1
1. Wprowadzenie do problemów jako
ś
ci energii elektrycznej (JEE) w
układach elektroenergetycznych
Wykład jest po
ś
wi
ę
cony zagadnieniom wła
ś
ciwo
ś
ci (jednej z cech) energii
elektrycznej nazywanej jako
ś
ci
ą
. Poniewa
Ŝ
energia elektryczna, zale
Ŝ
nie od
ś
rodowiska,
mo
Ŝ
e by
ć
analizowana w
ró
Ŝ
nych
kategoriach
techniczno-
ekonomicznych, zatem i jej jako
ść
mo
Ŝ
na rozpatrywa
ć
stosownie do wymaga
ń
i celu
tych analiz.
W ramach wykładu b
ę
d
ą
rozwa
Ŝ
ane zagadnienia jako
ś
ci energii elektrycznej (dalej,
JEE) powi
ą
zane w du
Ŝ
ej mierze z dwoma kategoriami analiz, a mianowicie:
-
transakcjami na rynku energii elektrycznej, na którym energia elektryczna jako
specyficzny towar (produkt) jest obj
ę
ta warunkami umów zawieranych przez
strony,
-
kwestiami przyczyn niewła
ś
ciwej JEE oraz oddziaływania JEE (a wła
ś
ciwie
warto
ś
ci parametrów JEE) na funkcjonowanie urz
ą
dze
ń
i układów
elektroenergetycznych.
W umowach dotycz
ą
cych energii elektrycznej, podobnie jak innych towarów, powinny
by
ć
okre
ś
lone m. in. postanowienia nast
ę
puj
ą
ce: miejsce jej dostarczenia, planowana
ilo
ść
w czasie oraz jako
ść
jej dostarczania (w tym parametry JEE). Dodatkowo dla
energii elektrycznej okre
ś
la si
ę
moc umown
ą
. Przykładami takich umów mog
ą
by
ć
:
umowa kompleksowa, umowa sprzeda
Ŝ
y energii elektrycznej odbiorcy czy umowa o
ś
wiadczenie usług dystrybucji energii elektrycznej.
Charakterystycznymi miejscami w układach elektroenergetycznych analiz i oceny
jako
ś
ci energii elektrycznej (dalej JEE), o których mowa w umowach, s
ą
miejsca jej
dostarczania do odbiorców.
Wyznaczanie JEE, w odró
Ŝ
nieniu od wi
ę
kszo
ś
ci produktów dost
ę
pnych na rynku, jest
trudniejsze co najmniej z trzech powodów. Po pierwsze, wła
ś
ciwo
ś
ci energii
elektrycznej nie mo
Ŝ
na oceni
ć
za pomoc
ą
zmysłów, co jest mo
Ŝ
liwe w przypadku
wielu innych produktów. Do okre
ś
lenia JEE konieczne s
ą
standardowe procedury
oraz przyrz
ą
dy pomiarowe. Po drugie, pełna ocena JEE, a wła
ś
ciwie jej poziomu
okre
ś
lonego w umowie, jest mo
Ŝ
liwa przy zapewnieniu ci
ą
głego monitorowania
parametrów kolejnych jej porcji, w przedziałach czasowych ustalonych w
procedurach pomiarowych. Po trzecie, na pogorszenie JEE w miejscach jej
dostarczania, mog
ą
wpływa
ć
jej odbiorcy, zaburzaj
ą
c niektóre jej parametry (np.
przebiegi sinusoidalne pr
ą
dów i napi
ęć
). Wymienione oddziaływanie podnosi problem
odpowiedzialno
ś
ci stron (dostawcy i odbiorcy) za JEE.
Analizy przyczyn niewła
ś
ciwej JEE oraz oddziaływania JEE na funkcjonowanie
urz
ą
dze
ń
i układów elektroenergetycznych s
ą
powi
ą
zane z poj
ę
ciem zaburze
ń
elektromagnetycznych (zaburzenia napi
ę
cia lub pr
ą
du). Zaburzeniem okre
ś
la si
ę
ka
Ŝ
de odst
ę
pstwo od idealnych parametrów napi
ę
cia albo pr
ą
du, tzn. ich przebiegów
sinusoidalnych, warto
ś
ci znamionowych napi
ę
cia oraz symetrii. Posta
ć
tych
odst
ę
pstw jest zró
Ŝ
nicowana, tym nie mniej mo
Ŝ
na je umownie pogrupowa
ć
w
sposób nast
ę
puj
ą
cy : 1) ci
ą
głe przewodzone i emisyjne, niskocz
ę
stotliwo
ś
ciowe (do
10 kHz), 2) ci
ą
głe i emisyjne wysokocz
ę
stotliwo
ś
ciowe, 3) oscylacje, 4) impulsy i
załamania w przebiegach napi
ęć
i pr
ą
dów.
