2013 zeszyt 2

INTELIGENTNE SIECI INSTALACJE I URZDZENIA APARATYJAKO ENERGII ZABEZPIECZENIA I OCHRONY OWIETLENIEENERGOELEKTRONIKA MASZYNY I NAPDY TERMINOLOGIA

KWAR

TALN

IK I

SS

N 2

082-

4149

NR

2/20

13(1

2) e-pismo naukowo-techniczne dla praktykwAUTOMATYKA

ELEKTRYKAZAKCENIA WWW.EPISMO-AEZ.PL

3

AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKCENIA | NR 2/2013 AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKCENIA | NR 2/2013

www.ePISMO-AeZ.Pl www.ePISMO-AeZ.Pl

2

AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKCENIA | 1/2010

www.elektro-innowacje.pl

2 STRONA OKADKI CZEKA W KADEJ CHWILINA WASZ REKLAM

OD ReDAKCJI

OD REDAKCJI

NASI PARTNERZY

Zostacie Pastwo naszym partnerem. Tutaj umiecimy logo Waszej firmy.

Wszelkie prawa zastrzeone INFOTECHRozpowszechnianie artykuw (lub ich fragmentw) zamieszczonych w e-pimie AUTOMATYKA, ELEKTRYKA, ZAKCENIA jest moliwe tylko za zgod Wydawcy pisma. Redakcja nie odpowiada za tre reklam.

Szanowni Czytelnicy !

Ostatnio wprowadzilimy szereg drobnych zmian ze wzgldu

na wymogi MNiSzW dotyczce oceny punktowej naszego kwartalnika.

Podstawowe informacje dotyczce tytuw, streszcze, sw kluczowych

oraz spisu treci powinny by podawane take w jzyku angielskim.

Porzdkujemy rwnie numeracj pisma, w ktrej bdzie podawany kolejny

numer w danym roku oraz na kocu czny numer [np.: Nr 2/2013(12)].

Kontynuujemy cykl zwizany z jzykiem polskim i terminologi oraz

przedstawiamy nowe artykuy na temat sieci inteligentnych.

Zachcamy do zadawania pyta oraz do przesyania nowych propozycji

dotyczcych rozwoju pisma.

Zbigniew R. Kwiatkowski

Wydawca: INFOTECH, 80-809 Gdask, ul. uycka 17/5Tel./fax: 58 625 16 01e-mail: [email protected]: [email protected]

AUTOMATYKA, ELEKTRYKA,ZAKCENIA(AUTOMATICS, ELEKTROTECHNICS, INTERFERENCES)

Kwartalnik, ISSN 2082-4149

Pismo jest indeksowane w BazTech, Arianta,Copernicus Index.

Zesp redakcyjny: mgr in. Zbigniew R. Kwiatkowski (red. naczelny), dr in. Andrzej Skiba, mgr in. Stanisaw Przybek, dr Krystyna Ambroch (red. statystyczna).

Korekta: mgr Magdalena Misuno (jzyk polski),mgr Elbieta Nowakowska (jzyk polski),mgr Monika Bandura (jzyk angielski).

Skad i amanie tekstu: Zesp wydawcy

Rada Naukowa:dr in. Edward Musia (przewodniczcyprof. dr hab. in. Grzegorz Benysekprof. dr hab. in. Ryszard Gessing prof. dr hab. in. Zbigniew Krzemiskiprof. dr hab. in. Leszek Czarneckiprof. dr hab.in.Jacek Malko prof. dr hab. in.Jan Popczykprof. dr hab. in. Kazimierz Jakubiuk prof. dr hab. in. Andrzej Sowaprof. dr hab. in. Waldemar Rebizantdr hab. in. Zbigniew Hanzelka, dr hab. in. Piotr Lesiak dr in. Henryk Borydr in. Zdzisaw Kusto

Pena lista redaktorw tematycznych oraz recenzentw podana jest na stronie www.epismo-aez.pl w zakadce: Stopka redakcyjna.

INFORMACJE DLA AUTORWZ uwagi na denie do utrzymania wysokiego poziomu publikacji, wprowadzamy procedury zalecane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa wyszego.

Szczegowe informacje dotyczce: sposobu przygotowania artykuw procedury recenzowania instrukcji rzetelnoci oraz przestrzegania praw autorskich deklaracji o wersji pierwotnej,

znajduj si na stronie wspomagajcej pismo: www.epismo-aez.pl w zakadce Stopka redakcyjna

http://www.epismo-aez.plhttp://www.epismo-aez.plhttp://www.epismo-aez.plhttp://www.epismo-aez.pl

4

SPIS TRECI (Contents) NR 2/2013

SPIS tReCI

10 Baterie kondensatorw w rodowisku napi i prdw odksztaconych - Zbigniew HANZELKA Capacitor banks in non-sinusoidal voltage and current conditions

Uwagi o terminie Jako energii elektrycznej - Leszek S. CZARNECKI Comments on the term Power quality

6

Dbajmy o jzyk (Comments on the language)

AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKCENIA | NR 2/2013

www.ePISMO-AeZ.Pl

22

46

OCHRONA PRZECIWPORAENIOWA (Electric shock protection)

JAKO ENERGII (Power quality)

SIECI INTELIGENTNE (Smart Grid)

Automatyzacja sieci rozdzielczych jako podstawowy element sieci inteligentnych - Adam BAB Distribution network automation as the key element of the Smart Grid

Znaczenie i miejsce energoelektroniki w rozwoju smart grid - Ryszard STRZELECKI the place of power electronics in the development of Smart Grid 30

AUTOMATYKA (Automatics)

Inynierski rozsdek kontra sieciowy smart - Peter STOLZ engineering reason versus smart grid

42

Problemy doboru i instalowania wycznikw rnicowoprdowych - Stanisaw CZAPP Problems of selection and installation of residual current devices

PYTANIA I ODPOWIEDZI (Ask and expert advice)

66 Ochrona przeciwporaeniowa uzupeniajca za pomoc wycznikw rnicowoprdowych, czyli jak czyta i jak interpretowa normy - Edward MUSIA Additional protection against electric shock by means of residual current devices or how to read and how to interpret standards

Coroczne oglnopolskie spotkanie o charakterze szkoleniowym

UZIOMY FUNDAMENTOWE I PARAFUNDAMENTOWE - dr in. Edward Musia

MAGAZYNOWANIE ENERGII - dr hab. in. Piotr Tomczyk

SMART GRID - INFRASTRUKTURA PRZEBUDOWY ENERGETYKI WEK W ENERGETYK PROSUMENCK OZE/URE - prof. dr hab. in. Jan Popczyk

BATERIE KONDENSATORW W RODOWISKU NAPI I PRDW ODKSZTACONYCH dr hab. in. Zbigniew HANZELKA

WSPARCIE NIEZAWODNOCI W PRZEMYSOWYCH I OPERATORSKICH SIECIACH ETHERNET - dr in. Krzysztof Nowicki

Coroczne oglnopolskie spotkanie o charakterze szkoleniowym

ReKlAMA

DOBRE MIEJSCE NA REKLAM

http://www.epismo-aez.plhttp://epismo-aez.plhttp://infotech.gdansk.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=22&Itemid=19http://epismo-aez.pl/images/stories/reklama-2013-1.pdf

6

UWAGI O TERMINIE JAKO ENERGII ELEKTRYCZNEJ - Leszek S. CZARNECKI

www.ePISMO-AeZ.Pl


7



www.ePISMO-AeZ.Pl

Dbajmy o jzyk (Comments on the language) (Comments on the language) Dbajmy o jzyk

Comments on the term Power quality

Abstract: The term energy quality which is the Polish translation of the English term power quality, (PQ) has been in the last two decades disseminated and commonly used in electrical engineering. There are opinions that energy is a sort of a commodity, and as such, it can have a quality. The opinion that the quality is only an attribute of the supply voltage, but not of energy, is expressed in this paper. The term voltage quality would be equally misleading as the term power quality, however, since deviation of the voltage from its ideal waveform does not provide any information on causes of this deviation, who is affected by it and how this deviation could be reduced. To know this, the supply quality and the loading quality have to be known. Just these two terms should be used instead of the misleading term of power quality.

Keywords: supply quality, loading quality, power quality

Termin jako energii, bdcy polskim odpowiednikiem angielskiego terminu power quality, jest w ostatnich dwch dekadach szeroko rozpowszechniony w elektrotechnice. Panuje opinia, e energia moe by uwaana za towar, i wobec tego mona jej przyporzdkowa okrelon jako. W niniejszym artykule wyraa si pogld, e jako moe by atrybutem jedynie napicia zasilania, nie za energii. Jednak termin jako napicia byby rwnie mylcy jak termin jako energii, gdy odchylenie napicia od przebiegu idealnego, okrelane jako obnienie jego jakoci, nie dostarcza adnych informacji o rdach tego odchylenia, czyli kto za nie odpowiada, nie informuje te, jak odchylenie takie moe by zmniejszane. Aby to wiedzie, potrzebna jest znajomo jakoci zasilania i jakoci odbioru energii elektrycznej. Te wanie dwa terminy powinny by uywane zamiast mylcego terminu jako energii.

Sowa kluczowe: jako zasilania, jako odbioru, jako energii

1. WPROWADZENIE

Dobrym przykadem tego, jak wane jest precyzyjne definiowanie terminw w okrelonej gazi wiedzy, s nauki biologiczne. Bez tej precyzji nie byaby moliwa klasyfikacja zwierzt i rolin. Brak takiej precyzji w medycynie mgby mie nawet skutki miertelne. Precyzja ta jest tak wana, e terminy w naukach biologicznych czy medycynie s definiowane w skali wiatowej w jednym, wsplnym jzyku, za ktry wybrano jzyk aciski.

Na tle nauk biologicznych czy medycznych stosunek do wyboru i definiowania terminw technicznych w elektrotechnice jest co najmniej ambiwalentny. Przykadem tego jest tytu jednego z gwnych czasopism elektroenergetycznych: IEEE Transactions on Power Delivery. W systemach energetycznych dostarczana jest bowiem energia a nie moc (power), ktra jest jedynie prdkoci przepywu energii ze rda do odbiornika. Natura wadliwoci terminu jako energii jest bardziej zoona ni terminu power delivery, uytego w tytule Transactions. Ponadto, o ile uywanie terminu power delivery zamiast energy delivery wydaje si nie mie adnych szkodliwych skutkw technicznych, o tyle uywanie terminu jako energii moe mie takie skutki. Skupianie si na jakoci energii i jej pomiarze moe odwraca uwag od istotnych czynnikw decydujcych o pracy systemu rozdzielczego i odbiorcw energii. Znajomo jakoci energii w zasadzie nie dostarcza informacji o tych czynnikach. Analiza wadliwoci terminu jako energii i skutkw jego uywania w elektrotechnice jest przedmiotem tego artykuu.

Uwagi o terminie Jako energii elektrycznej

Artyku dyskusyjny

prof. dr hab. in. leszek S. CZARNeCKI Fellow IEEE, Alfredo M. Lopez Distinguished Professor, Louisiana State University, USA, e-mail: [email protected]

2. CZY ENERGIA MA JAKO?

O obnieniu jakoci energii mwi si wtedy, gdy napicie w pewnym przekroju systemu przesyowego lub rozdzielczego, na og w miejscu przyczenia odbiorcy, ma jedn lub kilka nastpujcych cech: nie jest symetryczne, jest trwale lub przejciowo odksztacone od przebiegu sinusoidalnego, ma zmieniajc si w czasie warto skuteczn, ma zmienn czstotliwo, wykazuje czasowe zaniki lub przepicia czy te zawiera szumy wielkiej czstotliwoci. Ale s to przecie cechy napicia, a nie cechy energii. Nie jest to adnym odkryciem, lecz trywialn obserwacj. System rozdzielczy lub odbiorniki energii zachowuj si niezgodnie z oczekiwaniami nie z powodu jakich domniemanych waciwoci energii, lecz po prostu z powodu pewnych, zestawionych powyej cech napicia. Poprawniejsze od uywania terminu jako energii byoby zatem uycie terminu jako napicia. Jak to jednak zostanie poniej uzasadnione, nawet ten, nieco lepszy termin, nie wydaje si by terminem poprawnym.

