UNIVERZITET U SARAJEVU ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET SARAJEVO
SCADA/EMS sistem: Funkcije upravljanja prijenosnom mrežom Seminarski rad
Autori: Alisa Ganid Kolegij: Eksploatacija i upravljanje EES šk.g. 2012./2013. Odgovorni nastavnik: R. prof. dr Mensur Hajro dipl.ing.el. Asistent: Asis. Mirsad Dosovid dipl.ing.el. Asistent: Doc. dr Smajo Bišanovid dipl.ing.el.
Kratak sadržaj: Međusobnim povezivanjem nacionalnih prijenosnih sistema u jedinstveni elektroenergetski sistem i liberalizacijom tržišta električne energije stvoreni su preduslovi za nesmetanu trgovinu električnom energijom. Uvođenjem tržišnih kriterija povedani su i zahtjevi za upravljanjem pogona EES-a bliže granicama naponske i ugaone stabilnosti, te dozvoljenim termičkim ograničenjima prijenosnih elemenata. Reorganizacija elektroprivrednih organizacija do koje je došlo zbog uvođenja jedinstvenog tržišta električne energije, te značajan napredak informatičke i komunikacijske tehnologije doveli su do neminovnih promjena i u sistemu za vođenje EES-a. Dosadašnja centralizirana koncepcija sistema za vođenje EES-a zamjenjuje se novim distribuiranim pristupom koji bi trebao omoguditi pouzdan, siguran i efikasan rad EES-a u novim uslovima. Stoga se danas sve češde, umjesto nekad jedinstvenog sistema vođenja EES-a, govori o sistemima za upravljanje i nadzor prijenosne mreže, distribucijske mreže i proizvodnje. Funkcija proračuna estimacije stanja postaje sve važnija kao primarni alat za upravljanje prijenosnim elektroenergetskim sistemom na temelju prikupljenih mjerenja iz realnog sistema i njegove utvrđene topološke strukture. Sve napredne funkcije današnjih SCADA/EMS (Energy Management System), kao što su analiza sigurnosti, optimalni tokovi snaga, a koje omogudavaju pouzdano i ekonomično vođenje sistema, značajno ovise o tačnosti podataka dobijenih iz proračuna estimacije stanja. Nakon implementacije SCADA sistema u dispečerskom centru za upravljanje proizvodno-prenosnim dijelom elektroenergetskog sistema (EES-a), sljededi korak je implementacija funkcija EMS-a (Energy Management System). Ključne riječi: prijenosna mreža, EMS (Energy Management System) - Sistem upravljanja električnom energijom na nivou proizvodnje i prijenosa, SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) - Sistemi za nadzor i upravljanje
2
Sadržaj Uvod ........................................................................................................................................... 4 1. Sistem za vođenje EES-a ........................................................................................................ 5 1.1 SCADA sistem u elektroenergetici ................................................................................ 7 1.2 Sistem za upravljanje prijenosnom mrežom................................................................. 9 2. EMS funkcije za upravljanje EES-om ................................................................................... 11 2.1 Klasifikacija funkcija EMS-a............................................................................................. 13 3. EMS funkcije za upravljanje prijenosnom mrežom ............................................................ 15 3.1 Funkcija estimacije stanja .............................................................................................. 16 3.2 Funkcija proračuna naponskih stanja i tokova snaga (PFLOW) ..................................... 21 3.3 Funkcija proračuna optimalnih tokova snaga (OPF) ...................................................... 23 3.4 Funkcija analize statičke sigurnosti (SA) ......................................................................... 25 3.5 Funkcija proračuna kratkih spojeva (PKS) ...................................................................... 27 3.6 Funkcija sekundarne regulacije (LFC) ............................................................................. 29 ZAKLJUČAK ............................................................................................................................... 32 Literatura .................................................................................................................................. 33
3
Uvod Elektroenergetski sistemi u današnjim uslovima predstavljaju vrlo složenu cjelinu čije planiranje, pogon i upravljanje treba udovoljiti brojnim zahtjevima, kako onim tehničke prirode, tako i onim ekonomskim. Zbog intenzivnog razvoja i porasta potrošnje, elektroenergetski sistemi postaju sve vedi i kompleksniji, a samim time i prijenosna elektroenergetska mreža, pa dostizanje optimalnih uslova pogona u ovakvom ambijentu postaje sve teže zbog brojnih zahtjeva koje treba udovoljiti. Posebno značajne promjene dogodile su se u prijenosnoj mreži, koju u posljednje vrijeme karakterišu sve vedi tranziti snaga i uslijed toga neminovna zagušenja mreže, te česte promjene tokova snaga u mreži zbog sve vedeg broja uređaja za kontrolu i preusmjeravanje tokova snaga, kao što su transformatori s ugaonom regulacijom i uređaji za kontrolu tokova aktivnih i reaktivnih snaga (engl. Flexible AC Transmission System – FACTS). Pored svega navedenog, u posljednje se vrijeme na prijenosni i distribucijski sistem priključuje sve vedi broj distribuiranih obnovljivih izvora (vjetar, sunce, biomasa, geotermalna energija, energija valova i dr.) koji nemaju regulacijske mogudnosti, te samim time predstavljaju sistemu za vođenje dodatni problem. Osim navedenih promjena u samom EES-u, te spomenutih promjena u organizacijskom smislu, veliki utjecaj na sistemu za vođenje u posljednjih desetak godina imao je i značajan razvoj informatičke i komunikacijske tehnologije. Primjenom WAM (Wide Area Monitoring) sistema zasnovanog na GPS (Global Positioning System) tehnologiji omogudeno je korištenje sinhroniziranih mjerenja fazora napona i struje u ovim sistemima. Funkcija proračuna estimacije stanja danas postaje sve važnija kao primarni alat za nadzor prijenosnog elektroenergetskog sistema na temelju prikupljenih mjerenja iz realnog sistema i njegove utvrđene topološke strukture. Sve napredne funkcije današnjih SCADA/EMS (Energy Management System), kao što su analiza sigurnosti, optimalni tokovi snaga, a koje omogudavaju pouzdano i ekonomično vođenje sistema, značajno ovise o tačnosti podataka dobijenih iz proračuna estimacije stanja. Prije nego li se poduzme analiza sigurnosti, ili bilo koja upravljačka akcija, mora se odrediti pouzdana procjena postojedeg stanja u prijenosnoj mreži. Za ovu namjenu fizička mjerenja ne mogu biti ograničena samo na njihove kvantitete kao podrška konvencionalnim proračunima tokova snaga. Ulazne veličine za proračun tokova snaga su P i Q snage na potrošačkim čvorištima, te P i U vrijednosti na generatorskim (naponski upravljanim) čvorištima. Ako je čak jedna od ovih veličina neraspoloživa, rješenje tokova snaga ne može biti dobijeno. Osim toga, greške u jednoj ili više ulaznih veličina (kvantiteta) mogu izazvati neupotrebljive i nerealne rezultate u tokovima snaga. U praksi, drugi prikladni mjerni kvantiteti, kao što su P i Q tokovi u linijama mreže, su raspoloživi, ali oni ne mogu biti korišteni u proračunima tokova snaga. Za siguran i pouzdan pogon elektroenergetskog sistema veoma je važno kvalitetno provođenje funkcija nadzora i upravljanja koje se jednim imenom zove vođenje sistema.
4
1. Sistem za vođenje EES-a Promjene u načinu vođenja EES-a (bliže granicama sigurnosti) i primjena uređaja za upravljanje tokovima aktivnih snaga dovele su do potrebe za modifikacijom postojedih i uvođenjem novih funkcija u sisteme za vođenje, koje bi trebale pridonijeti kvalitetnijem radu sistema i to posebno u uslovima nesigurnog i havarijskog rada EES-a. Naime, širenjem nadziranog područja i smanjivanjem vremenskih intervala unutar kojih se prikupljaju podaci iz EES-a, a što nam danas omogudavaju novi mjerni uređaji i komunikacijska tehnologija u sistema za vođenje stiže sve vedi broj podataka koje je potrebno obraditi i prosljediti odgovarajudim aplikacijama. Postojedi sistemi za vođenje u pravilu su zasnovani na centraliziranom, hijerarhijskom principu i starim tehnološkim rješenjima i vrlo teško se mogu prilagoditi novim zahtjevima koji se stavljaju pred njih. Nove koncepcije sistema za vođenje koje se danas razvijaju u svijetu zasnovane su uglavnom na distribuiranoj, mrežnoj arhitekturi i primjeni novih, inteligentnih rješenja. Za siguran i pouzdan pogon elektroenergetskog sistema veoma je važno kvalitetno provođenje funkcija nadzora i upravljanja koje se jednim imenom zove vođenje sistema. S obzirom na promjene u organizacijskom smislu, koje su dovele do razdvajanja jedinstvenih, vertikalno organiziranih elektroprivrednih firmi u horizontalno organizirane firme koje se bave proizvodnjom, prijenosom i distribucijom, neminovno je došlo i do promjena u sistemu vođenja. Stoga se danas, umjesto jedinstvenog sistema za vođenje EES-om, može govoriti o sistemima za vođenje prijenosne mreže, proizvodnje i distribucijske mreže .
