poniedziałek, 21.09.2020 - tydzień (N)ieparzysty
logoPolSl100 logoRE100 logoKESU

Katedra Elektroenergetyki
i Sterowania Układów

IESU - Prace zespołów badawczych

Prowadzony w ramach badań kierunkowych, projekt badawczy BK-209/RE1/2010 pt. Wybrane problemy elektroenergetyki – zgodnie z kształtowaną specjalizacją naukową Instytutu – jest podzielony formalnie na trzy zadania badawcze:

1. Nowe rozwiązania w elektroenergetyce na szczeblu krajowym i regionalnym

Zadanie to było realizowane w Zespole Sieci i Urządzeń Elektroenergetycznych (Z1) pod kierownictwem dra inż. Edwarda Siwego i dotyczyło następujących elementów badawczych:

  • Synergetyka jako synteza czterech obszarów strategicznych gospodarki,
  • Ocena możliwości sterowania przepływami transgranicznymi,
  • Prognoza zmian wystarczalności krajowego SEE do 2020 roku w kontekście rozwoju generacji rozproszonej,
  • Wykorzystanie naukowych przesłanek do kształtowania właściwych relacji pomiędzy dostawcami a odbiorcami energii elektrycznej,
  • Maksymalizacja termicznej zdolności przesyłowej linii napowietrznych.

2. Racjonalizacja wysokonapięciowych układów izolacyjnych i elektroenergetycznych torów prądowych

Zadanie to realizowane było w Zespole Techniki Wysokich Napięć (Z2) pod kierownictwem prof. dr hab. inż. Zbigniewa Gacka, a następnie (od 1.01.2011 r.) dra inż. Maksymiliana Przygrodzkiego i dotyczyło następujących elementów badawczych:

  • Diagnozowanie stanu technicznego układów izolacyjnych w transformatorach sieciowych,
  • Projektowanie i użytkowanie sieci elektroenergetycznych.

3. Identyfikacja stanów i automatyzacja systemów elektroenergetycznych

Zadanie to realizowane było w Zespole Automatyki i Informatyki w Elektroenergetyce (Z3) pod kierownictwem dra hab. inż. Adriana Halinki, prof. Pol. Śląskiej i dotyczyło następujących elementów badawczych:

  • Projektowanie elektroenergetycznych układów przesyłowych i rozdzielczych - wybrane zagadnienia,
  • Uwarunkowania pracy zabezpieczeń odległościowych w układach elektroenergetycznych z przyłączonymi farmami wiatrowymi,
  • Poprawa niezawodności w energetyce lokalnej wraz z optymalizacją rozpływu mocy,
  • Wpływ zmian dopuszczalnej obciążalności prądowej linii na działanie automatyki zabezpieczeniowej.

Bezpośrednim i wymiernym efektem realizacji tematu badawczego w roku 2010 było łącznie 48 publikacji, w tym: 27 artykułów opublikowanych w czasopismach o zasięgu krajowym, 12 referatów opracowanych na konferencje krajowe 1 referat opracowany na konferencje zagraniczne, 1 rozdział w monografii w j. angielskim, 2 monografie w j. polskim, 4 artykuły prasowe oraz 1 na stronie www.

Efektem badań kontynuowanych w roku 2011 było 41 publikacji, w tym: 16 artykułów opublikowanych w czasopismach o zasięgu krajowym, 14 referatów opracowane na konferencje krajowe, 2 monografie w j. polskim, 8 artykułów prasowych oraz 1 artykuł na stronie www. Niniejsze opracowanie zawiera krótkie raporty merytoryczne z poszczególnych zadań badawczych oraz wykaz wybranych, związanych z nimi publikacji.

Zadanie 1:

NOWE ROZWIĄZANIA W ELEKTROENERGETYCE NA SZCZEBLU KRAJOWYM I REGIONALNYM

Zadanie stanowi kontynuację badań kierunkowych (BK) wykonywanych w Zespole Sieci i Urządzeń Elektroenergetycznych w latach 1995 – 2009. Badania te są zbieżne z ustalonym zakresem działalności naukowej Zespołu, która w znacznym stopniu związana jest z problemem bezpieczeństwa energetycznego Polski, z reformą rynkową w elektroenergetyce oraz z analizą różnych aspektów pracy sieci elektroenergetycznych. W tym obszarze Zespół posiada znaczące doświadczenia i osiągnięcia. Wyrazem tego jest m.in. prowadzenie od 1997 r. (nieprzerwanie) odpowiedniego studium podyplomowego, które łącznie ukończyło już ponad 650 osób.

W roku akademickim 2010/2011 studium odbywało się pod hasłem „Rynek energii. Audyt energetyczny. Energetyka rozproszona i e-infrastruktura w gminach”.

1.1. Synergetyka jako synteza czterech obszarów strategicznych gospodarki

Przedmiotem badań jest synteza 4 obszarów strategicznej nieefektywności gospodarki, mianowicie: energetyki, budownictwa, rolnictwa i transportu, z uwzględnieniem ochrony środowiska. Syntezę tę, traktowaną w kategoriach zmian strukturalnych (alokacji zasobów) nazywa się „synergetyką”. Przyjmuje się, że symbolami strategicznych kierunków rozwojowych w wymienionych 4 obszarach są: energetyka OZE/URE (URE – urządzenia rozproszonej energetyki, produkowane na masową skalę w fabrykach URE, oferowane na rynku w sieciach dystrybucji URE), inteligentny dom plus-energetyczny (z infrastrukturą Smart Grid Mikro), samochód elektryczny (traktowany jako technologia zasobnikowa i oddolny filar bezpieczeństwa elektroenergetycznego prosumenta), rolnictwo energetyczne (z dwoma podstawowymi technologiami, w postaci biogazowni i biorafinerii). Wynikami badań są oszacowania, powstające w środowisku synergetyki, dotyczące realizacji przez Polskę 3 celów Pakietu energetyczno-klimatycznego, czyli: 1° - wymaganego udziału energii odnawialnej na trzech rynkach końcowych: energii elektrycznej, ciepła i paliw transportowych, 2° - wymaganej redukcji emisji CO2, 3° - wymaganej redukcji zużycia paliw kopalnych.

Publikacje:

  • [1.1] Popczyk J.: Energetyka rozproszona. Od dominacji energetyki w gospodarce do zrównoważonego rozwoju, od paliw kopalnych do energii odnawialnej i efektywności energetycznej. Monografia (194 strony). Polski Klub Energetyczny Okręg Mazowiecki. Warszawa 2011,
  • [1.2] Popczyk J.: Synergetyka. Przegląd Elektrotechniczny, 6/2011 (str. 6÷16),
  • [1.3] Popczyk J.: Nowa struktura technologiczna inwestycji energetycznych. Rynkowa transformacja od ekonomiki energetyki WEK do finansowania projektów OZE/URE przez prosumentów. Rynek Energii, 5/2011 (str. 33÷43),
  • [1.4] Popczyk J.: Trzy siły sprawcze zmiany krajowej elektroenergetyki. Antycypacja. Elektroenergetyka współczesność i rozwój, 2/2011 (str. 44÷56),
  • [1.5] Popczyk J.: Rok 2011 w energetyce. Przyspieszanie konfrontacji: Energetyka Wielkoskalowa (WEK) vs Rozproszona (OZE/URE). Energetyka cieplna i zawodowa, 1/2011 (str. 16÷21),
  • [1.6] Popczyk J.: O potrzebie energetycznej rewolucji. Rozwój rozproszonej energetyki (URE). Energetyka cieplna i zawodowa, 2/2011 (str. 10÷14),
  • [1.7] Popczyk J.: Przedsiębiorstwa elektroenergetyczne. Weryfikacja na giełdzie. Energetyka cieplna i zawodowa, 2/2011 (str. 8÷10),
  • [1.8] Popczyk J.: Dla kogo inteligentna sieć? Energetyka cieplna i zawodowa, 2/2011 (str. 11÷14),
  • [1.9] Popczyk J.: Efektywna energetycznie gmina, czyli jak realizować Pakiet 3x20? Nowa Energia 3/2011 (str. 8÷12),
  • [1.10] Popczyk J.: Smart grid – świat otwartych sieci. Energia Elektryczna (rozmowa miesiąca), 10/2011 (str. 6÷9),
  • [1.11] Popczyk J.: Główne problemy i kierunki rozwoju energetyki w Polsce. Materiały Konferencji „Biogazownie rolnicze”. Fundacja na rzecz Rozwoju Polskiego Rolnictwa. Piła – kwiecień 2011 (str. 3÷14),
  • [1.12] Popczyk J.: Fabryczne technologie OZE, smart grid i prosumencka ekonomika – trzy czynniki przebudowy współczesnej energetyki. Materiały XVII Konferencji Energetyki „INNOWACJE przyszłością energetyki”. Jachranka – wrzesień 2011 (str. 14÷36),
  • [1.13] Popczyk J.: Kierunki rozwoju polskiej energetyki. Materiały Konferencji „Gospodarka Niskoemisyjna szansą dla środowiska”. Polski Klub Ekologiczny. Wrocław – grudzień 2011 (str. 39÷46).

1.2. Ocena możliwości sterowania przepływami transgranicznymi

Obecna struktura połączonego systemu elektroenergetycznego oraz rozkład generacji pomiędzy, jak i wewnątrz poszczególnych jego części sprawiają, że w regionie Europy Środkowo-Wschodniej systematycznie obserwuje się występowanie tzw. przepływów karuzelowych (nieplanowanych przepływów wyrównawczych między poszczególnymi obszarami systemu). Przepływy te mogą wykorzystywać znaczącą część termicznych zdolności przesyłowych połączeń transgranicznych KSE, ograniczając tym samym ilości mocy przesyłowych udostępnianych uczestnikom rynku zainteresowanym międzysystemowym handlem energią. Dodatkowo, ze względu na swój charakter, mogą one prowadzić do pogorszenia się poziomu bezpieczeństwa pracy systemu polskiego. Jednym z możliwych sposobów pozwalających na ograniczenie – a niekiedy nawet na eliminację – przepływów karuzelowych jest stosowanie przesuwników fazowych. Do tej grupy urządzeń należą transformatory z tzw. regulacją poprzeczną (z regulacją kąta przesunięcia fazowego napięć), a także przesuwniki fazowe instalowane bezpośrednio w liniach wymiany międzysystemowej.

W ramach realizowanych w 2011 roku badań w pierwszej kolejności dokonano określenia wpływu regulacji kąta przesunięcia fazowego transformatorów 400/220 kV z regulacją poprzeczną, instalowanych w stacjach granicznych 400 kV KSE, na przepływy mocy w liniach wymiany międzysystemowej. Następnie przeanalizowano możliwości kształtowania transgranicznych przepływów mocy w przypadku instalacji przesuwników fazowych bezpośrednio w liniach wymiany międzysystemowej KSE. Wyniki przeprowadzonych analiz wskazują, że jednoczesna i odpowiednio skoordynowana regulacja przepływów mocy za pomocą przesuwników fazowych, w szczególności zainstalowanych w obu połączeniach na przekroju zachodnim, powinna pozwolić na istotne ograniczenie przepływu karuzelowego, przyczyniając się tym samym do zmniejszenia stopnia wykorzystania połączeń transgranicznych KSE w wyniku nieplanowanych przepływów wyrównawczych.

Publikacje:

  • [1.14] Korab R.: Możliwości zwiększenia zdolności przesyłowych połączeń transgranicznych KSE. Przegląd Elektrotechniczny, 2/2011,
  • [1.15] Korab R.: Wpływ wybranych aspektów polityki klimatycznej UE na pracę krajowego systemu elektroenergetycznego. Rynek Energii, 2/2011,
  • [1.16] Korab R., Owczarek R.: Kształtowanie transgranicznych przepływów mocy z wykorzystaniem transformatorów z regulacją poprzeczną. Energetyka, 5/2011.

