Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodnosci systemu elektroenergetycznego w różnych horyzontach czasowych

Transkrypt

1 tom XXXIX(2009), nr 1, JózefPaska George J. Anders Andrzej Kłos Politechnika Wrocławska Instytut Elektroenergetyki Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodnosci systemu elektroenergetycznego w różnych horyzontach czasowych Artykuł zawiera próbę zdefiniowania pojęć bezpieczeństwa i niezawodności systemu elektroenergetycznego oraz określenia ich relacji wzajemnych i relacji z horyzontami czasowymi, z jakimi mamy do czynienia w elektroenergetyce. Przedstawiono klasyfikację stanów systemu elektroenergetycznego i jej rozwój, a także horyzonty czasowe w jakich zachodzą zjawiska i procesy w elektroenergetyce dla zagadnień niezawodności najistotniejszy jest podział na horyzont operacyjny(operatorski) i horyzont planowania oraz na analizy i oceny niezawodności dotyczące przeszłości(ex post) i na analizy i oceny niezawodności dotyczące przyszłości(prognozy). Podjęto także próbę określenia związków stanów systemu elektroenergetycznego, horyzontów czasowych oraz miar i kryteriów niezawodnościowych. Podkreślono, że ocena niezawodności systemu elektroenergetycznego dla przeszłości odnosi się do jej obu aspektów wystarczalności i bezpieczeństwa(niezawodności operacyjnej), natomiast analiza i ocena niezawodności dla przyszłości, z uwagi na ograniczenia stosowanych modeli i metod, jest zwykle ograniczona do aspektu wystarczalności. Istotne jest by w analizach ex post i w prognozach używać tych samych (a co najmniej spójnych) zestawów wskaźników niezawodności. 1 Definicja niezawodności systemu elektroenergetycznego W praktyce, pojęcie niezawodności systemu elektroenergetycznego obejmuje, zarówno zagadnienia wystarczalności(adequacy), jak i bezpieczeństwa(security). Pierwsze dotyczy długoterminowego podejścia do problemu niezawodności i należy głównie do sfery zainteresowań działów planowania. Drugie dotyczy okresów jozef.paska@ien.pw.edu.pl

2 48 J.Paska,G.J.AndersiA.Kłos krótkoterminowych leżących w sferze zainteresowań operatorów systemu. Ich definicje, wprowadzone ponad 20 lat temu(w 1987 roku), są następujące[18, 19]: Niezawodność systemu elektroenergetycznego pojęcie ogólne obejmujące wszystkie miary zdolności systemu do dostarczania energii elektrycznej do wszystkich punktów zapotrzebowania w wymaganej ilości, przy zachowaniu akceptowalnych standardów jakości. Niezawodność złożonego(obejmującego wytwarzanie i przesył) systemu elektroenergetycznego może być opisana za pomocą dwóch podstawowych atrybutów funkcjonalnych wystarczalności i bezpieczeństwa. Wystarczalność jest to zdolność systemu elektroenergetycznego do pokrycia zagregowanego zapotrzebowania na moc i energię elektryczną odbiorców (klientów) bez przekroczenia dopuszczalnych obciążalności elementów oraz poziomów napięć, biorąc pod uwagę planowane i nieplanowane postoje(wyłączenia, odstawienia) elementów. Bezpieczeństwo jest to zdolność systemu do przeciwstawiania się specyficznym nagłym zakłóceniom, jak zwarcia lub nieoczekiwane wypadnięcia z pracy elementów wraz z ograniczeniami operacyjnymi. Międzynarodowy standard IEC z 1999 roku[10] zawiera niemal identyczną definicję wystarczalności i nieco bardziej rozwiniętą, ale w zasadzie bardzo podobną definicję bezpieczeństwa. Oba aspekty są mierzone przez analizę wyników wybranych testów lub też przez odpowiednie wskaźniki, takie jak częstość i czas trwania stanów z przekroczonymi ograniczeniami i związane z nimi ilości energii niedostarczonej. Późniejsze definicje(ucte 2005[25] i UCTE 2008[26]) wprowadziły pewne doprecyzowania do tych definicji podstawowych. Powyższe definicje wystarczalności(adequacy) i bezpieczeństwa(security) zostały wprowadzone w okresie(przynajmniej te pierwsze[18]) gdy znakomita większość systemów elektroenergetycznych miała formę monopoli w zaspokajaniu zapotrzebowania na energię elektryczną na danym obszarze. Definicje te należy nieco zmienić by odpowiadały bardziej dzisiejszej rzeczywistości, w której odbiorcy (klienci) mogą sami wybierać dostawcę energii. Zagadnieniu temu jest poświęcony rozdział 6. Równolegle z rozwojem tych koncepcji, w ciągu ostatnich 30 lat proponowano szereg metod klasyfikacji stanów systemu elektroenergetycznego. Definicje te

