Monitoring i analiza jakości energii elektrycznej w systemie przesyłowym Dr Tadeusz Szczepański Jarosław Rączka PSE-Północ SA Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia 1. Wstęp Jakość energii elektrycznej jest istotnym zagadnieniem praktycznym w systemach elektroenergetycznych na każdym poziomie napięcia. W Krajowym Systemie Elektroenergetycznym na poziomie sieci przesyłowej nabiera ona szczególnego znaczenia w aspektach technicznych [1, 12] oraz rynkowych [7, 8]. Zwłaszcza w perspektywie wyciągania konsekwencji za niedotrzymanie parametrów jakości energii zapisanych w odpowiednich aktach prawnych [9, 10]. Dla przykładu Rozporządzenie Ministra Gospodarki [9] precyzuje wymagania wobec jakości energii przez wartości graniczne kilku wskaźników jakości napięcia, ale nie podaje szczegółów odnośnie konsekwencji za niespełnienie podanych warunków. Z kolei artykuł [7] przedstawia koncepcję bonifikat dla odbiorców i mechanizm wymuszania poprawy jakości napięcia w sieciach elektroenergetycznych. Według autorów, środki na bonifikaty mają być pozyskiwane głównie z kar nakładanych na innych odbiorców, którzy pobierają energię niezgodnie z warunkami umowy. Odrębnym problemem, w aspekcie propozycji kar i bonifikat dotyczących dotrzymywania wymagań jakościowych energii, jest wskazanie elementów systemu elektroenergetycznego powodujących pogorszenie jakości energii elektrycznej lub określenie udziału kilku odbiorców (wytwórców) w pogorszeniu jakości, zwłaszcza w związku z fizyczną interpretacją mocy w układach z przebiegami niesinusoidalnymi [5]. Oczywiste jest, że w przypadku wprowadzenia kar za pogarszanie jakości energii elektrycznej niezbędna jest jednoznaczna identyfikacja winnych. Trzeba również uwzględnić uwarunkowania wynikające z rozwoju generacji rozproszonej w systemie elektroenergetycznym na niższych poziomach napięcia [3, 4]. Artykuł [6] porusza kwestię doboru środków technicznej realizacji układu zasilania w oparciu o centra sterowania jakością dla zapewnienia wymaganej jakości napięcia zasilającego w węzłach odbiorczych. Wśród środków technicznych wymienia się: aktywne układy kondycjonowania energii, energetyczne filtry aktywne, źródła rozproszone i zasobniki energii. Próba zastosowania określonych środków technicznych nie może być oderwana od realiów ekonomicznych. Należy rozpatrywać dwa zasadnicze problemy: w którym miejscu systemu instalować środki do poprawy jakości energii oraz kto zapłaci za te instalacje i związane z tym dodatkowe usługi? Problem jest aktualny i wpisuje się w działania operatorów systemów elektroenergetycznych w zakresie specjalistycznych usług eksploatacyjnych dotyczą- 96
cych monitorowania parametrów jakości energii elektrycznej w sieci. Przykładem jest uruchomienie od 1 października 2009 r. Centrum Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej w PSE-Północ [11]. Niniejszy artykuł opisuje aktualny stan systemu monitorowania jakości energii elektrycznej w sieci przesyłowej i doświadczenia zdobyte w okresie ponaddwuletniego funkcjonowania Centrum Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej w PSE-Północ. 2. Centrum Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej [11] W ramach specjalistycznych usług eksploatacyjnych PSE-Północ prowadzi dla PSE Operator prace w zakresie monitorowania parametrów jakości energii elektrycznej w sieci przesyłowej. Do świadczenia tych usług powstało Centrum Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej, które działa w siedzibie PSE-Północ od 1 października 2009 r. Centrum Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej w ramach bieżącej działalności świadczy kompleksowe usługi w zakresie monitorowania jakości energii elektrycznej, wśród których najważniejsze są: administrowanie i nadzór nad systemem monitorowania jakości energii elektrycznej wraz z jednostką centralną, pozyskiwanie i weryfikacja danych pomiarowych i prowadzenie baz danych, przeprowadzanie analiz i opracowywanie raportów z monitorowania jakości energii elektrycznej, wykonywanie pomiarów jakości energii elektrycznej z wykorzystaniem mobilnych urządzeń pomiarowych, opracowywanie specyfikacji technicznych i SIWZ dla systemu monitorowania jakości energii elektrycznej, współpraca z ośrodkami naukowo-badawczymi. 