5/1. melléklet
Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék
Villamosmérnöki szak Villamos energetikai szakirány
Kisfeszültségű hálózat és üzemirányítás jövőképe
Szakdolgozat
Beleon Krisztián VLRFQA 2015
FELADAT KIÍRÁS
2
5/2. melléklet
Eredetiségi nyilatkozat
Alulírott Beleon Krisztián (neptun kód: VLRFQA ) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős villamosmérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Kisfeszültségű hálózat és üzemirányítás jövőképe című szakdolgozatom saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályi szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül.
Miskolc, 2015.11.27. Hallgató aláírása
3
5/4. melléklet
Záródolgozat saját munka igazolás (külső konzulens esetén)
Alulírott Orlay Imre , mint műszaki szakértő igazolom, hogy Beleon Krisztián , (neptun kód: VLRFQA ), villamosmérnök szakos hallgató a(z) ÉMÁSZ Hálózati Kft. -nél készített szakdolgozatában a saját munka terjedelmi részaránya minimum
%, és a
dolgozatban a vállalattól kapott adatok megfelelő hivatkozással szerepelnek.
Miskolc, 2015.11.23.
Beleon Krisztián
Orlay Imre műszaki szakértő
4
Tartalomjegyzék Bevezetés ...................................................................................................................................... 7 1. Üzemirányítási rendszerek fejlődése ........................................................................................ 9 1.1. Alállomások felügyeletének változása ............................................................................... 9 1.2. NAF és KÖF üzemirányítás fejlődése ................................................................................ 11 1.3. Gyűjtött adatok és távműködtetés .................................................................................. 12 1.4. Hálózatfelügyelet ............................................................................................................. 13 1.5. MEH mutatók rendszere, üzembiztonság, üzemfolytonosság......................................... 14 1.6. Üzemzavarok elhárítása KÖF és NAF hálózatokon ........................................................... 15 2. Üzemirányítási hierarchia felépítése és szerepe Magyarországon ......................................... 17 2.1. Alaphálózat és nemzetközi kooperáció ............................................................................ 18 2.2. Főelosztóhálózat üzemirányítása ..................................................................................... 18 2.3. Középfeszültségű hálózat üzemirányítása ....................................................................... 19 3. Az üzemirányítás legfontosabb feladatai ................................................................................ 20 3.1. Üzemelőkészítés............................................................................................................... 21 3.2. Operatív üzemirányítás .................................................................................................... 22 3.3. Üzemértékelés ................................................................................................................. 23 4. Energiarendszer működési modelljének változása a megújuló háztartási méretű kiserőművek megjelenésével ........................................................................................................................... 24 5. Smart grid hatása az üzemirányításra ..................................................................................... 26 6. Garantált szolgáltatások rendszere......................................................................................... 28 7. Kisfogyasztói hibacím kezelés ................................................................................................. 29 8. Kisfogyasztói hibacímek előrejelzése ...................................................................................... 30 9. Energia eloszlás helyreállítása, pufferelés, micro grid kialakítása .......................................... 35 10. Gyűjtött adatok körének meghatározása a kisfeszültségű üzemirányításhoz ...................... 42 11. Smart mérés és a kisfeszültségű üzemirányítás .................................................................... 43 12. Feszültség monitoring rendszer szerepének változása kisfeszültségű üzemirányítás esetén ..................................................................................................................................................... 44 13. A „micro grid” esettanulmány............................................................................................... 47 13.1. Számítás ......................................................................................................................... 47 13.2 Szimuláció ....................................................................................................................... 50 13.3. Konklúzió ........................................................................................................................ 54
5
Összefoglaló ................................................................................................................................ 56 Summary ..................................................................................................................................... 57 Irodalomjegyzék .......................................................................................................................... 58 Melléklet ..................................................................................................................................... 59
6
Bevezetés Napjainkban elképesztő mennyiségű energiát használunk fel a legkülönbözőbb célokra. A környezetünkben mindenki fogyaszt valamilyen energiát, a közlekedés, a háztartások, az ipar, a távközlés és még sok más egyéb. Általánosságban kijelenthetjük, hogy jelentős mértékben energiafüggők vagyunk. Ez különösen a villamos energiára igaz. Jelenleg még erősen függünk a fosszilis energiahordozóktól, de ez a függőség lassanként csökkenni fog, nem csak azért mert más energiaforrások esetleg jobb hatásfokúak, vagy jobban kezelhetőek, hanem azért is, mert a készletek végesek. Korunk legelterjedtebb, legkezelhetőbb, leggazdaságosabban szállítható és az esetek többségében olcsón előállítható energiahordozója a villamos energia, aminek ma még jelentős százalékát a fosszilis primer energiahordozókból állítjuk elő. A villamos energiát egyre bonyolultabb rendszereken keresztül juttatjuk el a termelési csomópontoktól a fogyasztókig. A változást az okozza, hogy a megújuló energiaforrások megjelenésével megváltozik a hagyományos energiaelosztási modell, amely az energiát a centralizált erőművektől a fogyasztókig juttatja el. Ehhez a modellhez egy jól felépített irányítási modellre is szükség van. Az új szereplők, mint például az egyre jobban terjedő háztartási méretű kis erőművek vagy a közeljövőben egyre nagyobb számban elterjedő elektromos autók töltőállomásai, komoly fejtörést okoznak a hálózati engedélyeseknek és indokolttá teszik az üzemirányítási rendszer újragondolását, ami elsősorban annak kiterjesztését jelenti a kisfeszültségű hálózatokra. A dolgozatom célja egy a kisfeszültségű hálózat üzemét irányító rendszer elméleti felépítése és feladatainak meghatározása a jelen működő rendszerek és a változások következtében a jövőben kialakuló feladatok alapján, azaz a kisfeszültségű rendszer jövőképének felvázolása. A rendszer bevezetése kiemelkedően sok pozitív gazdasági előnnyel és műszaki következménnyel járna. Első közelítésben jelentős mennyiségű új munkahely jönne létre. Másodsorban lehetőség nyílik kifinomultabb tömegvezérlésre, a fogyasztók felé szolgáltatott villamos energia minőségének javítására, a hibák gyors észlelésére és elhárítására, valamint az ellátásbiztonság növelésére, és ami talán a legfontosabb, a rendelkezésre álló beépített termelő teljesítmény még jobb és gazdaságosabb kihasználására. Ez utóbbit elsősorban a tömegvezérlés alá bevonható fogyasztók által akár körzetenként és fázisonként történő kapcsolással, azaz a terhelési görbe pontosabb simításával lehet elérni. Harmadrészt az elektromos autók terjedésével kapcsolatosan több opció is rendelkezésre áll a hálózat-stabilitás fenntartásának
7
eszközeként. Végül pedig számos intelligens rendszert lehetne felépíteni a kiterjedt hálózaton, elsősorban a kisfeszültségű közcélú hálózaton, amelyek nagy mennyiségű adat továbbítását tennék lehetővé, mint például az egyes fogyasztók fogyasztásmérőinek állását, nem csak villamos energia, hanem egyéb szolgáltatások esetében is. Ez a szolgáltatók részére részletes és naprakész statisztikát eredményezne, ami alapján a teljes saját hálózatuk üzemeltetése költséghatékonyabbá válhat, és jelentős mennyiségű pénz marad a szolgáltatók és a fogyasztók zsebében. Egy ilyen rendszer lehetővé teszi különböző technikai eszközök és eljárások alkalmazását a fogyasztók minőségi kiszolgálása érdekében.
8
1. Üzemirányítási rendszerek fejlődése 1.1. Alállomások felügyeletének változása A közcélú hálózatok létrejöttekor az alállomások egyetlen feladata az elosztás volt. Ez hamar kevésnek bizonyult, ugyanis a kapcsolók szétszórtan nehezen voltak kezelhetőek és átláthatóak az informatikai rendszerek nélkül. Emiatt a megszakítók és szakaszolók jelentős része az állomásokon kapott helyet, így könnyítve azok felügyeletét. Ekkor még manuálisan kellet kapcsolni mindegyik bontáspontot, valamint a megszakítókat és szakaszolókat
is.
Ezeknek
a
feladatoknak
az
ellátására
az
alállomásokban
váltószolgálatos kezelőszemélyzet tartózkodott, aki felügyelte az alállomási védelmeket, kapcsoló eszközöket és végezte a szükséges beavatkozásokat. Az alállomások kezelőszemélyzetének leépítését az üzemviteli és üzemzavari automatikák megjelenése indította el. Ezzel azonban megszűnt az azonnali információ az alállomásból egy hiba esetén. Kezdetben ezért csoportos hibajeleket gyűjtöttek az állomásból. Egy ilyen hiba fellépése esetén 30 percen belül kellett az állomásba kiérni a kezelőszemélyzetnek. Ekkor ismerte meg az üzemirányító személyzet a hiba eseményt. Ez indította el az üzemirányítás korszerűsítését, a telemechanizálást. „Kezdetben a SCADA rendszerek a hálózatok irányítását alállomási információk alapján biztosították.” [1] Vagyis mérőeszközök csak az alállomás területén mező, illetve cella szinten voltak felszerelve, csak az állomásból kiinduló gerincvezetékek és leágazások elején történt mérés, valamint a jelzések gyűjtése. Ez az adatmennyiség rövidesen kevésnek bizonyult. Szükség volt a hálózatokról is további információkra. Manapság ettől sokkal részletesebb adatgyűjtésre képes és sokkal bonyolultabb rendszer áll rendelkezésére a szolgáltatóknak. Különböző mérő-és jelzőberendezések serege található a hálózaton, túlnyomó részt középfeszültségen. Az alállomások többnyire csak a területükön belülről érkező jelzésekkel foglalkoznak A kapcsolóelemek jelentős része nem az alállomáson belül, hanem a hálózaton szétszórtan található. A technikai fejlődéssel haladva, a telemechanika fejlődésével és a speciálisan hálózatfelügyeleti és hálózatüzemeltetési célokra fejlesztett szoftverek megjelenésével lehetővé vált a hálózaton szétszórtan elhelyezett kapcsolóberendezések távoli irányítása, így az alállomásokra további feladatok hárultak, amelyek nagy részét azonban már számítógép végezte. Többek között a hatáskörükbe tarozó hálózatok
9
üzemének minél részletesebb vizsgálata. A hálózatról érkező jelzések javarészt már nem az alállomások fogadják és dolgozzák fel, hanem az üzemirányító központok, de az üzemirányító központok természetesen látják az alállomások jelzéseit.
10
1.2. NAF és KÖF üzemirányítás fejlődése Mikor elindult a közcélú villamosenergia szolgáltatás csak kisszámú és kis teljesítményű fogyasztó terhelte a hálózatot és a kooperációs forgalom sem volt jellemző. Akkoriban minden üzemirányítási feladatot a teljes hálózat minden feszültségszintjén a MAVIR, pontosabban elődje az OVT (Országos Villamos Teherelosztó) látta el. A technikai fejlődés során egyre nagyobb számú és nagyobb teljesítményt igénylő fogyasztó jelent meg a hálózaton, emiatt szintúgy egyre több vezetékre, alállomásra és erőműre volt szükség. A feladatkörök bővülése miatt alakultak ki sorra az egyes hierarchiai szintek, mivel a OVT már nem volt képes kezelni és nyomon követni az átláthatatlanná váló rendszert. Az ország területét felosztották és létrehozták az egyes szolgáltatók tulajdonában álló Központi Diszpécser Szolgálatokat. Ezek voltak az ELMŰ, ÉMÁSZ, TITÁSZ, DÉMÁSZ, DÉDÁSZ és ÉDÁSZ (1. ábra). A
1. ábra Hálózati engedélyesek és KDSZ-ek területi eloszlása [2]
tulajdonosi kör az 1993-ban lezajlott privatizáció miatt megváltozott és jelenleg három tulajdonosi csoport birtokolja a korábbi hat áramszolgáltató társaságot. Az elosztóhálózatok bővülésével a szolgáltatók - hogy egyszerűsítsék a hálózat kezelését további részekre osztották az adott területeket és létrehozták az üzemirányító központokat korábban üzemigazgatóságok, ma a régióközpontok formájában. Ma a
11
feladatok gyarapodása, a minőségi energiaszolgáltatás igényének fokozódása miatt egy új szint bevezetése válik szükségessé, a kisfeszültségű hálózat üzemirányítása, mivel olyan folyamatok és jelenségek jelentkeznek a hálózaton, amelyek felügyelete elengedhetetlen a hálózat optimális működése érdekében, megakadályozva, hogy gyakorlatilag a teljes hálózatot le kelljen cserélni milliárdos beruházások árán.
1.3. Gyűjtött adatok és távműködtetés A rendszerirányítás feladatainak vázlatos bemutatásából látható, hogy a megfelelő színvonalú ellátáshoz nagy mennyiségű adatot kell kezelni. A hálózat üzemállapotait jellemző információk gyűjtését, tárolását és feldolgozását csak informatikai rendszer közreműködésével képesek elvégezni. „Az operatív üzemirányítást támogató on-line funkciók két csoportba sorolhatók: SCADA és EMS funkciók. SCADA = Supervisory control and data acquisition (felügyeleti szabályozás és adatgyűjtés). EMS = Energy management system (energiaelosztást kezelő rendszer). A számítógépes üzemirányítás alapja a SCADA rendszer, ami kiterjed a távmérési, távjelzési adatok fogadására, ezek primer hihetőség vizsgálatára, megjelenítésére (hálózati
és
állomás
képernyőképek,
naplók)
és
tárolására,
a
készülékek
távműködtetésére. Az adatok az alállomásokból, és utóbbi időben a hálózatról telemechanikai adatgyűjtőkön, alközpontokon keresztül érkeznek a számítógép bemeneteire.
Ugyancsak
ezeken
az
alközpontokon
keresztül
érhetjük
el
a
távműködtethető kapcsolókészülékeket. Néhány fontosabb funkciót kiemelve: o távmérések, távjelzések fogadása, o megjelenítés, ember-gép kapcsolat, o naplózás, o határérték és gradiens figyelés, o topológiai analízis a hálózat egybefüggőségének ellenőrzésére, o hibafelismerés, rendszer helyreállításhoz javaslatkészítés, o távparancsadás.” [3] Amennyiben beavatkozás szükséges, azt a telemechanika segítségével, távműködtethető kapcsolóeszközök alkalmazásával megteszi az üzemirányító a tervezett, optimális üzemállapot fenntartása érdekében. Ezzel vált teljessé a kapcsolószemélyzet kivonása az állomásokból.
12
A telemechanizálás segítségével történő hibahely behatárolás elve a következő. Zárlat esetén a leágazás elején, az alállomásban lévő védelmek érzékelik a zárlati áramot és a megszakítót
kikapcsolják.
Ezután
a
távolról
vezérelhető
kapcsolóelemekkel
„feldarabolják” a leágazást, és a megszakítótól indulva szakaszonként kapcsolják vissza a vezetékhálózatot és próbakapcsolást végeznek a megszakítóval mindaddig, amíg újra el nem indul a zárlati áram (2. ábra). Ha újra fellép a zárlati áram, akkor elérték a zárlat helyét, az adott utolsó szakaszt ismét leválasztják, az addigi szakaszokat pedig üzembe helyezik. Ezzel a módszerrel a fogyasztók jelentős része „megmenthető” a zavartatástól, vagyis a kieséssel érintett terület a lehető legkisebbre minimalizált, valamint a zárlat helyét is meghatározták, aminek a következő két kapcsolóelem között kell lennie. Amennyiben gyűrűs felépítésű hálózaton következik be a hiba, szerencsés esetben lehetőség adódhat a hiba utáni szakaszok ellátására is a vonal másik vége felől, így még kevesebb fogyasztó esik ki a szolgáltatásból. Manapság ezt a folyamatot a SCADA rendszer már önállóan képes elvégezni.
2. ábra A telemechanizálás segítségével történő hibahely behatárolás elve [4]
1.4. Hálózatfelügyelet Az 1.1. fejezetben mutattam be, miszerint csak az alállomáson belül történt mérések, jelzések már nem szolgáltak elegendő mennyiségű információval, nem tükrözték kellő részletességgel a hálózat üzemállapotait a mai üzemirányítási igények kielégítéséhez. „Fontossá vált a hálózati eseményekkel kapcsolatos adatok gyűjtését kiterjeszteni a hálózatra is és ezzel a hálózat felügyeletét megvalósítani.
13
Ennek lehetséges eszközei: TMOK kapcsolókból gyűjthető információk (zárlati, földzárlati események adatai, mérési adatok). Zárlati irányjelző készülékek. Ezek adatai részben a helyszínen láthatók, részben távkiolvasottak. A hálózat felügyelettel a smart grid 2 legfontosabb elvárását sikerült megvalósítani: A kiesett fogyasztók legrövidebb idejű visszakapcsolása Kiesés esetén a legkevesebb fogyasztó kiesését okozó topológia megvalósítása.” [1] A hálózatfelügyelet feladatait ellátó berendezések egy része az alállomásokban találhatóak, helyettesítve, kiváltva a kezelő személyzetet, a hálózaton elhelyezett mérőés jelzőberendezések segítségével (pl. TMOK mérő és védelmi egységei segítségével) pedig a hálózatnak gyakorlatilag minden pontját láthatják.
1.5. MEH mutatók rendszere, üzembiztonság, üzemfolytonosság A villamosenergia ellátás biztonsága, folytonossága, a szolgáltatott villamos energia minősége az ár mellett a fogyasztói elvárások központi kérdése. A Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatal (MEKH) által előírt paraméterek: •
a szolgáltatott feszültség minősége,
•
az Engedélyesek működési engedélyében foglalt területen lévő valamennyi, kisés középfeszültségű hálózatra csatlakozó egyedi felhasználókat érintő minimális minőségi követelményeket rögzítő Garantált Szolgáltatások,
•
az üzembiztonság, üzemfolytonosság, az ellátás megbízhatóságának elvárt színvonala.
A villamos energiáról szóló 2001. évi CX. törvény 10. § I) pontja alapján a Magyar Energia Hivatal 2006. január 1-től új határozatban írta elő a hálózati engedélyeseknek a villamosenergia
ellátás
megbízhatóságának
elvárt
színvonalát.
Szándéka
az
engedélyesek ösztönözése, hogy az engedélyköteles tevékenységek átlagosan elvárt szintje folyamatosan korszerűsítésre kerüljön, közelítsen a fogyasztók megbízható és folyamatos villamos energia ellátása, hasonló hálózati adottságú (kábel, szabadvezeték) és hasonló árszínvonalú európai országok ellátás-biztonsági szintjéhez. További elvárás, hogy az Engedélyesek gondoskodjanak a piaci szemléletű villamos energia
14
kereskedelemhez
rendelkezésre
álljon
a
monopolhelyzetben
lévő
vezetékes
infrastruktúra. Az üzembiztonság, üzemfolytonosság mérésére szolgáló MEH mutatók egyfajta statisztikaként állnak rendelkezésre a szolgáltatók számára, amely számszerűsíti a fogyasztói zavartatást és ez alapján lehetőség adódik pontos számításokra, hogy a rendszeren milyen karbantartásokat és fejlesztéseket kell végezni ahhoz, hogy a szolgáltatások minősége a legnagyobb mértékben javuljon, valamint a kiesések száma és a kiesések ideje a legnagyobb mértékben csökkenjen. Alkalmazott üzemfolytonossági mutatók: •
A hosszú idejű villamos energia ellátás megszakadásának átlagos gyakorisága MEH1 mutató: A hosszú idejű (3 percnél hosszabb) ellátás kimaradások évi átlagos száma az összes fogyasztóra vonatkoztatva (db/fogy., szám/év).
•
A hosszú idejű ellátás megszakadás átlagos időtartama MEH2 mutató: A hosszú idejű (3 percnél hosszabb) ellátás kimaradások átlagos időtartama az összes fogyasztóra vonatkoztatva (perc/fogy. szám/év).
•
Az érintett fogyasztók hosszú idejű ellátás megszakadásának átlagos időtartama MEH 3 mutató: A hosszú idejű (3 percnél hosszabb) ellátás kimaradások átlagos időtartama az összes érintett fogyasztókra vonatkoztatva (perc/érintett fogy. szám/év) (tervezett, nem tervezett és összesen).
A fentiekből látható, hogy üzemzavarnak csak a 3 percnél hosszabb idejű kimaradást tekintjük, a 3 percnél rövidebb kimaradás csak rövid idejű zavartatás. A MEH mutatók javításának 2 fő eszköze a rekonstrukció és az új hálózati kapcsolóelemek felszerelése. Ezek közül is a fontosabb a rekonstrukció, mivel csak kapcsolóelemek beépítése nem javítja a hálózatok állapotát, azaz az üzemzavarok száma nőni fog. A kapcsolóelemek a hibahely gyors behatárolását a fogyasztói zavartatás csökkentését és ezzel a MEH mutatók gyors javulását segíthetik.
1.6. Üzemzavarok elhárítása KÖF és NAF hálózatokon NAF hálózaton a hiba behatárolása során elsősorban a védelmi jelzésekre KÖF hálózati hibák esetén ezen kívül a távműködtetett oszlopkapcsolók (továbbiakban TMOK) zárlatjelzéseire kell támaszkodni, és a hiba valószínűsíthető helyét behatárolni. NAF hálózati üzemzavarok során a hiba helyének megtalálását segítik a hibahely távmérő eszközök. A hiba tényleges megtalálása a vonal bejárásával történhet.
15
Bejárást általában nappali időszakban végzik, mivel a NAF hálózatok kielégítik az n-1 hibaelvet, így egy elem kiesése általában nem jár fogyasztói zavartatással. „n-1 elv [vagy biztonság]: A VER olyan kialakítása, hogy a hálózat egyszeres hiányállapotában sem fogyasztói kiesés, sem az üzemben maradó hálózaton túlterhelés, illetve feszültség-, frekvencia zavar nem lép fel. A kiesés után üzemben maradó rendszer továbbra is kielégíti az előírások szerinti műszaki követelményeket.” [5] „Egyszeres hiányállapot (n-1): Olyan hiányállapot, amelyben egyidejűleg csak egy rendszerelem (szabadvezeték, kábel, transzformátor, erőművi blokk, meddőteljesítmény termelő és/vagy nyelő berendezés) hiányzik a normál kapcsolási állapothoz képest.” [5] Középfeszültségen az üzemzavarok általában zárlat, vagy földzárlat miatt keletkeznek. Néhány esetben fordul elő, hogy fogyasztói, vagy szerelői bejelentés következtében derül fény egy-egy üzemzavarra. Az üzemzavarok behatárolását nagymértékben befolyásolja az üzemzavar oka, illetve az, hogy földzárlat esetén tartható-e az adott vonalon a földzárlat. Zárlati védelmi oldás után, illetve földzárlati védelmi működés után amennyiben a tartós földzárlat nem megengedett a hibahely feltárása próbakapcsolásokkal történik. A próbakapcsolásokhoz az üzemirányítók forgatókönyvekkel rendelkeznek, amelyekben a geometriai felezéses, vagy a súlyozott felezése módszert követik. Földzárlatos hiba esetén, abban az esetben, ha a földzárlat tartható, a hibabehatárolást TUNGILOC eszközzel kell végezni. Ebben az esetben az üzemzavar csak attól az időponttól számítódik, amikor a hibahelyet megtalálták és a hiba javításához az adott vezeték szakaszt kikapcsolják. KÖF kábelek esetén kerülni kell a kábel hibahely próbakapcsolásokkal történő behatárolását, ezért itt a kábelek mérésével kell a hibás kábelszakaszt behatárolni. A
telemechanikai
eszközök
(TMOK
kapcsolók,
illetve
zárlatjelzők)
meggyorsítják a hibahely felfedésének folyamatát, mert a kapcsolt vezetékhosszaktól függően a hiba behatárolható kisebb területekre, így csökkenhető a fogyasztói zavartatás, illetve javulnak a MEH mutatók. Létezik már olyan eszköz, zárlatérzékelő program, amely néhány méteres pontossággal kimutatja a zárlat távolságát a tápponttól. Ezzel csak az a probléma, hogy ha az adott leágazás tartalmaz elágazásokat, akkor lehet, hogy az adott távolság már két vagy három pontot is jelenthet és így előfordul, hogy a lehetséges hibahelyek egymástól akár több kilométerre vannak. A távműködtethető kapcsolók képesek érzékelni a rajtuk átfolyó zárlati áramot, és arról jelzést küldeni, viszont azt megszakítani már nem tudják. Ilyenkor következik a vezetékek szakaszonkénti visszakapcsolása. A két módszert egyszerre alkalmazva a hiba helyének
16
meghatározása jelentősen lerövidül. A szoftver meghatározza a tápponttól való távolságot, a kapcsolások pedig kiválasztják a leágazást. A
hibahely
kisebb
területre
korlátozásával
az
intézkedések
azonnal
megkezdhetők, így a szabályozások könnyedén betarthatók. Mindkét mutató javulását eredményezi, hogy az egyes központok pillanatok alatt értesülnek a hiba létrejöttéről az oszlopkapcsolók jelzéseiből és a szoftverek valamint a telemechanikai eszközök segítségével a hibahelyet jó közelítéssel gyorsan meghatározza a rendszer. A szerelőknek nem kell a leágazás teljes hosszát végigjárni csak az adott vezetékszakaszt, ezzel jelentősen lerövidítve a helyreállítás idejét. Az új SCADA rendszerben ún. rendszermentési funkció programozható, így a hibás szakasz behatárolása és szeparálása akár automatikusan is megtörténhet üzemirányítói beavatkozás nélkül. A fentiekből látható, hogy NAF hálózaton a hibahely megtalálása részben távmérő eszközök, részben bejárás segítségével történik. KÖF hálózaton a hiba jellegének megfelelően vannak eljárások. A hibahely kiterjedtségének csökkentésére és ezzel a fizikai bejárások mennyiségének csökkentésére technikai eszközök állnak rendelkezésre. Jelenleg KIF hálózaton ma a hibahely behatárolásnak különösebb rendszere nincs és technikai támogatása sem ismert. A kialakítandó KIF üzemirányítási rendszer egyik fő kérdése, hogy milyen technikai támogatást lesz képes biztosítani ehhez.
