background image

A

utomatyki przeciwawaryjne i 
poawaryjne spełniają bardzo 

istotną rolę w pracy systemu elek-
troenergetycznego, w aspekcie bez-
pieczeństwa jego funkcjonowania i 
ciągłości dostaw energii. Natomiast 
ich ewentualne nieprawidłowe 
działanie może być przyczyną po-
wstania znacznych strat. Automa-
tyka samoczynnego częstotliwo-
ściowego odciążania (SCO) jest au-
tomatyką prewencyjną, zapobiega-
jącą pogłębieniu się niezbilansowa-
nia mocy generowanej i pobieranej, 
co w konsekwencji może prowadzić 
do wystąpienia poważnej awarii 
systemowej. Natomiast automaty-
ki: samoczynnego załączania rezer-
wy (SZR) i samoczynnego ponow-
nego załączania (SPZ) należą do gru-
py automatyki zabezpieczeniowej 
restytucyjnej, przywracającej stan 
normalnej pracy sieci po wyelimi-
nowaniu lub usunięciu przyczyny 
wywołującej zakłócenie. Ich znacze-
nie jest szczególnie istotne pod 
względem wielkich awarii systemo-
wych, które miały miejsce w Sta-
nach Zjednoczonych i w Europie.   
Środowisko elektroenergetyków, 
odpowiedzialne za właściwą pracę 
elektroenergetycznej automatyki 
zabezpieczeniowej (EAZ), stosunko-
wo ostrożnie wprowadza nowe roz-
wiązania w tym zakresie. Oczekiwa-
ne są rozwiązania niezawodne, w 
coraz większym stopniu przetesto-

wane i dopracowane w każdym 
szczególe. Niemniej jednak postęp 
technologiczny umożliwia realiza-
cję funkcji dotychczas trudnych do 
wykonania lub też wcześniej nie-
osiągalnych. Odpowiednie zastoso-
wanie nowoczesnych urządzeń po-
zwala również na zwiększenie nie-
zawodności działania automatyki 
zabezpieczeniowej.

automatyka samoczynnego często-

tliwościowego odciążania (SCO)

W sytuacji wystąpienia deficy-

tu mocy w obszarze systemu elek-
troenergetycznego, automatyka sa-
moczynnego częstotliwościowego 
odciążania ma za zadanie dopro-
wadzić do odpowiednio szybkiego 
wyłączenia części odbiorów, dzięki 
czemu ma zostać przywrócona rów-
nowaga mocy generowanej i odbie-
ranej. Umożliwia to utrzymanie w 
sytuacji krytycznej pracy generato-
rów synchronicznych i zachowa-
nie zasilania najważniejszych od-
biorów, w tym potrzeb własnych 
elektrowni. Przywracanie równo-
wagi przez zwiększenie mocy wy-
twarzanej, w przypadku znacznego 
niezbilansowania mocy, może oka-
zać się zbyt powolne lub też wręcz 
niedostępne.

Miarą niezbilansowania się 

mocy generowanej i odbieranej 
jest obniżenie się częstotliwości, 
przy czym istotny jest nie tylko 

poziom, ale i szybkość jej zmian. 
W celu realizacji automatyki SCO, 
wystarczy zidentyfikować obniże-
nie się poziomu częstotliwości oraz 
ewentualnie jej gradient i w odpo-
wiednim czasie doprowadzić do 
wyłączenia części odbiorów. Nasta-
wienie liczby i poziomów progów 
częstotliwości, określenie koniecz-
nych do ograniczenia w danym pro-
gu odbieranych mocy, wybór odbio-
rów przewidzianych do wyłączenia, 
wynika z przyjętej przez operatora 
systemu przesyłowego oraz opera-
torów systemów rozdzielczych stra-
tegii w zakresie odciążania. W Pol-
sce system automatyki SCO jest sys-
temem rozproszonym, tzn. pomiar 
częstotliwości i decyzje sterowni-
cze związane z SCO odbywają się 
na poziomie poszczególnych stacji 
elektroenergetycznych. Systemy 
centralne, których działanie może 
być bardziej precyzyjne, bo oparte 
na większej ilości informacji o pra-
cy systemu elektroenergetycznego. 
Wymagają one jednak rozbudowa-
nej sieci teletransmisyjnej, a konse-
kwencje ewentualnej nieprawidło-
wej pracy centralnego SCO mogą 
okazać się bardzo poważne. 

