Janitza.cz

Janitza Electronics se zabývá vývojem a výrobou energeticky úsporných systémů. Je výrobcem digitálních měřidel, systémů SEMS, univerzálních multimetrů, regulátorů jalového výkonu, systémů pro řízení spotřeby, ¼ hodinového maxima a dalších přístrojů nejvyšší kvality.

KBH.cz

Společnost KBH vyrábí, dodává a instaluje komponenty pro kompenzaci jalového výkonu. Zákazníky jsou elektromontážní firmy, výrobci rozvaděčů, projektanti, velkoobchody a velkoodběratelé elektrické energie. Společnost nabízí kvalitní komponenty a služby za velice příznivé ceny.

19. září 2008, Autor: varner
Nezařazené články

Spolehlivost dodávek el. energie

Spolehlivost dodávek elektrické energie konečným zákazníkům

Abstract

Deregulation is on one hand seen as potentially leading to reduced reliability. On other hand deregulation is often mentioned as one of the reasons for the increased interest in reliability. This apparent contradiction can be explained if deregulation is seen as a way of giving a bigger choice to the customers. The customers not only decide about the price of the commodity but also about its reliability, leading to a trade-off between reliability and cost. This trade-off could lead to a lower, equal or higher reliability than in the regulated structure.

Pojmem spolehlivost rozumíme obecnou vlastnost objektu spočívající ve schopnosti plnit požadované funkce při zachování hodnot stanovených provozních ukazatelů v daných mezích a v čase podle stanovených technických podmínek. V našem případě můžeme spolehlivostí obecně rozumět nepřerušenou dodávku elektrické energie zákazníkům, tedy že je elektrická energie dostupná v každém okamžiku. Přestože můžeme konstatovat, že 99,9 % spolehlivost systému je výborná, znamená to každoročně určitou dobu bez dodávky elektrické energie. Spolehlivost dodávky je zajišťována všemi částmi elektrizační soustavy od výroby, přenosu až po dodávku konečným zákazníkům na úrovni distribučních soustav.

Základní pojmy
Mezi důležité pojmy ve spolehlivostních analýzách patří „porucha“, „výpadek“ a „přerušení“. Tyto často používané pojmy jsou někdy zaměňovány, a proto je důležité si uvědomit co v sobě zahrnují.
Poruchou nazýváme stav zařízení nebo systému, kdy neplní funkce k tomu účelu, ke kterému byl vyroben.
Výpadek – odstranění určité komponenty ze systému, například výpadek transformátoru, výpadek vedení, nemusí nutně vést k přerušení dodávky el. energie.
Přerušení – situace, ve které zákazníkovi není dodávána elektřina kvůli jednomu nebo více výpadkům v zásobování.
To je i důvod proč mnoho lidí považuje význam těchto slov za zaměnitelný.
Přesto správné pochopení těchto významů je důležité pro návrh systémů k dosažení vyšší spolehlivosti. Rozdíl mezi výpadkem (příčina) a přerušením (výsledek) je totiž velmi zásadní.
Mezi další důležité pojmy patří:
doba výpadku nebo přerušení, intenzita poruch, pravděpodobnost poruchy, střední doby do poruchy nebo do opravy, výpadek (nucený nebo plánovaný), pravděpodobnost bezporuchového provozu aj.
Do tohoto výčtu dále vstupuje důležitá otázka, jaké množství zákazníků nebo jakou část spotřeby postihne výpadek určitého zařízení nebo jeho části. To je potom klíč k pochopení vztahu mezi výpadkem a přerušením.
Mluvíme-li o zásobování konečných zákazníků, musíme si také uvědomit, že přerušení dodávky závisí i na připojení odběratelů k síti, protože mnoho zákazníků je připojen pomocí paprskovitých rozvodů, což znamená, že jediná porucha v kterémkoli zařízení na tomto rozvodu může způsobit přerušení dodávky všem odběratelům od tohoto místa dále.
Pokles napětí:
Mnoho spotřebitelů informuje o krátkých přerušeních v dodávce el. energie. Tato krátkodobá přerušení jsou způsobována poklesy napětí, která mohou vzniknout např. zkratem na vedení. Přestože tyto poklesy napětí trvají řádově mikrosekundy až jednotky sekund, mohou způsobit restartování počítačů, přerušení práce automatizovaných systémů nebo jiných digitálních zařízení.
Proto můžeme tento bod považovat za stejně důležitý jako jsou přerušení v dodávce el. energie v důsledku výpadku určité komponenty ze systému.

Základní početní metody ve výpočtu spolehlivosti
Existuje hodně těchto metod a proto si zde dovolíme shrnout alespoň základní metody a jejich charakteristiku.
Metoda „síťového modelu“ je nejjednodušší dostupná metoda. Používá se pro modely používající exponenciální rozdělení, které je určeno jedním parametrem – intenzitou poruch λ. Parametr rozdělení: λ > 0, čas t ≥ 0


Průběhy veličin R (t), Q (t), λ (t), f (t) jsou znázorněny na obr. 1. a obr. 2. Výhodou použití exponenciálního rozdělení je jednoduchost výpočetních prostředků pro výpočet a poměrně snadné získávání údajů o bezporuchovosti zařízení, vyjádřené konstantní intenzitou poruch i u složitějších soustav.

Obr. 1 Průběh R(t), Q(t) Obr. 2 Průběh λ (t), f (t)


Navzdory těmto omezením zůstává nejvíce používanou metodou. Další metody jsou sice přesnější, ale realizace výpočtu není už tak jednoduchá. Omezení, jako výkon počítače, doba výpočtu a použitá data způsobují, že dostáváme podobné závěry jako při použití tohoto síťového modelu.
Metoda „Markových řetězců“ je metoda, která nedává omezení celému systému, ale pouze prvku tohoto systému. Každý přechod tohoto prvku potřebuje být popsán expo- Spolehlivost dodávek elektrické energie konečným zákazníkům nenciálním rozdělením a je nezávislý na předchozím stavu. Za těchto předpokladů je možné popsat celý systém prostřednictvím velkého množství stavů, a to jen přechody v exponenciálním rozdělením. Potom můžeme analyticky vypočítat pravděpodobnost stavu, dobu trvání, a frekvence přechodů. Přesné výsledky získáme invertováním n-rozměrné matice, kde n se rovná počtu stavů systému. Hlavní omezení této metody je omezeno exponenciálním rozdělením. Tzv. polo-Markovy řetězce umožňují použití neexponenciálního rozdělení ve výpočtu. Tak zvané Weibull-Markovy řetězce umožní použití všestranného exponenciálního rozdělení: tzv. „Weibullovo rozdělení“. Toto rozdělení je určeno dvěma parametry rozdělení m > 0, t0 > 0, čas t ≥ 0


Průběh tohoto rozdělení závisí na hodnotě parametru m. Pro 0 < m < 1 je intenzita poruch Weibullova rozdělení klesající, pro m = 1 je intenzita poruch konstantní (přechod v rozdělení exponenciální), pro 1 < m < 2 je intenzita poruch rostoucí. Pro m = 2 přechází rozdělení v rozdělení Rayleighovo. Parametry m a to pro Weibullovo rozdělení jsou získávány statickými šetřeními na jednotlivých zařízeních.
Simulace „Monte-Carlo“ neprovádí analytické výpočty, ale místo toho uvažuje stochastické chování systému. Základní myšlenka spočívá v nalezení souvislostí mezi veličinami, které jsou řešením zkoumaného problému a charakteristikami náhodných procesů. Při použití metody Monte-Carlo dostáváme hodnoty, jež jsou řešením daného problému pomocí umělé realizace náhodných procesů, jež jsou konstruovány tak, aby jejich statistiky (např. střední hodnota) byly hledanými hodnotami a nebo se na ně daly transformovat. Jediným čím jsme omezeni je výkon počítače a používaná data. „Teorie obnovy“ je soubor matematických technik umožňujících analyticky počítat s prvky bez popsání nějakým rozdělením. Výsledkem je poměrně složitý výraz, proto můžeme studovat jen jednoduché systémy.