2. Üzemirányítási hierarchia felépítése és szerepe Magyarországon „A cél, közös irányítású, párhuzamos üzem létrehozása, gazdaságossági optimumra való törekvéssel. Valójában ennek a megvalósítása a kooperáció. Az erőművek, az állomások és a fogyasztók közötti együttműködést teherelosztók irányítják. […] Mivel az egyes helyi körzetekben nem egyforma a csúcsteljesítmények időbeli eloszlása, ezért ezt a teljesítményszükségletet a kooperációs hálózaton keresztül egy másik körzetből vagy erőműből vételezhetik. Ezáltal az egyes erőművekre jutó terhelésváltozás sebessége csökkenthető, tehát az üzem nyugodtabb és a frekvenciaváltozás kisebb lesz. Az erőművek párhuzamos üzemének legfontosabb feltétele, hogy minden generátor frekvenciája pontosan egyforma legyen, mégpedig 50 Hz. Ez azért szükséges, hogy az egyes hálózatok között ne induljon kiegyenlítő áramlás.” [3]
17
A villamosenergia termelés, szállítás, elosztás, fogyasztás egyensúlyának fenntartása igen bonyolult feladat. Az együttműködő energiarendszerek biztonságos, jó minőségű villamosenergiát optimális körülmények között szolgáltató üzemének fenntartásához hierarchikus felépítésű rendszerirányítás szükséges.
2.1. Alaphálózat és nemzetközi kooperáció Az üzemirányítási hierarchia legmagasabb szintjén áll a MAVIR (Magyar Villamosenergia-ipari Átviteli Rendszerirányító), amely az országos alaphálózat, a nagyteljesítményű alaperőművek és a határon átnyúló kooperációs távvezetékek kielégítő és zavarmentes működéséért felel. Egy hálózat feszültségszintje attól is függ, hogy annak mekkora teljesítményt kell továbbítania. Az országos alaphálózat 750, 400, illetve 220 kV feszültségen üzemel, de néhány esetben 120 kV-os főelosztóhálózati vezetékek is betöltenek alaphálózati szerepet. Az alaphálózat többszörösen hurkolt kialakítású, minden esetben szabadvezeték alkotja. Az alaphálózat feladata, hogy a nagy teljesítményű alaperőműveket összekösse az ország fogyasztási súlypontjaiban létesített főelosztóhálózati
csomópontokkal,
valamint
a
nemzetközi
energiaforgalom
lebonyolítása. Az alaperőművek azokat az erőműveket jelentik, amelyek nagy mennyiségű energiát tudnak előállítani olcsón, emiatt folyamatosan üzemelnek, vagy a teljesítmény szabályozása nem lenne gazdaságos, illetve veszélyezteti a biztonságos üzemvitelt. Ilyenek a hőerőművek nagy része, és kivétel nélkül az összes atomerőmű. Magyarország jelentősebb alaperőművének számít többek között a Paksi Atomerőmű, az ország jelenleg egyetlen atomerőműve 2000 MW beépített nettó teljesítménnyel, illetve a Mátrai Erőmű 950 MW beépített nettó teljesítménnyel. Magyarország egyetlen 750 kV feszültségű vezetékszakasza egy nemzetközi kooperációs távvezeték Albertirsa és Vinnicja között. Névleges teljesítménye 2000 MW. A vezetéket 2002-ben felújították, azóta Ukrajna felől energia import érkezik rajta az Európai Unióba.
2.2. Főelosztóhálózat üzemirányítása A következő szinten az egyes szolgáltatók tulajdonát képező Központi Diszpécser Szolgálatok állnak. A főelosztó hálózatnak az adott területet lefedő részét és az ott működő közepes teljesítményű, menetrendtartó erőművek és csúcserőművek működését felügyelik. A főelosztó hálózat 120 kV feszültségen üzemel, de előfordul 35 kV-os szakasz is, szintén többszörösen hurkolt kialakítású, szabadvezetékek mellett kábelekből is áll a sűrűn lakott területeken. Menetrendtartó erőműveknek nevezzük
18
azokat az erőműveket, amelyek üzemelése, leállítása és újraindítása nem költséges, és nem
veszélyezteti
az
üzembiztonságot.
Ide
sorolhatjuk
a
vízerőműveket.
Csúcserőműveknek pedig azokat az erőműveket nevezzük, amelyek üzemeltetése viszonylag drága, azonban csak néhány órán keresztül termelnek, percek alatt terhelés alá helyezhetőek és leállíthatóak. Ilyenek a gázturbinás és a motoros erőművek.
3. ábra Hurkolt hálózati topológia [3]
2.3. Középfeszültségű hálózat üzemirányítása A harmadik szinten állnak az Üzemirányító Központok, amelyek gyakorlatilag az egyes szolgáltatók régióközpontjai, feladatuk a középfeszültségű hálózat üzemeltetése. A középfeszültségű hálózatok általában 20, illetve 10 kV feszültségen üzemelnek. Ma még előfordul 35 kV-os feszültségű hálózat is, azonban ezt a feszültségszintet folyamatosan felszámolják és áttérnek 20 kV-ra. A középfeszültségű hálózatok általában sugaras, íves, illetve gyűrűs kialakításúak, de az utóbbiak is üzemszerűen sugarasan működnek (4. ábra). A középfeszültségű hálózatokat szabadvezetékek és kábelek alkotják, és meglehetősen nagy kiterjedésű hálózat. Legnagyobb kiterjedésű hálózat a kisfeszültségű hálózat, amelyet szintén sugaras kialakítású, szabadvezetékes és kábeles hálózatok alkotnak. A kisfeszültségű hálózaton klasszikus értelemben vett üzemirányítás ma még nincs, csupán hibacím kezelés folyik. Az üzemirányítási hierarchia felépítését az 5. ábra mutatja.
19
4. ábra Bontható íves KÖF hálózati topológia [3]
nemzetközi kooperáció
ALAPHÁLÓZAT 750/400/220/120 kV OVT nagy/nagy feszültségű transzformátor állomások
alaperőművek
FŐELOSZTÓ HÁLÓZAT 120 kV
KDSZ-ek
nagy, ipari fogyasztók nagy/közép feszültségű transzformátor állomások
kis erőművek
középfeszültségű ELOSZTÓHÁLÓZAT 35/20/10 kV ipari fogyasztók ÜIK-k közép/kis feszültségű transzformátor állomások
ipari erőművek
KISFESZÜLTSÉGŰ HÁLÓZAT 0,4 kV
fogyasztók
5. ábra Az üzemirányítási hierarchia felépítése [3]
20
3. Az üzemirányítás legfontosabb feladatai „A villamos energetika és az annak áldásait hasznosító gazdaság, illetve a társadalom kapcsolata a villamosság gyakorlati hasznosítása óta napjainkig lényegét tekintve nem változott. A folyamatos műszaki fejlődés egyre magasabb színvonalú ellátást tett lehetővé. Az energia rendelkezésre állása nemcsak a gazdaság versenyképességének fontos
tényezője,
hanem
a
lakosság
közérzetének
és
életszínvonalának
is
meghatározója. Villamosenergia rendszer alatt a villamosenergia termelő erőműveket, a megtermelt energiát átalakító állomásokat, a szállító és elosztó vezetékeket értjük.” [3] „Az átvitel feszültségszintjének megválasztása gazdaságossági kérdés. A villamos hálózatokat az alábbiak szerint csoportosíthatjuk: •
Rendeltetés
•
Feszültségszint
•
Hálózati alakzat
•
Áramnem
•
Frekvencia” [1.]
A hálózatok gazdaságos üzemletetése megköveteli a hálózati rendszerek irányítását. „A rendszerirányítás egyes szintjein a feladatok természetesen eltérőek, azonban minden szinten három fő tevékenységet találunk, - üzemelőkészítés, operatív üzemirányítás és üzemértékelés - amelyek természetesen szoros összefüggésben állnak egymással.” [3] Az egyes tevékenységek kapcsolatát az alábbi ábra szemlélteti.
RENDSZERÁLLAPOT
Tervezés, középtávú üzemelőkészítés
ÜZEMELŐKÉSZÍTÉS (heti, napi)
ÜZEMIRÁNYÍTÁS
ÜZEMÉRTÉKELÉS
RENDELKEZÉSREÁLLÁS (erőmű, hálózat, import)
6. ábra Üzemirányítási folyamatok kapcsolata [3]
21
3.1. Üzemelőkészítés A
villamosenergia
rendszer
biztonságos
működésének
és
optimalizálásának
elengedhetetlen eszköze. Az üzemelőkészítés az alsó hierarchiai szintről indulva felfelé épül fel, mivel az alsó szintek szereplői szolgáltatják azokat az adatokat, ami alapján a következő szinten lévő elkészíti a saját terveit. Az üzemelőkészítés lehet hosszú távú, középtávú illetve rövidtávú. Általános hosszú távú feladatok (több hónap, akár évek): aktuális gazdasági irányelvekhez való igazodás a műszaki lehetőségeknek megfelelően beruházások előkészítése fejlődési trendek és innováció követése Általános középtávú feladatok (néhány hét, 1-2 hónap): karbantartások ütemezése és előkészítése induló és folyamatban lévő beruházásokhoz szükséges hálózatkép átrendezések optimális bontáspontok meghatározása és létrehozása Általános rövidtávú feladatok (1-2 hét): Igazodás a karbantartásokhoz, azaz a pillanatnyilag rendelkezésre álló infrastruktúra optimalizálása adatgyűjtés fogyasztói igények becslése, erőműi menetrendek elkészítése esetleges
hosszabb
idejű
ellátási
zavar
esetére
korlátozási
protokoll
meghatározása Az említett feladatok hierarchiai szinttől és hatáskörtől függően változhatnak.
