Analiza niezawodnościowa ciągłości dostaw energii elektrycznej o określonych parametrach dla lotniskowych systemów bezpieczeństwa

Transkrypt

1 PAŚ Jacek 1 DĄBROWSKI Tadeusz 1 DYDUCH Janusz 2 Analiza niezawodnościowa ciągłości dostaw energii elektrycznej o określonych parametrach dla lotniskowych systemów bezpieczeństwa WSTĘP Zagadnieniem o zasadniczym znaczeniu dla poprawnego funkcjonowania elektronicznych systemów bezpieczeństwa (ESB), na rozległym obszarze jakim jest lotnisko, jest niezawodność zasilania energetycznego. Elektroniczne systemy bezpieczeństwa, do których można zaliczyć: Systemy Sygnalizacji Włamania i Napadu (SSWiN), Kontrolę Dostępu (KD), Telewizję Dozorową (CCTV), Systemy Sygnalizacji Pożaru (SSP), Systemy Kontroli Biometrycznej (SKB) oraz Dźwiękowe Systemy Ostrzegania (DSO) zintegrowane w Alarmowym Centrum Odbiorczym (ACO) stanowią między innymi ochronę antyterrorystyczną obszaru lotniska, ochronę materialną jak również ochronę zdrowia i życia ludzkiego. Aby w/w systemy bezpieczeństwa mogły prawidłowo funkcjonować w określonym środowisku, należy zagwarantować zasilanie energetyczne odpowiednie pod względem jakości energii elektrycznej oraz niezawodności jej dostaw. Wymagania systemów bezpieczeństwa, dotyczące parametrów jakościowych oraz ciągłości zasilania, są bardzo ważnym zagadnieniem, które należy uwzględnić przy projektowaniu zasilania rezerwowego na wypadek awarii zasilania podstawowego. Ciągłość dostaw energii dla elektronicznych systemów bezpieczeństwa stanowi podstawę ich prawidłowego funkcjonowania, ponieważ w przypadku zaniku lub przerwy w zasilaniu może prowadzić to do unieruchomienia portu lotniczego (wymierne straty ekonomiczne), zagrożenia mienia, zdrowia i życia ludzkiego lub katastrofy w ruchu lotniczym i skażenia środowiska naturalnego. Aby osiągnąć odpowiednią niezawodność zasilania systemów bezpieczeństwa należy zastosować osobne układy zasilania dla poszczególnych systemów składowych, uzupełnione przez inteligentne podsystemy zasilania rezerwowego wzajemnie ze sobą powiązane. Rozważania na ten temat są treścią niniejszego artykułu. 1. PARAMETRY JAKOŚCIOWE ENERGII ELEKTRYCZNEJ ORAZ KONSEKWENCJE BRAKU ZASILANIA Z punktu widzenia odbiorcy energii elektrycznej, która zasila rozległy obszar lotnika, istotne są dwa zasadnicze kryteria: jakość energii; niezawodność dostaw energii. W celu zapewnienia właściwych parametrów energii elektrycznej, która jest niezbędna do zapewnienia poprawnego funkcjonowania szeregu lotniskowych odbiorników (w tym elektronicznych systemów bezpieczeństwa), wprowadzono odpowiednie normy i ustawy, które określają podstawowe nominalne parametry techniczne oraz ich dopuszczalne zmiany [10]. Wymagania te zostały zawarte między innymi w następujących dokumentach: PN-EN Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych ; PN-EN Kompatybilność elektromagnetyczna ; Dz. U. Nr 93/2007 pozycja 623 Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dn r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [Dz.U. Nr 93/2007]. 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Systemów Elektronicznych, Polska, Warszawa, ul. Kaliskiego 2, tel , jpas@wat.edu.pl, tdabrowski@wat.edu.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Zakład Systemów Sterowania w Transporcie, Polska, Radom, ul. Malczewskiego 29, tel , e mail: j.dyduch@uthrad.pl 4978

