Ciągły monitoring jakości energii elektrycznej

fot. smartgrid.agh.edu.pl

W wyniku dynamicznego rozwoju środków technicznych monitorowania parametrów jakości energii elektrycznej jako nowej gałęzi nauki i techniki o interdyscyplinarnym charakterze, obserwowany jest intensywny rozwój przyrządów do pomiaru parametrów jakości energii elektrycznej. Rozwój ten jest wymuszony techniczną i ekonomiczną potrzebą oraz postępem w dziedzinie teorii i techniki przetwarzania sygnałów.

Ciągły monitoring jakości energii elektrycznej

Kolejnym etapem w tym procesie jest budowa – na bazie zainstalowanych analizatorów – rozproszonych systemów monitorowania jakości energii elektrycznej. Nie jest to tożsame tylko i wyłącznie z „informatyzacją” w potocznym znaczeniu tego pojęcia. Wykorzystanie najnowszych zdobyczy nauki, w tym informatyki to zaledwie jeden z elementów tych działań. Systemy monitorowania swym zasięgiem mogą obejmować sieci elektroenergetyki zawodowej czyli dostawców energii, jak również sieci należące do odbiorców.

Trend ten jest obserwowany w rozwiniętych technicznie krajach w Europie i świecie, tam gdzie rozwijający się rynek energii elektrycznej uruchamia mechanizmy bodźcowe wymuszające poprawę warunków dostawy energii elektrycznej. Te zjawiska obserwuje się także w polskiej elektroenergetyce. Znaczenie systemów ciągłego monitoringu jakości energii elektrycznej jest ogromne. Pozwalają one na pozyskiwanie cennych i wiarygodnych informacji o rzeczywistym stanie pracy monitorowanego systemu elektroenergetycznego.

Umożliwiają kompleksową analizę i ocenę jakości energii elektrycznej i to w długim czasie. Ponadto mogą stanowić podstawę do różnego rodzaju decyzji związanych z modernizacją oraz rozbudową istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej. Bardzo istotne było opracowanie w 2009 r. pierwszego Krajowego Raportu Benchmarkingowego nt. jakości dostaw energii elektrycznej do odbiorców przyłączonych do sieci przesyłowych i dystrybucyjnych [1].

W tym dokumencie poświęcono bardzo dużo miejsca rozproszonym systemom monitorowania, opisując stan istniejący (bardzo pesymistyczny) oraz formułując we wnioskach końcowych zalecenia na najbliższą przyszłość. Dla podkreślenia znaczenia systemów monitorowania przytoczono jeden z wniosków końcowych: Instalacja rozproszonych systemów monitorowania wskaźników jakości napięcia to proces nieunikniony, który już obecnie jest, a będzie w coraz większym stopniu w przyszłości, wymuszany różnymi czynnikami, w tym przede wszystkim potrzebami technicznymi – trendy zmian wartości parametrów jakości napięcia to jedne z najlepszych wskaźników stanu technicznego urządzeń sieciowych. Prace wstępne przygotowujące do instalacji takiego systemu należy podjąć jak najwcześniej, w pierwszej kolejności od opracowania koncepcji i bilansu potrzeb sprzętowych.

Należy również zwrócić uwagę na obserwowany bardzo intensywny rozwój inteligentnych systemów elektroenergetycznych tzw. smart grids oraz technologii odnawialnych źródeł energii. Jest to spowodowane potrzebą wprowadzenia nowej jakości do sieci elektroenergetycznych w obliczu pojawiających się zagrożeń zarówno w zakresie deficytu pierwotnych zasobów energii jak i zbyt niskiej efektywności jej wytwarzania, przesyłu, rozdziału i użytkowania. Jest to kolejny, ważny czynnik przyczyniający się do wzrostu zainteresowania inteligentnymi systemami pomiarowymi, tzw. systemami smart metering czyli systemami monitorowania, np.: zużycia energii elektrycznej (energy smart metering), efektywności energetycznej (energy efficiency smart metering) oraz jakości energii elektrycznej (power quality [pq] smart metering). Dzięki tego typu systemom uzyskuje się rozszerzenie funkcjonalności usług świadczonych przez dostawcę na rzecz odbiorcy. Odbiorcom zaś daje możliwość uczestnictwa w grze rynkowej oraz możliwość kontrolowanej, indywidualnej generacji i magazynowania energii. Zdolność interakcji umożliwia bardziej precyzyjne zawieranie kontraktów na dostawę energii, lepiej dostosowanych do wymagań i potrzeb wszystkich stron [2].