3.2. Operatív üzemirányítás Az operatív üzemirányítás valós időben történik, azaz egyes fellépő, nem kívánatos üzemállapotokra azonnal reagálni kell. Emiatt teljes mértékben az üzemelőkészítés keretein belül előre meghatározott tervekre és becslésekre támaszkodik. A beavatkozásokat végző diszpécserek munkáját távműködtetésű és távközlési rendszerek egész hada segíti, mint például a Távműködtetésű Oszlopkapcsolók (TMOK), melyek képesek érzékelni és jelezni a kialakult zárlatot, és a megszakítás után fontos kapcsolásokat végezhet el akár automatikusan is. Segítségükkel a kisebb üzemzavarok pillanatok alatt elháríthatók, akár a fogyasztók zavartatása nélkül. Ezek a távolról
22
vezérelhető kapcsolóelemek jelentik a telemechanizálás és ezzel az operatív üzemirányítás alapját is. A kapcsolások az esetek nagy többségében automatikusan megtörténnek. Normál, hibamentes üzemállapot esetén az operatív üzemirányítás feladata, hogy folyamatosan figyelje a hálózatot, és a valóságos adatokat a tervekkel összehasonlítva fenntartsa az előre ütemezett optimális működést, ha kell átkapcsolások végrehajtásával. Az operatív üzemirányítás fő feladata az üzemzavarok gyors észlelése és helyreállítása, a normál működés fenntartása, adatok gyűjtése és archiválás, valamint hibaelhárítás miatt a terepre vezényelt szerelőkkel való kapcsolattartás, azok irányítása és informálása. Az üzemzavar elhárítás során szükséges kapcsolási műveleteket az üzemirányítás vezényli, a terepen dolgozó szerelők végrehajtói a kapcsolásoknak.
3.3. Üzemértékelés Az operatív üzemirányítás alatt gyűjtött adatokat az üzemértékelés értékeli és dolgozza fel. Az üzemértékelés információt szolgáltat az üzemelőkészítéshez, mint például a karbantartások állapota vagy a fogyasztói igények alakulása, azaz az üzemirányítási rendszer visszacsatolását, egyfajta „szabályozását” testesíti meg. Az üzemirányítás a feldolgozott információk alapján fejleszthető illetve optimalizálható. Ezáltal elvileg napról napra biztonságosabbá és hatékonyabbá válik a rendszer. „Az EMS funkciók alapvetően az üzemelőkészítés és üzemértékelés feladatait támogatják, de lehetőséget biztosítanak az operatív üzemirányítás során is egyes lépések hatásának előzetes ellenőrzésére. Néhány fontosabb feladatot kiemelve: o AGC, automatikus erőműi teljesítményszabályozás, o állapotbecslés, o load-flow, azaz teljesítményáramlás számítás, o üzembiztonsági analízis, o terhelésbecslés, o zárlatszámítás, o diszpécseri tréning szimulátor.” [3]
23
4. Energiarendszer működési modelljének változása a megújuló háztartási méretű kiserőművek megjelenésével Egyre több háztartásba építenek be villamos energia termelésére alkalmas eszközöket. Törvényben meghatározottan ezeket háztartási méretű kiserőműveknek nevezik (HMKE). A háztartási méretű kiserőművek maximális teljesítménye 50 kVA. „Annak érdekében, hogy a háztartási méretű kiserőmű zavaró visszahatások nélkül működjön és a többi rendszerhasználó ellátását, az elosztóhálózat üzemállapotát, üzemzavar elhárítás eredményességét hátrányosan ne befolyásolja, a háztartási méretű kiserőmű az elosztóhálózattal szigetüzemben nem működhet. A termelő saját fogyasztói berendezésével,
a
hálózati
engedélyes
által
megszabott
műszaki
feltételek
figyelembevételével és engedélyével szigetüzemben maradhat, azonban általánosságban nem ez a standard megoldás, azaz hálózat kimaradás esetén a HMKE azonnal kikapcsol és csak a feszültség visszatérése után (tranziensek végével) 5 perc múlva kapcsolhat vissza. Háztartási méretű kiserőmű csak inverteren keresztül csatlakoztatható a közcélú hálózatra.
Az
inverternek
alkalmasnak
kell
lennie
feszültségszabályozásra
coskapacitív=0,8, cosinduktív =0,8 fázistolás között. […] A rendszerhasználó csatlakozóberendezésén háztartási méretű kiserőmű telepítése esetén a hálózati engedélyes kezelésében lévő leválasztási, és földelési-, rövidzárási lehetőséget kell létesíteni, amelyet úgy kell elhelyezni, hogy a hálózati engedélyes személyzete számára mindenkor hozzáférhető legyen. A leválasztási lehetőséget közterületen, vagy a nap bármely szakában hozzáférhetően a közterület határán kell biztosítani. A csatlakozási pont kialakítása a hálózati engedélyessel egyeztetetten a termelni kívánó fogyasztó feladata. Egyfázisú termelőegység max. 5 kVA-ig csatlakoztatható a kisfeszültségű hálózatra, 5 kVA felett csak 3 fázisú csatlakoztatás a megengedett.” [3] A kiserőművek általában szélerőművek vagy napelemek. Háztartási méretben az utóbbiak létesülnek elsősorban. Elméletben ezek a termelő egységek azért jöttek létre, hogy alkalmazásukkal a fogyasztók a saját fogyasztásukat tudják csökkenteni, azonban egyre inkább jövedelemforrásként kívánják felhasználni. „A fogyasztásmérő berendezés költségei 3x16 A teljesítményhatárig a hálózati engedélyest terhelik, fölötte a termelni kívánó fogyasztót.
24
3x16 A feletti termelési igény esetén a mérőberendezés kialakítási módját és helyét a hálózati engedélyes határozza meg. Az ezek alapján készült terveket a hálózati engedélyesnek jóvá kell hagynia. A tervek szerinti kialakítást a hálózati engedélyes az üzembe helyezési eljárás alkalmával ellenőrzi, hiányosság esetén az üzembe helyezés meghiúsul.” [3] Ezzel az a probléma, hogy ugyan van szabályozás rá, hogy mekkora termelő teljesítményt építhetnek be, ennek ellenére mégis gyakran előfordul, hogy az adott transzformátorkörzetben több a termelés, mint a fogyasztás, így a hagyományos energiaáramlási modell felborul, ugyanis ezek az egységek általában nem a fogyasztási csúcsok idején termelnek egy körzeten belül. A fogyasztó más időben igényli az energiát, mint a termelésének az ideje. Ez azt jelenti, hogy a fogyasztó a hálózatot akkumulátorként használja, azaz a felesleges energiáját betáplálja, és később használja fel. Azonban erre a jelenlegi hálózat nem képes. Ekkor a szolgáltató nem tud mit tenni, ugyanis a többlettermelésből származó energia fölösleget kénytelen megvásárolni a fogyasztótól, pedig lehet, hogy azt az energiát nem tudja „eladni” az adott körzeten belül, a transzformátorok és vezetékek pedig egyirányú energiaáramlásra vannak tervezve. Ebből következik, hogy a szolgáltatónak azért kell fejlesztenie, hogy a megújuló termelők energiáját fogadni tudja, pedig nem ez a szolgáltató feladata. Az összeadódó többlettermelések akár komoly problémákat is eredményezhetnek, ezért a fogyasztóknak is, de elsősorban a szolgáltató érdeke, hogy megoldást találjon a problémára.
25
5. Smart grid hatása az üzemirányításra A smart grid kialakítása sokban könnyítené az üzemirányítást a kisfeszültségű hálózatra való kiterjedésében és feladatai ellátásában. A számtalan mérési pont által olyan komplex adathalmazokat biztosítana az üzemelőkészítés és operatív üzemirányítás számára, amely által meglehetősen pontos terveket, menetrendeket és rendszer statisztikákat lehet elkészíteni. Számos definíció olvasható a smart grid fogalmaként. Egy lehetséges megfogalmazás a Magyar Energia Hivatal és a Világbank megbízásából készült tanulmányból a Smart Grid definíciójára: „Elektromos
energiahálózat,
amely
kétirányú
kommunikációt
és
irányítási
technológiákat, megosztott számításokat és ezekhez szükséges szenzorokat alkalmaz (beleértve a hálózati felhasználók területére telepített berendezéseket is)” Egy másik megfogalmazás a Hálózati engedélyesek szempontjából: „Smart Grid: Egy olyan hálózat tervezési, építési, fejlesztési és üzemeltetési filozófia, melynek során modern információ technológiai megoldásokat alkalmazunk a hagyományos villamos hálózatokon a hálózat költséghatékony kihasználása, a fogyasztók és termelők magasabb szintű kiszolgálása, valamint az ellátás minőségének növelése érdekében.” [1] Más megközelítésből: „Az ELMŰ Smart Grid víziója A Smart Grid-et meghatározó fő jellemzők a következők: Fontos szempont az integráció. A hálózati eszközök és berendezések integráltan üzemelnek, jellemzően távolról felügyelhetőek, irányíthatóak, adott esetben egymással kommunikálnak. További szempont az intelligencia. A hálózati berendezések automatikusan, kooperatívan működnek, lehetőség van nem csak hálózat üzemeletetői, de fogyasztói reakciókra is. A fentiek megvalósításához elengedhetetlen a hálózati berendezések kétirányú kommunikációjának megvalósítása. A Smart Grid-del elérhető előnyök: Esetleges műszaki hiba esetén, a kiesett hálózatrész méretének minimalizálása.
26
A műszaki hálózati veszteség minimalizálása. A terhelési görbe kisimítása.” [2] A smart gridnek több értelmezése és definíciója ismert, de mindegyiknek ugyanaz lenne a lényege. Létrehozni egy olyan hálózatot, amely lehetővé teszi a kétirányú kommunikációt és irányítást, a hálózat maximális kihasználását és a szolgáltatások minőségének javulását. A kétirányú kommunikáció és irányítás a kulcsa mindennek. Ezek párosítása a tömegvezérléssel máris a költséghatékony üzemvitelt és a szolgáltatásminőség fenntartását eredményezi. A smart grid fontos elemét képezik a telemechanikai eszközök is, amelyek elengedhetetlenek az üzemzavarok gyors behatárolásához, valamint az előbb említett irányítás eszközei. A kétirányú kommunikációt a smart mérők testesítik meg.
27
6. Garantált szolgáltatások rendszere „A Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatal (a továbbiakban: Hivatal) célja az egyedi felhasználókat érintő minimális minőségi követelmények, az úgynevezett Garantált Szolgáltatások (a továbbiakban: GSZ) előírásával az engedélyesek által nyújtott szolgáltatásokat igénybe vevő felhasználók érdekeinek hatékony védelme, a GSZ nem teljesítése esetére kötbérfizetés előírása.” [5] „Az elosztók tulajdonában van az országos elosztóhálózati infrastruktúra, melyen a villamos energia eljut a felhasználókhoz. Összesen hat elosztói szolgáltatási terület van az országban, melyeket három nagy tulajdonosi csoport tudhat magáénak. A 2008. évi (majd a 2009. évi megújított) GSZ határozatok a következő bontásban és időpontoktól írják elő az automatikus kötbérkifizetést: 2009. január 1-jétől GSZ I. A villamosenergia-ellátás egy felhasználási helyen történő kimaradás megszüntetésének megkezdése GSZ III. Felhasználói villamosenergia-igénybejelentésre adandó tájékoztatás GSZ IV. Új felhasználási hely bekapcsolása vagy teljesítmény bővítése GSZ VII. Értesítés a villamosenergia-ellátás tervezett szüneteltetéséről (a 200 kVA feletti felhasználókra vonatkozóan) GSZ VIII. Feszültségpanasz kivizsgálása GSZ IX. Feszültség a kisfeszültségű felhasználási hely csatlakozási pontján GSZ X. Visszatérítés téves számlázás esetén GSZ XI. A fogyasztásmérő pontosságának kivizsgálása GSZ XII. A felhasználó visszakapcsolása GSZ XIII. Nem jogszerű kikapcsolás 2010. január 1-jétől GSZ V. Az egyeztetett időpontok megtartása GSZ VI. Információadás dokumentált megkeresésre GSZ VII. Értesítés a villamosenergia-ellátás tervezett szüneteltetéséről (minden felhasználói csoport esetén) 2011. január 1-jétől GSZ
II.
