Symulacyjne metody analizy funkcjonowania układów automatyki elektroenergetycznej

Coraz ostrzejsze wymagania stawiane dostawcom energii elektrycznej przez odbiorców w zakresie pewności i jakości zasilania, stale rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, rosnący poziom zakłóceń w sieci, pojawienie się nowych technologii np. sieci inteligentnych, upowszechnienie się alternatywnych źródeł energii rozproszonej, pojawienie się licznej grupy prosumentów oraz cały szereg innych czynników, które w połączeniu z ciągłym niedofinansowaniem istniejącej infrastruktury energetycznej, powodują, że efektywny nadzór i sterowanie pracą sieci elektroenergetycznych jest trudne i rodzi konieczność wprowadzania nowych rozwiązań w tym zakresie.

O tym, że jest to realny problem, obok pomniejszych lokalnych awarii, świadczy najlepiej zwiększająca się liczba poważnych awarii systemowych, w tym również wielkoobszarowych blackoutów, które każdorazowo swoim zasięgiem obejmują ogromne obszary oraz dotykają niestety coraz większą liczbę odbiorców. Takie awarie są wyjątkowo uciążliwe dla konsumentów, ale również dla operatorów i spółek dystrybucyjnych, gdyż usuwanie ich jest często bardzo kosztowne i zabiera dużo czasu. Sytuacje takie zdarzają się na całym świecie, równie często, może nawet częściej w krajach wysoko rozwiniętych, gdzie konsumpcja energii elektrycznej w przeliczeniu na obywatela jest wielokrotnie większa niż w krajach biedniejszych. Nie dziwi więc, że również w Polsce kwestia zapewnienia lepszych warunków pracy sieciom elektroenergetycznym jest problemem coraz ważniejszym, którego skuteczne rozwiązanie wymagać będzie zapewne co najmniej zweryfikowania rozwiązań stosowanych obecnie m.in. w zakresie kontroli i sterowania.

Kluczowym elementem, który sprawia, że praca sieci i systemów elektroenergetycznych jest w ogóle możliwa są układy automatyki elektroenergetycznej. Różnorodność i szybkość przebiegu procesów, jakie w nich występują oraz konieczność niezawodnego reagowania i podejmowania poprawnych decyzji w możliwie krótkim czasie, powoduje, że ręczna kontrola i sterowanie nie miały racji bytu w sieciach i systemach właściwie już od momentu wprowadzenia ich do użytkowania na przełomie XIX i XX wieku. Co więcej, układy automatyki elektroenergetycznej, w tym głównie systemy kontrolne typu SCADA, ale coraz częściej także układy automatyki zabezpieczeniowej, poprzez łącza teleinformatyczne wykorzystują do pracy informacje i pomiary rozproszone z wielu obiektów rozlokowanych często na dużych obszarach. Bez przesady można stwierdzić, że to właśnie od poprawnej pracy układów automatyki elektroenergetycznej zależy to czy sieci elektroenergetyczne będą dobrze pracować, i w efekcie czy odbiorcy w niezakłócony sposób będą mieć dostarczaną energię elektryczną o odpowiednich parametrach. Przy czym rola automatyki elektroenergetycznej jest równie istotna na wszystkich etapach, począwszy od wytwarzania, poprzez przesył i dystrybucję, na lokalnej konsumpcji energii skończywszy, ale także w zakresie diagnostyki i monitoringu urządzeń i sieci, oraz ich centralnego sterowania.

Systemy i układy automatyki elektroenergetycznej są rozwijane już od dziesiątek lat. Obecnie dominują rozwiązania cyfrowe, które umożliwiają ogromną swobodę w budowaniu i konfigurowaniu systemów kontrolno-pomiarowo-decyzyjnych, tak aby możliwie dobrze uwzględniały charakterystykę fragmentu sieci, którą mają nadzorować oraz wymagania jej właściciela. Układy muszą być zbudowane w taki sposób, aby spełniały cztery podstawowe wymagania:

• pewność i niezawodność,
• szybkość działania,
• czułość i selektywność,
• dyspozycyjność.