Indexy spolehlivosti
Protože je spolehlivost významným činitelem v návrhu nejenom distribučních soustav, je důležité znát jak spolehlivost daného systému změřit, zjistit či ohodnotit a podle toho nastavit cíle. Existuje velké množství indexů spolehlivosti lišící se např. tím zda zjišťujeme četnost přerušení, nebo jenom dobu, po kterou došlo k přerušení zásobování. Jiné indexy se zase snaží zkombinovat obojí do jednorozměrné hodnoty, což bývá ale poměrně obtížné.
Dalším důležitým problémem je jak souvisí četnost přerušení a doba jejich trvání. Např. si můžeme položit otázku zda jsou dvě hodinová přerušení porovnatelná s jedním dvouhodinovým nebo zda je jedno horší než druhé? Pravda asi není ani na jedné straně, protože každý zákazník může tyto dvě situace vnímat jinak a určitě záleží i na tom, k čemu elektrickou energii využívá, jak bude uvedeno později.
Množství nedodané energie je dalším faktorem, který se nesmí opomenout. Indexy jsou založeny na sledování přerušení po určitou sledovanou dobu, obvykle za předcházející měsíc nebo rok.
V ČR se touto oblastí zabývá vyhláška č. 306 Energetického regulačního úřadu (v současné době prochází novelizací), kterou se stanoví kvalita dodávek elektřiny a souvisejících služeb v elektroenergetice.
Důležitým bodem je §3/odst. 5 (platné vyhlášky), kde se přerušením dodávky rozumí „…každé poruchové, plánované nebo vynucené přerušení dodávky elektřiny po dobu delší než 3 minuty, tedy dlouhodobá přerušení dodávky elektřiny podle zvláštního právního předpisu, bez ohledu na to, zda příčina vzniku přerušení dodávky elektřiny byla v zařízení provozovatele přenosové soustavy nebo v zařízení provozovatele distribuční soustavy nebo mimo tuto soustavu, v přenosové soustavě nebo v distribuční soustavě jiného provozovatele…“.
Vidíme zde tedy, že události kratší než 3 minuty se nesledují, protože tyto jevy patří ve smyslu ČSN EN 50160 do oblasti elektromagnetické kompatibility (EMC). Vrátíme-li se však zpět, návrh novelizace této vyhlášky definuje v §16 obecné standardy kvality dodávek elektřiny a souvisejících služeb sloužící k porovnání výkonnosti provozovatele přenosové soustavy nebo provozovatelů distribučních soustav.
Návrh §16 novely této vyhlášky zní takto:
Standard plynulosti dodávek elektřiny
(1) Standardem plynulosti dodávek elektřiny je dodávka elektřiny splňující ukazatele stanovené Úřadem, kterými jsou
a) četnost přerušení dodávek elektřiny daná počtem přerušení dodávek elektřiny za kalendářní rok,
b) souhrnná doba trvání všech přerušení dodávek elektřiny v minutách za kalendářní rok,
c) průměrná doba trvání jednoho přerušení dodávky elektřiny v minutách za kalendářní rok.
(2) Standard není příslušným provozovatelem přenosové nebo distribuční soustavy dodržen, dosáhne-li provozovatel nebo distribuční soustavy za kalendářní rok při dodávkách elektřiny vyšších hodnot ukazatelů, než jsou hodnoty ukazatelů stanovené Úřadem.
Podle přílohy č. 3 novelizace této vyhlášky je metodika výpočtu ukazatelů plynulosti dodávek elektřiny, vyjmenovaných v §16, takto:
Doba trvání i-tého přerušení dodávky elektřiny

Doba trvání j-tého přerušení dodávky elektřiny může dána součtem normované doby manipulace a doby do rozhodnutí o manipulaci

Souhrnná doba přerušení dodávky elektřiny je součtem všech dob trvání přerušení dodávek elektřiny ve všech rozvodnách provozovatele přenosové, distribuční soustavy za kalendářní rok

Průměrná doba přerušení dodávky elektřiny za kalendářní rok

Počet přerušení dodávek elektřiny za období vztažený na jeden transformátor (s výjimkou vazebních transformátorů 400/220 kV).

