Technologie

Zabezpieczenia póładaptacyjne podczęstotliwościowe i póładaptacyjna automatyka SCO

Streszczenie

Nadal w KSE dominują tradycyjne rozwiązania SCO z relatywnie znaczną zwłoka czasową. Przy szybkich zapadach częstotliwości rodzi to zagrożenie, że w procesie utraty równowagi częstotliwości, SCO nie zdąży odciążyć sieci i częstotliwość może spaść znacznie poniżej dopuszczalnej dla różnego rodzaju jednostek wytwórczych (JW). Charakterystyki dopuszczalnej pracy JW przy częstotliwości różnej od znamionowej są zwykle czasowo-zależne i różne dla różnych typów JW. Stąd zastosowanie jedno, a nawet dwustopniowych zabezpieczeń podczęstotliwościowych do zabezpieczania JW wydaje się być rozwiązaniem niedoskonałym. Zachodzi też potrzeba skoordynowania działania tych zabezpieczeń i SCO. W poniższym artykule zaproponowano rozwiązania w postaci zabezpieczeń pół-adaptacyjnych i pół-adaptacyjnego SCO poprawiających ten stan rzeczy.

1. Utrata równowagi częstotliwościowej

Utrata równowagi częstotliwościowej jest wynikiem wystąpienia na tyle dużego deficytu mocy czynnej w systemie, podsystemie lub wydzielonej wyspie, że z odchyłką częstotliwości nie radzą już sobie układy regulacji. Takiemu znacznemu deficytowi mocy czynnej towarzyszy adekwatna zmiana wartości częstotliwości, tym szybsza, im większy jest ten deficyt. W takiej sytuacji jedynym środkiem zaradczym jest jak najszybsze zrównoważenie poboru mocy z generacją. Ponieważ proces utraty równowagi odbywa się bardzo szybko to równie szybko należy podjąć środki zaradcze w postaci odciążenia i tę rolę wypełnia automatyka SCO, czyli Samoczynne Częstotliwościowe Odciążanie. Skuteczne działanie tej automatyki ma doprowadzić do właściwego odciążenia w analizowanym podsystemie wyspie tak, aby w trakcie tego procesu częstotliwość nie obniżyła się poniżej 47,5 Hz, a odbudowa częstotliwości doprowadziła do ustalenia jej na wartości nominalnej 50 Hz. W wyniku analizy dynamicznej SEE dochodzi się do powszechnie stosowanej uproszczonej zależność opisującej początkową wartość pochodnej zmian częstotliwości przy deficycie mocy wynoszącym ΔPw:

Elkomtech_wzor_1

gdzie:
fn – częstotliwość znamionowa sieci,
Tm – zastępcza stała elektromechaniczna analizowanego układu.
Zastępczą stałą elektromechaniczną w przybliżeniu można określić zależnością:

Elkomtech_wzor_2

gdzie:
DW – zastępcza stała tłumienia odbiorów wydzielonego układu,
HW – zastępcza stała inercji generacji w wydzielonym układzie.

Elkomtech_wzor_3

PO – sumaryczna moc obciążeń w analizowanym wydzielonym podsystemie lub wyspie,
PG – sumaryczna moc generowana w analizowanym wydzielonym podsystemie lub wyspie.

W tradycyjnych systemach elektroenergetycznych, z dominującymi i konwencjonalnymi JW, wartości Tm można było z wystarczającą dokładnością określić, a ponadto w trakcie utraty częstotliwości parametr ten praktycznie nie ulegał zasadniczym zmianom.

Początkowa wartość pochodnej (dla t=0) wynosi:

Elkomtech_wzor_4

gdzie:
ΔPw0, Tm0 – początkowe wartości (dla t = 0) odpowiednio względnego deficytu mocy i zastępczej stałej elektromechanicznej.

Pobudzenie 1-go stopnia konwencjonalnego SCO ma miejsce po czasie t1, od chwili rozpoczęcia zapadu częstotliwości, który można wyznaczyć z zależności:

Elkomtech_wzor_5

Natomiast zadziałanie SCO, czyli odciążenie, nastąpi dopiero po czasie zadziałania całego układu SCO, czyli:

Elkomtech_wzor_6

gdzie:
t1O – czas, po którym następuje odciążenie przez 1-szy stopień,
t1 – czas, po którym następuje pobudzenie 1-szego stopnia nastawionego na częstotliwość f1,
t1Z – czas działania 1-go stopnia SCO, obejmujący:

Elkomtech_wzor_7

t1P – czas działania 1-go stopnia przekaźnika (suma czasu własnego i znastawionej zwłoki czasowej)
tw – czas działania wyłącznika,
t1d – czas zwłoki ewentualnych układów pośredniczących,
a zatem odciążenie nastąpi przy częstotliwości:

Elkomtech_wzor_8

Wtedy ulegnie zmianie deficyt mocy o wartość odciążenia P1O , co spowoduje zmianę pochodnej zmian częstotliwości na:

Elkomtech_wzor_9

Dokładna analiza zmian częstotliwości w węzłach systemu Wi, w warunkach wystąpienia nagłego deficytu mocy, wykazuje na obecność poza składową aperiodyczną (opisaną zależnością 5) również składowych okresowych pochodzących od kołysani mocy.