A
villamosenergia-ellátás
kimaradásának megszüntetése” [6]
28
több
felhasználási
helyet
érintő
7. Kisfogyasztói hibacím kezelés A kisfeszültségű hálózaton, legfőbbképpen a kisfogyasztók körében a hálózaton fellépő hibák jelentős részéről a rendszer nem képes automatikus jelzést küldeni. A bekövetkezett hibákról az esetek túlnyomó többségében csak a fogyasztók bejelentései alapján értesül a szolgáltató. Ez nagyon előnytelen helyzet, mivel a szolgáltató sokszor nem tudja sem a hiba pontos helyét, sem azt, hogy a hiba hány fogyasztót érint. Ezek rendkívüli fontosságú információk a hiba elhárításának szempontjából is, és a szolgáltatóra nézve a fogyasztói zavartatást mérő mutatók szempontjából. Valamint a garantált szolgáltatások több pontja szerint más az előírt eljárás, ha például egy vagy több fogyasztót érint a kimaradás. Mikor egy fogyasztói bejelentés révén - amennyiben az több fogyasztót érint - a szolgáltatóval tudatják a hiba fennállását, akkor még csak annyit tudnak a hibáról, hogy az kialakult a hálózaton, illetve melyik áramkörön lépett fel, általában semmilyen más információt nem kapnak. A szerelők az adott leágazás elejétől indulva a diszpécser irányításával bejárják a vezetékszakaszokat, hogy megtalálhassák a hibát. A hiba leggyakrabban szakaszbiztosító kiolvadása. A kiolvadás okát nem tudják, a javítás elsősorban a biztosító pótlásával történik. A hiba pontos helye és minden egyéb tulajdonságai csak akkor derülnek ki, amikor megtalálják azt. Kötegelt kisfeszültségű hálózat esetén ez meglehetősen bonyolult feladat, így többször előfordul, hogy ugyanaz a biztosító betét többször is kiolvadhat növelve a fogyasztói zavartatást, mivel csak lassan tudják behatárolni a hibahelyet. Sajnos sok esetben a szakaszbiztosító olvadását a túláramvédelmi készülékek szelektivitásának a hiánya okozza. A 32 A-es fogyasztói első túláramvédelmi készülék nem szelektív egy 63 A-es szakaszbiztosítóval. Hasonlóan a mért fogyasztói kisautomata sem szelektív az első túláramvédelemmel. Így előfordulhat, hogy egy fogyasztói készülék zárlata végül szakaszbiztosító olvadást eredményez. Ennek okát a karakterisztikákban kereshetjük.
29
8. Kisfogyasztói hibacímek előrejelzése A cél az lenne, hogy a szolgáltató hamarabb tudjon a hibáról, és annak minden tulajdonságáról, mint ahogy azt a fogyasztó jelezné felé. Ez azért fontos, mert a szabályozások alapján nem mindegy, hogy az üzemzavar hány fogyasztót érint, valamint ha több fogyasztót érint, akkor mennyi ideig áll fenn. A hiba minden tulajdonságát érzékelni azelőtt, hogy csak egy fogyasztó is észlelné azt, szinte lehetetlen. Ha legalább a hiba létrejöttét érzékelné az engedélyes egy eszköz által persze a fogyasztónál gyorsabban - és azután érkezne a bejelentés, akkor a két információ összehasonlításával már bizonyos eredmények következtethetőek, valamint a hiba létrejöttének és esetleg annak helyének tudatában a diszpécser már további információkat szerezhet a bejelentőtől, még akkor is, ha azt feltételezzük, hogy a bejelentő nem ért szakmailag a hálózathoz. Ezek alapján az üzemirányító, vagy a hálózatot már jobban ismerő szerelők lehet, hogy meg tudják állapítani a hiba okát és akár egyéb paramétereit is. Szerintem a kézenfekvő megoldás két olyan eszköz, amely csak a feszültséget, illetve csak az áramot érzékeli, így kicsik és olcsóak. A hálózaton továbbított jelzés nem jöhet szóba, mert hiba esetén a jel nem biztos, hogy terjedni tud a hálózaton, tehát valamilyen vezeték nélküli eljárást kell alkalmazni. Már most is üzemelnek a hálózaton GSM alapú műszerek, ilyeneket személyesen is volt alkalmam használni, vagyis ez mondhatjuk, hogy egy bevált eljárás. A műszerek, amelyek ezt a feladatot ellátnák kétféle elrendezésben szükséges telepíteni ahhoz, hogy a zárlat és a szakadás jellegű hibákat egyaránt egyértelműen be tudják határolni. A következőkben az ÉMÁSZ Hálózati Kft.-től kapott hálózatképet használom fel. A képen egy 20/0,4 kV feszültségszintű transzformátort láthatunk teljes ellátási körzetével ÉMÁSZ területen. A transzformátor minden egyes ága sugaras kialakítású.
30
7. ábra 20/0,4 kV feszültségű transzformátor közcélú hálózaton teljes ellátási területével az ÉMÁSZ Hálózati Kft. EÉGIS rendszeréből [7]
31
Az áramot érzékelő műszereket az egyes vonalak elágazásaiba telepítjük közvetlenül az elágazás elé, oszlopra, a zárlat jellegű hibák érzékelésére és azok helyének meghatározására. Ezek a műszerek a középfeszültségen is alkalmazott zárlatjelzők elvén alapulva működnének. A zárlati áramot egy arra alkalmas periférián keresztül érzékelnék, például lakatfogón vagy mérőhurkon mindhárom fázisban külön. Így zárlat kialakulásakor a vonalon működő műszerek jelzéseiből a jelzéseket fogadó üzemirányító vagy diszpécser a zárlat jellegű hibák helyét néhány 100 méterre tudja szűkíteni. A műszer a tápellátását 1 fázisról egyenirányító hídon keresztül kapná és egy relatíve nagyobb kapacitású kondenzátort tartalmazna a tápvonala arra az estre, ha a zárlat következtében kikapcsol a hálózat, akkor is el tudja küldeni a jelzését. A kondenzátor csak afféle tartalék, mivel védelem működését eredményező zárlat inkább középfeszültségen fordul elő. A képen látható, hogy az első elágazásban levő műszer jelezte a zárlatot, de a második már nem. Ebből következik, hogy a hiba vagy a törzsvezetéken, az eső és második elágazás között van, vagy az első leágazáson. A 8. ábrán látható esetben ez körülbelül 180…200m.
8. ábra Áramot érzékelő vezeték nélküli műszerek elhelyezése sugaras hálózaton. [7]
32
Az feszültséget érzékelő műszereket az egyes leágazások végére telepítjük az utolsó oszlop
tetejére,
a
szakadás
jellegű
hibák
érzékelésére
és
azok
helyének
meghatározására. A feszültségszintet érzékelnék mindhárom fázisban külön, és annak ingadozásaira küldenének jelzéseket. Így szakadás esetén a vonalon működő műszerek jelzéseiből a jelzéseket fogadó üzemirányító vagy diszpécser a szakadás jellegű hibák helyét néhány 100 méterre tudja szűkíteni. A műszer a tápellátását 1 fázisról egyenirányító hídon keresztül kapná és egy relatíve nagyobb kapacitású kondenzátort tartalmazna a tápvonala arra az estre, ha teljes feszültség-kimaradás lépne fel, akkor is el tudja küldeni a jelzését. A kondenzátor szintén csak afféle tartalékot jelentene. A képen látható, hogy az első elágazásban levő műszer jelezte a zárlatot, de a második már nem. Ebből következik, hogy a hiba vagy a törzsvezetéken, az eső és második elágazás között van, vagy a második leágazáson. A 9. ábrán látható esetben ez körülbelül 180…200m.
9. ábra Feszültséget érzékelő vezeték nélküli műszerek elhelyezése sugaras hálózaton. [7]
33
Amennyiben az előbb említett műszerek jelzéseit egyszerre vesszük figyelembe, nagyobb pontosságot és egyértelműséget tudunk elérni, mintha külön-külön értékelnénk a jelzéseket. Tehát az egyik mérésből érkező jelzések alapján megállapíthatjuk, hogy melyik két vezetékszakaszon lehet hiba, és a másik mérés jelzéséből egyértelműen meghatározható hogy a kettő közül melyik a hibás szakasz. Tehát a kétfajta eljárás egyszerre kell alkalmazni, mert ezek kiegészítik egymást. A probléma másik megoldása lehet az, ha a fogyasztásmérőket smart mérőkre cserélik. Ezek már több és részletesebb adatok küldésére képesek, melyekből a hibák jelentős része is megállapítható a feszültségszint és az áram hirtelen változásának nyomon követésével, azonban drágábbak is, valamint darabszámot tekintve jelentősen többre lenne szükség belőlük. Számuk miatt a belőlük származó adatok mennyisége is sokkal nagyobb mennyiségű, ami már nehezebben lenne kezelhető, jóval bonyolultabb rendszert igényel. Azonban ha minden háztartásban smart mérő lenne felszerelve, akkor gyakorlatilag egy-egy információforrás van a hálózaton néhány tíz méterenként. A KÖF/KIF transzformátor állomásban elhelyezett smart mérő, vagy egyéb eszköz képes jelezni a szakaszbiztosító kiolvadását. Ez a hibahely behatárolási megoldás volna az egyik legfontosabb feladata a teljesítménygazdálkodás és terhelésvezérlés mellett a kisfeszültségű üzemirányítás kialakítandó rendszerének.