Zadaniem projektanta zabezpieczenia, a później projektanta układu zabezpieczeń konkretnego już obiektu/obiektów jest, aby te podstawowe wymagania były spełnione zawsze, gdyż tylko wtedy zabezpieczenie będzie skutecznie spełniało swoją funkcję. Oprócz powyższych podstawowych wymagań, zabezpieczeniom stawia się też wymagania dodatkowe, do których należą elastyczność, łatwość obsługi, dopasowywalność, testowalność, ekonomiczność, ale te wymagania są raczej w gestii ich producenta.

Wymóg spełnienia wymagań podstawowych w każdych warunkach jest banalny i oczywisty, ale w praktyce często trudny do precyzyjnego zdefiniowania, a następnie zweryfikowania. Po pierwsze, każde zabezpieczenie jest przeznaczone do realizacji tylko wybranych funkcji, i to w warunkach, jakie zostały założone na etapie projektowania urządzenia – to powinien gwarantować producent. Jak jednak takie zabezpieczenie będzie się zachowywało w realnym układzie, to już inna sprawa.

W rzeczywistości istnieje wiele czynników, które mogą rzutować na wynik działania zabezpieczenia, a których projektant mógł nie uwzględnić w wystarczający sposób. Do najważniejszych należą: zmiana parametrów elementów sieci, zmiana konfiguracji sieci, zmiana mocy zwarciowych, zmiana i wahania częstotliwości, obecność wyższych harmonicznych w mierzonych napięciach i prądach, zakłócenia w sieci o różnym charakterze, nasycenie przekładników pomiarowych, zmiana kierunku przepływu mocy, kołysania mocy, różne stany pracy urządzeń (np. rozruch lub wybieg silników), lokalne operacje łączeniowe w sieci (np. załączenie baterii kondensatorów), zmiana współczynnika kompensacji ziemnozwarciowej sieci, niewłaściwie dobrane nastawy zabezpieczenia itp.

W przypadku układów automatyki zabezpieczeniowej dochodzi jeszcze kwestia parametrów zwarć, jakie mogą się wydarzyć w sieci: miejsce zwarcia, jego typ (m.in. jednofazowe, wielofazowe, rozwijające), rezystancja w miejscu zwarcia i jego charakter (np. łukowe, metaliczne, przerywane, rezystancyjne). Jak widać czynników, które należy brać pod uwagę jest naprawdę dużo, a liczba kombinacji tych czynników jest ogromna, i dla nich wszystkich zabezpieczenie powinno działać poprawnie, tj. dawać tylko zadziałania pożądane, bez zadziałań nadmiarowych i bez braku zadziałań w przypadkach ewidentnych zwarć. Rodzi się pytanie o techniczny sposób realizacji takiej weryfikacji. Zasadniczo do dyspozycji są następujące możliwości:

1. badania w rzeczywistej sieci,

2. badania na fizycznym modelu sieci,

3. badania symulacyjne,

4. badania fizyczne w oparciu o symulacyjne dane testowe,

5. badania fizyczne w układach typu HIL (ang. Hardware-in-the-Loop),

6. badania eksperymentalne w docelowym układzie.

Badania w rzeczywistej sieci wydają się najbardziej wiarygodne i tak w rzeczywistości jest, jednak pomimo tej niezaprzeczalnej zalety mają one szereg wad:

• konieczność przygotowania stanowiska testowego (co na rzeczywistym obiekcie może być trudne, np. dla zabezpieczenia różnicowego linii),
• testy zwarciowe, mają najczęściej charakter niszczący, co oznacza, że właściciel nie będzie chętny do udzielenia zgody na takie badania,
• na czas trwania testów obiekt jest wyłączony z użytkowania,
• ryzyko uszkodzenia sąsiednich obiektów,
• liczba testów jakie trzeba wykonać w celu wiarygodnego badania to zwykle kilkanaście, częściej kilkaset, kilka tysięcy,
• brak możliwości sprawdzenia szeregu istotnych scenariuszy zwarciowych (np. zwarcie zwojowe w transformatorze),
• brak możliwości rejestracji wszystkich pożądanych sygnałów,
• wysokie koszty,
• ogromna czasochłonność.

