Web viewSledi izbira materiala. Pri izračunu se upoštevajo tudi talni materiali (gramoz, mivka, zemlja, mulj, glina, šota, ... PDF, MS Word, Excel. Slika . 15

12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015

CIGRÉ ŠK C1-09

UPORABA PROGRAMSKEGA ORODJA ETAP PRI IZRAČUNIH

ANALIZAH IN NAČRTOVANJU ELEKTROENERGETSKIH OMREŽIJ

MATEJ VENE, univ.dipl.inž.el., SIPRO inženiring d.o.o., [email protected]Ž STANKO, dipl.inž.el., SIPRO inženiring d.o.o., [email protected]

dr. BOŠTJAN PEVEC, univ.dipl.inž.el., NEK, [email protected]

Povzetek – Dandanes je uporaba programskih orodij za izračune, analize in načrtovanje elektroenergetskih omrežij praktično nujna, saj sta natančno in optimirano načrtovanje ter ekonomski vidik vedno bolj pomembna. Za izračune, analize in definiranje parametrov uporabljamo v podjetju Sipro inženiring programsko orodje ETAP (ang. Electrical Transient and Analysis Program). Tako orodje uporablja tudi Nuklearna elektrarna Krško in velika večina ameriških nuklearnih elektrarn, kot tudi veliko projektantskih podjetij. Je zelo obširen, modularno zasnovan program, ki pokriva področja, kot so: izračuni kratkih stikov, pretokov moči, padcev napetosti, omogoča simulacijo zagonov motorjev, dimenzioniranje električne opreme, koordinacijo zaščite sistemov, vodenje pametnih omrežij ipd. Na trgu se pojavlja več različnih primerljivih programskih orodij, kot npr: SKM Power Tools, PowerCad, Cyme in drugi. Za to programsko orodje smo se odločili zaradi bogate knjižnice podatkov svetovnih proizvajalcev opreme in ustrezne validacije in verifikacije, ki je v skladu tudi z regulativo 10 CFR50 Appendix B.Referat obravnava pregled različnih konfiguracij modulov in funkcij, ki jih to orodje omogoča, zmogljivosti, določene primerjave programa z ostalimi podobnimi razpoložljivimi programi in poglavitne razloge za odločitev uporabe ETAP-a.

Ključne besede: ETAP, pretoki moči, elektroenergetska omrežja,

USING ETAP SOFTWARE FOR CALCULATIONS, ANALISYS

AND DESIGN OF ELECTRICAL POWER SYSTEMS

Abstract – Nowadays the use of software tools for calculations, analysis and planning of electricity networks in practically necessary, since the accurate and optimized planning and economic aspects are becoming increasingly important. For the calculations, analysis and definition of the parameters in the company Sipro engineering software tool ETAP (Electrical Transient Analysis Program) is used. Such software is also used in Krško Nuclear Power Plant and the vast majority of US nuclear power plants, as well as many engineering companies. It is very extensive, modular designed program, which covers areas such as: calculations of short circuits, power flow, voltage drops, allowing the simulation of the engine starts, the design of electrical equipment, coordination of protection systems, management of smart grids, etc. In the market appear several comparable software tools such as: SKM Power Tools, PowerCad, Cyme and others. We have chosen ETAP software tool due to its rich library of data for equipment of global world manufacturers and the corresponding validation and verification, which is in accordance with regulation 10 CFR50 Appendix B.This paper deals with an overview of the various configurations of modules and functions that this tool enables, performance comparisons of certain software with other similar tool available and the main reasons for making use of ETAP as chosen software.