1.3. Prognoza zmian wystarczalności krajowego SEE do 2020 roku w kontekście rozwoju generacji rozproszonej

Jednym z istotnych parametrów bezpieczeństwa energetycznego jest wystarczalność systemu mierzona głównie poprzez prawdopodobieństwo niepokrycia zapotrzebowania. Ze względu na konieczność dokonania dużych inwestycji wytwórczych w krajowej elektroenergetyce konieczne staje się oszacowanie zmian tego prawdopodobieństwa wraz z ewentualną zmianą struktury wytwarzania. W ramach prac przeprowadzono analizy wpływu rozwoju generacji rozproszonej na wartość prawdopodobieństwa niepokrycia zapotrzebowania mocy szczytowej w krajowym SEE, jak również porównanie zmian tego prawdopodobieństwa przy rozwoju źródeł wielkoskalowych.

Przedstawiony i zweryfikowany model przyrostowy pozwala wykorzystać go do analiz rozwojowych i to wprost jako ograniczenie w modelu optymalizacyjnym. Wykonane analizy potwierdzają, że rozwój źródeł małej mocy zdecydowanie lepiej wpływa na wskaźnik wystarczalności systemu niż budowa nowych źródeł wielkoskalowych. Aktualnie w kraju potrzeby inwestycyjne w zakresie produkcji energii elektrycznej są znaczne, przy czym same procesy inwestycyjne w generacji wielkoskalowej są ciągle odraczane.

Do niedawna koszty inwestycyjne budowy źródeł wielkoskalowych były znacznie mniejsze niż dla małych źródeł głównie odnawialnych. Ten trend jednak ulega odwróceniu, z jednej strony ze względu na rosnące koszty bezpieczeństwa pracy chociażby jednostek jądrowych (po awarii w elektrowni Fukushima po trzęsieniu ziemi w Japonii) a z drugiej strony następuje spadek cen jednostek małej mocy (dziś już budowanych nawet w mikroskali) ze względu na rosnący na nie popyt i zwiększającą się podaż.

Należy również zwrócić uwagę na wzrastającą świadomość społeczną w zakresie bezpieczeństwa dostaw energii (szczególnie elektrycznej) i budowę oddolnego filaru bezpieczeństwa energetycznego, bezpośrednio u odbiorcy. Proces ten może ulec jeszcze zwiększeniu w miarę obniżania się kosztów małych wiatraków, czy paneli fotowoltaicznych.

Publikacje:

  • [1.17] Kocot H.: Zdolności przyłączeniowe istniejących wielkich elektrowni w aspekcie budowy i przyłączenia elektrowni jądrowej. Rynek energii. Zeszyt tematyczny I, 2011,
  • [1.18] Kocot H.: Prognoza zmian wystarczalności krajowego SEE do 2020 roku w kontekście rozwoju generacji rozproszonej. Materiały Konferencji PE’2011. Wisła, Wrzesień 2011,
  • [1.19] Kocot H.: Realizacja celów pakietu 3x20 w miastach w ujęciu bilansowym i ekonomicznym. Materiały konferencji: Rozwój energetyki innowacyjnej – budowanie bezpieczeństwa energetycznego miast i gmin. Bielsko-Biała, wrzesień 2011.

1.4. Wykorzystanie naukowych przesłanek do kształtowania właściwych relacji pomiędzy dostawcami a odbiorcami energii elektrycznej

W przedstawionym cyklu publikacji autor wykazuje, że aktualny sposób rozliczeń za ponadumowny pobór energii biernej przez odbiorców jest nieprawidłowy. W szczególności nieprawidłowy jest wzór, wg którego wylicza się wzrost opłaty za ww. pobór w sytuacji, gdy tg fi > tg fi0. Aktualnie stosowany wzór odpowiada bowiem sytuacji, w której wskutek zwiększonego poboru energii biernej ograniczony musi zostać pobór energii czynnej (do takiego samego poziomu mocy pozornej), co może mieć miejsce np. wskutek niewystarczającej zdolności przepustowej poszczególnych elementów sieci na drodze przesyłu energii czynnej i biernej. Autor w [1.20] stara się połączyć opłaty związane z przekroczeniem poziomu mocy umownej z opłatami za zwiększony pobór mocy/energii biernej, proponując wprowadzenie opłat za przekroczenie wartości pozornej mocy umownej, wyznaczonej przy wartości tg fi0 i określonej przez odbiorcę wartości czynnej mocy umownej. Wtedy "kosztem" zmniejszenia poboru mocy/energii biernej do poziomu 0 < tg fi < tg fi0 odbiorca uzyskiwałby wymierny efekt w postaci możliwości pobrania większej mocy od mocy umownej przy tym samym poziomie opłaty, jak dotychczas (bez ponoszenia opłaty dodatkowej za pobór mocy czynnej ponad poziom mocy umownej).

Drugą poważną nieprawidłowością wg autora jest zbyt wysoki poziom opłat za przekroczenie umownej wartości tg fi0 w porównaniu ze skutkami w postaci wzrostu obciążeniowych strat mocy i energii, jakie to przekroczenie wprowadza. Autor uważa jednak, ze wprowadzenie tych zmian w aktualnej sytuacji jest niemożliwe, gdyż URE uważa opłaty uzyskiwane od odbiorców za przekroczenia poziomów mocy umownej oraz za ponadumowny pobór mocy/energii biernej jako element tzw. przychodu regulowanego, na podstawie którego określane są stawki opłat dystrybucyjnych w procesie taryfikacji.

Publikacje:

  • [1.20] Ciura Sz.: Opłaty dodatkowe w odniesieniu do odbiorców jako element polityki cenowej w elektroenergetyce. Rynek Energii nr 2 (93), kwiecień 2011, str. 135-140.,
  • [1.21] Ciura Sz.: Opłaty za ponadumowny pobór energii biernej przez odbiorców. Biuletyn Branżowy PTPiREE "Energia Elektryczna" nr 2/2011, str. 20-23.,
  • [1.22] Ciura Sz.: Opłaty dystrybucyjne związane z poborem mocy biernej przez odbiorców. Strona internetowa www.cire.pl.

