EKSPLOATACIJA ELEKTROENERGETSKIH SISTEMA Predrag Stefanov ETF Beograd OBLAST

EKSPLOATACIJA ELEKTROENERGETSKIH SISTEMA Predrag Č. Stefanov ETF Beograd

OBLAST RAZMATRANJA Elektroprivreda je privredna grana koja se bavi problemima proizvodnje, prenosa, distribucije i potrošnje električne energije. Osnovni cilj njenih aktivnosti je da se obezbedi zahtevana isporuka električne energije potrošačima, uz propisani kvalitet, neophodne nivoe sigurnosti i pouzdanosti te isporuke i najmanje sopstvene troškove. Planiranje elektroenergetskih sistema je aktivnost koja se odnosi na izradu planova razvoja, projektovanje i izgradnju sistema i njegovih elemenata, koji će zadovoljavati neke pretpostavljene buduće potrebe, polazeći od zatečenog (početnog) stanja. Eksploatacija ima za cilj da na najbolji mogući način iskoristi već izgrađene objekte i sisteme. Ovakva podela globalnih aktivnosti koje su svojstvene elektroprivredi kao privrednoj grani, predstavlja i svojevrsnu vremensku dekompoziciju problema: – planiranje obuhvata sve prethodne aktivnosti vezane za period izgradnje sistema koji treba da zadovolji predviđene potrebe, – eksploatacija obuhvata aktivnosti vezane za period njegovog iskorišćenja, posle završene izgradnje.

Klasični pristup eksploataciji elektroenergetskih sistema bazirao se na njihovoj vertikalno-integrisanoj strukturi i privilegovanom položaju elektroprivrede kao javne službe sa prirodnim monopolom. Krajem devedesetih godina 20 -og veka došlo je do dramatične promene u poslovanju te privredne grane, od monopolskog vertikalno-integrisanog mehanizma na praksu konkurentnog otvorenog tržišta. Više razloga za te promene i oni se razlikuju od zemlje do zemlje, pa i u pojedinim regionima iste zemlje. Tu se mogu uočiti dva karakteristična slučaja: – U razvijenim zemljama preovladala je želja da se potrošačima pruži veći izbor isporučioca, ukidanjem monopola u sektoru električne energije, što bi, u tržišnoj konkurenciji, rezultovalo u poboljšanju servisa i sniženju cene, koju plaća krajnji korisnik. – U zemljama u razvoju, kao glavni problem ispoljavao se visok porast potreba, koji neefikasne monopolski organizovane elektroprivrede, zbog lošeg menadžmenta i iracionalnih tarifa za prodaju električne energije, ne mogu da prate. Uočena je i nezainteresovanost finansijskih institucija da obezbede novčana sredstva za neophodne nove investicije koje bi uvećale proizvodne i prenosne kapacitete. Pod pritiskom spoljnih (u prvom redu međunarodnih) finansijskih organizacija, mnoge zemlje u razvoju bile su prinuđene da izvrše strukturnu reorganizaciju svoje elektroprivrede, da bi je osposobile za samostalno poslovanje, bez državnih dotacija i međunarodnih donacija.

DEREGULACIJA I STRUKTURNA REORGANIZACIJA Struktura elektroenergetskog sistema, preko tokova energije, povezuje četiri prirodna podsistema svakog elektroenergetskog sistema: • Proizvodnja je okarakterisana sa visokom koncentracijom generatorskih kapaciteta u velikim elektranama, na relativno malom broju lokacija. Ovom nivou pripada i najveći deo uloženih investicionih sredstava u elektroprivredi (60 – 65%); • Prenos karakteriše primena ultra-visokih (UVN) i vrlo visokih napona (VVN) iznad 220 k. V koji se koriste za transport električne energije od elektrana do velikih centara potrošnje (ili velikih individualnih industrijskih potrošača). Udeo investicionih sredstava na ovom nivou kreće se između 10 i 15% od ukupnih ulaganja u elektroprivredi; • Distribucije imaju ulogu da raspodele električnu energiju, koju im na raspolaganje stavljaju proizvodnja i prenos, do krajnjih korisnika. Primarne distributivne mreže u tu svrhu koriste srednje visoke napone (SN) između 6, 6 i 72 k. V (ređe visoke napone (VN) do 132 k. V), a sekundarne niski napon (NN) 400/231 V. Ulaganja na ovom nivou kreću se u opsegu 20 – 25% od ukupnih ulaganja u elektroprivredi; • Za razliku od koncentrisane proizvodnje, potrošnja je jako raspodeljena na vrlo veliki broj krajnjih potrošača, pretežno napajanih električnom energijom niskog napona 400/231 V (relativno mali broj direktnih potrošača napaja se i iz mreža visokih napona do 12 k. V).

