8

Rok LXXVII 2009 nr 4

MATERIAŁY KONFERENCYJNE ELSEP 2009

Dr inż. Jacek Kiernicki, dr Grzegorz Bałuka − Instytut Automatyki Syste-

mów Energetycznych Sp. z o.o., Wrocław

Monitoring jakości energii elektrycznej

w punktach węzłowych sieci elektroenergetycznych

Jacek Kiernicki, Grzegorz Bałuka

Zapewnienie odbiorcom energii elektrycznej odpowiedniej,

zgodnej z normami i przepisami jakości energii elektrycznej

jest ważnym zadaniem przedsiębiorstw sieciowych – spółek

dystrybucyjnych. Realizacja tego zadania wymaga ciągłej

analizy i oceny parametrów jakościowych energii, a więc

zbierania danych za pomocą wyspecjalizowanych systemów

monitorowania. W artykule podano zasady tworzenia takich

systemów i uzasadniono potrzebę ich budowy.

Jedną z podstawowych cech każdego towaru, a więc i energii elek-

trycznej, jest jakość. Z technicznego punktu widzenia jakość definio-

wana jest (ISO 9000 – Quality management system) jako suma cech

charakterystycznych danej rzeczy (jednostki), które pozwalają na

zaspokajanie jawnych lub ukrytych wymagań użytkownika. W prak-

tyce przemysłowej dotrzymywanie jakości jest to zdolność przed-

siębiorstwa do wytwarzania produktów i świadczenia usług zgodnie

z wyraźnie wyrażanymi żądaniami klientów i użytkowników.

Jakość jest jednym z podstawowych kryteriów wyboru pro-

duktów i usług na rynku konkurencyjnym. Dotyczy to również

przedsiębiorstw sieciowych (spółek dystrybucyjnych), szczególnie

podczas wyboru przez odbiorcę − zgodnie z zasadą TPA – najko-

rzystniejszego dla niego dostawcy energii elektrycznej. Zapewnie-

nie odbiorcom zgodnej z przyjętymi standardami jakości energii

elektrycznej stało się jednym z ważniejszych zadań współczesnej

elektroenergetyki.

Energia elektryczna dostarczana jest odbiorcy przez dostawcę na

podstawie umowy cywilnoprawnej, określającej obowiązki i prawa

każdej z umawiających się stron. Dostawca zobowiązuje się dostar-

czać w sposób ciągły energię elektryczną o ustalonych w umowie

standardach jakościowych i po wyważonych cenach. Odbiorca jest

ze swej strony zobligowany do wnoszenia na rzecz dostawcy opłat

taryfowych i do użytkowania energii elektrycznej zgodnie z obowią-

zującymi normami i przepisami.

Jakość energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom ocenia się na

podstawie zgodności jej podstawowych parametrów ze standardami

określonymi przez odpowiednie normy i przepisy. Odbiegająca od

standardów, zła jakość dostarczanej energii elektrycznej może pro-

wadzić w przypadku odbiorców przemysłowych do znacznych strat

finansowych, a w przypadku odbiorców komunalnych − do obni-

żenia komfortu na skutek zakłóceń w użytkowaniu nowoczesnych

urządzeń audiowizualnych czy AGD.

Elektroenergetyczne sieci przesyłowe, rozdzielcze i dystrybucyj-

ne energetyki zawodowej, instalacje elektroenergetyczne odbiorców

przemysłowych i komunalnych wyposażane są coraz częściej w no-

woczesne, skomputeryzowane urządzenia sterownicze, kontrolne

i technologiczne, czułe na wszelkiego rodzaju zaburzenia napięcia

zasilającego i same mogące często być źródłami takich zaburzeń.

Negatywne skutki złej jakości energii elektrycznej, w tym również

znaczne straty finansowe, są szczególnie dotkliwe w sieciach krajów

o bardzo wysokim poziomie technicznym. Według informacji po-

dawanych przez EPRI (Electrical Power Research Institute), straty

wywołane złą jakością energii elektrycznej i zakłóceniami w jej do-

stawie kosztują rocznie przemysł USA ok. 16 mld dol.

Na kłopoty produkcyjne i wynikające stąd straty finansowe nara-

żone są przede wszystkim zakłady przemysłowe o zaawansowanej

technologii, posiadające skomputeryzowane linie technologiczne.

Na przykład stwierdzono, że w zakładzie wytwarzającym obwody

scalone 20-minutowe zakłócenia w dostawie energii elektrycznej

prowadzą do strat rzędu 20 mln dol. [1].