Výše uvedené číslování paragrafů bylo převzato z návrhu novely vyhlášky ERU č. 306/2001, proto nemusí přesně odpovídat číslování dosud platné vyhlášky. Výše popsané body však svým charakterem odpovídají platné vyhlášce.
V USA a Kanadě jsou užívány indexy spolehlivosti dodávky elektrické energie, které také nepoužívají ke svému stanovení velikost dodávky, a odpovídají svým charakterem ukazatelům spolehlivosti užívaných v ČR.
Tyto indexy jsou:
– SAIFI, CAIFI: sledují četnost přerušení
– SAIDI, CTAIDI: sledují dobu trvání

Index průměrné četnosti přerušení dodávky (SAIFI – System Average Interruption Frequency Index) je průměrný počet přerušení vztažený k celkovému počtu odběratelů během sledované doby.

Index průměrné četnosti přerušení dodávky zákazníkům (CAIFI – Customer Average Interruption Frequency Index) je průměrný počet přerušení vztažený k počtu odběratelů, které přerušení dodávky postihlo během sledované doby.

Index průměrné doby přerušení dodávky (SAIDI – System Average Interruption Duration Index) je průměrná doba přerušení vztažená k celkovému počtu odběratelů během sledované doby.

Index celkové doby přerušení dodávky zákazníkům (CTAIDI – Customer Total Average Interruption Duration Index) je průměrná celková doba všech přerušení vztažená k počtu odběratelů, které přerušení dodávky postihlo během sledované doby.

Existují i další indexy, ale tyto jsou nejpoužívanější a proto zde jsou zmíněny.

Analýza a použití indexů:
Spolehlivostní indexy jsou používány k ohodnocení uplynulého období a ke zjištění trendů a zákonitostí z toho vyplývajících. To nám pomůže zjistit jaké se vyskytují problémy v systému a také jak a kde můžeme spolehlivost zlepšit.
V ČR slouží tyto indexy nejenom k vyhodnocení spolehlivosti a plynulosti dodávky elektřiny zákazníkům z přenosové a distribuční soustavy z hlediska ERU, ale také k vlastnímu ohodnocení ze strany provozovatelů příslušných soustav a vyvozením patřičných opatření ke zlepšení spolehlivosti.

Spolehlivostní náklady
Při odběru elektrické energie požaduje zákazník, aby dostal elektrickou energii v požadovaném množství a kvalitě. Přesto hlavním rozhodovacím činitelem od koho elektřinu koupí zůstává pro odběratele cena elektrické energie. Tato závislost se dá dobře znázornit na třírozměrném grafu.


V době vertikálně-integrovaného monopolu byl tento graf dvourozměrný, cena za odebranou energii závisela z větši části pouze na odebraném množství. Otevřený trh s elektrickou energií ukazuje, že se odběratelé začínají rozdělovat do více táborů podle toho zda si jsou ochotni připlatit za zajištění vyšší spolehlivosti dodávky (jak úpravami na straně dodavatele, tak i na straně odběratele – bude ukázáno dále), respektují standardní spolehlivost či jsou ochotni obětovat na úkor spolehlivosti nižší zabezpečenost dodávky elektrické energie, ale v tom případě požadují nižší cenu. Tak se spolehlivost, v rámci parametru kvalita, stává klíčovým rozhodovacím faktorem.
Tento rozhodovací proces můžeme graficky znázornit pomocí „hřebenu“, kde jednotlivé zuby hřebenu znázorňují různé skupiny zákazníků a jejich ochotu platit za vyšší spolehlivost, tedy i kvalitu dodávky.