3 Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodności systemu są opisane w rozdziale 3. Celem tej pracy jest też dyskusja jak obliczane wskaźniki niezawodności systemu są skorelowane z jego stanami. Zagadnienie to jest poruszane w rozdziale 5. 2 Relacje pojęć bezpieczeństwo elektroenergetyczne, jakość zasilania, niezawodność systemu elektroenergetycznego Definiowanie pojęć o ogólnym znaczeniu, takich jak: bezpieczeństwo. niezawodność, powszechność, obronność, dobroć; które mają w znacznym stopniu charakter abstrakcyjny jest zadaniem niełatwym. Wynika to z różnorodności znaczeń jakie można przypisać tym pojęciom. Stosowane definicje odznaczają się ogólnością, subiektywnością i są zazwyczaj ukierunkowane w zależności od tego czemu służą. W znacznym stopniu dotyczy to pojęć bezpieczeństwa elektroenergetycznego kraju i niezawodności systemu elektroenergetycznego. Uściślenie tych pojęć przyczyni się do ujednolicenia ich rozumienia w analizach i rozwiązywaniu problemów dotyczących bezpieczeństwa i niezawodności. Pojęcie bezpieczeństwa jest pojęciem abstrakcyjnym i można go rozumieć dwojako: w sposób ogólny i szczególny. W znaczeniu ogólnym, naturalnym podmiotem pojęcia bezpieczeństwo jest człowiek, ponieważ istota tego pojęcia wiąże się z ludzkim odczuciem bezpieczeństwa. Człowiek, społeczeństwo, czuje się bardziejlubmniejbezpieczniewwarunkachiwświecie,wktórymżyje.wtym znaczeniu bezpieczeństwo jest przedmiotem ludzkich oczekiwań i starań. W znaczeniu szczególnym, w przypadku elektroenergetyki, pojęcie bezpieczeństwa elektroenergetycznego kraju odnosi się nie tylko do człowieka(obywateli kraju) lecz również do infrastruktury materialnej i cywilizacyjno-kulturowej kraju. Podmiotem pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego kraju są: społeczeństwo, różnego rodzaju instytucje i przedsiębiorstwa państwowe, prywatne oraz infrastruktura cywilizacyjno-kulturowa; których działanie jest związane z wytwarzaniem, dostawą i użytkowaniem energii elektrycznej. Bezpieczeństwo energetyczne jest w ustawie Prawo energetyczne zdefiniowane 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 2025 roku i najprawdopodobniej pozostanie w przygotowywanej obecnie Polityce energetycznej Polski do 2030 roku.

4 50 J.Paska,G.J.AndersiA.Kłos W takim jak wyżej ujęciu bezpieczeństwo energetyczne jest zatem kategorią społeczno-ekonomiczną, 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 form czy 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. Bezpieczeństwo energetyczne jest rozumiane różnorodnie. Poniżej podano dwa inne sformułowania definicji bezpieczeństwa: Bezpieczeństwo energetyczne(bezpieczeństwo dostaw energii) jest to dostępność energii w każdym czasie, w różnych formach, w wystarczającej ilości i po możliwie najniższej(optymalnej) cenie, przy zachowaniu warunków ochrony środowiska[27]. Bezpieczeństwo energetyczne obejmuje sferę racjonalizacji pozyskiwania i użytkowania energii oraz jej dostawy na wszystkie trzy rynki końcowe: na rynek energii elektrycznej, rynek ciepła oraz rynek paliw transportowych[16]. Pierwsza z powyższych definicji utożsamia bezpieczeństwo energetyczne z dostępnością dostaw energii do odbiorców i, jak wynika z tekstu, pod warunkiem zachowaniem warunków ochrony środowiska. Jest to definicja zbliżona do definicji z ustawy Prawo energetyczne. Definicja druga(opisowa) jest ukierunkowana na racjonalizację dostawy energii na wszystkie trzy rynki końcowe. Wydaje się, że najbardziej prawidłową jest definicja bezpieczeństwa energetycznego podana w ustawie Prawo energetyczne[20]. Pojęcie bezpieczeństwa elektroenergetycznego kraju jest często identyfikowane z pojęciem niezawodności systemu elektroenergetycznego. Obydwa te pojęcia, aczkolwiek ze sobą związane, nie są jednak identyczne i wymagają uściślenia ich wzajemnego związku. Pojęcie niezawodności systemu elektroenergetycznego jest podstawową częścią pojęcia i determinantą bezpieczeństwa elektroenergetycznego kraju. Należy podkreślić różnice dzielące pojęcia: bezpieczeństwa elektroenergetycznego kraju i niezawodności systemu elektroenergetycznego. Bezpieczeństwo elektroenergetyczne jest częścią wielu innych odmian bezpieczeństwa, np.: bezpieczeństwa osobistego obywateli, bezpieczeństwa związanego z ochroną środowiska, zmianami klimatycznymi, obronnością kraju, bezpieczeństwa transportu a w jego wersji negatywnej obejmuje np. niebezpieczeństwo porażeń elektrycznych, poża-

