Jakość zasilania odbiorców (część 2) – poprawność pomiaru wskaźników jakości zasilania
Quality of power delivery (part 2) – current state in Polish power system
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. Pojawiają się nowe techniczne wyzwania, z których wiele nadal pozostaje nierozwiązanych. W artykule zwrócono uwagę na trzy takie zagadnienia, istotne w praktyce eksploatacyjnej polskiego systemu elektroenergetycznego: identyfikowanie w systemie elektroenergetycznym źródeł zaburzeń elektromagnetycznych, ocenę poprawności pomiarów wykonywanych w środowisku o niskiej jakości napięcia oraz w obecności zaburzeń o częstotliwości zawartej w paśmie (2÷150) kHz.
Zobacz także
prof. dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka, dr inż. Andrzej Firlit, mgr inż. Krzysztof Chmielowiec, dr inż. Marek Rogóż Jakość zasilania odbiorców (część 1.) - aktualny stan w polskich sieciach elektroenergetycznych
W pracy przedstawiono trzy kwestie, które są ważne w praktyce operacyjnej polskiego systemu energetycznego: identyfikacja źródeł zakłóceń elektromagnetycznych, ocena poprawności pomiarów w złej jakości...
W pracy przedstawiono trzy kwestie, które są ważne w praktyce operacyjnej polskiego systemu energetycznego: identyfikacja źródeł zakłóceń elektromagnetycznych, ocena poprawności pomiarów w złej jakości środowiska oraz obecność zakłóceń w zakresie częstotliwości (2, 150) kHz.
APATOR SA SPV RM – regulator parku energii z funkcją strażnika mocy dla nowoczesnej generacji rozproszonej
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne...
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne z wymaganiami operatorów zarządzanie. Farmy fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, instalacje biogazowe czy układy przemysłowe typu „zero eksport” wymagają dziś rozwiązań, które pozwalają kontrolować parametry pracy źródeł, ograniczać moc oddawaną do sieci oraz zapewniać skuteczną komunikację z systemami...
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.
W artykule:• Poprawa pomiaru wskaźników jakości zasilania• Poprawność pomiaru energii elektrycznej • Zaburzenia wysokiej częstotliwości |
Poprawność pomiaru wskaźników jakości zasilania
Prawidłowe rozwiązanie problemów lokalizacji zaburzeń jest możliwe pod warunkiem wykonania poprawnego pomiaru wskaźników jakości napięcia. Na rynku istnieje duży zbiór analizatorów stosowanych do oceny jakości zasilania, zróżnicowany zarówno cechami metrologicznymi mierników, jak również ich ceną. Można jednakże postawić pytanie: czy przyrządy te umożliwiają poprawny pomiar wskaźników jakościowych?
Nieomal wszyscy producenci analizatorów jakości dostawy energii elektrycznej (JDEE) deklarują zgodność swoich produktów z klasą pomiarową A według normy PN-EN 61000-4-3023. Deklaracje te poparte są zazwyczaj niezależnymi badaniami laboratoryjnymi lub testami przeprowadzonymi przez samych wytwórców. W literaturze przedmiotu znaleźć można jednakże publikacje, których autorzy stwierdzają różnice wskazań urządzeń pomiarowych klasy A względem wymagań serii norm EN 61000‑4 (np. 17). Niewątpliwą przyczyną takiego stanu był istniejący do niedawna brak akceptowanych międzynarodowo testów weryfikujących poprawność procedur pomiarowych stosowanych w analizatorach JDEE. Normy jeszcze do niedawna określały sposób pomiaru poszczególnych wskaźników JDEE oraz dopuszczalną niepewność pomiarową, nie opisywały natomiast wystarczająco precyzyjnie badań pozwalających na weryfikację zgodności z klasą pomiarową A. Obecność jednoznacznych, poprawnie opisanych testów automatycznie eliminuje wadliwe mierniki z rynku.
Badania porównawcze przeprowadzono dla grupy wybranych analizatorów JDEE dostępnych na rynku krajowym i zagranicznym. Wszystkie mierniki uczestniczące w eksperymencie miały zdeklarowaną przez producenta klasę pomiarową A.
Uczestnikami badań porównawczych byli zaproszeni producenci i dystrybutorzy analizatorów JDEE klasy A (zgodnie z deklaracją producenta potwierdzoną aktualnym certyfikatem). Sygnały testowe zostały zaproponowane z uwzględnieniem wymagań norm: PN-EN 61000-4-30 [23], PN-EN 61000-4-15 [22], PN-EN 61000-4-7 [21], IEC 62586-1 [11] oraz IEC 62586-2 [12]. Oparto się także na propozycjach testów otrzymanych od producentów analizatorów JDEE, które w ich ocenie mogły pozytywnie wyróżnić dany produkt względem oferty konkurencji. Sygnały testowe były zaprojektowane w taki sposób, aby dokonać oceny pomiaru: częstotliwości, wartości skutecznej napięcia, wskaźnika Pst, przerw, zapadów i wzrostów napięcia, asymetrii napięcia oraz harmonicznych i interharmonicznych napięcia. Wśród badanych analizatorów znalazły się urządzenia oferowane przez czternastu producentów (tab. 1.).