34
9. Energia eloszlás helyreállítása, pufferelés, micro grid kialakítása A fejezetben az energia eloszlás helyreállításának leghatékonyabb eszközeit igyekszem felsorakoztatni. Ezek irányítása a napi terhelési görbe alapján történne, törekedve arra, hogy az a kedvező irányba változzon úgy, hogy a terheléseket helyileg kapcsoljuk be illetve ki. Röviden a teljesítményt kell úgy vezérelni, hogy közben a hálózatnak a legminimálisabb-igénybevétel növekedést kelljen elviselnie. A napi terhelési görbe kezelésének, kedvező irányba történő alakítására három elvi lehetősége van: o a völgyek feltöltése o a csúcsok csökkentése o fogyasztók szokásainak megváltoztatása A legjobbat kiválasztani nem lehet, mert nincs legjobb, egyenként alkalmazva egyik sem nyújt a jövőbeni elvárásoknak megfelelő eredményeket, a hármat egyszerre kell alkalmazni. A csúcsok csökkentése a rendszerek és eszközök optimalizálásával és az energiahatékonyság növelésével célszerű közelíteni, azaz a veszteségek csökkentésével. Már csak az elvből eredően előrelépés várható ebben a körben napról napra, ugyanis a legjobb ösztönző eszköz közvetlenül, a pénz: ha kisebb a veszteség, kevesebbet kell fizetni, illetve ha jobb az adott fogyasztó hatásfoka, akkor ugyanakkora elfogyasztott energiával nagyobb teljesítményt és termelékenységet lehet elérni. Ezekhez a kutatási és fejlesztési eszközök megléte, fejlesztése és támogatása elengedhetetlen. A völgyek feltöltése a Hangfrekvenciás Központi Vezérlés (HFKV) által a tömegvezérelt fogyasztók körének bővítésével, minél több eszköz bevonásával a vezérlés alá. Ez az eljárás rendkívül hasznos eszköz a szolgáltatók kezében, mivel könnyedén lehet a fogyasztási teljesítményt növelni, ugyanakkor körültekintést igényel az alkalmazása. Egy adott beépített teljesítmény bekapcsolásakor szinte biztos, hogy nem fog akkora fogyasztás megjelenni a hálózaton, mint a névleges érték. Ugyanez igaz a kikapcsolásra is. Például 100 kW-nyi teljesítmény bekapcsolása nem eredményez 100 kW többletterhelést, de kikapcsoláskor sem eredményezi 100 kW kapacitás felszabadulását. mindenféleképpen növekedést eredményez gyakorlatilag minden téren, az iparnak legtöbb ágában és a teljesítmény vezérlésének talán a legjobb módszere. A fogyasztók szokásainak megváltoztatása azt jelentené, hogy valamilyen módon „ideális” fogyasztóvá alakítjuk, vagyis a hálózatból akkor fog energiát vételezni, amikor az az üzemállapot szempontjából ideális. Ez talán a legnehezebb módszer a
35
fogyasztás egyenletesebbé alakítására, mivel az emberek, a lakosság felfogását, gondolkodásmódját kell megváltoztatni. Ebben az esetben az egyetlen eszköznek tűnik a váltakozó tarifák meghatározása, amiből már manapság is vannak elérhető csomagok, azonban az árkülönbség az egyes tarifák között annyira elenyésző, hogy nem teszi olcsóbbá az elektromos megoldásokat más lehetőségeknél, nem ösztönzi a fogyasztót a szokásai megváltoztatására. Más kérdés az, ha a tarifák segítségével a fogyasztókra bíznánk, hogy vezéreljék a készülékeiket. Ez gondot okozhat, hiszen így véletlenszerűen terhelődhet a hálózat. Törvényileg, rendeletekkel, vagy támogatásokkal nagyobb különbséget lehetne elérni ezen a téren, de a különbség növelését már nehéz úgy kivitelezni, hogy az elektromos energia alapára ne növekedjen és a kedvezményes tarifa se legyen „ráfizetés” a szolgáltatást kínáló részéről. A tömegvezérléssel mindhárom jól megvalósítható, amennyiben az szolgáltató képes hatni az emberekre, hogy vezérelhető teljesítményt építsenek be háztartásukba. Nagy valószínűséggel erre a szolgáltató egyedül nem képes, hanem állami segítségre van szüksége. A tömegvezérlés nagy múltra tekinthet vissza, ugyanakkor napjainkban egyre csökkenő szerepe van a fogyasztáskiegyenlítésben. Rendeletileg a szolgáltatóknak 8 órás felfűtést kell biztosítani a fogyasztók részére és ezt két részletben, nappal ½ - 1 órás felfűtést és éjszaka a különbséget. Régebben nagy többségében csak a használati meleg vizet előállító hőtárolós berendezéseket irányították központilag, amivel jelentős kompenzálást lehetett elérni, de a relatíve „olcsó” gáz kiszorította ezeket. Fontos, hogy elsősorban nem a vezérelt fogyasztók összteljesítményét, hanem számukat kell növelni,
Hazai háztartások fűtési módja Egyéb 2,6% Távhő 16,6%
Szilárd tüzelőanyag 22,7%
Földgáz 58,0%
10. ábra Fűtésre használt energia megoszlása energiaforrás szerint [2]
36
hogy a terheléseloszlás és így a hálózat igénybevétele a lehető legegyenletesebb legyen, valamint ezúton az általuk megvalósított szabályozás is sokkal precízebb lehet. Továbbá a termeléselosztás is fontos tényező, tekintve itt elsősorban a kis teljesítményű eszközöket, mivel a háztartási erőművek eloszlását nem szabályozhatja a szolgáltató. A szolgáltatók újabb kedvezményes tarifákat kínálnak a fogyasztóknak, ez a „H” és a „G” tarifa, amely főként a hőszivattyús fogyasztóknak nyújt kedvezményt. A teljesítménykiegyenlítés kialakítható „micro grid” formájában is, ami a következőt jelenti. Egy adott transzformátorkörzeten belül a HFKV által irányítható fogyasztók be- és kikapcsolása a termelő berendezések működésének függvényében akár fázisonkénti kapcsolásokkal is. Ez megoldható a transzformátor szekunder kapcsain létesített mérési pontokkal, amelyek a fázisonkénti feszültségemelkedést és csökkenést, illetve a terhelő áram hirtelen változását figyelik. Ezáltal észlelhető, ha többlettermelés, vagy éppen túlterhelés van a körzetben, de még egyes hibák is észlelhetőek, például ha a kapcsolásokat követően sem áll vissza a hálózat az optimális üzemállapotba, akkor egyértelmű, hogy ott valami nem üzemszerűen működik. Ha a mérési ponton megemelkedett feszültségszint érzékelhető, akkor az érintett fázisra csatlakozó vezérelhető fogyasztókat bekapcsolja a rendszer, így a többlet energia helyben kerül felhasználásra és a háztartásokban tárolódik. Ez az eljárás megkíméli a hálózatot a fölösleges terheléstől és a megemelkedett feszültségtől úgy, mint, a vezetékeket, a transzformátort, mindezek szigeteléseit és a fogyasztói berendezéseket egyaránt és ezzel csökkenti a hálózat veszteséget. Így nincs szükség a drága transzformátorokat
még
drágább
terhelés
alatti
fokozatkapcsolásra
képes
transzformátorokra cserélni, ami több milliárd forintos beruházásokat jelentene. Evidens hogy ez rövid időn belül nem lenne kivitelezhető, a szerelési idők hosszú kieséseket okoznának és értékes eszközöket, hibátlanul működő transzformátorokat kellene eltávolítani a hálózatról. A transzformátorra telepített smart mérő el tudja látni ezt a feladatot, sőt még továbbítani is tudja az adatokat a szolgáltató felé. „Termelői és fogyasztási profilok, menetrendek kezelése A termelés, fogyasztás egyedi beállítása (felületről, időzítve, eseményre, szabályzásból) A termelők és a fogyasztók is bevonhatók a szabályzásba Fel és lefutási görbék alkalmazása Átviteli jelleggörbék (E P)
37
Tároló elemek (akku) töltése, kisütése idődiagram szerint, töltöttségi limit kezelése” [8] „Szigetüzem: A VER szabályozási problémák megjelenése alacsony szinten: a termelés és a fogyasztás kiegyensúlyozása Frekvencia tartása (f-re érzékeny fogyasztók) Frekvencia modell Feszültség szabályozása Load-flow számítás A termelők és a tárolók optimális kihasználása Jelenleg ez az üzemmód csak a szimulátorban lehetséges Hálózattal szinkron üzem: Lehetőség szerint minél kevesebb energia vételezése vagy egy előre definiált menetrend tartása.” [8] Ha a mérési ponton a feszültség csökkenni kezd, akkor a vezérelt fogyasztókat sorban kikapcsoljuk egészen addig, amíg a feszültségszint el nem éri a szabványos értéket a vonal teljes hosszán. Ha minden vezérelt fogyasztó kikapcsolása esetén sem áll vissza a szabványos feszültség, szintén hibára lehet következtetni. A
hangfrekvenciás
központi
vezérlés
kódrendszere
egységes
minden
fogyasztóra, és a hálózaton szűrőkkel olyan körzeteket hoztak létre, amelyek határain a HFKV jele nem tud átterjedni. Ezen változtatni kell, ha az imént részletezett eljárást kívánjuk alkalmazni. Minden egyes transzformátor körzetet le kell választani a hálózatról szűrőkkel, és minden körzetben telepíteni kell egy HFKV adót, ami nagymértékben növelné a hálózat „intelligenciáját”. Mindezek mellett a kódrendszert is át kell alakítani. Kevesebb féle és más funkciójú táviratra van szükség, mint amit jelenleg alkalmazunk. Ezek a változtatások jelentős költséget jelentenek, azonban egyelőre nem is kell ezt mindenhol kivitelezni, csak ott, ahol a háztartási erőművek ezt indokolttá teszik. Ez a megoldás a gazdaságos működést biztosítja olyan drasztikus megoldások
helyett,
mint
például
amit
Németországban
bizonyos
helyeken
alkalmaznak. Németországban egyes háztartási erőműveket egyszerűen lekapcsolnak a hálózatról, hogyha éppen nem tudják kezelni a többletet. Ez nagymértékben rontja az egyébként
is
nagyon
gyenge
hatásfokú
napelemek
beruházási
költségeinek
megtérülését. Természetesen a vezérlés módján is lehet változtatni, hiszen RKV
38
alkalmazásával elkerülhető lenne a HFKV adók telepítése, valamint a szűrőkre sem lenne szükség. Ez nagyban leegyszerűsíti az eljárást, mivel a jeltovábbításban nem vesz részt a hálózat RKV alapú teljesítményvezérlés esetén. A terhelési völgyek kitöltésére három kézenfekvő megoldást vélek alkalmasnak arra, hogy részletesebben kifejtsem. Az első a közeljövőben az elektromos autók terjedéséből következően szükségessé váló töltőállomások. Egy elektromos autó tekintélyes teljesítményt képvisel, így a töltés során nagy mennyiségű energia felvételére van szükség. Valamilyen szintű teljesítményelosztásra is lehetőség van, mivel az esti órákban elegendő idő áll az autótulajdonosok rendelkezésére, hogy lassú, az akkumulátorokat kímélő töltési eljárást alkalmazzanak. A nappali órákban viszont gyors töltésre van szükség, ami időegység alatt jelentősen nagyobb teljesítménnyel veszi igénybe a hálózatot. Azonban, főleg a nagyobb városokban, ahol nagyobb számban jelenhetnek meg majd elektromos autók, ott akkumulátorbankok kialakítása volna a célszerű megoldás, melyek az alállomási egyenáramú két sínrendszeres segédüzemi ellátás elve alapján készülnének el. Azaz a kialakítandó akkumulátortöltő állomásokon az egységesített akkumulátorok fiókszerű rekeszekben lennének elhelyezve úgy, hogy a rekeszeket betolva a rugós szorítópofás érintkezőkkel felszerelt akkumulátor azonnal csatlakozna a rekesz mögött kiálló „késekre”. Az akkumulátorok a kettős sínrendszerhez egy kapcsolón keresztül csatlakozna, de a kapcsolónak köszönhetően mindig egyszerre csak az egyik sínez. A két sínből az egyik egy háromfázisú egyenirányítón keresztül megtáplálva csepptöltéssel töltené az akkumulátorokat, ami azért fontos, mert így az akkumulátorok kíméletes módon töltődnek, illetve nem kell kétféle töltést kialakítani. A másik sín pedig egy háromfázisú inverteren keresztül visszacsatlakozik a hálózatra. Ez a berendezés a hirtelen létrejövő üzemzavarok kiegyenlítésében fontos szerepet tölthetne be úgy, hogy egyfajta gyorsan indítható tartalékként bevonható lenne a primer szabályozás alá is, valamint a kisebb feszültségcsökkenéseket is jól kezelve kiválthatna bizonyos költségesen működő csúcserőműveket. A vezérlés a kapcsolókon keresztül váltogatná az akkumulátorokat a két gyűjtősín között. Fontos védelmek beépítése szükséges egy ilyen esetben. Figyelni kell az akkumulátorok terhelését és terhelés alatt töltött idejét a káros túlmelegedés és élettartamromlás elkerülése érdekében, illetve jól szellőztetett, vagy vizes hűtéssel felszerelt állomásokat kell létrehozni. Ehhez a megoldáshoz elengedhetetlen az akkumulátorok szabványos egységesítése. Nem szükséges, hogy azonos kapacitásúak
39
legyenek, de feltétlenül szükséges, hogy egyforma és szabványos csatlakozóval rendelkezzenek, ugyanakkora feszültségen üzemeljenek és nem utolsó sorban fizikai kiterjedésükben is azonosnak kell lenniük. Méreteiket tekintve inkább kisebbek legyenek, és a nagyobb autókba többet kelljen behelyezni, elősegítve a kezelhetőséget, tehát egy modularizált, standardizált rendszer kialakítása elengedhetetlen. Mindezeket a követelményeket összevetve már lehet, hogy jobban járunk, ha az akkumulátorok kapacitásukat tekintve is egyformák. A második a hőtárolós berendezések újbóli csatlakoztatása a hálózathoz nem csak fűtés, hanem hűtés szempontjából is, mint tömegvezérléssel kapcsolható fogyasztó. Ma már sokkal jelentősebb az elektromos hálózat leterheltsége nyáron, mint télen, pedig télen bírna el nagyobb terhelést, így a hőtárolós hűtés fontos szerephez juthat a közeljövőben. Mindkét esetben „hőtárolást” kell megvalósítani, amihez magas fajhőjű nagy tömeg kell, valamilyen hőszigetelt tartályban tárolva. Egyre gyakrabban alkalmazzák a fűtési rendszerekben az etilénglikol vizes oldatát, melynek magas forráspontja (197ºC) a fűtést magasabb hőfokon teszi lehetővé, mintha vizet alkalmaznánk. Azonban az oldat fagyáspontja is jócskán fagypont alatt van (-72ºC), így fagymentesítésre is alkalmazzák. Éppen emiatt alkalmazható hűtési rendszerekben is, és
11. ábra Etilénglikol (kék) és prolilénglikol (piros) vizes oldatainak fagyáspont-töménység grafikonja. [9]
40
lehet a vezérelhető hőtárolós hűtés kulcsa. Sajnos az etilénglikol még oldott formájában is mérgező az emberre. Igaz a halálos dózis relatíve nagy mennyiség, de akkor is mérgező. Egy másik vegyület, a propilénglikol is alkalmas lehet a célra, ami teljesen ártalmatlan. Ez azonban töményen jobb paraméterekkel rendelkezik a feladat számára, mint oldat formájában, így drágább megoldás lehet, és ugyanazt a fagyáspontot sem tudja produkálni, mint az etilénglikol. Az etilénglikol alkalmazásához kiforrott rendszerek állnak rendelkezésre, amit napi rendszerességgel alkalmaznak, így végső soron a mérgező hatása ellenére is úgy gondolom, hogy biztonságosan alkalmazható. Nagyon fontos, hogy az oldatot zárt rendszerbe töltsék, mivel a töménység változására nagyon érzékenyen reagál a fagyáspont változása, a grafikonon is jól látható, hogy meredeken változik a minimum környezetében. A harmadik lehetőség víztározó létesítmények építése és üzembe helyezése. Ez jelenti például az ivóvíz szolgáltatók víztornyainak újraindítását és bővítését is, vagy olcsóbb megoldás a „nyersvíz” tárolása, de elsősorban a gátak és a tározós erőművek jelentenének nagy irányítható teljesítményt nem csak a termelés, de a tározós erőművek esetében fogyasztás terén is. A vízerőművek nem csak biztonságosak, de az energiatermelő létesítmények és készülékek közül magasan a legjobb a hatásfokuk és a környezetbe is elegánsan beilleszthető, mert nincsenek például nagy kéményeik, sem káros anyag kibocsátásuk. A tévhitekkel ellentétben nem kell hozzá nagy esésű folyó, a nagy vízhozamú is ugyanúgy megfelel és Magyarországnak van is egy megfelelően nagy vízhozamú folyója, a Duna. Valamint a tározós erőmű sem jelenti feltétlenül azt, hogy hegy lábánál kell épülnie, egy gát is megfelelően ellátja a feladatot, és a terhelésingadozás úgysem teszi lehetővé, hogy veszélyesen sok víz gyűljön a gát mögé és esetleg áradáshoz, gátszakadáshoz vagy más katasztrófához vezessen. Ebben az esetben az erőműnek jelentősen kisebb a fogyasztása is, mivel nem kell szivattyúkat üzemeltetni, így csak termelési oldalról lehet számottevően vezérelni, de ez nem baj, mert hosszabb időn keresztül és nagyobb teljesítménnyel képes üzemelni. Számos terv készült már országunk számára, de sajnos közülük nem sok valósult meg.