Rozdělení zákazníků
Podíváme-li se zpět do vertikálně-integrovaného systému můžeme vidět, že výrobce a zároveň dodavatel nenabízel službu „spolehlivost“ jako komoditu, která by ovlivňovala výslednou cenu elektřiny. Byl zde dispečerský řád, který zajišťoval podle zavedených standardů určitý stupeň zabezpečenosti spolehlivosti. To znamenalo, že všichni zákazníci bez rozdílu, měli stejnou měrou spolehlivost zaručenu.
Jak už bylo podotknuto, otevřený trh, kde jednotliví dodavatelé soutěží o své umístění na trhu, dává i jim možnost rozhodovat se o tom jaké budou poskytovat nabídky. Např. jeden dodavatel má mezi svými odběrateli zákazníka, který požaduje vyšší spolehlivost, a tak se rozhodne, že za zvýšenou cenu bude poskytovat záruku nepřerušené dodávky elektrické energie, na druhou stranu jiný dodavatel má odběratele, kteří preferují nižší cenu, a v tomto případě jim udělá nabídku, kdy investuje menší prostředky do záložních zdrojů, a tím sice bude nižší cena elektrické energie, ale už nebude zaručena 100 procentní spolehlivost dodání elektrické energie.
Činitel, který z větší části rozhodne o tom, do jaké kategorie se odběratel zařadí jsou náklady vzniklé přerušením dodávky. Pro lepší představu budou následovat příklady čtyř odběratelů (válcovna trub, kancelář, výrobna plastů a domácnosti),  na kterých bude demonstrován tento problém.
a) Válcovna trub - Po přerušení dodávky (nezáleží na době přerušení) musí být všechna zařízení očištěna od materiálu, ovládací prvky musí být restartovány a celý proces spuštěn znova. Zde tedy nejsme limitováni jenom dobou přerušení, ale také dobou, do které je výroba znovu uvedena do provozu. Právě doba uvedení do provozu je faktorem, který v tomto případě rozhoduje a ovlivňuje náklady vzniklé nedodáním elektrické energie.
b) Kancelář - V tomto případě dojde v okamžiku přerušení ke ztrátě dat, což se dá přirovnat k hodinové práci, po kterou byla tato data do počítače vkládána.
c) Výrobna plastů - Zde dochází k velkým škodám a nákladům na obnovení provozu. Roztavený materiál a příměsi po přerušení dodávky začínají chladnout, a obnovení provozu může být otázka celého dne, po který se musí čistit usazeniny a odstranit ztvrdlý materiál.
d) Domácnosti - Zde se škody moc nedají spočítat, spíše se jedná o uspokojení životních potřeb – vypnutí počítače, televize, přednastavení digitálních hodin.
Následující obrázek ukazuje podíl odběratelů na dodané elektrické energii v ČR v roce 2002.

V právě uvedených bodech byly uvedeny příklady odběratelů elektrické energie a dopady na jejich činnost v případě přerušení dodávky. V následujícím odstavci budou proto shrnuty možné postupy jak zamezit těmto případům jak ze strany dodavatele tak i ze strany odběratele.

Výstavba decentralizovaných zdrojů energie
Jedním z možných řešení zlepšení spolehlivosti na straně dodavatele, v tomto případě provozovatele distribuční soustavy, je výstavba decentralizovaných zdrojů do vzdálených míst spotřeby, např. do míst která jsou napájena paprskovitými rozvody, a kde mohou jednak pomáhat s výrobou elektřiny v časech kdy je očekáváno špičkové zatížení nebo mohou sloužit jako záložní zdroje pro případ výpadku.
Následující obrázek ukazuje možnosti použití decentralizované výroby v distribučních soustavách.

Obrázek ukazuje i jaké druhy decentralizovaných zdrojů můžeme použít. Jsou to např. dieselové agregáty, obnovitelné zdroje (větrná, vodní, fotovoltaická elektrárna) a další zdroje. Mluvíme-li o decentralizovaných zdrojích jedná se většinou o zdroje do výkonu desítek kW.
Můžeme říct, že decentralizované zdroje nabízí velkou užitnou hodnotu, protože poskytuje flexibilní cestu, jak si vybrat ze široké možnosti kombinací náklady-spolehlivost.

Akumulace energie
Aby byla ještě dále zvýšena spolehlivost decentralizovaných zdrojů, dají se použít zařízení umožňující akumulaci vyrobené energie z těchto zdrojů. Můžeme shrnout tři důvody proč používat akumulační zařízení.
– stabilizační účely
– využití energie v době, kdy decentralizovaný zdroj nemůže vyrábět el. energii, např. v noci za fotovoltaickou elektrárnu
– záložní zdroj pro případ poruchy zdroje
Jako záložní zdroje se dají použít chemické, elektrické nebo fyzikální systémy. Jsou to např. baterie různých typů (Ni-Mh, Ni-Ca aj.), supravodivé magnetické cívky, různé pumpy a kompresorové stanice.
Existuje velmi mnoho typů zařízení sloužících k akumulaci elektrické energie. O tom, které zařízení použijeme, se rozhoduje podle místních podmínek, financí, které jsou k dispozici a doby, po kterou má dané zařízení poskytovat elektrickou energii.

