Krajowe sieci dystrybucyjne a bezpieczeństwo zasilania odbiorców

Pojęcie bezpieczeństwa energetycznego dotyczy dwóch pod­stawowych podmiotów: odbiorcy (czy grupy odbiorców) jako pierwotnego podmiotu oraz dostawcy (zbioru dostawców) jako wtórnego podmiotu. Bezpieczeństwo energetyczne odbiorcy to określony stopień gwarancji korzystania z potrzebnych mu form energii w określonym czasie i w potrzebnej ilości oraz przy dostęp­nej dla niego cenie. Zapewnienie tego bezpieczeństwa stawia odpo­wiednie wymagania dostawcom. Bezpieczeństwo dostaw energii to natomiast gotowość dostawców do pokrycia pełnego zapotrzebo­wania na energię po akceptowalnych społecznie cenach w stanach normalnych i ograniczonego zapotrzebowania energii w stanach awaryjnych.

Poziom bezpieczeństwa energetycznego zależy od wielu czynni­ków. Do najważniejszych z nich można zaliczyć:

• stopień dywersyfikacji źródeł zaopatrzenia,
• pochodzenie źródeł zaopatrzenia (krajowe bądź zagraniczne),
• magazynowanie paliw na terenie kraju,
• własność przedsiębiorstw sektora energetycznego oraz systemu zaopatrzenia,
• kondycja systemu zaopatrzenia (wielkość mocy przesyłowych, stan techniczny, niezawodność),
• nadzór i regulacja systemu sprawowana przez państwo,
• prognozowanie, planowanie oraz decyzje rozwojowe i inwesty­cyjne,
• stabilność sytuacji wewnętrznej kraju i sytuacji międzynarodowej.

W kształtowaniu bezpieczeństwa energetycznego wyróżnia się następujące horyzonty czasowe: krótkoterminowe (operacyjne), se­zonowe (taktyczne) oraz długoterminowe (strategiczne).

Zagwarantowanie bezpieczeństwa długoterminowego wymaga strategicznych decyzji rozwojowych w energetyce. W przypadku elektroenergetyki decyzje dotyczyć będą rozwoju sektora wytwór­czego, czyli elektrowni oraz sektora przesyłu energii sieciami o róż­nych poziomach napięć. Problem bezpieczeństwa energetycznego w naszym kraju jest dostrzegany od wielu lat, o czym świadczą zapisy w głównych dokumentach prawnych dotyczących energety­ki. Jako pierwszy należy wymienić Prawo energetyczne, w którym zawarte jest sformułowanie: Bezpieczeństwo energetyczne to stan gospodarki umożliwiający pobycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na paliwa i energię w sposób technicz­nie i ekonomicznie uzasadniony, przy zachowaniu wymagań ochro­ny środowiska. Drugim dokumentem jest „Polityka energetyczna Polski do 2030 roku”, w którym zawarta jest bardziej precyzyjna definicja: (...) bezpieczeństwo dostaw paliw i energii jest to zapew­nienie stabilnych dostaw paliw i energii na poziomie gwarantują­cym zaspokojenie potrzeb krajowych i po akceptowalnych przez gospodarkę i społeczeństwo cenach, przy założeniu optymalnego wykorzystania krajowych zasobów surowców energetycznych oraz poprzez dywersyfikację źródeł i kierunków dostaw ropy naftowej, paliw ciekłych i gazowych.

Pewne dostawy energii elektrycznej do odbiorców o różnym za­potrzebowaniu wymagają (poza źródłami wytwórczymi) dobrze rozbudowanej sieci elektroenergetycznej, pozwalającej na transport energii od wytwórców do odbiorców. Struktura polskiej sieci o róż­nych poziomach napięć stwarza niejednokrotnie problemy w prze­syłaniu energii do odbiorcy, szczególnie do drobnego odbiorcy roz­proszonego (inaczej wiejskiego). Z uwagi na powyższe w artykule przedstawiono charakterystykę sieciowej infrastruktury średniego i niskiego napięcia w rozbiciu na sieć miejską i wiejską, omówiono aktualne wskaźniki zawodności elementów sieci oraz podano kie­runki działań dla zwiększenia pewności zasilania odbiorców.

Infrastruktura krajowej sieci elektroenergetycznej średniego i niskiego napięcia 

Aktualne dane o krajowej infrastrukturze sieciowej zawierają roczniki Agencji Rynku Energii Statystyka Elektroenergetyki Pol­skiej [3]. Wykorzystując dane zawarte w rocznikachz lat2002-2012 w tab. I zestawiono w ujęciu historycznym długość linii średniego i niskiego napięcia krajowej sieci elektroenergetycznej, a w tab. II liczbę stacji transformatorowo-rozdzielczych SN/ńN i moc zainsta­lowanych w nich transformatorów.

TABELA I. Długość krajowych linii SN i nN w latach 2002-2012:

Pełna charakterystyka infrastruktury sieci elektroenergetycznej powinna obejmować stan sieci na terenach miejskich i wiejskich. Roczniki [3] nie zamieszczają danych szczegółowych rozróżniają­cych sieci na terenach miejskich i wiejskich. Publikacje wyników prac studialnych [4, 5] pozwoliły autorom określić trendy zmian wystających w infrastrukturze sieci elektroenergetycznej średnie­go i niskiego napięcia na terenach miejskich i wiejskich. W tab. M podano liczbę stacji transformatorowo-rozdzielczych SN/nN oraz moce zainstalowanych w nich transformatorów w rozbiciu na sieci miejskie i wiejskie, natomiast w tab. IV i V zestawiono długości linii elektroenergetycznych średniego i niskiego napięcia z rozróż­nieniem sposobu ich wykonania - napowietrzne i kablowe - rów­nież w rozbiciu na sieci miejskie i wiejskie. Z uwagi na fakt, że dysponowano ograniczoną bazą danych statystycznych, w tab. ni-V zamieszczono dane tylko z lat 2002-2005 oraz 2007 r., obliczając jednocześnie średnioroczne wskaźniki zmian poszczególnych elementów sieci w analizowanym okresie tzn. dla lat 2002-2007. Aby umożliwić wnioskowanie, w tab. I i II podano także obliczone warto­ści średniorocznych wskaźników zmian poszczególnych elementów sieci odpowiednio dla lat 2002-2012,2002-2007 oraz 2007-2012.

TABELA II. Stacje transformatorowo-rozdzielcze SN/nN w latach 2002-2012:

Analizując zestawione w tab. I-V wartości można sformułować następujące wnioski dotyczące rocznych wskaźników zmian iloś­ciowych poszczególnych elementów sieci:

• przyrosty liczby stacji transformatorowych SN/nN w ostatnich pięciu latach (od 2007 r.) są niższe niż dla okresu lat 2002-2007,
• przyrost mocy instalowanych transformatorów SN/nN utrzymuje się praktycznie na stałym poziomie z zauważalną przewagą wzrostu mocy jednostek na terenach wiejskich - dla lat 2002-2007 wskaźnik ten przekroczył wartość 2%,
• przyrosty długości linii napowietrznych średniego napięcia są procentowo bardzo małe,
• dla linii napowietrznych niskiego napięcia na obszarze miast za­uważalna jest nawet tendencja malejąca,
• procentowe przyrosty długości linii kablowych we wszystkich analizowanych przypadkach są większe niż linii napowietrznych, przyrosty długości linii kablowych na terenach wiejskich są znacz­nie wyższe niż na obszarach miast (należy mieć jednak na uwadze fakt, że ich bezwzględne długości są znacznie niższe).

Udział liczby stacji transformatorowo-rozdzielczych SN/nN na te­renach wiejskich był w 2007 r. (tab. ID) na poziomie 67,7% ogólnej liczby stacji SN/nN, przy znacznie niższym udziale zainstalowanych mocy znamionowych transformatorów - 40,3% i trzykrotnie mniej­szej średniej mocy transformatora-104 kVA w sieci wiejskiej w po­równaniu z 323 kVA w sieci miejskiej. W tab. VI zestawiono średnie długości linii SN i nN przypadające na jedną stację SN/nN. Z po­równania podanych wartości wynika, że występuje ustabilizowanie się średnich długości linii w latach 2002-2007, a jedynie w stosunku do roku 1995 [6] nastąpiły pewne zmiany - zmalała średnia długość linii SN i nN, przypadająca na jedną stację na terenach wiejskich i wzrosła średnia długość linii nN przypadająca na jedną stację na obszarach miejskich.

TABELA III. Stacje transformatorowo-rozdzielcze SN/nN:

TABELA IV. Długość linii elektroenergetycznych średniego napięcia (SN):

TABELA V. Długość linii elektroenergetycznych niskiego napięcia (nN):

TABELA VI. Powiązania linii SN i nN ze stacjami transformatorowymi SN/nN:

Niezawodność elementów sieci elektroenergetycznej średniego i niskiego napięcia 

Przez wiele lat trudno było realnie ocenić zawodność układów za­silania energią elektryczną z uwagi na brak wiarygodnych danych statystycznych. Wykorzystywano głównie dane literaturowe, które były efektem badań prowadzonych w latach 60. i 70. ub.w. i można stwierdzić, że obecnie są one mało aktualne. Ostatnio coraz więk­szą uwagę zwraca się na zagadnienie ciągłości zasilania odbiorców energią elektryczną, stanowiącą jeden z elementów bezpieczeństwa energetycznego. Odzwierciedleniem tego stwierdzenia jest m.in. rozszerzenie (od roku 2002) zakresu danych opracowywanych w przedsiębiorstwach energetycznych i zestawianych w arkuszach statystycznych G-10.5 o wartości wskaźników charakteryzujących awaryjność elementów sieci elektroenergetycznej średniego i ni­skiego napięcia oraz zamieszczenie w rocznikach Statystyki Elek­troenergetyki Polskiej [3] średnich wartości tych wskaźników dla polskich sieci elektroenergetycznych.

 Dla przeprowadzenia kompleksowej analizy awaryjności sieci (łącznie z kosztami strat wynikającymi z niedostarczonej energii elektrycznej) wprowadzono pojęcie współczynnika awaryjności q -    nazywanego również w literaturze [7, 8] współczynnikiem za­wodności lub współczynnikiem niezdatności, który uwzględnia nie tylko liczbę awarii elementów sieci zaliczanych do danej grupy (li­nie, transformatory), ale również czas przerwy w dostawach energii elektrycznej, który obejmuje czas trwania awarii i czas jej usunięcia. Dla odbiorcy bowiem niezmiernie ważną sprawą jest czas, w któ­rym nie może korzystać z energii elektrycznej i straty jakie ponosi w wyniku przerw w zasilaniu.

 Uwzględniana w analizach ekonomicznych ilość energii elek­trycznej niedostarczonej w danym roku w wyniku awarii obiektu sieciowego wyznaczana jest z wykorzystaniem współczynnika awa­ryjności danego elementu lub układu sieci elektroenergetycznej. Współczynnik awaryjności wynika z przeciętnej liczby awarii da­nego elementu lub układu sieciowego w ciągu roku oraz średniego czasu trwania awarii, a te dane podawane są obecnie w rocznikach Statystyki Elektroenergetyki Polskiej [3]. W celu oceny obecnego stanu sieci elektroenergetycznej w zakresie awaryjności w tab. VII zestawiono wartości współczynników awaryjności q spotykane w li­teraturze [7, 8] i wartości obliczone na podstawie danych z [3] dla lat 2002-2012.

Z przedstawionych danych w tab. VII wynika, że zdecydowana poprawa niezawodności pracy wystąpiła dla dwóch elementów sie­ciowych, tzn. dla transformatorów SN/nN, dla których współczyn­nik awaryjności zmalał praktycznie o dwa rzędy wartości i dla linii kablowych średniego napięcia, dla których współczynnik awaryj­ności zmalał praktycznie o rząd wartości. Uzasadnieniem tego jest zdecydowanie wyższa jakość stosowanych elementów sieci (trans­formatory hermetyczne bezobsługowe i kable o izolacji z polietylenu sieciowanego) oraz znacznie krótszy czas likwidacji uszkodzenia.

Tabela VII. Wartości współczynników awaryjności: