Logistyka systemów monitorowania jakości energii elektrycznej w instalacjach z udziałem generacji rozproszonej

Transkrypt

1 GUBAŃSKI Adam 1, KOSTYŁA Paweł 2, SZYMAŃDA Jarosław M. 3 Logistyka systemów monitorowania jakości energii elektrycznej w instalacjach z udziałem generacji rozproszonej WSTĘP W dobie intensywnie rozwijających się technologii pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych (energia słoneczna, elektrownie wodne i wiatrowe, źródła geotermalne) istotnego znaczenia nabierają zagadnienia związane z oceną jakości dystrybuowanej energii. Dynamiczny rozwój sieci i urządzeń elektroenergetycznych w coraz większym stopniuokreśla warunki dystrybucji energii elektrycznej dobrej jakości zgodnej wieloma normami międzynarodowymi i krajowymi.wprowadzanena rynki zbytu nowoczesne urządzenia z jednej strony wymagająenergiio ściśle określonych parametrach, z drugiej strony urządzenia te istotnie oddziałują na tę jakość. Znaczenie prawidłowej oceny systemu poprzez właściwie dobrane elementy diagnostyki są obecnie przedmiotem wielu opracowań i programów badawczych. Analiza w tym zakresie coraz częściej odwołuje się do systemów logistycznych ułatwiających monitorowanie i akwizycję danych(e-logistyka)[5,6,7]. Do parametrów w zakresie kontroli jakości energii elektrycznej należą m.in.: częstotliwość, wartość, wahania i skoki napięcia, zapady napięcia, przerwy w zasilaniu, asymetria napięcia zasilającego, harmoniczne dla napięcia i prądu. Szczegółowe wymagania określające procedury znormalizowanych badań oraz zakresy dopuszczalne parametrów jakości energii zamieszczone są w odpowiednich normach, m.in. PN-EN oraz IEC 61000, a także rozporządzeniach, jak Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. E-Logistyka to także zarządzanie i nadzorowanie elementów odpowiedzialnych za bezpieczną eksploatację całych systemów od wytwórców i dystrybutorów energii do odbiorców końcowych. Obecnie na rynku znanych jest wiele rozwiązań koncentrujących się na świadczeniu usług informacyjnych i doradczych z zakresu wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz energooszczędności [7]. Realizowane projekty najczęściej mają na celu promocję czystej energii oraz zobrazowanie niezwykle istotnego związku pomiędzy odnawialnymi źródłami energii a ochroną środowiska.w artykule przedstawiono wybrane elementy stanowiska badawczego wraz infrastrukturą teleinformatyczną zlokalizowane na terenie Politechniki Wrocławskiej oraz w stacjach elektroenergetycznych Tauron Dystrybucja S.A. oraz TauronEkoenergia Sp. z o.o.w pierwszym etapie badań, problem oceny systemu zarządzania i dystrybucji energii powiązano z określeniem możliwości filtracji próbek sygnałów podług zdefiniowanej a priori funkcji celu. Prezentowane wyniki obejmują wybrane elementy projektu w ramach prac podstawowych w kontekście archiwizacji i szybkiej identyfikacji sygnałów elektrycznych [5,6,7]. 1. LOGISTYKA I PARAMETRYZACJA STANOWISKA BADAWCZEGOSMJEE 1.1. Identyfikacja zdarzeń i przepływ informacji Algorytm definiowania funkcji celu jest złożoną procedurą przetwarzania charakterystycznych parametrów (cech) próbek z określonym dla danego zagadnienia ograniczeniem. Wogólnym przypadku przedmiotowe ograniczenie może być łączone także z elementami optymalizacji, na przykład z minimalizacją warunków brzegowych niezbędnych do rozwiązania problemu [5,6]. Najczęściej po wstępnej analizie danych w zakresie przyjmowanych wartości eksperymentalnych oraz rozłożeniu w wektorze porządkowym (może być przyporządkowany zdarzeniom czasowym), 1 Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, adam.gubanski@pwr.edu.pl 2 Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, pawel.kostyla@pwr.edu.pl 3 Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, jaroslaw.szymanda@pwr.edu.pl 3572

