Inteligentní systém kompenzace výkonových odchylek pro stabilitu distribuční sítě

Náš projekt vznikl jako soutěžní řešení pro společnost NOARK Electric a realizoval jej studentský tým ze Střední průmyslové školy elektrotechnické v Žatci. Zabýváme se stabilizací distribuční sítě pomocí inteligentního, automatizovaného systému řízení výroby a spotřeby. Cílem je umět okamžitě reagovat na přebytky či nedostatky výkonu a udržovat síť v bezpečném a stabilním provozu.

O škole a soutěžním týmu

Střední průmyslová škola elektrotechnická Žatec se dlouhodobě zaměřuje na elektrotechniku, automatizaci, energetiku a moderní řídicí systémy. Díky kombinaci odborných učeben, měřicí techniky a praxe ve firmách je vhodným prostředím pro skutečné technické projekty, kde se propojuje teorie s aplikovanou elektrotechnikou.

Náš soutěžní tým tvoří studenti 3. a 4. ročníku oborů Elektrotechnika a Informační technologie. Každý z nás má jasně vymezenou roli:
– programování a logika řídicího systému,
– elektroinstalace, zapojování a měření,
– konstrukční návrh a dokumentace,
– bezpečnost a testování,
– prezentace a zpracování dat.

Naším cílem je vytvořit profesionální, stabilní a edukativní systém, který předvede naše odborné znalosti i schopnost týmové práce.

Problém, který projekt řeší

Současné distribuční sítě stále častěji čelí výkonovým odchylkám, které vznikají především kvůli kolísající výrobě z obnovitelných zdrojů (zejména fotovoltaik) a proměnlivému zatížení spotřebičů. Výsledkem jsou přebytky výkonu, kdy energie není kam odvádět, nebo naopak nedostatky výkonu, kdy okamžitá spotřeba převyšuje výrobu.

Tyto stavy je nutné sledovat, vyhodnocovat a aktivně kompenzovat, jinak může docházet k přetěžování vedení, poklesům napětí, zhoršené kvalitě energie nebo výpadkům části sítě.

Náš systém si klade za cíl automaticky vyrovnávat výkonové odchylky pomocí řízeného zapínání nebo vypínání zátěží a zdrojů tak, aby byla síť udržena v bezpečné a definované oblasti provozu.

Technický popis řešení – hardware a architektura

Projekt využívá komponenty NOARK a je vystavěn jako funkční model distribučního uzlu s vlastní logikou řízení. Hlavní části systému:

• Rozvaděč / řídicí panel s jističovou ochranou, stykači NOARK, měřicími moduly a signalizačními prvky.

• Řídicí jednotka (PLC/LOGO!), která zajišťuje měření výkonu, vyhodnocování podmínek a spouštění akčních členů.

• Spotřební a akumulační prvky – například čerpadlo, zátěžové moduly, přepouštěcí ventil nebo simulovaný generátor.

• Snímače a ochrany – hlídání hladiny vody, tepelné ochrany motoru, čidla toku energie.

Celý systém pracuje na principu „měření → vyhodnocení → akce“.

1. Měříme okamžitý výkon v uzlu.

2. Porovnáváme jej s normativním výkonem a hysterezí.

3. Řídicí logika rozhoduje o aktivaci či deaktivaci zátěží nebo zdrojů.

Místo pro fotografii rozvaděče / panelu

Místo pro fotografii nádrže / technologické části

Místo pro fotografii týmu

Normativní výkon, hystereze a výkonové parametry

Normativní výkon našeho systému je 30 kW. Aby nedocházelo ke zbytečně častému spínání, zavádíme hysterezi ±10 kW, tedy pracovní pásmo 20–40 kW.

Hystereze je důležitá pro stabilitu regulace – systém nespíná při každé malé odchylce, ale reaguje až po dosažení mezních hodnot.

Náš model dokáže spotřebovávat i generovat výkon v rozsahu 20 kW, tedy může buď odebírat energii přebytků, nebo naopak dodávat výkon v případě nedostatku.

Co se děje v jednotlivých stavech:

• Pod 20 kW – nedostatek výkonu: systém aktivuje generátor / zdroj, omezuje spotřebiče a přechází do úsporného režimu.

• 20–40 kW – normální provoz: nic nespíná, výkon je v ideálním pásmu.

• Nad 40 kW – přebytky výkonu: aktivují se zátěže, čerpadlo nebo akumulační prvky, které energii využijí.

Bloková logika a princip řízení

Bloková logika systému je založena na několika klíčových funkcích:

1. Měření výkonu – průběžně digitalizujeme hodnoty napětí a proudu.

2. Porovnání s normativní hodnotou – logika vyhodnocuje, do jaké části hystereze výkon spadá.

3. Rozhodnutí řídicího systému:

   • při přebytku aktivujeme spotřebiče (čerpadlo, zatěžovací modul, ventil),

   • při nedostatku aktivujeme zdroj (simulovaný generátor),

   • při normálním provozu systém pouze monitoruje.

4. Stupně reakce:

   • I. stupeň – mírná odchylka, aktivace lehké zátěže nebo nízkého výkonu zdroje.

   • II. stupeň – výrazná odchylka, zapínání větších zátěží nebo plného výkonu zdroje.

Typické provozní stavy:

• Nedostatek výkonu

• Normální provoz

• Přebytky výkonu

Místo pro vložení blokového/funkčního diagramu logiky systému

Provozní režimy a bezpečnost

Náš systém podporuje několik provozních režimů:

• Automatický režim: kompletní řízení výkonu bez zásahu obsluhy.

• Manuální režim: možnost ručního spouštění jednotlivých prvků, vhodné pro testování.

• Demo režim: prezentace systému s bezpečnostním omezením.

Bezpečnost je klíčová součást projektu. Obsahuje:

• Autorizaci obsluhy a omezení kritických zásahů,

• Bypass vybraných funkcí,

• Total Stop – okamžité odstavení systému,

• Tepelné ochrany motoru,

• Hlídání hladiny vody (min./max. stav),

• Signalizaci poruch – světelnou a akustickou.

Uživatelské rozhraní a signalizace

Obsluha systému má k dispozici přehledné ovládací prvky:

• tlačítka start/stop, přepínače režimů,

• kontrolky provozu, poruch, stavů výroby a spotřeby,

• indikace veřejného osvětlení, přečerpávací elektrárny, signál dispečerského řízení,

• akustické prvky – bzučák a zvonek pro alarmové situace.

Na stránce budou umístěny také detailní fotografie panelu s popisy jednotlivých kontrolních prvků.

Video a demonstrační provoz

V přiloženém videu představujeme reálný chod systému: měření výkonu, automatické přechody mezi stavy (nedostatek – normál – přebytek), reakce řídicího algoritmu, chování akčních členů a signalizaci na panelu. Divák uvidí také práci našeho týmu, testování a ukázku bezpečnostních prvků.

Přínosy a další rozvoj projektu

Náš systém představuje prakticky využitelný základ pro stabilizaci malých distribučních uzlů. Lze jej rozšířit o:
– přímé napojení na skutečné fotovoltaické elektrárny,
– další typy zdrojů a spotřebičů,
– integraci do chytrých sítí,
– sběr a analýzu dat pomocí IoT,
– pokročilejší algoritmy predikce výkonu.

Získané zkušenosti v oblasti elektrotechniky, automatizace a týmové spolupráce mají pro nás velkou hodnotu. Děkujeme společnosti NOARK Electric za možnost účastnit se soutěže a představit naše řešení, které propojuje školní výuku s reálnou praxí energetiky.