1.5 Maksymalizacja termicznej zdolności przesyłowej linii napowietrznych

W zakresie potencjalnych możliwości zwiększenia zdolności przesyłowych istniejących linii napowietrznych istnieje cały wachlarz metod wdrażanych (w mniejszym lub większym stopniu) przez operatorów systemów przesyłowych na świecie. Należą do nich:

  • wykorzystywanie obciążalności quasi-dynamicznej opartej na analizie ryzyka przekroczeń dopuszczalnej temperatury przewodów,
  • prowadzenie monitoringu on-line, wykorzystywanie pełnej obciążalności dynamicznej linii,
  • podwyższenie temperatury granicznej przewodów granicznej przewodów wiążące się zwykle z regulacją zwisów i naprężeń oraz drobną modernizacją linii (konstrukcje wsporcze, osprzęt),
  • modernizacja termiczna linii z wymianą przewodów na przewody typu HTLS,
  • podwyższenie napięcia znamionowego wiążące się zwykle z całkowitą przebudową linii,
  • zastosowanie przesyłu z wykorzystaniem prądu stałego.

Metody te różnią się zasadniczo zarówno co potencjalnych możliwości zwiększenia obciążalności linii, jak i wymaganych nakładów inwestycyjnych. Zastosowanie obciążalności dynamicznej pozwala zwiększyć przepustowość linii w okresie letnim o co najmniej kilkanaście procent nawet przy występowaniu wysokich temperatur otoczenia (na poziomie +30˚C). Gdy temperatura otoczenia jest niższa, zwiększenie przepustowości kształtuje się na poziomie kilkudziesięciu procent.

Stosowanie w praktyce dynamicznej obciążalności termicznej linii napowietrznych staje się standardem na świecie, częściowo także w krajowej sieci przesyłowej. Wykorzystuje się przede wszystkim quasi-dynamiczną obciążalność uzależnioną od temperatury otoczenia. Wdrożenie jej nie wymaga praktycznie żadnych nakładów. Temperatura otoczenia jest bowiem wielkością stosunkowo stabilną w czasie i przestrzeni, jest też wielkością łatwo prognozowalną i prognozy te są ogólnodostępne. Obciążalność quasi-dynamiczna została wdrożona przez operatora sieci przesyłowej i niektórych operatorów sieci dystrybucyjnych (sieci 110 kV). Znacznie lepsze wykorzystanie zdolności przesyłowych zależnych od wszystkich parametrów pogodowych daje zastosowanie pośredniego (przy wykorzystaniu stacji pogodowych w pobliżu linii) lub bezpośredniego monitoringu linii napowietrznej umożliwiającego dokładne określanie dynamicznej obciążalności termicznej danej linii. Stosowanych jest wiele metod monitoringu. Są one oparte na pomiarach warunków pogodowych panujących na linii, istnieją metody pomiaru temperatury przewodu lub bezpośrednio naciągu ewentualnie zwisu przewodu.

Publikacje:

  • [1.23] Kubek P., Siwy E., Żmuda K.: Likwidacja ograniczeń przesyłowych ważnym problemem na polskim rynku energii. Rynek energii Zeszyt tematyczny I 2011,
  • [1.24] Kubek P., Żmuda K.: Metody optymalnego zwiększenia zdolności przesyłowej linii napowietrznych wysokiego i najwyższego napięcia. Materiały konferencyjne „Aktualne problemy w elektroenergetyce APE’11”,
  • [1.25] Kubek P., Siwy E.: Monitoring linii napowietrznych jako środek zwiększenia zdolności przesyłowych SEE. Materiały konferencyjne „Prognozowanie w elektroenergetyce 2011”.

Zadanie 2:

RACJONALIZACJA WYSOKONAPIĘCIOWYCH UKŁADÓW IZOLACYJNYCH I ELEKTROENERGETYCZNYCH TORÓW PRĄDOWYCH

Zadanie jest kontynuacją systematycznie modyfikowanych i w miarę możliwości wzbogacanych badań kierunkowych, wykonywanych od 1995 r. w obecnym Zespole Badawczym 2, dawniejszym Zakładzie Techniki Wysokich Napięć (Z2). Przedmiotowo, jest ono związane przede wszystkim z dwoma zasadniczymi elementami składowymi obwodów głównych, charakterystycznymi dla sieci i niektórych wysokonapięciowych urządzeń elektroenergetycznych: układami izolacyjnymi i – w nieco mniejszym stopniu - torami prądowymi lub ich elementami funkcjonalnymi. Zajmowano się również całą siecią elektroenergetyczną – służącą do przesyłania i rozdziału energii elektrycznej – traktowaną całościowo, w tym również w szerokim ujęciu techniczno-ekonomicznym. W związku z tym zadanie można podzielić umownie na dwa tematy cząstkowe:

  1. Diagnozowanie stanu technicznego układów izolacyjnych w transformatorach sieciowych,
  2. Projektowanie i użytkowanie sieci elektroenergetycznych.

Rozpatrywane zagadnienia są zgodne z kierunkiem specjalizacji naukowej Zespołu Badawczego oraz sformułowanym ogólnie tematem rozważanego zadania badawczego.

Prace naukowe związane z badaniami diagnostycznymi wysokonapięciowych układów izolacyjnych znajdujących się we wnętrzu transformatorów energetycznych olejowych znalazły odbicie w publikacjach [2.1] i [2.2]. Problemy z zakresu projektowania i użytkowania sieci elektroenergetycznych (traktowanych jako nierozerwalna całość) są omawiane w publikacjach [2.3], [2.4], [2.5], [2.6] i [2.7]. Spośród wymienionych publikacja [2.1] ukazała się w materiałach konferencyjnych, publikacja [2.5] jest monografią, a pozostałe ukazały się w czasopismach krajowych wydawanych w języku polskim bądź angielskim (publikacja [2.2]).

W publikacjach [2.1] i [2.2] przedstawiono ideę tzw. zespolonej metody diagnostycznej, opartej na wynikach odpowiednio wykonywanych i interpretowanych badań wyładowań niezupełnych (wnz) wykorzystywanych w układach izolacyjnych transformatorów olejowych wysokiego napięcia. Jest to metoda diagnostyczna, w ramach której:

  • prowadzone są równoległe badania wnz metodą elektryczną i metodą akustyczną oraz metodą chromatografii gazowej (DGA),
  • wykonywane są obliczenia wielkości opisujących zjawiska wnz w ramach poszczególnych metod,
  • wykorzystywane są wyniki uzyskiwane trzema metodami do wzajemnej weryfikacji i ustalenia opisu końcowego stanu układu izolacyjnego.