Elkomtech_wzor_10

gdzie:
fWi – przebieg zmian częstotliwości w węźle „i”,
A , B, …– amplitudy składowych periodycznej o częstotliwości odpowiednio fα, fβ, .. w węźle „i”,
α, β, … – odpowiednio przesunięcia fazowe ww. przebiegów periodycznych w węzłach „i”,
Wypadkową inercję wydzielonego układu zawierającego „n” jednostek wytwórczych o jednostkowej inercji poszczególnych jednostek Hi, oraz mocy znamionowej Pi można określić z zależności:

Elkomtech_wzor_11W tradycyjnych systemach elektroenergetycznych, z dominującymi konwencjonalnymi jednostkami wytwórczymi, inercja H ≈ 5-8 s. (do analiz przyjmowano zwykle Tm = 2H = 10 s.) Wraz z wysycaniem SEE źródłami GR a w szczególności OZE maleje jego zastępcza stała czasowa. Zatem w przypadku utraty równowagi częstotliwościowej w takich warunkach odpowiednio szybciej następuje zapad częstotliwości. Zmienia to warunki pracy automatyk regulacyjnych i automatyki j SCO. Dodatkowy problem, to niejednorodność geograficznego rozkładu udziału wspomnianych źródeł o małej inercji. Rodzi to nowy problem. W tradycyjnym SEE stała elektromechaniczna zarówno systemu elektroenergetycznego, jak i podsystemu, czy wyspy różniły się miedzy sobą nieznacznie co do wartości. Przy znacznym udziale źródeł GR i OZE w SEE te różnice mogą być nie do pominięcia. W skrajnym przypadku może się np. wydzielić podsystem lub wyspa z dominującym udziałem GR i OZE, a wtedy różnica w stałej czasowej w stosunku do stałej czasowej systemowej może być parokrotna. Ilustrację procesu zapadu częstotliwości i odciążania przez SCO, przy różnych czasach odciążania przedstawia rysunek 1.

Rys. 1. Przebieg procesu odciążania przez SCO

Rys. 1. Przebieg procesu odciążania przez SCO

Na rys 1. zestawiono charakterystyki procesu odciążania przez SCO przy zapadzie z prędkością:
df/dt = -2,5 Hz/s (co odpowiada np. przy Tm = 10s, ΔP = 50%), oraz aktualnie nastawieniach w KSE czasów działania poszczególnych stopni
df/dt = -4,0 Hz/s (co odpowiada np. przy Tm = 10s, ΔP = 80%), oraz nastawieniach czasów działania zgodnie z IRiESP, tzn t = 100 ms.
Jak widać mimo groźniejszego zapadu przy df/dt = -4 Hz/s, dzięki szybszemu działaniu SCO (na każdym stopniu 100 ms) proces odbudowy częstotliwości przebiega szybciej i mniejsza jest głębokość zapadu (47,8 Hz) niż przy df/dt = -2,5 Hz/s (47,6 Hz) i przy aktualnych nastawieniach SCO.

2. Wymagania odnośnie SCO i zabezpieczeń podczęstotliwościowych JW

Ustawa Prawo Energetyczne określa obowiązki operatorów systemu przesyłowego i systemu dystrybucyjnego, w tym także odpowiedzialność za bezpieczeństwo energetyczne, oraz zasady współpracy z innymi podmiotami w celu obrony KSE przed awarią. OSP ma obowiązek opracowywanie planów działania na wypadek wystąpienia awarii i zobowiązuje OSD i wytwórców do współdziałania z OSP w tym zakresie. Wymagania stawiane przez OSP powinny być zgodne z wymaganiami stawianymi przez ENTSO-E.

2.1. Wymagania ENTSO-E

Zagadnieniem nierozerwalnym z nastawieniami SCO jest koordynacja działania SCO i zabezpieczeń częstotliwościowych JW. W wymaganiach wspomnianej „Policy 5” jest tylko jeden lapidarny zapis odnoszący się do zabezpieczeń częstotliwościowych JW:
„B – G5. Automatic tripping of generating units” (automatyczne wyłączanie jednostek wytwórczych) – „Powinno być to zabronione w zakresie pomiędzy 47,5 a 51,5 Hz.” Równocześnie OSP wymaga od Wytwóców, aby zabezpieczenia podczęstotliwościowe bloków nastawione były na czestotliwość nie wyższą niż 47,5 Hz ze zwłoką czasową nie krótszą niż 3 s. Wymaganie OSP jest znacznie bardziej rygorystyczne, niż wymaga tego ENTSO-E.

