1. Wprowadzenie do problemów jakości energii elektrycznej (JEE) w układach elektroenergetycznych Wykład jest poświęcony zagadnieniom właściwości (jednej z cech) energii elektrycznej nazywanej jakością. PoniewaŜ energia elektryczna, zaleŝnie od środowiska, moŝe być analizowana w róŝnych kategoriach technicznoekonomicznych, zatem i jej jakość moŝna rozpatrywać stosownie do wymagań i celu tych analiz. W ramach wykładu będą rozwaŝane zagadnienia jakości energii elektrycznej (dalej, JEE) powiązane w duŝej mierze z dwoma kategoriami analiz, a mianowicie: - transakcjami na rynku energii elektrycznej, na którym energia elektryczna jako specyficzny towar (produkt) jest objęta warunkami umów zawieranych przez strony, - kwestiami przyczyn niewłaściwej JEE oraz oddziaływania JEE (a właściwie wartości parametrów JEE) na funkcjonowanie urządzeń i układów elektroenergetycznych. W umowach dotyczących energii elektrycznej, podobnie jak innych towarów, powinny być określone m. in. postanowienia następujące: miejsce jej dostarczenia, planowana ilość w czasie oraz jakość jej dostarczania (w tym parametry JEE). Dodatkowo dla energii elektrycznej określa się moc umowną. Przykładami takich umów mogą być : umowa kompleksowa, umowa sprzedaŝy energii elektrycznej odbiorcy czy umowa o świadczenie usług dystrybucji energii elektrycznej. Charakterystycznymi miejscami w układach elektroenergetycznych analiz i oceny jakości energii elektrycznej (dalej JEE), o których mowa w umowach, są miejsca jej dostarczania do odbiorców. Wyznaczanie JEE, w odróŝnieniu od większości produktów dostępnych na rynku, jest trudniejsze co najmniej z trzech powodów. Po pierwsze, właściwości energii elektrycznej nie moŝna ocenić za pomocą zmysłów, co jest moŝliwe w przypadku wielu innych produktów. Do określenia JEE konieczne są standardowe procedury oraz przyrządy pomiarowe. Po drugie, pełna ocena JEE, a właściwie jej poziomu określonego w umowie, jest moŝliwa przy zapewnieniu ciągłego monitorowania parametrów kolejnych jej porcji, w przedziałach czasowych ustalonych w procedurach pomiarowych. Po trzecie, na pogorszenie JEE w miejscach jej dostarczania, mogą wpływać jej odbiorcy, zaburzając niektóre jej parametry (np. przebiegi sinusoidalne prądów i napięć). Wymienione oddziaływanie podnosi problem odpowiedzialności stron (dostawcy i odbiorcy) za JEE. Analizy przyczyn niewłaściwej JEE oraz oddziaływania JEE na funkcjonowanie urządzeń i układów elektroenergetycznych są powiązane z pojęciem zaburzeń elektromagnetycznych (zaburzenia napięcia lub prądu). Zaburzeniem określa się kaŝde odstępstwo od idealnych parametrów napięcia albo prądu, tzn. ich przebiegów sinusoidalnych, wartości znamionowych napięcia oraz symetrii. Postać tych odstępstw jest zróŝnicowana, tym nie mniej moŝna je umownie pogrupować w sposób następujący : 1) ciągłe przewodzone i emisyjne, niskoczęstotliwościowe (do 10 khz), 2) ciągłe i emisyjne wysokoczęstotliwościowe, 3) oscylacje, 4) impulsy i załamania w przebiegach napięć i prądów. Utrzymanie parametrów idealnych energii elektrycznej nie jest moŝliwe w praktyce, dlatego dopuszcza się margines zaburzeń, który nie powinien wpływać na poprawną pracę większości urządzeń i układów elektroenergetycznych. Margines zaburzeń jest powiązany w duŝym stopniu z pojęciem kompatybilności elektromagnetycznej, uŝywanej w normach EN- 61000- x (x określa numer arkusza normy). 1