Takie podejście może pozwolić na lokalny i globalny opis zjawisk wnz, zwiększając znacząco jakość informacji o źródłach wnz i zmniejszając możliwość błędnej interpretacji wyników uzyskiwanych tylko jedną metodą pomiarową.

W referacie [2.1] autorzy prezentują wybrane wyniki stosowania łącznej metody pomiarów: elektrycznej, emisji akustycznej i chromatografii gazowej. Zastosowana metoda emisji akustycznej jest metodą autorską. Proponuje się także niekonwencjonalne zastosowanie metody elektrycznej. W ramach przyjętej metodyki prowadzone są pomiary wyładowań niezupełnych, następnie prowadzone są obliczenia wielkości opisujących zjawiska wyładowań niezupełnych w ramach poszczególnych metod i tworzony jest opis zjawisk wspólny dla metody elektrycznej i metody emisji akustycznej. W ramach wspólnego opisu źródłem informacji o poziomie i rodzaju występujących wyładowań niezupełnych są wyniki pomiarów metodą elektryczną, natomiast informacja o miejscu występowania wyładowań niezupełnych jest zawarta w wynikach pomiarów przeprowadzonych metodą emisji akustycznej.

W artykule [2.2] przedstawiono wyniki analizy sygnałów emisji akustycznej zarejestrowanych w transformatorze olejowym. W ramach zaawansowanego opisu obliczono rozkłady amplitudowe, wartości deskryptorów ADP i ADC w wybranych pasmach częstotliwości i sporządzono mapy tych deskryptorów, na których znaleziono lokalne maksima. Analiza właściwości sygnałów emisji akustycznej ze zlokalizowanych obszarów doprowadziła do rozróżnienia sygnałów opisujących wyładowania niezupełne oraz wewnętrzne zakłócenia akustyczne. Sprawdzono zgodność wyników badań wnz uzyskanych niezależnie metodą emisji akustycznej i metodą elektryczną. Artykuł ponadto przedstawia skrótowo aktualny stan wiedzy w zakresie wykorzystania wyników pomiaru wyładowań niezupełnych do celów diagnostycznych, ze szczególnym uwzględnieniem dorobku jednostki macierzystej (Wydziału Elektrycznego w postaci Instytutu Elektroenergetyki i Sterowania Układów RE1 oraz Katedry Optoelektroniki RE6). W podsumowaniu stwierdzono, że zespolona metoda diagnostyczna – po pełnym jej udokumentowaniu – powinna znaleźć praktyczne zastosowanie w diagnozowaniu stanu technicznego eksploatowanych transformatorów energetycznych olejowych wysokiego napięcia.

W artykule [2.3] przedstawiono analizę możliwości przesyłowych linii napowietrznych wykorzystując tzw. dynamiczną obciążalność termiczną linii. Obciążalność ta jest m.in. zależna od prędkości wiatru chłodzącego przewody. Powiązanie możliwości wykorzystania rezerw przesyłowych wynikających z większych prędkości wiatru niż przyjęta projektowo sprzyja źródłom wykorzystującym wiatr jako energię pierwotną. W artykule przedstawiono wyniki obliczeń opartych na rzeczywistych danych pomiarowych oraz przeprowadzono ocenę obszarową jednolitości tych danych. Na podstawie wyznaczonych wielkości oceniono występującą w tych warunkach rzeczywistą obciążalność linii napowietrznych oraz potencjał wytwórczy elektrowni wiatrowych. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że praktyczne zdolności przesyłowe są znacznie większe niż to przedstawiają np. standardowe analizy rozpływowe badające obciążenia sieci. Z tego względu wydawane warunki przyłączenia powinny zalecać raczej stosowanie monitoringu obciążalności linii napowietrznych i ewentualnie redukcję generacji w farmach wiatrowych w stanach zagrożenia pracy systemu, zamiast znacznej rozbudowy sieci. Pozwala to uniknąć nadmiernych kosztów rozbudowy sieci, a jednocześnie zmaksymalizować wykorzystanie istniejących zdolności przesyłowych.

W artykule [2.4] przedstawiono zagadnienie odroczenia inwestycji sieciowych oraz jego konsekwencje techniczne i ekonomiczne. Odroczenie w czasie inwestycji sieciowych powinno zostać dostrzeżone przez operatorów systemów elektroenergetycznych jako jedna z możliwych opcji zarządzania systemem. Zjawisko to ma swój praktyczny wymiar w rozwoju sieci, szczególnie wówczas, gdy przewidywania rozwojowe stają się nietrafione i skutkują tzw. kosztami osieroconymi (stranded costs). Postawa prosumenta, obejmująca zarówno zachowania konsumenta i producenta jest charakterystyczna dla nowych, przyszłych form układów sieciowych nazywanych smart grid. Stopniowe przyrosty generacji rozproszonej, w tym o charakterze autoprodukcji – bezpośrednio pokrywającej zapotrzebowanie odbiorcy, pozwolą na zachowanie niezbędnych rezerw w sieciach wyższych napięć, a w szczególności w sieciach dystrybucyjnej ale również i przesyłowej. Uwzględnienie wartości odroczenia inwestycji sieciowej, np. w charakterze usługi, może podnieść atrakcyjność ekonomiczną i znaczenie sieciowe (ekonomiczne) generacji rozproszonej. Zatem ważne będzie formułowanie takich bodźców skierowanych ku inwestorom, które pozwolą na połączenie zadania rozwoju sieci i rozwoju, w tym przyzwolenia na rozwój generacji rozproszonej i działań prosumenckich. W artykule przedstawiono wybrane wyniki obliczeń ilustrujące przedmiotowe zagadnienie.

