Riadenie kvality napätia v elektrizačnej sústave Slovenska

Advances in Electrical and Electronic Engineering 178 RIADENIE KVALITY NAPÄTIA V ELEKTRIZANEJ SÚSTAVE SLOVENSKA MANAGEMENT OF VOLTAGE QUALITY IN SLOVAK POWER SYSTEM Juraj Altus Katedra výkonových elektrotechnických systémov, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita, 010 26 Žilina Miroslav Rapšík Slovenské elektrárne, a.s.Hraniná 5, Bratislava Abstrakt Jedným z hlavných ukazovateov kvality dodávanej elektrickej energie je požadovaná hodnota napätia. V ase otvárania sa trhu s elektrickou energiou prenosová sústava musí zabezpei kvalitnú dodávku elektrickej energie všetkým odberateom. lánok naznauje možnosti analýzy napätia a návrh na zlepšenie hodnôt napätia v prenosovej sústave modernými kompenzanými prostriedkami. Summary The reqested voltage value is one of the main indicators of the delivered electric energy quality. The energy transfer system has to secure the good-quality electric energy deliveri for all consumers in the time when the electric energy market is opened. This paper showns the voltage analysis possibilities as well as the proposal for supply system voltage values improving by modern compensating means. 1. ÚVOD Prevádzkovatelia elektrizaných sústav majú povinnos doda elektrickú energiu k odberateom v požadovanom množstve a kvalite. Otázka množstva dodávanej elektrickej energie je otázka dostatonej prenosovej schopnosti vedení prenosovej sústavy a dostatku zdrojov elektrickej energie. Otázka kvality dodávanej elektrickej energie je súhrn viacerých parametrov, ktoré sú definované v STN 50160. Medzi základné kvalitatívne parametre patrí stabilita napätia. Je známe, že hodnoty napätia priamo súvisia s hodnotami jalového výkonu. Preto je potrebné aby v jednotlivých oblastiach prenosovej sústavy bola vyrovnaná bilancia jalového výkonu. Prenos jalového výkonu na veké vzdialenosti znamená zväšenie inných a jalových strát. Je teda vhodné, aby sme jalový výkon neprenášali na väšie vzdialenosti, ale pokia je to možné „vyrobili“ jalový výkon na mieste spotreby. Napätie ako jeden zo základných prevádzkových parametrov chodu elektrizanej sústavy má na rozdiel od frekvencie lokálny charakter a je ovplyvované v celom prenosovom reazci od zdroja až ku spotrebiu. Na úrovni prenosovej sústavy sa hodnotí ako parameter súvisiaci so spoahlivosou, bezpenosou a ekonomikou prevádzky, na strane spotrebitea ako kvalitatívny ukazovate. Aj pri vemi nízkej úrovni napätia v prenosovej sústave je možné u spotrebiteov odbokami transformátorov a kompenzáciou vyregulova napätie do normálnej úrovne. To znamená, že aj ke u spotrebitea je „všetko v poriadku“, môže prenosová sústava pracova blízko hranice stability napätia a jej rezervy jalového výkonu sú vyerpané. V tomto prípade aj malá porucha môže vies k „zrúteniu napätia“ a k rozsiahlej havárii. Pri vemi vysokej úrovni napätia v prenosovej sústave môže nasta stav, ke sa už nedá generátormi, odbokami transformátorov a kompenzáciou zníži napätie a hrozí prekroenie menovitých hodnôt pripojených elektrických strojov a prístrojov. Táto situácia nastáva najmä vtedy, ke je nižšie zaaženie elektrizanej sústavy, ako napr. v letnom období alebo poas sviatkov. 