Wady te powodują, że w obecnych czasach metoda ta nie jest stosowana powszechnie. Dodatkowo, nawet gdyby udało się wykonać serię takich badań, to i tak nie dają one informacji na temat, jak zabezpieczenie zachowałoby się, gdyby uległa zmianie np. konfiguracja czy parametry sieci. W takich przypadkach, w zasadzie należałoby powtórzyć wszystkie testy, co oczywiście jest całkowicie niepraktyczne. Metodę tę można sensownie stosować, przy świadomości wszystkich ograniczeń, tylko w konkretnych, wybranych przypadkach zwarciowych, gdy inne metody nie są w stanie dostarczyć rzetelnych wyników.

Badania z wykorzystaniem fizycznego modelu analizowanego fragmentu sieci były popularne zanim rozwinęły się techniki modelowania cyfrowego. W porównaniu do poprzedniej metody nie była ona tak uciążliwa w stosowaniu, pozwalała bezpiecznie przeprowadzać serie rozbudowanych testów, odpowiadających różnym warunkom, ale posiadała też wady. Największą z nich była taka, że należało dysponować modelem analizowanej sieci, najlepiej modelem dokładnym, podczas gdy modele używane w praktyce miały bardzo ograniczone możliwości zmiany konfiguracji i parametrów. Między innymi z tego powodu modele fizyczne ustąpiły na dość długi czas miejsca modelowaniu numerycznemu, chociaż aktualnie obserwuje się ich renesans, czego przejawem jest to, iż w wielu ośrodkach naukowo-badawczych na świecie budowane są nowe fizyczne modele umożliwiające wygodną analizę zjawisk w bardzo rozbudowanych układach sieciowych, z uwzględnieniem wszystkich współczesnych urządzeń wytwórczych i odbiorczych.

Analiza pracy automatyki elektroenergetycznej jest również możliwa w oparciu o badania symulacyjne. Do tego celu tworzy się cyfrowe modele sieci elektroenergetycznej, które dostarczają wejściowych danych pomiarowych do układów automatyki. Wielkości te to głównie prądy i napięcia, jak również wielkości mechaniczne, opisujące bieżący stan ruchu maszyn elektrycznych. W porównaniu do obu wyżej wymienionych metod, badania symulacyjne mogą dostarczać również informację o przebiegach, które normalnie nie są dostępne w rzeczywistych układach, np. prądy i napięcia wyrażone w innych niż fazowe układach współrzędnych, np. prądy w osiach dq maszyny synchronicznej, prądy klatek silnika asynchronicznego, informację o wielkości strumienia magnetycznego w rdzeniu transformatora itp. Bardzo istotna zaleta takiego modelowania zjawisk w sieciach i urządzeniach elektroenergetycznych, polega na tym, że można w ten sposób dowolnie zmieniać konfigurację analizowanego systemu, oraz parametry jego poszczególnych elementów, uzyskując tym samym możliwość wygodnego, szybkiego i taniego utworzenia bardzo obszernego wielowariantowego zbioru danych wejściowych.

