SPOĽAHLIVOSŤ SIETE AKO FUNKCIA VÝKONOVÉHO TOKU A KONFIGURÁCIE POČAS ÚDRŽBY
RELIABILITY OF THE GRID AS FUNCTION OF POWER FLOW AND CONFIGURATION DURING MAINTENANCE
Kovács, Z.*, Hlaváč, P.
RELKO spol. s r.o., Račianska 75, P.O.BOX 95, 830 08 Bratislava [email protected]
Janíček, F.
FEI STU Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava 1 [email protected]
Abstrakt: Referát popisuje využitie PSA (Probabilistic Safety Assessment - Pravdepodobnostná analýza bezpečnosti) na analýzu čiastočného alebo úplného rozpadu siete pre rôzne výkonové toky a konfigurácie siete, ktoré vznikajú vplyvom preventívnej údržby. Využíva sa metóda stromov udalostí a stromov porúch v kombinácii s analýzou dynamickej stability sústavy. Stromy udalostí modelujú reakciu siete na iniciačnú udalosť havárie.
Stromy porúch sa využívajú na modelovanie spoľahlivosti ochrán a systémov elektrických staníc. Koncové stavy reťazcov stromov udalostí sú simulované pomocou dynamickej analýzy stability ako stavy bezpečné a núdzové alebo stavy s čiastočným alebo úplným rozpadom siete. Generujú sa minimálne kritické rezy a počítajú sa miery dôležitosti (Fussell-Veselyho dôležitosť, faktor zvýšenia rizika, faktor zníženia rizika, atď.) pre čiastočný a úplný rozpad siete. Identifikujú sa dominantné iniciačné udalosti a dominantné poruchy prvkov z hľadiska rizika. Je zostavený PSA model elektrizačnej prenosovej sústavy. Model bude zapracovaný do softvéru monitora rizika za účelom analýzy vplyvu rôznych výkonových tokov a rôznych konfigurácií sústavy na jej dynamickú stabilitu.
Dostávame tak účinný nástroj na rozvoj, podporu prevádzky a plánovanie údržbových činností sústavy.
Kľúčové slová: pravdepodobnostné hodnotenie bezpečnosti, strom udalostí, strom porúch, ochrany vedenia.
1 ÚVOD
Tento referát bol spracovaný na základe výsledkov 2. etapy riešenia projektu „Vývoj a dodávka plnorozsahového monitora rizika na hodnotenie straty stability elektrizačnej sústavy SR“. Cieľom projektu je rozšírenie existujúceho PSA modelu ES SR (vyvinutého v rámci APVV v rokoch 2008-2010), ktorý je základom pre tvorbu plnorozsahového monitora rizika. PSA model sústavy sa rozširuje tak, aby obsahoval detailný model ES formou stromov udalostí a stromov porúch v programe RISK SPECTRUM PSA.
Plnorozsahový PSA model ma obsahovať:
1. Prenosovú sústavu v rozsahu:
o vnútorná prenosová sieť 400 a 220 kV, o medzištátne prepojenia 400 a 220 kV, o transformácia 400/220 kV,
o transformácie 400/110 a 220/110 kV, ktoré zásobujú distribučné sústavy a veľkoodberateľov na nižšej napäťovej úrovni.
2. Všetky rozhodujúce iniciačné udalosti havárií (skrat na vedeniach a prípojniciach elektrických staníc, výpadok vedení, prípojníc, výrobných zdrojov a odberateľov, vplyv extrémnych meteorologických podmienok, atď.).
3. Dominantné výkonové toky (štatisticky evidované a potenciálne možné).
4. Dominantné konfigurácie sústavy pre plánovanú údržbu.
Plnorozsahový model má uvažovať aj také vplyvy, ktoré neboli zohľadnené v zjednodušenom modeli, zostavenom v rámci APVV projektu, napr.:
- vplyv ľudského činiteľa (dispečera) na priebeh prechodového javu pri iniciačných udalostiach s dostatočným časom na zásah (napr. pri poklese alebo zvýšení frekvencie),
- miesta a doby trvania skratov na vedeniach, - skryté poruchy a neselektívne vypínanie ochrán, - skraty na vedeniach v blízkosti generátorov, atď.
