Motivacije za unaprjeđenje postojećeg elektroenergetskog sustava su brojne. U proizvodnji dolazi do promjene vrste izvora električne energije na izvore s isprekidanim radom zbog čega se u prijenosu želi postići veća mogućnost upravljanja tokovima i kapacitetima prijenosnih linija. Pored toga novi izvori se spajaju na novim mjestima u elektroenergetski sustav, tako da u distribuciji dolazi do revolucije u smislu promjene s jednosmjernog energetskog toka na dvosmjerni. Time dolazi do značajnih promjena u planiranjima i projektiranjima distribucijskih područja. Ova problematika će biti sve izraženija u urbanim sredinama gdje postoje indicije da bi se veliki objekti (zgrade, trgovački i sportski centri i sl.) mogli pretvoriti u energetske cjeline koje mogu biti i potrošači i proizvođači energije. Pored navedenog dolazi i do promjene na dijelu koji se odnosi na kućanstva uvođenjem naprednih brojila (smart meters) koja uspostavljaju dvosmjernu komunikaciju između potrošača i distributera, te omogućavaju isporuku električne energije od kućanstva prema distribucijskoj mreži. Uz sve navedeno treba računati na to da udio električne energije u ukupnoj energetskoj potrošnji raste, kao što raste i ukupna potrošnje energije, a što ima za posljedicu rast potrošnje ukupne količine električne energije, Slika 4.

Neke od navedenih promjena moguće je savladati koristeći već razvijene tehnike i tehnologije kao što su SCADA sustavi, napredna brojila, praćenje i povećanje energetske učinkovitosti itd. Implementacije ovakvih tehnika i tehnologija su neophodne za efikasnije korištenje elektroenergetskih kapaciteta, međutim moguće je učiniti i dodatne iskorake.

108 MIPRO 2012/HEP

Slika 5. Načelni prikaz Končar AMR i MARS sustava.

II. NAPREDNA MJERENJA

Potencijal naprednih mjerenja da učini dostupnima informacije o potrošnji energije, a time i donošenje odluka za usmjeravanje ulaganja i pokretanje projekata trebao je dosad izazvati gotovo eksponencijalan rast tog segmenta na svjetskim burzama, no taj je rast (iako velik) ipak ostao u granicama normale. Postoji više skupina faktora koji su smirili potentnost tog segmenta (politički, socijalni, mikro i makro ekonomski razlozi, recesija i dr.), no svakako su najjasniji a trenutno možda i najvažniji oni faktori tehničke prirode. Naime, povijest je pokazala da sva „tehnološki“ nova tržišta bilježe više ili manje sputan rast sve do pojave tzv. „dominantnog dizajna“ – rješenje koje uspije odgovoriti ispravno na ključne zahtjeve tržišta, pomesti konkurenciju i konačno preuzme dominaciju u standardizacijskim tijelima (npr. otvarač za limenke kao klasičan primjer ili grafičko sučelje i „prozori“ na računalima u nešto novije doba.).

Napredna su brojila već odavno došla do standardnih rješenja u svojem mjernom dijelu, no pojavu dominantnog dizajna kompletnog sustava koči široki raspon komunikacijskih kanala i protokola, koji stvara zbrku i značajno rasipanje snaga proizvođača ali i korisnika tih sustava. Proizvođači moraju razvijati više mogućih rješenja, a ulagači su oprezni – dok se stvari ne smire. Ono što se dakle treba smiriti kod sustava naprednih mjerenja je upravo način prijenosa signala na lokalnoj razini (last mile) i prikupljanje informacija u centralni sustav (first mile). Postoji vrlo širok raspon tehnologija koje se tu koriste i iskustva iz različitih projekata (i različitih zemalja) u uvođenju naprednih mjerenja su vrlo različita – zbog specifičnosti svake zemlje i uvjeta koji tamo postoje. Tako npr. u SAD-u dominiraju rješenja sa bežičnim komunikacijskim tehnologijama, dok u EU pretežno prevladavaju rješenja bazirana na PLC-u (Power Line Carrier – tehnologija prijenosa signala energetskim kablovima), i drugim žičanim načinima povezivanja.