W Polsce brak jest aktualnych zbiorczych danych o stratach po-

noszonych przez przemysł i odbiorców komunalnych na skutek złej

jakości energii elektrycznej i zakłóceń w zasilaniu, ale można do-

mniemywać, że są one znaczące. Krajowe spółki dystrybucyjne są

ustawicznie zasypywane przez odbiorców przemysłowych i klien-

tów indywidualnych skargami dotyczącymi utrudnień wynikłych

z niedotrzymywania standardów jakościowych dostarczanej im

energii elektrycznej.

Odbiorcy przemysłowi zasilani z sieci dystrybucyjnych 110 kV

lub SN skarżą się często na występowanie w nich zjawisk dynamicz-

nych, takich jak zapady i krótkotrwałe zaniki napięcia. Zjawiska te,

według opinii służb energetycznych zakładów przemysłowych, są

przyczyną poważnych zakłóceń procesów technologicznych i nara-

żają przedsiębiorstwa na straty finansowe. Dotyczy to szczególnie

zakładów przemysłowych dysponujących nowoczesnym parkiem

maszynowym i stosujących zaawansowane technologie.

Linie produkcyjne w takich przedsiębiorstwach sterowane są

przez wyspecjalizowane układy informatyczne, wrażliwe na bar-

dzo krótkie (nawet rzędu kilkunastu milisekund) obniżenia war-

tości napięcia zasilającego. Szybkie i głębokie obniżenia wartości

skutecznej napięcia mogą zaburzyć realizację programu sterownika

i w konsekwencji doprowadzić do przerwania procesu produkcyj-

nego. Powtórne uruchomienie linii produkcyjnej, po niekontrolowa-

nym zatrzymaniu, wymaga często przeprowadzenia inspekcji i usu-

nięcia ewentualnych uszkodzeń. Zabiegi takie trwają długo, a czas

bezproduktywnej przerwy pociąga za sobą straty materialne.

Stosowane w układach sterowania procesami technologicznymi

sterowniki typu PLC (Programmable Logic Controller) posiadają

wprawdzie człony diagnostyczne, ale podczas zapadu napięcia, przy

szybkich zmianach wartości skutecznej, często nie są w stanie rea-

gować prawidłowo. Zdarza się, że krótkotrwała przerwa w zasilaniu

jest mniej niebezpieczna dla układu sterowniczego i powoduje mniej

Rok LXXVII 2009 nr 4

9

MATERIAŁY KONFERENCYJNE ELSEP 2009

szkód niż zapad napięcia. Uniezależnienie pracy mikroprocesorowych

układów sterowania procesami technologicznymi od zakłóceń powo-

dowanych zapadami napięcia i krótkotrwałymi przerwami zasilania

można uzyskać dzięki powszechnemu stosowaniu do zasilania ste-

rowników odpowiednich układów zasilania bezprzerwowego (UPS).

Elektryczne urządzenia wykonawcze linii technologicznych,

np. silniki elektryczne, są w zasadzie odporne na zapady napięcia

i przy ich występowaniu zachowują ciągłość pracy. Komplikacje

pojawiają się przy długotrwałych ujemnych odchyleniach napięcia,

znacznej asymetrii zasilania czy dużym THD. Stosunkowo rzadkie

są skargi odbiorców na wahania napięcia, asymetrię zasilania czy

przekraczanie dopuszczalnych wartości THD. Ujemne odchylenia

wartości napięcia występują w zasadzie tylko w sieciach niskiego

napięcia i dotykają głównie odbiorców przyłączanych do długich

ciągów linii napowietrznych w terenach wiejskich. Odbiorcy komu-

nalni zgłaszają przede wszystkim występowanie ujemnych odchy-

leń i wahań napięcia powodujących pogorszenie jakości oświetle-

nia, zakłócenia w pracy urządzeń AGD i utrudnienia w korzystaniu

z telewizji czy komputerów.

Winę za złą jakość energii elektrycznej w punkcie przyłączenia

ponoszą faktycznie – w zależności od rodzaju zaburzenia jej para-

metrów − dostawca lub odbiorca energii. Zwykle konto dostawcy

energii obciążają odchylenia napięcia od wartości znamionowej, za-

pady napięcia i przerwy w dostawie energii, zaś odbiorców energii

można winić za zakłócenia harmoniczne, powodowanie zjawiska

migotania (flicker) czy asymetrię napięć. Jednak odpowiedzialność

materialną za niedotrzymywanie standardów jakościowych zasila-

nia ponoszą jedynie dostawcy energii.