Tento referát je zameraný na tú časť modelovania, ktorá zohľadňuje zmeny výkonových tokov a zmeny konfigurácií sústavy vplyvom preventívnej údržby zariadení. Uvádza len postup modelovania bez prezentácie výsledkov, ktoré budú k dispozícii až v ďalších etapách riešenia projektu.
2 IMPLEMENTÁCIA ZMENY VÝKONOVÉHO TOKU DO PSA MODELU 2.1 Spoľahlivosť ako funkcia výkonového toku
Uvažujme dve sústavy, ktoré majú prepojenia zložené z viacerých paralelných vedení a rozvodní (obr. 1a).
V prípade, keď je energetická výmena medzi sústavami minimálna alebo takmer nulová, sú obidve sústavy sebestačné a od spoľahlivosti prenosovej trasy nezávislé. Prijímacia sústava sa pri zvyšovaní energetického prenosu postupne stáva stále viac závislou od prenášanej elektrickej energie a prenosovej trasy.
Prahovou hodnotou je, keď import elektrickej energie cez prenosovú trasu prekročí miestne zálohy. Ak sa import elektrickej energie z nejakého dôvodu preruší, potom už prijímacia sústava nezíska opäť rovnováhu so svojimi miestnymi výrobnými zdrojmi. Môže dôjsť dokonca k jej úplnému rozpadu.
Rovnako ako výrobné zálohy je dôležitá aj pohotovosť prenosových záloh, nakoľko import elektrickej energie zo susednej sústavy je alternatíva k miestnym výrobným zdrojom. V takej situácii je nutné klásť zvýšenú požiadavku na spoľahlivosť prenosovej trasy, pretože prijímacia sústava je od nej závislá.
Spoľahlivosť prenosovej trasy je teda funkciou výkonového toku. Na obr. 1b je uvedený príklad analýzy spoľahlivosti prenosovej trasy. Krivku možno považovať za indikátor okamžitého rizika rozpadu trasy prenosu a prijímacej sústavy. Riziko postupne narastá a jednotlivé nepredvídané udalosti vedú k rozpadu sústavy. Riziko sa ešte zvýši, keď sa pre prevádzku prenosovej trasy vyskytnú kritické a pravdepodobné iniciačné udalosti havárie.
Najťažšia N-1 porucha, t.j. jediná porucha, ktorá vyžaduje najnižšiu hodnotu prenosu k tomu, aby sústava vydržala iniciačnú udalosť, sa nazýva chybou dimenzovania. Prenosová kapacita sústavy je definovaná chybou dimenzovania a je znázornená na obr. 1b.
V skutočnosti nie je ľahké identifikovať všetky faktory, ktoré ovplyvňujú spoľahlivosť prenosovej sústavy a vyčísliť typické interakcie medzi nimi. Prevádzka ES je charakterizovaná veľkosťou výroby, zaťažením a výkonovými tokmi.
(a)
Relatívne riziko Hranica prenosovej kapacity
Výkonový tok P
(b)
10 000 3 000
300 1 000
100 30 10 3
Obr. 1 Frekvencia narušenia ES ako funkcia výkonového toku v prenosovej trase medzi dvomi sústavami
2.2 Zmena výkonového toku v sústave
„Výkonový tok“ je špecifický pojem zvolený len na účel riešenia tohto projektu, nakoľko momentálne dostupný pojmový aparát nie je postačujúci. Je to snaha o spoločné vyjadrenie viacerých rôznych aspektov posudzovania problematiky a taktiež rôznych vlastností elektrizačnej sústavy, u ktorých nie je taký dôležitý ich elektrotechnický obsah, ako súvislosť s PSA prístupom, s cieľom aplikovať štatistické pravdepodobnostné metódy v podmienkach elektroenergetiky. Najbližšie tomuto pojmu sú najmä momentálne používané pojmy:
• zaťaženie v ES SR, resp. spotreba elektriny v SR,
• tranzit elektriny cez ES SR.
Výkonový tok je na účel tohto projektu zatiaľ chápaný ako zaťaženie v ES SR v rôznych miestach, v rôznych smeroch, pri rôznych stavoch topológie a pri rôznych situáciách v ES SR.