U Končaru je razvijen Končar AMR (Automated Meter Reading) - sustav namijenjen praćenju potrošnje različitih energenata, no isti se sustav uz određene preinake i nadogradnje može koristiti i za praćenje mnogih drugih veličina. Sastoji se od mjernih uređaja s bežičnim primopredajnikom, komunikacijske infrastrukture (bežična mreža za prijenos podataka), programske podrške MARS za prihvat i obradu podataka te hardvera (server i mrežna infrastruktura) koji sve to omogućuju, Slika 5. Pristup aplikaciji MARS moguć je putem web klijenata bez potrebe za instalacijom dodatnih programa na klijentskoj strani.

Sustav je dizajniran sa ciljem smanjenja CAPEX i OPEX troškova na minimum ne bi li se osigurala kratkoročna isplativost i u najzahtjevnijim uvjetima, zadržavajući pritom visoke standarde kvalitete kojima se Končar uvijek vodio. Komunikacijska infrastruktura kod sustava naprednih mjerenja predstavlja najveće izazove ali uzima i najveći dio troškova. Upravo iz tog razloga je već u fazi dizajna Končar AMR počeo s optimizacijom troškova komunikacijske infrastrukture većih projekata naprednih mjerenja.

Končar AMR napredan je sustav za daljinsko, bežično i centralizirano praćenje te optimizaciju potrošnje svih

energenata u industrijskim okruženjima, poslovnima objektima i kućanstvima. Sustav osigurava jednostavnu instalaciju i radi u besplatnom frekvencijskom pojasu čime je osiguran kontinuirani rad bez ikakvih naknada. Ne postoje troškovi prijenosa podataka na mjesečnoj razini kao što je to slučaj sa GPRS modemima ili radijskim sustavima koji rade u licenciranom spektru. Izostaju i visoki troškovi povezivanja uređaja kabelima a riješen je i problema povezivanja kritičnih lokacija (npr. vodomjerna okna i dr.). Algoritmi za automatsku dodjelu adresa omogućuju jednostavnu instalaciju, a modularna sklopovska arhitektura povezivanje sa najrazličitijim vrstama brojila i senzora (voda, struja, plin, toplina, tlak, temperatura). Prednosti takvog pristupa prikazani su u tablici 1 gdje je napravljena usporedba trenutno najrasprostranjenijih rješenja i istaknute prednosti koje navedeni sustav donosi. Centralizirani poslovni sustav omogućava integraciju sa drugim servisima korisnika (naplata, CRM, GIS, SCADA i dr.) i omogućava realizaciju integralnog rješenja. Centralizirani sustav se bazira na programskoj podršci KONČAR MARS koja prikuplja te podatke i omogućuje njihovu vizualizaciju, validaciju, pohranu i dr. Pristup aplikaciji MARS moguć je putem web klijenata bez potrebe za instalacijom dodatnih programa na klijentskoj strani, čime je znatno olakšana administracija i smanjeni troškovi održavanja. Omogućen je i rad aplikacije u cloudu, što je samo po sebi izvor brojnih prednosti – od manjih CAPEX troškova, jednostavnijeg održavanja i administracije do povećane skalabilnosti, pouzdanosti i sigurnosti.

Prema mišljenju EU komisije koristi od implementacije ovakvih sustava uključuju:

• Točnije očitanje i pravovremenu naplatu.

• Energetsku efikasnost i uštede.

• Manji računi zbog boljeg povrata informacija od kupaca.

• Napredno upravljanje tarifama i dinamičko tarifiranje.

• Uvođenje novih usluge za kupce.

MIPRO 2012/HEP 109

• Poboljšanje tržišne pozicije za komunalna poduzeća

• Smanjeni troškovi i povećana mogućnost prepaid usluga.

