Zabezpieczenia w mikrosieciach niskiego napięcia prądu przemiennego

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Mirosław Parol Mgr inż. Michał Połecki Mgr inż. Rafał Parol Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Zabezpieczenia w mikrosieciach niskiego napięcia prądu przemiennego IV Sympozjum Naukowe ProEnergo Możliwości i Horyzonty Ekoinnowacyjności Warszawa Michałowice k/janek, września 2017

2 1. Wstęp W ostatnich latach obserwuje się coraz większe zainteresowanie zagadnieniami efektywności energetycznej oraz ochrony środowiska naturalnego. Zagadnienia te są związane z oszczędnym gospodarowaniem nośnikami energii, zarówno ich pozyskiwaniem jak i eksploatacją. Autonomiczne mikrosystemy energetyczne zwane mikrosieciami, w tym mikrosieci niskiego napięcia, odpowiadają tym oczekiwaniom. Mikrosieci niskiego napięcia wykorzystujące odnawialne nośniki energii spełniają wymagania dotyczące ekoinnowacyjności, samowystarczalności energetycznej, poprawy jakości powietrza oraz poprawy niezawodności zasilania odbiorców. Koncepcja mikrosieci niskiego napięcia prądu przemiennego została sformułowana kilkanaście lat temu. W referacie zostaną zaprezentowane zagadnienia dotyczące systemów (układów) zabezpieczeń w mikrosieciach niskiego napięcia, w szczególności zabezpieczenia adaptacyjne oraz od utraty zasilania. Zagadnienia te są bardzo ważne z punktu widzenia poprawnego funkcjonowania mikrosieci w różnych konfiguracjach i stanach jej działania. 2

3 2. Zabezpieczenia w mikrosieciach niskiego napięcia prądu przemiennego Struktura przykładowej mikrosieci [1] 3

4 2. Zabezpieczenia w mikrosieciach niskiego napięcia prądu przemiennego c. dalszy Mikrosieć niskiego napięcia może pracować w sposób przyłączony do sieci Operatora Systemu Dystrybucyjnego (OSD), który jest nazywany trybem pracy synchronicznej, jak również w trybie izolowanym, zwanym zwykle trybem wyspowym. Praca wyspowa może być pracą zamierzoną (intencjonalną) lub pracą niezamierzoną (nieintencjonalną). Układy zabezpieczeń powinny działać prawidłowo zarówno w przypadku zakłóceń (zwarć) występujących w sieci OSD, jak i w przypadku zakłóceń występujących w mikrosieci [2-6]. Jednak zachowanie zabezpieczeń w obydwu tych sytuacjach powinno być różne. 4

5 2. Zabezpieczenia w mikrosieciach niskiego napięcia prądu przemiennego c. dalszy W przypadku zwarć mających miejsce w sieci OSD należy odłączyć przyłączoną do niej mikrosieć niskiego napięcia możliwie szybko. Natomiast, w przypadku zwarć występujących w mikrosieci należy wyizolować możliwie najmniejszy jej fragment, zawierający miejsce zwarcia, tak żeby pozostała część mikrosieci, jeśli to tylko możliwe, mogła normalnie pracować. Warunki pracy zabezpieczeń mikrosieci w trybie pracy wyspowej różnią się od tych występujących w trybie pracy synchronicznej. Istnieje również potrzeba innego funkcjonowania zabezpieczeń od utraty zasilania w porównaniu do sposoby w jaki działają one w tradycyjnych sieciach dystrybucyjnych. Jeśli praca wyspowa całej mikrosieci lub jej części jest tylko możliwa, wówczas zabezpieczenia od utraty zasilania nie powinny odłączać mikroźródeł i zasobników energii od mikrosieci. 5

6 2. Zabezpieczenia w mikrosieciach niskiego napięcia prądu przemiennego c. dalszy Stosowane są dwa zasadnicze podejścia odnoszące się do zachowania układów zabezpieczeń podczas przejścia mikrosieci z trybu pracy synchronicznej do trybu pracy wyspowej [3]: zastosowanie zabezpieczeń adaptacyjnych, tj. przeprowadzanie dynamicznych zmian nastawień zabezpieczeń dla różnych konfiguracji i stanów pracy mikrosieci, łącznie z analizą warunków pracy rozproszonych źródeł energii (RZE); zastosowanie specjalnego urządzenia (mikroźródła lub zasobnika energii) powodującego wzrost wartości prądu zwarcia w krótkim czasie, aby umożliwić zadziałanie klasycznych zabezpieczeń nadprądowych. 6

