Transcript CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO WAM – moderní systémy monitorování, řízení a chránění elektrických sítí Antonín Popelka, AIS spol.

CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
WAM – moderní systémy monitorování,
řízení a chránění elektrických sítí
Antonín Popelka, AIS spol. s r.o. Brno
International Conference
CONTROL OF POWER SYSTEMS ´08
June 11-13, 2008
Štrbské Pleso, High Tatras
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
AIS spol. s r.o., Brno
Aktivity v oblasti WAM:
• Zkušenosti se systémy WAM od r. 2000
• První nasazení systému WAM: JME, srpen 2000
• Referát o WAM na mezinárodní konferenci CIRED
Torino 2005
• Výstava našich produktů WAM na mezinárodní
konferenci CIRED ve Vídni 2007
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
2
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Co je WAMS ?
Systémy založené na technologii měření synchronních fázorů:
WAM - Wide Area Monitoring
WAC – Wide Area Control
WAP - Wide Area Protection
Někdy jsou všechny tyto systémy označované zkratkou
WAMPC
Základní principy a struktura těchto systémů jsou podobné:
• měření synchronních fázorů
• koncentrátory – servery s databází synchronních fázorů (SF)
• aplikace využívající dat z DB SF a z jiných zdrojů (např. SCADA,
databáze parametrů)
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
3
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Aplikace
Systémy, které využívají soubory fázorů např. pro
– Monitorování chodu a stavu sítě (WAM)
•
•
•
•
•
Aplikace vyhodnocující stav a dynamické změny fázorů napětí a proudů
Vyhodnocování dynamických změn kmitočtu sítě v uzlech ES
Vyhodnocení předkritických stavů – alarmy
Analýzu kritických situací
Podklady pro výpočty a modelování
– Řízení chodu sítě (WAC)
• Např. automatické řešení frekvenční a napěťové nestability, řízení Q a U
• Řízení „shift“ transformátorů pro optimalizaci přenosu
– Adaptivní a globální chránění (WAP)
• Anticipative – anticipativní: upravuje charakteristiky ochran
• Responsive – výkonný: reaguje přímo spínacím procesem
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
4
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Struktura systémů WAM
Aplikační
Server
PMU – Phasor Measurement Unit
PDC – Phasor Data Concentrator
Estimace
Konfigurace
Vybraná sada dat
Estimovaná data
Fázory
DŘS
SCADA
Příklad:
Aplikace estimace stavu
Spolupráce se systémem SCADA
GPS
PDC
u/i
u/i
GPS
ŘS Měření
Rozvodna 1
PMU
GPS
u/i
PMU
PMU
PMU
ŘS Měření
PMU
Rozvodna X
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
5
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Vymezení WAMS
Systémy WAM spojují časové požadavky systémů chránění a
SCADA. S těmito systémy spolupracují a doplňují je.
Zpracovávají chování soustavy v časovém spektru desítky
milisekund až desítky sekund.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
6
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Synchronní fázory
Harmonický průběh: x(t) = X * cos (ω * t +φ)
Soustava synchronních fázorů v čase T1.
Všechny fázory se v každém čase změří současně na všech
měřicích místech.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
7
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Synchronní fázory
Harmonický průběh: x(t) = X * cos (ω * t +φ)
Soustava synchronních fázorů v čase T1 a T2.
Všechny fázory se v každém čase změří současně na všech
měřicích místech.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
8
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Synchronní fázory – plošné měření
Relativní fázory jsou počítány ke zvolenému referenčnímu
fázoru, u kterého bude úhel = 0°.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
9
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Kmitočet
Kmitočet patří k základním veličinám v systémech WAM.
Vyhodnocuje se ze změny úhlu za časový interval.
Příklad:
a) SF napětí je ve dvou následujících sekundách stejný.
b) Fázor za tuto dobu musel vykonat celý počet otáček. Při očekávaném
kmitočtu kolem 50Hz jich bylo přesně 50 : f=50,00Hz
c) Rozdíl SF napětí ve dvou následujících sekundách je 3,6º, tj 1/100
otáčky. Jedna otáčka za sekundu (360º) představuje 1Hz, odchylka je
1/100 otáčky, tj. 10mHz. Znaménko odchylky závisí na tom, zda SF
předbíhá nebo se zpožďuje.
d) Pokud předpokládáme oboupolaritní odchylku, je pracovní oblast
rozdílu SF ±180º, při sekundových vzorcích se pohybujeme v rozsahu
odchylky kmitočtu ±500mHz.
e) Moderní WAMS pracují až se vzorky po 20ms, pro elektrizační síť v
provozu je kmitočet v tomto případě měřen přesně.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
10
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
WAM - monitorování
Aplikace využívají datové soubory frekvence a fázorů v úrovni
monitorování:
•
•
•
•
•
•
•
Monitorování úhlů mezi uzly sítě
Kontrola podmínek pro spínání
Výpočet frekvence, monitorování, analýza změn
Analýza frekvence na propojených profilech
Monitorování úhlů a amplitudy fázorů napětí a jejich dynamických změn
Podpora přesnějšího a rychlejšího výpočtu estimace stavu
Podpora modelování a testování chodu sítě pomocí souboru stavových
veličin reálného stavu
• Záznam průběhu poruchových dějů
• Monitorování oscilací v síti
• Spektrální analýza frekvence
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
11
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Příklad přínosů použití WAM v DS
• Přípustnost spínání, kruhování, ostrovy
• Vyloučení chybných manipulací, snížení počtu vypnutí ochranou
• Snížení počtu přípravných manipulací na úrovni 110kV při kruhování
• Zkrácení času obnovy napájení po poruše, zvláště po rozsáhlých
výpadcích
• Snadnější připojování ostrovů
• Zpřesnění estimace ustáleného stavu soustavy
• Předcházení poruch a snížení nedodávek použitím výsledků
analýzy poruch
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
12
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
WAM: Relativní fázory graficky
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
13
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Podmínky pro bezpečné spínání
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
14
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Monitorování – analýza - stav nouze 25.7.2006
Chrást 110kV 11:59-17:02
f[mHz]
50
0
0
500
1000
1500
2000
-50
-100
-150
Odchylka frekvence W1
-200
Chrást-Výškov 11:59-17:02
 [deg]
250
200
150
100
50
0
-50 0
-100
-150
-200
-250
500
1000
1500
2000
Rozdíl úhlů W1W2
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
15
20
20
-100
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
.2
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
:5
3:
19
:5
:5
:5
:5
:5
:5
:5
:5
:5
:5
:5
:5
9:
8:
8:
7:
7:
6:
6:
5:
5:
4:
4:
3:
19
49
19
49
19
49
19
49
19
49
19
49
-50
20
.2
.2
.9
.9
.9
.9
.9
.9
.9
.9
.9
.9
.9
.9
.9
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
SF napětí R400kV SLA
200
150
P rů b ě h S F n ap ě tí v R400kV S LA p ři n ajíž d ě n í EDA
100
50
0
-150
-200
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
16
20
.2
20
.2
-100
20
.2
20
.2
20
.2
20
.2
20
.2
20
.2
20
.2
20
.2
20
.2
20
.2
.2
00
8
.2
00
8
.2
00
8
.2
00
8
.2
00
8
.2
00
8
.2
00
8
.2
00
8
.2
00
8
.2
00
8
.2
00
8
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
:5
3:
19
:5
9:
:5
8:
:5
8:
:5
7:
:5
7:
:5
6:
:5
6:
:5
5:
:5
5:
:5
4:
:5
4:
:5
3:
19
49
19
49
19
49
19
49
19
49
19
49
-50
20
.2
.2
00
8
.2
00
8
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
.9
60
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
SF napětí R400kV SLA
200
150
Průbě h S F napě tí v R400kV S LA při najíždě ní EDA
100
50
0
-150
-200
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
17
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Odchylka kmitočtu SLA při najíždění EDA
50
40
30
OdchylkafSLApři najíždění EDA
20
10
29675
28985
28295
27605
26225
26915
25535
24845
24155
23465
22085
22775
21395
20705
19325
20015
18635
17945
17255
15875
16565
15185
14495
13805
13115
11735
12425
11045
10355
8975
9665
8285
7595
6215
6905
5525
4835
4145
3455
2075
2765
1385
5
-10
695
0
-20
-30
-40
-50
-60
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
18
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Odchylka kmitočtu SLA při najíždění EDA – časová
lupa
20
10
Odchylkaf SLApřinajíždění EDA
1
12
23
34
45
56
67
78
89
100
111
122
133
144
155
166
177
188
199
210
221
232
243
254
265
276
287
298
309
320
331
342
353
364
375
386
397
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
19
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Analýza oscilací
Při analýze oscilací kmitočtu nebo napětí lze vyhodnotit
–
–
–
–
Frekvenci oscilací
Amplitudu oscilací
Tlumení oscilací
Vzájemnou fázi oscilací
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
20
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Frekvenční analýza kmitočtu sítě
5000
Frekvenční analýzakmitočtu
4500
SLV(při najetí Dalešic)
4000
SLV-bezEDA
3500
SLV-přinajíždění
SLV-sEDA
3000
2500
2000
1500
1000
500
frekvencezměnkmitočtu[Hz]
0,60
1,20
1,79
2,39
2,99
3,59
4,19
4,79
5,38
5,98
6,58
7,18
7,78
8,37
8,97
9,57
10,17
10,77
11,36
11,96
12,56
13,16
13,76
14,36
14,95
15,55
16,15
16,75
17,35
17,94
18,54
19,14
19,74
20,34
20,94
21,53
22,13
22,73
23,33
23,93
24,52
0
0
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
21
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Frekvenční analýza kmitočtu sítě
5000
4500
4000
Frekvenční analýzakmitočtu
SLV&SOK(při najetí Dalešic)
3500
SLAbezEDA
SLApři najíždění
SLAsEDA
3000
2500
2000
1500
1000
500
frekvencezměnkmitočtu[Hz]
15,
86
15,
91
15,
95
16
,00
16
,05
16
,10
16
,15
16,
20
16,
25
16,
30
16,
35
16
,39
16
,44
16
,49
16
,54
16
,59
16,
64
16,
69
16,
74
16
,78
16
,83
16
,88
16
,93
16,
98
17
,03
17,
08
17
,13
17,
18
17
,22
17
,27
17,
32
17
,37
17,
42
17,
47
17,
52
17
,57
0
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
22
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Estimace stavu
Klasické estimační programy jsou zatíženy chybami.
Významného zpřesnění estimací stavu lze dosáhnout
použitím synchronních fázorů napětí v uzlech
jako další vstupní veličiny do algoritmu
estimace.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
23
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Estimace stavu
1. P, Q, U, I použité jako vstupy pro estimace jsou
nesoučasnými vstupy. Nesoučasnost je
způsobena např. použitím -kritéria, různou
dobou zpracování v ŘS a přenosu.
WAM: Synchronní fázory jsou z principu veličiny
současné s velkou přesností.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
24
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Estimace stavu
2. Programy pro výpočet chodu sítě, estimace a
další počítají s 1. harmonickou, použité vstupní
veličiny jsou efektivními hodnotami zahrnující
všechny harmonické. Tato chyba je významná
zvláště u proudů.
WAM: SF jsou reprezentovány úhlem a hodnotou
první harmonickou měřené veličiny.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
25
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Estimace stavu
Programy používají 1-fázový model, který je použitelný s
fázovými hodnotami pouze při symetrickém zatížení.
Příklad průběhu zatížení 3-fází v síti 110kV:
3.
240
85
220
IL1_okoli
IL2_okoli
IL3 _okoli
200
80
75
180
70
160
IL1_Prestice
IL2_Prestice
IL3_Prestice
65
140
2047
1954
1861
1768
1675
1582
1489
1396
1303
1210
1117
931
1024
838
745
652
559
466
373
280
187
1
4621
4401
4181
3961
3741
3521
3301
3081
2861
2641
2421
2201
1981
1761
1541
1321
881
1101
661
441
221
1
94
60
120
WAM: Vliv nesymetrie je možné snížit 3-fázovým měřením a
použitím sousledné symetrické složky.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
26
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
SCADA
Struktura klasické estimace
P, Q, U, I,
topologie,
parametry
Estimace
klasická
estimované
fázory napětí
v uzlech UE
Dopočet
P, Q, U, I
estimované
veličiny
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
27
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Struktura estimace s využitím WAM
SCADA
Existuje více metod, zde znázorněna varianta „postprocessing“.
P, Q, U, I,
topologie,
parametry
WAM
topologie,
parametry
Estimace
klasická
estimované
fázory napětí
v uzlech UE
Dopočet
P, Q, U, I
estimované
veličiny
Postprocessing
estimace (dodatečná)
změřené fázory
napětí UM
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
28
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Součinnost WAM a chránění – WAP - SPS
Systémy WAP:
– Standardní ochrany se orientují na chránění objektů – vývod, vedení,
trafo, soustava přípojnic apod.
– WAP umožňuje chránění většího souboru objektů, např. oblasti kolem
elektrárny, dlouhého vedení přes více el. stanic apod.
– WAPS obvykle vyžadují rychlejší reakce, než poskytuje standardní
struktura WAMS.
– Pro zajištění rychlé odezvy se nad podmnožinou WAM vytvoří
struktura Special Protection Schema (SPS).
– V jedné struktuře WAP-SPS jsou zpracovávána data, které řeší
požadovanou chránicí funkci.
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
29
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Struktura WAMS-SPS
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
30
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Fázorová měření v DS ČR
Říjen 2007:
# 122 stanic 22kV a 110/22kV
# > 700 fázorů U: 10,22,35 a 110 kV
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
31
CPS’08 ŠTRBSKÉ PLESO
Pokusil jsem se touto přednáškou informovat o principu a možnostech
nové technologie WAM. Téma je velice rozsáhlé, zahrnuje měření a
základní zpracování synchronních fázorů a problematiku jednotlivých
funkcí a aplikací.
Jsme připraveni účastnit se dalších diskuzí a projednávání.
Děkuji za pozornost
Ing. Antonín Popelka
AIS spol. s r.o., Brno
www.ais-brno.cz
[email protected]
ANTONIN POPELKA: WAM – MODERNÍ SYSTÉMY MONITOROVÁNÍ, ŘÍZENÍ A CHRÁNĚNÍ
ELEKTRICKÝCH SÍTÍ
32