Funkcjonowanie systemów elektroenergetycznych we wspólnych europejskich strukturach zarówno formalnych jak i fizycznych (w tym sieciowych) związane jest z uwzględnianiem celów stawianych przed Wspólnotą Europejską. W wymiarze systemu elektroenergetycznego cele te można zawrzeć w trzech pojęciach: efektywność ekonomiczna, bezpieczeństwo elektroenergetyczne i ochrona środowiska. Szczególną wagę mają tak postawione przesłanki dla przyszłych struktur systemu elektroenergetycznego. Spośród postawionych celów, o ile działania w zakresie efektywności jak i bezpieczeństwa towarzyszyły rozwojowi systemu elektroenergetycznego praktycznie od początku powstania jego struktur, zagadnienie ochrony środowiska nabiera bardzo mocnego zabarwienia w kontekście przyszłych wizji społeczeństwa i Wspólnoty Europejskiej. Do celów tych nawiązuje artykuł [2.5], który przedstawia prace Komitetu Wielkich Sieci Elektrycznych w zakresie grupy C1 (Rozwój i ekonomia systemu elektroenergetycznego) w okresie 2008-2010. Zagadnienie rozwoju systemu elektroenergetycznego w warunkach konkurencyjnych i zdecentralizowanych przy uwzględnieniu wpływu na środowisko stało się tematem dyskusji na 43 sesji generalnej CIGRE w Paryżu w sierpniu 2010 roku. Artykuł [2.5] w sposób syntetyczny przedstawia również zasadnicze przesłania referatów prezentowanych na sesji generalnej CIGRE w Paryżu w 2010 roku.

Publikacja [2.6] jest monografią habilitacyjną dr inż. Maksymiliana Przygrodzkiego. Monografia porusza wybrane zagadnienia związane z procesem rozwoju systemu elektroenergetycznego uwzględniając rozwój źródeł rozproszonych. Zasadniczym elementem monografii jest propozycja modyfikacji podejścia do planowania rozwoju. Zwraca się uwagę na działania podejmowane przez świadomego odbiorcę (prosumenta), który wartościując energię elektryczną wybiera sposób pokrycia zapotrzebowania. W ocenie wartości energii elektrycznej uwzględnia się zarówno koszty jej wytworzenia, jak i koszty przesyłu i ochrony środowiska, co określa się mianem internalizacji kosztów zewnętrznych. W monografii przedstawiono poszczególne elementy składowe zadania planowania rozwoju systemu. Zmiana warunków funkcjonowania elektroenergetyki pozwala na nowe sformułowanie zadań cząstkowych stawianych przed procesem planowania rozwoju. Cele te obrazują spodziewane efekty realizacji procesu. W monografii przedstawiono zagadnienie generacji rozproszonej, zebrano informacje w zakresie pojęć i systematyki źródeł rozproszonych, a także ich miejsca i roli w systemie elektroenergetycznym. Zbadano również potencjalne skutki, które mogą wiązać się z przyłączaniem źródeł rozproszonych do sieci. Sformułowano zasady oceny opłacalności wyboru wykonywanego przez odbiorców, wyróżniając koszty wytwarzania, dostaw i sumarycznie wartości energii elektrycznej w miejscu konsumpcji. W przypadku źródeł rozproszonych wartościowanie takie jest ważnym elementem oceny przez inwestora opłacalności inwestycji. Rozważono zagadnienia związane z zastępowaniem energii elektrycznej przez inne nośniki sieciowe oraz wynikające stąd oddziaływania zarówno podażowe jak i popytowe, które kształtują potrzeby rozwojowe systemu. Całość przedstawiono w wymiarze inwestycji sieciowych i ich przyszłych struktur oraz skutków związanych z pewnością zasilania, warunkowaną rozwojem systemu elektroenergetycznego. Sformułowano nowe miary ekonomiczne, których wykorzystanie pozwala na efektywną rynkowo ocenę rozpatrywanych rozwiązań. Ocena ta jest szczególnie ważna z uwagi na bieżące uwarunkowania i potrzeby związane z urynkowieniem energetyki. W podsumowaniu monografii przedstawiono propozycję modyfikacji funkcji celu zadania planowania rozwoju. W monografii zaprezentowano również przykładowe wyniki prowadzonych badań i analiz ilustrujących opisane zagadnienia.

W artykule [2.7] oraz referacie [2.8] nakreślono proces realizacji analiz rozpływowych dla celów planowania rozwoju w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym. Na tym tle przedstawiono zadanie optymalizacji wykorzystania zdolności przesyłowych. Na podstawie obliczeń modelowych porównane zostały wyniki analiz przeprowadzonych z wykorzystaniem programu rozpływowego oraz programu z optymalizacją rozpływu mocy (OPF). Wykorzystując zadanie OPF optymalizacji podlegają zatem nie tylko koszty zmienne funkcjonowania systemu (w tym koszty wytwarzania), ale również nakłady inwestycyjne. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na zachowanie odpowiednich marginesów bezpieczeństwa względem nietrafionych decyzji inwestycyjnych, co wynika z niepewności prognoz długoterminowych wykorzystywanych w planowaniu rozwoju. Przedstawione w publikacjach analizy modelowe potwierdzają korzyści wykorzystania zadania OPF. Zatem przygotowując metodykę oraz opracowując plany rozwojowe należy zalecić uwzględnianie optymalizacji rozpływu mocy. W efekcie przeprowadzonych w artykule [2.7] rozważań i na tle uzyskanych wyników sformułowano wnioski i zalecenia dla realizacji zadania planowania rozwoju sieci.

Publikacje:

  • [2.1] M. Szadkowski, Z. Gacek, F. Witos, G. Malitowski, M. Urbańczyk, D. Duda, K. Maźniewski: Diagnozowanie transformatorów WN metodą łączną pomiaru wyładowań niezupełnych (Diagnosis of High Voltage Power Transformers Basign on Combined Metod Applied to Measure of Partial Discharges). Materiały konferencyjne Międzynarodowej Konferencji Transformatorowej Transformator 2011, Toruń, czerwiec 2011,
  • [2.2] Gacek Z., Szadkowski M., Malitowski G., Witos F., Olszewska A.: Anusual Application of Partial Discharges to Diagnose of High Voltage Power Transformers. Acta Physica Polonica A. Vol. 120 – Number 4, Warsaw, October 2011,
  • [2.3] Przygrodzki M., Siwy E.: Ocena możliwości przesyłowych infrastruktury sieciowej w świetle rozwoju energetyki wiatrowej. Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review) R.87 nr 2/2011, ss. 123-126,
  • [2.4] Przygrodzki M.: Odraczanie inwestycji sieciowych w świetle zachowań prosumenckich. Rynek Energii nr 2(93), kwiecień 2011, ss. 79-84,
  • [2.5] Lipko K., Lubicki W., Przygrodzki M.: Rozwój i ekonomika systemu elektroenergetycznego – Komitet Studiów C1. Energetyka, kwiecień 2011, ss. 210-217,
  • [2.6] Przygrodzki M.: Modelowanie rozwoju sieci elektroenergetycznej współpracującej ze źródłami rozproszonymi. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. ISBN 978-83-7335-816-4. Gliwice 2011,
  • [2.7] Przygrodzki M.: Wykorzystanie optymalizacji rozpływu mocy w zadaniu planowania rozwoju sieci elektroenergetycznej. Rynek Energii nr 5 (96), październik 2011, ss. 9-13,
  • [2.8] Przygrodzki M.: Wykorzystanie optymalizacji rozpływu mocy w zadaniu planowania rozwoju sieci elektroenergetycznej. Materiały XI Międzynarodowej Konferencji Naukowej Prognozowanie w Elektroenergetyce 2011. Wisła, wrzesień 2011, ss. 164-167.