Dotychczas (przynajmniej w Polsce) nie karze się odbiorców,

którzy – wprowadzając do sieci wszelkiego rodzaju zaburzenia

– powodują zagrożenie dla innych użytkowników. Należy się liczyć

ze zmianą uregulowań prawnych w tym zakresie, tj. z możliwoś-

cią wprowadzenia opłat (kar) za wprowadzane do sieci zakłócenia

przez odbiorców energii elektrycznej. Pozycja rynkowa spółek dys-

trybucyjnych jako głównych dysponentów i dostarczycieli energii

elektrycznej wymaga, aby zespół działań podejmowanych dla za-

pewnienia klientom odpowiedniej jakości dostarczanej energii elek-

trycznej, zwany zarządzaniem jakością energii elektrycznej, znajdo-

wał się w centrum ich zainteresowań.

Zarządzanie jakością energii elektrycznej opiera się przede wszyst-

kim na monitoringu i analizie danych pomiarowych uzyskiwanych

z odpowiednich układów monitorowania sieci elektroenergetycznej

spółki dystrybucyjnej i sieci własnych odbiorców energii elektrycz-

nej oraz na podejmowaniu odpowiednich środków zaradczych. Cią-

głość monitoringu, akwizycja danych i szybkie ich przetwarzanie

pozwalają na skuteczną kontrolę pracy sieci dystrybucyjnej i insta-

lacji odbiorczych klientów. Stałe śledzenie poziomu jakości energii

umożliwia w razie potrzeby bezzwłoczne reagowanie, celem ogra-

niczania negatywnych skutków występujących zakłóceń.

Niestety, powszechność monitoringu jakości energii elektrycz-

nej pozostaje jeszcze ciągle w sferze futurystycznych zamierzeń,

a brak wiarygodnych bieżących danych pomiarowych nie pozwala

na ustalenie rzeczywistego stanu jakości energii w wybranym, inte-

resującym strony sporu punkcie sieci. Zwykle badania parametrów

jakości energii elektrycznej wykonywane są wyrywkowo i to tylko

tam, gdzie znaczne odchylenia od stanu dopuszczalnego powodują

ostre reklamacje odbiorców.

Wymagania dotyczące jakości energii elektrycznej w Polsce okre-

śla norma PN-EN 50160 [2], która podaje dopuszczalne wartości

wybranych parametrów napięcia w punkcie przyłączenia odbiorcy.

Standardy jakościowe obsługi odbiorców oraz parametry energii

elektrycznej obowiązujące w ruchu i eksploatacji sieci elektroener-

getycznych (jak też w przypadku przyłączania nowych odbiorców)

zdefiniowane są w rozporządzeniu ministra gospodarki i pracy [3].

Niedotrzymanie ustalonych przepisami i ujętych w umowie z od-

biorcą dopuszczalnych odchyleń parametrów charakteryzujących

jakość energii elektrycznej naraża spółki dystrybucyjne na kary

pieniężne. Rozporządzenie ministra gospodarki, pracy i polityki

społecznej w sprawie szczegółowych zasad i kalkulacji taryf oraz

rozliczeń w obrocie energią elektryczną [4] podaje zasady stosowa-

nia bonifikat i upustów dla odbiorców pobierających energię elek-

tryczną na podstawie tzw. umów standardowych w przypadku prze-

kraczania przez dostawcę dopuszczalnych odchyleń podstawowych

parametrów jakościowych, a przede wszystkim za niedotrzymanie

odpowiedniego poziomu napięcia zasilającego lub niedostarczenie

zamówionej energii (przerwy w zasilaniu).

Zgodnie z powyższym rozporządzeniem, odbiorcy posiadający

umowę standardową mogą ubiegać się o odszkodowanie jedynie

w przypadku odchyleń napięcia przekraczających dopuszczalne

przepisami granice lub w przypadku przerw w dostawie energii

elektrycznej, których czas trwania przekracza czas dopuszczalny.

Odszkodowania te nie obejmują strat ponoszonych przez odbiorców

na skutek zmniejszenia lub chwilowego wstrzymania produkcji,

zniszczenia produkowanych wyrobów czy też ich uszkodzeń lub

uszkodzeń urządzeń produkcyjnych. Poszkodowani mogą w takich

przypadkach domagać się odszkodowań na drodze sądowej.