Rys. 2 . Wymagania ENTSO-E odnośnie nastawienia SCO

Rys. 2 . Wymagania ENTSO-E odnośnie nastawienia SCO

2.2. Wymagania odnośnie SCO zawarte w IRiESP i IRiESD

Przekaźniki realizujące funkcję samoczynnego częstotliwościowego odciążania (SCO) powinny spełniać następujące wymagania:
(1) umożliwiać nastawienie wartości f z zakresu od 47
do 50 Hz ze zmianą skokową co 0,05 Hz,
(2) umożliwiać nastawienie zwłoki czasowej w zakresie
od 0,05 do 1 s ze zmianą skokową co 0,05 s,
(3) czas własny przekaźników nie może być większy
niż 100 ms,
(4) zapewniać poprawną pracę w zakresie od 0,5 do 1,1 Un,
(5) dokładność pomiaru częstotliwości nie mniejsza niż 10 mHz,
(6) zapewnić możliwość zastosowania blokady napięciowej w uzgodnionych z OSP przypadkach.

Natomiast wymagania OSP odnośnie aktualnych nastawień dostosowane są do parametrów populacji aparatury SCO zainstalowanej w KSP i kształtują się następująco:

Elkomtech_Tab_1

W IRiSEP osobne wymagania postawione są odnośnie uczestniczenia farm wiatrowych (FW) w procesie obrony systemu przed awarią. Zostały one przedstawione na rysunku 3.
Zgodnie z Prawem Energetycznym OSD w swoich IRiESD powinni stawiać wymagania odnośnie obrony systemu, w tym w stosunku do FW przyłączonych do sieci zamkniętej, pokrywające się z wymaganiami OSP. Niestety tak nie jest. Co prawda wymagania odnośnie pracy FW przy obniżonej częstotliwości są takie jak przedstawiono na powyższym rysunku, ale towarzyszy im klauzula „Wartości napięcia i częstotliwości podane w powyższych punktach są quasi-stacjonarnymi, z gradientem zmian dla częstotliwości mniejszym niż 0,5% na minutę, a dla napięcia mniejszym niż 5% na minutę” (np. p. 8.3.3 IRiESD PGE). Jest to jednoznaczne ze zwolnieniem (przez Operatorów Systemów Dystrybucyjnych) FW z obowiązku uczestniczenia w obronie KSE, zarówno w warunkach utraty równowagi częstotliwościowej, jak i w przypadkach utraty równowagi napięciowej.

Rys. 3. Wymagania dla FW zgodnie z IRiESP

Rys. 3. Wymagania dla FW zgodnie z IRiESP

Szereg energetyk poza europejskich opracowuje własne standardy głównie wzorowane na standardach NERC, który wymagania odnośnie SCO i zabezpieczeń częstotliwościowych JW, zawarł w Standardzie PRC-006-1. Normy te, poza szczegółowymi wymaganiami co do nastawien SCO dla poszczególnych podsystemów, charakteryzuje położenie nacisku na skoordynowanie nastawień SCO i zabezpieczeń częstotliwościowych JW. W każdym razie w USA, Nowej Zelandii, Kanadzie, Austalii, jak i szeregu krajów europejskich minimalizowany jest czas własny SCO. W wielu elektroenergetykach stosowane są układy dynamiczne SCO. Szereg energetyk prowadzi prace nad wdrożeniem systemów póładaptacyjnych lub adaptacyjnych SCO.

3. Wpływ odchyleń częstotliwości na turbogeneratory

W ogólnym przypadku wpływ odchylenia częstotliwości od nominalnej w SEE skutkuje na turbogeneratory głównie:
rezonansem w wirujących maszynach, powodującym uszkodzenia na skutek mechanicznych drgań,
skracaniem czasu życia, a w skrajnym przypadku uszkodzenie łopatek turbiny wywoływane drganiami rezonansowymi, przy znacznym obniżeniu częstotliwości (o więcej niż 8%) zakłóceniami w pracy potrzeb własnych.
Odchylenie częstotliwości może przede wszystkim stanowić zagrożenie dla samej generacji. O ile np. dla elektrowni wodnej 10% obniżenie częstotliwości (do 45Hz) nie jest groźne, o tyle elektrownia cieplna jest wrażliwa na 5% obniżenie częstotliwości. Moc użyteczna elektrowni cieplnej w dużym stopniu uzależniona jest od urządzeń pomocniczych z napędami silnikowymi, takich jak np.: pompy wody zasilające kocioł, młyny węglowe i podajniki, wentylatory ciągu powietrza itd. Kiedy częstotliwość spada zaczyna raptownie spadać moc wspomnianych urządzeń pomocniczych, co z kolei powoduje spadek energii turbiny generatora. Następuje zjawisko kaskadowe, wraz ze spadkiem częstotliwości spada moc, a to w efekcie powoduje dalsze obniżanie częstotliwości i pogłębia poważne zagrożenie dla całej elektrowni. Najistotniejszym problemem wydaje się być zagrożenie dla samej turbiny parowej związane z jej pracą przy obniżonej częstotliwości. W turbinie najbardziej narażonymi na uszkodzenia związane z pracą przy częstotliwości różnej od znamionowej są łopatki turbiny. Zachodzi zależność między czasem życia łopatek turbiny i czasem ich pracy przy częstotliwości różnej od znamionowej. Związane jest to głównie z rezonansem mechanicznym zachodzącym przy częstotliwościach różnych od nominalnej. Ważny jest fakt, że wpływ pracy przy odchyleniu częstotliwości ma efekt kumulacyjny, tzn. że np. praca ½ minuty z częstotliwością fn – 4% (48 Hz) skraca czas życia o połowę, czyli kolejny przypadek pracy w takich samych warunkach (½ minuty przy 48 Hz) doprowadzi do uszkodzenia łopatek.