Technika cyfrowa daje moż-

liwość zaimplementowania szyb-
kich, dokładnych i mniej wrażli-
wych na zakłócenia algorytmów 
pomiaru częstotliwości i jej zmian 
w czasie (d

f

/d

t

). Przykładowo w star-

szych przekaźnikach podczęstotli-
wościowych pomiar był fałszowany 
podczas obniżenia się poziomu na-
pięcia pomiarowego. Znikają rów-
nież ograniczenia techniczne i eko-
nomiczne, co do możliwych do zre-
alizowania liczby grup SCO. 

Podczas realizacji automatyki 

SCO na stacji coraz częściej rezygnu-
je się z tradycyjnego układu SCO, w 
którym przekaźniki podczęstotlio-
ściowe montowane były w polach 
pomiaru napięcia rozdzielni śred-
niego napięcia i w przypadku za-
działania wysyłały impulsy wyłącza-
jące do poszczególnych pól odejścio-
wych (liniowych), za pomocą obwo-
dów okrężnych SCO. Niektórzy pro-
ducenci zabezpieczeń [2] proponu-
ją rozwiązanie upraszczające obwo-
dy wtórne stacji, gdzie informacja o 
zadziałaniu funkcji podczęstotliwo-
ściowej z zabezpieczenia zainstalo-
wanego w polu pomiaru napięcia 
wysyłana jest za pomocą cyfrowego 
łącza wykorzystywanego dla realiza-
cji telemechaniki do komputera sta-
cyjnego (koncentratora) i rozsyłana 
dalej kanałami cyfrowymi do zabez-
pieczeń pól liniowych porównują-
cych kod otrzymanej informacji z 
nastawieniami w zakresie SCO (rys. 
1). Jeśli informacja o poziomie ob-
niżenia się częstotliwości odpowia-
da nastawieniom, następuje otwar-
cie wyłącznika w polu. Dostępność 
funkcji w zabezpieczeniach cyfro-

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r   3 / 2 0 0 4

a u t o m a t y k a   z a b e z p i e c z e n i o w a

32

automatyki przeciwawaryjne 

i poawaryjne

nowoczesne rozwiązania

mgr inż. Jacek Floryn – Zakład Energetyczny Wrocław SA

W artykule zaprezentowano aktualnie stosowane, nowoczesne rozwiązania w za-

kresie automatyk samoczynnego załączania rezerwy (SZR), samoczynnego ponow-

nego załączania (SPZ) i samoczynnego częstotliwościowego odciążania (SCO) i w 

stacjach elektroenergetycznych oraz wskazano kierunki ich dalszego rozwoju.

background image

wych umożliwia jeszcze inne podej-
ście do realizacji automatyki SCO. 
Mianowicie pomiar częstotliwości 
i decyzje sterownicze wykonywane 
są w każdym polu liniowym śred-
niego napięcia w stacji głównego za-
silania, przez co zwiększa się nieza-
wodność układu i ogranicza skutki 

ewentualnego błędnego zbędnego 
zadziałania SCO. Wymaga to jednak 
instalacji przekładników napięcio-
wych w każdym polu lub rozpro-
wadzenia obwodów napięciowych 
z pól pomiaru napięcia do wszyst-
kich pól liniowych. 

automatyka samoczynnego 

ponownego załączania (SPZ)