Keywords: ETAP, load flow, power systems,

1

mailto:[email protected]




CIGRÉ ŠK C1-09

I. UVOD

ETAP je programsko orodje namenjeno strokovnjakom na področju elektroenergetike. Na komercialnem trgu je

precejšnja konkurenca različnih proizvajalcev programskih orodij za načrtovanje, analizo in/ali sproten nadzor

elektroenergetskih sistemov oz. tudi sistemov manjših obsegov (industrijska omrežja). V osnovi orodja delimo

na tista z grafičnim vmesnikom in tista starejša, ki nimajo grafičnega vmesnika in z uporabnikom komunicirajo

preko ukazne vrstice. Obravnavani programski paket ETAP sodi v prvo skupino in ima za uporabnika prijazen in

logičen grafični vmesnik (Slika 1).

Slika 1: Pogled na delovno polje programa ETAP

II. ETAP NA KRATKO

ETAP (Electrical Transient and Analysis Program) je računalniško programsko orodje, ki skupaj zajema celovito

rešitev za projektiranje, simulacijo in analizo produkcijskih, transformatorskih, distribucijskih in industrijskih

elektroenergetskih sistemov. Računalniški program, ki teče v Microsoft Windows operacijskem okolju, že od

leta 1983 razvija in trži ameriško podjetje OTI.

Prednost tega programa je vsekakor, da ga ustvarjajo inženirji, za inženirje, ki se ukvarjajo z močnostnimi AC

in/ali DC sistemi, kabelskimi kanali, ozemljitvami, prostorsko ponazoritvijo tras, paneli, zaščito naprav

(koordinacija, selektivnost) in AC & DC regulacijskimi sistemskimi diagrami. Prepričljiv je tudi podatek, ki ga

navaja razvijalec, da skoraj 90 % vseh nuklearnih elektrarn v ZDA uporablja ta program v posebni (ETAP

Nuclear) in dražji obliki za nuklearne elektrarne, ki ima s strani organizacij za jedrsko varnost verificirane

knjižnice.

Delo z ETAP-om poteka na preprost način, najprej se v osrednjem urejevalnem polju sestavi enopolna shema z

elementi, ki nam jih že ponudi program po dveh standardih (IEC ali ANSI). ETAP glede na modul ponuja

2


CIGRÉ ŠK C1-09

obsežno knjižnico elementov in naprav, ki predstavljajo lažjo izbiro. Vsak energetski element ima obsežen nabor

lastnosti, ki se jih definira glede na želene oz. podane podatke. Program je inteligentno zasnovan, saj v veliko

primerih sam izračuna določene podatke, ko je vnesenih dovolj podatkov za izračun le tiste veličine. Parametre

elementov se lahko za začetek izbere kar tipične vrednosti (npr. impedance), ki jih glede na vnesene osnovne

podatke iz napisne tablice predlaga program. Izračun se nato izvede glede na zahteve (pretoki moči ali

kratkostični izračuni itd.) v izbranem modulu oz. načinu oz. analizi. Izračun običajno ne traja dlje od nekaj

sekund, rezultati pa se prikažejo kar na enopolni shemi. Način in obseg prikazanih podatkov se nastavi v

možnostih pogleda enopolne sheme. Če so na primer vhodni podatki pomanjkljivi program o tem pred

izračunom nanje opozori. Po uspešno izvedeni analizi je možen izpis poročil v različnih oblikah in formatih.

III. SESTAVA ENOPOLNE SHEME

Delo se prične z izgradnjo modula oz. enopolne sheme, za katero so na voljo številni elementi (Slika 2). V

osnovi so razdeljeni na instrumente, enosmerne in izmenične gradnike (Tabela 1, Tabela 2 in Tabela 3).

Slika 2: Elementi za sestavo enopolne sheme

Razdeljeni so v tri skupine in sicer instrumente, enosmerne (DC) in izmenične (AC) elemente.