Slika 1. Hijerarhijska struktura sistema za vođenje
Njihova koncepcija u pravilu je zasnovana na hijerarhijskom principu, šematski prikazanom na Slici 1. Mjerenja i signali iz transformatorskih stanica prenose se putem daljinskih stanica (Remote Terminal Unit – RTU) preko regionalnih mrežnih centara (Regional Center – RC) do nacionalnog dispečerskog centra (National Dispatching Center – NDC) u kojem se izvršavaju funkcije sistema za vođenje. Brzina prijenosa tih podataka ovisna je o njegovoj veličini i kvaliteti procesne i komunikacijske opreme. U vedini postojedih centara vrijeme potrebno da neki podatak dođe s mjernog mjesta do NDC-a iznosi od nekoliko sekundi pa čak do minute u nekim ekstremnim slučajevima. Tako velika kašnjenja i posebno njihova neistovremenost jedan su od bitnih razloga koji utječu na kvalitetu i brzinu odziva funkcija sistema za nadzor i 5
upravljanje. U modernim dispečerskim centrima, umjesto centralizirane strukture koristi se distribuirana, mrežna struktura sistema za upravljanje, koja je znatno fleksibilnija i brža u odnosu na klasične sisteme. Funkcije sistema za vođenje u vedini današnjih dispečerskih centara mogu se u osnovi svrstati u tri grupe: SCADA sistem za nadzor EES-a s različitim prikazima i alarmima EMS (Energy Management System) koji u sebi sadržava različite proračune i analize potrebne za upravljanje EES-om (estimacija stanja, tokovi snaga, analiza sigurnosti N1, optimalni tokovi snaga, kratki spoj i dr.) Sistemi automatskog upravljanja (AGC, Q-U regulacija – lokalna ili centralizovana) U posljednjih dvadesetak godina došlo je do značajnog razvoja informatičkih i komunikacijskih tehnologija , koje su svoju primjenu našle i u sistemu za upravljanje EES-om. Poboljšanje karakteristika računara i komunikacijskih uređaja pratio je i odgovarajudi razvoj programske podrške, što je bilo veoma važno za primjenu novih funkcija u sistemu za upravljanje i to posebno u području vizualizacije i primjene novih metoda matematičkog modeliranja EES-a. Osnovni zadatak sistema za procesnu informatiku je nadzor i automatsko upravljanje elektroenergetskim objektima. Samo upravljanje može biti lokalno ili daljinsko, a za ostvarenje njegovih funkcija koriste se različiti komunikacijski sistemi. Podaci koje korise sistemi procesne informatike nastaju u različitim dijelovima EES-a (rasklopna postrojenja, nadzemni vodovi, kabeli, transformatori, generatori i dr.). Za upravljanje EES-om najvažniji su podaci o statusima (signalima) rasklopnih uređaja (prekidači, rastavljači, sklopnici i dr.), te mjerene vrijednosti pojedinih fizikalnih veličina neophodni za upravljanje sistemom (napon, struja, aktivna i reaktivna snaga i dr.). Korištenjem naponskih i strujnih transformatora i međutransformatora sve mjerene veličine prenose se iz primarnog kruga u sekundarni krug. S obzirom da je riječ o analognim veličinama, za njihov daljnji prijenos nužno ih je pretvoriti u digitalne vrijednosti upotrebom analogno/digitalnih (A/D) pretvarača, te ih prikupiti u staničnom računalu. Stanični računari međusobno su povezana odgovarajudim računarskim mrežama kako bi se dobivena mjerenja i signali iz različitih dijelova postrojenja prikupila u tzv. daljinskoj stanici (DAS). Na taj način mogude je stvoriti sliku o trenutnom uklopnom i pogonskom stanju cijelog rasklopnog postrojenja. Ovisno o veličini rasklopnog postrojenja za ostvarenje navedenih funkcija može se koristiti i više daljinskih stanica. Tako dobiveni podaci iz različitih postrojenja šalju se preko odgovarajudih procesnih jedinica (RTU – Remote Terminal Unit) do regionalnih centara daljinskog upravljanja (CDU), gdje se primjenom programske podrške (SCADA) formira cjelovita slika o uklopnom i pogonskom stanju nadziranog dijela elektroenergetske mreže, što je osnova za sve daljnje analize i proračune važne za upravljanje sistemom. Za ostvarenje svih funkcija procesne informatike nužne su i odgovarajude komunikacijske veze, koje ovisno o vrsti podataka i mjestu njihova nastanka mogu biti žičane, optičke, radio veze, satelitske i dr. Za prijenos analognih veličina u pravilu se koriste žičane veze, a za međusobno povezivanje računara u različite računarske mreže (LAN, WAN i slično) obično se koriste tzv. UTP kabeli (bakrene parice), a u posljednje vrijeme sve češde i optičke veze. U nekim slučajevima za prijenos podataka koriste se i radio linkovi, a u posljednje vrijeme za 6
prijenos podataka između udaljenih dijelova EES-a sve više se koriste i satelitske veze (WAMS – Wide Area Monitoring System). Osim samih komunikacijskih i računarskih mreža za ispravan rad cijelog sistema važni su i komunikacijski protokoli koji se koriste za međusobnu razmjenu podataka između uređaja na mreži. Kako bi se omogudilo međusobno povezivanje uređaja različitih proizvođača i osigurao njihov ispravan rad za područje procesne informatike donesene su i odgovarajude međunarodne norme.
1.1 SCADA sistem u elektroenergetici Osnovni elementi koji osiguravaju adekvatnu akviziciju podataka, kontrolu prekoračenja i alarma, kontrolu topologije mreže, arhiviranje informacija i pogonsku statistiku su SCADA istemi, čije de se funkcije ukratko opisati u daljnjem tekstu. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) sistem služi za prikupljanje podataka iz jednog ili više udaljenih postrojenja, te omoguduje slanje upravljačkih naredbi u ta postrojenja. Riječ je o distribuiranom procesu čija je programska podrška instalirana u Centru daljinskog upravljanja i daljinskim stanicama (RTU). Osim u regionalnim (mrežnim) centrima centralni SCADA sistem instalira se u Nacionalnim dispečerskom centru zaduženom za upravljanje cijelog EES-a jedne države. Zbog važnosti SCADA sistema EES-i u pravilu imaju i rezervni upravljački centar (ECC – Emergency control center). Osnovne funkcije SCADA sistema mogu se podijeliti u funkcije nadzora i upravljanja. Funkcije nadzora dalje se dijele u tri grupe: prikupljanje podataka obrada podataka obrada događaja U dijelu sistema koji se bavi prikupljanjem podataka odvijaju se sljedede radnje: Nadzor daljinskih stanica/staničnih računara (detekcija komunikacijskih grešaka, pokušaj uspostavljanja redundantne veze, izvještaj o greškama, ...) Provjera stanja (pri pokretanju sistema, promjeni stanja DAS-a, ciklički, ...) Sinhronizacija vremena (referentni izvor vremena, sinhronizacijske poruke) Obrada prikupljenih podataka predstavlja također vrlo važan dio cijelog SCADA sistema i potrebno mu je posvetiti veliku pažnju, jer se na temelju tih podataka donose odluke važne za funkcionisanje EES-a. Dio SCADA sistema koji se bavi obradom podataka sačinjavaju sljedede funkcije: – Mjerenja (konverzija u digitalnu vrijednost, provjera granica, "mrtve zone“, obrada gradijenta promjene stanja) – Indikacije promjene stanja (inicijalizacija procesiranja, detekcija promjene, nadzor prijelaznih stanja) – Brojila – Oznaka podataka (osvježeni podaci, ručni unos, blokirani podaci, blokiranje alarma, blokiranje upravljanja, zamjenski podaci) – Sekundarni izvori podataka
7
SCADA sistemi u fazi nadzora bave se i obradom događaja koju sačinjavaju sljedede osnovne funkcije: – Pregled događaja (klasifikacija događaja po područjima) – Lista događaja (hronološki redoslijed – KRD liste) – Generiranje nepotvrđenog ili trajnog alarma – Generiranje zvučnog alarma – Aktiviranje sekundarnih funkcija Upravljačke funkcije SCADA sistema (uklop/isklop prekidača, rastavljača, zemljospojnika, sklopnika, promjena postavnih vrijednosti regulacijskih preklopki transformatora, uzbude generatora i dr.). mogu se ostvariti lokalno korištenjem tastera, preklopki, potenciometara i sl. ili daljinski preko RTU-a. U oba slučaja, sama komunikacija prema uređajima primarne energetske opreme najčešde je zasnovana na PLC tehnologiji.