2 W/w dokumenty określają wymagania możliwe do spełnienia przez dostawcę energii elektrycznej, nie obejmują one jednak zaburzeń powstających w wyniku różnych zjawisk losowych (np. szadź) oraz powodowanych przez czynniki atmosferyczne (np. wyładowanie burzowe). Wymagania odnoszące się do jakości napięcia oraz dopuszczalne odchylenia wartości wybranych parametrów od wartości znamionowych przestawiono w tab. 1. Tab. 1. Wybrane parametry określające jakość napięcia oraz dopuszczalne odchylenia tych parametrów od wartości znamionowych wg PN-EN Lp. Parametry Warunki pomiaru i dopuszczalne odchylenie od wartości znamionowej 1 Częstotliwość 2 Wartość napięcia zasilającego 3 Zmiany napięcia zasilającego 4 Szybkie zmiany napięcia 5 Zapady napięcia zasilającego 6 Krótkie przerwy w zasilaniu (do 3 minut) 7 Długie przerwy w zasilaniu (powyżej 3 minut) 8 Przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej 9 Przepięcia przejściowe o krótkim czasie trwania 10 Harmoniczne napięcia zasilającego Wartość średnia częstotliwości mierzonej przez 10 s powinna być zawarta w przedziale: a) 50 Hz ±1% tj. (49,5 50,5) Hz przez 95% tygodnia, b) 50 Hz +4%/- 6% tj.(47-52 ) Hz przez 100% tygodnia. Znormalizowane napięcie nominalne w sieciach publicznych niskiego napięcia powinno wynosić 230/400V. Średnia wartość skuteczna napięcia mierzona w czasie 10 minut, w normalnych warunkach pracy, powinna wynosić w przedziale ± 10% napięcia nominalnego przez 95% tygodnia. Szybkie zmiany napięcia, w normalnych warunkach pracy, nie powinny przekraczać 5% U N (dopuszcza się w pewnych okolicznościach zmiany do 10% kilka razy w ciągu dnia). W normalnych warunkach zapady o wartości większej niż 10% U N mogą występować od kilkudziesięciu do tysiąca razy. W normalnych warunkach pracy liczba krótkich przerw w zasilaniu może wynosić w ciągu roku od kilkudziesięciu do kilkuset. Z pominięciem wyłączeń planowych, liczba długich przerw może dochodzić do 50 w ciągu roku. Niektóre uszkodzenia po stronie pierwotnej transformatora mogą powodować przepięcia po stronie niskiego napięcia. Wartość tych przepięć nie może przekraczać 1500V. W przypadku doziemień po stronie niskiego napięcia przepięcia te mogą uzyskiwać wartość do 1500V. Powodowane są wyładowaniami atmosferycznymi i na ogół nie przekraczają wartości 6kV. Współczynnik THD U napięcia zasilającego, uwzględniający harmoniczne do 40 włącznie nie powinien przekraczać 8%. Zróżnicowane wymagania dotyczące pewności zasilania, nie tylko obszarów lotniska, wymusiły wprowadzenie klasyfikacji odbiorników energii elektrycznej na kategorie zasilania, które można zdefiniować zgodnie z kryterium przyjętym w gospodarce energetycznej: a) odbiorniki III kategorii zasilania odbiorniki, w których dowolnie długa przerwa w dostawie energii elektrycznej nie powoduje żadnych negatywnych skutków, b) odbiorniki II kategorii zasilania odbiorniki, w których krótka przerwa w dostawie energii elektrycznej (do kilku minut) nie powoduje negatywnych skutków, c) odbiorniki I kategorii zasilania odbiorniki, w których nawet krótka przerwa w dostawie energii elektrycznej może spowodować zagrożenie życia ludzi lub znaczne straty materialne wywołane np. przerwaniem procesu produkcyjnego. Na rozległym obszarze lotniska gdzie usytuowane są budynki, hale, płaszczyzny odpraw wewnętrzne i zewnętrzne, pasy startowe itd. należy stosować I kategorię zasilania. Utrata ciągłości dostaw energii elektrycznej na tym terenie może wywołać poważne konsekwencje obejmujące m. in. następujące przypadki: obrażenia ogólne lub utratę życia w przypadku wystąpienia katastrofy lotniczej, uszkodzenie lub utrata mienia (bagaż podróżnych), utrata poufnej informacji z systemów biometrycznych lub stanowisk odpraw, skażenie środowiska naturalnego w przypadku rozszczelnienia się magazynów lub cystern paliw oraz wzrost zagrożenia terrorystycznego spowodowany awarią np. systemów CCTV. Prawdopodobieństwo utraty ciągłości dostaw energii można zdefiniować jako możliwość pojawienia się w/w zdarzeń, które wpływają na elektroniczne systemy bezpieczeństwa 4979