3. System monitorowania jakości energii w sieci przesyłowej zuje wartości dopuszczalne dla następujących wskaźników jakości energii elektrycznej: częstotliwość, wartość skuteczna napięcia zasilającego, wskaźnik długookresowego migotania światła Plt spowodowany wahaniami napięcia, niesymetria napięcia, współczynnik odkształcenia wyższymi harmonicznymi napięcia THD, harmoniczne napięcia. Dla wypełnienia tego obowiązku niezbędne jest monitorowanie tych parametrów w sposób ciągły w miejscach dostarczania i w wybranych punktach sieci najwyższych napięć tak, aby w przypadku przekroczenia dopuszczalnych poziomów jakości energii elektrycznej można było jednoznacznie określić przyczyny i źródła zakłóceń, kierunki ich rozprzestrzeniania i wskazać podmiot odpowiedzialny za zaistniały stan. Przeprowadzanie analiz zgromadzonych danych pomiarowych jakości energii elektrycznej pozwoli na podejmowanie odpowiednich działań naprawczych w sieci przesyłowej w sytuacjach, które tego wymagają. Stacja centralna systemu monitorowania jakości energii elektrycznej jest usytuowana w siedzibie PSE-Północ i podłączona do sieci technologicznej WindEX, posiadającej dostęp do rozległej sieci WAN BB w ramach Grupy Kapitałowej PSE Operator. Komunikacja z urządzeniami pomiarowymi jakości energii elektrycznej w stacjach elektroenergetycznych OSP odbywa się w protokole TCP/IP. W szczególnych przypadkach możliwe jest wykorzystanie innych dróg łączności, jak telefonia GSM. Konfiguracja jednostki centralnej systemu umożliwia jednoczesny dostęp do baz danych pomiarowych dla wielu użytkowników oraz pozwala w przyszłości na rozszerzenie dostępu do systemu dla użytkowników w całej Grupie Kapitałowej PSE Operator. Dane pomiarowe są gromadzone w centralnej bazie danych SQL Server. Umiejscowienie serwera jednostki centralnej systemu w strukturze teleinformatycznej przedstawia rys. 1. Na obecnym etapie budowy systemu oprogramowanie wraz z infrastrukturą łączności powinny zapewnić pozyskiwanie danych z urządzeń już zainstalowanych oraz przewidzianych do zabudowy do jednej centralnej bazy danych, z uwzględnieniem możliwości dalszej rozbudowy. System monitorowania JEE jest budowany w oparciu o urządzenia pomiarowe (analizatory) spełniające wymagania klasy A dla wszystkich Ustawa Prawo energetyczne z 10 kwietnia 1997 roku oraz Rozporządzenie Ministra Gospodarki [9], nakładają na operatora systemu przesyłowego (OSP) obowiązek dotrzymania określonych poziomów parametrów jakości energii elektrycznej. Rozporządzenie [9] precynr 1-2 (11-12) 2012 97
parametrów zgodnie z normą PN-EN 61000-4-30. Analizatory klasy A są rekomendowane do stosowania dla celów kontraktowych oraz rozstrzygania sporów pomiędzy kontrahentami. Pomiary wykonane w tym samym punkcie pomiarowym za pomocą dwóch różnych przyrządów spełniających wymagania klasy A powinny dać zbieżne wyniki mieszczące się w określonym przedziale niepewności. W początkowym okresie wdrażania systemu monitorowania w większości przypadków pomiary były wykonywane mobilnymi analizatorami jakości energii elektrycznej. Pierwsze stacjonarne urządzenia pomiarowe klasy A zostały zainstalowane w ramach modernizacji stacji Żarnowiec. Sytuacja zmieniła się radykalnie w 2011 r. i obecnie w systemie monitorowania jakości energii elektrycznej zdecydowaną większość stanowią stacjonarne urządzenia pomiarowe. W skład systemu wchodzi obecnie 58 stacjonarnych urządzeń pomiarowych, zainstalowanych na różnych poziomach napięć w 24 stacjach elektroenergetycznych, które zostały przedstawione na rys. 2. W uzasadnionych przypadkach obszar monitorowania jest okresowo rozszerzany o dodatkowe punkty pomiarowe realizowane analizatorami mobilnymi. W 2011 r. tego typu pomiary były przeprowadzone w 15 punktach pomiarowych. Miejsca monitorowania jakości energii elektrycznej są obecnie lokalizowane przede wszystkim w: obiektach, w których planowane są nowe przyłączenia lub rozbudowa istniejących przyłączeń pomiar tzw. tła w celu wydawania technicznych warunków przyłączenia, punktach przyłączenia farm wiatrowych, dla których obowiązek monitorowania jakości energii elektrycznej jest zapisany w IRiESP, innych obiektach zagrożonych zakłóceniami parametrów jakości energii elektrycznej. Monitorowanie jakości energii elektrycznej w sieci przesyłowej jest prowadzone głównie w celu: lokalizacji obszarów, w których parametry jakości energii elektrycznej są niedotrzymane, identyfikacji źródeł zakłóceń, eliminacji zidentyfikowanych zakłóceń, zapobiegania nowym źródłom zaburzeń. Dane pomiarowe jakości energii elektrycznej są analizowane w Centrum w zakresie zgodności z wymaganiami określonymi w rozporzą- Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia dzeniu [9]. Opracowane raporty z monitorowania jakości energii elektrycznej o dotrzymywaniu bądź przekroczeniu dopuszczalnych poziomów wskaźników są wykonywane w cyklach miesięcznych. Oprócz podstawowych wskaźników jakości energii elektrycznej określonych w rozporządzeniu [9] monitorowaniem objętych jest wiele innych parametrów, między innymi: zapady i wzrosty napięcia zasilającego, przerwy w zasilaniu, wartość prądu, wartości mocy czynnej i biernej, wartość współczynnika mocy. Centrum oprócz działań prowadzonych w obszarze sieci przesyłowej brało udział w innych przedsięwzięciach związanych z jakością energii elektrycznej, między innymi okresowo wykonywało pomiary w punkcie zasilania Gdańskiego Parku Naukowo-Technologicznego, który jest zasilany z sieci 15 kv lokalnego operatora systemu dystrybucyjnego. Zakres monitorowania jakości energii elektrycznej w sieci najwyższych napięć będzie dostosowywany do pojawiających się potrzeb związanych z lokalizacją źródeł zakłóceń oraz rozpoznaniem dróg rozprzestrzeniania się tych zakłóceń w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym. System zbudowany w oparciu o stacjonarne urządzenia pomiarowe będzie uzupełniany analizatorami mobilnymi. Tempo wdrażania systemu w kolejnych latach będzie uzależnione od aktualnie obowiązujących przepisów dotyczących wymagań odnośnie jakości energii elektrycznej, a co za tym idzie od przewidywanych efektów finansowych i innych korzyści, które operator systemu przesyłowego może uzyskać budując ten system. 4. Gwarantowana jakość Centrum Monitorowania Jakości Energii w sieci przesyłowej [11] Gwarancją wysokich standardów usług wykonywanych przez Centrum Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej jest wysoko wykwalifikowany personel oraz nowoczesna, technicznie zaawansowana baza systemowo-sprzętowa. Kadra Centrum to przede wszystkim pracownicy Zespołu Pomiarów komórki organizacyjnej PSE-Północ, która zatrudnia wykwalifikowanych specjalistów, z wieloletnim doświadczeniem w eksploatacji układów 98
Rys. 1. Struktura teleinformatyczna systemu monitorowania jakości energii elektrycznej [11]
Rys. 2. System monitorowania jakości energii elektrycznej w krajowej sieci przesyłowej (stan na 2012 r.)
3a 400 300 u(t) [kv] L1 L2 przebiegi napięć w węźl e A L3 200 100 0-100 -200-300 -400 0.08 0.09 0.10 0. 1 1 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 t [s] 3b 400 300 u(t) [kv] L1 L2 L3 przebiegi napięć w węźle B 200 100 0-100 -200-300 -400 0.08 0.09 0.10 0. 1 1 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 t [s] 3c 400 300 u(t) [kv] L1 L2 L3 przebiegi napięć w węźle C 200 100 0 6/5/12-100 -200-300 -400 0.08 0.09 0.10 0. 1 1 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 t [s] Rys. 3. Przebiegi napięć w trzech węzłach sieci 400 kv zsynchronizowane w czasie
Rys. 4. Przebiegi THDu w węźle A sieci 400 kv
i systemów pomiarowych energii. Specjaliści zdobywali doświadczenie i wiedzę podczas pilotażowych projektów jakości energii we współpracy z amerykańskim instytutem Electric Power Research Institute (EPRI), w trakcie kierunkowych studiów podyplomowych na Akademii Górniczo- Hutniczej oraz innych specjalistycznych szkoleń w zakresie jakości energii elektrycznej. W ramach bieżącej działalności Centrum współpracuje też z krajowymi ośrodkami naukowo-badawczymi. Wykorzystywana baza systemowo-sprzętowa jest zbudowana i systematycznie aktualizowana w oparciu o zaawansowane technicznie systemy obejmujące kilkanaście mobilnych urządzeń pomiarowych jakości energii elektrycznej, pośród których większość stanowią analizatory klasy A zgodne z normą PN-EN 61000-4-30. 5. Przykład informacji pozyskiwanych w systemie monitorowania jakości energii Monitorowanie jakości energii elektrycznej i pomiar jej parametrów zgodnie z zapisami aktów formalno-normatywnych jest zagadnieniem dość dobrze zbadanym [1]. Jednak, w kontekście propozycji karania i nagradzania za obniżenie lub poprawę jakości napięcia [7], istotna jest jednoznaczna identyfikacja obiektu wprowadzającego zakłócenia. Równie ważne jest określenie stopnia udziału kilku obiektów w pogorszeniu parametrów napięcia. Stawia to nowe wymagania dla systemów monitorowania i rejestrowania wielkości fizycznych, na podstawie których będzie można wnioskować o źródłach zaburzeń w sieciach elektroenergetycznych. Zakres działalności Centrum Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej przewiduje współpracę z ośrodkami naukowo-badawczymi. Można ją wykorzystać do rozwijania szeroko rozumianych systemów interpretacji gromadzonych informacji i optymalizacji wyboru węzłów, gdzie należy instalować analizatory i wielkości fizycznych, które mają być rejestrowane. Już teraz wiadomo, że do przeprowadzenia skutecznej analizy zjawisk w systemach elektroenergetycznych, zwłaszcza procesów przejściowych, nie wystarczą informacje o danych wielkościach fizycznych oparte na wartościach średnich. Przykładem może być nagłe obniżenie wartości skutecznej napięcia, po którym napięcie wraca do wartości początkowej lub bliskiej tej wartości, po czasie od kilku okresów do wielu sekund (definicja zapadu napięcia). Rejestrowanie wartości średnich napięcia, w przypadku zapadów o czasie trwania równym kilku okresom, nie wniesie praktycznie żadnych informacji praktycznych, które pozwolą na analizę zjawiska zapadu na tle całego systemu elektroenergetycznego. W takich przypadkach należy rejestrować przebiegi czasowe napięć i prądów w wybranych węzłach oraz w gałęziach systemu elektroenergetycznego. Wówczas możliwe jest wykorzystanie symulacji komputerowej [2] do analizowania procesów zachodzących w systemie, czego wymiernym efektem powinna być np. jednoznaczna identyfikacja źródła zaburzenia lub wprowadzenia zakłócenia. Na rys. 3 zostały przedstawione zarejestrowane przebiegi napięć w trzech węzłach sieci przesyłowej 400 kv Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. Z uwagi na ochronę danych sensytywnych, zastosowano kody zastępcze węzłów systemu. Węzły oznaczono jako A, B i C. Bardzo ważną informacją jest, że przedstawione przebiegi napięć w trzech różnych węzłach systemu są zsynchronizowane w czasie, co jest istotne z punktu widzenia wykorzystania tych przebiegów w analizach procesów przejściowych w systemie. W węźle A zarejestrowano zapad napięcia o poziomie 75% z czasem trwania 60 ms (rys. 3a). System monitorowania parametrów jakości energii elektrycznej umożliwia sprawdzenie przebiegów napięć w tym samym czasie w innych węzłach systemu elektroenergetycznego, w tym przypadku w węzłach B i C (rys. 3b i 3c). Biorąc pod uwagę zarejestrowane przebiegi innych wielkości fizycznych (np. przebiegi prądów) w tym samym czasie, można dokonać analizy bilansu mocy chwilowej. Na rys. 4 przedstawiono przebieg 10-minutowych wartości średnich THDu w węźle A systemu elektroenergetycznego. Informacje uzyskane na podstawie przebiegów uśrednionych, takich jak np. na rys. 4, uzupełnione przebiegami czasowymi (możliwy jest tryb oscyloskopowy), zsynchronizowanymi w czasie w różnych węzłach systemu, są podstawą do adekwatnej analizy zarówno procesów przejściowych, jak również do identyfikacji obiektów powodujących zakłócenia w systemie. Zgodnie z Regulaminem działania Centrum w przypadku stwierdzenia w monitorowanym obiekcie długotrwałych lub ciągłych przekroczeń dopuszczalnych parametrów jakości energii elektrycznej określonych w obowiązujących uregulowaniach, mogą być zlecane ekspertyzy do jednostek naukowo-badawczych. Operator systemu przesyłowego określa dalsze metody działania po uzyskaniu wyników ekspertyz. W razie konieczności ustalane są dodatkowe punkty pomiarowe, z których dane posłużą do pełnego wyjaśnienia przyczyn występujących zakłóceń. nr 1-2 (11-12) 2012 103
6. Podsumowanie Funkcjonujące w PSE-Północ od 1 października 2009 r. Centrum Monitorowania Jakości Energii Elektrycznej wypracowało wnioski [11] dotyczące stanu jakości energii elektrycznej w sieci przesyłowej Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. Ich wymiernym efektem było, między innymi, opisane w niniejszym artykule rozszerzenie monitorowanego obszaru sieci przesyłowej dla skuteczniejszej identyfikacji źródeł zakłóceń. Pozyskiwane obecnie dane o jakości energii elektrycznej w sieci przesyłowej pozwalają na planowanie dalszych działań rozwojowych, wśród których można wymienić: ekspercką analizę optymalizacyjną wyboru nowych węzłów, które należy monitorować w celu pełnej identyfikacji źródeł zakłóceń, określenie wielkości fizycznych, które należy rejestrować, warunków, w których należy je rejestrować oraz formy, np. przebiegi czasowe (w jakim czasie) czy wartości uśredniane (w jakim okresie uśredniania), przeprowadzenie ekspertyz, które z jednej strony wyjaśnią przyczyny i pozwolą określić metody eliminacji identyfikowanych zakłóceń i zapobiegania ich powstawaniu, z drugiej jednoznacznie pozwolą określać udział poszczególnych obiektów we wprowadzaniu zakłóceń do sieci, kontynuowanie prowadzonych pomiarów jakości energii elektrycznej, szczególnie w obszarach sieci, w których stwierdzono nieprawidłowości. Literatura [1] Bułat G.: Analiza jakości energii elektrycznej technologia ION firmy Schneider, Elektroenergetyka Współczesność i Rozwój, Nr 4(10), 2011, str. 77-83. [2] Cieślik S.: Digital Simulators as an Assessment Tool of the Impact of Distributed Generation on Power Grid Infrastructure, Electrical Review, Vol. 86, No. 8, 2010, pp. 253-260. [3] Cieślik S.: Przyłączanie jednostek wytwórczych do elektroenergetycznej linii średniego napięcia jako zagadnienie optymalizacyjne, Rynek Energii, Nr 1 (92) 2011, str. 15-21. [4] Cieślik S., Siegert J.: Generacja rozproszona w elektroenergetycznych sieciach dystrybucyjnych wczoraj dziś jutro, Rynek Energii, Nr I (VI) 2011, str. 82-87. [5] Czarnecki L.S.: Moce w obwodach elektrycznych z niesinusoidalnymi przebiegami prądów i napięć, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2005. Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia [6] Firlit A.: Ciągły monitoring i analiza jakości energii elektrycznej, Elektroenergetyka Współczesność i Rozwój, Nr 4(10), 2011, str. 62-76. [7] Hanzelka Z., Błajszczak G.: Bonifikaty za obniżoną jakość napięcia koncepcja rozwiązań taryfowych, Rynek Energii, Nr 4(95)/2011, str. 76-82. [8] Witek B.: Sterowanie jakością energii elektrycznej w warunkach rynkowych. Wybrane zagadnienia techniczne, Rynek Energii, VI (2011), nr I, str. 185-190. [9] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r., Dziennik Ustaw Nr 93 z dnia 29 maja 2007 r., w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu energetycznego. [10] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 2 lipca 2007 r., w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną. [11] Szczepański T., Rączka J.: Monitorowanie jakości energii elektrycznej w sieci przesyłowej, Elektroenergetyka Współczesność i Rozwój, nr 1(7), 2011, str. 57-64. [12] Zajczyk R., Szczeciński P.: Wpływ układu kompensacji prądowej na pracę generatora przy zmianach napięcia w KSE, Acta Energetica, 02/2010, str. 77-83. Dr inż. Tadeusz Szczepański, od 2001 r. Prezes Zarządu PSE-Północ SA. Absolwent Wydziału Telekomunikacji i Elektrotechniki Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy (1976), Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej studia magisterskie (1980) i Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdañskiej doktor nauk technicznych (2012). Ukończył także specjalność energetyka jądrowa na Wydziale Mechanicznym, Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej (1984), kierunek menedżerski w Kolegium Zarządzania i Finansów Szkoły Głównej Handlowej w Warszawie (1998), studia podyplomowe z zakresu zarządzania spółką na rynku Unii Europejskiej w Kolegium Gospodarki Światowej SGH (2003). Jest działaczem i rzeczoznawcą SEP, a od 2006 r. prezesem Zarządu Oddziału Bydgoskiego SEP. Jest autorem 16 publikacji z zakresu sieci elektroenergetycznych. Mgr inż. Jarosław Rączka, kierownik Zespołu Pomiarów w PSE-Północ SA Absolwent Wydziału Telekomunikacji i Elektrotechniki Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy (1994), studia podyplomowe Sieci elektroenergetyczne w gospodarce rynkowej na Politechnice Warszawskiej (1997). Od 1994 roku związany z energetyką krajową, jako pracownik PSE SA Oddział Bydgoszcz na stanowisku inżyniera ds. pomiarów (1994-1997), PSE Północ Sp. z o.o. (później PSE-Północ SA) jako specjalista ds. pomiarów (1998-2003), specjalista koordynator ds. pomiarów (2004-2009), a od roku 2010 kierownik Zespołu Pomiarów. Zajmuje się zagadnieniami związanymi z systemami pomiarowymi energii i jakości energii elektrycznej oraz prowadzeniem usług w zakresie obsługi rynku energii. 104