4. Koordynacja zabezpieczeń podczęstotliwościowych generatorów i SCO

Podstawowa specyfika działania przekaźnika podczęstotliwościowego leży w fakcie, że wielkość mierzona (częstotliwość) zmienia się nie tylko wykładniczo w czasie; w rzeczywistości nakładają się na nią pulsacje wynikające z kołysania między jednostkami wytwórczymi, oraz oscylacje międzysystemowe (rys. 7). Stąd działanie układu, wskutek zwłoki czasowej, ma miejsce przy wartości częstotliwości niższej od wartości nastawionej, przy której następuje pobudzenie i w różnym czasie zależnie od umiejscowienia punktu pomiaru w sieci. Dodatkowym problemem jest fakt, że wielkość deficytu mocy, przy którym nastąpiła utrata stabilności jest nieznana, a i określenie zastępczej stałej elektromechanicznej Tmo napotyka na trudności, gdyż wartość ta zależna jest od tego jaki fragment systemu się wydzieli z danym deficytem mocy. Stąd z góry nie wiadomo, według których charakterystyk f = f(t) będzie następowało odciążanie. Kolejną cechą odróżniającą układ pomiarowy zabezpieczeń częstotliwosciowych od innych aparatów EAZ jest fakt, że pomiar częstotliwości odbywa się w sposób pośredni. Układ pomiarowy korzysta z napięć fazowych lub międzyfazowych pozyskiwanych z przekładników pomiarowych. Zatem nie bez znaczenia jest przyjęty wybór napięć (fazowe lub skojarzone), algorytm pomiarowy, oraz rodzaj filtracji częstotliwości podstawowej. Przebiegi napięć w warunkach utraty równowagi częstotliwości odkształcone są nie tylko ze względu na harmoniczne, ale również na występujące kołysania miedzy jednostkami wytwórczymi, oraz często również przez takie zjawiska jak ferrorezonansy i przepięcia. Również miejsce pomiaru jest nie bez znaczenia. Przy dzisiejszym rozwoju techniki np. w przypadku SCO pomiar częstotliwości może być realizowany po stronie WN, zaś odciążenie po stronie SN transformatora, co niewątpliwie poprawiłoby niezawodność działania tej automatyki.

Rys. 4. Granice pracy łopatek turbiny przy częstotliwości różnej od znamionowej

Rys. 4. Granice pracy łopatek turbiny przy częstotliwości różnej od znamionowej

Problem koordynacji SCO i zabezpieczeń f<JW wynika z konieczności zapewnienia bezpieczeństwa KSE z jednej strony i ochrony samych elektrowni z drugiej strony. Z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego w trakcie utraty stabilności częstotliwości, utrzymanie każdej jednostki wytwórczej w ruchu jest zasadniczym problemem ogromnej wagi. Utrata jakiejkolwiek generacji w czasie procesu zapadu częstotliwości powoduje pogłębienie deficytu mocy, a co za tym idzie pogarsza warunki odbudowy częstotliwości. Zatem dopóki trwa proces odciążania nie powinno mieć miejsca odłączanie żadnej generacji od sieci, a moc generowana przez przyłączone jednostki powinna być jak największa.
Aktualnie zabezpieczenia f< bloku powodujące jego odłączenie od sieci (np. na PPW lub do pracy wyspowej) nastawione są na 47,5 Hz, ze zwłoką czasową 3 s. Należy jednak pamiętać, że przy zapadzie częstotliwości, w trakcie tej zwłoki czasowej, wartość częstotliwości ulega dalszym zmianom; jeśli odciążanie przez SCO było skuteczne – częstotliwość odbudowuje się (wzrasta), jeśli nie, to nadal maleje. W zależności od wielkości deficytu mocy i skuteczności działania SCO pobudzenie zabezpieczenia f< może nastąpić przy różnych szybkościach zapadu częstotliwości df/dt. Ponieważ po pobudzeniu zabezpieczenia częstotliwości nadal się zmienia (zwykle opada), to zadziałanie może nastąpić przy niższej częstotliwości, zależnie od charakterystyki zapadu (czyli też od skuteczności odciążania). Proces odciążania może być nieskuteczny z szeregu przyczyn, do których należą:

  • wolumen odciążania może być mniejszy od założonego (jest to proces losowy, chyba że stosowane jest tzw. inteligentne odciążanie),
  • inercja zastępcza wydzielonego podsystemu lub wyspy jest mniejsza od ogólnosystemowej, dla której obliczano nastawienia SCO (chociażby na większy udział OZE, generatorów gazowych itp.),
  • w trakcie opadania częstotliwości odłączają się kolejne źródła (np. wskutek działania zabezpieczeń technologicznych, stanów przejściowych itp.).