5 Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodności systemu rów i inne, czego nie obejmuje pojęcie niezawodności(zawodności) systemu elektroenergetycznego. Ponadto bezpieczeństwo elektroenergetyczne obejmuje także elektroenergetykę(źródła) nie wchodzącą w skład systemu elektroenergetycznego. W elektroenergetyce światowej pojęcie bezpieczeństwa elektroenergetycznego jest rozumiane i definiowane podobnie jak wyżej[5]. Relatywizm w rozumieniu tego pojęcia wynika z wprowadzanego w wielu krajach(w ostatnich dwóch dziesięcioleciach) rynku energii elektrycznej. Definicje zależą od przyjętych priorytetów. Wydaje się uzasadnione następujące stwierdzenie: w obecnym, konkurencyjnym otoczeniu, niezawodna dostawa oznacza dostarczanie energii elektrycznej do punktów przyłączenia odbiorców(klientów) w postaci odpowiedniej do zasilania urządzeń elektrycznych odbiorców i realizacji u nich procesów technologicznych, zgodnie z wymaganiami eksploatacyjnymi [13]. W takim ujęciu mieści się, zarówno to, co tradycyjnie było rozumiane pod pojęciem niezawodności dostawy, jak też to, co kryło się pod pojęciem jakości energii elektrycznej[15]. Właściwe jest zatem mówienie o jakości dostaw energii elektrycznej[13, 14, 24], jakości zasilania energią elektryczną, czy też o jakości zaopatrywania odbiorców w energię elektryczną. Problem jakości zaopatrywania odbiorców w energię elektryczną można podzielić na trzy zagadnienia: Jakość dostarczanej energii elektrycznej(jakość napięcia). Niezawodność dostawy energii elektrycznej(niezawodność-ciągłość zasilania). Jakość obsługi odbiorcy(klienta). Zgodnie z rozporządzeniem systemowym jakość energii elektrycznej jest identyfikowana przez parametry napięcia: częstotliwość, poziom napięcia, kształt krzywej. W normie[15] natomiast definiuje się i opisuje charakterystyki napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych, dotyczące: częstotliwości, wartości, kształtu przebiegu czasowego, symetrii napięć w układzie trójfazowym. Nie może być ona zatem odczytywana jako zbiór wartości parametrów energii elektrycznej, jakie powinny być gwarantowane przez dostawcę w stosunku do odbiorców. W[9] przytoczono szereg definicji jakości energii elektrycznej, a za jedną z bardziej trafnych uznano następującą: jakość energii elektrycznej to zbiór parametrów opisujących właściwości procesu dostarczania energii do użytkownika w normalnych warunkach pracy, określających ciągłość zasilania(długie i krótkie przerwy w zasilaniu) oraz charakteryzujących napięcie zasilające(wartość, niesymetrię, częstotliwość, kształt przebiegu czasowego). Można by się z powyższym zgodzić gdyby mówić o jakości zasilania energią elektryczną, a nie o jakości energii.

6 52 J.Paska,G.J.AndersiA.Kłos Jakość obsługi odbiorców(klientów) obejmuje handlowe(ale nie tylko) zależności między dostawcą a odbiorcą(użytkownikiem) energii elektrycznej, regulacje prawne określające standardy traktowania i obsługi odbiorców(w szczególności drobnych), aż po bieżącą praktykę załatwiania skarg i reklamacji. O jakości zasilania energią elektryczną, a zatem o niezawodności dostawy energii elektrycznej i w dużym stopniu o jej jakości decyduje niezawodność urządzeń i układów służących wytwarzaniu, przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej niezawodność systemu elektroenergetycznego. Włączanie niezawodności dostawy do cech jakościowych energii elektrycznej a zatem utożsamianie jakości energii z jakością zasilania jest błędne, ponieważ czym innym jest proces dostarczania towaru (energii elektrycznej), charakteryzowany przez jakość jego realizacji niezawodność; a czym innym są istotne parametry tego towaru, określające przez swoje wartości jego jakość jakość energii elektrycznej. Reasumując, Autorzy za prawidłowe uważają następujące definicje: Bezpieczeństwo energetyczne stan gospodarki umożliwiający pokrycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na paliwa i energię w sposób technicznie i ekonomicznie uzasadniony, przy zachowaniu wymagań ochrony środowiska. Bezpieczeństwo elektroenergetyczne stan gospodarki umożliwiający pokrycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na energię elektryczną w sposób technicznie i ekonomicznie uzasadniony, przy zachowaniu wymagań ochrony środowiska. Niezawodność systemu elektroenergetycznego pojęcie ogólne obejmujące wszystkie miary zdolności systemu, wyrażone przez wskaźniki ilościowe, do dostarczania energii elektrycznej do wszystkich punktów zapotrzebowania w wymaganej ilości, przy zachowaniu akceptowalnych standardów jakości. Niezawodność złożonego(obejmującego wytwarzanie i przesył) systemu elektroenergetycznego może być opisana za pomocą dwóch podstawowych atrybutów funkcjonalnych wystarczalności i bezpieczeństwa. Wystarczalność systemu elektroenergetycznego jest to zdolność systemu do pokrycia zagregowanego zapotrzebowania na moc i energię elektryczną odbiorców(klientów) bez przekroczenia dopuszczalnych obciążalności elementów oraz poziomów napięć, biorąc pod uwagę planowane i nieplanowane postoje(wyłączenia, odstawienia) elementów.