2. HODNOTENIE NAPÄTIA Napätie a jalový výkon sú prevádzkovo navzájom previazané veliiny a ich regulácia je jedna z hodnôt, ktorá je v dispeerskom riadení priebežne sledovaná a hodnotená. Na rozdiel od frekvencie sú to miestne regulované veliiny a na ich reguláciu sa používa viac metód. Na Slovensku sa v rámci prenosovej sústavy uplatuje sekundárna regulácia napätia, ktorá vychádza z pilotných uzlov, t. j. uzlov, ktoré majú dostatonú rezervu jalového výkonu. Napäový charakter ostatných uzlov je potom urovaný napätím v pilotnom uzle. Vekos zmeny napätia závisí okrem vekosti zmeny jalového výkonu tiež od aktuálnej vekosti citlivostnej konštanty medzi uzlami. Táto konštanta charakterizuje elektrickú vzdialenos uzlov a je urená topológiou sústavy v danom okamihu. Pre kontrolu riadenia napätia v elektrizanej sústave sa stanovujú plánované hodnoty napätia uzlových bodov a potom sa v nich vyhodnocujú skutoné pomery na základe hodinových odpotov poda nasledovných kritérií: - vypoíta sa stredná hodnota napätia pre zvolené obdobie, o býva spravidla mesiac   = = ⋅ = m 1k k m 1kk S n nU U k , (1) Riadenie kvality napätia v elektrizanej sústave Slovenska 179 kde je m poet hodnôt napätia, n k poetnos k-tej hodnoty, U k k-tá hodnota napätia. - urí sa stredná kvadratická odchýlka napätia ( )   = = − = m n UU J 1k k m 1k 2 sk . (2) - z predchádzajúcich hodnôt sa vypoíta smerodajná odchýlka napätia J=σ . (3) Pre dispeerské riadenie ES Slovenska sú odporúané hodnoty smerodajnej odchýlky napätia také, aby skutoné vypoítané hodnoty pre napäovú hladinu 400 kV boli menšie ako 6 kV a pre napäovú hladinu 220 kV menšie ako 3 kV. V našich prácach sme analyzovali denné, mesané a roné priemery uzlových napätí na úrovni 110, 220 a 400 kV v rozvodniach prenosovej sústavy Slovenska. Databáza obsahovala hodinové odpoty napätia v 89 miestach prenosovej sústavy Slovenska v rokoch 1993 až 2002. V tomto príspevku je uvedený príklad z takejto analýzy na úrovni 400 kV. Údaje o napätí z jednotlivých bodov prenosovej sústavy boli vyhodnocované poda vzahov (1), (2) a (3). Z takto vypoítaných údajov sú prezentované výsledky v grafickej forme v tvare povrchových grafov. Jeden z nich je uvedený na obr.1. Z uvedeného obrázku vidie, že smerodajná odchýlka sa v analyzovanom období vemi menila. To hovorí, že v danej elektrickej sieti bolo napätie pomerne nestabilné. Cieom nasadzovania kompenzaných zariadení je, aby sa napätie poas roka menilo o najmenej. 3. VÝPOTY TOKOV INNÝCH A JALOVÝCH VÝKONOV Ako už bolo spomenuté, vekos napätia priamo súvisí s hodnotami jalového výkonu. Preto je potrebné vedie tieto výkony poíta. Výpoty výkonov robíme pre ustálený chod sústavy. Ustálený chod sústavy je stav pri ktorom je výroba a spotreba elektrickej energie v rovnováhe. inný a jalový výkon na ubovolnej prípojici môžeme definova pomocou rovnice (4). IUQP ⋅=− ∗ ppp j , (4) kde ∗ p U je napätie uzla p a I prúd injektovaný do uzla p. Ak uvažujeme prenosovú sústavu s n uzlami potom rovnicu (4) môžeme upravi na tvar ⋅=− = ∗n 1q qpqppp Yj UUQP . (5) Nech ppp feU j+= a pqpqpq BGY += . Január Február Marec Apríl Máj Jún Júl August September Október November December 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 5,00-5,50 4,50-5,00 4,00-4,50 3,50-4,00 3,00-3,50 2,50-3,00 2,00-2,50 1,50-2,00 1,00-1,50 0,50-1,00 0,00-0,50 hodnota smerodajnej odchýlky Obr. 1 Smerodajná odchýlka napätia v rozvodni Veké Kapušany Advances in Electrical and Electronic Engineering 180 Dosadením do rovnice (5) dostaneme vzah pre inný a jalový výkon v tvare ( ) )()( qq n 1q pqpqpppp jjjj feBGfeQP +⋅−−=−  = . (6) Separovaním reálnej a imaginárnej asti dostane { } ⋅−⋅++⋅= = n 1q pqqpqqppqqpqqpp )()( BeGffBfGeeP (7) { }  = ⋅−⋅−⋅+⋅= n 1q pqqpqqppqqpqqpp )()( BeGfeBfGefQ Takto dostaneme dve nelineárne rovnice pre každú prípojnicu. Na riešenie týchto rovníc sa používajú iterané metódy, z ktorých najastejšie využívanou je Newton-Raphsonova metóda. Pomocou týchto výpotov dostaneme rozloženie inných a jalových výkonov v sústave, ktorá je nahradená modelom. Naším cieom bolo zisti napäové pomery, toky inných a jalových výkonov vo vedeniach ES Slovenska. Po základných výpotoch ustáleného chodu sietí sme zisovali možnosti nasadenia alších vhodných kompenzaných prostriedkov v našej sústave. Základom pre výpoty je vytvorenie modelu ES Slovenska v programe PSLF. Zdrojom vstupných údajov boli podklady dodané zo SEPS, a.s. Žilina. Výpotový model ES Slovenska bol vytvorený z modelu ES Slovenska, ktorý bol zostavený na našom pracovisku. Výpoty ustáleného chodu sústavy sme robili na modeli sústavy pre letné obdobie 2004. V letnom období je regulácia napätia problematickejšia vzhadom na odahenie sústavy. Po výpotoch tokov inných a jalových výkonov sme sa pokúsili optimalizova poet a rozmiestnenie kompenzaných zariadení v sústave tak, aby sme dostali minimálne toky jalových výkonov a o najpriaznivejšie hodnoty napätia v jednotlivých uzloch sústavy. Pri výpotoch boli uvažované rôzne varianty nasadenia kompenzaných prostriedkov. Z množstva výpotov uvádzame dva varianty. Prvý je pre súasný stav kompenzaných prostriedkov v ES Slovenska a druhý pre rozsiahle nasadenie moderných kompenzaných prostriedkov FACTS v sústave. • Variant 1: výpoet pri uvažovaní kompenzaných prostriedkov, ktoré sú na Slovensku k dispozícií v súasnosti. Výsledky sú uvedené v tab. 1 až 4 a na obr.2. Tab.1 Použité kompenzané prostriedky - var. 1 El. stanica VKAP LEME SUCA Q (Mvar) 134 90 120 Tab. 2 Napätia na prípojniciach rozvodní 220 kV - var. 1 El. stanica U (kV) El. stanica U (kV) Bystriany 241,95 P. Bysrtica 237,14 E.Vojany A 239,58 Lemešany 239,08 E.Vojany B 239,54 Lemešany 239,08 Križovany 239,80 Senica 237,45 USS 237,87 Suany 241,57 Medzibrod 240,71 Vôa 234,01 Tab. 3 Napätia na prípojniciach rozvodní 400 kV - var. 1 El. stanica U (kV) El. stanica U (kV) El. stanica U (kV) Bošáca 419,57 L. Mara 417,40 Stupava 418,91 .Váh 417,71 E. Mochovce 418,27 Suany 416,16 V. ur A 418,28 Gabíkovo 415,34 Varín 417,28 V. ur B 418,28 Levice 418,20 V. Kapušany 413,63 H. Ždaa 416,14 P. Biskupice 417,17 Moldava 417,16 Križovany 417,98 R. Sobota 419,04 E. Bohunice 419,69 Lemešany 413,30 SNV 415,69 E. Vojany 418,30 Riadenie kvality napätia v elektrizanej sústave Slovenska 181 Tab.4 Prenášané výkony a straty vo vedeniach 400 kV pri minimálnom zaažení elektrizanej sústavy Slovenska Vedenie Zaiatok Koniec P (MW) Q (Mvar) P (MW) V 404 Nošovice Varín 376,5 -29,6 1,876 V 448 Gyor Gabíkovo -421,9 -5,60 1,195 V 449 God Levice -374,1 -31,0 2,036 V 424 Križovany Sokolnice -37,4 -31,3 0,034 V497 Stupava Sokolnice -1 06,5 71,30 0,170 V477 Lemešany Krosno 132 58,60 0,346 V478 Lemešany Krosno 132 58,60 0,346 V440 V. Kapušany Mukaevo 51,0 29,80 0,037 Obr.2 Vekos napätia pri výpotoch letného minima v ES Slovenska Tab. 5 Použité kompenzané prostriedky - var. 2 El. stanica VKAP LEME SUCA STUP MOLD BOSA RSOB SNV VARI LEVI Q (Mvar) 70 20 108 38 20 60 43 27 17 21 Tab. 6 Napätia na prípojniciach rozvodní 220 kV - var. 2 El. stanica U (kV) El. stanica U (kV) Bystriany 241,15 P. Bystrica 236,59 Križovany 239,80 Senica 237,38 Lemešany 235,92 E. Bohunice A 239,83 Lemešany 235,92 Suany 240,01 USS 234,70 E. Bohunice B 239,81 Medzibrod 238,73 Vôa 232,58 Tab. 7 Napätia na prípojniciach rozvodní 400 kV - var. 2 El. stanica U (kV) El. stanica U (kV) El. stanica U (kV) Bošáca 416,08 Levice 416,08 Stupava 415,61 .Váh 416,38 Gabíkovo 415,34 Suany 414,60 V. ur 416,36 E. Mochovce 416,71 Varín 415,3 V. ur 416,36 L. Mara 416,08 V. Kapušany 414,66 H. Ždaa 414,38 R. Sobota 414,84 Moldava 414,44 Križovany 416,13 SNV 415,75 E. Bohunice 416,38 Lemešany 415,68 E. Vojany 415,82 P. Biskupice 415,68 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 [kV] Bosa Cvah Vdur Hzda Kriz Leme Lmar Emo Gabc Levi Pbis Rsob Snv Stup Suca Vari Vkap Mold Ebo Evo Advances in Electrical and Electronic Engineering 182 Tab. 8. Prenášané výkony a straty vo vedeniach 400 kV pri minimálnom zaažení elektrizanej sústavy Slovenska po nasadení kompenzaných prvkov Vedenie Zaiatok Koniec P (MW) Q (Mvar) P (MW) V 404 Nošovice Varín 375,4 -29,7 1,854 V448 Gyor Gabíkovo -421,60 -5,6 1,194 V 449 God Levice -373,50 -18,4 2,034 V 424 Križovany Sokolnice 37,00 -10,7 0,029 V497 Stupava Sokolnice 106,80 1,7 0,153 V477 Lemešany Krosno -131,60 -3,3 0,327 V478 Lemešany Krosno -131,60 -3,3 0,327 V440 V. Kapušany Mukaevo 51,8 -22,9 0,027 Obr.3 Vekos napätia v ES Slovenska po rozmiestnení kompenzaných prostriedkov poda najvhodnejšieho variantu. • Variant 2: Výpoet bol uskutonený pri uvažovaní nových kompenzaných prostriedkov, umiestnených v uvedených elektrických staniciach po preverení citlivosti sústavy na rôzne kombinácie kompenzaných prostriedkov v rôznych elektrických staniciach. Z vekého množstva vykonaných simulaných experimentov sú výsledky pre najlepšiu kombináciu kompenzaných prostriedkov uvedené v tab. 5 až 8 a na obr.3. 4 . ZÁVER Z výpotov vyplýva, že výpotové metódy, ktoré sme použili pre riešenie problému minimalizácie tokov jalových výkonov v jednotlivých vedeniach a teda aj stabilizácie napätia, sú vyhovujúce. Tab. 4 a 8 ukazujú, ako sa menili toky jalových výkonov v hraniných vedeniach pred a po nasadení kompenzaných prostriedkov. Z tabuliek je vidie, že toky jalových výkonov klesli prakticky vo všetkých hraniných vedeniach. Na obr. 2 a 3 sú graficky zobrazené vekosti napätí v elektrických staniciach ES Slovenska. Je zrejmé, že pri nasadení vypoítaných kompenzaných prostriedkov sa upravia aj napäové pomery v elektrických staniciach na hodnoty, ktoré sú z hadiska dispeerského riadenia a medzinárodných prenosov vemi prijatené. Pri hodnotení výsledkov je potrebné poveda, že pre uvedenú kompenzáciu by boli najvhodnejšie zariadenia FACTS, ktoré dokážu plynulo regulova ako hodnoty napätia, tak aj hodnoty tokov jalových výkonov. Pri použití týchto zariadení by bola zabezpeená rýchla a presná kompenzácia tokov jalových výkonov vo všetkých vedeniach ES Slovenska. Poakovanie lánok vznikol s podporou vedeckej grantovej agentúry Ministerstva školstva SR Slovenskej akadémie vied, íslo programu 1/0138/03 – Zachovanie kvality dodávanej elektrickej energie pri vzrastajúcej úrovni rušivých vplyvov v rozvodných sieach. 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 [kV] Bosa Cvah Vdur Hzda Kriz Leme Lmar Emo Gabc Levi Pbis Rsob Snv Stup Suca Vari Vkap Mold Ebo Evo Riadenie kvality napätia v elektrizanej sústave Slovenska 183 LITERATÚRA [1] ALTUS, J.; NOVÁK, M.: Riadenie elektrizaných sústav, skriptá, VŠDS Žilina,1995 [2] ARRILAGA, J. and ARNOLD C.P.: Computer Analysis of Power System, John Wiley & Sons Ltd,1990 [3] BOJDA, P.: Výpoty ustáleného chodu siete, Diplomová práca, ŽU v Žiline, 2001 [4] GRIGER, V.; GRAMBLIKA, M.; NOVÁK, M.; POKORNÝ M.: Prevádzka, riadenie a kontrola prepojenej elektrizanej sústavy, Monografia, ŽU v Žiline EDIS, 2001, 236 str. [5] SEKAJ, I.: Návrh genetických algoritmov pre riešenie optimalizaných problémov, Bratislava, FEI STU 2001. [6] PSLF/SCSC/PSDS program: „PSLF Program Manual“, General Electric Company, 1995 [7] SEKAJ, I.: Použitie genetických algoritmov na riešenie optimalizaných úloh, AT&P Journal 12/2001 [8] KOUDELA, P.; NOVÁK, M.; POKORNÝ, M.: Optimization of Compensating Facilities Implementation in Power System, 4. Medzinárodná konferencia Riadenie v energetike, 15.-16.6.2000, Bratislava