7 3. Zabezpieczenia od pracy wyspowej w mikrosieciach Tryb intencjonalnej pracy wyspowej jest zasadniczy dla koncepcji mikrosieci. Zwiększa on bowiem niezawodność dostawy energii elektrycznej. W przypadku gdy mikrosieć jest przygotowana do pracy wyspowej, powinna zostać odizolowana od sieci OSD i następnie pracować w sposób kontrolowany. Jednostki wytwórcze i sterowniki mikrosieci mogą być wyposażone w wiele różnych algorytmów wykrywania pracy wyspowej. Rozróżnia się trzy grupy takich metod [7, 8]: metody pasywne, metody aktywne, metody oparte na systemach komunikacyjnych. 7

8 3. Zabezpieczenia od pracy wyspowej w mikrosieciach c. dalszy Metody pasywne wykrywania trybu pracy wyspowej bazują na obserwacjach parametrów jakości energii w punkcie wspólnego przyłączenia (PCC) rozproszonych źródeł energii. Metody aktywne wykrywania trybu pracy wyspowej są tak projektowane, aby obserwować odpowiedź sieci na intencjonalne zaburzenie generowane przez sterowniki RZE. 8

9 4. Zabezpieczenia adaptacyjne w mikrosieciach Izolowane mikrosieci mogą pracować w wariancie z adaptacyjnym układem zabezpieczeń, aby zapewnić stabilne i bezpieczne warunki pracy mikrosieci. Taki układ zabezpieczeń może mieć strukturę scentralizowaną lub lokalną [9]. Scentralizowany, adaptacyjny układ zabezpieczeń to koncepcja, w której przekaźniki są zdolne do wysyłania i odbierania sygnałów ze sterownika mikrosieci. Schemat działania takiego układu jest typu Master-Slave, gdzie sterownik mikrosieci jest Master em, a wyłączniki w mikrosieci są Slave mi. Chociaż każdy przekaźnik sam podejmuje decyzje o otwarciu wyłącznika na podstawie własnej charakterystki wyzwalania, to charakterystyka ta jest wysyłana przez sterownik mikrosieci (zależy ona od aktualnej konfiguracji sieci i stanów pracy RZE). 9

10 4. Zabezpieczenia adaptacyjne w mikrosieciach c. dalszy Lokalny system zabezpieczeń bazuje na komunikacji między przekaźnikami. W sytuacji kiedy występuje nienormalny przepływ prądów (prąd w jednej linii płynie w przeciwnych kierunkach), wtedy przekaźniki leżące najbliżej miejsca zaburzenia powodują otwarcie wyłączników. Ta metoda blokady kierunkowej jest efektywnym sposobem selektywnego odizolowania miejsca zakłócenia. 10

11 4. Zabezpieczenia adaptacyjne w mikrosieciach c. dalszy Adaptacyjne układy zabezpieczeń mogą bazować na analizie w trybie off-line lub działaniu w trybie on-line [3, 9]. Analiza w trybie off-line wykorzystuje przygotowaną tabelę wszystkich możliwych konfiguracji mikrosieci. Jeśli konfiguracja ulega zmianie, to nowe nastawy są przesyłane do urządzeń zabezpieczeniowych zainstalowanych w mikrosieci. Nastawy te wynikają z przeprowadzonej analizy w trybie off-line, w celu zwiększenia szybkości procesu adaptacji do nowych warunków pracy mikrosieci. Drugi system zabezpieczeń adaptacyjnych bazuje na działaniu w trybie on-line. W tym podejściu ponowne wyznaczenie nastaw jest przeprowadzane w czasie rzeczywistym, kiedy sterownik mikrosieci wykrywa zmianę jej konfiguracji. Nowe nastawy są przesyłane do pamięci lokalnych urządzeń zabezpieczających, a następnie są aktywowane. 11

12 5. Rozwiązania komunikacyjne w zabezpieczeniach mikrosieci W celu zapewnienia efektywnego działania układów zabezpieczeń należy zapewnić, aby wszystkie elementy tworzące system, tj. głównie tzw. Inteligentne Urządzenia Elektroniczne (IUE), były zdolne do komunikowania się z innymi i koordynowania ich zachowania, bez względu na to jakie systemy komunikacyjne (scentralizowane lub zdecentralizowane) są aktualnie stosowane. Dane, które są wymieniane zawierają informacje na temat struktury i konfiguracji sieci, zdarzeń zachodzących w sieci, zmian stanów elementów sieci, wydawanych poleceń (komend) itd. 12

13 5. Rozwiązania komunikacyjne w zabezpieczeniach mikrosieci c. dalszy Jednym z dominujących rozwiązań w obszarze konfiguracji IUE w systemach automatyki, które powinno być wzięte pod uwagę jest standard IEC [3, 9, 10]. Wykorzystuje on sieć Ethernet (z użyciem switchy) jako warstwę fizyczną, pozwalając na transmisję danych z jednego urządzenia do innych. Standard IEC może być mapowany na wiele protokołów komunikacyjnych uruchamianych ponad Ethernet em, w tym między innymi na protokół GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) i protokół MMS (Manufacturing Message Specification). Funkcjonalność dostarczana przez ten standard jest dostateczna, aby zaspokoić potrzeby dowolnej aplikacji. Jego niezależność od dostawcy gwarantuje efektywne współdziałanie między systemami i urządzeniami od różnych producentów. Duża szybkość switch y ethernetowych jest zasadnicza dla całego rozwiązania, aby pracowało ono efektywnie i z właściwościami o wysokiej jakości. 13