3 Konsekwencje wystąpienia braku zasilania ESB (ESB), służbę ochrony lotniska, ochronę elektromechaniczną (elektro-zamki, automatykę sterowania budynków), ochronę obwodową lotniska itd. oraz na poziom ogólnego ryzyka (zaburzenia społeczne wprowadzenie żółtego alarmu w związku ze wzrostem zagrożenia terrorystycznego, duże straty środowiskowe związane z katastrofą lotniczą itd.). Konsekwencje wystąpienia awarii w funkcji prawdopodobieństwa braku ciągłości zasilania elektronicznych systemów bezpieczeństwa zlokalizowanych na rozległym obszarze lotniczym przedstawia rys. 1. W zależności od wartości prawdopodobieństwa i konsekwencji braku zasilania można wyróżnić cztery graniczne przypadki 1 (2-3) lub (3-2) oraz 4. Małe prawdopodobieństwo duże konsekwencje Duże prawdopodobieństwo duże konsekwencje Miejsca, gdzie prawdopodobieństwo wystąpienia braku zasilania jest niskie a potencjalne konsekwencje mają duże znaczenie radary systemu ILS i obserwacji ruchu lotniczego, systemy SSP, DSO, ochrona obwodowa lotniska, itd. Miejsca, gdzie prawdopodobieństwo wystąpienia braku zasilania na obszarze lotniska jest wysokie i potencjalne konsekwencje mają duże znaczenie radary systemu ILS i obserwacji ruchu lotniczego, techniczne systemy odpraw podróżnych, itd Miejsca, gdzie prawdopodobieństwo wystąpienia braku zasilania jest niskie i potencjalne konsekwencje mają małe znaczenie oświetlenie zewnętrzne budynków, magazynów, banerów reklamowych, itd. 1 Prawdopodobieństwo wystąpienia braku zasilania ESB Miejsca, gdzie prawdopodobieństwo wystąpienia braku zasilania na obszarze lotniska jest wysokie i potencjalne konsekwencje mają małe znaczenie oświetlenie technologiczne i zewnętrzne budynków, magazynów, itd. 3-2 Małe prawdopodobieństwo małe konsekwencje Duże prawdopodobieństwo małe konsekwencje Rys. 1. Konsekwencje wystąpienia awarii w funkcji prawdopodobieństwa braku ciągłości zasilania dla elektronicznych systemów bezpieczeństwa zlokalizowanych na rozległym obszarze lotniska 2. SPOSOBY ZAPEWNIANIA CIĄGŁOŚĆI ZASILANIA LOTNISKOWYCH SYSTEMÓW BEZPIECZEŃSTWA W związku z tym, że lotniskowe elektroniczne systemy bezpieczeństwa należą do I kategorii zasilania w energię elektryczną, to są one zasilane z dwóch niezależnych linii elektroenergetycznych L 1, L 2. Pierwotnymi źródłami energii dla tych odbiorników są dwie niezależne elektrownie E 1, E 2 przyłączone do krajowego systemu elektroenergetycznego (rys.2). Rys. 2. Schemat zasilania energetycznego elektronicznych systemów bezpieczeństwa na rozległym obszarze lotniska 4980

4 W przypadku awarii zasilania podstawowego (z E1), po otrzymaniu o tym zdarzeniu informacji z systemu dozorująco-terapeutycznego (d-t), samoczynny włącznik rezerwy zasilania SWRZ 1 przełącza całkowite obciążenie z linii L1 na linię L2 [1]. W przypadku awarii zasilania z obu linii L1, L2, włącznik rezerwy zasilania SWRZ 2 odłącza sieć zasilania podstawowego (z E1 i E2) a przyłącza agregat prądotwórczy o określonej, niezbędnej mocy. W przypadku awarii zespołu prądotwórczego włącznik SWRZ 3 przyłącza zespół zasilaczy UPS, których zadaniem jest zapewnienie ciągłości zasilania lecz tylko dla wybranych odbiorników (ograniczona moc systemu UPS) [6,7]. W przypadku awarii lub wyczerpania