Zadanie 3

IDENTYFIKACJA STANÓW I AUTOMATYZACJA SYSTEMÓW ELEKTROENERGETYCZNYCH

3.1. Projektowanie elektroenergetycznych układów przesyłowych i rozdzielczych - wybrane zagadnienia

W artykule 3.1 opisano zagadnienia związane z doborem środków technicznej realizacji układu zasilania w oparciu o tzw. centra sterowania jakością (CSJ) w jednym z kluczowych aspektów ich funkcjonowania tzn. w zakresie zapewnienia wymaganej jakości napięcia zasilającego w węzłach odbiorczych. Realizacja opisanej w artykule koncepcji układu zasilania opartego na CSJ uwarunkowana jest upowszechnieniem innowacyjnych technologii elektroenergetycznych i informatycznych, obejmując m.in. takie aspekty jak: skoordynowane aktywne sterowanie (obszarowe) zamiast dotychczas stosowanej koncepcji odrębnego sterowania w ramach każdego pola zasilającego; zastosowania układów energo­elektronicznych (np. FACTS); sieci teleinformatyczne o znacznym stopniu rozproszenia i wysokich parametrach technicznych; interpretacja danych w oparciu o metody tzw. sztucznej inteligencji – np. metodę systemów wieloagentowych. Proponowane rozwiązanie może stanowić istotny środek poprawy jakości zasilania m in. w zakresie prewencji zapadów napięcia, co zilustrowano wynikami badań symulacyjnych. Uzyskane wyniki pokazują możliwości takich rozwiązań jak kondycjonery DSTATCOM oraz DVR. Opis zagadnień technicznych został uzupełniony o uwagi odnoszące się do zagadnień ekonomicznych związanych z inwestycjami poprawiającymi jakość zasilania.

W pozycji 3.2 opisano metody i środki technicznej realizacji układu zasilania w oparciu generację rozproszoną (mikrogenerację) oraz środki do poprawy jakości energii elektrycznej (np. urządzenia D-FACTS dedykowane dla sieci rozdzielczej, energetyczne filtry aktywne – EFA). Przyjęto, że opcje rozproszonego sterowania i pomiarów realizowane będą przez tzw. inteligentne urządzenia, stanowiące element krańcowe lub węzły sieci teleinformatycznej.

W ramach koncepcji Smart Grid (SG) proponuje się m.in. tworzenie tzw. centrów sterowania jakością, zapewniających elastyczność struktury układu zasilania oraz wieloofertowość usług dla zróżnicowanej grupy odbiorców w zakresie jakości zasilania. Opisywane zagadnienia zilustrowano wybranymi wynikami badań symulacyjnych odnoszących się m.in. do współpracy niektórych źródeł GR z siecią elektroenergetyczną oraz poprawy jakości energii za pomocą układów EFA. W szczególności analizy dotyczą mikroźródeł przyłączanych do sieci niskiego napięcia.

Publikacje:

  • [3.1] Witek B.: Sterowanie jakością energii elektrycznej w warunkach rynkowych. Wybrane zagadnienia techniczne. Rynek Energii Nr I (VI), Zeszyt tematyczny, maj 2011, s. 185-190,
  • [3.2] Siwy E., Witek B.: Wybrane zagadnienia technicznej realizacji koncepcji smart grid w kontekście jakości zasilania z sieci z generacją rozproszoną. Materiały konferencji „Prognozowanie w elektroenergetyce” (ISBN 978-83-7193-504-6), Wisła, 14-16.09.2011, s. 191-192.

3.2. Uwarunkowania pracy zabezpieczeń odległościowych w układach elektroenergetycznych z przyłączonymi farmami wiatrowymi

Zwiększający się udział energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł wiatrowych w bilansie energetycznym Polski oraz prognozy dalszego znaczącego rozwoju energetyki wiatrowej wskazują, że źródła wiatrowe mogą wywrzeć istotny wpływ na funkcjonowanie sieci elektroenergetycznej WN. Do niewątpliwie niekorzystnych zjawisk wywołanych pracą tych źródeł wytwórczych można zaliczyć m.in. zmiany rozpływów mocy, poziomów napięć, wskaźników jakości energii elektrycznej, wartości prądów zwarciowych, a także warunków pracy automatyki elektroenergetycznej, w tym elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (EAZ). W większości przytoczonych zagadnień wpływ źródeł wiatrowych na pracę sieci jest proporcjonalny do mocy tych źródeł. Jednak w przypadku EAZ przyłączenie źródła wiatrowego nawet o niewielkiej mocy (kilka – kilkanaście MW) do sieci WN może generować istotne problemy w funkcjonowaniu struktur automatyki zabezpieczeniowej w obszarze sieciowym wokół miejsca przyłączenia źródła. Wobec powyższego, w niniejszym zadaniu przeanalizowano wpływ pracy źródeł wiatrowych na funkcjonowanie najczęściej stosowanych zabezpieczeń podstawowych linii WN, tj. zabezpieczeń odległościowych. W 2010 roku wykonano analizy dotyczące wybranych czynników, wynikających z odczepowego przyłączenia farmy wiatrowej do struktur sieci dystrybucyjnej WN, determinujących poprawność estymacji parametrów lub składowych impedancji pętli zwarć symetrycznych i niesymetrycznych przez zabezpieczenia odległościowe. Uwzględniono różne sposoby pracy punktu gwiazdowego transformatorów mocy farmy wiatrowej, niezerową wartość rezystancji przejścia w miejscu zwarcia, zjawisko spływu prądów, zmienność mocy wytwarzanej przez źródło wytwórcze oraz działanie układów regulacyjnych generatorów siłowni wiatrowych. Badania kontynuowano w 2011 roku, rozpatrując problematykę wpływu niewielkiej wartości prądu zwarciowego generowanego przez źródła wiatrowe na poprawność działania EAZ sieci WN. W odniesieniu do zabezpieczeń odległościowych, analizy wykonano dla różnych sposobów parametryzacji obszarów działania tych zabezpieczeń, dobierając zasięgi stref pomiarowych metodą „klasyczną” oraz metodą uwzględniającą współczynnik rozgałęzieniowy.