7 Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodności systemu Bezpieczeństwo systemuelektroenergetycznego jesttozdolnośćsystemu do zachowania integralności i przeciwstawiania się nagłym zakłóceniom, jak zwarcia lub nieoczekiwane wypadnięcia z pracy elementów lub zmiany obciążenia systemu, wraz z ograniczeniami operacyjnymi. Jakość energii elektrycznej(jakość napięcia) zbiór parametrów charakteryzujących napięcie zasilające(wartość, niesymetrię, częstotliwość, kształt przebiegu czasowego). 3 Klasyfikacja stanów system elektroenergetycznego Pierwsza próba klasyfikacji stanów systemu elektroenergetycznego została opublikowana przez Finka i Carlsena[7] w 1978 r. Definicje te były kilkakrotnie modyfikowane[2], ale z grubsza wyglądały jak pokazano na rys. 1[4]. Każdy z tych stanów może reprezentować dużą różnorodność sytuacji. Rysunek 1. Stany w procesie działania(funkcjonowania) systemu elektroenergetycznego[4] W stanie podstawowym normalnym(normal state) żadna z prawdopodobnych awarii nie powinna spowodować problemu w pracy systemu(awaria krótkotrwała lub długotrwała). Wyłączenie może prowadzić do innego normalnego stanu działania lub może spowodować przejście systemu do stanu pogotowia(alert Ewentualniedlauniknięciakoincydencjizpojęciembezpieczeństwaenergetycznego(elektroenergetycznego) można używać określenia niezawodność operacyjna systemu elektroenergetycznego(operational reliability), podobnie jak to robi w niektórych swoich publikacjach NERC (North American Electric Reliability Corporation).

8 54 J.Paska,G.J.AndersiA.Kłos state). Wtedy system jest w pełni operatywny ale dalsze wyłączenia mogą spowodować problemy w systemie. Taki problem przeniósł by system do jednego ze stanów zagrożenia(emergency state). W krótkotrwałym(chwilowym) stanie zagrożenia(temporary emergency state), działania podjęte przez operatora mogą zlikwidować niedopuszczalne przeciążenia w liniach przesyłowych lub niedopuszczalne wartości napięcia i system wróciłby albo do stanu pogotowia lub nawet do stanu podstawowego. Niestety, w wielu przypadkach jedynym działaniem, które przywróci przepływy w liniach lub napięcia w węzłach(na szynach) do dopuszczalnych granic jest odłączenie niektórych węzłów odbiorczych od systemu. Akcja taka przesuwa system do stanu kontrolowanego zagrożenia(controlled emergency state). Ten sam stan może być również osiągnięty z innego stanu pogotowia, jeśli wyłączenie spowoduje odcięcie zasilania odbiorców(klientów) bez interwencji operatora przy zachowaniu integralności systemu(kontynuacja przesyłu energii do sąsiednich regionów). Innego typu wyłączenia w stanie pogotowia mogą przenieść system do stanu poważnego zagrożenia(extreme emergency) gdy stabilność i integralność systemu jest zagrożona. W latach 90-tych XX-go wieku Billinton i jego współpracownicy zaproponowali uproszczony model procesu z rys. 1, który był oparty na pojęciu zdrowia systemu(system health)[1, 3], jak pokazano na rys. 2. Zależność pomiędzy oboma modelami wydaje się być oczywista; stan normalny i stan zdrowia są równoważne i podobnie ma się sprawa ze stanami pogotowia i granicznym(marginal state) orazzagrożeniairyzyka(atriskstate)zrys.2.modeltenmożebyćwykorzystany do oceny(obliczania) wystarczalności(adequacy) systemu z użyciem metod deterministycznych lub probabilistycznych. Rysunek 2. Stany systemu elektroenergetycznego według koncepcji zdrowia systemu[3]

