Jakość zasilania odbiorców (część 1.) - aktualny stan w polskich sieciach elektroenergetycznych
Quality of power delivery – current state in Polish power system
Praca przedstawia 3. kwestie ważne w praktyce operacyjnej polskiego systemu energetycznego: identyfikacja źródeł zakłóceń elektromagnetycznych, ocena poprawności pomiarów w złej jakości środowiska i obecność zakłóceń w zakresie częstotliwości (2, 150) kHz
Rozwój inteligentnych systemów elektroenergetycznych, znanych powszechnie jako smart grids, powoduje ciągły wzrost
zainteresowania zagadnieniami jakości dostawy energii elektrycznej, zarówno po stronie jej dostawców, jak i odbiorców. Wynika to z rzeczywistych potrzeb związanych z rozwojem techniki, lecz także z organizacji i funkcjonowania rynku energii, coraz wyraźniej definiującego odpowiedzialność partnerów za zaburzenia występujące na drodze przepływu energii – od źródła do odbiorcy finalnego.
Zobacz także
dr inż Grzegorz Hołdyński, dr inż. Zbigniew Skibko Kompensacja mocy biernej przy przebiegach odkształconych (część 1)
Artykuł przedstawia zagadnienia teoretyczne związane z kompensacją mocy biernej w układach elektroenergetycznych, w których występują znaczne odkształcenia prądów i napięć od przebiegów sinusoidalnych.
Artykuł przedstawia zagadnienia teoretyczne związane z kompensacją mocy biernej w układach elektroenergetycznych, w których występują znaczne odkształcenia prądów i napięć od przebiegów sinusoidalnych.
ASTAT Sp. z o.o. Wykonywanie pomiarów w przemyśle i energetyce zawodowej analizatorami przenośnymi PQ-Box
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
ASTAT Sp. z o.o. Komunikacja zdalna ze stacjonarnymi analizatorami jakości energii PQI-DA Smart
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim...
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim przez dwa dokumenty. Pierwszy to norma PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych. Drugi to Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 22 marca 2023 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. 819).
W artykule:• Lokalizacja źródła zaburzenia• Analiza przebiegów czasowych napięć i prądów • Analiza trajektorii pracy systemu zasilającego podczas zapadu |
Pojawiają się nowe techniczne wyzwania, z których wiele nadal pozostaje nierozwiązanych.
W artykule zwrócono uwagę na trzy takie zagadnienia, istotne dla praktyki eksploatacyjnej polskiego systemu elektroenergetycznego:
- identyfikacja źródeł zaburzeń elektromagnetycznych oraz ocena poprawności pomiarów wykonywanych
- w środowisku o niskiej jakości napięcia
- i w obecności zaburzeń o częstotliwości zawartej w paśmie (2¸150) kHz.
Lokalizacja źródła zaburzenia
Często w przypadku wystąpienia znaczącego poziomu zaburzenia elektromagnetycznego w przyłączu odbiorcy powstaje potrzeba lokalizacji jego źródła, przykładowo: harmonicznych, wahań napięcia, zapadów napięcia, niekiedy także asymetrii.
Rys. 1. Lokalizacja źródła zaburzenia oraz ocena indywidualnego poziomu emisji wyróżnionego odbiornika; rys. Z. Hanzelka, A. Firlit, K. Chmielowiec, M. Rogóż
Wraz z postępującą deregulacją rynku energii, dostawcy i odbiorcy energii w coraz większym stopniu są zainteresowani w jednoznacznej ocenie odpowiedzialności za złą jakość jej dostawy. Nabiera to szczególnego znaczenia w okresie formułowania kontraktów na dostawę energii i egzekwowania, poprzez taryfy, opłat za pogarszanie jakości zasilania. W tym obszarze występują dwa zagadnienia szczegółowe (rys. 1.):
- Pierwsze dotyczy lokalizacji źródła zaburzenia. Rejestrator przebiegów czasowych rejestruje napięcia i prądy w punkcie wspólnego przyłączenia (PWP) i na tej podstawie formułowana jest konkluzja, po której stronie: dostawcy czy odbiorcy energii zlokalizowane jest źródło.
- Drugie zagadnienie dotyczy ilościowej oceny stopnia udziału każdego z partnerów w całkowitym poziomie zaburzenia. W praktyce oznacza to potrzebę wyznaczenia rzeczywistego poziomu emisji wyróżnionego odbiornika i porównanie go z dopuszczalnymi poziomami emisji określonymi w normach lub w warunkach technicznych przyłączenia odbiornika/instalacji.