Obrazuje to poniższy rysunek, na którym zilustrowano skrajne przypadki, gdy po pobudzeniu zabezpieczenia f< nie następuje żadne odciążanie przez SCO. Jak widać, np. przy zapadzie z szybkością df/dt = -1 Hz/s zabezpieczenie wyśle sygnał na wyłączenie dopiero przy częstotliwości 45,2 Hz. Nawet przy łagodnym zapadzie z prędkością df/dt = -0,2 Hz/s sygnał na wyłączenie zostanie wysłany przy 46,9 Hz. W każdym z tych przypadków będzie miało miejsce co najmniej skrócenie czasu życia łopatek turbiny, a kto wie czy nie poważniejsza awaria. Nasuwa się więc wniosek, że czas działania f< generatora powinien być uzależniony od szybkości opadania częstotliwości w chwili jego pobudzenia. Ze względu jednak na występujące w rzeczywistym przebiegu f=f(t) oscylacje częstotliwości powinno być zastosowane kryterium Δf/Δt (a nie df/dt).
Gdyby przekonwertować na 50 Hz charakterystykę NERC granicznych nastawień f<0 generatora, to sytuacja wygląda jeszcze bardziej krytycznie. Ilustruje to rysunek 5.

Rys. 5. Działanie zabezpieczenia <f bloku przy różnych szybkościach zapadu częstotliwości df/dt (bez SCO)

Rys. 5. Działanie zabezpieczenia <f bloku przy różnych szybkościach zapadu częstotliwości df/dt (bez SCO)

Kolejną godną rozpatrzenia jest sytuacja, gdy SCO może być skuteczne, ale ostatnie stopnie odciążania działają poniżej progu pobudzenia f< bloku, czyli 47,5 Hz. Sytuację tę ilustruje poniższy rysunek. Np. dla przypadku df/dt = -5Hz/s, mimo poprawnego działania SCO częstotliwość zapada poniżej 47 Hz i w tym obszarze utrzymuje się ponad 2 s. Zgodnie z rys. 5 nastąpi jednak po ok. 1 s uszkodzenie łopatek turbiny.

Rys. 6. Przypadek zagrożenia uszkodzenia turbiny przy dużym zapadzie częstotliwości i konwencjonalnym zabezpieczeniu f< bloku

Rys. 6. Przypadek zagrożenia uszkodzenia turbiny przy dużym zapadzie częstotliwości i konwencjonalnym zabezpieczeniu f< bloku

Powyższy przypadek potwierdza konieczność jak najszybszego działania SCO tak, aby przy dużych deficytach mocy działanie SCO nie kolidowało z zabezpieczeniami f< generatorów. Jeśli zaistnieje sytuacja, że częstotliwość zaczyna się odbudowywać po pobudzeniu zabezpieczenia f<0 bloku (czyli Δf/Δt ≥0), to należałoby wydłużyć czas działania f< tak, aby dać szanse na odbudowę częstotliwości i nie odłączać JW od sieci.
Wiadomo, że najlepszym rozwiązaniem SCO jest układ obszarowy, inteligentny, lub rozproszony inteligentny adaptacyjny. Jednak budowa takich układów, to koszty znacznie przekraczające budżety inwestycyjne elektroenergetyki na najbliższych kilka lat. Realnym rozwiązaniem jest wdrożenie systemów pół-adaptacyjnych na bazie już zainstalowanych aparatów cyfrowych SCO, oraz nowo instalowanej aparatury.
W proponowanych układach EAZ wykorzystywane jest kryterium przyrostu różnicowego częstotliwości Δf/Δt (nie df/dt). Kryterium pochodnej nie można stosować, ze względu na fakt, że jak już wspomniano, w trakcie utraty równowagi częstotliwości na aperiodyczny przebieg zmian częstotliwości nakładają się oscylacje częstotliwości (rzędu 0,1 do 2 Hz) wynikające ze zjawisk oscylacji między-obszarowych i kołysań między lokalnymi JW. (np. dla UCTE częstotliwość oscylacji między-obszarowych jest rzędu 0,2 do 0,26 Hz). Oscylacje te zależą od wielu czynników i ich częstotliwość jest trudna do wyznaczenia na drodze analitycznej. Głównie wyznacza się ją na drodze analiz symulacyjnych (np. przy wykorzystaniu PSS). Na rysunku 7 dla zilustrowania zjawiska przedstawiono przykładowe przebiegi zmian częstotliwości mierzone w trzech różnych punktach SEE.

Na rysunku 7 przykładowo zaznaczono chwilowe wartości pochodnej zmian częstotliwości df/dt przy częstotliwości f=49 Hz. Średnia wartość df/dt = -2,3 Hz/s. Zmierzona w węźle E systemu wartość ta wynosi df/dt = +0,7 Hz/s, zaś w węźle F df/dt = -0,5 Hz/s. Jak widać jedynie słuszne jest wykorzystywanie kryterium przyrostu różnicowego zmian częstotliwości, która to wartość przy właściwie dobranym oknie (Δt) stanowi uśrednioną wartość pochodnej, dając bardziej wiarygodne kryterium działania układu automatyki.