Utrzymanie parametrów idealnych energii elektrycznej nie jest mo
Ŝ
liwe w praktyce,
dlatego dopuszcza si
ę
margines zaburze
ń
, który nie powinien wpływa
ć
na poprawn
ą
prac
ę
wi
ę
kszo
ś
ci urz
ą
dze
ń
i układów elektroenergetycznych. Margines zaburze
ń
jest
powi
ą
zany w du
Ŝ
ym stopniu z poj
ę
ciem kompatybilno
ś
ci elektromagnetycznej,
u
Ŝ
ywanej w normach EN- 61000- x (x okre
ś
la numer arkusza normy).
2
Kompatybilno
ść
elektromagnetyczna urz
ą
dzenia/układu jest to jego zdolno
ść
do
prawidłowego działania w danym
ś
rodowisku elektromagnetycznym oraz nie
emitowania do tego
ś
rodowiska zaburze
ń
elektromagnetycznych, mog
ą
cych
powodowa
ć
zakłócenia w pracy innych urz
ą
dze
ń
/układów. Zatem, dwa podstawowe
aspekty charakteryzuj
ą
ce kompatybilno
ść
obiektu to :
- odporno
ść
urz
ą
dzenia/układu na zaburzenia elektromagnetyczne,
- emisja zaburze
ń
elektromagnetycznych przez urz
ą
dzenia/układy.
Na rys. 1, linami poziomymi, zilustrowano granice minimalnej odporno
ś
ci (linia nr 2)
oraz maksymalnej emisji zaburze
ń
(linia nr 3) dla urz
ą
dzenia/układu. Linie nr 1 oraz 2
okre
ś
laj
ą
odpowiednio bie
Ŝą
cy poziom odporno
ś
ci oraz emisji zaburze
ń
.
Rys. 1. Granice kompatybilno
ś
ci elektromagnetycznej urz
ą
dzenia/układu
Wymienione
granice
odporno
ś
ci
i
emisji
zaburze
ń
znajduj
ą
arbitralne
odzwierciedlenie w normatywach dopuszczalnych parametrów JEE w miejscach jej
dostarczania. Dla odbiorców powy
Ŝ
sze wymagania przedstawiono na rys. 2
Poziomy
kompatybilno
ś
ci
Wymagania w zakresie
oddziaływa
ń
na sie
ć
Wymagania w
zakresie odporno
ś
ci
odbiorców i
urz
ą
dze
ń
Metody testowania
i oceny, pomiary
Limity oddziaływa
ń
odbiorców
Rozwi
ą
zania
zwi
ę
kszaj
ą
ce
odporno
ść
odbiorców
i urz
ą
dze
ń
Limity oddziaływa
ń
urz
ą
dze
ń
Rozwi
ą
zania dla
odbiorców i urz
ą
dze
ń
w zakresie
dotrzymania limitów
oddziaływa
ń
na sie
ć
Rys. 2. Ilustracja zagadnie
ń
kompatybilno
ś
ci elektromagnetycznej w odniesieniu do
odbiorców
Zaburzenia (zakłócenia)
Poziom
zaburzeń
1
2
3
4
3
Analizy przyczyn niewła
ś
ciwej JEE oraz oddziaływania JEE umo
Ŝ
liwiaj
ą
poznanie
ź
ródeł zaburze
ń
elektrycznych, b
ę
d
ą
cych elementami opisu JEE, reakcji urz
ą
dze
ń
i
układów elektroenergetycznych na zaburzenia elektryczne oraz okre
ś
lenie działa
ń
przeciwdziałaj
ą
cych czy zmniejszaj
ą
cych poziomy zaburze
ń
i ich negatywne
oddziaływania.