Zařízení používaná odběratelem na zabezpečení kvality odebírané el. energie
Jak už bylo napsáno výše každý odběratel má jiné nároky na kvalitu, tedy i spolehlivost dodané elektřiny. Přestože se však bude dodavatel přizpůsobovat většině odběratelů, existují určité způsoby na straně zákazníka jak se zabezpečit pro případ přerušení dodávky, poklesům napětí a dalším nepříznivým vlivům. Jsou to tedy zařízení zamezující výše uvedeným jevům, např. jsou to:
kompenzační zařízení
přepínače mezi zdroji (mechanické nebo automatické přepínače sloužící k přepnutí k alternativnímu zdroji elektrické energie v případě přerušení dodávky)
statické regulátory napětí (regulační transformátory)
akumulační zdroje energie (baterie, kapacitory, supravodivé magnety nebo setrvačníky a UPS. Tyto zařízení můžeme dále rozdělit na stále připojená (např. UPS – viz. Obr. 3) nebo nepřipojená, která se připojují jen v případě potřeby. Z větší části se jedná o zařízení podobná těm, které byly popsány v předchozí kapitole.


Kompenzace vyšších harmonických (V případě nesymetrického zatížení dochází k projevování vyšších harmonických, které se musí odstranit).
Existuje velmi mnoho zařízení, které zákazník může použít. Záleží však na konkrétním problému a jako vždy na ceně, kterou za tato opatření chce zaplatit.

Závěr
Liberalizace trhu s elektrickou energií s sebou přinesla nové pohledy na oblast věnovanou spolehlivosti. V době vertikálně- integrovaného systému nebyla otázka spolehlivosti považována za přehnaně důležitou. Spolehlivost byla stanovena určitými parametry, které byly dány např. v dispečerském řádu a které musely být splněny, a teprve s otevřením trhu se tato otázka dostává do popředí. Je to dáno hlavně větším počtem „hráčů“ na trhu, kteří mohou ovlivňovat jednotlivé segmenty trhu a tím i výslednou cenu elektrické energie.
Záleží potom už jen na zákazníkovi jak se k tomuto problému postaví, zda náklady vynaložené na nákup elektřiny a zabezpečení jejího nepřerušení, se mu vrátí v podobě zisků na straně druhé, nebo jestli bude požadovat nižší cenu a tím i brát v úvahu určitou možnost přerušení dodávky el. energie. Právě proto jsou v dnešní době spolehlivostní výpočty a ohodnocení těchto výpočtů důležitým měřítkem na trhu s elektrickou energií.

Prof. Ing. Jiří Tůma, DrSc., tuma@feld.cvut.cz
Ing. Igor Chemišinec, i.chemisinec@seznam.cz

Seznam použité literatury
[1] Willis H., Scott W.: Distributed Power Generation. New York 2000. ISBN 0-8247-0336-7
[2] Transmission & Distribution World, March 2003, Vol. 55, No. 3, A PRIMEDIA Publication
[3] Vyhláška č. 306 ERU – Sbírka zákonů, částka 117, ze dne 30.8.2001
[4] Návrh novely vyhlášky č. 306

Sdílet

Komentáře

Najdete nás na Facebooku
Odběr novinek
Server CESKAENERGETIKA.cz
Česká Energetika s.r.o. a Česká energetická asociace provozují portál www.ceskaenergetika.cz, vydávají dva časopiy z oblasti energetiky a OZE, pořádají na tato témata semináře a konference pro laickou i odbornou veřejnost.
Důležité odkazy
Spolupracujeme
Najdete nás také na
Portál www.ceskaenergetika.cz © 2011 pohání redakční systém MultiCMS. Grafické zpracování Cossi Design.