Automatyka SPZ, stosowana w 

polach linii napowietrznych i napo-
wietrzno-kablowych, gdzie oczekuje 
się występowania zwarć przemijają-
cych, ma powodować ponowne za-
łączenie linii po jej wcześniejszym 
wyłączeniu przez jej zabezpiecze-
nia. Ponowne załączenie w cyklu 
automatyki SPZ następuje po upły-
wie krótkiego czasu, zwanego cza-
sem przerwy beznapięciowej. Czas 
ten wynosi 0,4…1,2 sekundy (tzw. 
SPZ szybki) lub kilka (kilkaset) se-
kund (SPZ powolny) i jest niezbęd-
ny dla dejonizacji przestrzeni połu-
kowej, ustania przyczyny wywołują-
cej zwarcie, zadziałania automatyk 
w głębi sieci. W zależności od sposo-
bu impulsowania, rozróżnia się au-

tomatykę SPZ jedno- i trójfazową, a 
w zależności od liczby łączeń jedno- 
i wielokrotną. Skuteczność automa-
tyki SPZ zależy od wielu czynników. 
Część z nich jednocześnie determi-
nuje prawdopodobieństwo wystę-
powania zwarć przemijających. Na 
skuteczność SPZ w sposób istotny 

wpływa czas wyłączenia zwarcia bę-
dący sumą czasu działania zabezpie-
czeń i czasu własnego wyłącznika. 
Dla przykładu: obserwowana sku-
teczność SPZ w sieci 110 kV ZE 
Wrocław SA mieści się w granicach 
72...78 %, natomiast w sieci napo-
wietrzno - kablowej z punktem ze-
rowym uziemionym przez rezystor 
wynosi ona ok. 50% dla zwarć wie-
lobiegunowych i ok. 90% dla zwarć 
doziemnych [1]. Stosowanie auto-
matyki SPZ powoduje zwiększenie 
ciągłości i pewności zasilania od-
biorców, zmniejsza prawdopodo-
bieństwo wypadnięcia z synchro-
nizmu generatorów pracujących w 
połączonym systemie elektroener-
getycznym oraz umożliwia skraca-
nie czasów trwania zwarć.

Współcześnie automatykę SPZ 

realizuje się najczęściej w zabezpie-
czeniu cyfrowym, które integruje 
funkcje zabezpieczeniowe auto-
matyki i często telemechaniki. Roz-
wiązanie takie znacznie upraszcza 
układ obwodów wtórnych w polu 
liniowym i w związku z tym pozy-
tywnie wpływa na niezawodność 

automatyki. Znikają również w ta-
kim przypadku bariery w uzyskaniu 
wymaganego algorytmu działania 
SPZ – możliwości nastawcze są za-
zwyczaj bardzo szerokie. Duża ela-
styczność urządzeń cyfrowych wy-
wołuje uzależnienia działania au-
tomatyki SPZ od rodzaju zwarcia. 
I tak w sieciach średniego napięcia 
można wykonywać większą liczbę 
prób załączenia linii w przypadku 
zadziałania zabezpieczeń ziemno-
zwarciowych, a poprzestać na jed-
nokrotnym SPZ w przypadku wy-
stąpienia zwarć wielobiegunowych, 
których prawdopodobieństwo prze-
minięcia jest mniejsze. Dzięki temu 
możliwe jest podniesienie skutecz-
ności automatyki SPZ, nie naraża-
nie wyłączników na częstsze przery-
wanie prądów zwarciowych, a także 
ograniczenie liczby zapadów napię-
cia wywołanych zwarciami. Zdecy-
dowanemu uproszczeniu, przy za-
stosowaniu zabezpieczeń cyfro-
wych, ulega układ obwodów wtór-

nych pola linii wysokiego napięcia, 
gdzie z reguły stosowany jest układ 
jednofazowej i trójfazowej automa-
tyki SPZ. Złożony jest on z wielu 
przekaźników i skomplikowanych 
obwodów i dlatego zostaje zastąpio-
ny zintegrowanym urządzeniem re-
alizującym funkcje zabezpieczenio-
we, wybór faz i logikę SPZ. Wyko-
rzystując jego bogate funkcje, moż-
na łatwo realizować kontrolę syn-
chronizmu lub obecności napięcia 
na linii, przy załączaniu w cyklu 
automatyki SPZ. Podobnie, dzięki 
logice wewnętrznej zabezpieczeń, 
można blokować załączenie w cy-
klu SPZ, w przypadku obecności na-
pięcia na linii SN współpracującej z 
elektrownią lokalną. W celu przy-
spieszenia i zwiększenia selektyw-
ności pracy zabezpieczeń linii wy-
sokich napięć coraz częściej wyko-
rzystuje się łącza telekomunikacyj-
ne do realizacji funkcji telezabez-
pieczeń. Nowoczesne terminale, bo 
tak coraz powszechniej nazy-