Tab. 1. Analizatory biorące udział w eksperymencie pomiarowym 27
Przyjęta metoda eksperymentu polegała na podłączeniu wszystkich analizatorów w tym samym punkcie pomiarowym oraz na symultanicznym podaniu na ich wejścia pomiarowe trójfazowego sygnału napięciowego zawierającego zdefiniowaną serię zaburzeń napięcia (zmiany wartości skutecznej oraz częstotliwości, odkształcenie, asymetria, wahania) i zdarzeń (zapady i wzrosty napięcia, przerwy w zasilaniu). Źródłem sygnałów testowych były wysokiej klasy programowalne kalibratory laboratoryjne. Wśród zaproponowanych testów znalazły się także takie, w których obecne były w tym samym czasie różne zaburzenia JDEE, co było dużym wyzwaniem dla analizatorów. Przykładowe przebiegi sygnału testowego przedstawione zostały na rysunkach 1–6.
Rys. 1. (po lewej) Przykładowa rejestracja napięć – test kombinacji zaburzeń JDEE [27];
Rys. 2. (po prawej) Przykładowa rejestracja napięć – test wahań napięcia [27]
Rys. 3. (po lewej) Przykładowa oscyloskopowa rejestracja napięcia – test filtru antyaliasingowego [27];
Rys. 4. (po prawej) Przykładowa rejestracja zapadu napięcia [27]
Rys. 5. (po lewej) Przykładowa rejestracja wzrostu napięcia;
Rys. 6. (po prawej) Przykładowa rejestracja zdarzenia [27]
Oddzielną grupę testów stanowiły pomiary zdarzeń: zapadów i wzrostów napięcia oraz przerw w zasilaniu. W tych przypadkach generator napięcia wzorcowego wytwarzał serie zdarzeń. Ocenie podlegała dokładność pomiaru ich parametrów, tj. czasu trwania i amplitudy zapadu/wzrostu napięcia. Przykładowe zdarzenia zarejestrowane podczas eksperymentu pomiarowego przedstawiono na rysunkach 4–6.
Porównując wyniki wskazań analizatorów JDEE, które wzięły udział w eksperymencie, można stwierdzić, że wielokrotnie nie zawierały się one w przedziale dopuszczalnej niepewności pomiarowej, szczególnie w przypadkach, gdy wygenerowany sygnał testowy był kombinacją zaburzeń JDEE. W kilku przypadkach analizatory nie dokonywały pomiaru wymaganego wskaźnika jakości (dotyczyło to głównie pomiarów harmonicznych, interharmonicznych i zdarzeń) lub otrzymane wyniki przekraczały wartości spodziewane. Szczegółowy opis badań wraz z raportem końcowym jest dostępny na stronie www.piknikjee.pl27.
Poprawność pomiaru energii elektrycznej
Gdy jest mowa o pomiarach w kontekście jakości zasilania, powstaje kolejny techniczny problem – poprawność pomiaru mocy i energii będących podstawą rozliczeń finansowych dostawcy i odbiorcy energii w obecności zaburzeń elektromagnetycznych. I w tym przypadku można postawić pytanie: czy zła jakość zasilania wpływa na poprawność wskazań liczników energii, w szczególności liczników AMI? W ich przypadku ważna jest także poprawność transmisji danych. Aby odpowiedzieć na to pytanie, przeprowadzono kolejny eksperyment pomiarowy obejmujący dwa oddzielne aspekty badawcze.
Celem pierwszej części eksperymentu były badania porównawcze wybranego zbioru liczników energii elektrycznej, które podczas pomiarów mierzą ten sam sygnał prądowy i napięciowy. Uczestnikami badań porównawczych w ramach eksperymentu byli producenci oraz dystrybutorzy liczników energii elektrycznej typu AMI, których produkty stosują polscy operatorzy sieciowi (tab. 2.). Badaniom poddano rozliczeniowe liczniki energii elektrycznej: komunalne, bilansujące, jedno- i trójfazowe typu AMI.