Slika 2. Blok šema SCADA-e
Kao što je prikazano na Slici 2. SCADA sistem se sastoji od sljededih komponenata: 1. Pretvornici i aktuatori (eng. Instrumentation) 2. Udaljene krajnje stanice (eng. Remote terminal unit) 3. Centra upravljanja (eng. Master station/Central monitoring station) 4. Komunikacijska mreža (eng. Communication network) Pretvornici i aktuatori predstavljaju početak lanca. Oni su električki ili mehanički vezani na proces koji posmatramo. Zadada pretvornika je da prate vrijednosti struja, napona itd. te da u analognom ili digitalnom obliku informaciju o trenutnom stanju mjerene veličine proslijede RTU-u. Aktuatori primaju informaciju od RTU-a te npr. zatvaraju ili otvaraju prekidače. Udaljene krajnje jedinice (RTU – „Remote Terminal Units“), smještene u objektima elektroenergetskih sistema (elektrane, transformatorske stanice), predstavljaju kompaktne računarsko-komunikacijske podsisteme čije su tri osnovne funkcije: 1. zahvat, prikupljanje, pretvaranje i prijenos podataka sa udaljenih lokacija u centar upravljanja; 2. prijem i izvršenje upravljačkih naredbi iz centra upravljanja, putem izdavanja komandi za upravljanje rasklopnim aparatima na svojoj lokaciji; 3. lokalno upravljanje aparatima u postrojenju, bilo neovisno od centra upravljana ili preko neke forme koordinacije. 8
Savremeni RTU-i, ovisno o složenosti postrojenja u kojem su locirani, mogu i sami biti neki umanjeni SCADA sistemi („SubSCADA“) u važnijim postrojenjima. Centar upravljanja (MS - „Master Station“) komunicira sa svim RTU uređajima pod svojom kontrolom. MS, također može komunicirati i sa RTU uređajima susjednih elektroprivrednih preduzeda, regionalnim i/ili distributivnim centrima upravljanja, pa i sa centrom upravljanja sistemom. Osnovne funkcije MS su kontrola sigurnosti, teleupravljanje rasklopnim aparatima u postrojenjima bez posade, a u nekim elektroprivrednim sistemima i sekundarna automatska regulacija (AGC) bazira se na SCADA sistemu *mada je češda praksa da je AGC dio sistem za upravljanje energijom (EMS - „Energy Management System“)+. Namjenska telekomunikacijska mreža služi za prenos podataka između RTU-a i MS-a. U elektroprivredi se koristi niz različitih telekomunikacijskih medija kao što su: satelitski sistemi, koaksijalni kabeli, iznajmljene telefonske linije od preduzeda javnog telefonskog prometa, visokofrekventne veze po vodovima visokog napona, usmjerene radioveze itd. Da se osigura efikasnost, sigurnost i tačnost prijenosa podataka, RTU i MS koriste razne „komunikacijske protokole“. Vedina tih protokola razvijena je od strane proizvođača SCADA sistema (npr. IEEE C37/1 protokol). MMI (Man-Machine Interface) ima osnovnu uloga da prezentuje informacije korisnicima SCADA, tj. da ispunjava funkciju prikazivanja parametara koji opisuju stanje koje vlada u objektu koji se nadzire. To je najčešde računar sa odgovarajudim softverom koji na pregledan način prikazuje relevantne informacije o sisitemu i realizuje njegovu upravljivost. Sučelje operator-računarski sistem ostvaruje se posredstvom interaktivnih displeja, preko kojih operatori u centrima upravljanja kontroliraju podatke iz sistema i predaju komande za daljinsko upravljanje operatorima koji se nalaze u objektima na terenu.
1.2 Sistem za upravljanje prijenosnom mrežom Osnovu svakog sistema za upravljanje prijenosne mreže čini SCADA sistem koji prikuplja i obrađuje procesne podatke neophodne za upravljanje pogona. Na temelju prikupljenih podataka provode se različiti proračuni i analize na temelju kojih se donose odluke važne za sigurno i kvalitetno upravljanje. Taj dio sistema za upravljanje predstavlja nadogradnju osnovnog SCADA sistema i u literaturi je poznat pod nazivom “EMS – Energy Management System”. Šematski prikaz jednog klasičnog sistema za upravljanje prijenosne mreže prikazan je na Slici 3. U serverskom dijelu računarske mreže (na Slici 3. lijevo od glavne LAN sabirnice) i u dijelu mreže na koji su priključeni Real-time klijenti odvijaju se automatske funkcije SCADA sistema i EMS sistema (programi proširenog realnog vremena). Vrlo često ovi se programi nazivaju i ON-line proračuni, jer se izvode neovisno o zahtjevima dispečera. Osim cikličkog izvođenja, ovi se programi izvode i kod promjene topologije, a mogu se izvesti i na zahtjev. Za razliku od ON-line proračuna, OFF-line proračuni se izvode na arhivnim (studijskim) datotekama i koriste se u analizi rada i planiranju pogona EES-a.
9
Slika 3. Šematski prikaz strukture za upravljanje prijenosnim sistemom
Proračuni proširenog realnog vremena predstavljaju najvažniji dio svakog EMS-a, jer se na temelju njih vodi pogon, a osim toga rezultati tih proračuna koriste se kasnije i u svim studijskim analizama (OFF-line proračuni). Sama struktura i redoslijed izvođenja proračuna EMS-a prikazana je na Slici 6. Svi proračuni (na slici označeni brojevima 1 – 6) odvijaju se automatski u različitim ciklusima. Stanje mreže se učitava neprekidno, kako pristižu nova mjerenja i telesignalizacija iz EES-a. Procjena (estimacija) stanja, osnovni tokovi snaga i analiza sigurnosti N-1 obično se izvode svake dvije minute, te prilikom promjene topološkog stanja mreže, dok se proračun kratkog spoja izvode rijeđe (otprilike svakih pola sata) i na promjenu topologije. Jedna od akcija koja nema ciklički karakter je ručni upis podataka koji nedostaju ili se ne prenose daljinski, a nužni su za odvijanje procesa upravljanja sistemom. Sistem za upravljanje distribucijske mreže (DMS – Distribution Management System) je sistem koji obavlja funkcije nadzora i upravljanja distribucijom električne energije na srednjenaponskoj razini. Između sistema za upravljanje prijenosnih i distribucijskih mreža postoje određene sličnosti, ali i razlike.
10
Osnovne sličnosti između ova dva sistema su: – sakupljajnje informacija o stanju u elektroenergetskom sistemu i mjerenja pomodu udaljenih terminalnih jedinica (RTU) – prikupljeni podaci se u oba sistema procesuiraju i prikazuju operateru pomodu nekog video sučelja – sadrže funkcije za analizu stanja sistema i mjerenja potrebne za proračune (estimacija stanja, tokovi snaga, kratki spoj i dr.) – pohranjuju podatke za budude korištenje i analizu prošlih događaja – povezani su s drugim računalnim sistemima zbog razmjene podataka i rezultata proračuna i analiza Razlike između sistema EMS i DMS: – način vođenja pogona (radijalne, zrakaste, prijenosne mreže – zamkaste, petljaste) – rasklopna oprema u razdjelnim mrežama se nalazi duž vodova, a u prijenosnim mrežama u stanicama (TS, RS) – vedi broj ugrađenih RTU-ova u radijalnim mrežama – veličina baze podataka veda je za radijalne mreže – u radijalnim mrežama se mnogim uređajima upravlja ručno dok je u prijenosnoj skoro sve automatizirano i može se upravljati daljinski – češde su topološke promjene u radijalnim mrežama (preopteredenja, kvarovi, održavanje i dr.)
2. EMS funkcije za upravljanje EES-om Prvi korak u sprovođenju funkcija eksploatacije i upravljanja EES-ima je detekcija aktuelnog stanja sistema. Osnova za to su informacije koje se u centar upravljanja prenose direktno iz sistema. Za tu svrhu koriste se specijalizovani informacioni sistemi za prikupljanje, obradu i slanje informacija, kao i sprovođenje upravljačkih akcija (SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition). Njihova funkcija jeste da prikupe sve neophodne informacije iz sistema, inicijalno ih obrade i prenesu u centre upravljanja, gde se podvrgavaju detaljnoj analizi, obradi i arhiviranju. Istovremeno, oni obezbjeđuju i spregu između samog EES-a i operatora. Kontrolni centri u savremenim uslovima prelaze sa centralizovane arhitekture ka distribuiranoj fleksibilnoj i otvorenoj arhitekturi, što omogudava brz razvoj telekominikacione i kompjuterske tehnike (struktuirani komunikacioni mrežni protokoli, objektno orijentisani protokoli, razvoj softvera za povezivanje SCADA i viših softverskih paketa i sl.). Nakon implementacije SCADA sistema u dispečerskom centru za upravljanje proizvodnoprijenosnim dijelom elektroenergetskog sistema (EES-a), sljededi korak je implementacija funkcija EMS-a (Energy Management System).
11
Slika 4. Tipična struktura vertikalno-integrisanog elektroprivrednog preduzeda
Legenda: SCU – Sistemski centar upravljanja MCU – Mrežni centar upravljanja DCU – Distributivni centar upravljanja CUP – Centar upravljanja potrošnjom EMS (Energy Management System) – Sistem upravljanja električnom energijom na nivou proizvodnje i prijenosa DMS – (Distribution Management System) – Sistem upravljanja distribucijom DSM – (Demand Side Management) – Upravljanje potrošnjom u cilju racionalnog korištenja električne energije
Slika 5. Integracija SCADA i EMS 12
2.1 Klasifikacija funkcija EMS-a Upravljačke funkcije u dispečerskom centru proizvodno-prijenosnog dijela EES-a mogu se klasifikovati prema sljededim kriterijima: 1) Funkcije upravljanja u zatvorenoj petlji Ove funkcije baziraju se na informacijama iz realnog vremena, pri čemu se nema direktan uticaj operatora (dispečera) na njihovo funkcionisanje. Rad ovih funkcija nadgleda operator, tako što provjerava njihove performanse rada u zatvorenoj petlji. Tokom procesa nadzora operator može da modifikuje neke parametre upravljanja, mijenja mod upravljanja generatorskih jedinica i da preduzima druge slične akcije. 2) Funkcije upravljanja u otvorenoj petlji Rezultati proračuna koji se obavljaju od strane ovih funkcija u on-lime režimu se prezentuju operatoru na analizu i daljne akcije od strane operatora. Na ovaj način ova otvorena petlja se zatvara preko operatora. 3) Funkcije u studijskom modu Operator ili inženjer-analitičar sprovodi detaljnu analizu prošlih, ili potencijalno interesantnih bududih događaja u EES-u. Primjena ovih funkcija omogudava razumijevanje poremedaja, podešavanje upravljačkih parametara, podešavanje kriterija sigurnosti za pogon EES-a, pravljenje i provjeru planova remonata, testiranje šema uspostavljanja EES-a nakon poremedaja, itd.
Osnovne analitičke funkcije EMS-a po svojoj funkciji u odnosu na funkcionalne cijeline EES-a mogu se podijeliti u tri grupe : 1) Mrežne funkcije Provjera topologije (funkcija koja detektuje mogude greške u topologiji sistema, kao i njihove uzroke). Estimacija stanja (funkcija koja na bazi redundantnog skupa mjerenja iz sistema najčešde primenom kriterijuma srednje-kvadratnih odstupanja određuje vektor stanja sistema koji ga jedinstveno opisuje). Detekcija i identifikacija loših mjerenja (funkcija koja samostalno, ili u okviru funkcije estimacije stanja, detektuje loša mjerenja, kao i načine njihove popravke i mogudnosti za uključenje u dalji proračun). Kratkoročna prognoza opteredenja (funkcija vrši prognozu opteredenja u vremenskom horizontu od nekoliko minuta do jednog dana, u odgovarajudim vremenskim koracima, po pravilu na osnovu historijskih podataka (auto regresioni dio), vremenskih parametara i drugih raspoloživih uticajnih veličina (tretiranih kao egzogene promjenljive)). Dispečerski tokovi snaga (funkcija koja na osnovu selektovanih mjerenja iz sistema (u skladu sa klasifikacijom čvorova) proračunava jedinstveni vektor stanja sistema, primjenom nekog od numeričkih postupaka (Gauss, Newton-Raphson, brzi raspregnuti Stott-ov i drugi) rješavanja sistema nelinearnih jednačina). Optimalni tokovi snaga (funkcija određuje optimalno rješenje problema tokova snaga u zavisnosti od upravljačkih promjenljivih (najčešde odate aktivne snage generatora i/ili reaktivne snage reaktivnih resursa) po nekom od optimizacionih kriterijuma 13
(najčešde minimizacija gubitaka, minimizacija padova napona, minimizacija preopteredenja i drugi). Analiza poremedenih stanja u sistema (funkcija koja proračunava stanja (struje i napone) pri pojedinim kvarovima (jednopolni i dvopolni zemljospojevi, dvopolni i tropolni kratki spojevi, jednostruki i dvostruki prekidi provodnika) sa ili bez prelazne impedanse kvara). Analiza sigurnosti u stacionarnom stanju (funkcija koja analizira unaprijed selektovanu listu (n-1) i (n-2) ispada i njihovog uticaja na preopteredenje elemenata prenosne mreže u stacionarnom stanju). Dijagnostikovanje kvarova (funkcija koja vrši detekciju da je došlo do kvara, određuje njegov tip i lokaciju, kao i potrebne zaštitne mjere u istemu). Koordinacija relejne zaštite (funkcija koja određuje podešavanje referentnih vrijednosti u sistemu relejne zaštite u zavisnosti od karakteristika primijenjenih releja). Volt/Var koordinacija (funkcija određuje optimalnu upotrebu resursa za regulaciju napona (prvenstveno transformatora sa regulacijom pod opteredenjem) i reaktivnih snaga (sinhronih generatora i otočnih kompenzatora i kondenzatora) u cilju minimizacije nekog od optimizacionih kriterijuma (najčešde gubitaka) i uz istovremeno zadovoljenje skupa ograničenja (najčešde napona u čvorovima)).
2) Generatorske funkcije Izbor agregata u pogonu (funkcija na optimalan način vrši selekciju elektrana i pojedinačnih agregata koje de biti angažovane u određenom vremenskom horizontu (najčešde za sljededi dan), uvažavajudi njihove realne eksploatacione i druge karakteristike). Nadgledanje i analiza rezervi (funkcija prati zahtjeve i stanje pojedinih tipova rezervi (operativne, tople, hladne, havarijske, remontne i drugih) u sistemu, uz signalizaciju poremedenih stanja; najčešde je direktno povezana sa funkcijom automatske regulacije učestanosti). Automatska regulacija učestanosti (funkcija vrši optimalnu regulaciju odatih snaga proizvodnih jedinica u cilju održavanja učestanosti u sistemu). Ekonomski dispečing (funkcija za određeno opteredenje u sistemu određuje optimalne snage termičkih agregata, u cilju minimizacije ukupnih troškova sistema). Hidro-termo koordinacija (funkcija rješava problem optimalne koordinacije hidro i termičkih jedinica u cilju minimizacije ukupnih troškova u sistemu, a uz zadovoljenje specifičnih ograničenja koja se odnose na pojedine jedinice). Tranzijentna analiza (funkcija vrši proračun dinamičkog ponašanja promjenljivih stanja i ostalih promjenljivih poslije poremedaja, na bazi numeričkog rješavanja sistema diferencijalno-algebarskih jednačina). Naponska stabilnost (funkcija za stacionarno stanje prema (n-1) kriterijumu sigurnosti određuje mogude povedanje transfera aktivne (PV analiza) i reaktivne snage (QV analiza) po određenim (često interkonektivnim) vodovima). Dinamička stabilnost, ili stabilnost pri malim poremedajima (funkcija na osnovu analize linearizovanog sistema detektuje postojanje lokalnih ili međusistemskih oscilacija između pojedinih mašina u sistemu).
14
3) Tržišne funkcije Prognoza tržišnih cijena energije i pomodnih usluga (funkcija na osnovu podataka iz prošlosti i drugih raspoloživih egzogenih i endogenih promjenljivih vrši navedene prognoze). Izračunavanje troškova transakcija (funkcija vrši proračun cijena snage i energije ugovorenih transakcija). Menadžment ugovora (funkcija obrađuje sklopljene ugovore između pojedinih učesnika na tržištu). Obrada transakcija sa drugim EES-ima (funkcija obrađuje i planira ugovorene transakcije sa drugim EES-ima po količini energije, vremenu trajanja, tehničkim karakteristikama i sl.). Proračun lokalnih marginalnih cijena (funkcija određuje lokalne marginalne cijene energije u pojedinim čvorovima EES-a). Raspoloživi prijenosni kapaciteti (funkcija proračunava raspoložive prijenosne kapacitete po pojedinim prijenosnim kapacitetima). Kruženje energije (funkcija proračunava potencijalno kruženje energije između pojedinih učesnika na tržištu, kao i troškove koji se na taj način čine). 4) Funkcije za obuku Trening simulator (funkcija koja simulira rad EES-a u cilju obučavanja operativnog osoblja za rad na pravom sistemu).
3. EMS funkcije za upravljanje prijenosnom mrežom Proračuni proširenog realnog vremena predstavljaju najvažniji dio svakog EMS-a, jer se na temelju njih vodi pogon, a osim toga rezultati tih proračuna koriste se kasnije i u svim studijskim analizama (OFF-line proračuni). Sama struktura i redoslijed izvođenja proračuna EMS-a kod upravljanja prijenosnim mrežama prikazana je na Slici 6.
Slika 6. Proračuni proširenog realnog vremena za upravljanje prijenosnom mrežom 15
3.1 Funkcija estimacije stanja Program za procjenu (estimaciju) stanja osnovni je proračun na temelju kojega se određuje trenutno uklopno i pogonsko stanje mreže. Kako bi se to moglo ostvariti neophodni su podaci o mjerenjima i telesignalizaciji iz rasklopnih postrojenja koji se preko SCADA sistema dobivaju iz elektroenergetskog sistema. Osnovna mjerenja na temelju kojih program za estimaciju stanja određuje najvjerojatniji vektor stanja tj. napone po iznosu i uglu u svim čvorištima mreže su sljededa: – Aktivne i reaktivne snage u granama mreže – Proizvodnja aktivne i reaktivne snage generatora – Aktivne i reaktivne snage opteredenja po čvorištima – Iznosi napona u pojedinim čvorištima Osim ovih mjerenja, estimatori raspolažu i podacima o položajima regulacijskih preklopki mrežnih transformatora, proizvodnji kondenzatorskih baterija i prigušnica, a u estimatorima novije generacije za procjenu stanja koriste se i sinhronizirana mjerenja napona u čvorištima i granama iz WAM sistema. Za rad estimatora od velike su važnosti i čvorišta u kojima nema opteredenja (distribucijskih transformatora), te se za njih pouzdano može utvrditi da im je injekcija jednaka nuli. Nakon što se estimatorom utvrdi najvjerojatnije uklopno i pogonsko stanje sistema mogu se provesti i sve ostale analize u stvarnom vremenu (tokovi snaga, analiza sigurnosti N-1, kratki spoj), ali i studijske analize za potrebe optimizacije i planiranja pogona. Šematski prikaz i struktura ulaznih podataka i izlaznih rezultata estimatora prikazan je na slici ispod.