Rys. 1  Idea rozwiązania układu SCO z wykorzystaniem magistrali cyfrowej kanału telemechaniki

33

a u t o m a t y k a   z a b e z p i e c z e n i o w a

34

background image

wa się zabezpieczenia integrujące 
bogate funkcje zabezpieczeniowe 
i automatyki z funkcjami sterow-
niczymi oraz telemechaniki i reje-
stracji, dają bardzo elastyczną moż-
liwość programowania działania au-
tomatyki SPZ, w powiązaniu z logi-
ką wspomnianych układów teleza-
bezpieczeń. 

automatyka samoczynnego 

załączania rezerwy (SZR)

Automatyka SZR odgrywa bar-

dzo istotną rolę w zakresie zwięk-
szania pewności zasilania odbior-
ców – przerwa związana z cyklem 
przełączania jest zazwyczaj krót-
ka. Automatyka SZR pozwala na 
utrzymywanie bezpieczniejszych 
układów sieciowych, choćby pod 
względem mocy zwarciowych. Jej 
funkcją jest załączenie źródła re-
zerwowego w przypadku zaniku 
zasilania ze źródła podstawowego. 
Przy załączaniu źródła rezerwowe-
go musi być uwzględniony fakt, że 
załączenie pewnych odbiorów po-
winno być poprzedzone spełnie-
niem pewnych warunków lub też 
w ogóle jest niedopuszczalne. Do-
tyczy to kilku ciągów technologicz-
nych, które nawet po bardzo krót-
kiej przerwie nie mogą być ponow-
nie samoczynnie załączane, a tak-
że maszyn wirujących. Automa-
tykę SZR realizuje się obecnie za 
pomocą:

ƒ

 Wyspecjalizowanych automatów 

SZR, które identyfikują potrzebę 
działania SZR i wykonują założo-
ną logikę przełączeń. Często po-
siadają one możliwość dowolnej 
konfiguracji, czyli elastycznego 
ustalania przez projektanta logiki 
działania układu.

ƒ

 Terminali  zabezpieczeniowych 

wyposażonych w funkcje zabez-
pieczeń napięciowych wraz z bo-
gatą programowalną logiką wew-

nętrzną, spełniających jednocze-
śnie inne funkcje zabezpieczenio-
we (np. zabezpieczeń nadprądo-
wych w polu sprzęgła).

ƒ

  Komputera stacyjnego z zaprogra-

mowaną sekwencją łączeniową, w 
powiązaniu z sygnałami z zabez-
pieczeń napięciowych. 

ƒ

 Typowych sterowników progra-

mowalnych.

Wybór rozwiązania zależny jest 

od wymagań stawianych układowi 
SZR, w tym dotyczących niezawod-
ności, oczekiwanej logiki działania i 
jej złożoności. Często istotną rolę w 
wyborze odgrywają względy eksplo-
atacyjne i przyzwyczajenia persone-
lu obsługi. Dedykowane urządzenia 
pozwalają na realizację bardzo wy-
rafi nowanych układów SZR. Prze-
łączanie między kilkoma źródłami, 
kontrola obecności napięcia reszt-
kowego, wybór optymalnego cza-
su załączenia źródła rezerwowego 
przestały być problemem. Realizuje 
się przełączenia quasi synchronicz-
ne i poszukuje się nowych kryte-
riów działania automatyki SZR [3]. 
Proponuje się sterowniki SZR, któ-
rych kryterium działania, oprócz 
obniżenia poziomu napięcia i kry-
terium wyłącznikowego, jest szyb-
kość obniżenia się napięcia zasila-

nia. Dla układów zasilania silników 
elektrycznych dostępne są urządze-
nia SZR wybierające najkrótszy z 
możliwych bezpiecznych dla ma-
szyn wirujących momentów załą-
czenia rezerwy. Wykonuje się rów-
nież automatyki adaptacyjne, któ-
rych logika działania jest uzależnio-
na od warunków pracy układu zasi-
lania. Głównym celem tych nowych 
układów SZR jest skracanie czasów 
opóźnienia załączania zasilania za 
źródła rezerwowego. 