W przypadku stwierdzenia niezadowalającej jakości energii elek-

trycznej dostawca – spółka dystrybucyjna – podejmuje działania

optymalizacyjne. Rodzaj i zakres tych działań uwarunkowany jest

zarówno przyczynami technicznymi zjawiska, jak i polityką bizne-

sową przedsiębiorstwa. Działania optymalizacyjne, których celem

jest poprawa lub przywrócenie odpowiedniego poziomu jakości

energii, można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

– działania dotyczące eksploatacji i modernizacji sieci elektroener-

getycznej spółki (zmiana konfiguracji sieci, przeglądy i usuwanie

wykrytych usterek, optymalizacja eksploatacji, automatyzacja pracy

sieci, dodatkowe źródła zasilania),

– działania dotyczące współpracy z odbiorcą (właściwe sporządza-

nie technicznych warunków przyłączenia do sieci spółki, kontrola

prawidłowości eksploatacji sieci elektroenergetycznych będących

własnością odbiorców).

Odbiorcy energii elektrycznej, których urządzenia nie tolerują

przekraczania wartości normatywnych ustalonych dla standardo-

wych parametrów jakościowych energii elektrycznej, takich jak

znaczne zniekształcenia krzywej napięcia (wysoka zawartość harmo-

nicznych), asymetria zasilania, szybkie zmiany wartości skutecznej

napięcia (flicker) czy zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu,

już w fazie projektowania sieci elektroenergetycznej przedsiębior-

stwa i zawierania ze spółką dystrybucyjną umowy na dostawę energii

powinni wybrać odpowiedni, dostosowany do ich potrzeb układ zasi-

lania, często różniący się znacznie od układu standardowego.

Oczywiście, taki układ może być znacznie droższy − zarówno na

etapie inwestycji, jak i w późniejszej eksploatacji. Odpowiedź na

pytanie, czy warto inwestować w drogie układy specjalne, czy też

10

Rok LXXVII 2009 nr 4

MATERIAŁY KONFERENCYJNE ELSEP 2009

lepiej zadowolić się układem prostym, tańszym, ale nie dającym

gwarancji zachowania wysokiej jakości pobieranej energii elek-

trycznej, można uzyskać po dokonaniu pełnej analizy techniczno-

ekonomicznej przedsięwzięcia. Należy zawsze pamiętać, że każda

poprawnie zbudowana i skonfigurowana sieć elektroenergetyczna

może jedynie ograniczyć przypadki dostarczania odbiorcom energii

elektrycznej nie spełniającej standardów jakościowych, ale nie za-

wsze uchroni całkowicie przed nieprzewidzianymi zakłóceniami.

Jak już wspomniano, bardzo ważnym elementem w procesie zarzą-

dzania jakością energii elektrycznej jest posiadanie sprawnego i wia-

rygodnego monitoringu jej parametrów w punktach węzłowych sieci

dystrybucyjnej i w punktach dostawy energii elektrycznej odbiorcom.

Ze względu na rozległość sieci i dużą liczbę przyłączonych odbior-

ców, monitoring taki powinien wykorzystywać zaawansowane tech-

nologicznie systemy pomiarowe, umożliwiające akwizycję i przetwa-

rzanie danych pomiarowych, oraz dać wiarygodną ocenę parametrów

jakościowych, zgodnie z obowiązującymi normami i przepisami.

Prototyp systemu monitorującego jakość energii elektrycznej zo-

stał zrealizowany w 2004 roku przez Instytut Automatyki Systemów

Energetycznych, przy udziale Zakładu Energetycznego Wrocław.

System obejmuje dwie stacje transformatorowe SN/nN w Rejonie

Energetycznym Środa Śląska. Podstawowym elementem systemu

jest urządzenie do pomiaru, akwizycji, przetwarzania i transmisji

danych SOJE (System Oceny Jakości Energii), opracowane i wy-

konane w Instytucie. Na podstawie doświadczeń z dotychczasowej

eksploatacji systemu monitorującego, pierwotne urządzenie SOJE

zostało znacznie udoskonalone – zarówno pod względem konstruk-

cyjnym, jak i zastosowanego oprogramowania.