Slika 7. Šematski prikaz i struktura ulaznih podataka i izlaznih rezultata estimatora
16
Klasični estimatori stanja sastoje se u pravilu od četiri cjeline: 1) Obrada mrežne topologije (na temelju statusa prekidača, stanične topologije, povezanosti vodova, transformatora i dr.) 2) Analiza opservabilnosti (sagledivosti) (broj i raspored mjerenja mora omoguditi računanje vektora stanja, tj. napona) 3) Otkrivanje grubih grešaka u skupu mjerenja (nisu rezultat netačnosti mjerenja, ved obično kvara u mjernom ili komunikacijskom lancu) 4) Proračun procjene stanja (algoritam pomodu kojeg se određuje najvjerojatniji vektor stanja) Za mrežu od N čvorišta i G grana može se odrediti maksimalni broj mjerenja koja se teoretski mogu pojaviti u mreži. Uz poznatu vrijednost ugla referentnog čvorišta (obično se pretpostavlja vrijednost 0) vrijedi: - broj nepoznatih n=2N-1 - min. broj mjerenja m=2N-1 - max. broj mjerenja m=4G+4N-1 - N mjerenja aktivnih snaga čvorišta, - N mjerenja reaktivnih snaga čvorišta, - N mjerenja modula napona čvorišta, - N-1 mjerenja faznog ugla napona čvorišta, - G mjerenja aktivnih snaga na početku grane, - G mjerenja reaktivnih snaga na početku grane, - G mjerenja aktivnih snaga na kraju grane, - G mjerenja reaktivnih snaga na kraju grane Stvarni broj mjerenja uvijek je između minimalnog i maksimalnog broja, a omjer između broja mjerenja i nepoznanica naziva se redundancijom, a određen je izrazom: r
m n
(3.1)
Ovisno o veličini mreže (broju čvorišta) optimalna vrijednost redundancije je između 1,4 i 2,5. U slučaju nedovoljnog broja mjerenja u proračunu estimacije mogu se koristiti i tzv. pseudomjerenja koja se obično kreiraju na temelju postojedih podataka u bazi, prethodnih proračuna, karakteristika opteredenja pojedinih čvorišta i dr.
Osnovni problem estimacije stanja opisan je jednadžbom:
z h(x ) v pri čemu je: z – vektor mjerenja x – vektor stanja (naponi u čvorištima) h(x) – vektor nelinearnih funkcija koje povezuju vektor stanja i vektor mjerenja v – vektor pogreški mjerenja
17
(3.2)
Vektor h(x) određen je osnovnim izrazima za aktivne i reaktivne snage u čvorištima i granama mreže. Ukoliko se naponi u čvorištima i i j , te admitanse Y-matrice zadaju u polarnim koordinatama: V i V i i ,V j V j j ,Y ij Y ij ij
(3.3)
za snage u čvorištima i granama vrijedi:
Pi V i j 1V jY ij cos( i ij j )
(3.4)
Qi V i j 1V jY ij sin( i ij j )
(3.5)
Pij V iV jY ij cos(i ij j ) V i 2Y ii cos ii
(3.6)
Qij V iV jY ij sin(i ij j ) V i 2Y ii sin ii
(3.7)
n
n
Osnovni cilj estimacije stanja je određivanje vektora stanja x (naponi u čvorištima) uz najmanju grešku. Jedna od metoda koja se danas najčešde koristi za minimizaciju grešaka je metoda najmanjih kvadrata. U toj metodi ukupna greška je najmanja kada je zbir kvadrata svih grešaka mjerenja najmanji. U proračunima estimacije stanja koristi se modificirana metoda najmanjih kvadrata jer se procjena radi s ponderiranim (vaganim) greškama mjerenja opisanih njihovom standardnom devijacijom. Razlog tome je različita pouzdanost svakog mjerenja koja proizlazi iz njegovih karakteristika (način mjerenja, komunikacijski putevi, mrtvo vrijeme i dr.). Funkcija cilja (minimum greške v podijeljen standardnom devijacijom) je određivanje minimuma greške, a određena je izrazom: 2
1 m z h j (x ) min J (x ) min j 2 j 1 j
(3.8)
pri čemu je: σj oznaka za standardnu devijaciju j-tog mjerenja. Isti se izraz matrično može prikazati izrazom: min J (x ) min
T 1 z h (x ) R z1 z h(x ) 2
(3.9)
pri čemu je: R z1 kvadratna matrica recipročnih vrijednosti standardnih devijacija mjerenja. Ukoliko su mjerenja nezavisna, postoje samo dijagonalni elementi ove matrice, dok su vandijagonalni jednaki nuli. 18
Kako bi se odredila minimalna greška funkcije cilja zadane izrazom (3.8) potrebno je njenu derivaciju izjednačiti s nulom, te vrijedi: g(x )
m z h (x ) h (x ) J (x ) j j 0 j x x j j 1
(3.10)
J (x ) h (x ) 1 R z z h(x ) x x
(3.11)
U matričnom obliku dobiva se:
Derivacija matrice h(x) obično se u literaturi označava kao matrica H(x). U slučaju estimacije stanja elementi te matrice su derivacije pojedinih mjerenja (aktivne i reaktivne snage u čvorištima, aktivne i reaktivne snage u granama, naponi po iznosu i uglu) po varijablama vektora stanja (naponi po iznosu i uglu).
h (x ) h1(x ) ... 1 x 1 x n h(x ) H (x ) ... ... ... x hm (x ) ... hm (x ) x x n 1
(3.12)
Ta matrica je vrlo slična Jacobijevoj matrici koja se koristi u proračunima tokova snaga pomodu metode Newton-Raphson. Matrica H(x) može se prikazati sljededim izrazom: 0 0 H (x ) 0 0
Pij i Qij i
0
0
Pij j Qij j
0
0
Pij V i Qij V i
0
0
Pi
Pi
l
V l
Qi
Qi
l
V l
Pij V j Qij V j
0
0
0
0
0
Qi V i
0
i
0
0
0
0
0
0
i
19
0 0 0 0
Pij Qij
Pi
Q i V i
i
(3.13)
S obzirom da je sistem jednadžbi koji treba riješiti (jednadžbe 3.10, odnosno 3.11) nelinearan problem se rješava primjenom numeričkih metoda, tj. iteracijskim postupkom. Sam postupak proračuna estimacije stanja može se ukratko opisati u nekoliko osnovnih koraka: - Vektor stanja x se postavlja na početne vrijednosti (nazivne ili iz prethodnog proračuna) - Računa se vektor h(x) i vektor pogrešaka v=z-h(x) (razlika između vektora mjerenja i izračunatih vrijednosti) - Računa se matrica H(x) te se vrši korekcija vektora stanja x i dobiva se novi vektor stanja (zbog ovisnosti P-δ i Q-V obično se postupak odvija razdvojeno, tj. posebno se koriguju iznosi, a posebno uglovi napona što ubrzava sam postupak) - Na temelju izračunatih vrijednosti napona u čvorištima (vektor x) izračunavaju se snage u granama, te se upoređuju s mjerenim vrijednostima kako bi se utvrdilo postoje li pogrešna mjerenja. - Ako se utvrdi da postoje pogrešna mjerenja izbacuje se mjerenje s najvedom greškom, te se radi nova procjena stanja s prethodno izračunatim vrijednostima vektora stanja x - Iterativni ciklus završava kad je razlika između mjerenih i izračunatih vrijednosti manja od zadane tačnosti Poseban problem u proračunu estimacije stanja predstavljaju grube greške, koje obično nastaju pri vedim kvarovima u mjernom sistemu, a koji u samom postupku utvrđivanja tačnosti mjerenja nisu uočeni. Takva mjerenja se ne izbacuju i ulaze u postupak estimacije stanja zajedno s ostalim mjerenjima koja nemaju toliko veliku grešku. Rezultat toga bit de neprihvatljivi rezultati, a može dodi i do nestabilnosti samog iteracijskog postupka. To se posebno odnosi na greške u određivanju topološkog stanja mreže. Za utvrđivanje grubih pogrešaka koriste se odgovarajudi statistički testovi, a jedan od najčešde korištenih testova je tzv. hi-kvadrat test opisan izrazom:
j
j
J (x ) (m n ) 2(m n )
(3.14)
p - postoji gruba greška;
j p - nema grube greške; Navedeni izraz vrijedi za manje mreže uz uslov da je broj mjerenja vedi od broja nepoznatih barem za 30 (m-n30). Nakon uspješno završenog postupka estimacije određeno je najvjerojatnije pogonsko stanje sistema, tj. određeni su osnovni tokovi snaga na temelju kojih je mogude provesti i ostale analize i proračune.