się energii z systemu UPS włącznik SWRZ 4 przyłącza do sieci zasilania ESB baterie akumulatorów. Pojemności baterii akumulatorów są dobierane oddzielnie dla każdego podsystemu bezpieczeństwa (SSWiN, SKD, SSP, itd.) przy uwzględnieniu bilansu energetycznego dla dwóch podstawowych rodzajów pracy w/w systemów, tj. stanu dozorowania i stanu alarmowania oraz przy uwzględnieniu określonego czasu alarmowania (zgodnego z normą) dla poszczególnych klas systemu (I - IV). Ze względu na konieczność zapewnienia odpowiednich, dopuszczalnych poziomów napięć dla ESB na rozległym obszarowo porcie lotniczym, stosuje się rozproszony system zasilania dla poszczególnych systemów bezpieczeństwa. Zastosowanie pojedynczej baterii akumulatorów, dla zasilania awaryjnego, dla wszystkich systemów, jest ze względów ekonomicznych i niezawodnościowych nieopłacalne. Poszczególne elementy systemu bezpieczeństwa, które odpowiadają za wykrywanie zdarzeń niebezpiecznych (np. czujki ppoż., czujki ruchu itd.) są rozmieszczone w odległych od siebie punktach [2,3]. Dlatego zasilanie ich powinno być zdecentralizowane, a poszczególne czujki tworzące grupy, podłączane są ze względu na ich liczbę do podcentral alarmowych, tworzących również system rozproszony. Poszczególne podcentrale alarmowe mogą nadzorować wyodrębnione budynki na obszarze portu lotniczego oraz mogą posiadać własne baterie akumulatorów [4,5]. Rozległość obszarowa budynków (np. hala odpraw podróżnych), duża liczba czujek, wartość niezbędnego natężenia prądu powoduje, że w bilansie energetycznym systemów należy uwzględnić także spadki napięć na rezystancji wewnętrznej przewodów (rys. 3). Rys. 3. Przykładowe obliczenie spadku napięcia na liniach zasilających pojedynczą czujkę (l = 42 m) i grupę czujek (l = 77 m); dla dwóch stanów pracy centrali alarmowej z zasilaczem wewnętrznym. Oznaczenia: I a1-4 - prąd alarmowania, I d1-4 - prąd dozorowania, ΔU a1-4 - spadek napięcia dla stanu centrali alarmowanie, ΔU a1-4 - spadek napięcia dla stanu centrali dozorowanie Rozpatrując schemat zasilania ESB na obszarze lotniska (rys. 2) pod względem zapewnienia ciągłości zasilania możemy wyróżnić następujące struktury niezawodnościowe: równoległa nieobciążona, którą tworzą następujące urządzenia: (grupa A - linie elektroenergetyczne L 1, L 2 z dwóch niezależnych elektrowni E 1, E 2 ); (grupa B - agregat prądotwórczy, zasilacz UPS, bateria akumulatorów); 4981

5 szeregowa (połączenie elementów struktury grupy A - SWRZ 1 - połączenie elementów struktury grupy B SWRZ 3) rys.4. Ze względu na niezawodność zasilania ESB na obszarze lotniska należy założyć rezerwowanie nieobciążone samoczynnych wyłączników rezerwy zasilania SWRZ 1 oraz SWRZ 2 poprzez zastosowanie SWRZ 1 ' oraz SWRZ 2 ' (rys. 4) [1,3,10,12]. Rys. 4. Struktura niezawodnościowa systemu zasilania ESB na obszarze lotniska oznaczenia na rys: (dt) 1 ;,(d-t) 4 systemy dozorująco-terapeutyczne, ifd 1,, ifd 4 informacja diagnostyczna, SWRZ 1,2 samoczynny włącznik rezerwy zasilania Ze względu na skończoną moc rezerwowych źródeł zasilania (agregat prądotwórczy, zasilacz UPS, baterie akumulatorów), nie są one w stanie pokryć całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną. Należy zatem przyjąć określoną sekwencję odłączania tych odbiorników energii, które nie wchodzą w skład systemów bezpieczeństwa oraz nie współpracują w zapewnianiu biernej ochrony podróżnych jak np. oświetlenie nocne dla kamer systemu CCTV [8]. Sekwencję odłączania odbiorników energii elektrycznej, w przypadku struktury jak na rys. 4, należy opracować