KONTROLA PRACY MAŁYCH ŹRÓDEŁ ENERGII ELEKTRYCZNEJ W SIE- CI NISKIEGO NAPIĘCIA Autor: Robert Jędrychowski ( Rynek Energii nr 1/2013) Słowa kluczowe: komunikacja, systemy SCADA, mikroźródło, Smart Grid Streszczenie. Celem referatu jest zaprezentowanie rozwiązań z zakresu kontroli i zarządzania pracą źródeł energii elektrycznej o małej mocy oferowanych przez ich wytwórców, a także nakreślenie kierunków ich dalszego rozwoju w oparciu o założenia przyjęte dla Smart Grid. Rozwój technologii wytwarzania energii elektrycznej oraz przewidywane zmiany w prawie energetycznym sprawiają, że coraz więcej osób prywatnych i niewielkich przedsiębiorstw rozważa zainstalowanie lokalnego źródła energii przyłączonego bezpośrednio do własnej instalacji odbiorczej. Źródło to traktowane jest często jako sposób na ograniczenie kosztów zakupu energii elektrycznej, choć niekiedy ilość wytwarzanej energii może przekraczać indywidualne potrzeby właściciela. W takiej sytuacji oddziaływanie źródła wykracza poza instalacje lokalnego odbiorcy. Praca źródła w sieci niskiego napięcia wymaga spełnienia szeregu wymagań technicznych stawianych przez właściciela, operatora sieci i prawo energetyczne. Wymagania te decydują o wyborze systemu umożliwiającego kontrolę pracy małego źródła. W artykule zaprezentowane zostały cechy oraz możliwości techniczne systemów kontroli i sterowania pracą źródeł o małej mocy przyłączonych do sieci niskiego napięcia. Przedstawiono również oczekiwania operatora sieci wobec takich systemów, a także oczekiwania stawiane w ramach projektów Smart Grid. Zaprezentowano rozwiązania techniczne oferowane przez współczesne systemy oraz rozwiązania możliwe do stosowania w przyszłości. 1. WSTĘP Rozwój techniczny źródeł energii elektrycznej małej mocy pracujących w sieciach niskiego napięcia oraz coraz niższa ich cena sprawia, że stają się one atrakcyjnym sposobem zasilania dla odbiorców energii elektrycznej. Nie tylko cena decyduje jednak o chęci ich stosowania. Wpływają na to takie czynniki jak chęć wykorzystania dostępnych surowców traktowanych wcześniej jako odpad, łatwiejsze (w porównaniu z jednostkami dużej mocy) pod względem prawnym uzyskanie niezbędnych zezwoleń, zapowiadane zmiany w prawie energetycznym, czy możliwość dofinansowania inwestycji ze środków zewnętrznych. Czynniki te sprawiają, że dotychczasowi odbiorcy stają się prosumentami, a ilość produkowanej przez nich energii coraz częściej przekracza ich zapotrzebowanie. Nie stanowi to problemu przy współpracy pojedynczego źródła z siecią nn, jednak gdy źródeł takich będzie więcej lub gdy moc źródeł będzie duża będzie zachodzić konieczność kontroli ich pracy. Kontrolę, powinien zapewnić system sterowania pracą źródła współpracujący z układem pomiaroworozliczeniowym oraz automatyką zabezpieczeniową. System taki może mieć różne funkcje w zależności od potrzeb użytkownika oraz warunków stawianych przez operatora sieci. System kontroli może być zakupiony wraz ze źródłem energii lub niezależnie od niego oferując różne funkcjonalności techniczne.