Rozwiązanie tych problemów nie jest zadaniem trywialnym, od kilku lat prowadzone są prace badawcze, zaproponowano i opublikowano wiele różnych metod, z których tylko część ma wartość praktyczną. Różnią się one:
- prawdopodobieństwem poprawnego wnioskowania (przy lokalizacji źródła zaburzenia),
- wartością popełnianego błędu (przy określaniu indywidualnego poziomu emisji),
- czasem niezbędnym dla przeprowadzenia pomiarów,
- liczbą i złożonością wymaganego wyposażenia technicznego itd.
Trudności te sprawiają, że istnieją wprawdzie dokumenty określające dopuszczalne poziomy indywidualnej emisji zaburzeń odbiorników/instalacji: IEC 61000-3-6 [8] (dla harmonicznych), IEC 61000-3-7 [9] (dla wahań napięcia) i IEC 61000-3-13 [10] (dla asymetrii), ale równocześnie brak jest międzynarodowych rekomendacji odnośnie metod ich pomiaru.
W artykule ograniczono rozważania do przykładu lokalizacji zapadów napięcia. We współczesnym świecie zdominowanym inżynierią komputerową to zaburzenie warunkuje prawidłowe funkcjonowanie wielu odbiorników przyłączonych do sieci zasilających na różnych poziomach napięć.
Rys. 2. Algorytm analizy zdarzeń występujących w napięciu [źródło: The 12th ICHQP Tutorial, Portugal, October 1, 2006]; rys. Z. Hanzelka, A. Firlit, K. Chmielowiec, M. Rogóż
Procedura lokalizacji źródła zapadu jest zwykle dwuetapowa. W pierwszej części szukana jest odpowiedź na pytanie, czy zapad wystąpił „powyżej”, czy „poniżej” punktu pomiarowego – po stronie dostawcy czy odbiorcy energii. W kolejnym kroku stosowany jest algorytm wyznaczający miejsce wystąpienia źródła zaburzenia. Metody stosowane w ramach drugiego etapu są najczęściej znane z lokalizacji zwarć w systemie zasilającym. Schemat postępowania wraz z klasyfikacją stosowanych metod przedstawiono na rys. 2.
Prezentowane rozważania dotyczą pierwszego etapu, a wnioskowanie jest prowadzone na podstawie zarejestrowanych przebiegów napięć i prądów. Wśród procedur stosowanych do lokalizacji źródła zapadów można wyróżnić metody oparte na:
- analizie przebiegów czasowych napięć i prądów,
- analizie trajektorii pracy systemu zasilającego podczas zapadu,
- analizie zastępczego obwodu elektrycznego,
- analizie mocy i energii podczas zaburzenia,
- analizie zmiany napięć,
- analizie wartości współczynnika asymetrii,
- algorytmach działania układów automatyki zabezpieczeniowej tj.:
-
- analiza zmiany impedancji,
- analiza części rzeczywistej prądu,
- zabezpieczenia „odległościowe”.
Szczegółowe omówienie poszczególnych metod można znaleźć w pracy [17]. Praktyczne znaczenie znalazły głównie dwie pierwsze przedstawione w dalszej części artykułu. Badania dotyczące pozostałych metod prowadzone są w wielu ośrodkach badawczych, także w AGH.
Analiza przebiegów czasowych napięć i prądów
Na podstawie rejestracji napięć i prądów (rys. 3a. i rys. 3b.) można zidentyfikować, w relacji do rozważanego punktu sieci zasilającej (punktu pomiarowego), miejsce przyłączenia źródła zaburzenia, np. silnika, którego rozruch wywołuje zaburzenie.
W przykładzie ilustrującym tę metodę przyjęto jedno źródło zasilające odbiór pasywny, a urządzenie monitorujące przyłączono w punkcie PWP (rys. 1.).
Rozważono dwa przypadki zwarć trójfazowych, powodujące zapad napięcia – w punktach A i B.
W rezultacie obydwu zwarć napięcie w punkcie PWP ulega redukcji, jednak zmiana wartości prądu jest w tym punkcie w każdym przypadku inna.