Kompatybilność elektromagnetyczna urządzenia/układu jest to jego zdolność do prawidłowego działania w danym środowisku elektromagnetycznym oraz nie emitowania do tego środowiska zaburzeń elektromagnetycznych, mogących powodować zakłócenia w pracy innych urządzeń/układów. Zatem, dwa podstawowe aspekty charakteryzujące kompatybilność obiektu to : - odporność urządzenia/układu na zaburzenia elektromagnetyczne, - emisja zaburzeń elektromagnetycznych przez urządzenia/układy. Na rys. 1, linami poziomymi, zilustrowano granice minimalnej odporności (linia nr 2) oraz maksymalnej emisji zaburzeń (linia nr 3) dla urządzenia/układu. Linie nr 1 oraz 2 określają odpowiednio bieŝący poziom odporności oraz emisji zaburzeń. Poziom zaburzeń 1 2 3 4 Zaburzenia (zakłócenia) Rys. 1. Granice kompatybilności elektromagnetycznej urządzenia/układu Wymienione granice odporności i emisji zaburzeń znajdują arbitralne odzwierciedlenie w normatywach dopuszczalnych parametrów JEE w miejscach jej dostarczania. Dla odbiorców powyŝsze wymagania przedstawiono na rys. 2 Poziomy kompatybilności Wymagania w zakresie oddziaływań na sieć Wymagania w zakresie odporności odbiorców i urządzeń Limity oddziaływań odbiorców Metody testowania i oceny, pomiary Rozwiązania zwiększające odporność odbiorców i urządzeń Limity oddziaływań urządzeń Rozwiązania dla odbiorców i urządzeń w zakresie dotrzymania limitów oddziaływań na sieć Rys. 2. Ilustracja zagadnień kompatybilności elektromagnetycznej w odniesieniu do odbiorców 2
Analizy przyczyn niewłaściwej JEE oraz oddziaływania JEE umoŝliwiają poznanie źródeł zaburzeń elektrycznych, będących elementami opisu JEE, reakcji urządzeń i układów elektroenergetycznych na zaburzenia elektryczne oraz określenie działań przeciwdziałających czy zmniejszających poziomy zaburzeń i ich negatywne oddziaływania. Jak juŝ nadmieniono, JEE moŝna analizować odrębnie lub jako jeden z aspektów większego zagadnienia dotyczącego odbiorców, które w literaturze przedmiotu nazywa się jakością dostarczania energii elektrycznej albo jakością zasilania energią elektryczną. Zgodnie z klasyfikacją uznawaną przez Radę Europejskich Regulatorów Energii (CEER) w jakości dostarczania energii elektrycznej moŝna wyróŝnić trzy jej aspekty; są to : JEE, ciągłość dostarczania energii oraz jakość obsługi odbiorców. PowyŜsze aspekty jakości dostarczania energii elektrycznej zilustrowano na rys. 3. Dodatkowo przedstawiono powiązanie odbiorców z JEE (linia przerywana). Wiadomo, Ŝe podstawowymi parametrami energii elektrycznej są napięcie i prąd elektryczny. Zatem parametry tych dwóch wielkości powinny charakteryzować JEE. W praktyce dominuje analiza i ocena JEE na podstawie parametrów napięcia. Tylko nieliczne kraje, np. Wielka Brytania, uwzględniają w ocenie JEE dostarczanej odbiorcom normatywy dla wyŝszych harmonicznych prądów. CIĄGŁOŚĆ DOSTAW ENERGII Jakość usług JAKOŚĆ OBSŁUGI ODBIORCÓW Parametry napięcia elektrycznego Parametry prądu elektrycznego JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Zachowanie odbiorcy JAKOŚĆ UśYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Rys. 3. Ilustracja aspektów jakości dostarczania odbiorcom energii elektrycznej Jednym z powodów powszechnego określania JEE na podstawie parametrów napięcia jest moŝliwość ustalenia standardów oceny jego parametrów w sposób uniwersalny, odnoszący się do duŝych grup odbiorców. Na rys. 4 przedstawiono elementy składowe aspektów jakości dostarczania energii elektrycznej w warunkach krajowych, w których JEE odzwierciedla jakość parametrów napięcia. 3