Tak uzyskane dane można z powodzeniem wykorzystać do sprawdzenia poprawności funkcjonowania zabezpieczeń. Są tutaj dwa możliwe podejścia. Pierwsze sprowadza się, do testowania pojedynczych algorytmów automatyki elektroenergetycznej na drodze czysto numerycznej. Analizowane algorytmy mogą być zaimplementowane razem z modelem sieci albo oddzielnie, z wykorzystaniem bardziej wygodnego programistycznego środowiska testowego, np. Matlab. Takie podejście jest szczególnie uzasadnione na etapie projektowania algorytmów i ich wstępnego testowania. Podejście drugie zakłada, że testowaniu będzie polegać prototyp lub finalne urządzenie, na których obwody wejściowe należy podać „rzeczywiste” przebiegi napięciowe i prądowe. Można również użyć sygnałów pochodzących z cyfrowych modeli sieci, ale dopiero po ich odpowiednim dopasowaniu we wzmacniaczach napięciowych i prądowych.Do budowy modeli sieci elektrycznych, jak i modeli algorytmów pomiarowo-decyzyjnych realizowanych w zabezpieczeniach, można użyć jednego z wielu przeznaczonych do tego programów. Największym zaufaniem użytkowników i popularnością cieszą się m.in. ATP-EMTP, PSCAD, PowerFactory, jak również Matlab z zainstalowanym modułem Simscape Power Systems™.

Jest wiele sytuacji, gdy wskazane lub wręcz konieczne jest przeprowadzenie szczegółowej analizy poprawności działania algorytmów i układów automatyki elektroenergetycznej. Najważniejsze z nich są następujące:

• opracowywanie nowych algorytmów, lub modyfikacja istniejących – należy się upewnić, że będą one gwarantowały właściwą pewność, niezawodność i szybkość działania, czułość oraz selektywność,
• analiza zarejestrowanych nieprawidłowych działań układów automatyki – próba odtworzenia warunków w jakich to nastąpiło, oraz podjęcie kroków zmierzających do usprawnienia działania zabezpieczeń, tak aby podobne sytuacje nie mogły się powtórzyć,
• weryfikacja nastaw zabezpieczeń, jak i weryfikacja poprawnego wyboru kryteriów i algorytmów decyzyjnych – np. przy zmianach warunków przyłączenia do sieci,
• określenie wpływu zmiany konfiguracji sieciowej na funkcjonowanie dotychczasowych układów automatyki,
• określenie wpływu zmiany parametrów urządzeń wytwórczych, dystrybucyjnych i odbiorczych na funkcjonowanie układów automatyki, np. praca w układach z tzw. elektrowniami wirtualnymi,
• określenie wpływu na funkcjonowanie układów automatyki w przypadku obniżenia bezpieczeństwa cyfrowego infrastruktury teleinformatycznej przeznaczonej do transmisji danych pomiędzy elementami automatyki elektroenergetycznej (zakłócenia transmisji, opóźnienie transmisji, podmiana przesyłanych danych, włamania do baz danych, podmiana danych itp.).

W takich przypadkach warto w pierwszym rzędzie spróbować wykorzystać możliwości jakie daje analiza symulacyjna.

Modelowanie sieci elektroenergetycznej

Poniżej przedstawiono podstawowe właściwości oraz zasady wykorzystania programu ATP‑EMTP do modelowania pracy sieci elektroenergetycznych. Ze względu na dużą liczbę różnych modeli elementów systemu elektroenergetycznego i szeroki zakres zastosowania programu, do jego pełnego wykorzystania niezbędne jest posługiwanie się szczegółowym podręcznikiem przygotowania danych w postaci tekstowej lub graficznej. Podstawy matematyczne programu oraz stosowane metody numeryczne opisane są w dołączonej do programu dokumentacji.Przystępując do komputerowej symulacji omawianych tu procesów należy pamiętać, że wykonanie obliczeń jest zazwyczaj tylko jednym z etapów analizy zagadnień związanych z badaniem elektromagnetycznych stanów przejściowych towarzyszących funkcjonowania automatyki elektroenergetycznej.

Całość problemu można podzielić na następujące zadania:

I. Opracowanie modelu cyfrowego:

• przeznaczenie symulacji: stan ustalony/stan przejściowy, badanie dynamiki/charakterystyka częstotliwościowa i inne,
• wybór modeli poszczególnych elementów analizowanego układu, przygotowanie danych, określenie parametrów symulacji,
• wybór wielkości wyjściowych.

II. Wykonanie badań symulacyjnych (obliczenia):

• pojedyncza symulacja,
• seria symulacji ze zmianą określonych parametrów.