Rys. 3a. Zmiana wartości skutecznej prądu podczas zapadu oraz zmiana nachylenia trajektorii punktu pracy systemu (w układzie współrzędnych U-I), wskazująca na lokalizację źródła zaburzenia powyżej punktu pomiarowego (punkt A na rysunku 1.) [źródło: Hanzelka Z. Jakość dostawy energii elektrycznej – zaburzenia wartości skutecznej napięcia. Wydawnictwa AGH, Kraków 2013]; rys. Z. Hanzelka, A. Firlit, K. Chmielowiec, M. Rogóż
Rys. 3b. Zmiana wartości skutecznej prądu podczas zapadu oraz zmiana nachylenia trajektorii punktu pracy systemu (w układzie współrzędnych U-I) wskazująca na lokalizację źródła zaburzenia poniżej punktu pomiarowego (punkt B na rysunku 1.) [źródło: Hanzelka Z. Jakość dostawy energii elektrycznej – zaburzenia wartości skutecznej napięcia. Wydawnictwa AGH, Kraków 2013]; rys. Z. Hanzelka, A. Firlit, K. Chmielowiec, M. Rogóż
Stwierdzenie wyraźnego wzrostu prądu podczas zapadu napięcia może oznaczać, że przyczyna zaburzenia jest „poniżej” punktu monitorowania (rys. 3b.).
Nie będzie tak zawsze. Przy obniżeniu napięcia w silnikach indukcyjnych, obciążonych stałym momentem mechanicznym, następuje wzrost prądu, lecz jest on z reguły mniejszy niż ten, który byłby niezbędny dla wywołania zapadu napięcia.
Wzrost prądu może być także efektem działania układu kontroli napięcia po stronie odbiorcy lub odpowiedzią układu sterowania w układach energoelektronicznych.
Analiza trajektorii pracy systemu zasilającego podczas zapadu
Naturalną konsekwencją analizy przebiegów czasowych podczas zaburzenia jest metoda oparta na badaniu trajektorii punktu pracy systemu zasilającego przed i podczas zaburzenia.
Jej aplikacja pozwala zautomatyzować proces identyfikacji źródeł dla licznego zbioru zarejestrowanych zapadów.
Jak w poprzednim przypadku podczas zwarcia w punkcie A prąd zmierzony w PWP będzie z reguły mniejszy w porównaniu z jego wartością przed wystąpieniem zaburzenia.
W drugim przypadku (zwarcie w punkcie B) prąd mierzony w PWP będzie sumą prądu zwarciowego oraz prądu odbiornika podczas zapadu. Jego wartość będzie większa niż przed zaburzeniem.
Powyższe stwierdzenia zostały zilustrowane rys. 3a. i rys. 3b. Poszczególne stany pracy systemu zasilającego przedstawiono za pomocą punktów reprezentujących napięcie i prąd przed i podczas zapadu.
Znak pochodnej odcinka łączącego te dwa punkty pozwala wnioskować o lokalizacji miejsca zwarcia:
- dodatnia pochodna wskazuje na zwarcie po stronie źródła (w punkcie A),
- ujemna wskazuje na zwarcie po stronie odbioru (w punkcie B).
Rys. 4. Równoważny system z dwoma źródłami do lokalizacji zapadu [źródło: Li C., Tayjasanant T., Xu W., Liu X.: A method for voltage sag source detection by investigating slope of the system trajectory, IEEE Proceedings on Generation, Transmission & Distribution, 150, 3, 367-372, May 2003]; rys. Z. Hanzelka, A. Firlit, K. Chmielowiec, M. Rogóż
Mimo że metoda została oryginalnie opracowana dla systemu z jednym źródłem zasilania, może być stosowana, po drobnych modyfikacjach, także w systemach o zasilaniu dwustronnym [16] (również zawierających elementy nieliniowe).
W tym przypadku lokalizacja źródła zaburzenia odniesiona jest do przyjętego kierunku przepływu mocy czynnej w punkcie pomiarowym.
Jeśli źródło zaburzenia znajduje się w miejscu położonym po prawej stronie punktu pomiarowego (czyli w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu mocy czynnej harmonicznej podstawowej), będzie to oznaczać lokalizację po stronie „dolnej”.
Zaburzenia po lewej stronie punktu pomiarowego (przeciwnie do kierunku przepływu mocy czynnej) oznaczają lokalizację źródła po stronie „górnej”.
Na rys. 4. rozważono zwarcie (reprezentowane przez rezystancję Rf), które pojawia się po prawej stronie punktu pomiarowego, podczas gdy parametry lewej strony pozostają niezmienne.
Napięcie w punkcie pomiarowym można wyrazić za pomocą zależności:
gdzie:
U oraz I mogą być mierzone bezpośrednio w punkcie M.