Snahou nastoleného riešenia je preukázať vzájomné súvislosti viacerých faktorov a tieto ďalej skúmať metodikou PSA. Momentálne sú určité predpoklady existencie súvislostí týchto elektrotechnických, resp.
technicko-ekonomických a obchodných parametrov, avšak doteraz neboli dostatočne exaktne preukázané. Napr.
sú určité tušenia, že jednotlivé nepredvídané udalosti (iniciačné udalosti havárie) pri vyšších výkonových tokoch vedú s väčšou pravdepodobnosťou k nežiaducim stavom sústavy, avšak ich funkčná relácia zatiaľ nebola exaktne preukázaná. Cieľom riešenia bude preukázať tieto relácie, ak existujú a budú dostatočne preukazne odhalené.
Vzhľadom na limitovaný čas na riešenie, limitované vstupné existujúce štatistické údaje o ES SR a veľkú zložitosť problematiky je táto ambícia veľmi optimistická.
Zo záznamov SEPS, a.s. za rok 2011 je vidieť, že situácia v ES SR, resp. jej hlavné parametre a rozhodujúce vnútorné i vonkajšie faktory, sa neustále menia. Na ilustráciu sa uvádzajú tri stromy udalostí zostavené pre tri rôzne miesta skratu na vedení V426 (pozri obr. 2, 3 a 4). V záhlaví stromov sa uvádzajú výkonové toky pre 5 výkonových rozsahov. Pre prvý výkonový rozsah sú uvedené následky. Pre ostatné výkonové rozsahy je potrebné vykonať analýzu stability. Tieto analýzy budú vykonané v 3. etape riešenia projektu.
3 IMPLEMENTÁCIA ZMENY KONFIGURÁCIE SÚSTAVY VPLYVOM ÚDRŽBY DO PSA MODELU
3.1 Konfigurácie ES
Konfigurácia sústavy sa mení vplyvom preventívnej údržby zariadení podľa:
- plánu vypínania 400 kV vedení, - plánu vypínania 220 kV vedení, - harmonogramu údržby transformátorov, - harmonogramu opráv výrobných zdrojov.
ES má štruktúru paralelného systému, čo je dôsledok požiadaviek na zvýšenú spoľahlivosť. V ES je teda špecifická aplikácia princípu redundancie. Distribučná sieť má štruktúru sériového systému na nižších napäťových úrovniach (výnimkou je 110 kV a 22 kV sieť). Následok poruchy prvku (napr. vedenia) v sériovom systéme vedie k strate napájania všetkých pripojených odberateľov. Porucha prvku v ES nevedie k vypnutiu pripojených odberateľov, pretože výkonové toky majú vždy paralelné trasy. Je to priamy dôsledok princípu N-1, aplikovaného na ES. Tento princíp musí platiť pre všetky konfigurácie sústavy bez údržby a s údržbou zariadení.
Sústava teda má odolať strate jedného prvku v každej jej konfigurácii. Takáto redundancia je potrebná, lebo z bezpečnostných a ekonomických dôvodov je neprípustné mať časté výpadky. Navyše neexistuje možnosť akumulácie elektrickej energie vo veľkom rozsahu. Kritérium N-1 sa uplatňuje na prvky, ako sú napr. prenosové vedenia, transformátory a výrobne zdroje. Pre stratu prvku sa systém má vyrovnať aj s dynamickým reťazcom porúch. Niektoré z týchto reťazcov môžu mať pre ES katastrofické následky. Dynamické simulácie umožňujú identifikovať následky týchto porúch. Napriek tomu, že ES má paralelné trasy, nie vždy je jasné, či vydrží byť v prevádzke v stave po poruche. ES je dynamický systém, v ktorom majú generátory s veľkými rotujúcimi hmotami zotrvačnosť. Trvanie poruchy, jej miesto, konfigurácia sústavy a výkonový tok určujú, či je prechod do stavu po poruche stabilný. Okrem toho je nutné preukázať, či je prenosová kapacita po poruche dostatočná, pretože vedenia a ďalšie prvky siete majú obmedzenú kapacitu. V analýze spoľahlivosti ES je preto rozhodujúce analyzovať dynamickú funkčnú charakteristiku systému okamžite po poruchách, t.j. vykonať analýzu stability.