Inwestor ma wiec do dyspozycji proste systemy zarządzania i kontroli oferujące podstawowe funkcje wymagane dla źródła jak również systemy rozbudowane pozwalające na zarządzanie pracą wielu źródeł, oferujące możliwość wymiany danych z wykorzystaniem różnych łączy komunikacyjnych i technologii transmisji. Dla systemów tych punktem odniesienia i sposobem ich oceny może być Smart Grid. Sieć inteligentna i stawiane przed nią wymagania zakłada współpracę systemów sterowania źródła z systemami sterowania i nadzoru (SSiN) operatorów sieci elektroenergetycznej. Rys. 1. Mała elektrownia fotowoltaiczna na terenie Lubelszczyzny 2. WYMAGANIA PRZYŁĄCZENIOWE DLA ŹRÓDEŁ MAŁEJ MOCY Za małe źródła uważane są źródła energii o niewielkiej mocy w granicach od 1 do 500 kw przyłączonych do sieci niskiego napięcia [6]. Niekiedy stosowany jest dokładniejszy ich podział na mikroźródła o mocy od 1 do 50 kw oraz miniźródła o mocy od 50 do 500 kw. Do najczęściej stosowanych rodzajów źródeł małej mocy należą [2]: elektrownie wodne, silniki Diesla, silniki i turbiny gazowe (w tym biogazowe), elektrownie wiatrowe, elektrownie fotowoltaiczne. Wszystkie źródła energii, w tym również te o niewielkiej mocy muszą spełniać wymagania stawiane przez regulacje prawne. Wymagania te zawarte w prawie energetycznym i rozporządzeniu Ministra Gospodarki, są następnie stosowane i uszczegóławiane w Instrukcjach Ruchu i Eksploatacji Operatorów Sieci Dystrybucyjnej. Dodatkowo wymagane jest spełnienie przepisów i uzyskanie niezbędnych zezwoleń wynikających z prawa budowlanego.
Rys. 2. Schemat przyłączenia instalacji prosumenta W warunkach przyłączenia wydawanych przez OSD dla każdej inwestycji przyłączanej do sieci nn definiowany jest zakres niezbędnych zmian, które należy wykonać w sieci nn oraz w instalacji elektrycznej prosumenta (rys. 2). Zmiany te mogą obejmować takie działania jak: modernizacja rozdzielnicy stacji transformatorowej SN/nN, wykonanie lub modernizacja złącza na granicy posesji, wykonanie lub modernizacja przyłącza, modernizacja instalacji odbiorczej. Szczególnie dużą uwagę w warunkach przyłączeniowych przykłada się do realizacji układu pomiaroworozliczeniowego oraz prawidłowo wykonanych zabezpieczeń elektroenergetycznych. Układ pomiarowo-rozliczeniowy w zależności od mocy źródła może zawierać dwa liczniki energii oraz opcjonalnie przekładniki prądowe. Przekładniki prądowe niezbędne przy pomiarze półpośrednim muszą spełniać wymagania co do klasy dokładności, zakresu prądów oraz współczynnika bezpieczeństwa. Dużą wagę przykłada się do liczników energii, pierwszy z nich powinien być czterokwadrantowym licznikiem pozwalającym na dwukierunkowy pomiar energii biernej i czynnej z możliwością rejestracji profilu obciążenia. Drugi z liczników jest przystosowany do jednokierunkowego pomiaru energii i wykorzystywany jest dla potrzeb wydawania świadectwa pochodzenia. Dodatkowo dla obu liczników wymagane jest przystosowanie ich do zdalnego odczytu, również przez OSD (rys. 3). Drugim elementem jest układ zabezpieczeń. Wymagane jest zabezpieczenie podstawowe jednostek wytwórczych oraz niezależne zabezpieczenie dodatkowe. W sieciach nn, gdy nie przewiduje się pracy wyspowej źródła zabezpieczenia te mogą stanowić jedną całość i działać na łącznik sprzęgający z siecią. Zabezpieczenie podstawowe powinno zapewniać ochronę przed przeciążeniami i zwarciami wyłączając jednostkę wytwórczą z ruchu. Zabezpieczenie dodatkowe w większości przypadków współpracuję z układem przekształtnikowym może zawierać:
zabezpieczenia pod- i nadnapięciowe, zabezpieczenia częstotliwościowe, zabezpieczenia kontrolujące parametry jakości energii. Rys. 3. Układ wewnętrznej instalacji prosumenta 3. KONTROLA PRACY ŹRÓDEŁ Jednym z podstawowych celów budowania małych źródeł energii jest chęć ograniczenia kosztów zakupu energii elektrycznej oraz możliwego potencjalnego zarobku na jej sprzedaży do sieci elektroenergetycznej. Aby osiągnąć te cele niezbędny jest system monitorowania i zarządzania pracą źródła. Może on przybierać różne postacie, zależnie od potrzeb i możliwości inwestora: układ prosty, przeznaczony do zarządzania pracą pojedynczych źródeł energii, często jednocześnie nadzorujący pracę źródła i przekształtnika, układ rozszerzony, przeznaczony zarządzania pracą wielu źródeł przyłączonych w jednym punkcie sieci, układ złożony, pozwalający na zarządzanie pracą wielu źródeł przyłączonych w różnych punktach sieci elektroenergetycznej. Na przykładzie systemów zarządzania farmami fotowoltaicznymi oferowanymi na rynku przedstawić można przykładowe cechy takich instalacji [8], [9]. W pracy układu prostego od modułu zarządzania wymaga się następujących funkcji:
prosta instalacja i obsługa, akwizycja danych pomiarowych, prezentacja wyników w formie graficznej, przesyłanie komunikatów alarmowych, możliwość uproszczonego prognozowania, komunikacja lokalna, w tym bezprzewodowa, możliwość zmiany konfiguracji i oprogramowania. W przypadku układu rozszerzonego muszą być spełnione: wszystkie wymienione dla układu prostego, współpraca z wieloma inwerterami niekiedy różnych producentów, monitorowanie dla poszczególnych źródeł, porównywanie danych z różnych źródeł, sterowanie pracą wybranych odbiorników energii w instalacji odbiorczej, diagnostyka. W układzie złożonym spełnione muszą być warunki: wszystkie wymienione dla układu rozszerzonego, graficzna prezentacja wyników w różnych środowiskach, optymalizacja pracy poszczególnych źródeł, optymalizacja zużycia energii w poszczególnych punktach sieci, komunikacja bezprzewodowa w sieciach telekomunikacyjny. Aby to osiągnąć mamy w systemach monitorujących wiele środków technicznych, które pozwalają na elastyczne ich kształtowanie. Pierwszym elementem, który trzeba zorganizować jest komunikacja z inwerterem. Do dyspozycji mamy: komunikację bezprzewodową w tym Bluetooth, WLAN, GPRS, sieci komputerowe LAN, PLC, komunikacja asynchroniczna RS 232, RS 422, RS 485. Drugim elementem, który trzeba określić jest rodzaj wykorzystywanych informacji dla monitorowania i zarządzania prawidłową pracą źródła. Do informacji tych należą: dane z inwertera, komunikaty o błędach w pracy inwertera,
dane o pracy źródła, dane o błędach w pracy źródła, dane z czujników dodatkowych (np. pomiar temperatury), dane z liczników cyfrowych, alarmy zewnętrze i lokalne, informacje o zużyciu energii w instalacji odbiorcy i sieci nn. Rys. 4. System monitorowania pracy źródeł fotowoltaicznych źródeł energii Pozyskane dane prezentowane są użytkownikowi, w zależności od stopnia złożoności układów producenci stosują różne formy komunikacji z użytkownikiem od prostych komunikatów na inwerterze (wyświetlacz i LED) do złożonych układów przechowujących dane na wydzielonych serwerach z możliwością dynamicznej prezentacji w postaci aplikacji na PC, wizualizacji poprzez strony WWW czy aplikacjach na urządzenia przenośne. Ostatnim elementem realizowanym w systemach monitorowania pracy małych źródeł energii jest możliwość zapewnienia wymiany danych z systemami nadrzędnymi. Do tego celu można zastosować połączenia telekomunikacyjne, sieci Ethernet czy łącza bezprzewodowe oparte na GPRS. 4. PRACA MAŁYCH ŹRÓDEŁ W SIECI INTELIGENTNEJ Pojęcie sieci inteligentnych zakłada harmonijną współpracę operatora sieci elektroenergetycznej z odbiorcami, w tym również ze szczególnym rodzajem odbiorcy jakim jest prosument. Pojawienie się nowych źródeł energii w sieci nn będzie wpływało na warunki pracy sieci [4], [5], zmieniając rozpływ mocy i warunki napięciowe. Aby móc pozytywnie wykorzystać wpływ dodatkowych źródeł należy mieć możliwość pozyskiwania danych o ich pracy.