2 stwierdza się występowanie charakterystycznych cech podług których można zdefiniować estymacyjną funkcję celu. Dla celów klasyfikacji wyróżnia się między innymiestymację punktową i przedziałową oraz ze względu na dobór próby estymację sekwencyjną i z ustaloną wielkością próby.przykładowy diagram organizacji algorytmuokreślania istotnych cech obiektów przedstawiono na rysunku 1. Na diagramie zaznaczono trzy charakterystyczne obszary związane z wyznaczaniem funkcji celu: 1. Rejestracja zdarzeń (obiektów) obejmuje procedury odwzorowywania obiektów monitorowanego systemu, najczęściej dyskretyzacja obiektów ciągłych (np. próbkowanie sygnałów) oraz akwizycja i archiwizacja obiektów; 2. Procedury estymacyjne wstępna analiza statystyczna obiektów (próbek) oraz wybór estymatora wraz z algorytmem wyostrzania cech (tj. rekurencyjnej adaptacji parametrów estymatora); 3. Optymalizacja wyznaczanie charakterystycznych i istotnych cech obiektu. Cechy istotne są podzbiorem cech charakterystycznych obiektu, i wybierane podług kryteriów estymacyjnych (tutaj filtracji próbek) dla zdefiniowanych a priori warunków brzegowych zdarzenia. Należy tutaj podkreślić, iż ewentualne zaniedbanie weryfikacji warunków brzegowych dla procedury estymacyjnej, może być przyczyną błędnego oznaczania istotnych i charakterystycznych cech obiektu.. Rys. 1.Wariant przepływu informacji w procedurach wyznaczania istotnych cech obiektu Dla wstępnych analiz postuluje się zawsze oznaczanie istotnych cech obiektu na podstawie rejestrowania obiektów w stanach wyróżnionych, na przykład podczas wystąpienia awarii systemu. Zdarzenia awaryjne, będące często splotem bardzo wielu okoliczności, w typowych algorytmach deterministycznych są bardzo trudnym elementem do zaprogramowania. Model identyfikacji obiektów poprzez estymacyjną funkcję celu, jest właśnie propozycją dedykowaną dla takich przypadków. Przewiduje się możliwość rejestrowania i gromadzenia charakterystycznych cech obiektu w stanach istotnych na przykład z punktu widzenia zabezpieczeń i automatyki systemów elektroenergetycznych. Zagadnienie identyfikacji i propagacji zaburzeń w sieciach elektroenergetycznych przybliżone zostało m.in. w artykułach [1,2] Stanowisko badawcze SMJEE Stanowisko badawcze wraz infrastrukturą teleinformatyczną zlokalizowane jest na terenie Politechniki Wrocławskiej oraz w stacjach elektroenergetycznych Tauron Dystrybucja S.A. oraz TauronEkoenergia Sp. z o.o. Systemem monitorowania i akwizycji danych objętych jest pięć punktów w sieciach dystrybucyjnych z udziałem generacji rozproszonej.zabudowę analizatorów energii elektrycznej zlokalizowano w dwóch obiektach stacji elektroenergetycznych oznaczonych jako 3573

3 OBIEKT-2 OBIEKT-5 oraz w trzech elektrowniach wodnych oznaczonych jako OBIEKT-1, OBIEKT-3 i OBIEKT-4. Funkcjonalność serwera danych SMJEE opracowano na bazie systemu operacyjnego Microsoft Windows Server 2008 R2 +SP1. Oprogramowanie użytkowe rejestracji, akwizycji i archiwizacji danych zrealizowano przy wykorzystaniu pakietu aplikacji Power Quality (WinPQ) niemieckiej firmy a-eberle ( w wersji W kontekście analizy i oceny stanowiska badawczego określono dwa kierunki badań. Pierwszy dla działań kontrolnych i dyspozytorskich wykorzystujący infrastrukturę komunikacyjną w trybach transmisji online oraz drugi w zakresie oceny możliwości analizy jakości i niezawodności systemu w trybie offline danych zarchiwizowanych w bazie danych. Przez tryb offline należy tutaj rozumieć możliwość importowaniai aktualizacji danychw środowisku informatycznym użytkownika, które nie jest połączone zdalniez serwerem SMJEE. Należy zaznaczyć, że wykorzystywana w projekcie procedura replikacji danych dotyczy wyłącznie struktury danych uprzednio zarejestrowanych w bazie danych Laboratorium Systemów Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej (SMJEE) Politechniki Wrocławskiej. Ogólny diagram przepływu danych w instalacji SMJEE przedstawiono na rysunku 2, natomiast fragment sieci dystrybucyjnej przedstawiono na rysunku 3. Rys. 2.Diagram przepływu informacji w systemie stanowiska badawczego SMJEE.PWR 2. OPIS I WYBÓR SIECI DYSTRYBUCYJNEJ Na podstawie przeprowadzonych dyskusji z partnerami gospodarczymi uzgodniono założenia projektowe, na mocy których zbudowano kompleksowy systemu rejestracji, archiwizacji 3574