Mnożąc obie strony równania (1) przez wartość skuteczną zespoloną i sprzężoną prądu I* i uwzględniając tylko część rzeczywistą otrzymuje się:
gdzie:
θ2 – kąt fazowy pomiędzy wskazami U i I,
θ1 – kąt fazowy pomiędzy E1 i I,
R – reprezentuje część rzeczywistą impedancji zespolonej Z.
Przekształcając (2) do postaci:
Ucosθ2 = -IR + E1cosθ1 (Wzór 3)
otrzymuje się formę równania dogodną do prezentacji nachylenia trajektorii U-I.
Rys. 5. Nachylenie trajektorii systemu podczas zaburzenia: źródło zaburzenia jest zlokalizowane: a) poniżej, b) powyżej punktu pomiarowego [źródło: Li C., Tayjasanant T., Xu W., Liu X.: A method for voltage sag source detection by investigating slope of the system trajectory, IEEE Proceedings on Generation, Transmission & Distribution, 150, 3, 367-372, May 2003]; rys. Z. Hanzelka, A. Firlit, K. Chmielowiec, M. Rogóż
Rys. 6a. Przykładowe wyniki symulacji zwarcia trójfazowego w węźle 703 modelu sieci [14. IEEE PES Distribution Systems Analysis Subcommittee Radial Test Feeders. Dostępne na stronie: http://ewh.ieee.org/soc/pes/dsacom/testfeeders.html]; przebiegi napięć i prądów w węzłach 702 i 709 oraz trajektorie pracy systemu w tych punktach dla fazy L1 (podobne trajektorie w pozostałych fazach) [źródło: Słupski P.: Lokalizacja źródeł zapadów napięcia w systemie elektroenergetycznym, praca dyplomowa, AGH, 2010]; rys. Z. Hanzelka, A. Firlit, K. Chmielowiec, M. Rogóż
Jeżeli przykładowo cosθ2 > 0, to kierunek przepływu mocy czynnej jest zgodny z założeniem, czyli taki, jak pokazano na rys. 5a, a źródło zaburzenia znajduje się po stronie dolnej i |Ucosθ2| = Ucosθ2. Każdy punkt reprezentujący stan pracy systemu w układzie współrzędnych (I, |Ucosθ2|) leży na prostej o nachyleniu –R, jak na rys. 5a (przy założeniu, że cosθ1 nie zmienia znacząco swojej wartości).
Jeżeli cosθ2 < 0, to moc czynna płynie od E2 do E1, zaburzenie występuje po stronie górnej, a zależność przyjmuje postać:
Ucosθ2 = IR - E1θ1 (Wzór 4)
Każdy punkt reprezentujący stan pracy systemu w układzie współrzędnych (I, |UcosQ2|) leży na linii o nachyleniu +R (rys. 5b).
Linia łącząca te punkty podczas zaburzenia ma wówczas dodatnie nachylenie – o ile cosθ1 nie zmienia znacząco swojej wartości podczas zaburzenia.
Można wykazać, że |cosθ1| zazwyczaj zmniejsza się, gdy prąd I wzrasta dla źródła zaburzenia po stronie dolnej i maleje dla strony górnej. To gwarantuje w praktycznych przypadkach dużą poprawność wnioskowania.
W dotychczasowych rozważaniach zakładano, że kierunek przepływu mocy czynnej jest niezmienny przed i podczas zaburzenia, co nie zawsze jest spełnione. Zmiana jest możliwa tylko w przypadku zaburzenia po stronie górnej. Dla zaburzenia po stronie dolnej kierunek przepływu mocy czynnej pozostanie niezmieniony.
Ten fakt także może być wykorzystany do identyfikowania lokalizacji źródła zapadu: jeżeli kierunek przepływu mocy czynnej zmienia się, można z dużą pewnością stwierdzić, że zdarzenie miało miejsce po stronie górnej.
Ta pomocnicza wskazówka w połączeniu z identyfikacją nachylenia trajektorii U-I podczas zapadu może zwiększyć prawdopodobieństwo poprawności wnioskowania.
Rozważaną metodę zastosowano w badaniach symulacyjnych lokalizujących źródło zapadów napięcia wykorzystując zmodyfikowany[1] model sieci IEEE 37-Node Test Feeder [14], której schemat przedstawiono na rys. 6a. Zamodelowano zwarcie trójfazowe, które wystąpiło w węźle 703, a badano poprawność lokalizacji zaburzenia w punktach 702 i 709 (rys. 6b). Badania potwierdziły duże prawdopodobieństwo poprawnego wnioskowania odnośnie wskazania źródła zapadu dla zaburzeń symetrycznych, błędne wnioskowanie może pojawić się przypadku asymetrycznych zaburzeń, w szczególności jednofazowych zwarć doziemnych.