Tabela 1: InstrumentiTokovni transformator Napetostni transformatorVoltmeter AmpermeterMultimeter Močnostni releNapetostni rele MV "solid-state" rele (optični)Frekvenčni rele Nadtokovni releMotorski rele Multifunkcijski releDiferenčni rele

3


CIGRÉ ŠK C1-09

Povezave

Tabela 2: AC elementiKazalec/povezovalnik ZbiralkaTransformator z 2 navitjema Transformator s 3 navitjiKabel DaljnovodTuljava/dušilka UporMočnostno omrežja Sinhronski generatorGenerator vetrne turbine MG SET (rotacijski UPS)Asinhronski motor Sinhronski motorMešano breme Motorno krmiljeni ventiliStatično breme KondenzatorPanelni sistem Harmonični filterOddaljeno stikalo Fazni adapterStatični kompenzator HVDC prenosUgnezdena shema za motorje Ugnezdena shemaVarovalka KontaktorVisokonapetostni odklopnik Nizkonapetostni odklopnikPonovni vklop Linijski preobremenitveni releTermična zaščita Dvopolno stikaloEnopolno stikalo OzemljitveInstrumentacijska vrstica Urejevalnik poročilMožnosti prikaza

Tabela 3: DC elementi

Povezovalnik ZbiralkaDC kabel DC uporDC konverter DC statično bremeBaterija DC ugnezdena shema CSDDC Motor DC ugnezdena shemaDC mešano breme DC varovalkaDC ugnezdena shema za motorje DC dvopolno stikaloDC odklopnikDC enopolno stikaloDC pretvorniki

Ko so elementi enkrat preneseni v delovno okno enopolne sheme jih je potrebno med sabo povezati in nastaviti

njihove parametre. Ena zelo smiselnih nastavitev je ustrezno poimenovanje vsakega elementa, t.i. ID, saj bo le

tako nadaljnje delo enostavnejše in preglednost večja. Po sestavi in konfiguraciji modela, se izvedejo različne

analize. Temu ustrezen je tudi nivo podrobnosti vnesenih parametrov.

4


CIGRÉ ŠK C1-09

IV. ANALIZE

Analize so prav tako kot moduli tudi del programa in se jih kupuje posebej. V nadaljevanju je predstavljen

nabor analiz, ki jih je možno izvesti nad osnovno enopolno shemo in so zajete v t.i. Mode izbirni vrstici, kjer

uporabnik izbira med urejevalnikom enopolne sheme in ostalimi različnimi izračuni/analizami (Slika 3).

Slika 3: Izbirna vrstica med urejevalnikom in različnimi analizami

a. Pretoki moči in padci napetosti (Load flow)

Analiza pretokov moči (Load Flow) izračuna pretoke moči (ki so lahko prikazani na več načinov - delovna moč,

delovna in jalova moč, navidezna moč, tok in faktor delavnosti) in padce napetosti na zbiralkah.

Možnosti prikaza so uporabniku zelo prilagodljive. Izračuni se izpišejo kar na enopolno shemo, način in veličine

pa je možno zelo dobro nastaviti (Slika 4).

Slika 4: Možnosti prikaza na enopolni shemi

5


CIGRÉ ŠK C1-09

Med že omenjenimi nastavitvami študije, kjer se nastavi metoda izračuna, se lahko popravijo tudi že pred

nastavljene meje opozoril. Tabela z opozorilom (Slika 5) o preobremenitvi ali bližini le-te se samodejno odpre

po koncu izračuna, če so se na posameznih elementih izračunale kritične vrednosti (npr. preobremenitev kabla).

Slika 5: Okno z opozorili

b. Neuravnoteženi pretoki moči (Unbalanced Load flow)

Realni elektroenergetski sistemi imajo na nizko napetostnem nivoju trifazne in enofazne obremenitve, kar za

omrežje predstavlja po fazah nesimetrične pretoke moči. V večini primerov analiziranja trifaznih sistemov, se

zadeve poenostavlja, saj je potrebnih mnogo manj vhodnih podatkov. S količino le-teh se možnost napake

razumljivo povečuje. Simetrični trifazni sistemi se lahko prevedejo na enofazne, kar je velika prednost. Za

razliko od predhodno omenjenih simetričnih pretokov moči, ta analiza omogoča izračun in prikaz pretokov moči

za vsako fazo posebej, hkrati pa ponuja še možnost simulacije okvare le ene faze.