• Manje zagađenje okoliša zbog smanjene emisije.

• Podlogu za distribuiranu proizvodnju i obnovljive izvore.

Napredna mjerenja donose i znatne uštede energetskim tvrtkama zbog smanjenih troškova poslovanja (manji troškovi očitanja, manji gubitci, jednostavnije izdavanje računa i dr.), nezanemarive uštede u upravljanju dugovima, efikasnije upravljanje mrežom i gubicima te smanjenu količinu prevara. Sugerira se također opetovano upozoravanje korisnika o njihovoj potrošnji energije i troškovima kako bi ih se poticalo na upravljanje vlastitom potrošnjom. Sve potencijalne koristi trebale bi biti dodatno potvrđene odgovarajućim studijama i pilot projektima.

Direktivama 2009/72/EC i 2009/73/EC od svih članica Europske unije se traži da do 2020 instaliraju inteligentne mjerne sustave za praćenje potrošnje el. Energije za najmanje 80% korisnika za koje je takva instalacija utvrđena isplativom, i da se pripremi raspored implementacije inteligentnih mjernih sustava za razdoblje od 10 godina. Slični se propisi formiraju za područja drugih energenata (plin, voda, toplina) no fiksni rokovi za sad nisu utvrđeni.

III. NAPREDNO UPRAVLJANJE

Komplementarno sustavu Končar AMR koncipiran je SCADA sustav za upravljanje prijenosnom i distribucijskom infrastrukturom. Končar je u svojoj 30-godišnjoj povijesti instalirao i održavao nekoliko stotina SCADA sustava, te je na temelju tog iskustva stvorio najnoviji proizvod, PROZA NET sustav. Kako bi mogli najbolje odgovoriti na izazove budućeg društva i infrastrukture, kao što su napredni gradovi, temelji PROZA NET sustava postavljeni su na distribuiranoj arhitekturi koja se može modularno nadograđivati, a sve je izrađeno prema najnovijim svjetskim standardima za to područje. Npr. komunikacijski podsustav temelji se na IEC normama 60870-5-101, 103, 104, kao i IEC 61850 (uvažavajući i veći broj drugih standardnih protokola: Modbus, LON, DNP 3.0...), a sam model je definiran prema IEC 61970 i IEC 61968.

SCADA sustav izrađen prema svjetskim standardima omogućava:

• fleksibilnu izgradnju,

• postepeno uključivanje objekata s različitim tehnološkim generacijama opreme,

• Integraciju objekata s različitom komunikacijskom infrastrukturom,

• Sigurno održavanje, nadogradnje i uključivanje i novijih generacija opreme od samog SCADA sustava.

Ovaj koncept dokazan je u nekoliko projekata s PROZA NET Sustavom, između ostalog i za centar daljinskog upravljanja Hrvatskih željeznica gdje su u sustav integrirane četiri generacije opreme u objektima: EFD300 iz 1970-ih, DS800 iz 1980-ih i 90-ih, PROZA R/F iz 1990-ih i 2000-ih, te stanična računala i daljinske stanice najnovije proizvodnje, npr. RTU560.

Drugi važan zahtjev bio je da je SCADA sustav prilagodljiv svim industrijama, što je i dokazano u nizu referenci za Hrvatsku Elektroprivredu, Elektro Primorsku, Elektroprivredu Herceg Bosne, Makedonije, Kosova (elektroenergetika), Plinacro i EVN Hrvatska (plin), te Vodovode u Karlovcu i Ogulinu (voda), Slika 6.

Mogućnost SCADA sustava da nadzire i upravlja s više energetskih sustava po istoj programskoj filozofiji, ali s različitim tehnološkim mogućnostima, glavni je zahtjev na SCADA sustave za napredne gradove. Takav sustav omogućava korisnicima sinergiju rada kompletne energetike grada od:

• optimiranja pogona i moguće supstitucije energenata,

• bržeg i efikasnijeg vođenja pogona svih sustava,

• brže intervencije u slučaju kvarova na jednom sustavu te preventivnog djelovanja na druge sustave (npr. puknuće vodovodne cijevi može ugroziti i elektro i plinske instalacije)

• analize potrošnje i integralno planiranje budućih potreba grada – uravnoteženi razvoj svih energenata, pričuvni energenti, podrška jednog energenata drugome...