III. Analiza i wykorzystanie wyników:

• prezentacja wyników w postaci przebiegów czasowych zarejestrowanych wielkości i parametrów,
• analiza harmoniczna,
• analiza statystyczna (symulacja w warunkach przypadkowych zmian wybranych parametrów),
• wykorzystanie wyników jako sygnałów wejściowych do zewnętrznych modeli układów automatyki elektroenergetycznej,
• wykorzystanie wyników do badania rzeczywistych urządzeń, po przekształceniu sygnałów prądu i napięcia do postaci naturalnej za pomocą odpowiednich wzmacniaczy napięciowych i prądowych.

Przygotowanie modelu sieci elektrycznej do symulacji komputerowej wymaga znajomości nie tylko elektrotechniki, ale także podstaw obliczeń numerycznych i cyfrowego przetwarzania sygnałów. Ważną cechą doświadczonego użytkownika programu do symulacji komputerowej jest ostrożność, a nawet krytycyzm w odniesieniu do uzyskanych wyników. Źródłem błędów mogą być nie tylko pomyłki we wprowadzanych danych, ale także zastosowanie nieadekwatnych modeli poszczególnych elementów, czy też nieprawidłowa, z numerycznego punktu widzenia, struktura modelu całej sieci.

Szczególnie częstym błędem, popełnianym zwłaszcza przez początkujących użytkowników, jest tworzenie modeli o małej spójności, co oznacza, że niektóre fragmenty sieci są połączone przez dużą impedancję (lub brak jest takich połączeń). Nie należy również zapominać, że model tylko w ograniczonym zakresie odwzorowuje rzeczywistość. Jeśli na przykład w jakimś punkcie rzeczywistej sieci następuje wzrost napięcia, to jego górna wartość w fizycznym obiekcie jest zawsze ograniczona przez właściwości materiałów izolacyjnych (ich modele mogą być uważane za liniowe tylko w wąskim przedziale zmian odpowiednich wielkości elektrycznych). W modelu można łatwo przeoczyć tę, a także podobne, cechy fizycznych układów.

Oprócz modeli sieci należy również wykonać model odwzorowujący układy automatyki, tj. obwody regulacji i sterowania, współpracujące z siecią elektryczną lub konkretne algorytmy. Zadanie to można zrealizować razem z modelem sieci, pomimo że modele matematyczne tych elementów istotnie różnią się od modeli sieci i ich jednolita reprezentacja numeryczna prowadziłaby do znacznego skomplikowania algorytmu obliczeniowego. W związku z tym, oba te modele nie są rozwiązywane równocześnie: sygnały pochodzące z modelu układów sterowania są przekazywane do modelu sieci z opóźnieniem o jeden krok modelowania. W modelu można łatwo modelować bloki opisane transmitancjami, realizować liczniki, komparatory i inne typowe elementy układów sterowania.

Dostępne są także typowe funkcje matematyczne. Do modelu można wprowadzić sygnały wprost z modelu sieci (prąd, napięcie, stan wyłączników i inne) i, w rezultacie ich przetwarzania, uzyskać podobne sygnały sterujące, wprowadzane z kolei do modelu sieci. Daje to możliwość pełnego odwzorowania układów sterowania i ich współdziałania z analizowaną siecią. Pomimo niewątpliwych zalet takiego rozwiązania, nie zawsze daje się je wygodnie stosować. Pewne trudności pojawiają się w sytuacji, gdy rozważane algorytmy są bardzo rozbudowane i wymagające obliczeniowo, bowiem często uniemożliwia to implementację pełnego algorytmu z powodu ograniczeń ATP-EMTP. Wtedy lepiej jest dokonać implementacji algorytmów korzystając z Matlaba, zaś model sieci traktować jako źródło danych wejściowych.