Jak ju
Ŝ
nadmieniono, JEE mo
Ŝ
na analizowa
ć
odr
ę
bnie lub jako jeden z aspektów
wi
ę
kszego zagadnienia dotycz
ą
cego odbiorców, które w literaturze przedmiotu
nazywa si
ę
jako
ś
ci
ą
dostarczania energii elektrycznej albo jako
ś
ci
ą
zasilania energi
ą
elektryczn
ą
. Zgodnie z klasyfikacj
ą
uznawan
ą
przez Rad
ę
Europejskich Regulatorów
Energii (CEER) w jako
ś
ci dostarczania energii elektrycznej mo
Ŝ
na wyró
Ŝ
ni
ć
trzy jej
aspekty; s
ą
to : JEE, ci
ą
gło
ść
dostarczania energii oraz jako
ść
obsługi odbiorców.
Powy
Ŝ
sze aspekty jako
ś
ci dostarczania energii elektrycznej zilustrowano na rys. 3.
Dodatkowo przedstawiono powi
ą
zanie odbiorców z JEE (linia przerywana).
Wiadomo,
Ŝ
e podstawowymi parametrami energii elektrycznej s
ą
napi
ę
cie i pr
ą
d
elektryczny. Zatem parametry tych dwóch wielko
ś
ci powinny charakteryzowa
ć
JEE.
W praktyce dominuje analiza i ocena JEE na podstawie parametrów napi
ę
cia. Tylko
nieliczne kraje, np. Wielka Brytania, uwzgl
ę
dniaj
ą
w ocenie JEE dostarczanej
odbiorcom normatywy dla wy
Ŝ
szych harmonicznych pr
ą
dów.
CIĄGŁOŚĆ DOSTAW ENERGII
JAKOŚĆ
ENERGII
ELEKTRYCZNEJ
JAKOŚĆ UśYTKOWANIA
ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Parametry napięcia
elektrycznego
Parametry prądu
elektrycznego
Jakość usług
Zachowanie odbiorcy
JAKOŚĆ OBSŁUGI ODBIORCÓW
Rys. 3. Ilustracja aspektów jako
ś
ci dostarczania odbiorcom energii elektrycznej
Jednym z powodów powszechnego okre
ś
lania JEE na podstawie parametrów
napi
ę
cia jest mo
Ŝ
liwo
ść
ustalenia standardów oceny jego parametrów w sposób
uniwersalny, odnosz
ą
cy si
ę
do du
Ŝ
ych grup odbiorców.
Na rys. 4 przedstawiono elementy składowe aspektów jako
ś
ci dostarczania energii
elektrycznej w warunkach krajowych, w których JEE odzwierciedla jako
ść
parametrów napi
ę
cia.
4
Jako
ść
dostarczania
energii elektrycznej
Obsługa odbiorców
Ci
ą
gło
ść
dostaw
Parametry
napi
ę
cia elektrycznego
Przerwy planowe
Przerwy
nieplanowe :
- mikroprzerwy (do 1 s),
- krótkie (do 3 min),
- długie (do 12 h)
Cz
ę
stotliwo
ść
Warto
ś
ci skuteczne
napi
ę
cia
Zmiany napi
ę
cia
(odchylenia, zapady,
wahania, podskoki, przepi
ę
cia)
Odkształcenia
sinusoidy (harmoniczne)
Asymetria
Zgłoszenia, reklamacje i
skargi
Usuwanie zakłóce
ń
w
dostawach energii
Powiadamianie o
przerwach planowych
Upusty za niedotrzymanie
warunków dostaw energii
Udzielanie informacji w
zakresie dostaw energii
Forma i tryb rozlicze
ń
energii
Warunki przył
ą
czania odbiorców
do sieci elektroenergetycznych
- bardzo długie (do 24 h)
- katastrofalne (od 24 h)
Rys. 4. Elementy składowe podstawowych aspektów jako
ś
ci dostarczania energii
elektrycznej
Warto podkre
ś
li
ć
,
Ŝ
e w jako
ś
ci napi
ę
cia na rys. 4 nie wyst
ę
puje jako element
składowy przerwa napi
ę
ciowa. Zdaniem prowadz
ą
cego wykład przerwa ta stanowi
naturalny składnik opisu ci
ą
gło
ś
ci dostaw energii elektrycznej wi
ę
c powinna
charakteryzowa
ć
ten aspekt jako
ś
ci dostarczania energii elektrycznej. W
ś
wietle
powy
Ŝ
szego, dla odró
Ŝ
nienia zmian napi
ę
cia od przerwy napi
ę
ciowej za kryterium ich
podziału przyjmuje si
ę
warto
ść
napi
ę
cia równ
ą
1 % napi
ę
cia deklarowanego. Z reguły
napi
ę
cie deklarowane jest równe napi
ę
ciu znamionowemu. Podana warto
ść
graniczna została zaczerpni
ę
ta z normy PN-EN 50 160.