20
3.2 Funkcija proračuna naponskih stanja i tokova snaga (PFLOW) Formulacija problema proračuna naponskih stanja i tokova snaga (PFLOW) zahtijeva da se za data opteredenja u čvorovima mreže (sa pretpostavljenim nivoima proizvodnje i potrošnje) i sa određenim naponima u generatorskim čvorovima mreže izračuna naponski profil koji se ima po čvorovima mreže (moduli i uglovi napona), zatim aktivne i reaktivne snage po granama mreže (dalekovodi i transformatori), gubici snage po granama mreže i ostale promjenljive mreže koje karakterišu stacionarno stanje. Osnovna zajednička karakteristika proračuna naponskih stanja i tokova snaga (uobičajeni termin je proračun tokova snaga) i statičke estimacije stanja jeste da se oba zasnivaju na tzv. "čvor-grana" modelu, koji se dobija iz aktuelnog statusa rasklopne opreme u postrojenjima. U osnovnom modelu proračuna tokova snaga ponašanje sistema (poznate topološke strukture) opisuju ulazne promjenljive, koje se unaprijed specificiraju, shodno izabranoj klasifikaciji čvorova (PQ, PVG, PVT i SL). Na osnovu njih, primjenom nekog od determinističkih postupaka, proračunava se skup izlaznih promjenljivih, koji čine moduli i uglovi fazora napona čvorova, kao i nenominalni odnosi transformacije klasičnih i faznih (phase-shift) regulacionih transformatora. U realnom pogonu može se desiti da se sve ulazne veličine ne mjere direktno, ali se zato mogu proračunati (npr. koristedi izraz bilansa kompleksnih snaga u čvoru i tokova snaga po incidentnim granama). U principu, kao ulaz u proračun tokova snaga može se koristiti bilo koji skup mjerenja iz sistema, koji de kao rješenje jednadžbih mreže, dati jedinstvene promjenljive stanja sistema. Tipičan primjer je zadavanje potrošačkih čvorova preko mjerenja aktivnih i reaktivnih opteredenja, ili preko mjerenja struja injektiranja i faktora snage.
Tabela 1. Praktična primjena funkcije PFLOW
Sa matematičkog stanovišta osnovni problem proračuna tokova snaga je rješavanje velikog broja nelinearnih algebarskih jednačina.
Tabela 2. Matematičke tehnike koje su neophodne za primenu PFLOW aplikacije 21
Proračun tokova snaga predstavlja jedan od osnovnih proračuna koji se koristi u stacionarnoj analizi pogona i planiranju rada elektroenergetskog sistema (EES). Osnovna pretpostavka od koje se polazi u klasičnim proračunima tokova snaga je simetričnost svih elemenata EES-a, te se zbog toga u tim proračunima koriste jednofazni modeli. Za tačnije proračune u kojima se uzimaju u obzir nesimetrična opteredenja i nesimetričnost izvedbe samih elemenata EES-a treba koristiti trofazne modele i trofazni proračun tokova snaga. Rezultat proračuna tokova snaga su naponi po iznosu i uglu u svim čvorištima mreže na temelju kojih je mogude odrediti i tokove snaga u svim granama mreže. U sistemima za vođenje proračuni tokova snaga se koriste u simulacijama različitih uklopnih i pogonskih stanja što je važno za analizu i planiranje rada EES-a. U proračunima tokova snaga čvorišta mreže se svrstavaju u tri kategorije: PQ čvorišta (čvorišta tereta) za koja se zadaje aktivna i reaktivna snaga injekcija (proizvodnja-potrošnja) PV čvorišta (generatorska čvorišta) za koja se zadaje injekcija aktivne snage i iznos napona referentno (regulacijsko, bilančno) čvorište u kojem se zadaje napon po iznosu i uglu Problem tokova snaga se u osnovi svodi na rješavanje sistema nelinearnih jednadžbi, bududi da su u elektroenergetskom sistemu poznate snage čvorišta, a ne struje. Za proračune strujnih i naponskih prilika u mrežama danas se najčešde koristi metoda čvorišta. Primjena te metode za rješavanje problema tokova snaga u elektroenergetskim mrežama svodi se u osnovi na rješavanje sistema nelinearnih jednadžbi. Za njihovo rješavanje koriste se iterativne metode, od kojih su najpoznatije Gauss-Seidel-ova metoda pomodu Y matrice i Newton-Raphson-ova metoda. Poznato je da potrebni broj iteracija Gauss-Seidel metode ovisi o veličini mreže, dok se kod Newton-Raphson metode broj iteracija nebitno mijenja s povedanjem broja čvoišta. Osnova za proračune tokova snaga je matrica admitancije čvorišta Y. U sistemima za vođenje elektroenergetskih mreža proračun tokova snaga se koristi u ON-line modu za provjeru eventualnih preopteredenja vodova i transformatora, kontrolu napona u svim čvorištima mreže, te mogudnosti proizvodnje reaktivne snage u PV čvorištima. Ukoliko se uoče preopteredenja grana ili prekoračenja zadanih naponskih granica u čvorištima, alarmira se dispečer radi poduzimanja odgovarajudih mjera. Osim u ON-line modu, proračun tokova snaga se koristi vrlo često i u studijskim (OFF-line) analizama. U tom slučaju simuliraju se različita uklopna i pogonska stanja mreže, kako bi se za njih utvrdile naponske i strujne prilike i ispitala mogudnost takvog pogona. To je posebno zanimljivo kod planiranih izlazak iz pogona generatora, vodova, transformatora i ostalih elemenata mreže. Isto tako vrlo često provode se analize i za različite postavke napona na generatorima i položaja regulacijskih preklopki mrežnih transformatora što se koristi za optimizaciju napona i reaktivne snage. S obzirom da je nadzirana prijenosna mreža samo dio ukupnog EES-a, proračuni tokova snaga često se koriste i za procjene zagušenja mreže do kojih može dodi zbog neusklađenosti raspodjele proizvodnje u nadziranoj mreži i planiranih tranzita električne energije.
22
Slika 8. Interfejs programa PFLOW sa okruženjem EMS-a
3.3 Funkcija proračuna optimalnih tokova snaga (OPF) Ova funkcija EMS-a ima za zadatak da optimizuje upravljačke promjenljive za EES koje su ograničene tokovima snage po mreži kao i sitemskim ograničenjima. Klasična OPF formulacija, ima jednu kriterijumsku funkciju. U praksi se često ima zahtjev da se simultano riješe, tj.optimiziraju više kriterijumskih funkcija. Najčešde se koriste sljedede četiri kriterijumske funkcije: 1. Minimalni troškovi pogona Kriterijumska funkcija sastoji se od sume troškova proizvodnje generatorskih jedinica, plus troškovi transakcije snage razmene. Sve sistemske upravljačke projmenljive koriste se u cilju minimizacije kriterijumske funkcije. Najkritičniji faktor u minimizaciji troškova je modelovanje krive troškova proizvodnje generatora u funkcije izlazne aktivne snage generatora. 2. Minimun gubitaka aktivne snage u prijenosnom sistemu Minimizacija gubitaka je povezana sa Q–V upravljanjem. Minimizacija ove kriterijumske funkcije dovodi do redukovanja kruženja rektivnih snaga po mreži, tako da se dobije bolji naponski profil duž napona čvorova mreže. Minimizacija gubitaka može da se obavi u dijelu svoje mreže, ili da se ova minimizacija obavlja na nivou cele interkonekcije. 23
3. Minimalno odstupanje od radne tačke Ciljna vrijednost odgovara početnoj ili nekoj drugoj vrijednosti za upravljačke promenljive. Ovakva kriterijumska funkcija može da se iskoristi u slučaju korektivnih akcija. Ova kriterijumska funkcija se često sastoji od od više različitih upravljačkih promenljivih, tako da se težinski faktori uz svaku promenljivu moraju brižljivo odabratii to od strane analitičara. 4. Minimiziranje broja upravljačkih promenljivih kod optimizacije Intencija je da se ima relativno mali, ali upravljiv broj komandi tj. upravljanja, gdje mali broj komandi zavisi od karakteristika svakog EES-a i EMS-a implementiranog u centru upravljanja EES-a.
Slika 9. Newton-ov metod optimalnih tokova snaga
Praktična primjena OPF funkcije, kao dijela EMS funkcija, jeste da proizvede rješenje za module i uglove napona čvorova u cijeloj mreži, a da se pri tome vrši optimizacija po nekom unapred zadatom kriterijumu. Naprimjer, operator je alarmiran da je mogude da se dogodi poremedaj ispada elementa EES-a koji je potencijalno opasan (od strane funkcije za analizu statičke sigurnosti). Operator startuje OPF sa stanjem mreže koja bi se imala da se dogodio ovaj ispad. OPF informiše operatora koje upravljačke akcije da preduzme da bi preveo EES u novo radno stanje, koje bi bilo sigurno i kada se ovaj događaj – poremedaj dogodi. Mogude je imati situaciju da se dobiju različita alterantivna rješenja problema, prije svega ako se mijenjaju prioriteti upravljačkih akcija i raspoloživost upravljačkih akcija. Isto tako, može da se vrši procjena reakcije EES-a na različite upravljačke akcije, uzimajudi u obzir brzinu promjene upravljačkih akcija. Kada se gore navedeno sumira, može se zaključiti da OPF može da posluži kao jedan dobar trening alat za operatora, u cilju podizanja njegovog operativnog znanja i vještina u vođenju EES-a.
24
3.4 Funkcija analize statičke sigurnosti (SA) Analiza sigurnosti N-1 je mjera robusnosti EES-a na temelju koje se može zaključiti kako ispadi pojedinih elemenata elektroenergetskog sistema djeluju na njenu sigurnost. Njome se ispituje sposobnost zadržavanja stabilnosti sistema nakon ispada elemenata. Posljedice ispada u sistemu koji zadovoljava kriterij sigurnosti N-1 mora se u što manjoj mjeri odraziti na ispravnost rada i kvalitetu isporuke električne energije. Važno je napomenuti da analiza sigurnosti N-1 spada u statičke analize sistema, jer se njome ispituje stanje nakon poremedaja, a ne analizira se sama prijelazna pojava. Pri tom se provjerava opteredenost svih grana mreže (vodovi, transformatori), naponi čvorišta, te proizvodnja aktivne i reaktivne snage u referentnom i PV čvorištima u novom stacionarnom stanju mreže. U sistemima za vođenje prijenosnih mreža analiza sigurnosti N-1 koristi se za predviđanje kritičnih uklopnih i pogonskih stanja, kako bi se na vrijeme uočili eventualni problemi do kojih može dodi u normalnom pogonu. Analiza sigurnosti N-1 se izvodi u ON-line modu rada, a ulazne podatke o trenutnom uklopnom i pogonskom stanju mreže preuzima iz estimatora stanja. Osim u ON-line režimu rada, analiza sigurnosti N-1 se koristi i u studijskim analizama za kratkoročno i dugoročno planiranje rada mreže. Ved se iz samog naziva predmetne analize N-1 može se zaključiti da se njome analiziraju stanja nakon ispada samo jednog elementa EES-a. Pri tom je važno razlikovati ispade grana mreže od ispada generatora. Osnovna razlika je u tome, što prilikom ispada generatora dolazi do značajnijeg narušavanja odnosa između ukupne proizvodnje i potrošnje EES-a, dok prilikom ispada vodova ili tranformatora u pravilu dolazi samo do beznačajne razlike između ukupne proizvodnje i potrošnje. Razlog tome je što u slučaju ispada neke grane mreže dolazi samo do preusmjeravanja tokova snaga, te uslijed toga i do odgovarajude promjene gubitaka u mreži.
Slika 10. Postupak izvođenja sigurnosnih analiza ispada
Za potrebe analize sigurnosti trebalo bi provesti simulaciju ispada svih elemenata EES-a, ali se to najčešde ne radi, ved se simuliraju samo ispadi onih elemenata koji bi mogli dovesti do narušavanja sigurnosti rada sistema. Stoga se prilikom pripreme ulaznih podataka za analizu 25
sigurnosti N-1 određuju pragovi opteredenja grana, odnosno proizvodnje generatora, te se isključuju samo oni elementi koji su iznad zadanog praga. Osim toga, elementi čiji de se ispad simulirati mogu se zadati i preko listi, koje se formiraju na osnovu iskustva dispečera. U EESima s velikim brojem vodova, transformatora i generatora izvođenje analize sigurnosti N-1 moglo bi biti dugotrajno, te je stoga prilikom određivanja listi za simulacije ispada važno voditi računa, ne samo o opteredenju pojedinog elementa, ved i o ozbiljnosti učinka njegova ispada. U literaturi postoje različiti algoritmi na temelju kojih se u stvarnom vremenu stvaraju liste ispada koje uzimaju u obzir njegovu važnost. Na Slici 10. prikazan je pojednostavljeni postupak izvođenja sigurnosnih analiza koji uvažava ozbiljnost učinka pojedinog ispada. Sljededi važan element o kojem treba voditi računa u analizama sigurnosti N-1 je djelovanje primarne regulacije i utjecaj vanjske mreže pri ispadu generatora. Naime, za razliku od proračuna tokova snaga u kojem se sva razlika između zadane proizvodnje i potrošnje, te gubici u mreži uravnotežuje u referentnom čvorištu, u analizi sigurnosti N-1 ta se razlika nadoknađuje iz svih generatora nadzirane mreže koji sudjeluju u primarnoj regulaciji, te iz vanjskih mreža. Za određivanje iznosa snage koja se nadoknađuje iz pojedine vanjske mreže potrebno je poznavati tzv. regulacijsku konstantu nadziranog EES-a i svih ostalih EES-a vezanih na nju. Regulacijska konstanta sistema definirana je izrazom:
P 1 P MW f s f Hz
(3.15)
pri čemu je: P – proizvodnja sistema (MW) s – statizam sistema f – frekvencija Manjak snage u nadziranom sistemu nadoknađuje se iz njega samog i iz svih ostalih interkonektiranih sistema u omjeru njihovih regulacijskih konstanti. Nako što se odredi dio snage koji se nadoknađuje iz nadziranog sistema, raspodjela po pojedinim generatorima koji sudjelu u primarnoj regulaciji određuje se prema njihovim statizmima. Za potrebe proračuna tokova snaga i analize sigurnosti N-1 neophodno je modelirati vanjsku (nenadziranu) mrežu. Postoje dva osnovna klasična načina rješavanja problema ekvivalentiranja vanjske mreže za potrebe proračuna proširenog realnog vremena: djelomični (reducirani) postupak ekvivalentiranja vanjske mreže (utjecaj nadomješten na graničnim čvorištima) potpuni (nereducirani) postupak ekvivalentiranja vanjske mreže (zasnovan na tokovima snaga ili procjeni stanja) Najčešde se spominju dva osnovna tipa ekvivalenta: WARD i REI ekvivalent. Njihovim modifikacijama i unapređenjima dobiveno je mnoštvo izvedenih ekvivalenata kojima je u osnovi uvijek jedan od navedena dva tipa.
26
3.5 Funkcija proračuna kratkih spojeva (PKS) Svrha funkcije proračuna kratkih spojeva (PKS), kao dio EMS-a, jeste da izvrši proračun struja kratkih spojeva za zadati kratki spoj (ili zemljospoj) u mreži, i da poslije toga izvrši poređenje vrijednosti struja kratkih spojeva sa nominalnim vrednostima struja kratkih spojeva prekidača u mreži, koji su locirani blizu čvora pogođenog kratkim spojem. Ako se pronađe bilo koja struja kratkog spoja koja svojom vrijednošdu prevazilazi ovaj nominalni nivo, onda ova struja kratkog spoja, tj. kratki spoj, postaje dio liste poremedaja koji dovode do narušavanja ograničenja u EES-u zbog pojave kratkog spoja.
Slika 11. Metod proračuna struja KS 27
U cilju riješavanja proračuna kratkih spojeva koriste se: simetrične komponente, tehnika rijetkih matrica za formiranje i faktorizaciju matrice čvorova, kao i brza zamjena unaprijed i unazad u cilju riješavanja matrica impedansi čvorova. Funkcija PKS treba da omogudi: Generisanje alarma operatoru koji treba da opišu šta de se dogoditi u EES-u, odnosno koji efekti na rad EES-a de se imati u slučaju pojave kratkog spoja na određenoj lokaciji u EES-u. U studijskom modu analizu efekata planiranih isključenja u mreži. Da bi se ovi proračuni realizovali, potrebno je: Da se u modu realnog vremena bazno stanje inicijalizuje na osnovu rješenja statičke estimacije stanja mreže, i to za stanje prije kratkog spoja. Da se u studijskom modu bazno inicijalizuje na osnovu rješenja proračuna napona i tokova snaga za planirani radni režim EES-a. Da algoritam za proračun kratkih spojeva omogudi simulaciju promjene topologije, zbog jednostrukog ispada grane mreže, prije pojave kratkog spoja. Da algoritam za PKS omogudi modelovanje međusobno spregnutih dalekovoda.