4 i przetwarzania danych jakości energii oparty na zsynchronizowanych czasowo analizatorach włączonych do ogólnej sieci komputerowej. Ponadto wydzielono fragment sieci dystrybucyjnej z udziałem generacji rozproszonej objęty logistyką identyfikacji i lokalizacji zdarzeń awaryjnych zawierającego źródła rozproszone a także objęcie monitoringiem wytwórców oraz znaczących dla nich węzłów sieci elektroenergetycznej. Wykorzystując doświadczenia w realizacji monitoringu rozproszonego opracowano założenia analogicznego stacjonarnego systemu monitorowania parametrów sieci. Instalacja stacjonarna, pozwala prowadzić diagnostykę długoterminową, dane rejestrowane synchronicznie w wybranych miejscach sieci dystrybucyjnej w okresie wielu miesięcy mogą wskazywać na trendy związane ze zmianami konfiguracji sieci, zmianami charakteru lub wielkości obciążenia, a także wpływem źródeł odnawialnych co można określić jako logistyką identyfikacji i lokalizacji zdarzeń. Dotychczasowa współpraca z przemysłem w zakresie analiz jakości energii, zarówno z punktu widzenia producentów i odbiorców energii jak i producentów analizatorów pozwoliła na opracowanie efektywnej procedury oceny oferowanych na rynku zintegrowanych systemów stacjonarnych oraz stworzenie systemu monitoringu opartego na pięciu analizatorach stacjonarnych, co jest optymalne zarówno ze względu na charakter koncentracji źródeł rozproszonych na terenie Dolnego Śląska jak i wymagań dotyczących wielopunktowych pomiarów synchronicznych. Rys. 3.Fragment sieci dystrybucyjnej z udziałem generacji rozproszonej objętych logistyką identyfikacji i lokalizacji zdarzeń awaryjnych Przy współudziale partnerów zaangażowanych w projekt (grupy Tauron) rozważano wybór miejsca dla instalacji systemu monitoringu proponując trzy interesujące obszary w sieci dystrybucyjnej Tauron Dystrybucja S.A. Zaproponowano obszary szczególnie intersujące ze względu na 3575

5 koncentrację źródeł odnawialnych, w tym elektrownie wodne pracujące w sieciach średnich napięć i farmy wiatrowe oraz inne uwarunkowania techniczne. Ostatecznie operator zaproponował obszar obejmujący elektrownie wodne o mocach rzędu 1MW oraz linię WN110kV. W szczególności w wybranym obszarze pracują elektrownie wodne OBIEKT-4, OBIEKT-1 na ciągu linii SN L-570 z OBIEKT-2, a także elektrownia wodna OBIEKT-3 w przypadku dynamicznych zjawisk na promieniowym ciągu linii WN S-318. Na rysunku 3 przedstawiono lokalizację pięciu blisko położonych punktów pomiarowych w sieciach WN, SN i nn : OBIEKT-1: SN 10kV, pole liniowe L-731 OBIEKT-2: WN110kV, pole liniowe S-318 OBIEKT-3: SN 20kV, pole liniowe L-568 OBIEKT-4: SN 20kV, pole liniowe L-570 OBIEKT-5: nn0.4kv, wybrana stacja PT 20/0.4kV w ciągu liniowym L-570 Tak wybrana lokalizacja umożliwiapomiar synchroniczny parametrów jakości energii elektrycznej w sieci dystrybucyjnej w sieciach WN, SN i nn, pomiar zjawisk dynamicznych i na ich podstawie określanie logistyki identyfikacji i lokalizacji zdarzeń awaryjnych. 3. POMIAR ZJAWISK DYNAMICZNYCH Dane rejestrowane w systemie są systematycznie rozpakowywane na serwerze podstawowym oraz na niezależnym serwerze archiwizacji NAS-FTP. Każdy uprawniony użytkownik ma możliwość dostępu do zestawu danych. Dostępny jest dla użytkownika również moduł pakietu PQVisu, który umożliwia przeglądanie oraz raportowanie zarejestrowanych przez analizatory jakości energii elektrycznej pomiarów z punktów kontrolnych w sieciach dystrybucyjnych z udziałem generacji rozproszonej. Rys. 4. Rejestracja oscyloskopowa zdarzenia RA z częstotliwością próbkowania 10 khz w OBIEKT-4 Wstępną analizę zakłóceń wielkości elektrycznych uzyskanych poprzez rejestrację oscyloskopową z częstotliwością próbkowania fp = 10 khz (zdefiniowanych jako zdarzenia_ra) oraz rejestrację wartości skutecznych RMS w okresie 10 ms (zdefiniowanych jako zdarzenia_rb) można uzyskać wykorzystując program PQVisu (rysunki 4 i 5). 3576