Uwzgl
ę
dniaj
ą
c tylko napi
ę
cie, definicj
ę
JEE mo
Ŝ
na sformułowa
ć
nast
ę
puj
ą
co :
JEE jest to własno
ść
(cecha) energii elektrycznej wyra
Ŝ
ona przez stopie
ń
zgodno
ś
ci
warto
ś
ci parametrów napi
ę
cia zasilaj
ą
cego, wyznaczanych według obowi
ą
zuj
ą
cych
standardów, z dopuszczalnymi warto
ś
ciami normatywnymi tych parametrów.
W uj
ę
ciu metodycznym, abstrahuj
ą
c od preferencji praktyki, w definicji JEE, obok
napi
ę
cia, nale
Ŝ
y wymienia
ć
równie
Ŝ
parametry pr
ą
du.
W wi
ę
kszo
ś
ci krajów europejskich zbiór parametrów napi
ę
cia składaj
ą
cych si
ę
na
JEE i obj
ę
tych regulacjami jest bardo podobny. S
ą
to wielko
ś
ci nast
ę
puj
ą
ce :
cz
ę
stotliwo
ść
, ró
Ŝ
ne zmiany warto
ś
ci napi
ę
cia (odchylenia, wahania, zapady, itp.),
wy
Ŝ
sze harmoniczne oraz asymetria w układach trójfazowych.
To podobie
ń
stwo wynika z faktu,
Ŝ
e ich
ź
ródłem pierwotnym w wielu krajach jest ten
sam dokument, a mianowicie norma EN 50 160.
Ko
ń
cow
ą
ocen
ę
JEE zazwyczaj dokonuje si
ę
na skali dwustanowej, składaj
ą
cej si
ę
z
jako
ś
ci poprawnej oraz jej przeciwie
ń
stwa - jako
ś
ci niepoprawnej.
5
Niepoprawna JEE oddziaływuje negatywnie na funkcjonowanie odbiorników/układów
elektroenergetycznych i prowadzi do strat (rys. 5).
Rys. 5. Skutki niewła
ś
ciwej jako
ś
ci energii elektrycznej
Przyporz
ą
dkowywanie badanych parametrów napi
ę
cia jednemu z tych stanów nie
jest obiektywne i zale
Ŝ
y od zastosowanego kryterium klasyfikacji parametrów.
W literaturze przedmiotu przewa
Ŝ
a kryterium klasyfikacji, wg którego JEE jest
niepoprawna wtedy, gdy co najmniej jeden z parametrów napi
ę
cia nie spełnia
normatywnych zmian dopuszczalnych. Jest to prosty w zastosowaniu sposób oceny,
który jednak zakłada,
Ŝ
e stopie
ń
negatywnego oddziaływania poszczególnych
parametrów JEE na prac
ę
urz
ą
dze
ń
elektrycznych jest zbli
Ŝ
ony, co nie znajduje
potwierdzenia w praktyce.
Nale
Ŝ
y zauwa
Ŝ
y
ć
,
Ŝ
e w klasyfikacji parametrów napi
ę
cia do stanu jako
ś
ci poprawnej
lub niepoprawnej wa
Ŝ
n
ą
rol
ę
odgrywaj
ą
dopuszczalne poziomy zmian parametrów.
Małe dopuszczalne zmiany parametrów JEE b
ę
d
ą
wymuszały na dostawcach
działania techniczo-ekonomiczne prowadz
ą
ce do poprawy JEE i odwrotnie
zwi
ę
kszanie zakresu dopuszczalnych zmian parametrów zwalnia dostawców z tych
działa
ń
i b
ę
dzie powodowa
ć
pogarszanie JEE dostarczanej odbiorcom. Z opisanego
zwi
ą
zku JEE i dopuszczalnych zmian parametrów wynika, ze poza szczególnymi
przypadkami rozstrzyganymi arbitralnie tylko w kategoriach technicznych (np.