Rys. 7. Przykładowe przebiegi utraty równowagi częstotliwości rejestrowane w różnych punktach systemu przy początkowej pochodnej zapadu częstotliwości df/dt = -2,3 Hz/s.

Rys. 7. Przykładowe przebiegi utraty równowagi częstotliwości rejestrowane w różnych punktach systemu przy początkowej pochodnej zapadu częstotliwości df/dt = -2,3 Hz/s.

5. Pół-adaptacyjne SCO

Pół-adaptacyjne SCO wykorzystuje fakt, że w wydzielonym układzie o zdeterminowanej wartości stałej elektromechanicznej (Tm) pochodna zmian częstotliwości jest wprost proporcjonalna do względnego deficytu mocy (zal. 1). Takie rozwiązanie zapewnia szybkie i skuteczne odciążanie. Schemat logiczny działania przykładowego zabezpieczenia pół-adaptacyjnego zrealizowanego przy zastosowaniu zabezpieczeniu Ex-BEL produkcji firmy Apator Elkomtech S.A. przedstawia poniższy rysunek.
Aktywacja układów detekcji przyrostu różnicowego częstotliwości Δf/Δt ma miejsce przy 49,3 Hz, przy czym pobudzenie przekaźnika Δf/Δt jest podtrzymywane przez odpowiednio zadany czas. O ile częstotliwość w dalszym ciągu zapada, to przy 49 Hz następuje zadziałanie właściwego toru przyrostu różnicowego. Celem zapewnienia dużego poziomu niezawodności układu, działanie poszczególnych torów przyrostu różnicowego rezerwowane jest przez konwencjonalny przekaźnik pod-częstotliwościowy.

Rys. 8. Uproszczony schemat logiczny przykładowego zabezpieczenia pół-adaptacyjnego z zastosowaniem zabezpieczenia EX-BEL lub EX-fBEL

Rys. 8. Uproszczony schemat logiczny przykładowego zabezpieczenia pół-adaptacyjnego z zastosowaniem zabezpieczenia EX-BEL lub EX-fBEL

Powyżej przedstawiony układ SCO pół-adaptacyjnego jest przykładowy. Układ ten można zarówno uprościć, jak i rozbudowywać w zależności od postawionych wymagań systemowych.

Rys. 9. Charakterystyki odciążania przez zabezpieczenie pół-adaptacyjne i SCO konwencjonalne

Rys. 9. Charakterystyki odciążania przez zabezpieczenie pół-adaptacyjne i SCO konwencjonalne

Na powyższym rysunku zilustrowano przebieg odciążania realizowany przez proponowane SCO pół-adaptacyjne. Dla porównania przedstawiono również działanie konwencjonalnego SCO dla przypadku df/dt = -3 Hz. Jak widać, dla zapadu -3 Hz/s przy układzie pół-adaptacyjnym odbudowa częstotliwości rozpoczyna się po ok. 0,5 s od chwili wystąpienia zapadu (przy częstotliwości ok 48,76 Hz), zaś w przypadku konwencjonalnego SCO odbudowa częstotliwości rozpoczyna się po ok. 1,3 s (przy częstotliwości 47,9 Hz). Na poniższym rysunku dla porównania zestawiono przebiegi odciążania przy konwencjonalnym SCO i poł-adaptacyjnym SCO.

Rys. 10. Porównanie przebiegu odciążania przy konwencjonalnym SCO i pół-adaptacyjnym SCO

Rys. 10. Porównanie przebiegu odciążania przy konwencjonalnym SCO i pół-adaptacyjnym SCO

Jak widać proces odciążania przy zastosowaniu pół-adaptacyjnego SCO nawet przy ekstremalnym deficycie mocy df/dt = -6Hz/s (co przy np. Tm = 10s odpowiada względnemu deficytowi mocy ΔPw = -2,2, czyli 55% ubytkowi generacji), przebiega bezpiecznie, tzn. częstotliwość odbudowuje się powyżej 47,5 Hz.
Zalety układu pół-adaptacyjnego w odniesieniu do układów konwencjonalnych:

  1. przyspieszenie procesu odciążania,
  2. zwiększenie pewności i skuteczności działania odciążania,
  3. znaczne zmniejszenie ryzyka zapadu częstotliwości do wartości zagrażających Jednostkom Wytwórczym (szczególnie turbogeneratorom),
  4. zmniejszenie ilości zastosowanych aparatów SCO w sieci,
  5. poprawne działanie układu, zarówno przy utracie równowagi przez KSE, jak i przy wydzieleniu układu wyspowego.

6. Zabezpieczenie pod-częstotliwościowe pół-adaptacyjne bloku GT

Zagrożenie uszkodzenia turbiny z powodu pracy przy obniżonej częstotliwości może mieć miejsce zasadniczo z dwóch powodów zaistniałych przy utracie równowagi częstotliwości:

  1. przy zapadach o początkowej średniej i dużej szybkości (-2 Hz/s do -4 Hz/s) i nieskutecznym działania SCO,
  2. przy dużych zapadach o początkowej szybkości poniżej -5 Hz/s, kiedy to z zasady działania konwencjonalne SCO zwykle jest nieskuteczne.

Z analiz dopuszczalnej pracy turbiny przy obniżonej częstotliwości wynika, że nie powinno się dopuszczać do nawet krótkotrwałej pracy turbo-generatora przy częstotliwości poniżej 47 Hz. Z drugiej strony ENTSO dopuszcza odłączenie JW od SEE przy częstotliwości poniżej 47,5 Hz. Przy doborze nastawień proponowanego zabezpieczenia pod-częstotliwościowego częstotliwość 47 Hz przyjęto jako graniczną. Proponowany schemat logiczny zabezpieczenia przedstawiono na rysunku 11.

 Rys. 11. Schemat pół-adaptacyjnego zabezpieczenia pod-częstotliwościowego bloku GT zrealizowany przy zastosowaniu zabezpieczenia Ex-mBEL produkcji firmy Apator Elkomtech

Rys. 11. Schemat pół-adaptacyjnego zabezpieczenia pod-częstotliwościowego bloku GT zrealizowany przy zastosowaniu zabezpieczenia Ex-mBEL produkcji firmy Apator Elkomtech

Zabezpieczenie ma trzy stopnie reagujące na przyrost różnicowy częstotliwości Δf/Δt, których inicjacja (dobór okna pomiarowego Δt) następuje po przekroczeniu 47,8 Hz. Zadziałanie poszczególnych torów Δf/Δt następuje poniżej częstotliwości 47,5 Hz, przy czym każdy z tych torów ma własną zwłokę czasową zależną od Δf/Δt. Celem zapewnienia wysokiej niezawodności układu przy zapadzie częstotliwości poniżej 47 Hz następuje wysłanie impulsu wyłączającego po zwłoce 100 ms.

Na rysunku 12 zilustrowano działanie proponowanego zabezpieczenia pól-adaptacyjnego pod-częstotliwościowego na tle charakterystyk odciążania przez SCO konwencjonalne. Jak widać, przy zapadach z początkową prędkością df/dt < -4,5 Hz/s nawet przy poprawnym działaniu SCO istnieje zagrożenie, że częstotliwość obniży swą wartość poniżej granicznej częstotliwości bezpiecznej pracy łopatek turbiny. Aktualnie stosowane zabezpieczenie <f bloku nastawione na f<47,5 Hz i zwłokę t=3s dopuści do pracy bloku poniżej granicznej wartości, zagrażając uszkodzeniu łopatek turbiny. Np. przy deficycie mocy powodującym zapad z początkową szybkością -6Hz/s (np. Tm=8s, ΔPw=0,96), mimo poprawnego działania SCO może doprowadzić do spadku częstotliwości do 46 Hz, zagrażając nie tylko łopatkom turbiny, ale poprawnej pracy napędów potrzeb własnych.

Rys. 12. Przykładowe działanie zabezpieczenia pół-adaptacyjnego pod-częstotliwościowego bloku GT

Rys. 12. Przykładowe działanie zabezpieczenia pół-adaptacyjnego pod-częstotliwościowego bloku GT

7. Podsumowanie

Obecnie stosowana technika SCO i algorytmy zabezpieczeń częstotliwościowych praktycznie nie uległy zmianie od początku swego zastosowania w KSE, czyli od ponad 50-ciu lat. Należy mieć na uwadze, że w tym okresie czasu zaszły dalekie zmiany w strukturze samego KSE, jak i przede wszystkim w powiązaniach międzysystemowych. Najistotniejsze jednak zmiany w odniesieniu do warunków pracy SCO powodowane są zmianami struktury sieci i rodzaju źródeł energii zainstalowanych w SEE. W dodatku, aktualnie dostępna technika symulacji zjawisk sieciowych pozwala na dokładniejszy dobór algorytmów i nastawień aparatury EAZ.
Z przeprowadzonych rozważań wynika, że aby uzyskać właściwe skoordynowanie i skuteczność działania SCO, jak i niezawodną ochronę generatorów przy zastosowaniu zabezpieczeń pod-częstliwościowych należy:

  1. zastosować układy pół-adaptacyjne SCO,
  2. stopniowo wraz z rekonstrukcją obwodów wtórnych wdrażać Póładaptacyjne Inteligentne SCO, a w przyszłości i obszarowe SCO,
  3. OSP powinien zweryfikować wymagania odnośnie zabezpieczeń podczęstotliwościowych JW, zezwalając na ich odłączanie przy częstotliwości 47,5 Hz (tak jak wymaga ENTSO-E),
  4. do zabezpieczenia Jednostek Wytwórczych przy zapadach częstotliwości należy stosować zabezpieczenia pól-adaptacyjne, uzależniając ich czas działania od szybkości zanikania częstotliwości df/dt tak, aby nie dopuścić do skracania czasu życia łopatek turbiny,
  5. zastosowanie pół-adaptacyjnego SCO i pół-adaptacyjnych zabezpieczeń podczęstotliwościowych bloku GT zapewni koordynację tych automatyk, poprawi niezawodność i bezpieczeństwo pracy SEE,
  6. nowoczesne zabezpieczenia (np. zabezpieczenia typu „Ex” produkcji firmy Apator Elkomtech) dysponują nie tylko układami pod-częstotliwościowymi, ale również reagującymi na przyrost częstotliwości Δf/Δt, oraz są wyposażone w układy logiki programowej. Umożliwia to zarówno realizowanie pół-adaptacyjnego SCO, jak i pół-adaptacyjnych zabezpieczeń pod-częstotliwościowych i nad-częstotliwościowych,
  7. podobnie jak zaproponowano rozwiązanie zabezpieczeń pół-adaptacyjnych podczęstotliwościowych należy zaprojektować zabezpieczenia póładaptacyjne nadczęstotliwościowe. W przypadku tych zabezpieczeń ich selektywne działanie nie tylko zabezpiecza bloki GT przed uszkodzeniem, ale i KSE przed black-outem.