41
10. Gyűjtött adatok körének meghatározása a kisfeszültségű üzemirányításhoz Az üzemirányításnak a kielégítő működéhez nem kell sok mennyiséget mérni, viszont ezekből a mennyiségekből jól kezelhető határokon belül a legnagyobb számú mérésre van szükség az optimalizáláshoz. Smart mérők alkalmazásával az adatgyűjtési problémák részben megoldhatók, azonban a nagyszámú mérő akkora mennyiségű adatot szolgáltathat, hogy további fejlesztések szükségesek az adatok feldolgozásához. Többféleképpen megoldható az adatok kezelésének problémája. Például az informatikai rendszer számítási teljesítményének számottevő bővítésével, hogy az képes legyen az adatokat fogadni, értelmezni. Valamint a tárolókapacitást is bővíteni szükséges a nagy mennyiségű adat és eredmény tárolásához. Egy költséghatékonyabb módszer, hogy nem fogadnak minden adatot, amit a mérők küldenek, pontosabban a mérők nem is küldenének adatokat, csak tárolnák azokat. Ezeknek a tárolt adatoknak a kiolvasásához egy szoftver folyamatosan fut, egyesével olvasná ki az egyes mérőkben tárolt információkat. Ez az eljárás lehetővé tenné adott körzetek vizsgálatát például egy karbantartás vagy beruházás után címzett kiolvasásokkal. Csökkenthető az adatok mennyisége, ha a szabályozáshoz szükséges információkat csak előre meghatározott pontokon lévő smart mérőkből gyűjtjük, hiszen az egymást követő smart mérőkből nyert pl. feszültség információkban jelentős eltérések nincsenek. Hiba esetén történhetnek természetesen speciális lekérdezések, amelyekkel a hiba kiértékelése biztosítható.
42
11. Smart mérés és a kisfeszültségű üzemirányítás A smart mérés olyan valós idejű információkat szolgáltat, amire a kisfeszültségű üzemirányítás kielégítően felépíthető. Üzemelőkészítés során a mérők által küldött, az üzemértékelés által feldolgozott információk alapján a tervek elkészítése. Menetrendet ugyan nem kellene készíteni, de nyomon
kell
követni
a
karbantartások
és
a
beruházások
állapotát
és
figyelembevételükkel a rendelkezésre álló infrastruktúrára a leggazdaságosabb és legjobb minőségű szolgáltatást nyújtó tervet előállítani. Az üzemelőkészítéshez segítséget nyújthat a meteorológiai szolgálat, vagy a hálózaton felszerelt időjárást figyelő érzékelők a háztartási erőművek termelésének és a vezérelt fogyasztók (elsősorban fűtés) fogyasztásának becslésében. A kisfeszültségű üzemirányítás legfontosabb feladatit a 8. és 9. fejezetben leírtak szerint képzeltem el felépíteni. Miszerint: Üzemelőkészítés: optimális hálózati topológia terveinek megalkotása azokban az esetekben, amikor nem áll rendelkezésre a teljes infrastruktúra adatgyűjtés értékelésekből fogyasztói igények becslése Operatív üzemirányítás: folyamatos adatgyűjtés a hálózatról hibahely meghatározás - 8. fejezet pillanatnyi energia-eloszlás fenntartása - 9. fejezet üzemzavarok és azok súlyosbodásának elhárításában való részvétel - 9. fejezet vezérelt fogyasztók felügyelete – 9.fejezet optimális üzemállapot fenntartása Üzemértékelés: gyűjtött adatok archiválása adatszolgáltatás terhelésbecslés vezérelt fogyasztók menetrendjének megalkotása előző napi fogyasztói igények és időjárás előrejelzés alapján
43
12. Feszültség monitoring rendszer szerepének változása kisfeszültségű üzemirányítás esetén „A minőségi villamos energia ellátáshoz feltétlenül szükséges a feszültségminőségi paraméterek pontos definiálása, valamint azok méréssel történő ellenőrzése. Ennek elvégzéséhez állandó mérésekre van szükség. Ez indította el a hosszú idejű feszültség monitoring rendszerrel kapcsolatos fejlesztéseket. A speciális feszültségminőségi paraméterek, amelyek jellemzik a hálózat által biztosított feszültségminőséget, széleskörű állandó mérések segítségével határozhatóak meg pontosan. Amíg a rövid idejű mérések adatait a legtöbb esetben helyileg a mérőműszerben tárolják, és a mérés végén olvassák ki az adatokat, addig az állandó mérésre telepített mérőműszerek esetében az adatok továbbítását is meg kell oldani egy központi adatszerverre. Ennek hatására a mérések sokaságától függően a hálózat különböző szintjeire hatalmas kiolvasandó és feldolgozandó adatmennyiség keletkezik. Gazdasági okokat is figyelembe véve az ilyen jellegű mérések felvetik a minimálisan szükséges mérőműszerek meghatározásának és azok optimális felszerelési helyének kérdését is. A legfőbb feladat tehát az, hogy eredményes mérési sorozatokat végezzünk a hálózat nagy részének lefedése által a lehető legkevesebb mérőműszer alkalmazásával. Fontos elkerülni a redundáns mérési eredményeket, a felesleges információk tárolását, és az információvesztést. A mérőműszerek számának és felszerelési helyének meghatározása nagyban függ a mérési feladattól és a hálózati kialakítástól. A mérési helyek kiválasztásakor figyelembe kell venni a következőket: A hálózati topológia (sugaras vagy hurkolt hálózat) A hálózati impedancia (vonal hossza és típusa) Zavaró források becsatlakozása (ez leginkább a harmonikusok ellenőrzésekor szükséges) Egyedi független forrás nagy energiával (pl.: ipari eszközök) Egyenletesen elosztott zavaró források hasonló jellegzetességekkel (pl.:üzleti és lakossági elektronikák) Abban az esetben, ha optimalizálni tudjuk a mérőműszerek számát és azok felszerelési helyét, felmerül még az adatok feldolgozásának és tárolásának kérdése is. Célszerű optimalizálni a mérendő paraméterek függvényében a mérési rendszert, hogy minél kevesebb adat segítségével megfelelően lehessen minősíteni azokat a paramétereket,
44
melyeket elvárunk a rendszertől. A mérőműszerek pontossága és a megfelelő mérési eljárások alkalmazása elengedhetetlenül fontos szempont a monitoring rendszer készítéséhez. Mivel az elektronika fejlettsége lehetővé teszi, célszerű a mérőműszert úgy megválasztani, hogy a lehető legtöbb paramétert mérje a hálózatról. Jelentős szerepe van a pontosságnak és a műszerek közötti szinkronizáltságnak. Erre azért van nagy szükség, hogy elemzéskor az esetlegesen történt eseményeket időben össze lehessen rendelni.” [10] A feszültség monitoring rendszer egyre fontosabb szerepet tölt be és a kisfeszültségű üzemirányítás egyik alappillére. A rövid időközönként készített feszültségmérésekből sok üzemállapotra lehet következtetni, mint például többletterhelés, zárlat vagy egyéb más jelenségek. „Minden Elosztó végez méréseket a saját hálózatán a tervezésekhez és a problémák felkutatásához. […] A villamos energia ellátásának minőségjavításának érdekében a problémás helyek feltérképezésének felgyorsításához, és az utólagos ellenőrzések elvégzéséhez
is
felhasználhatóak
a
mérési
eredmények.