Dla operatora systemu elektroenergetycznego źródłem informacji mogą być sterowniki źródeł małej mocy, automatyka zabezpieczeniowa, liczniki oraz inne urządzenia pomiarowe. Jest jednak jeden warunek, który należy spełnić, dane te muszą być udostępnione dla operatora sieci. I tu pojawia się jeden problem, w jaki sposób ma to być zrealizowane. Należałoby określić wspólny format wymiany danych pomiędzy operatorem źródła i operatorem sieci, tak aby obaj mogli osiągnąć korzyści. Problem jest jednak nieco bardziej złożony, OSD na poszczególnych obszarach geograficznych dysponują różnymi systemami sterowania i nadzoru (SSiN). Przykładem może być województwo lubelskie na terenie którego działa PDE Dystrybucja S.A. Oddział Zamość oraz PDE Dystrybucja S.A. Oddział Lublin w których stosuje się różne SSiN dostarczane przez różnych producentów. Ich wspólną cechą jest to, że teoretycznie mogą komunikować się z urządzeniami innych producentów jeśli określony jest wspólny protokół komunikacyjny oraz ustanowione jest odpowiednie łącze. Z drugiej strony właściciel małego źródła energii kupując system zarządzający pracą źródła nie jest zobligowany do sprawdzenia, czy jest on kompatybilny komunikacyjnie z SSiN operatora sieci. To producent tego systemu powinien zadbać o jego elastyczność. Aby móc mówić o współpracy systemu monitorowania pracą małego źródła oraz SSiN sieci elektroenergetycznej konieczne jest określenie wspólnych platform wymiany danych. Rys. 5. Współpraca systemu monitorowania źródła z SSiN operatora sieci elektroenergetycznej Warto w takim przypadku sięgnąć po standardy zalecane dla sieci inteligentnych jako pewien punkt odniesienia. Podstawą mogą być rozwiązania opisane w dokumencie określanym jako mapa drogowa dla inteligentnych sieci elektroenergetycznych [7]. Opierają się one na trzech filarach: modelowaniu elementów pracy źródła i sieci elektroenergetycznej, spójnych standardach wymiany danych, spójnych systemach akwizycji danych pomiarowych z liczników energii elektrycznej. Model pracy sieci elektroenergetycznej wraz ze wszystkimi elementami w tym także przyłączonymi do niego źródłami opiera się na standardach IEC 61968 oraz IEC 61970. Stanowią one opis podstawowego wspólnego modelu informacyjnego CIM. Dzięki tym standardom otrzymujemy precyzyjny i spójny
opis elementów tworzących system elektroenergetyczny. Wykorzystanie standardu CIM pozwala na pozyskiwanie danych pochodzących z różnych systemów oraz wykorzystywanych w różnych aplikacjach. Niezależnie od formy prezentacji graficznej w poszczególnych systemach dane opisujące np. linię posiadają określoną strukturę i atrybuty. Dzięki temu mogą być przetwarzane w różnych aplikacjach. Drugim filarem jest standard komunikacji IEC 61850 wraz z dokumentami pochodnymi [1]. Opisuje on modelowanie wymiany danych i przebieg komunikacji pomiędzy urządzeniami inteligentnymi IED. Szczególne znaczenie mają jednak dokumenty dodatkowe przeznaczone dla systemów nadzoru nad pracą źródeł rozproszonych IEC 61850-7-420, elektrowni wodnych IEC 61850-7-410 i farm wiatrowych IEC 61400-25. W okresie przejściowym przy tworzeniu sieci inteligentnych zakłada się możliwość współistnienia również starszych standardów komunikacyjnych takich jak IEC 60870-5 czy DNP 3,0. Ostatnim filarem jest standard odczytu urządzeń pomiarowo-rozliczeniowych IEC 62056. Gwarantuje on odczyt liczników, wymianę danych, sterowanie taryfami oraz obciążeniem. Zastosowanie takich standardów pozwoli na swobodną wymianę informacji pomiędzy systemami, bez konieczności dostosowywania się do rozwiązań oferowanych przez poszczególnych producentów. Tymczasem OSD wydając warunki przyłączenia gwarantuje sobie jedynie możliwość zdalnego odczytu danych z liczników energii elektrycznej. Takie podejście wynika z zakresu obserwacji sieci elektroenergetycznej przez SSiN, a ściślej urządzenia telemechaniki. W większości sieci elektroenergetycznych ostatnie urządzenia telemechaniki zainstalowane są w polach SN stacji 110/SN, wyjątkiem mogą być sieci SN z urządzeniami sterowanymi radiowo. Można więc powiedzieć, że dla OSD sieć nn jest nieobserwowalna, nie ma więc mowy o wpływaniu na jej pracę. Aby ten stan zmienić, konieczne jest wyposażenie wybranych stacji SN/nN, do których po stronie nn przyłączone są źródła, w układy kontrolno-pomiarowe pozwalające na monitorowanie i sterowanie pracą sieci w czasie rzeczywistym. 5. PODSUMOWANIE Instalowanie źródeł energii małej mocy w sieciach elektroenergetycznych nn staje się coraz częstszym zjawiskiem. Przyczyną jest duże zainteresowanie użytkowników końcowych chęcią zmniejszenia kosztów zakupu energii elektrycznej oraz czerpania korzyści z jej sprzedaży do sieci elektroenergetycznej. Decyduje o tym również prosta, w porównaniu ze źródłami dużych mocy, procedura uzyskania niezbędnych dokumentów i zezwoleń. Spełnia się więc idea inteligentnych sieci elektroenergetycznych, w których dotychczasowy odbiorca staje się prosumentem.