Nowe urządzenie SOJE − dzięki precyzji w dokonywaniu pomia-

rów, umiarkowanej cenie, małym gabarytom i przystosowaniu do

pracy w różnych warunkach − nadaje się do wykorzystania zarówno

lokalnie − dla niewielkich, indywidualnych odbiorów komunalnych,

jak i w dużych systemach monitorowania jakości energii elektrycz-

nej, rozmieszczonych na rozległych obszarach, które będą realizo-

wane w bliskiej przyszłości.

Schemat ideowy zinformatyzowanego systemu monitorowania

jakości energii elektrycznej przedstawiono na rysunku. Dyskretne

wartości chwilowe prądu i napięcia pobierane są przez układ po-

miaru i przetwarzania danych, zlokalizowany w pobliżu monitoro-

wanego węzła sieciowego. Po wstępnym przetworzeniu i opatrzeniu

pomiarów dokładnym, uzyskanym z GPS czasem, układ określa

aktualny poziom jakości energii elektrycznej w węźle i przesyła do

systemu nadzoru odpowiednie informacje w postaci plików z bie-

żącymi parametrami jakościowymi oraz z danymi o niesprawności.

Komunikacja pomiędzy układem pomiarowym i jednostką nadrzęd-

ną (serwerem systemu nadzoru) jest interaktywna, a stosowanym

medium transmisyjnym może być sieć komputerowa lub GSM.

Prowadzone obecnie badania jakości energii elektrycznej w wę-

złach sieciowych i w miejscach przyłączenia odbiorców energii

elektrycznej sprowadzają się zwykle do wyrywkowych badań, po-

dejmowanych jako reakcja na złożoną skargę – rzadko są rezulta-

tem planowych działań kontrolnych. Ze względu na dużą liczbę od-

biorców i brak odpowiednich urządzeń pomiarowych, prowadzenie

takiego „ręcznego monitorowania” na dużą skalę jest co najmniej

kłopotliwe.

Powszechne wprowadzenie − w ramach programu „smart meteringu”

− urządzeń umożliwiających pomiar i ocenę jakości energii elektrycznej

powinno doprowadzić do radykalnej zmiany sytuacji. Obecnie główny

problem stanowi cena takich urządzeń, która jednak szybko spada i ze

względu na wymuszoną regulacjami europejskimi powszechność ich

stosowania powinna uzyskać akceptowalny poziom [5].

Należy się spodziewać, że konieczność dotrzymywania standar-

dów jakościowych energii elektrycznej, wynikająca z przesłanek

prawnych i ekonomicznych (znaczne kary pieniężne nakładane na

winnych zaburzeń), spowoduje wzrost zainteresowania sposobami

i środkami prowadzącymi do poprawy w tej dziedzinie. Realizacja

tego celu jest nierozłącznie związana z koniecznością powszechne-

go stosowania systemów monitorowania jakości energii elektrycz-

nej jako jedynego wiarygodnego źródła informacji o rzeczywistym

stanie jakości energii.

LITERATURA

[1] Janiczek R., Wasiluk-Hassa M., Samotyj M.: How much does power quality cost:

views from both sides of the meter. International Conference „Electrical Power

Quality and Utilization”, Kraków 1999

[2] PN-EN 50 160 Charakterystyki napięcia w publicznych sieciach rozdzielczych

[3] Rozporządzenie ministra gospodarki w sprawie szczegółowych warunków przyłą-

czania podmiotów do sieci elektroenergetycznych, pokrywania kosztów przyłącze-

nia, obrotu energią elektryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego

i eksploatacji sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców. Dz.U. 1998

nr 135, poz. 881 (i następne zmiany i uzupełnienia)

[4] Rozporządzenie ministra gospodarki w sprawie szczegółowych zasad kształtowa-

nia i kalkulacji taryf oraz zasad rozliczeń w obrocie energią elektryczną, w tym

rozliczeń z indywidualnymi odbiorcami w lokalach. Dz.U. 1998 nr 153, poz. 1002

(i następne zmiany i uzupełnienia)

[5] Kiernicki J., Bałuka G., Ziaja E.: Monitoring strat energii elektrycznej w elektroener-

getycznych sieciach dystrybucyjnych. Wiadomości Elektrotechniczne 2008 nr 6

A1, A2 – węzły sieciowe (stacje transformatorowe SN/nN) objęte

monitoringiem, B1, B2 – urządzenia do pomiaru parametrów jakości energii

elektrycznej, C – jednostka nadrzędna (serwer), D1, D2 – tory transmisji GSM

Schemat systemu zdalnego monitoringu

jakości energii elektrycznej

w węzłach sieciowych