Tab. 2. Liczniki biorące udział w eksperymencie 28
Sygnały testowe zostały zaproponowane przez zespół specjalistów (AGH, TAURON Dystrybucja) w oparciu o wiedzę i doświadczenie organizatorów oraz wymagania następujących dokumentów: norma PN-EN 5016019, PN-EN 61000-3-220, Rozporządzenie Ministra Gospodarki zwane „systemowym”24 oraz raport z poprzedniego eksperymentu pomiarowego27. Sygnały testowe zostały zaprojektowane w taki sposób, aby dokonać oceny poprawności pomiaru mocy i energii czynnej oraz biernej, a także wartości skutecznej napięcia i prądu w różnych stanach obciążenia, włączając obecność zaburzeń jakości dostawy energii elektrycznej. Szczegółowy opis eksperymentu można znaleźć na stronie www.piknikami.pl28. Przykładowe wyniki testów przedstawiono na rysunkach 7. i 8.
Rys. 7. (po lewej) Wykres zbiorczy różnic względnych dla pomiarów energii czynnej – liczniki 3‑fazowe28;
Rys. 8. (po prawej) Wykres zbiorczy różnic względnych dla pomiarów energii biernej – liczniki 3‑fazowe28
Zaburzenia wysokiej częstotliwości
W ramach smart grids, a szczególnie systemów pomiarowych typu smart metering, konieczna jest komunikacja pomiędzy licznikami odbiorców i dostawców energii oraz licznikami bilansującymi, a dalej bazami danych wykorzystywanymi dla rozliczeń finansowych, zarządzania popytem, sterowaniem przepływami energii elektrycznej, diagnostyką itp. Obecnie głównym celem tej komunikacji jest przede wszystkim prowadzenie rozliczeń i diagnostyka. Pozostałe cele komunikacji z licznikami energii będą możliwe do zrealizowania po osiągnięciu przez strukturę komunikacyjną dużej niezawodności i dużej szybkości przesyłania informacji w układzie: liczniki, teletransmisja lokalna, koncentratory, teletransmisja na dużych obszarach oraz systemy komputerowe, hurtownie danych.
Decyzją o podstawowym znaczeniu jest w tym przypadku wybór sposobu komunikacji licznik – koncentrator. W Polsce dystrybutorzy energii elektrycznej realizują komunikację w tej warstwie w oparciu o technologię transmisji liniami zasilającymi (ang. Power Line Communication – PLC). W tabeli 3. podano zestawienie stosowanych standardów komunikacyjnych oraz pasm częstotliwości, w których realizowana jest transmisja danych pomiarowych.
Tab. 3. Standardy komunikacyjne technologii PLC (źródło: TAURON Dystrybucja S.A.)
Na rysunku 9. przedstawiono przykładowe widmo napięcia, w którym widoczne są składowe o znacznych wartościach, których częstotliwość jest zbieżna z częstotliwościami transmisji PLC i które stanowią potencjalne przyczyny zakłóceń przesyłania danych. Źródłem tych składowych w systemie elektroenergetycznym są głównie układy elektro- i energoelektroniczne, których liczba ciągle rośnie.
Na rysunku 10. przedstawiono przykładową zależność wartości składowej 16 kHz w prądzie energoelektronicznego interfejsu źródła fotowoltaicznego (PV). Widać wyraźnie, że wartość tej składowej jest praktycznie niezależna od prądu przekształtnika. Jej źródłem są procesy łączeniowe elementów półprzewodnikowych układu energoelektronicznego.
Rys. 9. (po lewej) Przykładowe widmo napięcia w sieci nn z dużą liczbą pracujących odbiorników elektronicznych [2];
Rys. 10. (po prawej) Wartość składowej o częstotliwości 16 kHz w prądzie przekształtnika PV w funkcji prądu (źródło: Bollen)
W ramach testów liczników AMI przeprowadzono także badania poprawności transmisji danych pomiarowych w obecności potencjalnych źródeł zaburzeń wysokoczęstotliwościowych. W roli tych ostatnich wykorzystano 3-fazowy silnik o mocy 2,2 kW zasilany przez przemiennik częstotliwości (rys. 11.), źródła światła (LED, świetlówki kompaktowe, żarowe, sodowe), komputerowe zasilacze impulsowe oraz przenośną spawarkę domową.
Rys. 11. Przebiegi napięcia (a) i prądu (b) fazowego przemiennika częstotliwości stosowanego w badaniach poprawności transmisji danych liczników AMI 28
Rys. 12. Propozycja poziomów kompatybilności w paśmie (30–150) kHz 3
Podczas testów badano dwie technologie PLC PRIME i PLC OSGP. Stwierdzono w kilku przypadkach przerwy w transmisji danych. Szczegółowy opis tej części eksperymentu pomiarowego można znaleźć w raporcie na stronie www.piknikami.pl28.
W ostatnim czasie w gremiach normalizacyjnych uznano potrzebę pilnego uzupełnienia aktualnych wymagań kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) o poziomy EMC w zakresie częstotliwości od 2 kHz do 150 kHz. Stanowisko takie zaprezentowano zarówno w europejskim komitecie CENELEC TC210, jak i w komitecie międzynarodowym IEC TC77A, podając jako uzasadnienie liczne stwierdzone przypadki braku EMC w wyniku zaburzeń obejmujących ten zakres częstotliwości, a występujących w sieciach zasilających nn. Niestety zadanie to okazało się trudne, ponieważ ujawniły się wyraźnie sprzeczne interesy grupy producentów różnorodnych urządzeń oraz operatorów sieci elektroenergetycznych. Wynikiem tego sporu i braku konsensusu jest przyjęcie do rozważenia i opublikowanie dla zakresu od 2 kHz do 150 kHz dwóch alternatywnych propozycji poziomów kompatybilności EMC (rys. 12.). Poziom wyższy, oznaczony jako propozycja ’A’, wydaje się korzystny dla producentów różnorodnych urządzeń elektronicznych, a także w dużej mierze dla konsumentów, umożliwia bowiem większą emisję zaburzeń w rozważanym paśmie częstotliwości, tym samym mniejsze koszty ich produkcji.
Natomiast poziom niższy, oznaczony jako ’B’, popierany jest przez środowiska związane z elektroenergetyką, gwarantuje bowiem – zdaniem energetyki zawodowej, większe bezpieczeństwo poprawnej pracy urządzeń wykorzystujących technologię PLC, w tym w szczególności liczników AMI. Różnice w obu proponowanych poziomach są istotne, bo dochodzące do 20 dB.
Należy zauważyć, że problem właściwego działania systemów PLC nie jest jedynym zagadnieniem technicznym wymagającym uwagi w aspekcie zapewnienia EMC w zakresie częstotliwości poniżej 150 kHz. Oprócz zakłócania pracy systemów PLC obserwuje się również zakłócanie innych urządzeń przez sygnały transmisyjne PLC, a także wzajemne zakłócanie się urządzeń niezwiązanych z PLC. Przypadki należące do tej ostatniej kategorii (niezwiązanej z PLC) stanowią większość sytuacji pomiarowych opisanych w raporcie CENELEC [2, 3].
- źródłami zaburzeń w zakresie częstotliwości poniżej 150 kHz są m.in.: elektroenergetyczne przetwornice impulsowe (na przykład przeznaczone do układów elektrowni fotowoltaicznych),
- układy sterowania,
- energoelektroniczne układy napędowe,
- przetwornice do źródeł światła LED oraz
- zasilacze impulsowe różnego przeznaczenia, w tym zasilacze urządzeń powszechnego użytku.
Producenci tych urządzeń będą z pewnością zainteresowani wyborem propozycji poziomu ’A’ (czyli wyższego poziomu kompatybilności). W ich przypadku obniżenie poziomu emisji urządzeń w tym zakresie częstotliwości stosownie do propozycji poziomu ’B’ jest technicznie kłopotliwe i kosztowne z uwagi na wymagane duże wartości indukcyjności i pojemności filtrów przeciwzakłóceniowych. Filtry przeznaczone do zakresu częstotliwości poniżej 150 kHz mają względnie duże wymiary i masę.
Brak porozumienia w zakresie poziomów kompatybilności [5, 7] utrudnia ustalenie dopuszczalnych poziomów emisji [13] i odporności [6]. Brak także wystarczająco precyzyjnych wymagań w zakresie pomiaru zaburzeń w rozważanym paśmie częstotliwości. Dyskusję na temat poziomów EMC dodatkowo utrudnia brak reprezentatywnej, opartej na wynikach badań, informacji odnośnie charakterystyk impedancji sieci nn w zakresie częstotliwości poniżej 150 kHz. Dane te są ważne, ponieważ wpływ impedancji sieci nn na zapewnienie EMC jest równie kluczowy, jak przyjęty poziom emisji lub odporności urządzeń dołączonych do sieci. Wiadomo również, że impedancja sieci nn jest zmienna w czasie, co utrudnia analizę zagadnień EMC oraz badania propagacji sygnałów PLC [3].
Zakończenie
Zagadnienia jakości dostawy energii elektrycznej są ciągle bardzo ważne w relacjach dostawcy i odbiorcy energii elektrycznej. Często uwidaczniają się tu wyraźne różnice interesów, a warunki rynkowe nadają tym relacjom niekiedy charakter silnego sporu. Nie zawsze obecny stan wiedzy i techniki pozwala na jednoznaczne rozstrzygnięcia tej różnicy zdań. W przedstawionych w artykule szczegółowych obszarach technicznych, pomimo wielu przeprowadzonych badań i wielu już zaproponowanych rozwiązań, nadal nie można uznać istniejącą sytuację za w pełni satysfakcjonującą.
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 2013.18. Mróz M.: Jakość dostawy energii elektrycznej jako kryterium przyłączenia elektrowni wiatrowych do sieci zasilającej. Praca doktorska, AGH, Kraków 2014.19. 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.