Literatura

David J. Finlay, John Horak, „Load shedding for utility and industrial power system reliability” IEEE Conference, Colorado 2005,
General Electric Company, “Load Shedding, Load Restoration and Generator Protection Using Solid-state and Electromechanical Underfrequency Relays”, Philadelphia, 2008,
Gjukaj A., Kabashi G., Pula G., Avdiu N., Prebreza B., „Re-Design of Load Shedding Schemes of the Kosovo Power System”, World Academy of Science, Engineering and TechnologyVol:50 2011-02-23,
Habou You, Vijal Virtal i inni, „An intelligent adaptive load shedding scheme”, 14 PSCC, Sevilla, 24-28 June 2002,
Klimpel A., Dziuba A.. „Aktualizacja wymagań techniczno – organizacyjnych dla opracowania planów obrony KSE w zakresie automatycznego odciążania KSE w stanach awaryjnych” EPC SA. Warszawa 2004/2006 r. (Praca zamówiona przez PSE-Operator S.A.),
Klimpel A., Dziuba A.. „Studium badawcze możliwości zastosowania kryterium napięciowego przy uwzględnieniu działania automatyki SCO w planach obrony KSE”, EPC SA. Warszawa 2006/2008 r. (Praca zamówiona przez PSE-Operator S.A.),
Klimpel A., Głaz M., “Działanie automatyki odciążającej w warunkach wystąpienia awarii” Konferencja KAE, Bielsko Biala 2007 r.,
Klimpel A., Lubicki W., “Infrastruktury krytyczne w elektroenergetyce”, Śląskie Wiadomości Elektrotechniczne, nr5/2009,
Klimpel A., „Odciążanie jako ostateczny środek obrony KSE”, Konferencja „Blackout w KSE”, Poznań czerwiec 2012,
Lubośny Z., Szczerba Z., Zajczyk R. „Działanie automatyki SCO na obszarze wydzielonej wyspy po utracie powiązania z systemem elektroenergetycznym. Konferencja JASE” .Wrocław, 11 – 15 października 1999 r. Machowski J. „Charakterystyki wytwarzania i odbioru jako czynnik decydujący o odchyleniach częstotliwości”. Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej,
Mohd A. A. Zin,H. Mohd Hafcz, W. K. Wong, „Static and Dynamic Under-frequency Load Shedding: a Comparison”, 2004 Intematlonal Conference on Power System Technology – POWERCON 2004, Singapore, 27-24 November 2004,
NERC PRC-006-1 “Automatic Underfrequency Load Shedding”, 2012,
NERC PRC-024-1”Generator Frequency and Voltage Protective Relay Setting”, 2013,
Seyedi H., Sanaye-Pasand M., “Design of New Load Shedding Special Protection Schemes for a Double Area Power System”, American Journal of Applied Sciences 6 (2); 317-327, 2009,
Shahgholian G, Salary M.E., “Effect of Load Shedding Strategy on Interconnected Power Systems Stability When a Blackout Occurs”, International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol. 4, No. 2, April 2012,
Zbiorowa, “Intelligent Load Shedding Ned for a Fast and Optimal Solution”, IEEE, PCIC, Europe 2005,
Zbiorowa, “An Intelligent Adaptive Load Shedding Scheme”, 14th PSCC, Sevilla, 24-28 June 2002,
Zbiorowa, “A benefit comparison of Load Shedding versus use of Distributed Generation” Intelligent Grid Research Cluster- Project 3, IET Generation, Transmission and Distribution, June 2011,
A.Klimpel, M.Głaz, „Potrzeba oceny i badań automatyki SCO w KSE”, XVII seminarium ENERGOTESTU „Automatyka w elektroenergetyce” Zawiercie 23 – 25. 04. 2014,
A.Klimpel, M.Kołodziejczyk “Skuteczność zabezpieczeń podczęstliwościowych bloków wytwórczych” XVII ogólnopolska konferencja 2014 „Zabezpieczenia przekaźnikowe w energetyce”, Karpacz, październik 2014 r.,
Zbiorowa. “International Guide on the Protection of Synchronous Generators”, CIGRE, Raport 479, WG B5.04, October 2011.

Mgr inż. Adam Klimpel, Apator Elkomtech S.A.

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

To Top