Nestačí iba skontrolovať, či je situácia ustáleného stavu po poruche prijateľná. Ak je ohrozená stabilita, systém môže kolabovať, nedosiahne ustálený stav po poruche a dochádza k čiastočnému alebo úplnému rozpadu.
zariadenia pre spoľahlivú prevádzku systému, napr. terminálové vybavenie diaľkového riadenia a systémy ochrán. Schéma vybranej rozvodne definuje aj možné prepínacie činnosti, zmeny topológie a pohotovosť napájača.
3.2 Modelovanie zmeny konfigurácie
Model zohľadňuje aj zmenu konfigurácie sústavy vplyvom preventívnej údržby zariadení. Vytvorí sa 11 skupín konfigurácií, kde budú grupované konfigurácie na základe výsledkov analýzy stability. Každá skupina konfigurácií však vyžaduje jeden samostatný strom udalostí. Takže pre jedno vedenie v danej konfigurácii bude zostavených 3 x 11 = 33 stromov udalostí. Počet stromov udalostí na konfiguráciu sa znižuje o 3 stromy pre každé vedenie, ktoré je v údržbe.
00S-426 VYKONOVY TOK O-LEVICE-426 O-RSOBOTA-426 VYP-LEVICE-426 PVYP-LEVICE-426 VYP-RSOBOTA-426 PVYP-RSOBOTA-426 OZ-LEVICE-426 OZ-RSOBOTA-426
Výkonový tok
P.č. Následok
1 OK
2 OK
3 OK
4 D2
5 D4
6 D3
7 D3
8 D4
9 D4
10 D3
11 D2
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 1
2
5 4 3 Skrat na linke 426 - vo vzdialenosti 50% od rozvodní
Signál z ochrany na vypnutie vypínača Levice (426)
Signál z ochrany na vypnutie vypínača Rimavská Sobota (426)
Vypnutie vypínača Levice (426)
Vypnutie rozvodne Levice po poruche vypínača (426)
Vypnutie vypínača Rimavská Sobota (426)
Vypnutie rozvodne Rimavská Sobota po poruche vypínača (426)
Opätovné zapnutie vypínača Levice (426)
Opätovné zapnutie vypínača Rimavská Sobota (426)
Obr. 2 Strom udalostí pre skrat na vedení V426 Levice – R. Sobota (miesto skratu je v strede vedenia, zmena výkonového toku)
34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 5
4 3
00S-426-LV VYKONOVY TOK O-LEVICE-426 O-RSOBOTA-426-TK O-RSOBOTA-426-2Z VYP-LEVICE-426 PVYP-LEVICE-426 VYP-RSOBOTA-426 PVYP-RSOBOTA-426 OZ-LEVICE-426 OZ-RSOBOTA-426 p.č. Následok
1 OK
2 OK
3 OK
4 D2
5 D4
6 D3
7 D3
8 D4
9 D4
10 OK
11 OK
12 OK
13 D2 14 D4 15 D3 16 D3 17 D4 18 D4 19 D3 20 D2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 1
2
Výkonový tok Vypnutie vypínača Levice
(426)
Vypnutie rozvodne Levice po poruche vypínača (426)
Vypnutie vypínača Rimavská Sobota (426)
Vypnutie rozvodne Rimavská Sobota po poruche vypínača (426)
Opätovné zapnutie vypínača Levice (426)
Opätovné zapnutie vypínača Rimavská Sobota (426) Skrat na linke 426 - vo
vzdialenosti 10% od rozvodne Levice
Signál z ochrany na vypnutie vypínača Levice (426)
Signál z ochrany na vypnutie vyp. Rim. Sobota (426) cez telekom. kanál
Signál z ochrany na vypnutie vypínača Rimavská Sobota (426) - 2. zóna
Obr. 3 Strom udalostí pre skrat na vedení V426 Levice – R. Sobota (miesto skratu je vo vzdialenosti 10% od rozvodne Levice, zmena výkonového toku)
34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 5
4 3
00S-426-RS VYKONOVY TOK O-RSOBOTA-426 O-Levice-426-TK O-LEVICE-426-2Z p.č. Následok
1 OK
2 OK
3 OK
4 D2
5 D4
6 D3
7 D3
8 D4
9 D4
10 OK
11 OK
12 OK
13 D2