c. Kratki stiki (Short-circuit)

Veliki tokovi povzročajo na opremi omrežja velike dinamične in termične obremenitve. T.i. kratkostični tokovi

so največji možni tokovi in so zelo pomembni pri načrtovanju zaščite sistema. S to analizo je uporabniku

omogočen izračun trifaznih, enofaznih zemeljskih, dvofaznih kratkih in zemeljskih stikov. Od vseh možnih

variant okvar/stikov se dobi praviloma najvišje tokove ob tripolnem kratkem stiku, zato se tega računa

najpogosteje.

H kratkim stikom spada še kot samostojni modul Arc Flash, ki je namenjen ščitenju oseb pred električnim

udarom. Na podlagi izračuna tega modula inženir pridobi vhodne podatke za sestavo varnostnih ukrepov in

potrebne zaščite.

d. Zagon rotirajočih strojev (Motor acceleration)

Med zagoni velikih motorjev le-ti za omrežje predstavljajo malo impedanco, zato so zagonski tokovi nekaj-

kratniki nazivnega toka. S posledično velikim tokom se zniža napetost, kar pa povzroča motnje v sistemu za vse

porabnike. Z zmanjšanjem napetosti se zmanjša navor motorja, njegov čas zagona pa se podaljša. Ta modul je

namenjen prav simulaciji in analizi razmer ob zagonu. Kot rezultat so podani padci napetosti in pretoka moči v

odvisnosti od časa. Tako se že v fazi projektiranja izogne vsem kasnejšim nevšečnostim z velikimi tokovi in

padci napetosti, hkrati pa se preveri vplive na druge porabnike v mreži in ustrezno dimenzionira vse

komponente.

6


CIGRÉ ŠK C1-09

Slika 6: Motor med zagonom v trenutku 4.11 s

Modul je sposoben zagonske izračune izvesti za dinamične in statične razmere. Metode glede na dane razmere

ugotovijo ali se bo motor zagnal, kakšen je potreben čas zagona in hkrati simulirajo potek. Za čas, ko je rotor

med zagonom še pri miru, se izračunajo parametri, ki povedo več o padcu napetosti med zagonom. Analiza za

zagon rotirajočih strojev ima orodje za risanje različnih veličin v diagramu odvisnosti od časa (npr. slip, tok,

napetost, mehansko in električno moč itd.).

e. Harmonska analiza (Harmonic analysis)

V omrežja se vključuje vedno več različnih močnostnih elektronskih naprav, digitalnih regulatorjev, frekvenčnih

pretvornikov, naprav za neprekinjeno napajanje, statičnih pretvornikov ipd., ki s sabo prinašajo motnje v

omrežju. Po drugi strani tudi klasične velike naprave, kot so obločne peči, fluorescenta razsvetljava, napajalniki

ipd., znižujejo kakovost napetosti. Drugače rečeno, povečuje se prisotnost harmonskih komponent, ki

predstavljajo onesnaževanje omrežja, saj kvarijo sinusno obliko napetosti. S harmonsko analizo je mogoče v

obliki grafikonov in izračunov na enopolni shemi predstaviti stanje.

Prisotnost harmonskih komponent v močnostnem sistemu predstavlja različne probleme, kot so pregrevanje

opreme, zniževanje faktorja delavnosti, zmanjševanje zmogljivosti opreme, povzročanje nepravilnega delovanja

zaščitnih naprav, motenje komunikacijskih sistemov, lahko pa pride tudi do pojava tokovne resonance, ki

pripelje do ekonomske škode. Prisoten je tudi problem širjenja harmonskih frekvenc v vsa povezana omrežja,

torej predstavlja grožnjo kakovosti na širšem območju in je odpravljanje le-teh velik izziv.