9 Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodności systemu Pojęcia bezpieczeństwa i niezawodności systemu elektroenergetycznego w horyzontach czasowych W systemie elektroenergetycznym zachodzą zjawiska i procesy o różnych przyczynach, charakterze i czasie trwania. Mamy tutaj do czynienia ze zjawiskami i stanami przejściowymi, reakcjami systemu na zakłócenia, działaniami automatyki systemowej, reakcjami i zamierzonymi akcjami operatora, ustalonymi stanami pracy normalnej systemu, ustalonymi stanami zakłóceniowymi, planowaniem pracy(ruchu) systemu oraz planowaniem jego rozwoju. Granice czasowe pomiędzynimisąumowne pewnąpróbępodziałuprzedstawiononarys.3. W praktyce krajowej z Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej wynika, że: Operator systemu przesyłowego corocznie opracowuje(lub aktualizuje) plan rozwoju, na 15-letni okres planowania, w zakresie zaspokojenia obecnego i przyszłego zapotrzebowania na energię elektryczną, oraz współpracuje z operatorami systemów dystrybucyjnych w celu skoordynowania rozwoju sieci przesyłowej i sieci dystrybucyjnej 110 kv. Plan rozwoju stanowi podstawę do opracowania średniookresowego 5-letniego planu inwestycji w zakresie rozbudowy sieci przesyłowej. Operator systemu przesyłowego sporządza dwa plany inwestycji rzeczowych w majątek sieci przesyłowej: plan pięcioletni, zwany średniookresowym planem inwestycji, plan roczny, zwany operacyjnym planem inwestycji. Operator systemu przesyłowego realizuje planowanie koordynacyjne w KSE poprzez opracowywanie i udostępnianie: planów koordynacyjnych, bilansów techniczno-handlowych. Badania(analizy) niezawodności systemu elektroenergetycznego(wystarczalności i bezpieczeństwa) spełniają różną rolę w zależności od tego czy są podejmowane dla celów operacyjnych, czy też przy planowaniu rozwoju systemu. W ostatnich 10-ciu latach naukowcy doszli do przekonania, że badanie niezawodności musi obejmować, zarówno długoterminowe, jak i krótkoterminowe efekty awarii. Innymi słowy, badania wystarczalności(adequacy) powinny być połączone z badaniami bezpieczeństwa(security). To doprowadziło do próby przedefi-

10 56 J.Paska,G.J.AndersiA.Kłos Rysunek 3. Horyzonty czasowe zjawisk, stanów i procesów systemu elektroenergetycznego niowania stanów systemu. Pierwszy schemat łączący te zagadnienia opublikowano w[12]. Nieco zmodyfikowaną wersję, zaczerpniętą z[9], pokazano na rys. 4. Stan ustalony stabilny(stable state) to stan, który przy braku bodźców zewnętrznych, utrzymuje się, lub gdy bodźce są niewielkie wraca do stanu początkowego[10]. Stan normalny(normal state) jest zdefiniowany podobnie jak poprzednio; co odnosi się również do stanu pogotowia(alert state) z tym, że stan ten jest podzielony na trzy podstany: awaria może doprowadzić do przekroczenia granic wystarczalności(adequacy), może doprowadzić do przekroczenia ograniczeń związanych z bezpieczeństwem(security), lub awaria może doprowadzić do przekroczenia obu rodzajów ograniczeń. Stany wystarczalności(adequate state), czy to normalny czy też stan pogotowia są tak nazwane bo reprezentują sytuacje, w których wszyscy odbiorcy(klienci) mają dostęp do energii i elementy systemu nie są poddane przekroczeniom ponad te, które są dozwolone. Definicja ta jest niezbyt fortunna, ponieważ nie odpowiada dokładnie definicji wystarczalności systemu(system adequacy) podanej wcześniej, która jest bardziej restrykcyjna i jest stosowana w procesie planowania systemu; dlatego też należy zawsze jasno określić czy w dyskusji jest mowa o stanie wystarczalności czy o wystarczalności systemu.