O ile odchylenia przebiegu napicia od przebiegu idealnego mona by okrela w kategoriach jego jakoci, o tyle nie da si tego uczyni w odniesieniu do energii. Zwrot energia idealna, a wic take odchylenia od niej, po prostu nie ma sensu. Wielkociami fizycznymi charakteryzujcymi przepyw energii w ukadach elektrycznych s prd i napicie. Energia przenoszona w takim ukadzie w pewnym przedziale czasowym obliczana jest jako caka iloczynu prdu i napicia w tym przedziale. Caka ta, niezalenie od przebiegw czasowych tych dwch wielkoci, okrela jedynie ilo energii; cechy czasowe napicia i prdu nie przenosz si na jakie domniemane cechy energii, mog one jedynie wpywa na ilo energii przesyanej w okrelonym czasie w pewnym przekroju systemu. Napicie i prd mog mie przebiegi czy wartoci odbiegajce od idealnych, co moe powodowa niekorzystn prac systemu rozdzielczego lub odbiornikw energii, zatem termin jako mgby by uyty jedynie w odniesieniu do tych dwch wielkoci fizycznych, nie za do samej energii, ktra ma wycznie jedn cech ilo.

Kwestia, czy to, co jest przedmiotem oceny lub pomiarw, jest jakoci energii, czy tylko jakoci napicia mona by uzna za drugorzdne zagadnienie semantyczne. Zapewne dowiadczeni inynierowie elektrycy, majcy pewn wiedz na temat fizycznych podstaw elektrotechniki, s wiadomi tego, e rejestratory PQ, dostarczaj jedynie informacji o rnych cechach napicia, prdu i mocy w miejscu rejestracji, nie za informacji o jakoci energii. Gorzej moe by z mniej dowiadczonymi inynierami, czy ze studentami elektrotechniki, szczeglnie tymi bardziej dociekliwymi ni przecitni. Jak im termin jako energii wyjani?

Mona by uzna, e termin jako energii jest niezbyt fortunnie wybranym skrtem opisu sytuacji, w ktrych dostarczana energia jest opisana przez prd i napicie, o waciwociach rnicych si od waciwoci przebiegw idealnych. Niekiedy termin ten ma te charakter sowa klucza uywanego do komunikowania si z ludmi o bardzo ograniczonej znajomoci fizycznych podstaw elektrotechniki.

3. CZY TERMIN JAKO NAPICIA MGBY ZASTPI TERMIN JAKO ENERGII?

Poniewa wikszo zagadnie dotyczcych jakoci energii koncentruje si na rnorodnych, poprzednio zestawianych cechach napicia, mona by doj do wniosku, e termin jako energii mgby by po prostu zastpiony terminem jako napicia. Byaby to by moe zmiana we waciwym kierunku, gdy w odrnieniu od energii, przebieg napicia moe mie cechy kwalifikowane w terminach jakoci. Na przykad, napicie odksztacone od przebiegu sinusoidalnego ma ze wzgldu na pewne odbiorniki gorsz jako ni napicie sinusoidalne.

Niestety, termin jako napicia jest mylcy. Przebieg napicia w k adym przekroju systemu rozdzielczego jest bowiem efektem wzajemnego oddziaywania na siebie rde zasilania i odbiornikw. Dla kadego przekroju w promieniowej sieci rozdzielczej mona narysowa obwd zastpczy pokazany na rys. 1. Wielkoci oznaczone na tym rysunku czcionk

Rys. 1. Obwd zastpczy systemu rozdzielczego na zaciskach zasilania pewnego odbiornika

http://epismo-aez.plhttp://epismo-aez.plhttp://epismo-aez.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=152http://epismo-aez.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=152

8


www.ePISMO-AeZ.Pl


9



www.ePISMO-AeZ.Pl

Dbajmy o jzyk (Comments on the language) (Comments on the language) Dbajmy o jzyk

pogrubion oznaczaj wektory wielkoci trjfazowych [5], mianowicie, u = [uR, uS, uT]T, e = [eR, eS, eT]T, i = [iR, iS, iT]T. Grny indeks T oznacza w tym zapisie wektor transponowany.

Odchylenie obserwowanego napicia u od przebiegu idealnego, to jest domniemane pogorszenie jego jakoci, nie musi by spowodowane takime odchyleniem napicia rdowego e, to jest pogorszon jakoci tego napicia, lecz waciwociami prdu odbiornika (i), to jest jego odchyleniem od przebiegu idealnego. Zwykle mamy do czynienia z obiema przyczynami, ktrych nie da si zidentyfikowa, obserwujc tylko napicie u. Przypumy dla przykadu, e stwierdzono asymetri napicia u. Przyczyn tej asymetrii moe by niezrwnowaenie odbiornika, a wic rne spadki napicia na impedancji wewntrznej rda zasilania, spowodowane asymetrycznym prdem odbiornika. Asymetria tego napicia moe by te spowodowana asymetri zastpczego napicia rdowego systemu (e). Odmienne s te skutki tych dwch rnych przyczyn asymetrii napicia. W pierwszym przypadku asymetryczny prd odbiornika zwiksza straty energii w rdle zasilania. W drugim przypadku asymetria napicia rdowego moe powodowa zaburzenia pracy odbiornika, szczeglnie wtedy, kiedy energia dostarczana jest do silnikw indukcyjnych lub trjfazowych przetwornikw energoelektronicznych. Odmienne s te moliwoci zmniejszania asymetrii napicia za pomoc urzdze kompensujcych. Jeli asymetria ta spowodowana jest niezrwnowaeniem odbiornika, kompensator rwnowacy, pozwalajcy symetryzowa prd zasilania, zmniejsza asymetri napicia. Jeli jednak asymetria ta ma rdo po stronie zasilania, wwczas tylko kompensator szeregowy moe tak asymetri zmniejszy. Informacja o asymetrii napicia u nie pozwala wic wycign adnych wnioskw dotyczcych jej przyczyn, skutkw czy sposobu jej zmniejszenia. Takie same wnioski mona wycign oczywicie odnonie do odksztacenia napicia u. Dlatego te termin jako napicia jest rwnie mylcy jak termin jako energii. Jeli zaobserwowano, na przykad, nadmierne zmiany wartoci skutecznej napicia zasilania, to nie mona z tego wyciga wniosku, e jako napicia jest niska, gdy zmiany te mog by spowodowane du zmiennoci mocy odbiornika energii. To samo dotyczy asymetrii czy odksztacenia napicia zasilania.

4. JAKO ZASILANIA I JAKO ODBIORU?

Co rzeczywicie okrela warunki pracy odbiornika, to nie domniemana jako energii, lecz jako zasilania. Jeli przyjmiemy, e zasilanie napiciem sinusoidalnym, symetrycznym, o niezmiennej wartoci skutecznej i czstotliwoci, bez szumw wielkiej czstotliwoci czy innych zaburze jest zasilaniem idealnym, to kade odchylenie od takich warunkw mona okrela jako pogorszenie jakoci zasilania. Podobnie, co okrela warunki dostawy energii, to nie jako energii, lecz jako odbioru. Warunki dostawy energii z punktu widzenia jej dostawcy s najlepsze wtedy, gdy odbiornik nie powoduje asymetrii prdu zasilania ani jego odksztacenia, gdy ma sta moc i wspczynnik mocy rwny jednoci oraz gdy nie jest rdem szumw czy zaburze. Odbir taki, z punktu widzenia dostawcy energii, jest odbiorem idealnym. Kade odchylenie od takich warunkw mona okrela jako pogorszenie jakoci odbioru. Z punktu widzenia dostawcy energii, jak i rwnie jej odbiorcy, nie wystarcza wic wiedzie, e napicie w punkcie zasilania odbiega od przebiegu idealnego. Potrzebna jest wiedza o tym, kto dostawca czy odbiorca energii powoduje te odchylenia. Niezbdna jest do tego lokalizacja rde tych odchyle. Poniewa rda te mog si znajdowa zarwno u dostawcy, jak i u odbiorcy, moe by potrzebne okrelenie ich udziau w obserwowanych odchyleniach napicia od przebiegu idealnego.

Lokalizacja rde odchyle, w pewnych szczeglnych sytuacjach, jest trywialna. Jeli napicie na zaciskach rda nieobcionego odbiega od przebiegu idealnego, to z pewnoci mamy do czynienia z obnion jakoci zasilania. Podobnie, jeli napicie na zaciskach odbiornika, o ktrym wiemy, e jest silnym rdem asymetrii prdu i jego odksztacenia, odbiega od przebiegu idealnego, to mamy do czynienia z nisk jakoci odbioru. Znajomo odbiorw w systemie rozdzielczym moe by wic bardzo pomocna przy lokalizacji rde obnionej jakoci zasilania czy obnionej jakoci odbioru. Jeli jednak to nie wystarcza, potrzebne s metrologiczne metody lokalizacji tych rde. Metody te s, niestety, znacznie bardziej zoone od rejestracji parametrw napicia w pewnym przekroju, okrelanej mianem rejestracji jakoci energii. Metody takie oparte s na analizie systemu pracujcego w rnych stanach [2, 3], chocia pewne wnioski dotyczce lokalizacji rde zaburze mona ju wyciga, identyfikujc kierunek przepywu energii przenoszonej przez harmoniczne oraz skadowe symetryczne prdu i napicia w statycznym stanie pracy systemu [1, 4, 5].

5. PODSUMOWANIE

Poprawna terminologia jest jednym z warunkw rozwoju rnych obszarw nauki i technologii, jak rwnie komunikacji wewntrz tych obszarw. Termin jako energii, uywany w obszarze elektrotechniki zajmujcym si wpywem rnych odchyle przebiegw napicia i prdu od przebiegw idealnych na prac elementw systemw rozdzielczych i odbiornikw energii, nie jest poprawny. Mierniki jakoci energii, mierzc jedynie pewne cechy napicia, prdu czy mocy, adnej informacji o jakoci tej nie dostarczaj, z prostej przyczyny, e energia nie ma jakoci. Praca odbiornikw energii i elementw systemu rozdzielczego moe zalee natomiast od jakoci zasilania i jakoci odbioru energii. Wanie te dwa terminy przenosz podstawow informacj o naturze rde zaburze pracy odbiornikw energii i elementw systemu rozdzielczego. Mianowicie odbiornik moe nie pracowa poprawnie z powodu niskiej jakoci zasilania, na przykad harmonicznych w napiciu zasilania. Podobnie, transformator w systemie rozdzielczym moe nie pracowa poprawnie z powodu niskiej jakoci odbioru energii, na przykad asymetrii prdu odbiornika.

BIBLIOGRAFIA[1] L.S. Czarnecki, and T. Swietlicki: (1990) "Powers in nonsinusoidal networks, their analysis, interpretation and measure-ment", IEEE Trans. Instr.

Measur., Vol. IM-39, No. 2, pp. 340-344.

[2] L.S. Czarnecki and Z. Staroszczyk: (1996) Dynamic on-line measurement of equivalent parameters of three-phase systems for harmonic frequencies, European Trans. on Electrical Power, ETEP, Vol. 6, No. 5, pp. 329-335.

[3] L.S. Czarnecki, and Z. Staroszczyk: (1996) On-line measurement of equivalent parameters for harmonic frequencies of a power distribution system and load, IEEE Trans. on Instr. Measur. Vol. 45, No. 2, pp. 467-472.

[4] L.S. Czarnecki: (2012) Working, reflected and detrimental active powers, IET on Generation, Transmission and Distri-bution, London, pp. 1-7.

[5] L.S. Czarnecki: (2005) Moce w obwodach elektrycznych z niesinusoidalnymi przebiegami prdw i napi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej.

TO MIEJSCE CZEKA NA WASZ SKUTECZN REKLAM

http://epismo-aez.plhttp://epismo-aez.plhttp://epismo-aez.pl/images/stories/reklama-2013-1.pdf

10

BATERIE KONDENSATORW W RODOWISKU NAPI I PRDW ODKSZTACONYCH - Zbigniew HANZELKA

www.ePISMO-AeZ.Pl


11



www.ePISMO-AeZ.Pl

JAKO ENERGII (Power quality) (Power quality) JAKO ENERGII

Capacitor banks in non-sinusoidal voltage and current conditions

Abstract: Capacitor banks fall into a category of equipment whose operation is to a large extent adversely affected by electromagnetic environment with distorted voltages and currents. In such conditions they are subject to voltage, current and power overloads. Therefore capacitors' manufacturers provide permissible overload factors referred to these quantities and expressed as multiples of their nominal values. These factors define non-destructive conditions area for a capacitor bank but prolonged operation in overload conditions significantly shortens capacitors' service life.