Struktura systemu monitorowania jakości energii elektrycznej

Monitoring jakości energii elektrycznej to proces gromadzenia odpowiedniego zbioru danych (parametrów, współczynników) pozyskiwanych w wyniku pomiaru napięć i prądów, przesłania ich do miejsca docelowego i przetwarzania do postaci pozwalającej na uzyskanie użytecznej informacji. Cały proces powinien w maksymalnym stopniu cechować się automatycznością przy minimalnej interwencji człowieka. Uzyskanie użytecznej informacji otrzymuje się w wyniku odpowiedniej analizy i interpretacji zgromadzonych danych pomiarowych.

Zasadniczo system tego typu składa się z następujących części:

Część 1 – pomiar i akwizycja danych pomiarowych za pomocą analizatorów jakości energii elektrycznej.

Część 2 – transmisja danych pomiarowych przez wybrane media komunikacyjne (rozbudowane systemy monitorowania mogą zawierać pośrednie bazy danych dedykowane do obsługi części analizatorów lub innych urządzeń pomiarowych). Taka sytuacja może być też związana z faktem wykorzystywania do budowy systemu monitorowania analizatorów różnego typu lub pochodzących od różnych producentów. Wówczas system monitowania będzie składał się z kilku systemów pomiarowych.

Część 3 – centrum gromadzenia danych pomiarowych, zawierające serwer centralny oraz centralną bazę danych.

Część 4 – centralne środowisko software’owe, w którym dokonuje się wizualizacji, analizy, interpretacji i oceny danych pomiarowych.

W systemie przedstawionym na rysunku można wyróżnić dwie grupy elementów składowych:

grupa 1 – urządzenia tworzące fizyczną część systemu – warstwa sprzętowa systemu monitorowania,

grupa 2 – niezbędne aplikacje i oprogramowanie – warstwa software’owa systemu monitorowania.

W grupie 1, w zależności od struktury systemu monitorowania, znajdują się urządzenia takie jak:

• przekładniki napięciowe i prądowe,
• analizatory jakości energii elektrycznej,
• urządzenia tworzące medium transmisyjne, np.: instalacja sieciowa LAN/WAN, sieć GSM/GPRS, instalacja telefonii analogowej itp.,
• sprzęt komputerowy – serwery (bazodanowe, www, aplikacji), stacje robocze, terminale itp.

Do grupy 2 zaliczono aplikacje i oprogramowanie umożliwiające: 

• konfigurację analizatorów,
• ściąganie danych pomiarowych, 
• analizę wyników pomiarów
• narzędzia wizualizacyjne i moduły umożliwiające tworzenie raportów itp.

Każdy producent wyposaża swój analizator w firmowe oprogramowanie składające się z tzw. firmware’u (wewnętrzny program/kod analizatora) oraz aplikacji umożliwiających obsługę analizatora przez użytkownika (ściąganie i wgląd do zarejestrowanych danych). Oprogramowania mogą różnić się oferowanymi funkcjami oraz właściwościami.

System monitorowania jakości energii elektrycznej jest budowany w celu długoterminowego gromadzenia danych pozwalających na analizę i ocenę jakości energii elektrycznej w danym systemie elektroenergetycznym. Podstawowymi dokumentami regulującymi wymagania w obszarze jakości energii elektrycznej są:

− norma PN-EN 50160 określająca parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych [3],

− rozporządzenie ministra gospodarki w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego z 4 maja 2007 r. [4].

Rozporządzenie w części dotyczącej jakości energii elektrycznej w dużej mierze bazuje na zapisach zawartych w normie PN-EN 50160. Zatem jednym z podstawowych wymagań stawianych systemom monitorowania jest zagwarantowanie odpowiedniego zbioru danych oraz takich funkcjonalności, które pozwolą na przeprowadzenie analizy i oceny jakości energii elektrycznej zgodnie z tymi dokumentami.