Uwarunkowania bezpieczeństwa funkcjonowania systemu elektroenergetycznego aglomeracji warszawskiej

Transkrypt

1 Debata na temat Bezpieczeństwo elektroenergetyczne aglomeracji warszawskiej w aspekcie budowy południowego półpierścienia 400 kv Uwarunkowania bezpieczeństwa funkcjonowania systemu elektroenergetycznego aglomeracji warszawskiej Prof. dr hab. inż. Józef PASKA Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej

2 Debata na temat Bezpieczeństwo elektroenergetyczne aglomeracji warszawskiej w aspekcie budowy południowego półpierścienia 400 kv Opinia do rozważanych wariantów zamknięcia pierścienia linii najwyższych napięć 400 kv wokół Warszawy pod względem niezawodności zasilania aglomeracji warszawskiej

3 Zagadnienia 1. Bezpieczeństwo elektroenergetyczne 2. Niezawodność SEE, dekompozycja i podejścia metodyczne 3. Ocena niezawodności systemu przesyłowego (poziom HL II SEE) i systemów dystrybucyjnych 4. Badania niezawodności SEE w warunkach liberalizacji i konkurencji 5. Opinia do rozważanych wariantów 6. Podsumowanie Warszawa, 18 marca

4 Bezpieczeństwo elektroenergetyczne Bezpieczeństwo energetyczne jest zdefiniowane w ustawie z dnia 10 kwietnia Prawo energetyczne (Dz. U. Nr 54, poz. 348 z późniejszymi zmianami) jako stan gospodarki umożliwiający pokrycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na paliwa i energię w sposób technicznie i ekonomicznie uzasadniony, przy zachowaniu wymagań ochrony środowiska. Definicja ta została powtórzona w Polityce energetycznej Polski do 2030 roku. W takim ujęciu bezpieczeństwo energetyczne jest zatem kategorią społecznoekonomiczną, w której można wyróżnić bezpieczeństwa cząstkowe, określone w odniesieniu do poszczególnych form czy nośników energii, np.: bezpieczeństwo elektroenergetyczne, bezpieczeństwo zaopatrzenia w ciepło itp. W przypadku tzw. sieciowych nośników energii, jak energia elektryczna, gaz, ciepło sieciowe; o stanie bezpieczeństwa energetycznego w dużym stopniu decyduje też poziom funkcjonowania odpowiedniego systemu energetycznego, czyli jego niezawodność. Dla energii elektrycznej jest to niezawodność systemu elektroenergetycznego.. Warszawa, 18 marca

5 Bezpieczeństwo elektroenergetyczne Ustawa definiuje także: bezpieczeństwo dostaw energii elektrycznej zdolność systemu elektroenergetycznego do zapewnienia bezpieczeństwa pracy sieci elektroenergetycznej oraz równoważenia dostaw energii elektrycznej z zapotrzebowaniem na tę energię; bezpieczeństwo pracy sieci elektroenergetycznej nieprzerwaną pracę sieci elektroenergetycznej, a także spełnianie wymagań w zakresie parametrów jakościowych energii elektrycznej i standardów jakościowych obsługi odbiorców, w tym dopuszczalnych przerw w dostawach energii elektrycznej odbiorcom końcowym, w możliwych do przewidzenia warunkach pracy tej sieci; równoważenie dostaw energii elektrycznej z zapotrzebowaniem na tę energię zaspokojenie możliwego do przewidzenia, bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na energię elektryczną i moc, bez konieczności podejmowania działań mających na celu wprowadzenie ograniczeń w jej dostarczaniu i poborze; zagrożenie bezpieczeństwa dostaw energii elektrycznej stan systemu elektroenergetycznego lub jego części, uniemożliwiający zapewnienie bezpieczeństwa pracy sieci elektroenergetycznej lub równoważenie dostaw energii elektrycznej z zapotrzebowaniem na tę energię. Warszawa, 18 marca

6 Bezpieczeństwo elektroenergetyczne Wydaje się uzasadnione następujące stwierdzenie: "w obecnym, konkurencyjnym otoczeniu, niezawodna dostawa energii elektrycznej oznacza jej dostarczanie do punktów przyłączenia odbiorców (klientów) w postaci odpowiedniej do zasilania urządzeń elektrycznych odbiorców i realizacji u nich procesów technologicznych, zgodnie z wymaganiami eksploatacyjnymi". Właściwe jest zatem mówienie o jakości dostawy energii elektrycznej, jakości zasilania energią elektryczną, czy też o jakości zaopatrywania odbiorców w energię elektryczną. Problem jakości zasilania odbiorców w energię elektryczną można podzielić na trzy zagadnienia: Jakość dostarczanej energii elektrycznej (jakość napięcia). Niezawodność dostawy energii elektrycznej (niezawodność zasilania). Jakość obsługi odbiorcy (klienta). O jakości dostarczanej energii elektrycznej oraz o niezawodności jej dostawy w dużej mierze decyduje niezawodność systemu elektroenergetycznego (SEE). Warszawa, 18 marca

7 Niezawodność SEE, dekompozycja i podejścia metodyczne Według UCTE, CIGRE, NERC niezawodność systemu elektroenergetycznego (SEE) to pojęcie ogólne, obejmujące wszystkie miary zdolności systemu (określone jako wskaźniki liczbowe) do dostarczania, do wszystkich punktów zapotrzebowania, energii elektrycznej o parametrach w granicach przyjętych standardów oraz w żądanych ilościach. Jest to zatem poziom funkcjonowania systemu (i jego elementów), skutkujący dostarczaniem do odbiorców (klientów) energii elektrycznej w wymaganej ilości i o parametrach mieszczących się w granicach ustalonych standardów. Niezawodność może być mierzona przez częstość, czas trwania i poziom niekorzystnych zjawisk. Niezawodność systemu elektroenergetycznego powinna uwzględniać dwa podstawowe aspekty funkcjonalne systemu - wystarczalność (adequacy) i niezawodność operacyjną - bezpieczeństwo (operational reliability, security), przy czym przez: wystarczalność rozumie się zdolność systemu do pokrywania zagregowanego zapotrzebowania mocy i energii wszystkich odbiorców przez cały rozpatrywany okres, przy uwzględnieniu planowych i nieplanowych odstawień elementów systemu; niezawodność operacyjną - zdolność systemu do funkcjonowania (w tym zachowania integralności) i realizacji swych funkcji pomimo występowania nagłych zakłóceń, jak np. zwarcia lub nagłe, awaryjne odstawienia elementów systemu. Wystarczalność określa zatem zdolność systemu do pokrycia zapotrzebowania w stanach ustalonych, niezawodność operacyjna zaś do przetrzymania stanów przejściowych. Warszawa, 18 marca

8 Niezawodność SEE, dekompozycja i podejścia metodyczne W systemie elektroenergetycznym są trzy strefy funkcjonalne: wytwarzania, przesyłu, dystrybucji; i można wyróżnić trzy poziomy hierarchiczne prowadzonych analiz: HL I, HL II i HL III. Bilanse energetyczne HL 0 PSW PSP Urz. i obiekty do wytwarzania HL I SEE Urz. i i obiekty przesylowe przesyłowe HL II OZE &GR Dekompozycja i poziomy hierarchiczne systemu elektroenergetycznego: SEE system elektroenergetyczny, PSW - system (podsystem) wytwórczy, PSP - system przesyłowy, PSD - system dystrybucyjny, OZE&GR odnawialne źródła energii i generacja rozproszona PSD Urz. Urz. i i obiekty dystrybucyjne HL III Warszawa, 18 marca

9 Niezawodność SEE, dekompozycja i podejścia metodyczne Struktura ta ciągle dobrze oddaje istotę funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, jednak obecnie należy mieć dodatkowo na uwadze następujące aspekty: Występuje często podział wytwarzania i dystrybucji pomiędzy pewną liczbę niezależnych przedsiębiorstw. Zwiększa się wykorzystanie odnawialnych zasobów energii (OZE) oraz źródeł wytwarzania o małej skali w ramach systemu rozdzielczego, tworzących generację rozproszoną (GR) (OZR&GR). Warszawa, 18 marca

10 Niezawodność SEE, dekompozycja i podejścia metodyczne Analizy wykonywane na poziomie HL 0 pozwalają na ocenę, z reguły dla dłuższego horyzontu czasowego, możliwości zrównoważenia bilansu energetycznego. Uwzględnia się tutaj lokalne zasoby energetyczne i ograniczenia ich pozyskiwania (np. zasoby hydroenergetyczne i warunki hydrologiczne) oraz możliwości i uwarunkowania importu. Efektem analiz na tym poziomie jest ocena bezpieczeństwa energetycznego kraju lub obszaru. Warszawa, 18 marca

11 Niezawodność SEE, dekompozycja i podejścia metodyczne Ocena niezawodności może odnosić się do przeszłości (jest dokonywana ex post) lub do przyszłości (jest to wówczas niezawodność prognozowana). W obu sytuacjach wyznacza się wartości odpowiednich miar niezawodności wskaźników niezawodności. Wskaźniki obliczane w oparciu o dane z przeszłości dotyczą: niedyspozycyjności systemu (unavailability), niedostarczonej energii, liczby zdarzeń, czasu trwania (liczby godzin) przerw zasilania, liczby wyjść napięcia poza ograniczenia, liczby wyjść częstotliwości poza ograniczenia. Należy zauważyć, że te parametry są prawdziwymi, pełnymi wskaźnikami niezawodności, ponieważ dotyczą one zarówno wystarczalności jak i bezpieczeństwa systemu elektroenergetycznego. Wskaźniki prognozowane są obliczane dla przyszłości, w oparciu o wyniki analiz, z wykorzystaniem odpowiednich modeli i metod matematycznych oraz programów (narzędzi) komputerowych. Warszawa, 18 marca

12 Niezawodność SEE, dekompozycja i podejścia metodyczne Przeszłe zachowanie systemu Część obserwowalna Modele zakłóceń Dane niezaw. urządzeń Narzędzia Modele Obliczanie niezawodności Dane Ocena Wskaźniki niezawodności Elementy analizy niezawodności SEE Ocena/prognoza Porównanie Część obserwowalna Przyszłe zachowanie systemu Etapy analizy niezawodności SEE Warszawa, 18 marca

13 Ocena niezawodności systemu przesyłowego (HL II SEE) i systemów dystrybucyjnych Przy ocenie niezawodności systemu elektroenergetycznego na poziomie hierarchicznym HL II są obliczane wskaźniki dwojakiego typu: wskaźniki dla konkretnego węzła obciążenia oraz wskaźniki systemowe - dla całego systemu (na tym poziomie hierarchicznym). Z punktu widzenia zapobiegania tzw. wielkim awariom systemowym szczególnie istotna jest analiza (prognozowanie) niezawodności systemów elektroenergetycznych, która winna mieć należne i trwałe miejsce w analizach wykonywanych dla określenia warunków bezpiecznej pracy systemu w fazie programowania układów i parametrów pracy SEE. Warszawa, 18 marca

14 Ocena niezawodności systemu przesyłowego (HL II SEE) i systemów dystrybucyjnych Przy modelowaniu awarii (wyłączeń, odstawień) elementów sieciowych SEE najczęściej uwzględnia się: Wyłączenia niezależne (independent outages). Zdarzenia te obejmują tylko same elementy. Wyłączenia zależne (dependent outages). Zależą one od wystąpienia jednego lub więcej innych odstawień. Wyłączenia mające wspólną przyczynę (common mode outages). Wyłączenie takie jest zdarzeniem mającym pojedynczą przyczynę zewnętrzną, dającą w efekcie niezadziałanie (awarię) wielu (dwóch lub więcej) urządzeń, przy czym efekty te nie są konsekwencją samych siebie. Efekty pogodowe (weather related effects). Wyłączenia z przyczyn powstałych w stacji (station originated outages). Warszawa, 18 marca

15 Ocena niezawodności systemu przesyłowego (HL II SEE) i systemów dystrybucyjnych Dla systemu dystrybucyjnego (strefy funkcjonalnej dystrybucji) obliczanymi wskaźnikami niezawodności są zwykle: oczekiwana liczba zakłóceń (przerw w zasilaniu), średni czas trwania zakłócenia, roczna niedyspozycyjność (wskaźnik nieciągłości zasilania) węzła odbiorczego. Dodatkowo można obliczyć wartość oczekiwaną odłączonej mocy lub niedostarczonej energii. Warszawa, 18 marca

16 Ocena niezawodności systemu przesyłowego (HL II SEE) i systemów dystrybucyjnych Najważniejsze z narzędzi komputerowych do analizy niezawodności systemów przesyłowych (poziom hierarchiczny HL II systemu elektroenergetycznego) i/lub systemów dystrybucyjnych to: CREAM, opracowany przez EPRI (Electric Power Research Institute), USA (podejście symulacyjne). TRELSS - EPRI, USA (podejście analityczne). PROCOSE Ontario Hydro, Kanada (podejście analityczne). NIEZ Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki Śląskiej, Polska (podejście analityczne). ZuBer - Saarbrücken TU, Niemcy (podejście analityczne). COMPASS UMIST (University of Manchester Institute of Science and Technology), Wielka Brytania (podejście symulacyjne). TPLAN PTI, USA (podejście analityczne). GRARE CESI, Włochy (podejście symulacyjne). MECORE University of Saskatchewan/BC Hydro, Kanada (podejście symulacyjne lub analityczne). OSCAR Univ. of Itajuba, Brasil (podejście symulacyjne i analityczne). Warszawa, 18 marca