Slika 12. Opšti prikaz funkcije proračun kratkih spojeva
Algoritam proračuna Proračun struja kratkih spojeva radi se koristedi metod superpozicije, koji se sastoji od dva koraka: 1. Dobiti rješenje napona čvorova i raspodjele tokova snaga bez kratkog spoja. 2. Ubaciti naponski izvor na mjesto čvora pogođenog kvarom. Vrijednost modula napona je ista, kao što je proračunata u Koraku 1, ali sa promijenjenim predznakom. Ostale vrijednosti napona čvorova postave se na nulu. Sumiranjem struja iz naprijed pomenuta dva koraka dolazi se do vrijednosti struja kratkih spojeva. Uobičajno je da se koristi aproksimativan, pojednostavljeni metod kod primjene u EMS-u. Primjenom ovog metoda uglavnom se uzima u obzir činjenica da vrijednosti struja kratkih spojeva manje zavise od opteredenja mreže, nego kada se ima promjena topologije u mreži. Ovaj pojednostavljeni računarski metod (metod ekvivalentnog naponskog izvora) uglavnom je u skladu sa Njemačkim standardom VDE 0102 i međunarodnim standardom IEC 60909. 28
Rezultati koji se dobijaju kod ovog proračuna su na strani sigurnosti i imaju dovoljnu tačnost za praktičnu primjenu. Za proračun struja kratkih spojeva koriste se različiti računarski modovi koji mogu biti izabrani od strane operatora-analitičara: 1. Automatska promena lokacije kvara kroz sve čvorove mreže (mod primjene brze Z matrice, Takaši mod). Ukupna struja/snaga kratkog spoja za pogođeni čvor kvarom i struje kratkih spojeva susjednih čvorova potom se izračunavaju. 2. Kompletan proračun raspodjele struja kratkih spojeva za pojedinu lokaciju kvara (primjena tehnike brze zamjene unazad). Dakle, za razliku od proračuna kratkog spoja prema međunarodnom standardu IEC 60909 u kojem se za proračun maksimalnog kratkog spoja pretpostavlja da je cijela mreža neopteredena, ali je napon uvedan za 10%, za proračun kratkog spoja u stvarnom vremenu uzima se stvarno uklopno i pogonsko stanje mreže dobiveno estimatorom. Prema standardu IEC 60909 za proračun maksimalnog kratkog spoja pretpostavlja se također da su svi elementi mreže uključeni kako bi se dobile najvede struje kratkog spoja. U proračunima kratkog spoja u stvarnom vremenu važno je što tačnije odrediti stvarne vrijednosti struja kako bi se utvrdila eventualna prekoračenja prekidnih modi prekidača u rasklopnim postrojenjima. Stoga se ti proračuni i izvode pri svakoj promjeni topološkog stanja mreže. Osim u ON-line modu proračuni kratkog spoja se mogu izvoditi i u studijskim analizama koje se obično koriste za kratkoročna planiranja (od jednog sata do jednog dana unaprijed). Njima se provjerava izvodivost određenih uklopnih i pogonskih stanja sa stajališta struja kratkog spoja. Proračuni kratkog spoja u sistemima za vođenje izvode se za trofazni i jednofazni kratki spoj bududi da se kod njih očekuju maksimalne vrijednosti struja kvara.
3.6 Funkcija sekundarne regulacije (LFC) Sekundarna regulacija predstavlja superponirano dejstvo na primarnu regulaciju, koja potiče od više lokalnih turbinskih regulatora. Pod primarnom regulacijom podrazumijeva se spontano dejstvo turbinskih regulatora sinhronih generatora, koji su osetljivi na promjene učestanosti. Primarna regulacija je brza, proporcionalnog tipa (statička), sa konstantnom frekventnom greškom, i ona djeluje nakon svakog poremedaja (debalansa aktivnih snaga) u sistemu. Korekcija promjene opteredenja generatora je moguda pomodu sekundarne akcije, na ulaz nekih, ili svih turbinskih regulatora generatora u sistemu. Generatori koji učestvuju u sekundarnoj regulaciji nazivaju se regulacioni agregati. Znači da se funkcija sekundarne regulacije ili LFC (Load Frequency Control) realizuje promjenom odate aktivne snage generatora, tj. agregata. AGC predstavlja sistem sekundarne regulacije, namenjen upravljanju povezanih EES-a. Zadatak AGC je da: - održava učestanost sistema na nominalnoj vrijednosti; - reguliše snagu razmjene sa susjednim EES i održavanje snage razmjene na planiranim vrijednostima; - regulacija proizvodnje prema opteredenju sistema, tj. regulacione oblasti; 29
- vrši korekciju vremenske greške i neželjene snage razmjene na zahtjev operatora; - izvrši ekonomičnu raspodjelu opteredenja sistema između regulacionih agregata u sistemu. AGC prva četiri zadatka obavlja kroz LFC modul, a peti zadatak se obavlja uz pomod modula za EDC.
Slika 13. Globalni dijagram LFC-a
Procesiranje regulacione greške Regulaciona greška je izračunata veličina iz koje LFC određuje neophodne upravljačke akcije da bi se održala planirana učestanost i snage razmjene u okviru definisanih granica. U LFC modulu regulaciona greška oblasti (ACE) se u zavisnosti od izabranog moda regulacije, računa na sljededi način: 1. Regulacija učestanosti i snaga razmjene (Mod1) ACE=(P1 – P0) + B*(F1 – F0)
(3.16)
2. Regulacija snage razmjene (Mod2) ACE=P1 – P0
(3.17)
3. Regulacija učestanosti (Mod3) ACE=B*(F1 – F0) )
(3.18)
4. Mod1 + korekcija vremenske greške (Mod4) ACE=(P1 – P0) + B*(F1 –(F0 + ΔF1)) )
(3.19)
5. Mod3 + korekcija vremenske greške (Mod5) ACE=B*(F1 - (F0 + ΔF1)) ) 30
(3.20)
6. Mod1+korekcija neželjene razmjene (Mod6) ACE=(P1 – (P0+ΔP1)) + B*(F1 – F0) )
(3.21)
7. Mod2 + korekcija neželjene razmjene (Mod7) ACE=P1 – (P0 + ΔP1) )
(3.22)
gde je: P1 – stvarna snaga razmjene (MW) P0 – planirana snaga razmjene (MW) B – regulaciona konstanta regulacione oblasti (MW / Hz) F1 – stvarna učestanost sistema (Hz) F0 – planirana (nominalna) učestanost sistema (Hz) ALFA – konstanta peglanja (obično je između 0,7 i 1,0) T – period izvršavanja LFC, dužina trajanja ciklusa t – tekude vrijeme Planirana snaga razmjene P0 dobija se od programa za planiranje razmjene (ITS), ali i ručni unos vrijednosti P0 od strane operatora treba da ažurira ovu vrijednost. Konstanta peglanja ALFA je parametar koji se podešava prema ispitivanjima za svaki EES posebno.
Korekcija vremenske greške U ovom algoritmu LFC se ne primijenjuje funkcija automatske korekcije vremenske greške, čim se prekorači neka propisana granica, ved se korekcija inicira od strane operatora. Također su propisane i dozvoljene promjene referentne učestanosti radi korekcije vremenske greške i one iznose ΔF1 = ± (0,02 – 0,05)Hz. Vremenska greška uvijek se računa u odnosu na 50 Hz (ili 60 Hz), bez obzira na planiranu učestanost. Vremenska greška za ciklus koji je u toku računa se po izrazu: GrVr = (F1 – 50)*ΔT/50 (3.23) Kumulativna vremenska greška u k-tom ciklusu data je izrazom: δT(k)=δT(k-1) + GrVr)
31
(3.24)
ZAKLJUČAK Uvođenjem SCADA sistema za nadzor i upravljanje elektroenergetskim sistemima dobiva se upravo mogudnost za nadzor i daljinsko upravljane u realnom vremenu mnogih industrijskih procesa, među kojima je i prijenos električne energije. SCADA sistemi su postigli ogroman napredak tokom proteklih godina u smislu funkcionalnosti i performansi. Sve osnovne funkcije upravljanja u realnom vremenu temelje se na procesima odlučivanja, a osnova za to su informacije koje se u centar upravljanja prenose direktno iz sistema. Za tu svrhu koriste se specijalni informacijski SCADA sistemi. Njihova funkcija je da prikupe sve potrebne informacije iz sistema, prenesu ih u centre upravljanja, gdje se podvrgavaju analizi, obradi i arhiviranju. Istovremeno, oni osiguravaju i spregu između samog elektroenergetskog sistema i operatora, preko koga se najčešde zatvara povratna sprega. Uloga operatora je da izabere tipove i prioritete upravljačkih akcija, na osnovu specifičnih uslova rada sistema, iskustva i drugih utjecajnih faktora. Sve napredne funkcije današnjih SCADA/EMS (Energy Management System), kao što su analiza sigurnosti, optimalni tokovi snaga, a koje omogudavaju pouzdano i ekonomično vođenje sistema, značajno ovise o tačnosti podataka dobijenih iz proračuna estimacije stanja. Prije nego li se poduzme analiza sigurnosti, ili bilo koja upravljačka akcija, mora se odrediti pouzdana procjena postojedeg stanja u prijenosnoj mreži.
32
Literatura [1] M. Hajro : Predavanja sa kursa EiUEES, školska godina 2012./2013. [2] PREGLED ELEKTROENERGETSKIH APLIKACIJA„EMS“ SISTEMA - Dragan Vlaisavljevid [3] Vođenje elektroenergetske mreže (Zavodska skripta) - Ivica Pavid [4] http://en.wikipedia.org/wiki/SCADA [5] Practical Modern SCADA Protocols, Gordon Clarke, Deon Reynders, 2004.
33