Sl. 1 -2: Tipična struktura vertikalno-integrisanog elektroenergetskog sistema

Sl. 1 -2: Tipična struktura deregulisanog elektroenergetskog sistema

Očekivana dobit od deregulacije Manja kupovna cena električne energije, koja može učiniti pojedine regione posebno atraktivnim za razvoj novih industrija i poslovanja, posebno kada su u pitanju energetski intenzivni potrošači; Efikasnije planiranje proširenja elektroprivrednih objekata, zbog boljeg poznavanja dinamike ponude i potražnje, čime se omogućava proizvodnim preduzećima da investiraju u pravo vreme u objekte na najboljim lokacijama. Ohrabruju se i novi investitori da sa ulaganjima uđu u elektroprivredu, čime se generalno potpomaže ekonomski razvoj zemlje (posebno značajno za nove nezavisne proizvođače (IPP i NUG)); Cene energije nisu više fiksne, već zavise od stvarnih troškova, što se reflektuje na tržište električne energije, da ih proizvođači minimizuju, a s tim da pojeftine i isporuku krajnjim potrošačima; Minimizacija troškova, koju nameće konkurentno tržište, pruža potrošačima veće pogodnosti, nego što je to bio slučaj u uslovima poslovanja prirodnog monopola, sa fiksnim tarifama za prodaju električne energije; Potrošači dobijaju mogućnost izbora isporučioca električne energije na slobodnom tržištu, što može rezultovati i u posebne beneficije i popust pri pogodbi i ugovaranju isporuka; Bolje poslovanje potrošača i veća pažnja koju im isporučioci nude, jer ako je nezadovoljan snabdevačem, ima mogućnost njegove lake promene;

VREMENSKA DEKOMPOZICIJA AKTIVNOSTI EKSPLOATACIJE ELEKTROENERGETSKIH SISTEMA Eksploatacija, kao posebne funkcije, u sebe uključuje: • operativno planiranje, • upravljanje u realnom vremenu i • analizu ostvarenog pogona. Priprema pogona obuhvata čitav period koji prethodi događaju. Obavlja se u intervalima koji se poklapaju sa kalendarskom vremenskom podelom, tj. u godišnjim, mesečnim, sedmičnim i dnevnim ciklusima. Godišnji ciklus pripreme pogona obuhvata aktivnosti srednjeročnog operativnog planiranja, a mesečni (sedmični) i dnevni ciklusi, aktivnosti kratkoročnog operativnog planiranja. Upravljanje u realnom vremenu obuhvata sam događaj i kratke periode pre i posle događaja i u suštini predstavlja sučeljavanje planiranih kratkoročnih aktivnosti dnevne pripreme pogona sa stvarnim uslovima rada i prilikama u elektroenergetskom sistemu. Analiza ostvarenog pogona odnosi se na period posle događaja u kome se sprovodi kritička analiza pripreme realizovanog pogona i upravljanja u realnom vremenu, čiji su rezultati odgovarajući pisani izveštaji. Ti izveštaji mogu biti redovni, koji se poklapaju sa vremenskim ciklu-sima pripreme pogona (godina, mesec, sedmica i dan) i posebni, posvećeni pojedinim značajnim događajima u izveštajnom periodu (kvarovi, ulazak u pogon novih objekata, značajne promene u konfiguraciji sistema itd. ).

FUNKCIJE PRIPREME POGONA (OPERATIVNO PLANIRANJE) Godišnji ciklus aktivnosti pripreme pogona obuhvata sledeće funkcije: – – – – – prognoza potrošnje (energije, vršne i minimalne snage); planovi remonata i održavanja objekata (elektrane, razvodna postrojenja, vodovi); obezbeđenje remontne rezerve; planovi proizvodnje elektrana; planovi razmene (uvoz/izvoz) električne energije; planovi kupovine električne energije od industrijskih elektrana i nezavisnih proizvođača; izrada godišnjeg elektroenergetskog bilansa; analiza i provera rada sistema u karakterističnim pogonskim situacijama; izrada plana nabavke i predračun troškova goriva; proračun troškova goriva i ekonomska analiza prihoda i rashoda planiranog rada elektroenergetskog sistema.

Mesečni (sedmični) ciklus aktivnosti U sklopu mesečnih funkcija pripreme pogona, najznačajnije su sledeće aktivnosti: – – – – prognoza potrošnje; planovi održavanja i radova u objektima; obezbeđenje operativne rezerve; planovi proizvodnje elektrana; plan razmene sa susedima; izrada mesečnog (sedmičnog) elektroenergetskog bilansa; analiza i provera rad sistema; obračun troškova pogona. Dnevni ciklus aktivnosti pripreme pogona obuhvata sledeće funkcije: – – – prognoza dnevnog dijagrama potrošnje; izrada plana angažovanja termičkih agregata i elektrana; proračun havarijske i regulacione obrtne rezerve; izrada dnevnog plana pogona elektrana i razmene sa susedima; analiza i provera rada sistema; ekonomski proračuni pogona sistema.

FUNKCIJE UPRAVLJANJA U REALNOM VREMENU – – – a. Osnovne funkcije (funkcije osnovnog realnog vremena) akvizicija i arhiviranje podataka; kontrola topologije mreže; kontrola prekoračenja i alarma; automatska regulacija učestanosti, proizvodnje i razmene aktivnih snaga ("Automatic Generation Control AGC"); regulacija napona i reaktivnih snaga; pogonska statistika. Prve tri i poslednja od nabrojanih funkcija obavljaju se preko teleinformacionog SCADA sistema ("System Control and Data Acquisition"), AGC, preko SCADA-e, ili posebnog sistema automatske regulacije, a regulacija napona i reaktivnih snaga je kombinovani ručno-automatski proces.

b. Dodatne funkcije (funkcije proširenog realnog vremena) – statička estimacija (stanja i parametara) na bazi redundantnog skupa informacija iz sistema; – analiza sigurnosti pogona; – ekonomski dispečing aktivnih snaga; – izrada optimalnog plana napona, proizvodnje/apsorpcije i tokova reaktivnih snaga. ANALIZA I KONTROLA OSTVARENOG POGONA U ovom skupu funkcija najvažnije su one vezane za sledeće aktivnosti: obračun kupovine i prodaje električne energije; obračun utroška goriva i izdataka za gorivo; izrada periodičnih izveštaja (godišnjih, mesečnih/sedmičnih i dnevnih); analiza kvarova i havarijskih stanja u proteklom periodu rada sistema; analiza preduzetih akcija i performansi operatora.

ENERGETSKO-EKSPLOATACIONE KARAKTERISTIKE ELEKTROENERGETSKIH SISTEMA Eksploatacija elektroenergetskih sistema je aktivnost, čiji je cilj da se primenom tehničkoekonomskih metoda na najbolji mogući način iskoriste postojeći, već izgrađeni elektroenergetski objekti i sistem. Da bi se taj cilj ostvario, neophodno je da se poznaju energetske i eksploatacione (ekonomske) karakteristike pojedinih elemenata sistema, objekata, odvojenih podsistema i elektroenergetskog sistema kao celine. Ove karakteristike u sebe uključuju i sva konstrukciona i tehnička rešenja ugrađena kroz specifikaciju karakteristika i nabavku opreme, definisana u periodu planiranja razvoja i izgradnje sistema.

POTROŠAČI Po tarifnom sistemu azlikuju se sledeće kategorije potrošača: – domaćinstva; – sitno preduzetništvo, zanatstvo i trgovina; – industrija; – komunalna potrošnja; – saobraćaj; – poljoprivreda i građevinarstvo; – ostala potrošnja. Često se govori samo o tri značajna sektora potrošnje: – široka potrošnja (u sebe uključuje kategorije domaćinstava, sitnog preduzetništva, poljoprivrede, građevinarstva, komunalne i ostale potrošnje); – industrija; – saobraćaj (željeznička vuča). U svetskoj praksi, uobičajena je podela potrošnje na tri osnovne grupe potrošača: – rezidencijalna potrošnja (odgovara kategoriji domaćinstava); – komercijalna potrošnja (odgovara kategorijama sitnog preduzetništva, zanatstva i trgovine, komunalne potrošnje, poljoprivrede i građevinarstva); – industrija (i saobraćaj).

Zavisnost dijagrama potrošnje Prikazani dijagrami potrošnje zavise od: Strukture potrošača Sezone Tačke snimanja Zavisnost od tačke snimanja: 1. Bruto potrošnja 2. Prag elektrana 3. Prag prenosa 4. Prag distribucije 5. Neto potrošnja PG = Pg =

Dnevni dijagram i kriva trajanja opterećenja

Apsolutni i relativni pokazatelji Apsolutni pokazatelji: Maksimalno dnevno opterećenje: Minimalno dnevno opterećenje: Ukupna dnevna potrošnja energije: Relativni pokazatelji: Faktor dnevnog opterećenja: Srednje dnevno opterećenje: Vreme iskorišćenja maksimalne snage: Odnos dnevnog minimuma i maksimuma:

Podela dnevnog dijagrama opterećenja Dnevni dijagram opterećenja može se podeliti na dva načina: – po trajanju opterećenja; – po tipu opterećenja.

Vreme trajanja visokih opterećenja: Vreme trajanja niskih popterećenja: Konstantna snaga: Konstantna energija: Varijabilna snaga: Varijabilna energija:

Aproksimacija krive trajanja opterećenja Aproksimacija sa tri prave:

Maksimalna i minimalna vrednost: 2 i 0 Aproksimacija krive trajanja opterećenja vremenskim polinomom Kriva energija – snaga i konzumni okvir

Sedmični, mesečni i godišnji dijagrami opterećenja i odgovarajući dijagrami trajanja Trodimenzioni dijagram opterećenja nekog potrošačkog područja za sedmični period

Trodimenzioni dijagram opterećenja nekog potrošačkog područja za mesečni period

Sedmični polarni dijagram opterećenja jednog potrošačkog područja

Prognoza potrošnje Primena prognoze potrošnje: 1. Angažovanje agregata 2. Sigurnost elektroenergetskih sistema 3. Određivanje rezervi u elektroenergetskim sistemima 4. Rad tržišta Faktori koji utiču na nivo potrošnje 1. Ekonomski faktori 2. Vremenski faktori 3. Klimatski faktori 4. Slučajni poremećaji 5. Cenovni faktori 6. Ostali faktori

Prognoza potrošnje Vremenska podela prognoze: Dugoročna prognoza (od nekoliko meseci do godine) Kratkoročna prognoza (od nekoliko minuta do 168 h) Podela prognoze prema prognoziranim veličinama: Prognoza vršne snage (bazna + sezonske varijacije) Prognoza satnih opterećenja (zavisi od trenutka za koji se prognoza vrši)

Prognoza potrošnje Tipovi algoritama: - Prema satu u danu (na osnovu vremenskih serija za svaki sat. Ne postoji zavisnost od klimatskih faktora) - Dinamički modeli: 1. U prostoru stanja 2. Regresione metode (ARMA)

Mesečne krive trajanja opterećenja osnovna prognoza potrošnje energije u i-tom mesecu (sedmici) j-te godine korekcija osnovne prognoze potrošnje energije usled sezonskih faktora korekcija osnovne prognoze potrošnje energije zbog uticaja praznika i neradnih dana rezidualna greška prognoze potrošnje

Prognoza k-tog satnog opterećenja u d-tom danu osnovno opterećenje u satu k = 1, 2, . . . , 24, dana d = 1, 2, . . . , 7 korekcija usled promenljivih meteoroloških uslova, zbog varijacije temperature ( ), vlažnosti vazduha (h), osvetljaja (ili oblačnosti l) i efekta rashlađivanja usled vetra (c) korekcija usled efekta dana u sedmici (d = 1 označava ponedeljak, d = 2 utorak, itd. ) rezidualna greška prognoze

Osnovne energetske i eksploatacione karakteristike elektrana Osnovna karakteristika svake elektrane je njena instalisana snaga SEi, koja se dobija kao aritmetički zbir naznačenih prividnih snaga sa natpisnih pločica generatora Sgn u [MVA], ili nazivnih snaga primarnih pogonskih mašina Pgn u [MW]. Instalisana snaga je znači istovremeno i nazivna ili nominalna snaga elektrane. Maksimalna snaga elektrane je ona najveća snaga (PEM PEi) koju elektrana kao celina može dati, uz pretpostavku da su svi delovi elektrane sposobni za pogon. Za hidroelektranu se pri tome pretpostavlja da su protok i pad optimalni, a za termoelektranu na paru da na raspolaganju stoji dovoljna količina goriva propisanog kvaliteta i zahtevana količina vode normalne temperature i čistoće za potrebe napajanja generatora pare i hlađenja kondenzata. Pri određivanju maksimalne snage ne postavlja se zahtev za postizanje optimalnog stepena iskorišćenja, ali se uzimaju obzir uticaji svih delova postrojenja elektrane (dimenzije dovodnih i odvodnih organa hidroelektrana, kapacitet dopreme uglja, stanje kotlova, kapaciteti sistema za otpremu šljake i pepela, dovoda vode itd. kod termoelektrana na paru, odnosno vrsta i kvalitet goriva i ambijenti uslovi u slučaju gasno-turbinskih termoelektrana).

Raspoloživa snaga je najveća snaga koju elektrana može proizvesti u nekom momentu, uvažavajući stvarno stanje pomoćnih pogona u elektrani i spoljne uslove, uz pretpostavku da nema ograničenja zbog zahtevane proizvodnje reaktivne snage. Pri određivanju raspoložive snage hidroelektrana, potrebno je da se uzmu u obzir raspoloživi dotok i pad, a u slučaju termoelektrana na paru, kvalitet goriva, kao i količina i temperatura vode za napajanje generatora pare i hlađenje kondenzata termoelektrana na paru, odnosno vrsta i kvalitet goriva, nadmorska visina i temperatura okolnog vazduha u slučaju gasnoturbinskih termoelektrana. Sopstvena potrošnja je snaga koja je potrebna za rad pomoćnih pogona elektrane: pumpi, ventilatora, mlinova, dopreme uglja, otpreme šljake i pepela kod termoelektrana na paru, kompre-sora i ventilatora kod gasnoturbinskih termoelektrana, a pumpi i ventilatora kod hidroelektrana. Znatno je veća kod termoelektrana na paru (6 12 % od nazivne snage), nego kod hidroelektrana i gasnoturbinskih termoelektrana (0, 5 2 %). Hidroelektrane imaju još jednu karakterističnu veličinu koja na neki način dopunjuje pojam instalisane snage. To je veličina izgradnje, odnosno maksimalni protok u [m 3/s] koji elektrana može iskoristiti (bez obzira na stepen korisnog dejstva), uzimajući u obzir stanje svih delova postrojenja. Moguća godišnja proizvodnja elektrane je više karakterističan pokazatelj hidroelektrana (jer se one dimenzionišu na energiju), nego za termoelektrane (koje se dimenzionišu na snagu) i određuje se različito za svaku od karakterističnih grupa elektrana