14 D4
15 D3
16 D3
17 D4
18 D4
19 D3
20 D2
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 1
2 Výkonový tok
VYP-LEVICE-426 Vypnutie vypínača Levice (426)
PVYP-LEVICE-426 Vypnutie rozvodne Levice po poruche vypínača (426) VYP-RSOBOTA-426
Vypnutie vypínača Rimavská Sobota (426)
PVYP-RSOBOTA-426 Vypnutie rozvodne Rimavská Sobota po poruche vypínača (426)
OZ-LEVICE-426 Opätovné zapnutie vypínača Levice (426) OZ-RSOBOTA-426
Opätovné zapnutie vypínača Rimavská Sobota (426) Skrat na linke 426 - vo
vzdialenosti 10% od rozvodne Rimavská Sobota
Signál z ochrany na vypnutie vypínača Levice (426) - 2. zóna Signál z ochrany na vypnutie vypínača Levice (426) cez telekom. kanál Signál z ochrany na
vypnutie vypínača Rimavská Sobota (426)
Obr. 4 Strom udalostí pre skrat na vedení V426 Levice – R. Sobota (miesto skratu je vo vzdialenosti 10% od rozvodne R. Sobota, zmena výkonového toku)
4 ZÁVERY
PSA je metóda na odhad rizika. Najprv bola v plnom rozsahu vyvinutá pre analýzu bezpečnosti JE. Činnosti po poruchách v sústave sú podobné bezpečnostným činnostiam JE. Metóda pomáha prognózovať zriedkavé udalosti. Akákoľvek zriedkavá udalosť má nízku pravdepodobnosť výskytu. Jej odhalenie však pomôže identifikovať zraniteľnosť sústavy. Metóda poskytuje informácie o prvkoch a parametroch, ktoré sa modelujú.
Pri modelovaní vždy platí, že prvky a parametre, ktoré sa nemodelujú, sa pri hodnotení rizika stratia.
Model PSA možno použiť na sieť reálnej veľkosti, poskytuje výsledky na úrovni prvkov aj systémov a klasifikuje prvky podľa ich dôležitosti. Ľahšie je vytvoriť presné a detailné modely pre siete redukovanej veľkosti, tieto modely však často majú viac akademickú, než praktickú hodnotu.
ES je nelineárny systém, kde podobné havarijné reťazce na odlišných miestach a pri odlišných výkonových tokoch môžu viesť k odlišným stavom sústavy a príspevkom k bezpečnosti. Nevyhnutnou súčasťou metódy PSA sú dynamické simulácie porúch. Kombinovaním udalostí po poruchách prvkov v rozvodni s dynamickými simuláciami v sieti možno získať ukazovatele dôležitosti pre rôzne stavy sústavy po poruche.
Model PSA je dostatočne detailný na to, aby poskytol informácie o vplyve výkonových tokov a rôznych konfigurácií na bezpečnosť siete. Možno ho vytvoriť použitím komerčne dostupného softvéru pre PSA a pre dynamickú simuláciu ES.
5 POUŽITÁ LITERÚRA
[1] Rozšírenie PSA modelu pre tvorbu plnorozsahového monitora rizika, Správa RELKO č. 2R0410, Február 2012, Bratislava
[2] Vývoj a dodávka plnorozsahového monitora rizika na hodnotenie straty stability elektrizačnej sústavy SR, metodický návod projektu, Správa RELKO, č.1R0410, November 2011, Bratislava
[3] Analýzy rizika rozpadu ES SR v podmienkach prepojených elektrizačných sústav, PSA model ES SR, Správa RELKO, č.5R1008, Marec 2010, Bratislava
[4] Method to Monitor Nuclear Power Risk from Transmission Grid Conditions: Proof-of-Principle Study, EPRI, Palo Alto, CA: 2003.1008050
[5] Operating Experience Assessment-Effects of Grid Events on Nuclear Power Plant Performance, U.S.
Nuclear Regulatory Commission, April 29, 2003