6 Rys. 5. Rejestracja oscyloskopowa zdarzenia RBw okresie 10 ms dla pojedynczego wybranego sygnału wobiekt-4 Program PQVisu umożliwia także wykonanie wspólnego przebiegu zarejestrowanych zdarzeń dla kilku wybranych obiektów w badanym systemie z możliwością automatycznego dopasowania czasowego. Pozwala to na obserwację propagacji zdarzenia w badanym systemie elektroenergetycznym (rysunek 6) Rys. 6. Wspólny przebieg zdarzenia RB na trzech wybranych obiektach ( 1,2 i 3 ) Z punktu widzenia logistyki systemu elektroenergetycznego interesujące jest zbadanie jak zdarzenia określające jakość energii elektrycznej, takie jak wahania napięcia, zapad napięcia, przerwy w zasilaniu, przepięcia propagują w systemie. Badania te pozwolą na określenia czasu przejścia zdarzenia z wybranego obiektu do pozostałych obiektów znajdujących się w systemie elektroenergetycznym. Informacje te są istotne dla niezawodności działania systemu automatyki zabezpieczeniowej.na rysunku 7 przedstawiono przebiegi oscyloskopowe dla oznaczonego zdarzenia, które pojawiły się wybranym przedziale czasowym na obiektach 1,2 i 3. W wybranym przedziale czasowym nie zarejestrowano zdarzeń wobiekt-4 i OBIEKT-5 w tym czasie. 3577

7 Rys.7. Rejestracja zdarzenia RA w określonym przedziale czasowym na obiektach 1, 2 i 3 w badanym systemie elektroenergetycznym Korzystając z karty przeglądu wszystkich zakłóceń dynamicznych w module PQVisu oraz wybierając rejestracje skojarzone z danym zakłóceniem istnieje możliwość jednoczesnej prezentacji przebiegu zakłócenia w wielu punktach pomiarowych systemu. Przykład zestawienia zbiorczego z wykorzystaniem funkcji dopasowania czasowego przedstawiono na rysunku 8. Analiza w tym zakresie umożliwia na określenie czasowej propagacji wybranego zaburzenia jakości energii elektrycznej w badanym systemie elektroenergetycznym. Interesujące będzie zbadanie wpływu rodzaju zaburzenia jakości energii elektrycznej na czasową jego propagację wsystemie elektroenergetycznym. 3578

8 Rys.8. Rejestracje zdarzenia RB wybranego zaburzenie jakości energii elektrycznej widziane synchronicznie w punktach pomiarowych systemu zestawienie zbiorcze bez dopasowania czasowego Rys.9. Rejestracje zdarzenia RB wybranego zaburzenie jakości energii elektrycznej widziane synchronicznie w punktach pomiarowych systemu zestawienie zbiorcze z dopasowaniem czasowym WNIOSKI W artykule przedstawiono propozycję połączenia logistyki dystrybucji zaburzeń występujących w systemie elektroenergetycznym z elementami analizy pomiarów synchronicznych dla zadanego 3579