11 Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodności systemu Rysunek 4. Stany systemu elektroenergetycznego łączące pojęcia wystarczalności i bezpieczeństwa[4] Wyrażenie zagrożenie wystarczalności (adequacy violation) oznacza, że awaria urządzenia(lub wzrost obciążenia systemu) przeniosła system ze stanu wystarczalności do stanu niewystarczalności. W stanie niewystarczalności jedno lub więcej kryteriów stanu normalnego nie są spełnione. Dla uproszczenia, w celu ilustracji możliwych konsekwencji awarii(poruszanie sięnaprawolubwdół),skonstruowanorys.5[6],naktórympominiętomożliwe konsekwencje czynności podjętych przez operatora. Tak więc stan kontrolowanego zagrożenia z rys. 1(również nazwany częściowo dobrym stanem[10]), który jak podano wyżej może być osiągnięty z tymczasowego(chwilowego) stanu zagrożenia poprzez interwencję operatora, nie jest pokazany. Należy zauważyć, że częściowo dobry stan(controlled emergency) to taki, w którym nie wszędzie jest dostarczana energia, ale obciążenia wszystkich elementów, jak i wszystkie napięcia są w przepisanych granicach. Stany pogotowia (alert states) mogą również istnieć w obszarach częściowo dobrym i częściowo niedobrym(rys. 5); w tych stanach niektóre prawdopodobne awarie spowodują dalszą degradację systemu(powodując np. niestabilność). Stany stabilne są również bezpieczne(secure) jeśli nie są stanami pogotowia; lub, bardziej ogólnie, jeśli żadna prawdopodobna awaria nie może spowodować, że system będzie w gorszym stanie niż przed awarią. Stan normalny to taki, który jest zarówno bezpieczny jak i wystarczalny(adequate). Kwadrat w centralnej części rys. 5 reprezentuje stany największego zagrożenia[6].

12 58 J.Paska,G.J.AndersiA.Kłos Rysunek 5. Zależności pomiędzy stanami operacyjnymi systemu elektroenergetycznego(strzałki pokazują najważniejsze zmiany spowodowane prawdopodobnymi awariami) 5 Związek stanów systemu elektroenergetycznego, horyzontów czasowych oraz miar i kryteriów niezawodnościowych Badanie(ocena i analiza) niezawodności systemu elektroenergetycznego może odnosić się do przeszłości(jest dokonywane ex post) lub do przyszłości(jest to wówczas niezawodność prognozowana). W obu sytuacjach wyznacza się wartości odpowiednich miar ilościowych niezawodności wskaźników niezawodności. Warto podkreślić, że ocena niezawodności systemu elektroenergetycznego dla przeszłości odnosi się do jej obu aspektów wystarczalności i bezpieczeństwa(niezawodności operacyjnej), natomiast analiza i ocena niezawodności dla przyszłości, z uwagi na ograniczenia stosowanych modeli i metod, jest zwykle zawężona do aspektu wystarczalności. Istotne jest by w analizach ex post i w prognozach używać tych samych(a co najmniej spójnych) zestawów wskaźników niezawodności. W zależności od zakresu badań, analiza niezawodności wymaga odwzorowania kompletnego, operacyjnego zachowania się systemu, do pewnego stopnia uwzględ-

13 Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodności systemu niając działania, ręczne lub automatyczne, podjęte w odpowiedzi na awarie urządzeń. Dlatego też analiza niezawodności jest o wiele bardziej wyrafinowanym zadaniem w porównaniu z konwencjonalną metodą analizy rozpływu mocy dla kryterium N 1. Potrzebne są odpowiednie modele reprezentujące elementy i system. Potrzebujemy również narzędzi obliczeniowych i danych do przeprowadzenia obliczeń wykorzystujących wspomniane modele i wskaźniki, a także wskaźników i metod pozwalających na wykorzystanie wyników tych modeli i metod do odpowiednich zastosowań praktycznych[22, 23, 28]. W[13, 14] wymieniono i opisano wskaźniki niezawodności stosowane w praktyce międzynarodowej do analizy i oceny niezawodności systemu elektroenergetycznego na różnych poziomach hierarchicznych. W Polsce dopiero ostatnie rozporządzenie Ministra Gospodarki z 2007 roku, zwane rozporządzeniem systemowym wprowadza pewien postęp w tym zakresie. Nowe regulacje zobowiązują operatorów systemów sieciowych(przesyłowego i dystrybucyjnych) do podawania do publicznej wiadomości na swoich stronach internetowych wartości wskaźników dotyczących przerw w dostarczaniu energii elektrycznej. W rozporządzeniu systemowym[21] zamieszczono pięć wskaźników dotyczących przerw w dostarczaniu energii elektrycznej. Zostały one zaczerpnięte z dużego zbioru, rekomendowanego do praktycznego stosowania przez międzynarodową grupę roboczą C 4.07 CIGRE/CIRED[17]. W przypadku systemów dystrybucyjnych wymieniona grupa zaleca określanie wskaźników przerw na podstawie dokumentu IEEE Std. 1366[11]. Analizując definicje wskaźników zamieszczonych w rozporządzeniu systemowym, zauważa się potrzebę dokonania w nich uzupełnień oraz wyeliminowania niejasności. Dziwi zdecydowanie bardziej łagodne potraktowanie operatorów systemów dystrybucyjnych. 5.1 Kryteria i miary deterministyczne Przy badaniach deterministycznych przedsiębiorstwa elektroenergetyczne stosująkryteriumn 1.OdnosisięonodosystemuskładającegosięzNurządzeń albo pracujących albo gotowych do pracy i przy założeniu, że całe zapotrzebowanie na moc systemu jest zaspokojone(base case). Definicja przypadku bazowego obejmuje zarówno elementy systemu jak i jego profil(patern) obciążenia. Kryterium to głosi, że system jest wystarczalny jeśli po usunięciu jakiego elementu całe zapotrzebowanie na moc(obciążenie) jest zaspokojone przy przypływach mocy i napięciach w określonych granicach. W odniesieniu do definicji stanu systemu: System jest wystarczalny jeśli przypadek bazowy jest zdrowy, biorąc pod