Przykład zastosowania analizy symulacyjnej

Na rysunkach 1. i 2. przedstawiono model wykorzystany do badania właściwości nowego, szybkiego algorytmu zabezpieczeniowego do ochrony dwutorowej linii równoległej wysokiego napięcia, wyposażonej w układy kondensatorowej kompensacji szeregowej. W tym przypadku model obejmuje fragment systemu elektroenergetycznego i zawiera: model linii równoległej, konfigurowalne układy kompensacji szeregowej z ochroną przepięciową w postaci warystorów MOV, zastępcze ekwiwalenty systemów zasilających, uniwersalny model zwarcia, modele przekładników pomiarowych napięciowych pojemnościowych oraz prądowych indukcyjnych. Dodatkowo, modelowane są układy wejściowe zabezpieczenia, w których przyjęto przetworniki A/C pracujące z częstotliwością próbkowania 1 kHz, poprzedzone filtrami antyaliasingowymi o częstotliwości odcięcia 350 Hz.

W oparciu o powyższy model przygotowano zbiór symulacji, który pozwolił na dokładne przetestowanie 14 wariantów algorytmu nowego zabezpieczenia linii. Podczas badań modyfikowane były następujące parametry:

• konfiguracja pracy linii – współczynnik kompensacji szeregowej (35% oraz 70%) oraz sposób pracy poszczególnych zestawów SC+MOV (łącznie 8 wariantów),
• rezystancja w miejscu zwarcia (4 wartości),
• rodzaj zwarcia (11 wariantów),
• miejsce zwarcia (w linii, jak i poza linią) (14 lokalizacji),
• tor linii objęty zwarciem,impedancje systemów zasilających (4 warianty),
• początkowy kąt zwarcia (2 wartości kątów),
• moc i kierunek jej przepływu przed zwarciem (8 warianty),
• czas trwania zwarcia (2 warianty).

Uzyskano w ten sposób zbiór danych symulacyjnych obejmujący prawie 200 tys. symulacji. W pierwszym rzędzie dane te wykorzystano do wnikliwego przeanalizowania przydatności stosowanych dotychczas algorytmów odległościowych w kontekście zabezpieczania rozważanej linii dwutorowej. Okazało się, że żaden z algorytmów nie zapewniał wymaganej skuteczności i pewności działania, czego w sumie się spodziewano. Po drugie, otrzymany zbiór danych symulacyjnych posłużył do wytypowania najlepszego spośród opracowanych algorytmów. Wszystkie analizy przeprowadzono w trybie off-line z wykorzystaniem środowiska Matlab.

Analizie poddano zarówno sygnały wejściowe, jak również wszystkie flagi i „sygnały wewnętrzne” badanych algorytmów. Oczywiście, efektywna analiza tak ogromnej ilości danych jest możliwa tylko przy zastosowaniu automatycznego przetwarzania, oraz statystycznej analizy uzyskanych wyników. Z tego powodu, opracowano specjalne programy realizujące te zadania, ale jednocześnie zostawiając użytkownikowi możliwość wglądu oraz szczegółowej „ręcznej” analizy pojedynczych przypadków testowych, głównie przypadków tzw. „trudnych”, gdy algorytm działał nieprawidłowo. Na poniższych rysunkach pokazano przykładowe wyniki analiz dla kilku wybranych przypadków testowych.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono sposoby analizy poprawności działania układów automatyki elektroenergetycznej, ze szczególnym uwzględnieniem metod wykorzystujących metody symulacji komputerowych. Opisano podstawowe zasady tworzenia takich modeli, jak również modeli układów automatyki elektroenergetycznej. Wyniki uzyskane z tego typu badań symulacyjnych można z powodzeniem wykorzystać do weryfikacji poprawności działania już obecnie stosowanych algorytmów, jak również do oceny nowych metod przeznaczonych np. dla przyszłych zabezpieczeń elektroenergetycznych. Zostało to zaprezentowane na przykładzie systemu testowania nowego szybkiego algorytmu zabezpieczenia linii. Tym samym pokazano, że analiza funkcjonowania automatyki na drodze symulacyjnej dostarcza wiarygodny materiał badawczy i jest bardzo wartościowym narzędziem w praktyce inżyniersko-badawczej.