9 obszaru monitorowania. Systemem monitorowania i akwizycji danych objętych było pięć punktów zlokalizowanych w obszarze obejmującym elektrownie wodne o mocach rzędu 1MW oraz linię WN110kV.Do parametrów charakterystycznych oznaczania istotnych cech obiektu na podstawie rejestrowania obiektów w stanach wyróżnionych wybrano stan wystąpienia awarii systemu.w szczególności wykorzystano system monitorowania zdarzeń ich rejestracji, akwizycji i archiwizacjiprzy wykorzystaniu pakietu aplikacji Power Quality (WinPQ). Z wielu dostępnych w tym systemie metod parametryzacji zdarzeń, zdecydowanie potwierdzono przydatność rejestracji oscyloskopowych aktywowanych podług definiowanych nastaw wyzwalających. Opracowana procedura analizy czasowej lokalizacji zdarzeń, będzie przedmiotem dalszych badań weryfikacyjnych w kontekście oceny i kontroli jakości energii elektrycznej dostarczanej do odbiorców końcowych. Może także stanowić istotne uzupełnienie algorytmów w zakresie modernizacji zabezpieczeń i automatyki systemów elektroenergetycznych. Streszczenie W artykule przedstawiono propozycję identyfikacji i dystrybucji zdarzeń rejestrowanych w systemie elektroenergetycznym. Prezentowane wyniki obejmują wybrane elementy badań w ramach prac podstawowych jednego z podetapów projektu badawczego Analiza i ocena systemu monitorowaniajakości energii w rozproszonych sieciachdystrybucyjnych. Ocenę logistycznego ujęcia zdarzeń awaryjnych przeprowadzono wramach instalacji zlokalizowanych na terenie Politechniki Wrocławskiej oraz w stacjach elektroenergetycznych Tauron Dystrybucja S.A. oraz TauronEkoenergia Sp. z o.o. Przedmiotowy obszar badań obejmuje elektrownie wodne o mocach rzędu 1MW oraz linię WN110kV. Kontekstem aplikacyjnym artykułu są zagadnienia logistyki wytwarzaniai dystrybucji energii elektrycznej, w szczególności kontroli jakości energii dostarczanej do odbiorców końcowych.potwierdzono możliwość szybkiej analizy czasowej lokalizacji awarii oraz propagacji zaburzeń. Opracowana procedura monitorowania propagacji może także stanowić istotne uzupełnienie algorytmów w zakresie modernizacji zabezpieczeń i automatyki systemów elektroenergetycznych Słowa kluczowe: system elektroenergetyczny, projekt badawczy, propagacja zaburzeń, logistyka Logistics of quality monitoring of electric power systems containing scattered generation networks Abstract In this article, a suggestion for identification and distribution of registered events in a power generation network is described. The presented work includes selected aspects of one part of a basic research project entitled Analysis and Evaluation of a System for Quality Monitoring of Electrical Power in Scattered Distribution Networks. The logistical assessment of the emergency event recording has been carried out within the confines of the networks at both the Wroclaw University of Technology as well as the Tauron S.A. and the Tauron Ekoenergia Sp.z.o.o. The subject area of this research includes several hydroelectric plants, each delivering about 1 MW of power, and a 110 kv high-voltage power line. Logistics of power generation and distribution, in particular quality control of the power delivered to the end users, constitutes the application context of this work. Capability of fast analysis of both failure time and disturbance propagation has been confirmed. The proposed monitoring procedure can significantly complement current algorithms in the area of both automation and security modernization of electrical power networks.. Keywords: power generation network, research project, disturbance propagation, logistics Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/B/ST8/02515 BIBLIOGRAFIA 1. BollenM.H.J., Understanding Power Quality Problems. Voltage sags and interruptions, IEE Press Series on Power Engineering, Gubanski A., Kostyła P., Szymańda J., Instalacja i aktualizacja bazy SMJEE.PWR w trybie offline, Raport SPR-22/2014, Politechnika Wrocławska, Operating Manual WinPQ Evaluation system, a-eberle, version: WinPQ 19/04/2012JB. 4. Operating Manual WinPQ Evaluation Software, a-eberle, version: WinPQ

10 5. Sikorski T. Szymańda J.M, Zenger M.: Monitoring i analiza stanów zakłóceniowych w sieciach elektroenergetycznych.: 2012 Przegląd Elektro-techniczny ISSN: : R. 88, nr 11b: s Szymańda J.M.: System archiwizacji I identyfikacji sygnałów elektrycznych.: Transactions on computer applications in electrical engineering : XV Conference ZKwE '10, Poznan, April 19-21, 2010 / [sci. ed. Ryszard Nawrowski]. Poznań : Agencja Reklamowa COMPRINT, s SzymańdaJ.M.: The automatic data acquisition in distributed systems teletransmission: Logistyka 6/2010, CD Rom, Poland, 2010, 6, ADE, str.: : ISSN: