Ugrás a tartalomhoz

Villamosenergia-rendszer üzeme és irányítása

Faludi Andor, Szabó László

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszék

A rendszerirányítás számítógépes támogatása

A rendszerirányítás számítógépes támogatása

A rendszerirányítás számítógépes támogatásához nagy mennyiségű, jórészt valós idejű információ folyamatos továbbítása, tárolása és feldolgozása szükséges, alapvető fontosságú a rendszerirányítás megbízható számítógépes támogatása mind az operatív üzemirányítás (on-line, valós idejű feladatok), mind az üzemelőkészítés és üzemértékelés (off-line jellegű feladatok) elvégzéséhez.

A rendszerirányító központok folyamatirányító számítógéprendszerének kialakításakor pontosan körül kell határolni az elvégzendő feladatokat, az ezeket támogató számítógépes funkciókat. Az üzemelőkészítés és üzemértékelés off-line jellegű számítógépes támogatása nem feltétlenül része a folyamatirányító rendszereknek, azonban célszerűségi okokból (adatbázis elérése) gyakran a folyamatirányító számítógéprendszerre implementálják a szükséges szoftvereket.

A rendszerirányítással kapcsolatosan használt fogalmak egy részének jelenleg nincs jól bevált magyar megfelelője, ezért a következőkben az egyértelműség kedvéért néhány megnevezést a nemzetközi szóhasználatban szokásos és a hazai gyakorlatban is elfogadott angol kifejezéssel adunk meg.

Az operatív rendszerirányítást támogató on-line funkciók bonyolultságuk, illetve felhasználásuk szerint két csoportba sorolhatók: SCADA és EMS funkciók.

SCADA = Supervisory control and data acquisition (felügyeleti szabályozás és adatgyűjtés)

EMS = Energy management system (Energia [elosztást] kezelő rendszer)

  SCADA rendszer

A számítógépes rendszerirányítás alapja, az ide tartozó funkciók jellegzetesen on-line, real-time típusúak. Általában nincsenek bonyolult algoritmusok, a programok néhány ms futási idejűek, ciklikusan hajtódnak végre.

A SCADA rendszer néhány tipikus funkciója:

  1. Távmérések, távjelzések fogadása. (MW és Mvar áramlások, gyűjtősín feszültségek, frekvencia mérések, megszakító-, szakaszoló állásjelzések, transzformátorszabályozók fokozatállása, stb.) A rendszerirányításhoz szükséges információk az irányított objektumoktól az irányító központba hírközlő (telemechanika) rendszeren keresztül jutnak el digitális táviratok, és/vagy analóg jelek formájában. Az információk dekódolása, primer hihetőség-vizsgálata (a sérült adatok kiszűrése), fizikai adatbázisba szervezése ciklikusan futó programokkal valósul meg. Általában nincsenek bonyolult algoritmusok, a programok néhány ms futási idejűek. Az adatbázis frissülésének ciklusideje másodperc nagyságrendű. Az állásjelzés változások megszakíthatják a ciklikus feldolgozást és elsőbbséggel kerülnek feldolgozásra.

  2. Valós idejű adatbázis készítés rövid, néhány másodperces frissülési idővel.

  3. Megjelenítés, ember-gép kapcsolat. A ciklikusan frissülő információk képernyőkön, illetve sématáblán jeleníthetők meg. Az összes információ (esetleg több tízezer) együttes megjelenítésére általában nincs lehetőség, de a gyakorlatban ez nem is szükséges. Szokásos megoldás hogy előre generált, változatlan struktúrájú képernyő háttéren (background) rendszerezett formában helyezik el a frissülő (foreground) adatokat. Az egyes képernyő-tartalmak, pl.: az átviteli hálózati séma kivetítőn is megjeleníthetők, a legfontosabb mért adatokat (pl.: erőművek termelése, határkeresztező vezetékek teljesítmény áramlásai, frekvencia) számkijelzős táblaműszerek is mutatják.

  4. Naplózás. A valós idejű adatbázis információi az üzemértékelés számára megfelelő ciklusidővel archiválódnak. Az üzemi naplók alapján készülnek az energia-elszámolások, napi jelentések. Az esetleges üzemzavarok kiértékeléséhez fontos támpont a kapcsolási sorrendet őrző eseménynapló és a (közel egyidejű) mért adatok archiválásával készülő PMR (post mortem review) napló.

  5. Határérték és gradiens figyelés. Veszélyeztetett, illetve veszélyes állapotok felismerésénél van nagy jelentősége. Figyelmeztető jelzéseket küld az üzemirányító személyzet számára, aciklikusan indítja a naplózást. Az üzemirányítás szemléletes támogatói a sáv- , illetve sugárdiagramok, amelyek azonos típusú mérések (pl.: transzformátor terhelődések, az egyes objektumoknál mért frekvencia) együttes megjelenítésére, összehasonlítására szolgálnak.

  6. Topológia analízis. A kapcsolási állapotnak, a hálózat egybefüggőségének ellenőrzésére, a változások regisztrálására, üzemzavar felismerésre szolgál.

  7. Távparancsadás. Az irányító személyzet parancsait és az EMS által számított, a diszpécser által kiküldésre engedélyezett beállítási értékeket a SCADA a telemechanika rendszeren keresztül közvetíti az irányított objektumokhoz.

A felsorolt néhány alkalmazás mutatja, hogy a SCADA által használt programok jórészt kis aritmetikai igényűek és szükséges, hogy igen rövid (néhány ms) válaszidejűek legyenek.

EMS funkciók

Az EMS funkciók szoftverei a feladatok jellege szerint sorolhatók az üzemelőkészítést, a valós idejű rendszerirányítást és az üzemértékelést támogató funkciók közé, azonban átfedések is vannak, mivel gyakran használnak azonos szoftvert pl.: az üzemelőkészítők és a diszpécserek. Az EMS szoftverekre jellemző, hogy az üzemállapot elemzése alapján működnek, viszonylag nagy aritmetikai igényűek, gyakran használnak iterációt. A rendszerirányítási gyakorlatban nem alakult ki egységes szoftvercsomag az EMS funkciók ellátására, a feladatok folyamatosan bővülnek, a programok - különösen a szakértő rendszerek fejlődésével - állandó fejlesztés alatt állnak. A következőkben néhány, gyakrabban használt funkció igen vázlatos áttekintését adjuk meg azzal a céllal, hogy a megoldandó feladatokat érzékeltetessük.

AGC=automatic generation control (automatikus [erőművi wattos] teljesítmény szabályozás).

SCADA mérésekre alapozva meghatározza a területi szabályozási hibát (ACE) és ennek feldolgozásával az automatikus szekunder teljesítményszabályozásba bevont gépegységek (gépcsoportok) számára szabályozási célértéket számít. A számított célérték a SCADA rendszeren keresztül jut a szabályozott gépekhez, illetve csoportokhoz. Az ACE számítása másodperc nagyságrendű ciklusidővel történik, a célérték küldés ciklusideje a parancs végrehajthatóságához igazodik, perc nagyságrendű.

Teljesítmény áramlás számítás (load-flow, vagy power flow)

Diszpécseri (DPF = dispatcher power flow): célja, illetve feladata a tervezett kapcsolások, átterhelések hatásának előzetes elemzése az állapotbecslés által meghatározott rendszerállapotban. Gyakori, hogy üzemelőkészítő (off-line) számításokhoz a DPF-fel megegyező algoritmust használnak, ebben az esetben a vizsgált hálózat egy tervezett változat.

Optimális (OPF=optimal power flow): feladata, hogy az állapotbecsült rendszerállapotból kiindulva a megvalósíthatósági korlátok (pl.: termelési, terhelődési és feszültség határértékek) figyelembe vételével, a szabályozási lehetőségek kihasználásával, egy adott üzemállapotot előre definiált célfüggvény szerint átrendezzen, ezáltal tanácsadó funkciót biztosít az üzemirányító személyzet számára. Az optimálás célfüggvénye lehet például a hálózati veszteség minimuma. Egyes szegmensei zárt hurkú szabályozásban is használhatók.

Valós idejű hálózatszámítás (real time sequence)

Futási ciklusideje beállítható, szokásos értéke: 5 perc. A valós idejű hálózatszámítás egy ciklusában végrehajtódó funkciók:

Topológia feldolgozás (MU = model update)

A valós idejű hálózatszámítás indító funkciója, feladata, hogy az EMS rendszerbe szervezett funkciók számára SCADA állásjelzések alapján az aktuális hálózati állapotnak megfelelő hálózati modellt (az adatbázisban szereplő modellparaméterekkel) előállítsa.

Állapotbecslés (SE = state estimation)

Feladata, hogy a SCADA által gyűjtött mérések, állásjelzések alapján meghatározza az energiarendszer legvalószínűbb állapotát és a hálózatszámító szoftverek részére konzisztens adatbázist hozzon létre. A SCADA -ból származó mérések általában hibával terheltek (ha nem így lenne, nem volna szükség állapotbecslésre), ezért az SE megfelelő működéséhez a megfelelően kimért (megfigyelhető) hálózatrészeken mérési redundanciára van szükség. A mérési hibák zavarmentes állapotban normális eloszlást mutatnak, amennyiben az SE valamely mérésnél tendenciózus hibát fedez fel, gondoskodik annak elnyomásáról, kisúlyozásáról, illetve helyes értékkel való helyettesítéséről. A nem kellő redundanciával kimért, vagy nem távmért hálózatrészekre az adatbázisban szereplő adatok alapján becsült állapotot határoz meg.

Üzembiztonsági analízis (SA = security analysis).

Az üzemállapot biztonságosságát elemző, veszélyeztetett üzemállapot felismerését támogató eljárás. Gyakorlatilag a DPF funkció többszöri automatikus futtatása az aktuális hálózati állapothoz képesti (előzetesen, egy ún. kontingencia listában definiált) egyszeres, vagy többszörös kikapcsolások feltételezésével. A kikapcsolások hatását kockázatosságuk (felléphető túlterhelődések, feszültség problémák) szerint rangsorolja.

Zárlatszámítás (SC = short circuit calculation)

Az állapotbecsült hálózaton végez valós idejű zárlatszámítást. A kapcsolókészülékekhez adatbázisban definiált megszakító képesség megfelelőségét ellenőrzi különböző zárlatfajtákra. Hálózatgyengítések elrendeléséhez, bontott sínek összefogásának engedélyezéséhez ad támpontot.

U-Q ütemezés és szabályozás (VS = voltage scheduler, AVC = automatic voltage control).

A VS feladata, hogy a hálózati csomópontok feszültségének adott értékre szabályozásához, illetve adott értéktartományban tartásához meghatározza az erőművek meddőteljesítmény termelését, a terhelés alatt szabályozható transzformátorok fokozatállását, valamint a meddőkompenzáló elemek (söntfojtók, kondenzátorok) kapcsolási állapotát. A VS által számított beállításokat - diszpécseri engedélyezéssel - az AVC funkció hajtja végre. A VS funkció kiegészíthető az OPF számítás azon szegmensével, amely a hálózaton fellépő meddőteljesítmény áramlásokat, ezáltal az általuk okozott wattos veszteséget minimalizálja (VS-RTOPF).

DTS = Diszpécseri tréning szimuláció (OTS = operator training simulation).

A DTS oktatási, gyakoroltatási célú rendszerszimuláció. A diszpécserek munkaidejük túlnyomó részében normál állapotban üzemelő energiarendszert irányítanak, ugyanakkor késznek és képesnek kell lenniük veszélyeztetett, illetve veszélyes állapotok felismerésére és gyors beavatkozásokkal a rendszer normál állapotba történő visszatérítésére. A valóságos rendszerben nem idézhetők elő üzemzavarok csak azzal a céllal, hogy a diszpécsereknek alkalmuk legyen azok elhárításának gyakorlására, ezért fejlesztették ki a DTS rendszereket. A DTS működhet valós idejű, állapotbecsült hálózati adatokkal és korábbi üzemállapot archiválásával összeállított, vagy feltételezett (tervezett) hálózattal. A DTS-nek rendelkeznie kell a valóságossal megegyező diszpécseri munkahellyel és az energiarendszerben lezajló folyamatokat azonos időbeliséggel követő dinamikus szimulációs modellel. Szükséges továbbá egy oktatói munkahely is, ezen keresztül az oktató a gyakorlatban előfordulható, a rendszerállapotot megváltoztató eseményeket (védelmi működéseket, kapcsolásokat, ezek sorozatát, stb.) kezdeményez, amelyek a DTS modellen átmeneti folyamatokat indítanak. A tréningező feladata, hogy az eseményeket a munkája közben is használatos eszközök segítségével felismerje és az üzemzavar elhárítását, a normál állapotba történő visszatérést célzó beavatkozásokat hajtson végre.

Felhasználási példák:

  1. Gyakorló diszpécserek oktatása, tudásának szinten tartása, üzemzavari helyzetek megoldásának gyakorlásával

  2. Kritikus üzemállapotok felismerése

  3. Továbbképzés: új funkciók begyakorlása, tesztelése

  4. Az erőmű- és hálózatfejlesztés kapcsán módosult energiarendszeri viselkedés tanulmányozása

  5. Betanuló diszpécserek oktatása, vizsgára való felkészítése, gyakoroltatása

  6. Üzemelőkészítési programok tesztelése

  7. Pontosító, elemző vizsgálatok

  8. Bemutató előadások

A DTS felépítése a 14-3. és 14-4. ábrán tekinthető át.

Kép

14-3. ábra: Oktatói és energiarendszer modellező (PSM) alrendszer

Kép

14-4. ábra: Tanulói alrendszer és irányító központ modell (CCM)