Keywords: capacitors bank, distorted voltages and currents

Baterie kondensatorw nale do kategorii urzdze, ktre w bardzo duym stopniu dowiadczaj skutkw pracy w rodowisku elektromagnetycznym z przebiegami odksztaconymi. Przecienia ktrym podlegaj dotycz: napicia, prdu i mocy. Dlatego te do tych wielkoci odnosz si, okrelane przez producentw kondensatorw, dopuszczalne wspczynniki przecieniowe podajce krotno ich wartoci znamionowych. Wyznaczaj one, dla baterii kondensatorw, obszar nieniszczcych warunkw, lecz praca z dugotrwaym przecieniem skraca znaczco czas ich eksploatacji.

Sowa kluczowe: baterie kondensatorw, odksztacone prdy i napicia

1. WPROWADZENIE

Baterie kondensatorw s jednym z najbardziej powszechnych elementw systemu elektroenergetycznego. Su do realizacji trzech podstawowych celw (rwnoczenie bd oddzielnie): kompensacji mocy biernej (tym samym redukcji mocy pozornej odbiornika, wzrostu przesyanej systemem elektroenergetycznym mocy czynnej, redukcji strat przesyu energii, uniknicia ewentualnych opat karnych paconych przez odbiorc dostawcy energii itp.) rysunek 1., filtracji wyszych harmonicznych (wh) rysunek 2. oraz stabilizacji napicia rysunek 3.

Rys. 1. Zasada stosowania baterii kondensatorw w ukadach kompensacji mocy biernej (P, Q, S moc czynna, bierna i pozorna, QC moc baterii kondensatorw): (a) wskazy mocy odbiornika; (b) wskazy mocy po zaczeniu baterii kondensatorw; (c) wzrost mocy

czynnej w linii zasilajcej, przy niezmienionej wartoci mocy pozornej, uzyskany w efekcie przyczenia baterii kondensatorw

(b) (c)

Rys. 2. (a) Ukad pasywnych filtrw wyszych harmonicznych; (b) prd odbiornika; (c) prd odbiornika po odfiltrowaniu pitej i sidmej harmonicznej w filtrze F5 i F7

Rys. 3. Jednofazowy schemat zastpczy sieci zasilajcej (a) oraz (b) wykres wskazowy dla odbiornika rezystancyjno-pojemnociowego (po doczeniu baterii kondensatorw) - US U0

Baterie kondensatorw w rodowisku napi i prdw odksztaconych

dr hab. in. Zbigniew HANZelKAAkademia Grniczo-Hutnicz w Krakowie, e-mail: [email protected]

P

Q S

P

Q S

S1

QC Q

1 P

Q S

S2

QC

Q2

P

Q

S a) b) c)

a)

odbiorniki

F 5 F 7 Filtr szerokopasmowy

1.96 1.97 1.98 1.99 2 -100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

1.96 1.97 1.98 1.99 2 -100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

I0

U0 US RSI0 XSI0

ZS

I0

.

U0

US

XSI0

RSI0 U

ZSI0

a) b)


12


www.ePISMO-AeZ.Pl


13



www.ePISMO-AeZ.Pl


Bateria kondensatorw stwarza jednake szereg problemw zarwno podczas procesu jej zaczania jak i podczas pracy ustalonej szczeglnie w rodowisku wyszych harmonicznych.

Wikszo problemw wystpujcych w kondensatorach, a wywoanych harmonicznymi ma prdowy charakter. Obecno wh w napiciu powoduje przepyw przez kondensator dodatkowych prdw, ktrych warto moe by znaczca i moe rosn wraz ze wzrostem rzdu harmonicznej (w efekcie redukcji impedancji zastpczej kondensatora Zc (nC)-1 ). Wzgldn warto prdu kondensatora dla n-tej harmonicznej I(n)* , odniesion do harmonicznej podstawowej: I(n)* = I(n) I(I) -1 , mona okreli zwizkiem I(n)* = IU(n) * gdzie: IU(n) * jest wzgldn wartoci napicia n-tej harmonicznej odniesion do harmonicznej podstawowej - U(n)* = U(n)U(1)-1 . Przykadowo, 7 harmoniczna napicia o wartoci 15 % spowoduje przepyw prdu dla tej harmonicznej stanowicego 105% prdu harmonicznej podstawowej. Moe to spowodowa przecienie prdowe kondensatora. Przepyw przez bateri prdu o zbyt duej wartoci powoduje wystpienie w kondensatorach dodatkowych strat mocy, z wynikajcymi z tego faktu niekorzystnymi zjawiskami takimi jak: przepalenie bezpiecznikw, procesy fizyko-chemiczne dielektrykw powodujce przyspieszony proces starzenia i skrcenia czasu eksploatacji, trwae uszkodzenie itp. Wszystkie wymienione niekorzystne zjawiska ulegaj drastycznemu wzmocnieniu w warunkach rezonansw: szeregowego i rwnolegego.

Wzrost wartoci szczytowej napicia kondensatora, bdcy rezultatem obecnoci wh, to dodatkowe naraenie dla izolacji. Moe ono spowodowa w konsekwencji czciowe wyadowanie w dielektryku, zwarcie kocw folii i trwae uszkodzenie kondensatora. Zgodnie z wikszoci krajowych i midzynarodowych norm, dopuszczalny wspczynnik przecienia napiciowego kondensatora nie przekracza 110% wartoci znamionowej.

2. REZONANS SZEREGOWY

Na rysunku 4. przedstawiono przykadowy schemat ideowy obwodu w ktrym bateria kondensatorw, zasilana napiciem odksztaconym, jest przyczona do wtrnej strony transformatora.

Z punktu widzenia rda zasilania reaktancja zastpcza transformatora XL oraz impedancja ZF tworz obwd szeregowy, ktry dla pewnych czstotliwoci i charakteru odbiornika moe by w stanie rezonansu szeregowego. Zakadajc, e impedancja ZF reprezentuje bateri kondensatorw, wwczas w ukadzie powstaj realne warunki wytworzenia takiego rezonansu. Napicie kondensatora UC(n) wzronie ponad warto napicia sieci zasilajcej, a stopie tego wzmocnienia jest zaleny od wypadkowej rezystancji i reaktancji indukcyjnej obwodu. W przypadku baterii kondensatorw lub filtru, stwarza to realne niebezpieczestwo przecienia prdowego i napiciowego stosowanych jednostek.

Rezonans szeregowy oznacza rwno reaktancji indukcyjnej i pojemnociowej obwodu dla cile okrelonej czstotliwoci. Innymi sowy w tym stanie pracy wypadkowa impedancja obwodu jest rwna jego rezystancji, prd i napicie dla czstotliwoci rezonansowej s w fazie, a wspczynnik mocy jest rwny jeden. Czstotliwo ktowa rezonansu szeregowego okrelona jest zalenoci:

,1

r sz LC =

Obecno odbiornikw rwnolegych (szczeglnie rezystancyjnych) tumi rezonansowy wzrost prdu, w tym wikszym stopniu im wiksza jest ich moc.

Niekiedy w praktycznych ukadach moe wystpi niezamierzone dziaanie filtracyjne harmonicznych w efekcie rezonansu szeregowego wystpujcego najczciej pomidzy reaktancj transformatora i reaktancj kondensatorw przeznaczonych do kompensacji mocy biernej przyczonych do jego wtrnej strony. Moe to prowadzi w konsekwencji do przecienia kondensatorw i ich uszkodze, a z pewnoci do zwikszenia odksztacenia napicia na wtrnej stronie transformatora.

3. REZONANS RWNOLEGY

Patrzc z punktu widzenia urzdze generujcych wh, indukcyjnoci i pojemnoci schematu zastpczego tworz obwd rezonansu rwnolegego. W tym przypadku nastpuje wzmocnienie prdu w obwodzie rwnolegych impedancji zastpczych rysunek 5.

Podobnie jak w poprzednim przypadku na skutek obecnoci rwnolegych odbiornikw gwnie znaczcych rezystancji, zmniejszeniu podlega stopie wzmocnienia prdu.

Wyznaczenie wartoci impedancji zastpczych, szczeglnie impedancji rda zasilania, w rzeczywistych sieciach redniego napicia jest czsto bardzo trudne lub wrcz niemoliwe i dlatego stosowane s metody symulacyjne. W tych przypadkach utworzony model symulacyjny musi posiada wszystkie istotne dla rozwanego zagadnienia waciwoci modelowanego oryginau. W szczeglnoci jego impedancja powinna zmienia si z czstotliwoci w taki sam sposb jak orygina. Wystarczajco dobre rezultaty mona uzyska stosujc model pokazany na rysunku 6. Z reguy nie jest rozwaana pojemno doziemna poniewa w sieciach redniego napicia, gdzie dominuj linie napowietrzne, moe by ona pominita.

Schemat zastpczy przedstawiony na rysunku 6. moe by uproszczony poprzez pominicie niektrych jego elementw. Zakadajc: R = 0, XS, XC, R0 = , dla prostego obwodu zawierajcego XL i XC rzd czstotliwoci rezonansu rwnolegego wynosi:

Ksztat czstotliwociowej charakterystyki impedancyjnej Z takiego obwodu jest pokazany na rysunku 7. gdzie symbol Z(n) oznacza charakterystyk bez baterii kondensatorw, natomiast symbol Z*(n) z bateri kondensatorw.

Rys. 4. Schemat ideowy i zastpczy ukadu (dla n-tej harmonicznej), w ktrym bateria kondensatorw pracuje w obecnoci wyszych harmonicznych: U(1) ,U(n) - podstawowa i n. harmoniczna napicia zasilajcego; XL, XC - reaktancja o charakterze indukcyjnym i pojemnociowym; Z, R, L, C impedancja, rezystancja, indukcyjno i pojemno zastpcza

(1),

(1)

Cr R

L

Xn

X= rZ =

I(n) ZF(n)

Odbiornik Sie zasilajca

ZS(n)

I*(n)>I(n)

Rys. 5. Obwd w ktrym wystpuje wzmocnienie harmonicznych w warunkach rezonansu rwnolegego: I(n), I*(n) - prd n-tej harmonicznej odbiornika nieliniowego i obwodu rezonansowego; ZS(n), ZF(n) - impedancje zastpcze sieci zasilajcej i baterii kondensatorw dla n-tej harmonicznej

XL(n)

U(n)

XC(n)

Transformator, szeregowy U(1)

U(n)

ZF = f( R, L, C)

Odbiornik

R

(L)

(C)

http://epismo-aez.plhttp://epismo-aez.pl

14


www.ePISMO-AeZ.Pl


15



www.ePISMO-AeZ.Pl


Rys. 6. Przykadowy, typowy zastpczy schemat impedancyjny stosowany w analizie harmonicznej

Zmiana ktregokolwiek z parametrw obwodu powoduje zmian pooenia charakterystyk i Z(n). Najwiksza zmiana wystpuje po zaczeniu kondensatora. Wwczas charakterystyka Z(n) Z*(n) osiga maksymaln warto dla czstotliwoci rezonansowej. W takim przypadku impedancja Z*(n) wzrasta w relacji do Z(n) dla harmonicznych o rzdach n>nj , natomiast maleje dla harmonicznych o rzdach

n

16


www.ePISMO-AeZ.Pl


17



www.ePISMO-AeZ.Pl


Ich waciwoci determinuje cakowicie sprzt, do ktrego nale stanowi specyficzny odrbny problem nie bdcy przedmiotem zamieszczonych tu rozwaa. Filtry te eliminuj (redukuj warto) wh w miejscu ich powstania sprawiajc, e prd odbiornika ma bardziej zbliony do sinusoidy ksztat przebiegu czasowego. Jest to zasadniczo rne w relacji do filtrw pasywnych i aktywnych, ktre nie eliminuj harmonicznych generowanych przez odbiornik nieliniowy, lecz zapobiegaj ich rozpywowi w sieci zasilajcej.

W drugiej warstwie klasyfikacyjnej wyrniono dwa rodzaje filtrw: szeregowe i rwnolege. Jako kryterium podziau przyjto ich lokalizacj wzgldem odbiornika nieliniowego, a w zakresie realizowanej funkcji przeciwdziaanie rozpywowi lub bocznikowanie prdw harmonicznych.