Z analizo lahko vnaprej predvidi najboljši model, ki upošteva frekvenčna odstopanja, nelinearnost in druge

izvore harmonikov. V osnovi modul pozna dve metodi, to sta metoda harmonskih pretokov in metoda pregleda

harmonskih frekvenc. Pri uporabi kombinacije obeh metod se izračunajo parametri, ki se nato primerjajo z

industrijskimi standardi in tako se že vnaprej lahko ve, kdaj in pod katerimi pogoji bodo harmoniki nastali.

7


CIGRÉ ŠK C1-09

Slika 7: Primer harmonske analize

f. Analiza stabilnosti prehodnih pojavov (Transient stability analysis)

Modul je bil v podjetju OTI razvit z namenom raziskovanja odziva in stabilnosti EES na različne spremembe ali

motnje. Zelo pomemben je t.i. kritični čas eliminacije motnje, ki pove koliko časa je lahko motnja prisotna, da bo

sistem še ostal stabilen. Gre za beleženje stanj pred, med in po izvedenih spremembah. S pomočjo rezultatov se

lahko ustrezno nastavi zaščitne naprave in preveri ustreznost izbrane opreme.

g. STAR analiza (STAR device coordination analysis)

STAR analiza ali analiza za koordinacijo zaščite je namenjena varovanju elektroenergetskih sistemov.

Pomembne zahteve za hiter izklop so občutljivost, hitrost, zanesljivost in selektivnost. Občutljivost zaščitnih

naprav je potrebno nastaviti tako, da so učinkovite, vendar ne preobčutljive, saj bi sicer lahko prišlo do

nepotrebnih izklopov. Znani sta dve vrsti selektivnosti, in sicer absolutna, ki je sposobna zaznati okvaro le na

svojem zaščitnem področju in relativna, ki je sposobna izklopiti tudi na drugih odsekih, t.i. distančna zaščita.

Modul je uporaben tako v fazi načrtovanja, kot tudi v primeru nadgradnje ali testiranja obstoječih zaščitnih

sistemov. S pomočjo enopolne sheme, obsežne knjižnice naprav, več dimenzionalne baze podatkov in

enostavnega grafičnega prikaza je naloga veliko lažja, zanesljivost je večja, stroški pa se znižajo.

STAR analiza ima vdelan t.i. STAR View (Slika 8), kjer se s pomočjo grafičnega vmesnika v obliki TCC (Time

current characteristic) diagrama samodejno prikažejo karakteristike izbranih elementov. Iz takšnega diagrama se

hitro razbere ustreznost selektivnosti varovanja posameznih elementov (npr. različne opreme, odklopnikov,

kablov ipd.).

8


CIGRÉ ŠK C1-09

Slika 8: STAR - koordinacija zaščite

Zraven spada še programsko orodje za testiranje relejev s posebej razvitimi metodami. Program za ustrezno

delovanje potrebuje strojni modul ETAP ARTTS-6 test set (Slika 9), ki simulira tako prehodne pojave, kot tudi

statične ravnovesne razmere in na ta način preveri odzive kratkostičnih napak. Odzivi v obliki krivulj se

primerjajo s krivuljami v STAR analizi, ki so podani na podlagi proizvajalčevih podatkov v knjižnicah.

Slika 9: Shema testiranje opreme

h. Izračun optimalnih pretokov moči (Optimal power flow analysis)

Modul je podoben modulu pretokov moči. Razlika je v namenu, saj je to orodje namenjeno optimizaciji

spremenljivk (npr. generatorske napetosti, injicirane delovne in jalove moči, nastavitev transformatorskih

regulatorjev - TAP itd.). Pomembno izhodišče je, da se z optimizacijo ne povzroči škode. Z optimizacijo sistema

se znižajo stroški, poveča izkoristek, poveča zanesljivost in varnost.

9


CIGRÉ ŠK C1-09

Slika 10: Rezultati optimizacije v enopolni shemi

i. Enosmerni sistemi; pretoki moči (DC load flow analysis)

Enosmerni sistemi so integriran del elektroenergetskih sistemov, saj se v njem pojavljajo kot elektronske

naprave, naprave za neprekinjeno napajanje (UPS) ipd. Takšen sistem navadno sestavlja DC izvor, DC prenosni

sistem ipd. Za preračunavanje teh sistemov je še do pred kratkim primanjkovalo orodij za računalniške izračune.

ETAP je naredil korak v pravo smer in naredil modul, ki je zanesljiv in primeren tudi na področju jedrskih

elektrarn. Izračun pretokov moči je osnova za analizo DC sistemov, tako za načrtovanje, kot kasnejšo oceno

stanja. Poleg pretokov moči se določijo še padci napetosti na zbiralkah. Kritična mesta se označijo na enopolni

shemi v drugih barvah.

j. Enosmerni sistemi; kratki stiki (DC short-circuit analysis)

Podobno kot pri analizi kratkih stikov v izmeničnem sistemu, se ti računajo tudi v enosmernih tokokrogih.

ETAPov modul enosmerne kratkostične tokove izračuna v skladu z IEEE 946 standardom in lahko zajema več

različnih virov napajanj, v radialnih ali pa zazankanih sistemih. Kratek stik je tu definiran kot maksimalni tok na

stiku, med pozitivnim in negativnim vodom naprav, kot so napajalniki, UPSi, baterije, DC motorji.

V. OSTALI MODULI

Povsem opravičeno večkrat uporabljamo besedo programski paket, saj je dejansko program sestavljen iz več

modulov. Končni uporabnik kupi za svoje delo potrebne module in s tem bodisi kupuje poceni, če ne potrebuje

veliko, oziroma v drugi skrajnosti plača veliko za večji obseg modulov. V nadaljevanju so na kratko

predstavljeni pomembnejši moduli.

a. Sistem podzemnih kanalov (Underground raceway systems)

To orodje načrtovalcem omogoča grafično načrtovanje kabelskih vodov v kabelskih prostorih (ceveh, kanalih)

pod zemljo (Slika 11). Namenjeno pa je tudi analizi obstoječih kabelskih sistemov. Program lahko z dodatnim

10


CIGRÉ ŠK C1-09

modulom na podlagi lastnih izračunov, predlaga ustrezen kabel glede na obremenitvene zmogljivosti in toplotne

razmere okolice.

ETAP v tem modulu nudi pet različnih analiz, to so: termično ravnovesje, enakomerno dovoljene tokovne in

temperaturne obremenitve, izračun termičnih prehodnih pojavov ter dimenzioniranje kablov. Izračuni temeljijo

na standardu IEC 60287, ki je definiran po Neher-McGrathovi metodi.

Poleg kablov se v shemo lahko doda tudi druge vrste vodov (npr. vodovod, parovod, plinovod), ki se jim

nastavita parametra za premer in delovno temperaturo, ki se pri dimenzioniranju kablov upošteva kot vir toplote

iz okolice.

Slika 11: Pogled na delovno okolje za načrtovanje podzemnih vodov

b. Ozemljilni sistem (Ground grid system)

Modul za ozemljitve temelji na standardih: IEEE 80-1986, IEEE 90-2000, IEEE 665-1995 in se deli na dve

metodi (FEM in IEEE). Metodi izračunavata maksimalen dovoljen tok za izbrani prevodnik, napetost koraka,

napetost dotika, napetosti koraka in dotika v obliki tabele za različne lokacije, optimalno število vzporednih

ozemljilnih prevodnikov za različne tipe ozemljitev in zemeljske upornosti.