Układ automatyki SZR z wy-

korzystaniem zabezpieczeń cyfro-
wych, zainstalowanych w polach 
łączników szyn, w polach pomia-
ru napięcia i transformatorów za-
silających, które można nazwać 
układem rozproszonym, ma tą za-
letę, że upraszcza obwody wtórne 
i nie wymaga dedykowanego urzą-
dzenia SZR. Nową jakość mogą za-
oferować układy SZR współpracują-
ce z łącznikami energoelektronicz-
nymi. Wyeliminowanie łączników 
z klasycznymi stykami daje możli-
wość przełączania zasilania w cza-
sie zaledwie kilku milisekund. Łącz-
niki takie są budowane dla napięć 
nie przekraczających kilkudziesię-
ciu kilowoltów.

wnioski

Automatyki SCO, SPZ, SZR 

mają istotne znaczenie dla obro-
ny systemu elektroenergetyczne-
go przed awarią systemową oraz 
wpływają na pewność i jakość do-
staw energii. Idea wielu algoryt-
mów realizacji tych automatyk po-
została od dziesięcioleci niezmie-
niona. Zastosowanie techniki cy-
frowej, która dziś nie jest niczym 
nowym w układach elektroenerge-
tycznej automatyki zabezpieczenio-
wej, pozwoliło na prostszą i precy-
zyjniejszą realizację funkcji zabez-
pieczeniowych i automatyk. Moż-

liwe stało się też wykonywanie 
funkcji, których realizacja w prze-
szłości była niemożliwa lub bardzo 
kosztowna. Integracja wielu funk-
cji w zabezpieczeniach doprowadzi-
ła do znacznego uproszczenia ukła-
dów automatyk w obiektach energe-
tycznych. Wciąż jeszcze istnieją wy-
zwania wynikające z implementa-
cji techniki mikroprocesorowej w 
automatyce elektroenergetycznej, 
ponieważ wiele rozwiązań wyma-
ga udoskonalenia, czego wyrazem 
są poglądy środowiska naukowców 
oraz specjalistów związanych z eks-
ploatacją EAZ, że technika cyfrowa 
nie do końca spełniła związane z 
nią oczekiwania [4].

literatura

1.

 Floryn J., Zabezpieczenia ziemno-

zwarciowe w sieci średniego na-
pięcia uziemionej przez rezystor – 
doświadczenia eksploatacyjne, VI 
Konferencja Naukowo - Technicz-
na Automatyzacja Sieci rozdziel-
czej Krajowego Systemu Elektro-
energetycznego - zbiór referatów, 
Zamość 2002. 

2.

 Zabezpieczenie Ex-BEL_Z2U, Do-

kumentacja techniczna, Elkom-
tech S.A. 2000.

3.

 Głowocz R., Poprawa niezawod-

ności zasilania odbiorów poprzez 
wykorzystanie nowych funkcji 
skracających czas działania urzą-
dzeń SZR, I Konferencja Nauko-
wo - Techniczna Diagnostyka w 
sieciach elektroenergetycznych 
zakładów przemysłowych, Płock 
2000. 

4.

 Kockot MJ, Experiences In The Al-

location And Grouping of Func-
tions In Integrated Protection And 
Control Systems: Lessons Ler-
ned,  Trends, And Future Require-
ments, CIGRE Study Committee 
34 Colloquium And Meetig, Flo-
rence, Italy 1999.

Rys. 2  Zabezpieczenia cyfrowe integrują w 

sobie wiele funkcji w tym automa-

tykę SPZ

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r   3 / 2 0 0 4

a u t o m a t y k a   z a b e z p i e c z e n i o w a

34

33