Rys. 11. Schemat ideowy szeregowego i rwnolegego filtru pasywnego oraz ich charakterystyki czstotliwociowe impedancji

Podstawowymi danymi niezbdnymi dla projektowania filtru s: dane dotyczce rda wh tj. widmo amplitudowo-czstotliwociowe nieliniowego odbiornika uzyskane

na drodze pomiarowej bd na podstawie opisu technicznego filtrowanego urzdzenia, warto wymaganej ze wzgldw kompensacyjnych mocy biernej harmonicznej podstawowej itp.

dane dotyczce sieci zasilajcej tj. charakterystyka czstotliwociowa impedancji ukadu elektroenergetycznego w punkcie przyczenia filtru (PwP) - w przypadku jej braku ewentualnie moc zwarciowa wraz ze schematem i danymi technicznymi najbliszego otoczenia rozwaanego punktu przyczenia filtru, pierwotne widmo odksztacenia napicia w rozwaanym punkcie, dopuszczony warunkami zasilania wspczynnik odksztacenie napicia tHD oraz wspczynniki udziau poszczeglnych harmonicznych itp.

dane dotyczce filtru tj. miejsce jego instalacji, wybrana struktura, parametry techniczne planowanych do zastosowania elementw biernych itp.

Wszelkie rozwaania przeprowadzane s najczciej przy uwzgldnieniu nastpujcych zaoe upraszczajcych: rdo wh jest idealnym rdem prdowym, rezystancje, indukcyjnoci i pojemnoci schematu zastpczego obwodu s skupione i maj sta warto

w rozwaanym przedziale czstotliwoci. w wikszoci przypadkw przyjmuje si, e filtr obciony jest tylko podstawow harmoniczn

oraz harmoniczn, do ktrej jest dostrojony obwd jest symetryczny, co upowania do rozwaania schematw jednofazowych.

W ogromnej wikszoci przypadkw rozwaane s filtry przeznaczone do filtracji wyrnionego, wyodrbnionego odbiornika lub grupy odbiornikw. Nie jest rozwaany problem filtracji w punktach wzowych systemu, ktrego celem jest redukcja odksztacenia napicia na pewnym obszarze sieci rozdzielczej czy przesyowej.

Rysunek 10. przedstawia schemat klasyfikujcy rne rodzaje ukadw filtracyjnych stosowanych w celu ograniczenia odksztacenia prdw i napi w sieciach zasilajcych.

W pierwszej warstwie klasyfikacyjnej wyrniono podstawowe rodzaje ukadw filtracyjnych:

filtry pasywne ktrych elementami skadowymi s pasywne elementy bierne: indukcyjnoci i pojemnoci

filtry aktywne ktre zawieraj sterowane rda prdu lub napicia

filtry hybrydowe stanowice poczenie filtracji pasywnej i aktywnej. Gwnym uzasadnieniem tej konstrukcji jest ch minimalizacji kosztw instalacji filtracyjnej.

Wyrniono rwnie filtry wejciowe do ukadw energoelektronicznych. S to ukady zawierajce elementy pasywne i/lub aktywne. S instalowane jako integralna cz sprztu do filtracji ktrego s przeznaczone.

Rys. 10. Klasyfikacja rnych ukadw filtracyjnych

Filtr rwnolegy

czstotliwo

Kt f

azow

y Im

peda

ncja

-40

-20

0

20

40

10 4 10 5 10 6 -90

-45

0

45

90

czstotliwo

Kt f

azow

y Im

peda

ncja

0

50

100

150

200

10 4 10 5 10 6 -90

-45

0

45

90


18


www.ePISMO-AeZ.Pl


19



www.ePISMO-AeZ.Pl


Filtr szeregowy

Jest ukadem LC wczanym szeregowo pomidzy rdo zasilania i odbiornik. Wystpuje w nim rezonans rwnolegy dla wybranej filtrowanej harmonicznej. Dla tej harmonicznej impedancja filtru ma bardzo du warto, tym samym blokowany jest jej przepyw w sieci zasilajcej rysunek 11.

Przykadem szczeglnego rodzaju filtru szeregowego jest dawik stosowany w liniach zasilajcych. Nie jest on wprawdzie dostrojony do wybranej harmonicznej, stanowi bowiem jedynie element indukcyjny, lecz reprezentuje du (rosnc z rzdem harmonicznej) impedancj. Przykadowa charakterystyka impedancyjna filtru szeregowego jest przedstawiona na rysunku 11. Wida wyranie wzrost impedancji filtru dla wybranej blokowanej harmonicznej.

Filtry szeregowe nie s powszechnie stosowane, poniewa musz by one wymiarowane na cakowity prd obcienia, a ich izolacji na pene liniowe napicie. To czyni ten rodzaj filtru droszymi w porwnaniu z filtrami rwnolegymi.

Filtr rwnolegy

Jest przyczony rwnolegle do filtrowanego odbiornika (rys. 11.). W porwnaniu z filtrami szeregowymi przewodzi prd znacznie mniejszy od prdu odbiornika i dziki temu jest taszy. Dodatkowo prcz funkcji filtracyjnej peni take rol kompensatora mocy biernej dla podstawowej harmonicznej. Moe by dostrojony do jednej lub kilku dyskretnych harmonicznych lub pracuje w zadanym pamie czstotliwoci.

Filtry rwnolege pojedynczo i podwjnie nastrojone gwarantuj ma impedancj dla wybranych czstotliwoci rezonansu szeregowego gazi podczas gdy filtry tumione maja ma impedancj w szerokim przedziale czstotliwoci. Std ich inna nazwa filtry szerokopasmowe. Dla filtrowanej harmonicznej ich impedancja ma ma warto, dziki czemu zwiera rdo wh dla tej czstotliwoci uniemoliwiajc tym samym jej przepyw do sieci zasilajcej. Na rysunku 11. przedstawiono przykadowy przebieg czstotliwociowych charakterystyk impedancyjnych. Wida wyranie minimaln (teoretycznie zerow) warto impedancji dla wybranej filtrowanej harmonicznej1 .

Filtr rwnolegy pojedynczej harmonicznej (filtr prosty)

Schemat zastpczy oraz typowe charakterystyki impedancyjne filtru prostego oraz ukadu filtr prosty - sie zasilajca przedstawia rysunek 12. Rezystancja R jest gwnie rezystancj dawika, bowiem jej warto w przypadku kondensatorw jest praktycznie pomijalna.

Ga filtru przyczona do zaciskw odbiornika nieliniowego dostrojona do generowanej przez niego harmonicznej n-tego rzdu powoduje, e w idealnych warunkach pynie ona tylko w jego obwodzie, a nie jest obecna w sieci zasilajcej.

1) Poniewa impedancja filtru powyej jego czstotliwoci rezonansowej ma charakter indukcyjny, tym samym bocznikujc impedancj sieci zasilajcej zmniejsza spadek napicia dla tych harmonicznych, a wic redukuje odksztacenie napicia.

Filtry s najczciej projektowane tak, aby kada z filtrowanych czstotliwoci miaa swj wasny obwd filtracyjny dostrojony poprzez odpowiedni dobr wartoci indukcyjnoci i pojemnoci do rezonansu szeregowego dla wybranej czstotliwoci filtrowanej harmonicznej.

Znajc wartoci wh prdu wystpujcych w miejscu przewidywanego zainstalowania filtrw, zakada si ich eliminacj zaczynajc od najmniejszej wystpujcej harmonicznej sprawdzajc nastpnie kolejno wspczynnik odksztacenia napicia, a do uzyskania podanego ograniczenia jego wartoci.

Filtr szeregowo-rwnolegy

Niekiedy (rzadko) stosowane jest poczenie filtru szeregowego i rwnolegego. Zasadniczym celem ich dziaania jest ch poprawy skutecznoci dziaania filtru rwnolegego.

Gwne wady filtrw pasywnych

System elektoenergetyczny wraz z filtrami pasywnymi stanowi sabo tumiony ukad RLC wymagajcy na etapie projektowania uwanej analizy charakterystyk czstotliwociowych w celu wykluczenia zjawisk rezonansowych. Ju dla czstotliwoci bliskiej czstotliwoci rezonansowej nastpuje silne wzmocnienie tej harmonicznej w napiciu zasilajcych (pod warunkiem, e wystpuje pobudzenie harmoniczne w ukadzie).

Skuteczno dziaania filtru zaley bardzo silnie od impedancji systemu zasilajcego w punkcie jego przyczenia. Zwykle jej warto nie jest dokadnie znana i zmienia si wraz ze zmian konfiguracji sieci.

Filtry ulegaj rozstrojeniu na skutek zmian czstotliwoci zasilania oraz zmian wartoci elementw skadowych LC (np. w efekcie procesu starzenia kondensatorw). Negatywny tego skutek mona zredukowa midzy innymi poprzez odpowiednie dostrojenie filtru lub zmniejszenie jego dobroci. Ten ostatni sposb daje jednake wzrost strat mocy czynnej oraz wzrost nie filtrowanej harmonicznej w napiciu. Idealna filtracja za pomoc filtrw pasywnych nie jest wic moliwa szczeglnie w przypadku niestacjonarnych wh.

W prdzie filtru zawarte s rwnie wh pynce pod wpywem harmonicznych napicia rda zasilania. Moliwy jest przypadek rezonansu szeregowego filtru z impedancj systemu.

Filtrowaniu podlegaj tylko wybrane wh o dominujcych wartociach. Nie s filtrowane harmoniczne uznane za niecharakterystyczne dla odbiornika, ktre mog jednake wystpi w jego prdzie zasilajcym.

Filtry pasywne stanowi duy i kosztowny element systemw kompensacji. W przypadku filtrw pojedynczych harmonicznych ich liczba odpowiada liczbie filtrowanych wh. Stosowanie w ich miejsce filtrw wyszych rzdw obnia w praktyce skuteczno filtracji, wymaga elementw skadowych o duych mocach oraz obnia sprawno instalacji.

5. ZAKOCZENIE

Wysze harmoniczne, mimo stosowania coraz powszechniej dostpnych rodkw technicznych sucych do redukcji ich wartoci, s nadal realnym zagroeniem dla systemu elektroenergetycznego i zasilanych z niego odbiornikw. Do tych ostatnich nale w szczeglnoci baterie kondensatorw. Kondensatory s najprostszym, z technicznego punktu widzenia, rodkiem sucym do kompensacji prdu biernego. Jeeli normatywne wartoci zaburze tj. wspczynnik odksztacenia napicia i amplituda waha napicia mieszcz si w dopuszczalnych granicach, realizacja kompensacji przy uyciu staych baterii kondensatorw jest zazwyczaj uzasadniona ekonomicznie. Prezentuj bowiem szereg istotnych zalet tj.: niewielki wasny pobr mocy czynnej (mae straty), duga ywotno (przy waciwych warunkach eksploatacyjnych), prosty monta, brak potrzeby konserwacji, moliwo rozbudowy itp. Ich zastosowanie wymaga jednake rozwaenia szeregu zagroe mogcych obniy lub wrcz cakowicie wyeliminowa efekt kompensacyjny. Dobr mocy baterii kondensatorw Qk, przeznaczonych wycznie do poprawy wspczynnika mocy, powinien by przeprowadzony wnikliwie i starannie, rwnie w oparciu o charakterystyki czstotliwociowe impedancji w PWP.

Naley unika mogcych wystpi trudnoci w eksploatacji ukadu powodowanych zjawiskami rezonansowymi zwizanymi z obecnoci wyszych harmonicznych.

Rys. 12. Schemat zastpczy filtru prostego (a) oraz jego typowe charakterystyki impedancyjne: b) samego filtru, c) filtru wraz z sieci zasilajc

n

Impedancja filtru ZF

n

Impedancja filtru ZF oraz sieci zasilajcej

ZF

C (XC)

L (XL)

R

(a)

(b)

(c)


Koszt szkolenia wynosi 1437 z + 23% VAT [1767,50 brutto] i obejmuje ok. 720 min. wykadw + drukowane w postaci ksikowej materiay konferencyjne. Zakwaterowanie i wykady w Centrum Konferencyjnym i Rekreacji Orle Gniazdo

XIV konferencja naukowo-techniczna (21-22.11.2013, Szczyrk, Orle Gniazdo )Wsporganizatorzy: Wydzia Elektrotechniki i Automatyki PG, Wydzia Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki;

INTELIGENTNE SYSTEMY ELEKTROENERGETYCZNE - AUTOMATYKA ZABEZPIECZENIOWA

Koszt pobytu (obejmuje 1 nocleg, przerwy kawowe, posiki od obiadu 21.11.2013 do obiadu 22.011.2013)

1.) - przy zakwaterowaniu 1. osobowym wynosi 195 z brutto cznie ze szkoleniem 2013,51 brutto

2) - przy zakwaterowaniu 2. osobowym wynosi 175 z brutto od osoby cznie ze szkoleniem 1993,51 brutto

Koszt pobytu osoby towarzyszcej w okresie konferencji: koszt zakwaterowania + 50 z

Uwaga! 1. Prosimy o wypenienie karty zgoszenia i wysanie jej do wstpnej rezerwacji. Pen wpat naley dokona najpniej do 15.10. 2013, co jest zwizane z potwierdzeniem udziau oraz rezerwacj hotelu.2. Egzamin na wiadectwa kwalifikacyjne odbdzie si przy zgoszeniu min. 30 osb.

