Analiza układów zasilania obiektów użyteczności publicznej o różnym stopniu niezawodności

Charakterystyka obiektów budowlanych użyteczności publicznej

Jednostką użyteczności publicznej jest urząd państwowy lub instytucja służąca zaspokajaniu potrzeb społecznych [7].

W kraju występuje duża różnorodność układów zasilania obiektów użyteczności publicznej. Wynika to w głównej mierze z różnych wartości zapotrzebowanych mocy takich obiektów, różnych wymagań dotyczących niezawodności i pewności ich zasilania, różnych konfiguracji sieci elektroenergetycznej, odległości od stacji energetyki zawodowej oraz technicznych i ekonomicznych możliwości realizacji określonych rozwiązań [17].

Do przykładów obiektów użyteczności publicznej zaliczyć można m.in. [7, 15]:

• budynki biurowe,
• obiekty handlowe,
• obiekty usługowe,
• obiekty sportowe (stadiony, hale sportowe),
• placówki kulturalne (kina, teatry, opery, sale widowiskowe, muzea),
• obiekty edukacyjne (przedszkola, szkoły, uczelnie),
• obiekty służby zdrowia (szpitale, stacje pogotowia ratunkowego, przychodnie, gabinety lekarskie),
• żłobki,
• dworce kolejowe,
• dworce autobusowe,
• zawodowa straż pożarna,
• banki,
• komendy policji,
• obiekty wojskowe,
• urzędy państwowe,
• ośrodki przetwarzania danych (data center),
• obiekty łączności.

Wymienione obiekty budowlane użyteczności publicznej nie mają jednakowych wymagań w zakresie ciągłości dostaw energii elektrycznej. Niektóre z nich, np. muzea, nie muszą spełniać bardzo rygorystycznych wymagań niezawodnościowych.

Z drugiej strony, niektóre obiekty wymagają wyjątkowo wysokiej niezawodności zasilania. Zaliczyć do nich można np. szpitale (w szczególności sale operacyjne w szpitalach), obiekty wojskowe, komendy policji, zawodową straż pożarną, banki, obiekty łączności oraz ośrodki przetwarzania danych. Innymi słowy, obiekty budowlane użyteczności publicznej nie są spójne w zakresie wymagań niezawodnościowych.

Zapewnienie obiektom użyteczności publicznej bezprzerwowego zasilania jest bardzo kosztowne. W celu ograniczenia tych kosztów, powszechnie stosuje się podział na kategorie zasilania poszczególnych odbiorników.

Zakwalifikowanie urządzeń do określonej kategorii odbiorników pozwala na stworzenie przejrzystego układu zasilania i zminimalizowanie kosztów związanych z zapewnieniem wymaganego poziomu niezawodności [21].

W zależności od indywidualnych wymagań (kategoria odbiorów) dotyczących pewności zasilania należy wybrać:

• odpowiedni układ zasilania o określonym stopniu pewności zasilania,
• opcjonalnie odpowiednie źródła zasilania awaryjnego i gwarantowanego o określonym stopniu niezawodności (liczba i typ zasilaczy bezprzerwowych UPS, liczba i typ zespołów prądotwórczych).

Wartość napięcia zasilającego zależy od mocy zainstalowanych odbiorników w budynkach użyteczności publicznej [6]:

• odbiorniki o mocy poniżej 0,25 MW zasila się napięciem 230/400 V,
• odbiorniki o mocy powyżej 0,25 MW i poniżej 5 MW zasila się napięciem SN (15 kV/20 kV),
• odbiorniki o mocy od 5 MW do 50 MW zasila się napięciem SN lub napięciem 110 kV,
• odbiorniki o mocy powyżej 50 MW i poniżej 150 MW zasila się napięciem 220 kV,
• odbiorniki o mocy ponad 150 MW zasila się napięciem 220 kV lub wyższym.

W przypadku obiektów użyteczności publicznej typowa moc nie przekracza 5 MW, zatem w zależności od mocy zainstalowanej zasilanie realizowane jest napięciem 230/400 V lub napięciem 15 kV (20 kV).

Jednym z wyjątków są np. duże i bardzo duże obiekty data center, w których zapotrzebowanie na moc może przekroczyć 5 MW. W takich przypadkach możliwe jest zasilanie napięciem średnim lub napięciem 110 kV.

Warto dodać, że według statystyk z 2012 roku dla dwudziestu dużych centrów przetwarzania danych w Polsce przydział mocy wahał się od nieco poniżej 1 MW do nawet ponad 30 MW. Zasilanie napięciem wyższym niż 230/400 V wymaga oczywiście budowy odpowiednich stacji transformatorowych zapewniających pokrycie zapotrzebowanej mocy przez obiekt [6].

Standardy ciągłości zasilania według przepisów

Zagadnienie pewności dostaw energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej niskiego oraz średniego napięcia regulują m.in. [4]:

• norma PN-EN 50160:2010 – parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych,
• Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4.05.2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego,
• umowy sprzedaży energii elektrycznej oraz świadczenia usług dystrybucji – podpisywane przez spółki dystrybucyjne z odbiorcami i wytwórcami przyłączanymi do sieci rozdzielczej,
• instrukcje ruchu i eksploatacji sieci rozdzielczych,
• wymagania techniczne dla jednostek wytwórczych przyłączanych do sieci zawierają załączniki do „Instrukcji ruchu i eksploatacji sieci rozdzielczych spółek dystrybucyjnych”.

Podział przerw w zasilaniu według [5]:

• planowane – wynikające z programu prac eksploatacyjnych sieci elektroenergetycznej; czas trwania tej przerwy jest liczony od momentu otwarcia wyłącznika do czasu wznowienia dostarczania energii elektrycznej;
• nieplanowane – spowodowane wystąpieniem awarii w sieci elektroenergetycznej, przy czym czas trwania tej przerwy jest liczony od momentu uzyskania przez przedsiębiorstwo energetyczne zajmujące się przesyłaniem lub dystrybucję energii elektrycznej informacji o jej wystąpieniu do czasu wznowienia dostarczania energii elektrycznej.

Przerwa planowana, o której odbiorca nie został powiadomiony z co najmniej 5-dniowym wyprzedzeniem, jest traktowana jako przerwa nieplanowana.

Przerwy w dostarczaniu energii elektrycznej w zależności od czasu ich trwania dzieli się na przerwy [5]:

1) przemijające (mikroprzerwy), trwające krócej niż 1 sekundę,

2) krótkie, trwające nie krócej niż 1 sekundę i nie dłużej niż 3 minuty,

3) długie, trwające nie krócej niż 3 minuty i nie dłużej niż 12 godzin,

4) bardzo długie, trwające nie krócej niż 12 godzin i nie dłużej niż 24 godziny,

5) katastrofalne, trwające dłużej niż 24 godziny.

Ze względu na wymagania niezawodnościowe dla układów zasilania i rozdzielnic, układy sieci dzieli się na [16, 24]:

• układy nierezerwowane,
• układy rezerwowane o średnim poziomie niezawodności i dopuszczalnym długim czasie przerwy (kilka godzin),
• układy rezerwowane o wysokim poziomie niezawodności i dopuszczalnym krótkim czasie przerwy (kilka minut),
• układy rezerwowane o bardzo wysokim poziomie niezawodności i dopuszczalnym bardzo krótkim czasie przerwy zakłóceniowej (kilka sekund).

Podział odbiorców energii elektrycznej na grupy podmiotów ubiegających się o przyłączenie oraz warunki przyłączenia do sieci został przedstawiony w tab. 1. Natomiast w tab. 2. przedstawiono standardy ciągłości zasilania odbiorców w zależności od grupy przyłączeniowej według [5].

Koszty przerw w zależności od odbiorcy mogą być bardzo różne. W tab. 3. przedstawiono skutki finansowe spowodowane niedostępnością aplikacji dla różnych branży, w których przetwarzane są dane, i wykorzystywane są sieci komputerowe (dane dotyczą rynku amerykańskiego).

Klasyfikacje odbiorców energii elektrycznej ze względu na wymaganą pewność zasilania

Istnieje wiele ogólnych klasyfikacji odbiorników energii elektrycznej, ze względu na wymaganą pewność zasilania [1]. Trudno jednak o zupełnie jednoznaczny podział na kategorie z uwagi na indywidualny charakter każdego odbiornika energii elektrycznej.

Klasyfikacja może mieć wyłącznie charakter orientacyjny. Należy w każdym indywidualnym przypadku wykonać analizę wymagań odbiorników w zakresie ciągłości zasilania biorąc pod uwagę zarówno kryteria techniczne, jak również ekonomiczne.

Analizie powinny podlegać szacunkowe koszty budowy różnych wariantów układów zasilania. Istotne jest również oszacowanie kosztów strat wynikających z przerwy w zasilaniu oraz stopień bezpieczeństwa osób.

Przykładem klasyfikacji stosowanej w Polsce jest następujący podział [1]:

• kategoria I – odbiorniki, dla których przerwa w zasilaniu przez określony czas może spowodować zagrożenie życia ludzkiego lub bardzo duże straty materialne, np. uszkodzenie lub zniszczenie urządzeń technologicznych, rozstrojenie procesu technologicznego, utrata cennych danych, inne straty finansowe wynikające z przestoju w normalnym funkcjonowaniu obiektu,
• kategoria II – odbiorniki, dla których przerwa w zasilaniu może spowodować duże straty produkcyjne,
• kategoria III – odbiorniki niezaliczone do kategorii I lub II.

Inny, popularniejszy obecnie system klasyfikacji podany w [6], dzieli również odbiorniki na 3 kategorie:

• kategoria I – odbiorniki, w których nawet krótka przerwa w dostawie energii elektrycznej może spowodować zagrożenie życia ludzi lub znaczne straty materialne spowodowane np. przerwaniem procesu produkcyjnego,
• kategoria II – odbiorniki, w których krótka przerwa w dostawie energii elektrycznej (do kilku minut) nie spowoduje negatywnych skutków,
• kategoria III – odbiorniki, w których dowolnie długa przerwa w dostawie energii elektrycznej nie spowoduje żadnych negatywnych skutków.

W publikacji [2] klasyfikację odbiorców energii elektrycznej, w zależności od wymaganego stopnia pewności zasilania, podzielono na cztery kategorie. Klasyfikację zawiera tab. 4.

W przypadku budynków szpitalnych należących do kategorii obiektów użyteczności publicznej obowiązują bardzo wysokie wymagania dotyczące pewności zasilania. Stosowany jest w praktyce podział odbiorników w szpitalach na następujące kategorie zasilania [15]:

• kategoria Ia – urządzenia oświetleniowe i elektromedyczne, dla których jest wymagane zasilanie bezprzerwowe,
• kategoria Ib – urządzenia oświetlenia awaryjnego, wszystkie urządzenia medyczne związane z podtrzymaniem funkcji życiowych, dla których czas przerwy nie może przekroczyć 15 sekund,
• kategoria II – urządzenia wymagane do podstawowego działania obiektu, dla których przerwa nie może przekraczać 30 minut,
• kategoria III – pozostałe urządzenia, dla których przerwa zasilania może być większa od 30 minut.

Znajomość tych grup umożliwia wydzielenie sekcji:

• zasilania podstawowego nierezerwowanego,
• zasilania podstawowego rezerwowanego,
• zasilania podstawowego o bezprzerwowym zasilaniu [15].

W przypadku obiektów łączności istnieje podział na 4 grupy niezawodności od A o najwyższych wymaganiach dostępności do systemu do D o najniższych wymaganiach do systemu. Podział ten określa, w jaki sposób powinno być zrealizowane zasilanie obiektu łączności. Podział wygląda następująco [18]:

• grupa niezawodności A – zasilanie podstawowe dwustronne, zasilanie rezerwowe: wymagany stacjonarny zespół prądotwórczy z rezerwą co najmniej trzygodzinną,
• grupa niezawodności B – zasilanie podstawowe rezerwowane, zasilanie rezerwowe: wymagany stacjonarny zespół prądotwórczy z rezerwą co najmniej trzygodzinną,
• grupa niezawodności C – zasilanie podstawowe rezerwowane lub jednostronne w zależności od obiektu, zasilanie rezerwowe: wymagany stacjonarny zespół prądotwórczy z rezerwą co najmniej trzygodzinną,
• grupa niezawodności D – zasilanie podstawowe jednostronne, zasilanie rezerwowe: wymagany stacjonarny zespół prądotwórczy z rezerwą co najmniej trzygodzinną lub przewoźny zespół prądotwórczy z rezerwą co najmniej dwunastogodzinną (w zależności od sytuacji).

W przypadku obiektów typu data center istnieje klasyfikacja dotycząca całych obiektów w zależności od wymaganej pewności zasilania, opracowana przez Uptime Institute, oraz nowa norma dotycząca dystrybucji energii PN-EN 50600-2-2:2014-06 Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Cześć 2-2: Dystrybucja energii.

Klasyfikacja Tier dzieli obiekty data center na 4 poziomy (Tier I, Tier II, Tier III oraz Tier IV), zgodnie z poziomem niezawodności systemu (czas MTBF) i dostępności do systemu informatycznego na podstawie standardu ANSI/TIA-942 oraz wytycznych Uptime Institute (UI) [18,19]:

• poziom Tier I – jeden obwód do dystrybucji zasilania i chłodzenia, brak elementów redundantnych,
• poziom Tier II – jeden obwód do dystrybucji zasilania i chłodzenia, elementy redundantne,
• poziom Tier III – zwielokrotnione obwody dystrybucji zasilania i chłodzenia, elementy redundantne, ale tylko jeden obwód aktywny,
• poziom Tier IV – zwielokrotnione aktywne obwody dystrybucji ­zasilania i chłodzenia, elementy redundantne, odporne na błędy.

Z kolei system klasyfikacji obiektów data center wg normy EN 50600‑2‑2 opiera się na ocenie kilku elementów:

• klasy dostępności (4 klasy) związany ze stopniem pewności zasilania,
• klasy zabezpieczenia (3 klasy),
• klasy efektywności energetycznej (3 poziomy) [6].

W tab. 5. przedstawiono klasy dostępności data center i przykładowe implementacje zgodnie z grupą norm EN 50600.

Układy zasilania z sieci niskiego napięcia bez zasilania bezprzerwowego

W przypadku obiektów użyteczności publicznej o mocy poniżej 0,25 MW, które nie wymagają wysokiej pewności zasilania, stosowane są układy zasilania o różnej, ale dość niskiej pewności zasilania.

Na rys. 1. przedstawiono przykłady dwóch prostych układów zasilania z publicznej sieci niskiego napięcia.

• Pierwszy układ zasilania z jedną linią niskiego napięcia ma najniższą pewność zasilania [1]. Awaria, odstawienie dowolnego elementu do przeglądu, konserwacji lub naprawy powoduje przerwę w zasilaniu odbiorcy.
• Drugi układ zasilania ma część elementów rezerwowanych (transformatory, linie niskiego napięcia). Niestety, zanik napięcia lub awaria linii zasilającej 15 kV lub awaria/przegląd rozdzielnicy 15 kV, z której zasilane są transformatory powoduje przerwę w zasilaniu.

Często stosowany w praktyce układ zasilania przedstawiony na rys. 2. ma podobne cechy.

Pomimo że rozdzielnica 15 kV jest sekcjonowana, ale po stronie 15 kV cała stacja przyłączona jest do jednej linii magistralnej jednostronnie zasilanej. Awaria w linii zasilającej 15 kV pozbawia zasilania wszystkich odbiorców przyłączonej do tej stacji oraz odbiorców przyłączonych do kolejnych stacji zasilanych z tej linii [1].

Większą niezawodność można uzyskać, gdy zastosuje się układ, w którym stacja transformatorowa jest włączona w linię magistralną o dwustronnym zasilaniu z dwóch GPZ-ów.

Najwyższą pewność zasilania z sieci niskiego napięcia posiada układ przedstawiony na rys. 3. Odbiorca jest zasilany dwiema liniami niskiego napięcia wyprowadzonymi z dwóch różnych stacji transformatorowych, przy czym stacje transformatorowe zasilane są liniami promieniowymi 15 kV (nie liniami magistralnymi) wyprowadzonymi z różnych GPZ-ów [1].

Układy zasilania z sieci średniego napięcia bez zasilania bezprzerwowego

W przypadku obiektów użyteczności publicznej o mocy powyżej 0,25 W i poniżej 5 MW, stosowane są układy zasilania o różnej pewności zasilania.

Zasilanie odbiorców z sieci średniego napięcia odbywa się najczęściej przez tzw. stację PZO (Punkt Zdawczo-Odbiorczy). Odbiorca może być zasilany z sieci dostawcy jedną lub wieloma liniami.

Na rys. 4. przedstawiono układ, w którym stacja PZO zasilana jest dwiema liniami magistralnymi wyprowadzonymi z jednego GPZ 110/15 kV [1]. GPZ włączony jest w linię magistralną 110 kV jednostronnie zasilaną. Zanik napięcia w linii 110 kV pozbawia odbiorcę zasilania z sieci elektroenergetycznej. W praktyce znacznie korzystniejsze jest dwustronne zasilanie magistrali 110 kV, co znacznie podwyższa pewność zasilania odbiorców.

Najczęściej spotykanym w praktyce jest układ, w którym stacja PZO zasilana jest z dwóch linii magistralnych 15 kV, wyprowadzonych z dwóch różnych GPZ (obydwie stacje GPZ zasilane są z linii magistralnej 110 kV [1]. Układ przedstawiono na rys. 5.

Najwyższą pewność zasilania z sieci średniego napięcia gwarantuje układ przedstawiony na rys. 6. Odbiorca jest w tym przypadku zasilany dwiema liniami promieniowymi 15 kV, wyprowadzonymi z dwóch różnych GPZ, z pominięciem typowego układu PZO [1]. GPZ są zasilane z oddzielnych linii 110 kV wyprowadzonych ze stacji NN/110 kV lub ze stacji przy elektrowni.

W drugiej części artykułu szczegółowo zostaną omówione układy zasilania obiektów użyteczności publicznej z wykorzystaniem zasilania bezprzerwowego.

Literatura

1. Sutkowski T. „Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną – Urządzenia i układy”, Centralny Ośrodek Szkolenia i Wydawnictw, Warszawa 2007
2. Seip G.: Elektrische Installationstechnik. T.1 Berlin – Muchen, Siemens – Aktiengesellschaft, 1993
3. PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych
4. http://www.ien.pw.edu.pl/EIG/instrukcje/JAK_W_2_1.pdf
5. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4.05.2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego
6. Wiatr J., Orzechowski M.: Poradnik projektanta elektryka, Dom Wydawniczy Medium, Warszawa 2012
7. Ura E., Ura E.: Prawo administracyjne, Warszawa 2001.
8. http://itfocus.pl/dzial-it/storage/blisko-100-tys-m2-powierzchni-polskich-centrow-danych/
9. https://www.polskaszerokopasmowa.pl/artykuly/klucz,data-center-pierwszy-miliard-osiagniety,akcja,wydruk.html
10. http://www.outsourcingportal.eu/pl/rynek-data-center-rosnie-w-sile
11. http://pnt.euro-centrum.com.pl/files/post/666/Audytel---prezentacja.pdf
12. Zawiła-Niedźwiedzki J., Rostek K., Gąsiorkiewicz A.: Informatyka gospodarcza. 4, Wydawnictwo C.H. Beck, Warszawa 2010
13. Gala T.: Analiza układów zasilania obiektów data center, Praca dyplomowa magisterska, Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2016
14. Igras S.: Ile mocy dla serwerowni, 9.09.2013, http://www.computerworld.pl/news/391956_4/Ile.mocy.dla.serwerowni.html
15. Dołęga W.: Układy zasilania budynków publicznych pod specjalnym nadzorem. Elektroinstalator, 06/2014, str. 6-9
16. Dołęga W.: Układy zasilania obiektów o zróżnicowanym charakterze użytkowania. Elektroinstalator, 05/2014, str. 6-10
17. Dołęga W.: Advanced substations and electrical equipment. Wrocław University of Technology, Wrocław, 2011.
18. Wiatr J., Orzechowski M., Miegoń M., Przasnyski A.: Poradnik projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego (wydanie II poprawione i rozszerzone) tom I, Eaton Quality Power 2008
19. Piotrowski P., Derlacki M.: Klasyfikacja niezawodności dla obiektów typu data center, Elektro.info nr. 6/2014
20. Szczygieł K.: Tworzenie koncepcji infrastruktury fizycznej Data Center w oparciu o normy, 8th PLNOG Meeting 5-6 marca 2012
21. Dołęga W.: Stacje elektroenergetyczne. Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej  2007
22. Wiatr J., Orzechowski M.: Zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczną (część 2.) - źródła zasilania, elektro.info 5/2011
23. Dołęga W.: Planowanie rozwoju sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej w aspekcie bezpieczeństwa dostaw energii i bezpieczeństwa ekologicznego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2013.
24. Praca zbiorowa : Poradnik inżyniera elektryka, Tom 3. Wyd. 4, WNT, Warszawa, 2011
25. Uptime Institute, White Paper, Tier Classifications Define Site Infrastructure
26. Piotrowski P.: Niezawodność zasilania gwarantowanego dla obiektów typu data center,  Elektro.info nr  10/2014
27. http://biznes.interia.pl/gieldy/news/polcom-zakonczyl-budowe-nowego-data-center,2242980,1844
28. High Availability Network Fundamentals, www.availabilitydigest.com
29. Jakość zasilania – poradnik, odporność, niezawodność, redundancja, Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
30. Jakość zasilania – poradnik, pewność zasilania, układy rezerwowego zasilania odbiorców, Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A.
31. Piotrowski P., Pająk R.: Analiza układów zasilania dla obiektu typu data center w zależności od wymaganego poziomu niezawodności, część 2 – porównanie niezawodności układów zasilania w standardach Tier, Elektro.info nr  1/2/2013

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!