zagro
Ŝ
enie
Ŝ
ycia ludzi), powinno si
ę
korzysta
ć
z kryteriów obiektywnych przy
ustalaniu limitów parametrów. Do nich zalicza si
ę
kryterium ekonomiczne, a
konkretnie, np. całkowite koszty roczne. Koszty te zawieraj
ą
dwa składniki zale
Ŝ
ne
od poziomu JEE, tj. koszty ponoszone przez dostawców oraz koszty zewn
ę
trzne -
koszty strat jakie mog
ą
wyst
ą
pi
ć
u odbiorców. Pogl
ą
dowo, uwzgl
ę
dniaj
ą
c jedynie
charakter wymienionych kosztów, ich sumaryczn
ą
wielko
ść
w zale
Ŝ
no
ś
ci od poziomu
JEE R przedstawiono na rys. 6. Poniewa
Ŝ
kierunki zmian rozpatrywanych kosztów s
ą
przeciwne - koszty dostawców rosn
ą
, natomiast koszty strat odbiorców malej
ą
-
istnieje taki optymalny poziom JEE, któremu odpowiadaj
ą
minimalne koszty
całkowite. Te metodyczne rozwa
Ŝ
ania, zilustrowane syntetycznie na rys. 6, s
ą
trudne
do powszechnego stosowania w praktyce. Bowiem nie s
ą
znane, z powodu wielu
barier w ich wyznaczaniu, ogólne zale
Ŝ
no
ś
ci na ww. koszty w funkcji poziomu JEE.
Niepoprawna JEE
Zakłócenia w pracy
urz
ą
dze
ń
/układów
Awaria
Zagro
Ŝ
enie dla
Ŝ
ycia i
ś
rodowiska
Straty ekonomiczne
6
100 %
Rys. 6. Zale
Ŝ
no
ść
kosztów od poziomu JEE R
Mimo zasygnalizowanych problemów z wyznaczaniem ogólnej zale
Ŝ
no
ś
ci na koszty,
JEE nale
Ŝ
y rozpatrywa
ć
nie tylko jako kategori
ę
techniczn
ą
ale równie
Ŝ
jako
kategori
ę
ekonomiczn
ą
, która powinna by
ć
brana pod uwag
ę
w rozwi
ą
zywaniu
zagadnie
ń
o charakterze lokalnym, np. doborze filtrów do kompensacji wy
Ŝ
szych
harmonicznych pr
ą
dów. Ogóln
ą
procedur
ę
rozwi
ą
zywania problemów JEE w uj
ę
ciu
techniczno-ekonomicznym przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Ogólna procedura rozwi
ą
zywania problemów JEE
Rodzaj problemu
(Kategoria zaburzeń)
Zaburzenia o stanach
ustalonych
Zaburzenia przejściowe, w tym
w formie oscylacji i impulsów
Przyczyny
Charakterystyki
Zbadanie ilościowe
problemu
Pomiary (metody, środki)
/ gromadzenie i
przetwarzanie danych
Skutki
(oddziaływanie)
Ustalenie moŜliwych
miejsc i środków
rozwiązania problemu
Sieć
rozdzielcza
dostawcy
Sieć
rozdzielcza
odbiorcy
Rodzaj urządzeń
elektrycznych /
budowa, wymagania
Zestawienie
przedsięwzięć
technicznych
Modelowanie/Procedury
analityczne
Określenie wariantów
przedsięwzięć
Wybór optymalnego
przedsięwzięcia
technicznego
Ocena efektywności ekonomicznej wariantów przedsięwzięć
W ostatnich latach obserwuje si
ę
szybki wzrost zainteresowania zagadnieniami
jako
ś
ci energii elektrycznej w miejscach przeł
ą
czenia do sieci jej u
Ŝ
ytkowników. Jest
7
to spowodowane przyczynami nast
ę
puj
ą
cymi : przekształceniami sektorowymi,
wprowadzeniem zasady TPA, wzrostem znaczenia umów podpisywanych przez
odbiorców, wzrostem liczby i mocy odbiorników nieliniowych, masowym
instalowaniem urz
ą
dze
ń
elektrycznych z elementami elektronicznymi oraz sprz
ę
tu
informatycznego, dost
ę
pem do coraz ta
ń
szych analizatorów parametrów JEE,
zapotrzebowaniem na energi
ę
elektryczn
ą
o wysokim poziomie jako
ś
ci przez
niektórych odbiorców, przył
ą
czaniem do sieci rozdzielczych
ź
ródeł rozproszonych, m.
in. elektrowni wiatrowych, elektrowni fotowoltaicznych.