Wiodca tematyka:

Wykadowcy oraz Tematyka spotkania: prof. dr hab. in. Jan Popczyk Politechnika lska w Gliwicach Modele ekonomiczne do analizy inwestycji na etapie przebudowy technologiczno-spoecznej energetykiprof. dr hab. in. Waldemar Rebizant, Politechnika Wrocawska Podejmowanie decyzji w ukadach automatyki elektroenergetycznejdr in. Witold Hoppel, Politechnika Poznaska Wspczesne rozwizania zabezpiecze ziemnozwarciowych dla sieci rednich napidr in. Piotr Rzepka, Politechnika lska w Gliwicach Zabezpieczenia farm wiatrowych od skutkw przejcia do pracy wyspowej podczas zakce w SEEprof. dr hab. in. Zbigniew Lubony, Politechnika Gdaska Warunek zwarciowy Sk/Sn=20 ogranicznikiem rozwoju OZEprof. dr hab. in. Zbigniew Hanzelka Ocena indywidualnej emisji odbiornikw zaburzajcychprof. dr hab. in. Grzegorz Benysek, Uniwersytet Zielonogrski Kondycjonery energii elektrycznejmgr in. Pawe Pachecki URE wiadectwa kolorowe - aktualny stan prawny...i inni

http://infotech.gdansk.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=22&Itemid=4http://www.energetab.plhttp://www.redinpe.com

22

AUTOMATYZACJA SIECI ROZDZIELCZYCH JAKO PODSTAWOWY ELEMENT SIECI INTELIGENTNYCH - Adam BAB

www.ePISMO-AeZ.Pl


23



www.ePISMO-AeZ.Pl

SIECI INTELIGENTNE (Smart Grid) (Smart Grid) SIECI INTELIGENTNE

Distribution network automation as the key element of the Smart Grid

Abstract: Paper presents the basic features of the distribution smart grid. Fault detection, isolation and restoration function is described along with integrated volt/var control function based on the low voltage network measurements. Some requirements related with telecommunication infrastructure utilized for smart grid automation are specified. Practical example of the smart grid functions deployment is described.

Keywords: smart grid distribution network; fault detection; fault isolation, integrated volt/var control

W artykule przedstawiono podstawowe cechy sieci inteligentnych oraz te cechy ktre powoduj, e tradycyjna sie rozdzielcza moe mie charakter sieci inteligentnej. Szczegowo przedstawiono dwie funkcje inteligentnych sieci rozdzielczych tj. wykrywanie zwar, ich izolacja i przywracanie zasilania oraz funkcj regulacji napicia wykorzystujc pomiary napi w gbi sieci. Opisano rwnie wymagania jakie powinna spenia infrastruktura telekomunikacyjna, aby umoliwi realizacje funkcji sieci inteligentnych.

Przedstawiono przykad wdroenia sieci inteligentnej na Pwyspie Helskim opisujc wdroone w 2012 roku funkcje.

Sowa kluczowe: instalacje elektryczne, ochrona przeciwporaeniowa, wyczniki rnicowoprdowe

1. CO TO S SIECI INTELIGENTNE?

Obszerna literatura oraz tysice wdroe pilotaowych instalacji sieci inteligentnych (SmartGrid) upowaniaj do stwierdzenia, e desygnat tego pojcia jest trudny, jeli w ogle moliwy do zdefiniowania. Wydaje si, e jedyn czci wspln rnych definicji moe by stwierdzenie, e sie inteligenta jest to sie, ktra jest rna od tej jaka zostaa wybudowana w czasach przed masowym wdroeniem rodkw cznoci i systemw komputerowych.

W odniesieniu do sieci dystrybucyjnej cech sieci inteligentnej nadaje jej wykorzystanie w niej technik informatyczno-telekomunikacyjnych, pozwalajc zintegrowa w sposb inteligentny dziaania uczestnikw procesw wytwarzania, przesyu, dystrybucji i uytkowania energii elektrycznej w celu poprawy niezawodnoci dostaw i efektywnoci OSD oraz aktywnego angaowania odbiorcw w podnoszenie efektywnoci energetycznej. [1]

Natomiast z perspektywy odbiorcw [1] sie inteligentna ma pozwoli na zapewnienie cigych, bezpiecznych i efektywnych kosztowo usug w zakresie dystrybucji energii elektrycznej, a take stworzy moliwoci techniczne do oferowania odbiorcom nowych usug optymalizujcych uytkowanie energii oraz umoliwiajcych efektywne wczenie odbiorcw w proces wytwarzania energii.

W stosunku do tradycyjnej definicji sieci dystrybucyjnej pojcie sieci inteligentnej obejmuje nowe funkcje zwizane z monitorowaniem, sterowaniem i gromadzeniem danych, ktre dotychczas byy i s wykonywane w sieci dystrybucyjnej w niewielkim zakresie. Jej innowacyjno polega wic w znacznej mierze na integracji wielu stosowanych do tej pory technologii, take tych, ktre s w pocztkowej fazie rozwoju. Integracja ta dotyczy bdzie wykorzystania w ramach jednej sieci rozwiza z takich dziedzin jak informatyka i telekomunikacja, energoelektronika. Dotychczasowa infrastruktura sieciowa tj. linie i stacje energetyczne zostanie wyposaona w nowoczesne ukady pomiarowe i urzdzenia automatyki oraz urzdzenia komunikacyjne i transmisji danych. Tak zintegrowan struktur zarzdza bd dedykowane systemy informatyczne umoliwiajce realizacj procesw sterowania i automatyki.

2. NOWE ZADANIA SIECI INTELIGENTNYCH W SIECIACH ROZDZIELCZYCH

Sprostanie wymogom stawianym przez polityk Unii Europejskiej i wyznaczonym celom do roku 2020 wymaga bdzie znacznej zmiany istniejcej infrastruktury sieci elektroenergetycznych[2]. Wymagania te wynikaj z rosncego udziau generacji rozproszonej, w tym ze rde odnawialnych, koniecznoci poprawy bezpieczestwa i pewnoci zasilania, rozwoju rynku energii elektrycznej oraz koniecznoci poprawy efektywnoci energetycznej i oszczdzania energii. Spenienie tych celw powinno nastpi nie tylko poprzez budow nowych linii i stacji elektroenergetycznych, ale przede wszystkim poprzez przeksztacenie istniejcych sieci w sieci inteligentne z wykorzystaniem rozwiza z dziedziny techniki informatycznej i telekomunikacyjnej. Rwnolegle z przeksztaceniami sieci w sferze infrastruktury powinny postpowa zmiany w dziedzinie uregulowa prawnych oraz zachowa odbiorcw energii stymulowane poprzez nowe moliwoci oferowane poprzez sieci inteligentne.

Sie elektroenergetyczn mona klasyfikowa ze wzgldu na poziom napicia (sie najwyszych, wysokich, rednich i niskich napi) oraz ze wzgldu na funkcj jak dany fragment sieci spenia w caym systemie elektroenergetycznym. Mona zatem w warunkach krajowych mwi o sieci przesyowej o napiciu 220 kV i 400 kV sucej do przesyu energii w skali kraju oraz sieci dystrybucyjnej o napiciu od 0,4 kV do 110 kV. Obecnie sie redniego napicia tylko w niewielkim stopniu wyposaona jest w moliwoci jej monitorowania i sterowania cznikami w niej zainstalowanymi. Funkcjonalno ta dotyczy gwnie punktw transformacji WN/SN. Koncepcja sieci inteligentnych [3] zakada wprowadzenie zdalnego sterowania i monitorowania do wybranych punktw w gbi sieci SN oraz zautomatyzowanie procesw wykonywanych dotychczas przez dyspozytora i brygady pogotowia energetycznego. Do wybranych punktw sieci SN nale: punkty zasilajce (PZ), rozdzielnie sieciowe (RS), zcza kablowe (ZK), rozczniki supowe, stacje transformatorowe SN/nn.

Przeksztacenie obecnych sieci rozdzielczych w sieci inteligentne ma na celu gwnie popraw niezawodnoci zasilania odbiorcw energii elektrycznej, rozumianej jako zdolno zapewnienia cigoci dostaw. Dla ilociowej oceny tej niezawodnoci stosuje si kilka wskanikw takich jak:

SAIDI (ang. System Average Interruption Duration Index) wskanik przecitnego systemowego czasu trwania przerwy dugiej (do 12 godz.) i bardzo dugiej (do 24 godz.),

SAIFI (ang. System Average Interruption Frequency Index) wskanik przecitnej systemowej czstoci przerw dugich i bardzo dugich,

MAIFI (ang. Momentary Average Interruption Frequency Index) wskanik przecitnej czstoci przerw krtkich.

Wdroenie sieci inteligentnych zwizane jest midzy innymi z wyposaeniem tych sieci w moliwo realizacji nastpujcych funkcji:

automatyczne wykrywanie zwar w sieci SN, ich izolacja i przywracanie zasilania bez udziau operatora, regulacja napicia uwzgldniajca pomiary napi na obszarze zasilanym z danego transformatora, optymalizacja strat zwizana m.in z optymaln lokalizacj i dynamiczna zmian punktw podziau sieci

zarwno w sieci SN jak i nn.

Przebudowa sieci rozdzielczych w kierunku sieci inteligentnych poprzez wzrost jej obserwowalnoci polegajcy na instalacji urzdze pomiarowych, kontrolnych i sterowniczych w gbi sieci umoliwi realizacj nastpujcych funkcji:

planowanie rozbudowy sieci w oparciu o aktualne dane obcie, pochodzce rwnie z systemu inteligentnego opomiarowania,

obliczanie rozpyww i mocy zwarciowych w sieci SN, wykorzystanie istniejcej infrastruktury sieciowej w czasie normalnej pracy i podczas likwidacji awarii

wykorzystujc dane o aktualnym obcieniu i obcieniu przed wystpieniem awarii, wybr miejsca przyczenia dodatkowych rde energii, umoliwiajcy zmniejszenie strat energii.

Z punktu widzenia niezawodnoci zasilania, kluczowym elementem automatyzacji sieci SN jest automatyzacja przecze w sieci SN oraz wykrywanie miejsca zwarcia. Powszechna instalacja ukadw monitorujcych przepywy prdw zwarciowych z komunikacj do centrum dyspozytorskiego oraz rozcznikw sterowanych zdalnie w sieci SN, zwizana z kompleksow automatyzacj i monitorowaniem sieci, pozwoli na szybkie wykrycie miejsca zwarcia,

Automatyzacja sieci rozdzielczych jako podstawowy element sieci inteligentnych

mgr in. Adam BAB Instytut Energetyki Oddzia Gdask, e-mail: [email protected]

http://www.epismo-aez.plhttp://epismo-aez.plhttp://epismo-aez.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=325http://epismo-aez.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=325

24


www.ePISMO-AeZ.Pl


25



www.ePISMO-AeZ.Pl


wydzielenie uszkodzonego odcinka oraz przywrcenie zasilania czci odbiorcw, co znaczco zmniejszy wartoci wskanikw SAIDI i SAIFI.

3. WYKRYWANIE ZWAR, ICH IZOLACJA I PRZYWRACANIE ZASILANIA FUNKCJA FDIR1)

Podstawowym zadaniem dziaajcego w czasie rzeczywistym algorytmu lokalizacji uszkodze sieci SN i rekonfiguracji sieci jest wydzielenie uszkodzonego odcinka sieci oraz przywrcenie zasilania odbiorcom zasilanym z odcinkw linii nieobjtych uszkodzeniem. Algorytm bazuje na nastpujcych danych (sygnaach wejciowych), zbieranych w czasie rzeczywistym:

stan cznikw zdalnie sterowanych sygnalizacja przepywu prdu zwarciowego z sygnalizatorw zwar pomiary prdw z linii objtych takim pomiarem moce transformatorw SN/nn obcienia linii SN w GPZ/PZ (prdy, moc) stan cznoci z obiektami zdalnie sterowanymi stan zasilania obiektw sterowanych pobudzenie, zadziaanie zabezpiecze w GPZ/PZ, liczba cykli SPZ do wykonania po awaryjnym wyczeniu

linii dziaanie automatyki SPZ w GPZ/PZ (automatyka samoczynnego ponownego zaczenia kontrolujca,

czy zwarcie ma charakter przejciowy czy trway).

Sformuowany powyej w sposb opisowy algorytm funkcji FDIR moe zosta opisany w formie operacji na macierzach, tak by eliminacja uszkodzonego odcinka i okrelenie nowej konfiguracji byo w peni zautomatyzowane [4]. Punktem wyjciowym dla sformuowania takiego algorytmu jest zapis w postaci macierzowej aktualnego ukadu pocze sieci (macierz pocze L), wektora opisujcego przepyw i kierunek prdu zwarciowego (wektor G) oraz macierzy opisujcej pooenie cznikw sterowanych (macierz Q).

Macierz pocze L jest macierz kwadratow o rozmiarze odpowiadajcym iloci gazi i wzw w rozpatrywanym obszarze sieci SN. Elementy tej macierzy przyjmuj nastpujce wartoci:

=011

ijl

wze i poczony z gazi j w kierunku i

wze i poczony z gazi j w kierunku przeciwnym do i

wze i ga j nie poczone

Macierz Q opisujca pooenie cznikw sterowanych jest macierz kwadratow o rozmiarze odpowiadanym iloci gazi i wzw w rozpatrywanym obszarze sieci SN. Elementy tej macierzy przyjmuj nastpujce wartoci:

=01

ijqwze i poczony z gazi j

wze i ga j nie poczone

Wektor G opisujcy przepyw prdu zwarciowego i jego kierunek o rozmiarze odpowiadajcym iloci gazi ma warto 1 w elementach w ktrych wykryto przepyw prdu zwarciowego. Uszkodzona ga moe zosta zidentyfikowana jako wynik operacji mnoenia macierzy G i L jako wektor P w ktrym warto 1 odpowiada bdzie uszkodzonej gazi.

Mnoc macierz Q opisujc pooenie cznikw sterowanych przez wektor P otrzymamy wektor D wskazujcy elementy czniki zdalnie sterowane, ktre naley otworzy aby wyizolowa uszkodzon ga.

1) FDIR ang. Fault Detection, Isolation & Restoration

Rys. 1 Schemat sieci SN ze zwarciem w linii 2

Dla fragmentu sieci SN (rys. 1) zasilanej z GPZ skadajcej si z 7 linii, 7 cznikw oraz zwarcia w linii 2 odpowiednie macierze opisujce ukad pocze - macierz L, pooenie cznikw macierz Q oraz wektor G opisujcy przepyw prdu zwarciowego przyjmuj nastpujce wartoci:

=

1000100010001000100010001100000011000000110000001

L

=

1000000010000000100000001000100110001001100010011

Q

[ ]0000011=GWynik mnoenia macierzy G i L - wektor P = G L wskazuje uszkodzon ga (warto 1 na drugiej pozycji)

[ ]0000010=PWynik mnoenia macierzy Q i P - wektor D = Q P wskazuje czniki zdalnie sterowane, ktre naley otworzy aby wyizolowa uszkodzon ga (wartoci 1 na odpowiednich pozycjach).

[ ]0100110=D

4. ZWIKSZENIE OBSERWOWALNOCI SIECI I OBSZAROWA REGULACJA NAPICIA

Zwikszenie obserwowalnoci sieci, rozumiane jako monitorowanie sieci w stopniu wystarczajcym do oceny jej stanu z poziomu dyspozycji ruchu OSD pozwala na wdroenie takich funkcji, jakie nie s moliwe do realizacji w sieciach tradycyjnych. Na przykad dostpno pomiarw parametrw sieci (napicia) w punktach w gbi sieci SN i nn, zasilanych z transformatora wyposaonego w podobcieniowy przecznik zaczepw, pozwala zrealizowa algorytm regulacji wykorzystujcy te pomiary.

Algorytm regulacji z kompensacj spadku napicia na wielu liniach zasilajcych, tj. algorytm MLDC (ang. Multi Line Drop Compensation), pozwala na uwzgldnienie zrnicowania obcie poszczeglnych linii zasilajcych oraz oddziaywania lokalnej generacji. Tak wyznaczona przekadnia transformatora (pozycja przecznika zaczepu) zapewnia utrzymanie napicia u odbiorcw w dopuszczalnych granicach na wszystkich liniach zasilajcych. Dodatkow zalet takiego algorytmu jest zmniejszenie liczby przecze zaczepw, przy niskich wspczynnikach obcienia i duych spadkach napicia. Algorytm wykorzystuje funkcj celu, bdc sum kwadratw odchyle napicia maksymalnego i minimalnego w kadej z linii zasilajcych, od wartoci znamionowej napicia. Wartoci minimalne i maksymalne wyznaczane s na podstawie modelu sieci rozdzielczej oraz pomiarw pochodzcych z tej sieci dla rnych pooe przecznika zaczepw. Proces optymalizacyjny polega na wyborze takiego pooenia przecznika zaczepw, przy ktrym funkcja celu J osiga warto najmniejsz.

http://www.epismo-aez.plhttp://epismo-aez.pl

26


www.ePISMO-AeZ.Pl


27



www.ePISMO-AeZ.Pl


( ) ( )[ ]=

+=N

iii UUUUJ

1

2min,nom

2nommaks,

gdzie:

N liczba linii zasilajcych odbiorcw z danego GPZ

U i,max maksymalne napicie odbiorcy na i-tej linii zasilajcej (napicia po stronie nn stacji SN/nn)

U i,min minimalne napicie odbiorcy na i-tej linii zasilajcej (napicia na dolnych szynach stacji SN/nn, od ktrego naley odj moliwy spadek pomidzy transformatorem SN/nn a licznikiem energii elektrycznej u najdalszego odbiorcy)

U nom napicie nominalne sieci nn.

Zastosowanie algorytmu MLDC umoliwia bezpieczne zanianie napicia w celu obnienia poboru mocy CVR (ang. Conservative Voltage Reduction), prowadzce do redukcji zapotrzebowanie na energi elektryczn u odbiorcw. Jest to jeden z rodzajw sterowania popytem DR (ang. Demand Responce), realizowanego w sieciach inteligentnych. Funkcja CVR pozwala zmniejszy zapotrzebowanie na energi poprzez obnienie napicia zasilania urzdze, jak rwnie zwikszy zapotrzebowanie poprzez podwyszenie napicia. Istotna jest kontrola nad sytuacj napiciow w caym obszarze zasilanym z danego transformatora, a do odbiorcw kocowych. Tym sposobem moliwe jest zmniejszenie zapotrzebowania na moc czynn o 2% do nawet 3,5% oraz zmniejszenie zapotrzebowania na moc biern o 4% do 10%, co moe si przeoy na oszczdnoci energii od 1% do 3%.

Niezalenie od regulacji napicia w sieci, wykorzystujc pomiary napi i prdw w sieci SN, mona znale tak konfiguracj, przy ktrej straty w sieci bd najmniejsze. Wie si to ze zmian punktu rozcicia sieci, tj. dostosowywaniem miejsca podziau sieci do zmieniajcych si obcie sieci.

5. INFRASTRUKTURA TELEKOMUNIKACYJNA

Wybr techniki cznoci dla realizacji funkcji sieci inteligentnych jest zadaniem zoonym. Rozproszenie urzdze i znaczna liczba urzdze wymagajcych wymiany informacji powoduj, e najwaciwszym medium transmisyjnym jest sie radiowa.

Komunikacja z urzdzeniami pomiarowymi i sterowniczymi w sieci inteligentnej powinna dziaa niezalenie od stanu sieci SN, w szczeglnoci powinna by odporna na uszkodzenia tej sieci, takie jak zwarcia doziemne i midzyfazowe lub te uszkodzenia mechaniczne przewodw. Komunikacja pomidzy wykorzystujca technik PLC (ang. Power Line Communication komunikacja wykorzystujca przewody sieci elektroenergetycznej jako medium komunikacyjne) za pomoc sieci SN, moliwa do wykorzystania dla transmisji danych w systemach inteligentnych pomiarw (system AMI), nie spenia powyszych wymaga. Z tego wzgldu uzasadnione jest wykorzystanie w sieciach inteligentnych komunikacji bezprzewodowej.

Jeli w systemie AMI transmisja pomidzy urzdzeniami kocowymi sieci WAN zainstalowanymi w GPZ a koncentratorami zainstalowanymi na stacji SN/nn bdzie realizowana przy wykorzystaniu techniki bezprzewodowej (WiMAX, GPRS, CDMA, UMTS, LTE), to sie ta sama technika moe by uywana do komunikacji z urzdzeniami automatyki sieci SN. W tej sytuacji istotne jest to, e ruch telekomunikacyjny zwizany z obsug urzdze automatyki w sieci SN jest znaczco mniejszy od ruchu zwizanego z realizacj AMI, w zwizku z czym docienie sieci wykorzystywanej na potrzeby AMI ruchem zwizanym z realizacj automatyzacji sieci SN jest moliwe i nie wpynie na pogorszenie jakoci funkcjonowania AMI.

czno radiowa wykorzystywana do sterowania w sieciach rozdzielczych powinna dziaa niezawodnie zwaszcza w sytuacji masowych awarii tej sieci spowodowanych warunkami atmosferycznymi (wichury). Dostawca usugi cznoci powinien zapewni dziaanie takiej sieci w warunkach, gdy cz jego infrastruktury (stacje bazowe) bdzie pozbawiona zasilania podstawowego przez czas do kilkunastu godzin

6. PRZYKAD WDROENIA SIECI INTELIGENTNEJ NA PWYSPIE HELSKIM

Wdroenie sieci inteligentnej na Pwyspie Helskim zostao poprzedzone opracowaniem koncepcji budowy i funkcjonowania takiej sieci, opracowaniem algorytmw sterowania sieci oraz badaniami modelowymi. Prace te [5] pozwoliy na zdefiniowanie zakresu wdroenia dowiadczalnej instalacji sieci inteligentnej na Pwyspie Helskim. Instalacja dowiadczalna wdroona i uruchomiona w 2012 roku dotyczy nastpujcych zagadnie [6]:

1. Opracowanie i wdroenie w Regionalnej Dyspozycji Mocy Oddzia Gdask oprogramowania do zarzdzania sieci dystrybucyjn oprogramowanie Syndis DMS. W ramach budowy sytemu DMS wdroone zostan nastpujce funkcje:

a) wykrywanie, lokalizacja zwar oraz automatyczna rekonfiguracja sieci funkcja FDIR opisana w rozdziale 3,

b) regulacja napicia poprzez zdalne zadawanie wartoci zadanej napicia dla dwch regulatorw transformatorw 30/15 kV w PZ Jurata. Do wyznaczania wartoci zadanych dla regulacji napicia wykorzystano pomiary w stacji PZ Jurata oraz pomiary zlokalizowane w gbi sieci, w stacjach 15/0,4 kV po stronie nn,

2. Wyposaenie sieci dystrybucyjnej SN i nn na Pwyspie Helskim w urzdzenia i czujniki umoliwiajce realizacj wybranych funkcji DMS

Wdroenie to zwizane byo z wykonaniem nastpujcych prac:

Prace software

Projekt rozbudowy systemu dyspozytorskiego SYNDIS w RDM w Gdasku i budowy nowego moduu SCADA DMS w zakresie:

doczenia nowych stacji SN/nn na pwyspie wraz z uwidocznieniem elementw telesterowania, telepomiarw i telesygnalizacji w sieci SN i nn

interfejsu do wymiany danych z AMI, SID na podstawie modelu CIM moduu Syndis-DMS (funkcje FDIR, regulacji napicia) wykonanie rozbudowy i oprogramowanie moduu DMS.