14 60 J.Paska,G.J.AndersiA.Kłos uwagę możliwość wyłączeń niektórych podstawowych elementów(pojedynczo). To proste kryterium było używane przez dziesiątki lat przez przedsiębiorstwa elektroenergetyczne na całym świecie. 5.2 Kryteria i miary probabilistyczne Przy badaniach probabilistycznych używa się wskaźników liczbowych i to czy system jest w stanie wystarczalności(adequate), czy też nie, zależy od wartości granicznych przypisanych tym wskaźnikom. Kryteria probabilistyczne wymagają znacznie bardziej skomplikowanej analizy, ale z drugiej strony, rezultaty są bardziej precyzyjne[23]. 6 Zamiast podsumowania badania niezawodności systemu elektroenergetycznego w warunkach liberalizacji i konkurencji Ponieważ decentralizacja systemów elektroenergetycznych postępuje, należy przypuszczać, że badania niezawodności systemów elektroenergetycznych(w szczególności systemów przesyłowych) również zmienią swój charakter. O ile w systemie, który był zarządzany centralnie jednostka zajmująca się planowaniem systemu była odpowiedzialna za badania niezawodnościowe, o tyle w systemach zdencentralizowanych inwestycje w obiekty do produkcji i/lub przesyłu energii elektrycznej są motywowane aspektami rynkowymi i niezawodność systemu nie jest bezpośrednio brana pod uwagę pośrednio, zmniejszenie niezawodności systemu może spowodować wzrost cen energii(wytwarzania lub w węzłach systemu) i byłby to bodziec do inwestycji w jednostki wytwórcze i/lub elementy sieci przesyłowej. Już obecnie badanie niezawodności systemów przesyłowych jest, i przypuszczalnie w przyszłości będzie, domeną operatorów sieci i w mniejszym stopniu właścicieli infrastruktury przesyłowej. Definicja wystarczalności(adequacy) systemu przesyłowego może również ulec zmianie. Endrenyi i Wellsow[6] zaproponowali następującą definicję: 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. Tak więc niezawodność systemu przesyłowego nie jest już wyłącznie funkcją struktury sieci, zdolności wytwórczej jednostek generacyjnych i obciążeń do niej

15 Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodności systemu bezpośrednio przyłączonych, ale również funkcją zmian w przesyle mocy i energii spowodowanych zobowiązaniami kontraktowymi. Sieci elektroenergetyczne będą zobowiązane(w wielu krajach już są) do zapewnienia przepływu energii pomiędzy graczami z poza granic kraju lub regionu. Również budowa nowych elektrowni poza sferą działania przedsiębiorstwa będzie miała duży wpływ na rzeczywistą niezawodność systemu elektroenergetycznego. Także dotychczasowe kryteria deterministyczne(kryterium N 1) nie będą już miały zastosowania i kryteria probabilistyczne będą prawdopodobnie podstawowymi kryteriami dla nowych inwestycji sieciowych. Klasyfikacja i definicje stanów operacyjnych pozostaną prawdopodobnie niezmienione. Jednak definicje stanów awaryjnych mogą ulec zmianie. Stan, który jest wystarczalny dla jednego typu obciążenia może stać się stanem pogotowia przy innym typie spowodowanym przepływami w sieci poza kontrolą jej operatora. W niektórych krajach już istnieje potrzeba zgłaszania przez kontrahentów kupujących lub sprzedających energię elektryczną możliwości powstania przepływów przez sieć poza terenami transakcji. Badania niezawodności sieci będą musiały uwzględnić mechanizmy rynkowe, których modelowanie jest nowym wyzwaniem dla specjalistów od badania niezawodności systemów elektroenergetycznych. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako PBZ-MEiN-1/2/2006 Bezpieczeństwo elektroenergetyczne kraju. Pracawpłynęładoredakcjiwmarcu2009r. Literatura [1] Billinton R., Fotuhi-Firuzabad M.: A basic framework for generating system operating health analysis. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 9, No. 3, [2] Billinton R., Khan E.: A security based approach to composite power system reliability evaluation. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 7, No. 1, [3] Billinton R., Lian G.: Composite power system health analysis using a security constrained adequacy evaluation procedure. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 9, No. 2, [4] CIGRE TF (Marceau R.J., Endrenyi J.): Power System Security Assessment: A Position Paper. Electra, No. 175, [5] Directive 2005/89/EC of the European Parliament and of the Council of 18 January 2006 concerning measures to safeguard security of electricity supply and infrastructure investment. Official Journal of the European Union. L 33/ [6] Endrenyi J., Wellsow W.H.: Power system reliability in terms of the system operating states PowerTech Conference, Porto, Portugal. [7] Fink L.H., Carlsen K.: Operating under stress and strain. IEEE Spectrum, Vol. 15, 1978.