14 6. Podsumowanie i wnioski W referacie zostały opisane zagadnienia ogólne dotyczące zabezpieczeń w mikrosieciach, zagadnienia dotyczące zabezpieczeń od utraty zasilania, zabezpieczeń adaptacyjnych, jak również systemów komunikacyjnych wykorzystywanych w układach zabezpieczeń mikrosieci. 14

15 6. Podsumowanie i wnioski c. dalszy Można sformułować następujące obserwacje i wnioski: 1) Układy zabezpieczeń powinny działać prawidłowo zarówno w przypadku zakłóceń występujących w sieci OSD, jak i w przypadku zwarć w mikrosieci. Jednak, zachowanie zabezpieczeń w obydwu tych sytuacjach powinno być różne. 2) Warunki działania układów zabezpieczeń w trybie wyspowym pracy mikrosieci różnią się od tych występujących w trybie pracy synchronicznej. 3) Zasadniczo, stosowane są dwa podejścia odnoszące się do zachowania układów zabezpieczeń podczas przejścia mikrosieci z trybu pracy synchronicznej do trybu pracy wyspowej: 15

16 6. Podsumowanie i wnioski c. dalszy zastosowanie zabezpieczeń adaptacyjnych lub zastosowanie specjalnego urządzenia powodującego wzrost wartości prądu zwarcia, aby umożliwić zadziałanie klasycznych zabezpieczeń nadprądowych. 4) Jednostki wytwórcze i sterowniki mikrosieci mogą być wyposażone w wiele różnych algorytmów wykrywania trybu pracy wyspowej. 5) Adaptacyjne układy zabezpieczeń mogą bazować na analizie w trybie off-line lub działaniu w trybie on-line. 6) W celu zapewnienia efektywnego działania układów zabezpieczeń należy zapewnić, aby wszystkie elementy tworzące system, tj. głównie tzw. IUE, były zdolne do komunikowania się z innymi i koordynowania ich zachowania. Jednym z dominujących rozwiązań w obszarze konfiguracji IUE w systemach automatyki, które powinno być wzięte pod uwagę jest standard IEC 16

17 Podziękowania Referat jest finansowany z funduszy przeznaczonych na realizację projektu RIGRID (Rural Intelligent Grid). Autorzy wyrażają wdzięczność za ufundowanie tych badań przez inicjatywę ERA-Net Smart Grid Plus, przy wsparciu z programu badawczo-rozwojowego Unii Europejskiej Horyzont

18 Bibliografia [1] Parol M.: Mikrosieci przyszłościowe struktury sieci dystrybucyjnych. Przegląd Elektrotechniczny, vol. 92 (2016), Nr 8, str. 1-5 [2] Lasseter R., Akhil A., Marnay Ch., (i inni): (2002, April). White Paper on Integration of Distributed Energy Resources: The CERTS MicroGrid Concept. [Online]. Available: [3] CIGRÉ Working Group C6.22 Microgrids Evolution Roadmap, Microgrids 1: Engineering, Economics, & Experience, TB 635, 2015 [4] Mikrosieci niskiego napięcia. Praca zbiorowa pod redakcją Mirosława Parola. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2013 [5] Wu X., Jayawarma N., Zhang Y., (i inni): Protection Guidelines for a MicroGrid. Large Scale Integration of Micro- Generation to Low Voltage Grids, Deliverable DE2, June 2005, [Online]. Available: df 18

19 Bibliografia [6] Parol M., Baczyński D.: Automatyka zabezpieczeniowa i resynchronizacja mikrosieci. Materiały VI Konferencji Naukowo-Technicznej Sieci Elektroenergetyczne w Przemyśle i Energetyce - Sieci'2008, Szklarska Poręba, września 2008, str [7] Bower W., Ropp M.: Evaluation of Islanding Detection Methods for Utility-Interactive Inverters in Photovoltaic Systems, Sandia Corp., 2002 [8] Trujillo C., Velasco D., Figueres E., Garcera G.: Local and Remote Techniques for Islanding Detection in Distributed Generators, February 2010, [Online]. Available: [9] Oudalov A. et. all: EU More Microgrids Project; Novel Protection Systems for Microgrids, Project Deliverable DC2, November 2009, [Online]. Available: [10] 19

20 Dziękuję za uwagę IV Sympozjum Naukowe ProEnergo Możliwości i Horyzonty Ekoinnowacyjności Warszawa Michałowice k/janek, września 2017