Współczesne systemy monitorowania pracy źródeł małej mocy oferują cały szereg środków technicznych oraz funkcjonalnych pozwalających na optymalizację pracy źródła, instalacji odbiorczej oraz sieci nn. Aby jednak w pełni wykorzystać korzyści jakie daje praca lokalnych źródeł energii, zarówno dla prosumenta jak i operatora sieci dystrybucyjnej, konieczna jest współpraca systemów monitorowania źródła i zarządzania sieci elektroenergetycznej. Będzie to możliwe gdy oba systemy złożone zostaną z elementów wykorzystujących te same standardy wymiany informacji. LITERATURA [1] Jędrychowski R.: Zalety standaryzacji systemów nadzoru i zabezpieczeń dla generacji rozproszonej. Rynek Energii nr 21(81) - 2009, str. 46-51. [2] Kacejko P.: Inżynieria elektryczna i technologie informatyczne w nowoczesnych technologiach energetycznych. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN vol. 82, Lublin 2011. [3] Kacejko P., Wydra M.: Energetyka wiatrowa w Polsce analiza potencjalnych ograniczeń bilansowych i oddziaływania na warunki pracy jednostek konwencjonalnych. Rynek Energii 2011, nr 2(93), str. 25-30. [4] Kacejko P. Adamek S. Regulacja napięcia w sieciach rozdzielczych średniego napięcia z generacją rozproszoną. Przegląd Elektrotechniczny Vol 2010, nr 7. [5] Kacejko P., Adamek S., Wydra M.: Optimal Voltage Control in Distribution Networks with Dispersed Generation. Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe (ISGT Europe), 2010 IEEE PES [6] Paska J.: Wytwarzanie rozproszone energii elektrycznej i ciepła. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010 r. [7] IEC Smart Grid Standardization Roadmap. Prepared by SMB Smart Grid Strategic Group (SG3), June 2010; Edition 1.0 [8] Dokumentacja techniczna: Solar-Log GmbH. [9] Dokumentacja techniczna: KACO new energy, Inc.
SUPERVISION OVER THE OPERATION OF SMALL ELECTRIC ENERGY SOURCES IN A LOW VOLTAGE NETWORK SYSTEM Key words: communication, SCADA systems, small energy source, Smart Grid Summary. The objective of this paper is to present solutions for the supervision and management of the operation of lowpower electric energy sources that are offered by their generators as well as to determine directions of their further development based on the assumptions accepted for the Smart Grid. The development of electricity generation technologies and expected changes in the Energy Law cause ever growing interest of private persons and small companies in the installation of a local energy source directly connected to the own power supply wiring. The source is often considered to be a way to reduce electricity purchase costs although sometimes the amount of generated energy can exceed individual needs of the owner. In such a situation installations of the local consumer are not sufficient to manage the source operation yield. Operation of the electric energy source in a low voltage system is conditioned by meeting of several technical requirements specified by the owner, network system operator and the Energy Law. The requirements decide over the selection of a system to supervise operation of the small energy source. The paper presents characteristics and technological potential of systems for the supervision and control of the operation of low power sources connected to a low voltage network system that are offered by the manufacturers of electricity generating equipment. Expectations of network operators for such systems as well as expectations formulated within the Smart Grid projects have been presented. Technological solutions offered by modern systems and solutions that can possibly be applied in the future have been also discussed. Robert Jędrychowski, dr inż., adiunkt, Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń, email: r.jedrychowski@pollub.pl