16 62 J.Paska,G.J.AndersiA.Kłos [8] Glossary of Terms Used in Reliability Standards. NERC, May 2, [9] Hanzelka Z., Kowalski Z.: Kompatybilność elektromagnetyczna(emc) i jakość energii elektrycznej w dokumentach normalizacyjnych. Jakość i użytkowanie energii elektrycznej, t. 3, z.1,1999. [10] IEC: International Electrotechnical Vocabulary (International Standard ). Amendment 1 to Chapter 191: Dependability and quality of service, Geneva [11] IEEE Guide for Electric Power Distribution Reliability Indices. IEEE Std [12] Leite da Silva A.M., Endrenyi J., Wang L.: Integrated treatment of adequacy and security in bulk power system reliability evaluations. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 8, No.1,1993. [13] Paska J.: Niezawodność systemów elektroenergetycznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [14] Paska J.: Ocena i rozwinięcie merytoryczne definicji związanych z bezpieczeństwem systemu elektroenergetycznego. PBZ-MEiN-1/2/2006, Warszawa [15] PN-EN 50160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. [16] Popczyk J.: Opracowanie definicji związanych z bezpieczeństwem w odniesieniu do elementów systemu i jego struktury. PBZ-MEiN-1/2/2006, Gliwice [17] Power Quality Indices and Objectives. Joint Working Group CIGRE C 4.07, Final WG Report [18] Power System Reliability Analysis. Application Guide. CIGRE WG 03 of SC 38(Power system analysis and techniques), Paris [19] Power System Reliability Analysis. Composite Power System Reliability Evaluation, CIGRE Task Force , Paris [20] Prawo energetyczne. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 z późniejszymi zmianami(stan prawny na dzień ). [21] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Dz. U r. Nr 93, poz. 957; 2008 r. Nr 30, poz.178;2008r.nr162,poz [22] Singh Ch., Schwan M., Wellsow W.H.: Reliability in liberalized electric power markets from analysis to risk management survey paper. 14th Power Systems Computation Conference, Sevilla, Spain, June 24-28, [23] Sorg A., Wellsow W.H.: Valuation of planning criteria in a competitive market. Proceedings of the International Conference on Electric Utility Deregulation, Restructuring and Power Technologies(DRPT 2000), London [24] Third Benchmarking Report on Quality of Electricity Supply. Ref: C05-QOS Final Version: 6 December [25] UCTE Generation Adequacy Forecast and Retrospect Methodology. UCTE. 25 January [26] UCTE System Adequacy Methodology. UCTE. January [27] Ustawa z dnia 25 sierpnia 2006 r. o systemie monitorowania i kontrolowania jakości paliw. [28] Wang L., Endrenyi J.: Reliability techniques in large electric power systems. Chapter in Control and Dynamic Systems, Vol. 42: Analysis and Control System Techniques for Electric Power Systems, C.T. Leondes ed. Academic Press, New York 1991.

17 Pojęcia bezpieczeństwa elektroenergetycznego i niezawodności systemu Power security and electric power system reliability terms in different time horizons Summary The paper contains the trial of defining security and reliability of electric power system terms and determining relations between them and relations with time horizons, existing in electrical power engineering. The classification of electric power system states and its development as well as time horizons, in which phenomena and processes in electrical power engineering are observed, are presented in the paper. From reliability issues point of view the most important is division into operational(operators ) horizon and planning horizon and into reliability analyses and assessments concerning the past(ex post) and the future(forecasts). Also the trial of determination of relationships between power system states, time horizons and reliability measures and criteria is presented in the paper. It was underlined that reliability assessment for the past deals with two its aspects adequacy and security(operational reliability), however reliability analysis and assessment for the future, because of constraints of applied modelsandmethods,isusuallylimitedtoadequacyaspect.itisessential,inordertoinexpost analyses and forecasts, to use the same(at least coherent) sets of reliability indices.

18