A
mérési
pontok
meghatározása, a mérési időtartamok, valamint a mérés ismétlődése befolyásolja az eredményeket. Ezért az egységes mérések eléréséhez az alapokat egységesíteni szükséges. A kisfeszültségű mérések esetében számos olyan esemény kerül regisztrálásra, amely középfeszültségen nem mérhető, de a kisfeszültségű felhasználók részére nem megfelelő feszültségminőséget eredményeznek. Valamint számos olyan feszültségminőségi paraméter van, amelyet elegendő középfeszültségen megmérni. Mindezek alapján meg kell húzni a határt, hogy a mérések mely feszültségszinten hány darab mérőeszközzel történjenek. Ami a zavarforrás behatárolását illeti, számos esetben szükséges a leágazás áramfelvételének mérése is, amely nagymértékben megdrágítaná a rendszert. A MEH javasolja a kombinált (áram mérésre is alkalmas) feszültségminőség mérők alkalmazását, de egyelőre elegendőnek látjuk egy tisztán feszültségminőség mérésre alkalmas rendszer kialakítását, amely 1-2%-os pontossággal tükrözi a hálózati viszonyokat. A mérések során keletkező adatok sokasága elsőre sok feleslegesnek tűnő információnak látszik, nem minden adat kerül feldolgozásra. A jelenlegi adattárolási lehetőségeknek köszönhetően, a nagy adatmennyiség tárolása azonban megoldható, ezáltal lehetőség nyílik a későbbiekben bármilyen jellegű adatfeldolgozásra.” [10] Természetesen a jelenlegi KIF monitoring rendszer hátránya, hogy a mérőket folyamatosan át kell szerelni. Ezért lenne jelentős előrelépés, ha a jelenlegi műszerek helyett a mérést a smart mérőkkel oldanánk meg. Így a fix telepítés csökkentené az
45
átszerelések költségét és kiküszöbölné azt a problémát is, hogy a monitoring rendszer nem biztos, hogy minden feszültségproblémát képes észlelni, hiszen nem folyamatosan méri az adott pontot, csak egy meghatározott időtartamban, általában 8 napig. Emiatt gyakran előfordul, hogy az a hiba, amire a fogyasztó panaszt tett, már soha többé nem jelentkezik a hálózaton, így mire oda a mérőegységeket telepítik, az eredményeken az már nem lesz látható. Természetesen smart mérők alkalmazása esetén érdemes megvizsgálni, hogy valóban minden fogyasztói csatlakozási ponton kell e minden feszültség minőségi paramétert mérni? A flikker, vagy a felharmonikus tartalom, illetve az aszimmetria mérése megkérdőjelezhető. Flikker, illetve felharmonikus szennyezés kevés körzetben fordul elő, így ennek mérése mindenhol indokolatlan és felelsegesen drágítaná meg a smart mérőket, amelyek alapvetően nem a feszültség minőség mérésére készültek. Feleslegesen növelné a tároló kapacitásukat is. Az aszimmetria kérdése pedig kisfeszültségen, ahol a fogyasztók jelentős része egyfázisú, magából a vételezési szokásokból származik. Ha a Hálózati engedélyes csatlakoztatáskor igyekszik is az egyenletes fáziselosztásra törekedni, a fogyasztók különböző időben történő vételezése mégis okozhatja az aszimmetriát. Véleményem szerint egy smart mérős monitoring esetén fogyasztói panasz, vagy egyéb információk rendelkezésre állása esetén rendelhető el egy regiszteres mérés, amely ezeket a paramétereket is képes lenne mérni. Smart mérős rendszer kialakítása esetén megoldott a mérések időnkénti hitelesítése is, hiszen a mérők TMK cseréjével ez megoldott lenne, ellentétben a mai megoldással, ahol a regiszterek időszakos hitelesítése a szolgáltató feladata és tapasztalatom szerint itt még vannak hiányosságok.
46
13. A „micro grid” esettanulmány 13.1. Számítás Az elmélet visszaigazolásának kézenfekvő eszköze a számítógépes szimuláció. A szimulálásához szükségem volt egy hálózatra, így egy egyszerű, elméleti hálózatot rajzoltam (12. ábra), majd a tanult eljárás szerint méreteztem feszültségesésre. A hálózaton egymástól 30 m-re vannak az oszlopok, és oszloponként egy maximum 32 A felvételére képes háromfázisú fogyasztó van.
12. ábra Egyszerű háromfázisú hálózat egyvonalas rajza a számításhoz.
(1) (2) (3) (4)
47
(5) [11] (6)
(7) (8)
(9) (10)
(11) (12)
(13) (14)
(15) (16)
(17) (18)
(19) (20)
(21) (22)
48
(23) (24) A számítások során kapott keresztmetszetek alapján a következő képlettel: (25) kiszámolható az egyes vezetékszakaszok ellenállása, ami a következő képen látható (13. ábra) minden egyes szakaszra.
13. ábra A méretezés eredményeiből számított vezető ellenállások.
49
A számítás során eredményül kapott keresztmetszeteket táblázat alapján ellenőriztem, hogy megfelel-e melegedés szempontjából. Az oszlopokon vezetett szabadvezeték a „C” kategóriába tartozik, valamint alumínium. A táblázatból megállapítottam, hogy a számított keresztmetszetek melegedés szempontjából is megfelelnek.
14. ábra Vezetékek megengedett terhelhetősége. [12]
50
13.2 Szimuláció A számítások során kapott paraméterek alapján felépítettem a szimulációt. A következő képen (15. ábra) az összeállított kapcsolás egy részlete látható, a vezetékek ellenállásaiból épül fel a hálózat. Itt már a fogyasztók is csatlakoznak a hálózatra kapcsolókon keresztül, amelyek azért nem látszanak, mert túl nagy lenne a kép. A teljes kapcsolás a 1. mellékletben látható. A fogyasztókat is ellenállásokkal helyettesítettem úgy, hogy fázisonként 6, 10, illetve 16 ampert vegyenek fel. A kapcsolókra azért volt szükség, hogy a szimuláció futása közben is legyen lehetőség változtatni a hálózat terhelését. A hálózat elején látható mindhárom fázisban egy-egy 264,5 mΩ-os ellenállás. Ezek állítják be a táppont teljesítményét, ami így 600 kVA. Pontosan ekkora teljesítményű transzformátorok jelenleg is üzemelnek a kisfeszültségű hálózatokon.
15. ábra A számításokból kapott ellenállásokból felépülő hálózat a szimulációs programban.
51
16. ábra A hálózat feszültsége terheletlen állapotban.
17. ábra A hálózat feszültsége normál állapotban.
52
Amennyiben az átlagos, normál terhelés mellett jelentkezik a többlettermelés, nincs jelentős hatása, sőt nagyobb terhelés mellett, ha nincs lehetőség a transzformátor fokozatkapcsolására, akkor megközelítőleg helyreállítja a hálózat feszültségét, de ilyen csak nagyon ritkán fordul elő, így nem is ez az állapot okozza az alapvető problémát (18. ábra).
18. ábra Terhelés melletti HMKE bekapcsolás.
A problémát az az üzemállapot jelenti, ami a nappali órákban lép fel, vagyis a napelemek legmagasabb termelésüket nyújtják, de a lakosság jelentős része nem tartózkodik a lakásában, így a körzeten belül nincs fogyasztó, aki feleméssze az elsősorban a napelemekből származó többlet energiát (19. ábra). Még rosszabb a helyzet akkor, ha a transzformátor fokozatkapcsolása nem automatikus vagy távolról vezérelhető, hanem csak manuálisan lehetséges. Ebben az esetben, ha nem állnak rendelkezésre mérésadat továbbítására és jelzésküldésre alkalmas műszerek a hálózaton, még rosszabb állapot is felléphet (20. ábra). A szimuláció nem közelíti pontosan a valóságot, de a probléma lényege jól látható segítségével.
53
19.ábra Elhanyagolható terhelés melletti HMKE bekapcsolás.
20. ábra +3%-os transzformátor megcsapolás melletti HMKE bekapcsolás.
54
13.3. Konklúzió Napjainkban a háztartási méretű kis erőművek nincsenek akkora számban elterjedve, hogy ez számottevő méretű torzulást okozzon a hálózaton. Azonban a technológia napról-napra olcsóbb, és támogatások is igénybe vehetőek a telepítésre, így a jövőben komoly problémát okozhatnak. A feszültségemelkedés oka az, hogy az inverterek csak akkor képesek energia betáplálására, ha a feszültségük magasabb, mint a hálózat feszültsége, mivel ha azonos lenne, nem folyna áram a hálózat felé. A Garantált Szolgáltatások 9. pontja szerint az inverterek a névleges feszültség 8,5%-ával tarthatnak magasabb
feszültséget.
Ez
elhanyagolható
kerekítéssel
20V.
A
fellépő
feszültségemelkedés nem káros, és még a szabványos tartományban is benne van, azonban fölösleges túlterhelést jelent az elosztó és fogyasztó berendezések szigetelésére, valamint a P=U2/R törvénynek megfelelően a fogyasztói eszközök jelentős hányada fölöslegesen többletenergiát fog vételezni a hálózatról. Így ez a jelenség nem csak a berendezések elöregedését tekintve, de gazdaságossági viszonylatban is problémát jelent. Az eljárás röviden a terhelésingadozás kiegyenlítését talán a legolcsóbban, mindemellett kielégítő pontossággal kezeli.
55
Összefoglaló Az előbbiekben meglehetősen tömören írtam le, hogy a kisfeszültségű hálózatra kiterjesztett üzemirányítás milyen lehetőségeket tár fel a hálózati engedélyesek előtt és milyen
új
feladatokkal
jár.
elsősorban
Ezek
az
hibaérzékelés
és
a
teljesítménykiegyenlítés mind termelési, mind fogyasztási oldalról való vezérlése, illetve ezek gyorsítása, pontosítása és optimalizálása. Arra nem számítok, hogy a dolgozatom vagy a szimulációk alapján máris egy új hálózat létesülne, de a közeljövőben mindenképpen kialakul egy hasonló rendszer az említett változások következtében
jelentkező
„hiányosságok”
miatt.
Az
elmélet
megvalósulását
megakadályozni nem lehet, mert a legkisebb befektetéssel a legnagyobb fejlődést garantálja. Ugyanis ezeket a „hiányosságokat” csak a hálózat drága elemeinek költséges szerelése során, még drágább elemekre történő cseréjével lehetne megvalósítani, ami a rongálásokat figyelembe véve hátrányos megoldást jelentene. Minden pozitív érv a „smart metering” és a „micro grid” kialakítása mellett szól. A módszer megvalósításával a jövőben egy jobb, minőségileg kifinomultabb hálózat állhat majd a hálózati engedélyesek és a fogyasztók szolgálatában ami javíthatja a szolgáltatás minőségi paramétereket, a MEH mutatókat.
56
Summary In this final work I wrote quite concisely about the new possibilities and new tasks of the owners of electric grid: what do they have to do by the extension of the grid control on the low voltage grid. These primary tasks are the detection of grid failures and the power distribution on the side of the power generators and consumers too, and acceleration, optimization of them at a more accurate level. Further, while such a network does not exist, I find it useful to run simulations and examine the work of a grid with the new control. Running simulations can serve many useful results. Many faults of a theory can be explored by a simulation software, but a lot of further developments and expansion possibilities are uncovered. I do not expect that based on my thesis or simulation a new system will be established, but in the close future a similar system will be developed due to changes and eliminating its deficiencies. The realization of the theory can not be prevented because the minimum investment guarantees the most progress. These deficiencies can be solved by change of the expensive parts of the grid to more expensive items, and considering the vandalism it is a detrimental solution. All positive arguments favors the development of smart metering and micro grid. By the implementation of this method in the future a better grid can serve the owners and the customers.
57
Irodalomjegyzék 1. ÉMÁSZ Hálózati Kft. Hálózati Stratégiai osztály Orlay Imre Smart grid hatása a fogyasztói zavartatás csökkentésére és ennek lehetséges fejlesztési stratégiája 2012 2. Smart Grid Az okos hálózatok jövőképének kialakítása és elemzése, az ELMŰ Társaságcsoportra gyakorolt hatásának bemutatása Budapest, 2010. 11. 26. 3. Magyar Elektrotechnikai Egyesület: Alap szakmai kompetenciák a villanyszerelő szakképzésre ráépülő szakképzésekhez 2013 4. 55. Vándorgyűlés Eger 2008.09.9-12. Csank András: Távműködtetés megvalósítása az ELMŰ-ÉMÁSZ elosztóhálózatán, a MEH mutatók javítása érdekében 5. Üzemi Szabályzat 3. számú módosított változat - MAVIR 6. Magyar Energia Hivatal ÉRTÉKELÉS a villamos energia elosztói engedélyesek (elosztók) „Garantált Szolgáltatások”-hoz kapcsolódó 2012. évi tevékenységéről. 2013. június 26. 7. ÉMÁSZ Hálózati Kft. EÉGIS hálózat nyilvántartó rendszer 2015 8. A Fóti Élhető Jövő Park kisfeszültségű hálózati szimulátora MEE Vándorgyűlés 2015.09.17. Kertész Dávid – ELMŰ Nyrt. Sasvári Gergely – ELMŰ Nyrt. 9. http://www.samato.hu/wp-content/uploads/2014/08/fagyasai-diagram1e1408085072791.jpg 10. Magyar Energia Hivatal ES-891/9/2008. Szakmai ajánlás az egységes villamos energia feszültség minőség monitoring rendszer kialakítására Budapest, 2008. április 11. Villamosenergia-ellátás III – Dr. Borsody Zoltán – 2015: saját, kézzel írott előadás jegyzetem 12. Villamos művek 3. KISFESZÜLTSÉGŰ VEZETÉKEK MÉRETEZÉSE http://digita.uw.hu/VillM/muvek_02.pdf 2015.11.27.
58
Melléklet 1. A szimuláció kapcsolási rajza
59