Instalacja urzdze na pwyspie

a) Modernizacja i wyposaenie stacji SN/nn w zakresie: wyposaenie stacji wntrzowych w telesterowanie i sygnalizatory zwar 9 stacji wyposaenie stacji wntrzowych w telesterowanie i ukady pomiarowe 8 stacji wyposaenie stacji wntrzowych niesterowanych w sygnalizatory zwar 45 stacji

b) Instalacja urzdze monitorujcych rozdzielni nn (10 rozdzielni) w zakresie: projekt techniczny, dostawa i monta urzdze, uruchomienie.

7. WNIOSKI

Automatyzacja sieci SN moe sta si w nadchodzcych latach jednym z waniejszych wyzwa, przed ktrym stan operatorzy sieci rozdzielczych w kraju. Porwnujc wspczynniki niezawodnoci dostaw energii SAIDI w kraju ze wspczynnikami w wielu krajach Unii Europejskiej stwierdzamy kilkukrotn rnic tych wspczynnikw na niekorzy polskiej energetyki. W Polsce wspczynnik SAIDI wynosi okoo 300 min/rok, a w krajach UE poniej 60 min/rok. Przewiduje si, e dziaania podejmowane przez OSD, stymulowane bodcami finansowymi wprowadzanymi przez regulatora systemu elektroenergetycznego (URE), doprowadz do znacznej poprawy tych wskanikw.

Automatyzowane stacje transformatorowe w sieci kablowej i czniki w sieci napowietrznej naley wyposaa w ukady zdalnego sterowania oraz wykrywania i sygnalizacji przepywu prdu zwarciowego. Wstpne szacunki wskazuj, e w sieci kablowej co trzecia stacja powinna by wyposaona w moliwo zdalnego sterowania, natomiast w sieci napowietrznej co pity cznik napowietrzny. Ponadto znaczc liczb stacji wntrzowych (okoo 90% wszystkich stacji) naley wyposay w ukady wykrywania zwar i przesyu informacji do centrum dyspozytorskiego W niektrych lokalizacjach wskazane jest instalowanie bardziej rozbudowanych ukadw, obejmujcych pomiary prdw, mocy oraz napi.

http://www.epismo-aez.plhttp://epismo-aez.pl

28


www.ePISMO-AeZ.Pl


29



www.ePISMO-AeZ.Pl


+

CAA STRONA NA REKLAM

WASZEJ FIRMY

Realizacja instalacji pilotaowej na Pwyspie Helskim jest pierwsz w krajowej energetyce prb praktycznego wdroenia i weryfikacji nowych technik z dziedziny sieci inteligentnych. Oczekuje si, e relatywnie niewielki zakres wdroenia, zwaszcza w odniesieniu do instalacji generacji rozproszonej, pozwoli po zrealizowaniu instalacji pilotaowej i wdroeniu przewidzianych funkcjonalnoci na zebranie dowiadcze i wycignicie wnioskw co do dalszych kierunkw rozwoju tego typu rozwiza [7].

W szczeglnoci interesujce bd dowiadczenia z praktycznej realizacji algorytmw, zwizanych z lokalizacj miejsca zwarcia i zmian konfiguracji sieci oraz monitorowania sieci nn, ktre najprawdopodobniej bdzie skutkowao zauwaalnym podniesieniem poziomu niezawodnoci sieci. Nie bez znaczenia bd rwnie dowiadczenia praktyczne z eksploatacji systemu regulacji napicia IVVC.

Kluczowe znaczenie dla realizacji sieci inteligentnej bdzie miaa niezawodna i szybka sie wymiany informacji. Moliwa bdzie szybsza identyfikacja awarii i jej przyczyn, wczeniejsze jej usunicie, a ostatecznie zmniejszenie czasu ich trwania.

Niezalenie od wdraania nowych technologii z obszaru sieci inteligentnych, kontynuowane musz by dziaania zwizanie z rozbudow sieci dystrybucyjnej 110 kV. Nowa i modernizowana infrastruktura powinna by dostosowana do wymaga sieci inteligentnej [1].

BIBLIOGRAFIA[1] Wizja wdroenia sieci inteligentnej w ENERGA-OPERATOR SA, w perspektywie do 2020 roku, wrzesie 2011

[2] Smart Grid projects in Europe: lessons learned and current developments. European Commission, Joint Research Centre, Institute for Energy lipiec 2011

[3] Koncepcja rozwoju automatyzacji sieci SN z uwzgldnieniem rozwoju tych sieci w kierunku Sieci Inteligentnych, Opracowanie IEn nr OG/82a/2011, sierpie 2011.

[4] WANG Hui i wsp., A Fault Detection and Isolation Algorithm for Distribution Systems containing Distributed Generations, Referat nr 1760, konferencja APAP, Pekin, padziernik 2011.

[5] Opracowanie koncepcji budowy i wdroenia rozwiza Smart Grid w sieci ENERGA-OPERATOR SA na Pwyspie Helskim, Opracowanie IEn, grudzie 2011.

[6] Bab A.: Smart Grid Hel peninsula pilot project in DSO Energa network ideas and application, konferencja Smart Metering Central and Eastern Europe 2011, Warszawa 1718 maja 2011.

[7] Noske S., Widelski G., W kierunku Smart Grid pilotaowy projekt Inteligentny Pwysep, Acta Energetica nr 3/2011.

Miejsce na Twoj reklam

ReKlAMA

http://www.epismo-aez.plhttp://epismo-aez.plhttp://epismo-aez.pl/images/stories/reklama-2013-1.pdfhttp://www.sep.gda.pl

30

ZNACZENIE I MIEJSCE ENERGOELEKTRONIKI W ROZWOJU SMART GRID - Ryszard STRZELECKI

www.ePISMO-AeZ.Pl


31



www.ePISMO-AeZ.Pl


The place of power electronics in the development of Smart Grid

Abstract: The paper discusses the potential of power electronics (PE) arrangements in Smart Grid applications. Solutions presented throughout the paper deliver arguments for broader use of the PE and further research to improve the current solutions. Industrial solutions or prototypes applicable to power electronics demonstrate the potential of Polish R&D units. Keywords: power electronics, smart grid, converters, power interfaces, power control and conditioning

W artykule omwiono obszar zastosowa i potencja ukadw/urzdze energoelektronicznych (UE) w aplikacjach Smart Grid. Przedstawione rozwizania wskazuj na zasadno szerszego stosowania UE oraz dalszych prac nad ich doskonaleniem i aplikacjami. Moliwo wykorzystania w tym celu potencjau krajowego ilustruj zrealizowane rozwizania przemysowe i prototypowe, dedykowane lub z moliwoci adaptacji do elektroenergetyki.

Sowa kluczowe: energoelektronika, smard grid, przeksztatniki, sprzgi energetyczne, sterowanie i kondycjonowanie mocy,

WPROWADZENIE

Charakterystyczn cech zmian zachodzcych w elektroenergetyce jest przesunicie ciaru prowadzonych dziaa z obszaru wytwarzania energii w kierunku jej dystrybucji i zarzdzania. To oraz inwestycje w rda odnawialne wymuszaj zarazem potrzeb istotnych i szybkich przeksztace. W szczeglnoci, priorytetem staje si przebudowa infrastruktury z wielkoskalowej na rozproszon, tj. w kierunku sieci inteligentnych. Wymaga to jednak, jeszcze, po pierwsze, usunicia wielu barier organizacyjnych, prawnych i mentalnych, i po drugie, szerokiego wdroenia i rozwoju nowoczesnych technologii, cznie z dostarczeniem wiedzy pozwalajcej na waciw ocen ich moliwoci przez decydentw. Tylko w takim kompleksie bdzie moliwa realizacja elastycznych systemw przesyu, dystrybucji, odbioru, generacji rozproszonej i magazynowania energii, ktre wykorzystujc na ronych poziomach liczne sterowniki przepywu mocy i kondycjonery energii oraz urzdzenia pomiarowe i komunikacji nabieraj cech sieci inteligentnych (rysunek 1).

Celem oglnym referatu jest przedstawienie potencjau urzdze energoelektronicznych (UE) w odniesieniu do infrastruktury Smart Grid ze szczeglnym uwzgldnieniem ich miejsca, roli i moliwoci aplikacyjnych. Dodatkowym celem jest zaprezentowanie wybranych nietypowych rozwiza praktycznych, ilustrujcych czciowo moliwoci krajowego potencjau naukowo-technicznego, zaprezentowanie idei niekonwencjonalnego sprzgu energoelektronicznego zwanego Smart Transformer, oraz tematyki aktualnie prowadzonych bada.

Miejsce urzdze energoelektronicznych w systemie dystrybucyjnym(SD)

Obszar zastosowa UE w SD mona oglnie podzieli na trzy obszary: a) sterowanie przepywem mocy, b) kondycjonowanie energii (poprawa jakoci dostawy/odbioru energii elektrycznej), c) sprzganie systemw. Czsto przy tym jedno i to samo UE moe by stosowane w dwch lub nawet we wszystkich trzech obszarach.

Zasadniczo wyrnia si dwie komplementarne technologie sterowania przepywem mocy: a) z przetwarzaniem na prd stay - ukady H(M,L)VDC; b) bezporednie - ukady FACDS. Oglne porwnanie tych technologii ilustruje rysunek 2. Zalet ukadw typu H(M,L)VDC jest moliwo przesyu energii midzy systemami o rnych czstotliwociach i wykorzystania szyny DC do pocze wieloterminalowych. Wspczesne rozwizania (z cznikami wyczalnymi) cechuj si przy tym zarwno wysok jakoci energii elektrycznej na wejciu i wyjciu jak i

wystarczajco wysok dynamik regulacji. Ponadto, nie ma potrzeby stosowania filtrw biernych o duych gabarytach, tak jak ma to miejsce dla ukadw z tyrystorami klasycznymi SCR. Wad ukadw H(M,L)VDC jest natomiast dua moc gabarytowa1), wynikajca z przepywu przez przeksztatniki caej mocy z jednego systemu do drugiego, co wpywa na cen. Natomiast w ukadach typu FACDS, takich jak:

kompensatory rwnolege SVC (Static Var Compensator) oraz StAtCOM (Static Synchronous Compensator), kompensatory szeregowe tCSC (thyristor Controlled Series Compensator), tSSC (thyristor Switched

Series Compensator) oraz SSSC (Static Synchronous Series Compensator, przesuwniki fazowe SPS (Static Phase Shifter) czy zunifikowane sterowniki przepywu mocy UPFC (Unified

Power Flow Controller),

tylko cz mocy przepywa przez przeksztatniki. Urzdzenia FACDS nadaj si jednak do sterowania przepywem mocy tylko midzy systemami AC o jednakowej czstotliwoci.

Znacznie wiksza rnorodno UE i technologii ich sterowania wystpuje w systemach magazynowania i odbioru energii elektrycznej oraz w systemach generacji z OZE. W tych systemach przeksztatniki/sterowniki energoelektroniczne s stosowane, oglnie, do:

dopasowania parametrw i sprzgania zasobnikw energii z lini zasilajc, oraz sterowania wymian energii pomidzy zasobnikami a lini (rysunek 3a),

poprawy jakoci zasilania i odbioru energii elektrycznej w tym, midzy innymi: dopasowania poziomw oraz kompensacji zapadw i chwilowych wzrostw, a take niesymetrii i odksztace napicia zasilajcego, oraz kompensacji odksztace, niesymetrii i przesuni fazowych prdu odbiornika (rysunek 3a)

1) Moc pozorna wskazujca na mas urzdzenia

Znaczenie i miejsce energoelektroniki w rozwoju smart grid

prof. dr hab. in. Ryszard StRZeleCKIAkademia Morska w Gdyni, ul. Morska 81-87, 81-225 Gdynia , [email protected] Elektrotechniki, ul. Poaryskiego 28, 04-703 Warszawa

DG

OperatorSEE

ES

UPFC

UPQC

DGUPS

Smart Metering

Szyna DC

Bilansowanieenergii

FunkcjaUPS

Kondycjonowanieenergii

Sterowanieprzepywem

mocy

Poczenie DG

Bilansowanie energiiLokalne sterowanie

czstotliwoci

KomunikacjaZdalne sterowanie

Rys. 1. Smart Grid jako poczenie rnych systemw elektroenergetycznych ze sterownikami przepywu mocy

i kondycjonerami energii oraz urzdzeniami pomiarowymi i komunikacji


32


www.ePISMO-AeZ.Pl


33



www.ePISMO-AeZ.Pl


dopasowania parametrw i sprzgania rozproszonych rde alternatywnych/odnawialnych z lini zasilajc lub lokalnym odbiorc sterowania poborem energii z tych rde (rysunek 3b),

Rysunek 4 ilustruje najwaniejsze obszary zastosowa UE w SEE, na rnych poziomach mocy.