Treći zahtjev bio je izgraditi sustav koji neće imati programskih ograničenja na veličinu baze podataka, tj. na broj objekata koje nadzire i upravlja i na količinu podataka koja se u jednom trenutku može pojaviti u kompletnoj gradskoj infrastrukturi. Jedan način rješavanja je korištenje moćne hardverske opreme, a drugi je izrada takvih programskih podsustava za komunikacije i za arhiviranje koji to mogu zadovoljavajuće riješiti. Komunikacijski podsustav koji to omogućuje je već implementiran u PROZA NET sustavu i dokazan u brojnim primjenama u transformatorskim stanicama i dispečerskim centrima obrađujući na tisuće signala i mjerenja nekoliko sekundi, dok se arhivski podsustav temelji na relacijskoj bazi sa standardnim sučeljima i integracijskim modulima za alate skladištenja podatka i poslovne inteligencije (Data Warehouse i Business Inteligence).

110 MIPRO 2012/HEP

Slika 6. Primjena PROZA NET sustava u različitim industrijama

Napredni gradovi, tj. područja koja će radi opstanka morati promijeniti filozofiju svog razvoja i održavanja infrastrukture i primjenjivat će najmodernije alate i uređaje. Razvijajući svoj sustav kroz tri glavne karakteristike: standardi, prilagodljivost i neograničenost, Končar je stvorio pretpostavke za primjenu svog SCADA sustava za vođenje naprednih gradova. Put do realizacije takvog sustav još je pred nama, kao što su i Napredni gradovi danas rijetkost, no smatramo da cilj nije upitan.

IV. ZAKLJUČAK

Kako bi napredni gradovi postali stvarnost potrebno je ulaganje u napredne tvrde infrastrukture i metode upravljanja. S obzirom da je unaprijeđivanje infrastrukturnih cjelina vremenski i financijski vrlo zahtjevan posao zahtjeva temeljitu pripremu jer pogreške mogu biti vrlo skupe. Zbog toga se danas u svijetu pribjegava izvođenju pilot projekata kojima se ispituju stvarne izvedbe zamišljenih koncepata. Na ovaj način se smanjuju rizici donošenja pogrešnih poslovnih odluka.

Danas su u svijetu u tijeku mnogobrojni zajednički razvojni pilot projekti između proizvođača elektroenergetske opreme i njihovih kupaca. Grupa

Končar planira pokrenuti pilot projekte iz područja naprednih mreža u suradnji sa svojim kupcima kao partnerima u razvoju. U području prijenosa planira se razvoj tzv. digitalnih trafostanica u kojima se procesne mjerne veličine digitaliziraju u samom polju trafostanice. Osim toga planira se razvoj ekspertnih sustava za upravljanje imovinom, a koji se temelje na ostvarenom motrenju primarne opreme kojoj se bliži kraj vijeka trajanja. Ovakvi sustavi trebali bi omogućiti stvaranje baze znanja koja bi omogućavala efikasnije iskorištavanje postojeće opreme. U području distribucije planira se razvoj automatski reguliranih distributivnih transformatora s promjenjivim prijenosnim omjerom, a koji služe za stabilizaciju naponskih prilika na distribucijskoj mreži. Pored toga planiraju se i izvode pilot projekti uvođenja prve generacije naprednih brojila, tj. onih brojila koja omogućavaju daljinsko očitavanje stanja i snimanje krivulja potrošnje.

LITERATURA [1] „Smart cities, Ranking of European medium-sized cities“, Centre

of Regional Science, Vienna UT, October 2007

MIPRO 2012/HEP 111

a

112 MIPRO 2012/HEP