17 Badania niezawodności SEE w warunkach liberalizacji i konkurencji W klasycznej analizie niezawodności wynikami są techniczne wskaźniki niezawodności wyrażone zwykle częstością i czasem trwania przerw itp., i są one zazwyczaj używane do oceny spełnienia założonych kryteriów. W zliberalizowanym środowisku te wskaźniki niezawodności będą prawdopodobnie włączane do modeli oceny ekonomicznej. Oferuje to nowe możliwości dla oceny i dla ogólnego stosowania analiz niezawodności, ale oczywiście wymaga także odpowiednich badań w tych nowych obszarach. Wyzwaniem jest opracowanie sposobu przejścia od obliczeń wskaźników technicznych do zarządzania ryzykiem ekonomicznym w planowaniu i eksploatacji systemu elektroenergetycznego. Dla każdej decyzji z zakresu planowania, czy innego przedsięwzięcia, należy uwzględnić ryzyko ekonomiczne z perspektywy zainteresowanych uczestników rynku. Generalnym problemem w ocenie niezawodności jest to, że utrzymanie określonego poziomu jakości zasilania wymaga nakładów ze strony operatora systemu, podczas gdy niedostateczna jakość generuje koszty głównie po stronie odbiorców. Szczególnie dla odbiorców przemysłowych jakość zasilania jest wraz z ceną najbardziej interesującą cechą energii elektrycznej. Warszawa, 18 marca

18 Badania niezawodności SEE w warunkach liberalizacji i konkurencji Jakość zasilania zorientowana na odbiorcę Wystarczalność systemu przesyłu energii elektrycznej jest zdefiniowana jako zdolność do pokrycia zagregowanego zapotrzebowania na moc i energię we wszystkich węzłach odbiorczych (punktach obciążenia) sieci, z wewnętrznych i zewnętrznych źródeł, przy zachowaniu ograniczeń wynikających z fizycznych właściwości sieci, wypełniając zobowiązania kontraktowe i biorąc pod uwagę planowane i nieplanowane wyłączenia elementów sieci. Starzenie się urządzeń Ograniczanie remontów Redukcja personelu utrata know how Dyspozycyjność urządzeń Zwiększanie obciążenia urządzeń Uproszczona struktura sieci Czynniki mające wpływ na niezawodność SEE w warunkach liberalizacji i konkurencji Niezawodność systemu Warszawa, 18 marca

19 Opinia do rozważanych wariantów Wariant Miasta Stołecznego Warszawa Zamknięcie południowego półpierścienia na wysokości Góry Kalwarii przez: GPZ Miłosna - Góra Kalwaria - Prażmów Żabia Wola - GPZ Ołtarzew GPZ Mościska. Projekt proponowany przez Miasto Stołeczne Warszawa zakłada spięcie linią dwutorową 400 kv na wysokości Góry Kalwarii: Istniejącej linii 400 kv relacji Elektrownia Kozienice GPZ Miłosna, przebudowanej na linię dwutorową 400 kv (na odcinku GPZ Miłosna proponowany GPZ Góra Kalwaria) z: Planowaną linią dwutorową: Elektrownia Kozienice nowo planowany GPZ Ołtarzew, na wysokości proponowanego GPZ Żabia Wola. Proponowane rozwiązanie zapewni zbudowanie wokół Warszawy pierścienia linii elektroenergetycznych najwyższych napięć 400 kv w całości jako dwutorowy jednonapięciowy.. Warszawa, 18 marca

20 Opinia do rozważanych wariantów Projekt zakłada poprowadzenie południowego półpierścienia linii elektroenergetycznych NN, leżącego po lewej stronie Wisły, trasą Elektrownia Kozienice - projektowana Stacja Ołtarzew (rozpatrywana jest linia dwutorowa 400 kv). Natomiast po prawej stronie Wisły budowa linii NN sprowadza się do przebudowy linii 220 kv z Elektrowni Kozienice do stacji Siedlce Ujrzanów na linię 400 kv oraz do budowy nowej linii 400 kv ze stacji Siedlce Ujrzanów do nowoprojektowanej stacji Stanisławów a następnie połączenie ze stacją Miłosna. Do stacji Stanisławów będzie również doprowadzona nowoprojektowana linia 400 kv z Elektrowni Ostrołęka. Obie linie, spięte przez autotransformator w tej stacji, będą wzajemnie się rezerwowały na wypadek wypadnięcia jednej z nich, co znacznie wpłynie na poprawę bezpieczeństwa pracy Warszawskiego Węzła Elektroenergetycznego. Wariant Polskich Sieci Elektroenergetycznych Operator SA Warszawa, 18 marca

21 Opinia do rozważanych wariantów Zleceniodawca sprecyzował swoje oczekiwania co do zakresu opinii jako: Określenie wpływu proponowanego przebiegu południowego półpierścienia NN na bezpieczeństwo funkcjonowania Warszawskiego Węzła Elektroenergetycznego (WWE). W szczególności oczekiwał odpowiedzi na następujące pytania: 1. Czy zbliżenie pierścienia proponowane przez Miasto Stołeczne Warszawa wpłynie istotnie na poprawienie bezpieczeństwa pracy całego pierścienia? 2. Czy pierścień NN oddalony od Warszawy (zwłaszcza wyjście linii 400 kv z Elektrowni Kozienice na Siedlce i dopiero do GPZ Miłosna) wpłynie na pogorszenie bezpieczeństwa funkcjonowania Warszawskiego Węzła Elektroenergetycznego? W opinii podjęto próbę odpowiedzi na powyższe oczekiwania rozumiejąc przez bezpieczeństwo funkcjonowania WWE niezawodność zasilania aglomeracji warszawskiej w energię elektryczną. Warszawa, 18 marca

22 Opinia do rozważanych wariantów Z opisu rozpatrywanych wariantów nie wynika bezpośrednio przewaga jednego z nich pod względem bezpieczeństwa funkcjonowania Warszawskiego Węzła Elektroenergetycznego, czyli niezawodności zasilania aglomeracji warszawskiej w energię elektryczną. Wydaje się jedynie, że wariant 1 (propozycja m. st. Warszawy) pociągnie za sobą poprawę bezpieczeństwa pracy całego pierścienia linii elektroenergetycznych NN wokół Warszawy, z uwagi na jego mniejszą długość. By jednak spróbować odpowiedzieć na sformułowane oczekiwania i pytania wykonano obliczenia za pomocą programu TRELSS, przy czym uzyskane wyniki mają nadal charakter szacunkowy z uwagi na przyjęte założenia i dane do obliczeń. Obliczenia wykonano dla trzech wariantów: 0 stan systemu elektroenergetycznego określony przez model PSE Operator zima 2006/2007, 1 zamknięcie pierścienia wg propozycji m. st. Warszawa, 2 zamknięcie pierścienia wg propozycji PSE Operator. Warszawa, 18 marca

23 Opinia do rozważanych wariantów Generalnie można stwierdzić, że: 1. Zamknięcie (od południa) pierścienia linii elektroenergetycznych NN wokół Warszawy w sposób istotny poprawi niezawodność zasilania aglomeracji warszawskiej w energię elektryczną (bezpieczeństwo funkcjonowania WWE) oraz niezawodność elektroenergetycznego systemu przesyłowego na obszarze PSE Centrum. 2. Oba proponowane warianty dają bardzo zbliżony efekt w postaci poprawy niezawodności zasilania aglomeracji warszawskiej (nieco lepszy jest wariant 1 m. st. Warszawy) oraz niezawodności elektroenergetycznego systemu przesyłowego na obszarze PSE Centrum. 3. Uzyskanych wyników liczbowych nie należy traktować w kategoriach wartości bezwzględnych, mają one jedynie charakter szacunkowy i mogą być ewentualnie wykorzystane tylko do porównań jakościowych. Warszawa, 18 marca

24 Podsumowanie Przemiany w sektorze energii elektrycznej dały bodziec do innego traktowania zagadnień niezawodności systemu elektroenergetycznego. Rośnie nacisk na zapewnienie odpowiedniego poziomu niezawodności w przyszłości, tak za strony ciał regulacyjnych, jak i odbiorców. Liberalizacja elektroenergetyki prowadzi do rozdzielania generacji, przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej. Co więcej, presja rosnących kosztów na konkurencyjnych rynkach zmusza firmy do redukcji inwestycji i kosztów operacyjnych, co generalnie wywoła negatywne efekty w dziedzinie jakości zaopatrzenia w energię elektryczną. Na takim podłożu narastają pytania o przyszły poziom niezawodności zasilania, a zainteresowanie szczegółowymi analizami niezawodności systemu elektroenergetycznego wzrasta. Warszawa, 18 marca

25 Warszawa, 18 marca

26 Dziękuję za uwagę Warszawa, 18 marca