Jakość dostarczania energii elektrycznej Obsługa odbiorców Ciągłość dostaw Parametry napięcia elektrycznego Zgłoszenia, reklamacje i skargi Usuwanie zakłóceń w dostawach energii Powiadamianie o przerwach planowych Upusty za niedotrzymanie warunków dostaw energii Udzielanie informacji w zakresie dostaw energii Forma i tryb rozliczeń energii Warunki przyłączania odbiorców do sieci elektroenergetycznych Przerwy planowe Przerwy nieplanowe : - mikroprzerwy (do 1 s), - krótkie (do 3 min), - długie (do 12 h) - bardzo długie (do 24 h) - katastrofalne (od 24 h) Częstotliwość Wartości skuteczne napięcia Zmiany napięcia (odchylenia, zapady, wahania, podskoki, przepięcia) Odkształcenia sinusoidy (harmoniczne) Asymetria Rys. 4. Elementy składowe podstawowych aspektów jakości dostarczania energii elektrycznej Warto podkreślić, Ŝe w jakości napięcia na rys. 4 nie występuje jako element składowy przerwa napięciowa. Zdaniem prowadzącego wykład przerwa ta stanowi naturalny składnik opisu ciągłości dostaw energii elektrycznej więc powinna charakteryzować ten aspekt jakości dostarczania energii elektrycznej. W świetle powyŝszego, dla odróŝnienia zmian napięcia od przerwy napięciowej za kryterium ich podziału przyjmuje się wartość napięcia równą 1 % napięcia deklarowanego. Z reguły napięcie deklarowane jest równe napięciu znamionowemu. Podana wartość graniczna została zaczerpnięta z normy PN-EN 50 160. Uwzględniając tylko napięcie, definicję JEE moŝna sformułować następująco : JEE jest to własność (cecha) energii elektrycznej wyraŝona przez stopień zgodności wartości parametrów napięcia zasilającego, wyznaczanych według obowiązujących standardów, z dopuszczalnymi wartościami normatywnymi tych parametrów. W ujęciu metodycznym, abstrahując od preferencji praktyki, w definicji JEE, obok napięcia, naleŝy wymieniać równieŝ parametry prądu. W większości krajów europejskich zbiór parametrów napięcia składających się na JEE i objętych regulacjami jest bardo podobny. Są to wielkości następujące : częstotliwość, róŝne zmiany wartości napięcia (odchylenia, wahania, zapady, itp.), wyŝsze harmoniczne oraz asymetria w układach trójfazowych. To podobieństwo wynika z faktu, Ŝe ich źródłem pierwotnym w wielu krajach jest ten sam dokument, a mianowicie norma EN 50 160. Końcową ocenę JEE zazwyczaj dokonuje się na skali dwustanowej, składającej się z jakości poprawnej oraz jej przeciwieństwa - jakości niepoprawnej. 4
Niepoprawna JEE oddziaływuje negatywnie na funkcjonowanie odbiorników/układów elektroenergetycznych i prowadzi do strat (rys. 5). Awaria ZagroŜenie dla Ŝycia i środowiska Zakłócenia w pracy urządzeń/układów Straty ekonomiczne Niepoprawna JEE Rys. 5. Skutki niewłaściwej jakości energii elektrycznej Przyporządkowywanie badanych parametrów napięcia jednemu z tych stanów nie jest obiektywne i zaleŝy od zastosowanego kryterium klasyfikacji parametrów. W literaturze przedmiotu przewaŝa kryterium klasyfikacji, wg którego JEE jest niepoprawna wtedy, gdy co najmniej jeden z parametrów napięcia nie spełnia normatywnych zmian dopuszczalnych. Jest to prosty w zastosowaniu sposób oceny, który jednak zakłada, Ŝe stopień negatywnego oddziaływania poszczególnych parametrów JEE na pracę urządzeń elektrycznych jest zbliŝony, co nie znajduje potwierdzenia w praktyce. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe w klasyfikacji parametrów napięcia do stanu jakości poprawnej lub niepoprawnej waŝną rolę odgrywają dopuszczalne poziomy zmian parametrów. Małe dopuszczalne zmiany parametrów JEE będą wymuszały na dostawcach działania techniczo-ekonomiczne prowadzące do poprawy JEE i odwrotnie zwiększanie zakresu dopuszczalnych zmian parametrów zwalnia dostawców z tych działań i będzie powodować pogarszanie JEE dostarczanej odbiorcom. Z opisanego związku JEE i dopuszczalnych zmian parametrów wynika, ze poza szczególnymi przypadkami rozstrzyganymi arbitralnie tylko w kategoriach technicznych (np. zagroŝenie Ŝycia ludzi), powinno się korzystać z kryteriów obiektywnych przy ustalaniu limitów parametrów. Do nich zalicza się kryterium ekonomiczne, a konkretnie, np. całkowite koszty roczne. Koszty te zawierają dwa składniki zaleŝne od poziomu JEE, tj. koszty ponoszone przez dostawców oraz koszty zewnętrzne - koszty strat jakie mogą wystąpić u odbiorców. Poglądowo, uwzględniając jedynie charakter wymienionych kosztów, ich sumaryczną wielkość w zaleŝności od poziomu JEE R przedstawiono na rys. 6. PoniewaŜ kierunki zmian rozpatrywanych kosztów są przeciwne - koszty dostawców rosną, natomiast koszty strat odbiorców maleją - istnieje taki optymalny poziom JEE, któremu odpowiadają minimalne koszty całkowite. Te metodyczne rozwaŝania, zilustrowane syntetycznie na rys. 6, są trudne do powszechnego stosowania w praktyce. Bowiem nie są znane, z powodu wielu barier w ich wyznaczaniu, ogólne zaleŝności na ww. koszty w funkcji poziomu JEE. 5
Rys. 6. ZaleŜność kosztów od poziomu JEE R 100 % Mimo zasygnalizowanych problemów z wyznaczaniem ogólnej zaleŝności na koszty, JEE naleŝy rozpatrywać nie tylko jako kategorię techniczną ale równieŝ jako kategorię ekonomiczną, która powinna być brana pod uwagę w rozwiązywaniu zagadnień o charakterze lokalnym, np. doborze filtrów do kompensacji wyŝszych harmonicznych prądów. Ogólną procedurę rozwiązywania problemów JEE w ujęciu techniczno-ekonomicznym przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Ogólna procedura rozwiązywania problemów JEE Rodzaj problemu (Kategoria zaburzeń) Zaburzenia o stanach ustalonych Zaburzenia przejściowe, w tym w formie oscylacji i impulsów Zbadanie ilościowe problemu Pomiary (metody, środki) / gromadzenie i przetwarzanie danych Przyczyny Charakterystyki Skutki (oddziaływanie) Ustalenie moŝliwych miejsc i środków rozwiązania problemu Sieć rozdzielcza dostawcy Sieć rozdzielcza odbiorcy Rodzaj urządzeń elektrycznych / budowa, wymagania Zestawienie przedsięwzięć technicznych Modelowanie/Procedury analityczne Określenie wariantów przedsięwzięć Wybór optymalnego przedsięwzięcia technicznego Ocena efektywności ekonomicznej wariantów przedsięwzięć W ostatnich latach obserwuje się szybki wzrost zainteresowania zagadnieniami jakości energii elektrycznej w miejscach przełączenia do sieci jej uŝytkowników. Jest 6
to spowodowane przyczynami następującymi : przekształceniami sektorowymi, wprowadzeniem zasady TPA, wzrostem znaczenia umów podpisywanych przez odbiorców, wzrostem liczby i mocy odbiorników nieliniowych, masowym instalowaniem urządzeń elektrycznych z elementami elektronicznymi oraz sprzętu informatycznego, dostępem do coraz tańszych analizatorów parametrów JEE, zapotrzebowaniem na energię elektryczną o wysokim poziomie jakości przez niektórych odbiorców, przyłączaniem do sieci rozdzielczych źródeł rozproszonych, m. in. elektrowni wiatrowych, elektrowni fotowoltaicznych. 7