Literatura
- Chmielowiec K.: Warunki techniczne przyłączenia odbiorników energii elektrycznej będących źródłem zaburzeń elektromagnetycznych – Analiza wybranych przypadków. Praca doktorska AGH, Kraków 2016.
- CLC/SC205A Study Report on Electromagnetic interference between electrical Equipment/Systems in the Frequency Range below 150 kHz Edition 3, CENELEC TC210/Sec0898/INF, October 2015.
- CLC SC205A Mains Communicating Systems/Sec0428/DC, October 2016, Investigation Results on EM Interference in the Frequency Range below 150 kHz.
- EN 50065-1:2011: Signaling on low-voltage electrical installations in the frequency range 3 kHz to 148.5 kHz - Part 1: General requirements, frequency bands and electromagnetic disturbances.
- EN 61000-2-2:2002 Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 2-2: Environment – Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signaling in public low-voltage supply systems.
- EN 61000-4-19:2014 Testing and measurement techniques – Test for immunity to conducted, differential mode disturbances and signaling in the frequency range from 2 kHz to 150 kHz at a.c. power ports.
- IEC 61000-2-12: Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-12: Environment - Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signaling in public medium-voltage power supply systems.
- IEC 61000-3-6: Assessment of emission limits for the connection of distorting instillations to MV, HV and EHV power systems.
- IEC 1000-3-7: Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3: Limits - Section 7: Assessment of emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems – basic EMC publication.
- IEC 61000-3-13: Assessment of emission limits for the connection of unbalanced installations to MV, HV and EHV power systems.
- IEC 62586-1: Power quality measurement in power supply systems, Part 1: Power Quality Instruments (PQI).
- IEC 62586-2: Power Quality Measurement in Power Supply Systems – Part 2: Functional tests and uncertainty requirements.
- IEC/TS 62578 Ed. 2.0:2014 Power electronics systems and equipment - Operation conditions and characteristics of active infeed converter (AIC) applications including design recommendations for their emission values below 150 kHz.
- IEEE PES Distribution Systems Analysis Subcommittee Radial Test Feeders. Dostępne na stronie: http://ewh.ieee.org/soc/pes/dsacom/testfeeders.html.
- IEEE Power Engineering Society, Distribution System Analysis Subcommitee, IEEE 37 Node Test Feeder.
- Li C., Tayjasanant T., Xu W., Liu X.: A method for voltage sag source detection by investigating slope of the system trajectory, IEEE Proceedings on Generation, Transmission & Distribution, 150, 3, 367-372, May 2003.
- Hanzelka Z. Jakość dostawy energii elektrycznej – zaburzenia wartości skutecznej napięcia. Wydawnictwa AGH, Kraków 2013.
- Mróz M.: Jakość dostawy energii elektrycznej jako kryterium przyłączenia elektrowni wiatrowych do sieci zasilającej. Praca doktorska, AGH, Kraków 2014.
- PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych.
- Norma PN-EN 61000-3-2 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 3-2: Poziomy dopuszczalne – Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika < lub = 16 A).
- PN-EN 61000-4-7: Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Część 4–7: Metody badań i pomiarów. Ogólny przewodnik dotyczący pomiarów harmonicznych i interharmonicznych oraz przyrządów pomiarowych, dla sieci zasilających i przyłączonych do nich urządzeń.
- PN-EN 61000-4-15: Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Część 4–15: Metody badań i pomiarów – Miernik migotania światła – Specyfikacja funkcjonalna i projektowa.
- PN EN 61000-4-30: Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 4–30: Metody badań i pomiarów. Metody pomiaru jakości energii.
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz. U. z dnia 29 maja 2007 r. z późniejszymi zmianami).
- Słupski P.: Lokalizacja źródeł zapadów napięcia w systemie elektroenergetycznym, praca dyplomowa, AGH, 2010.
- The 12th ICHQP Tutorial, Portugal, October 1, 2006.
- www.piknikjee.pl
- www.piknikami.pl.
[1] Zmieniono dane transformatorów T1 i T2, a także wszystkie odbiory przedstawione zostały jako odbiory skupione o stałej impedancji. Pominięto także regulator napięcia, występujący w oryginalnym schemacie sieci w węźle 799.