Rys. 2. UE w systemach dystrybucji prdem staym (a) i przemiennym (b)

Rys. 3. UE w systemach magazynowania i odbioru energii elektryczne (a) oraz w systemach generacji z OZE (b)

W zwizku z rozwojem OZE (dotyczy gwnie energetyki wiatrowej oraz ogniw PV) jednym z waniejszych zagadnie w SD staje si zastosowanie odpowiednich zasobnikw energii i waciwych im UE. Celem jest poprawa dyspozycyjnoci OZE, tj. zagodzenie lub nawet wyeliminowanie wpywu warunkw zewntrznych (pogodowych) na moc chwilow dostarczan do systemu/odbiorcy. Jako zasobniki najczciej i tradycyjnie stosowane s akumulatory elektrochemiczne . Siga si jednak take i po inne moliwoci, np. koa zamachowe gromadzce energi kinetyczn. Przykad zasobnika kinetycznego, wykonanego w postaci kontenera, przedstawia rysunek 5. Niedue zasobniki wysokoobrotowe s doczone do wewntrznej linii DC przez przeksztatniki AC-DC, a dopiero potem przez przeksztatnik DC-AC do linii AC. To rozwizanie, ze wzgldu na mniejszy moment bezwadnoci pojedynczego zasobnika, cechuje wysoka dynamika i prosta moliwo jej dalszego podwyszenia. W tym celu stosuje si dodatkowy zasobnik akumulatorowy lub/i kondensatorowy w linii DC. Naley przy tym zaznaczy, e najwiksze trudnoci w wykonaniu nowoczesnego zasobnika kinetycznego wi si nie z energoelektronik, a z technologi wysokoobrotowego koa zamachowego (6000090000 obrotw/min). Na rysunku 5 przedstawiono take przykad wykorzystania zasobnika do kompensacji

pulsacji mocy czynnej wywoanych wahaniami energii wiatru. Stopie kompensacji zaley od pojemnoci i waciwoci dynamicznych zasobnika oraz zastosowanego algorytmu sterowania. To z kolei wpywa na moc przeksztatnika, ktrego typ wybiera si z uwzgldnieniem dwukierunkowego przepywu energii i rodzaju zasobnika. Moc przeksztatnika zaley take od jego funkcji dodatkowych, np. zdolnoci kompensacji mocy biernej.

Rysunek 5. Przykad kontenerowego zasobnika energii i jego zastosowania do kompensacji pulsacji mocy farmy wiatrowej

Wybrane rozwizania krajowych UE duej mocy.

Uwzgldniajc tendencj i konieczno rosncego udziau nowoczesnych UE w SD, zwizan z budow infrastruktury Smart Grid i jednoczenie potrzeb optymalnego wykorzystania istniejcej infrastruktury elektroenergetycznej, w ostatnich latach w kraju prowadzono szereg ukierunkowanych prac badawczo-wdroeniowych. W ich wyniku i z myl o aplikacjach SD, z udziaem autora powstay przedstawione poniej rozwizania prototypowe.

Szyn

aD

C

f=va

rU

=var

F=va

r

Dopasowujce/sprzgajce UE z obwodem poredniczcym DCHVDC - Hight Voltage Direct Current, M(Medium)VDC, L(Low)VDC

PrzeksztatnikDC-AC

PrzeksztatnikDC-AC

PrzeksztatnikDC-DC

PrzeksztatnikDC-DC

UAC(1)

UAC(N)

UDC(1)

UDC(M)

U=v

ar

Linia AC o:

FACDS Flexible Alternating Current Distribution System

Rne typy UEprzeksztatnikw

sterownikw

- kontrolowanej wymianie mocy- wyszej zdolnoci przesyowej

a) b)

Linia AC

* kW ~ * MW

Automatyzacjaprocesw/odbiorca

przemysowy

Nis

ka ja

ko

ener

gii

UEprzeksztatniki,

sterowniki, czniki, inne

*0 kW ~ *0 MW

UEprzeksztatniki

Inne

Zasobniki kinetyczne

Zasobnikinadprzewodnikowe

Superkondensatory

Baterie(akumulatory)

Magazynowanie energii Odbir energii

Wys

oka

jako

en

ergi

i

a)

b)

Rys. 4. Obszary zastosowa UE w SD: 1 instalacje wiatrowe, 2 zasobniki energii, 3 systemy zasilania ze rde niskonapiciowych, 4 sprzgi sieciowe, 5 ukady poprawy jakoci energii, 6 ukady sterowania przesyem energii

Staoprdkociowy turbogeneratorkomutatorowy

Sprzg DC N (MVDC)

Sie lokalna

Sprzg DC WN(HVDC)

Rozrusznikturbiny

gazowejKompensator

FC/TCR

Przeksztatniksieci trakcyjnej

4 Kom

pens

ator

STA

TCO

M Sterownik UPFC

5

Sie 2, f2Sie 1, f1

5

4

SM

ExST SG

Zasobnikszczytowo-pompowy Zasobnik

nadprzewodnikowy(SMES)

2

DFM

Zasobnikkinetyczny

2S/P-APF,UPQC, DVR

5

Ogniwo PV

OgniwoakumulatoroweG

ener

ator

yst

aop

rdk

oci

owe

Gen

erat

ory

zmie

nnop

rdk

oci

owe

Sie lokalna

1

IG

IG

SG

SG

SG 35 P-APFS-APF,DVR

Zesp prdotwrczyDiesiela

SG

Ogniwopaliwowe

Farma wiatrowa

Podstacjasprzgajaca

Lini

apr

zesy

ow

a

Czas

Odpyw instalacji

Wyjcieprzeksztatnika

Zasobnikenergii

CzasACDC

Moc

MocM

oc

Czas

Odpyw farmy

Ogniwa PV

Ogniwa paliwowe

Przeksztatniki DC-AC

Linia ACDCTurbiny wiatrowe

Mae hydrogeneratoryf=var.f=const.

Przeksztatniki AC-AC

AC

Szyna DC

6

1

10987

5432AC

DC

Linia ACAC

DCAC

DC

AC

DC

AC

DC

AC

DC

AC

DC

AC

DC

AC

DC

AC

DC

AC

DC


34


www.ePISMO-AeZ.Pl


35



www.ePISMO-AeZ.Pl


Moduowe energetyczne filtry aktywne (EFA) duej mocy typu XINUS powstay na bazie prac prowadzonych od przeszo 15 lat przez autora, a w ostatnich latach zespou naukowego energoelektroniki w Akademii Morskiej Gdyni dla jednej z firm krajowych. Najwaniejsze wdroenia przeprowadzono w kopalniach Bogdanka oraz Ziemowit (rysunki 6, 7, 8 i 9). W obydwu przypadkach kompensowano oddziaywanie przeksztatnikw tyrystorowych maszyn wycigowych. W pierwszym przypadku moc caej kompensowanej instalacji wynosia 4 MVA, natomiast w drugim a 7,5 MVA. Zastosowanie ukadw EFA dla takich mocy i w bardzo trudnych warunkach kopalnianych jest unikalnym osigniciem naukowo technicznym na skal wiatow. Co wicej, nieznane s inne realizacje przemysowe EFA w systemach zasilania o podobnie duych mocach.

a)

DC 1C

DC 1u

Odbiory nieliniowe

LLRe VSI(1)Li

2 1i

NLi

Sie zasilajca nn

2 1L

DC nC

DC nuVSI(n)2 nL

2 ni

Fi 1 1L

1 1iC 1u

C 1i

1 nL

1 niC nu C n

i

3

3

b)

DC 1C

DC 1uVSI(1)Li

NLi

1 1L

1 1iC 1u

C 1i

DC nC

DC nuVSI(n)1 nL

2L

1 niC nu

C ni

Fi

Odbiory nieliniowe

3

3

LLRe

Sie zasilajcaSN

TrSN/nn

2L

Rysunek 6. Systemy rwnolegych moduw EFA z niezalenymi (a) i z zintegrowanymi (b) filtrami sprzgajcymi LCL, zainstalowane odpowiednio w LW Bogdanka w instalacji nn 4 MVA/400V (a) oraz w KWK Ziemowit S.A w instalacji SN 7,5MVA/6kV (b)

Rys. 7. Usytuowanie EFA-XINUS w rozdzielni LW Bogdanka oraz widok wewntrznej konstrukcji systemu dwumoduowego 2x300 KVA

a)THDU=10,1%

b)THDU=5,0%

Rys. 8. Przebiegi napi i prdw sieci oraz widma prdw na wejciu rozdzielnicy w LW Bogdanka po stronie SN przed (a) i po (b) zaczeniu EFA-XINUS

a)

b 1)Event Details/Waveforms

09:17:52,7252009-10-23

Friday

09:17:52,730 09:17:52,735 09:17:52,740

-10000

-5000

0

5000

10000

Volts

A-B V B-C V C-A V

390.768 s

3395

.2 Vo

lts

156.164 s

3798

.8 Vo

lts

390.530 s

3751

.6 Vo

lts

390.530 s

3590

.8 Vo

lts

Event Details/Waveforms

09:17:52,7252009-10-23

Friday

09:17:52,730 09:17:52,735 09:17:52,740

-10000

-5000

0

5000

10000

Volts

A-B V B-C V C-A V

390.768 s

3395

.2 Vo

lts

156.164 s

3798

.8 Vo

lts

390.530 s

3751

.6 Vo

lts

390.530 s

3590

.8 Vo

lts

THDU 14%

b 2)

Event #386 at 2011-07-12 10:57:47,778Timed


10:57:47,8052011-07-12

Tuesday

10:57:47,810 10:57:47,815 10:57:47,820 10:57:47,825 10:57:47,829 10:57:47,835

-5000

-2500

0

2500

5000

7500

10000

Volts

A-B V

312.090 s

1562.3

Volts

390.291 s

2080.3

Volts

Event #386 at 2011-07-12 10:57:47,778Timed


10:57:47,8052011-07-12

Tuesday

10:57:47,810 10:57:47,815 10:57:47,820 10:57:47,825 10:57:47,829 10:57:47,835

-5000

-2500

0

2500

5000

7500

10000

Volts

A-B V

312.090 s

1562.3

Volts

390.291 s

2080.3

Volts

THDU 5%

Rys. 9 EFA-XINUS w rozdzielni KWK Ziemowit: a) usytuowanie filtra, przyblienie panelu operatorskiego i rysunek zbiorczy konstrukcji moduu NPC systemu 4x400kVA z zintegrowanym sprzgiem LCL; b) przebiegi napi w rozdzielnicy w KWK Ziemowit po stronie SN przed (1) i po (2) zaczeniu EFA-XINUS

Falownik 4-poziomowy 6 kV/1MVA, ktrego schemat i widok zewntrzny oraz typowe przebiegi prdw i napi wyjciowych przedstawiono na rysunku 10, zbudowano z w ramach projektu rozwojowego MNiSzW realizowanego w Akademii Morskiej w Gdyni, przy wsparciu Instytutu Elektrotechniki w Warszawie. W ukadzie zastosowano tranzystory IGBT 200A/6,5kV wyzwalane przez wiatowd. Algorytm sterowania, zaimplementowany w sterowniku DSP, obejmuje modulacj wektorow oraz obsug zabezpiecze i komunikacji ze sterownikiem nadrzdnym - komputerem przemysowym. Falownik zaprojektowano w sposb umoliwiajcy jego zastosowanie jako D-STATCOM (po doczeniu dawikw sprzgajcych), oraz w ukadzie napdowym. Z uwagi na ograniczenia techniczne w miejscu bada, eksperyment przy napiciu 6kV przeprowadzono tylko w ukadzie napdowym.

Rys. 10. Schemat, widok konstrukcji oraz przebiegi napicia i prdu na wyjciu prototypowego falownika 4-poziomowego 6kV/1,0MVA

C1

C2

C3

6p

Tr6p

6p

20

-20

C10

C20

C30

0

A B C

L1,2,3

Faza

A

Faza

B

Faza

C

uAB

iA iB

http://epismo-aez.plhttp://

Documents

2013 zeszyt 2