Publikacje:

  • [3.3] Halinka A., Rzepka P., Sowa P., Szablicki M., Szewczyk M.: Wybrane aspekty parametryzacji zabezpieczeń odległościowych linii WN z odczepowo przyłączoną farmą wiatrową. Automatyka elektroenergetyczna, nr 4, 2010, data wydania: styczeń 2011, ISSN 1230-7815, ss. 9-15.,
  • [3.4] Halinka A., Rzepka P., Szablicki M., Szewczyk M.: Funkcjonowanie elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej sieci WN przy niewielkiej wartości prądu zwarciowego generowanego przez farmę wiatrową. Elektro.info, nr 5, 2011, ISSN 1642-8722, ss. 90-95.

3.3. Poprawa niezawodności w energetyce lokalnej wraz z optymalizacją rozpływu mocy

W ramach realizowanego podtematu przeanalizowano przyczyny przewidywanych deficytów mocy w wyniku m.in. sezonowych zmian mocy dyspozycyjnych elektrowni sezonowych zmian zapotrzebowania (szczególnie w okresie letnim), oraz awaryjnych ubytków mocy wytwórczych oraz zdolności przesyłowych i dystrybucyjnych sieci elektroenergetycznych. Omówiono możliwości jednostek samorządu terytorialnego w łagodzeniu skutków w/w deficytów mocy oraz postępowanie w sytuacjach awaryjnych. Przedyskutowano realizacje działań jednostek samorządowych terytorialnego we współpracy z energetyką zawodową. Rezultaty analizy przedstawiono w artykule [3.5].

Dodatkowym zagadnieniem były badania sposobów poprawy niezawodności zasilania odbiorców zasilanych z sieci średnich napięć. Wśród sposobów zasilania wyróżnić można m.in. generację lokalną, automatykę SPZ oraz zastosowanie samoczynnych napowietrznych wyłączników (reklozerów). Szczególnej analizie poddano zagadnienie generacji lokalnej w kontekście problemów z nią związanych, szczególnie w kontekście współpracy jednostek samorządu terytorialnego z energetyką zawodową. Omówiono przykłady praktycznych zastosowań w m.in. gminie Gierałtowice na Śląsku. Rezultaty analizy przedstawiono w artykule [3.6].

W ramach realizacji podtematu przedstawiono jedną z najbardziej aktualnych metod i programów obliczeniowych do oceny niezawodności zasilania odbiorców z sieci średnich napięć w kraju. Jest to rozszerzenie metody i programu NIEZ opracowanych w IESU dla sieci przesyłowej WN i 110 kV. Przedstawiono główne założenia metody oraz modelu obliczeniowego a także przykładowe wyniki obliczeń dla modelowego fragmentu sieci średniego napięcia. Rezultaty analizy przedstawiono w artykule [3.7].

Publikacje:

  • [3.5] Bargiel J., Paska J., Sowa P.: Sposoby łagodzenia skutków potencjalnego deficytu mocy i energii w krajowym systemie elektroenergetycznym. Rynek Energ. 2011 Nr 5, s. 14-19,
  • [3.6] Bargiel J., Sowa P., Zając K., Sierociński T.: Sposoby poprawy niezawodności w sieci średnich napięć - polityka energetyczna gmin. Rynek Energii 2011 Nr 2, s. 95-101,
  • [3.7] Bargiel J., Sowa P., Zając K., Sierociński T.: Metoda analizy niezawodności układów rozdzielczych średnich napięć. XV Międzynarodowa Konferencja Naukowa; Aktualne Problemy w Elektroenergetyce; APE11, IV.2 Urządzenia i sieci elektroenergetyczne, Gdańsk-Jurata, 8-10 czerwca 2011, s. 149-156.

3.4. Wpływ zmian dopuszczalnej obciążalności prądowej linii na działanie automatyki zabezpieczeniowej.

W ramach prowadzonych badań kontynuowano analizy dotyczące możliwości polepszenia działania zabezpieczeń odległościowych linii WN dla zmiennych wartości dopuszczalnych obciążeń linii. Na podstawie wcześniejszych rozważań teoretycznych, w których określono możliwe zmiany w obszarach impedancyjnych działania kryterium odległościowego dla różnych wartości dopuszczalnych obciążeń, analizowano dalsze możliwości modyfikacji algorytmu decyzyjnego kryterium odległościowego. Analizy symulacyjne przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania Matlab. Bazując na wcześniej stworzonych modelach symulacyjnych: systemu elektroenergetycznego oraz klasycznego i zaproponowanego kryterium odległościowego prowadzono badania w celu weryfikacji poprawności działania proponowanego rozwiązania. W pracach tych skupiono się na możliwości zwiększenia zdolności wykrywania zwarć pośrednich o możliwie dużych wartościach rezystancji przejścia dla sezonowych (wyznaczonych dla okresu letniego) ograniczeń zdolności przesyłowych linii.

Przeprowadzone badania potwierdziły zwiększenie zdolności i skuteczności działania zabezpieczenia w obszarze identyfikacji zwarć pośrednich o dużych wartościach rezystancji przejścia.

Publikacje:

  • [3.8] Halinka A., Niedopytalski M., Sowa P, Szewczyk M.: Działanie zabezpieczeń odległościowych w liniach WN i NN o sezonowej zmianie obciążenia dopuszczalnego. Automatyka Elektroenergetyczna 4/2010.