dla następujących źródeł rezerwowych: agregat prądotwórczy - rys. 5; zasilacz UPS - rys. 6. Baterie akumulatorów nie posiadają sekwencji wyłączania czasowego odbiorników (typu: czujki, manipulatory, moduły mocy, sygnalizatory itd.), gdyż kompletny system bezpieczeństwa musi nadzorować przestrzenie, pomieszczenia, budynki przez czas określony w odpowiednich normach (w zależności od klasy systemu). Powiadomienie o awarii sieci Wył. oświetlenia reklam Wył. klimatyzacji w magazynach Wył. oświetlenia płaszczyzn magazynów Wył. odbiorników strefy I-II, itd t[min] Moc wystarczająca do zasilenia ESB przez czas określony klasą systemu Rys. 5. Sekwencja wyłączania odbiorników energii zasilanych z agregatu prądotwórczego 4982

6 Powiadomienie o awarii - agregat Wył. oświetlenia/wł. awaryjnego Wył. obwodów zasilania I-VII Wył. odbiorników nie nadzorujących bezpieczeństwo Wył. zestawu /ewakuacja pasażerów/ komputerów G1,2, /nie odpowiedzialnych za bezpieczeństwo/ t[min] Moc wystarczająca do zasilenia ESB przez czas określony klasą systemu Rys. 6. Sekwencja wyłączania odbiorników energii elektrycznej zasilanych z systemu UPS W przypadku wystąpienia awarii zasilania podstawowego bardzo ważnym zagadnieniem jest wysłanie sygnału powiadomienia o awarii do wszystkich odbiorców energii elektrycznej. Planując zapotrzebowanie na moc dla obszaru lotniska w przypadku wystąpienia awarii zasilania, należy uwzględnić rezerwę mocy na zasilanie ESB przez określony czas, zależny od klasy systemu bezpieczeństwa (I - IV) rys. 7. Moc zapotrzebowana całkowita x [kw] Zasilanie energetyczne systemów w stanie dozorowania lub alarmowania przez czas określony w normach rezerwa d [kw] SSWiN a [kw] SSP+DSO c [kw] CCTV b [kw] Rys. 7. Zapotrzebowanie na moc dla elektronicznych systemów bezpieczeństwa zainstalowanych na rozległym obszarze lotniska WNIOSKI W artykule przedstawiono przegląd strukturalnych rozwiązań układu zasilania energetycznego gwarantowanego dla elektronicznych systemów bezpieczeństwa stosowanych na obszarze lotniska. Ze względu na klasę ESB i szczególne miejsca zainstalowania podsystemów składowych, wymagane jest wielokrotne rezerwowanie podstawowego źródła zasilania energetycznego. Ze względu na duży obszar lotniska, który podlega ochronie elektronicznej, należy stosować rozproszony system zasilania energetycznego ESB [9,11]. W projekcie takiego systemu zasilania należy uwzględniać m. in. dopuszczalne spadki napięć na liniach, kablach oraz magistralach transmisyjnych dla wszystkich stanów pracy central alarmowych. Zastosowanie dodatkowych, awaryjnych źródeł zasilania w postaci np. agregatów prądotwórczych i zasilaczy UPS, wymaga opracowania harmonogramu czasowej sekwencji wyłączania odbiorników w sieci elektrycznej lotniska. Stosowane baterie akumulatorów powinny być dobierane indywidualnie do poszczególnych podsystemów systemu bezpieczeństwa. Przedstawiona koncepcja zasilania ma cechy rozwiązania optymalnego gdyż stanowi kompromis pomiędzy potrzebami ESB, a możliwościami ekonomicznymi inwestora oraz istniejącymi przepisami wykonawczymi, dotyczącymi ochrony portów lotniczych w naszym kraju. 4983

7 Streszczenie W artykule zaprezentowano zagadnienia związane z zasilaniem elektronicznych systemów bezpieczeństwa zainstalowanych na rozległym obszarze lotniska. Zastosowanie systemów bezpieczeństwa zwiększa efektywność funkcjonowania portu lotniczego i przyczynia się do zwiększenia poziomu bezpieczeństwa. Funkcjonowanie ESB wymaga zasilania elektrycznego o odpowiedniej jakości oraz niezawodności funkcjonalnej. Niezawodność zasilania można kształtować u odbiorcy energii elektrycznej, wprowadzając dodatkowe źródła zasilania rezerwowego. W artykule uwzględniono trójrodzajowe, niezależne źródła zasilania jakimi są: zasilanie podstawowe z krajowej sieci energetycznej, źródło awaryjne w postaci zasilacza UPS oraz źródło rezerwowe w postaci agregatu prądotwórczego. Dodatkowo każdy ESB powinien posiadać własne zasilanie awaryjne w postaci baterii akumulatorów. Analizując zapotrzebowanie na energię elektryczną dla ESB zawsze należy mieć na uwadze potrzebę zapewnienia odpowiedniego zapasu potencjału energetycznego by zagwarantować ciągłość zasilania niezależnie od okoliczności eksploatacyjnych. Reliability analysis of electricity supply continuity of specific parameters for airport security systems Abstract The article presents the issues related to the supply of electronic security systems installed in vast area of the airport. The use of safety systems increases the efficiency operation efficiency the airport and helps to increase safety level. Working of the ESS requires electric supply of sufficient quality and functional reliability. Power reliability of can be shaped by electricity consumers in introducing an additional source of backup power. The article includes a three - genre independent power sources which are basic power supply from the national grid, emergently power supply as UPS and backup source as generator. In addition, each ESB should have its own power supply as accumulator bat tries. Analyzing the demand for electricity for ESB it should be note the need to ensure an adequate supply of potential energy in order to ensure supply continuity regardless of the exploitation circumstances. BIBLIOGRAFIA 1. Będkowski L., Dąbrowski T., Podstawy eksploatacji, cz. II Podstawy niezawodności eksploatacyjnej. Warszawa: Wojskowa Akademia Techniczna, Duer S., Zajkowski K., Duer R., Paś J., Designing of an effective structure of system for the maintenance of a technical object with the using information from an artificial neural network. Neural Computing & Applications DOI: /s Dyduch J., Paś J., Rosiński A., Podstawy eksploatacji transportowych systemów elektronicznych. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom Paś J., Duer S., Determination of the impact indicators of electromagnetic interferences on computer information systems. Neural Computing & Applications DOI: /s Rosiński A., Dąbrowski T., Modelling reliability of uninterruptible power supply units. Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability, Vol.15, No. 4, Rosiński A., Analiza niezawodności zasilaczy buforowych. Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej vol. LXI nr 2 (666)/2012, Warszawa Paś J., Dąbrowski T.: Wybrane zagadnienia eksploatacji platformy multibiometrycznej Wiadomości Elektrotechniczne nr 11/ Siergiejczyk M., Rosiński A., Zagadnienie zapewnienia ciągłości zasilania w logistycznych systemach teleinformatycznych. Czasopismo Logistyka nr 4/2012, wyd. Instytut Logistyki i Magazynowania, Poznań Paś J.: Analiza niezawodnościowa systemu zasilania energią elektryczną mobilnych systemów biometrycznych Prace Naukowe Transport zeszyt nr 100 Politechnika Warszawska 10. Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego. Dom Wydawniczy MEDIUM, Warszawa

8 11. Dyduch J., Paś J.: Zakłócenia elektromagnetyczne oddziaływujące na transportowy system bezpieczeństwa. Pomiary Automatyka Robotyka 5/ Dyduch J., Moczarski J: Podstawy eksploatacji systemów sterowania ruchem kolejowym. Politechnika Radomska