Grafični vmesnik omogoča, da uporabnik skicira ozemljilo v treh različnih pogledih: tlorisni pogled, pogled od

spodaj in 3D pogled. Sledi izbira materiala. Pri izračunu se upoštevajo tudi talni materiali (gramoz, mivka,

zemlja, mulj, glina, šota, za vse v različnih oblikah in z različnimi tipi vlažnosti) in izmerjene vrednosti upornosti

materiala v različnih plasteh tal.

c. Sistem polaganja kablov (Cable pulling system)

Kabli imajo s strani proizvajalcev vnaprej predvidene maksimalne natezne sile, kar pomeni, da se jih pri

instalaciji v kabelske cevi ali kabelske trase ne sme prenatezati. S tem modulom je možno določiti ustrezne sile

in tako vnaprej zasnovati pravilne kabelske sisteme za polaganje kablov. Sile program računa od točke do točke

za vsak kabelski cevovod oz. kablovod posebej.

11


CIGRÉ ŠK C1-09

d. Sistem za sprotni nadzor in upravljanje (Realtime system)

Sodobni procesi so danes računalniško vodeni, zato tudi tovrstna programska orodja nudijo možnosti za sprotni

nadzor in upravljanje v času obratovanja. T.i. ETAP RealTime System modul omogoča nadzor in upravljanje

posredno preko številnih orodij pa tudi optimizacijo močnostnega sistema. Modul je sposoben sistem nadzirati in

voditi v ozadju, kar pomeni, da je možno hkratno izvajanje analiz. Poleg osebnega računalnika je za pravilno

delovanje potrebna še ETAPova strojna konzola. Izmenjava podatkov je kompatibilna med različnimi delovnimi

postajami in SCADA sistemi. Modul za sprotni nadzor in vodenje tako omogoča nadzor nad trenutnim

dogajanjem, nastavljanje alarmov, simulacijo odzivov, izdelavo scenarijev v različnih situacijah in izpis poročil

ter grafikonov. Playback mode je temelj za "kaj če" scenarije. V tem načinu se podatki naložijo iz baze, kjer so

zabeleženi starejši podatki, stanja in izračuni.

Interaktivna enopolna shema omogoča operaterju oddaljen nadzor elektroenergetskega sistema in upravljanje z

njegovimi sestavnimi deli (motorji, odklopniki, stikala, generatorji itd.) (Slika 12).

Slika 12: Več okenski prikaz profesionalnega sprotnega nadzora

e. Optimalno pozicioniranje kondenzatorjev (Optimal capacitor placement)

Večji del elektroenergetskega sistema obratuje v induktivnih razmerah, saj je takšnega značaja večina naprav, ki

so del sistema. Običajno v sistemih nastopa induktivni značaj. V primeru, da je značaj preveč izrazit, je potrebna

kompenzacija s t.i. kondenzatorskimi baterijami, saj se v nasprotnem primeru povečujejo izgube, upada napetost,

lahko pa pride tudi do zmanjšanja stabilnosti sistema. Vse skupaj vpliva na obratovalne stroške.

Dimenzioniranje, optimizacija, krmiljenje in lokacija postavitve kompenzacije je relativno zahtevno. To delo

opravi ta modul in izračuna število kondenzatorskih baterij, tipsko in dejansko jalovo moč, ki jo je potrebno

kompenzirati, tok, napetost in vse skupaj postavi na mesto, kjer je po izračunih najustreznejše

12


CIGRÉ ŠK C1-09

13


CIGRÉ ŠK C1-09

f. Baterijski sistemi (Bettery sizing & Discharge analysis)

Baterije spadajo med osnovne komponente enosmernih električnih tokokrogov. Uporabljajo se za varnostna in

brezprekinitvena napajanja ter za shranjevanje električne energije. Kadar so baterijski sistemi del izmeničnega

sistema, je nujna uporaba naprav za usmerjanje (usmernik, ACDC) oz. za razsmerjanje (razsmernik, DCAC).

Za učinkovit prenos energije med baterijami in elektroenergetskimi sistemi ter za zagotavljanje dolge življenjske

dobe baterij, morajo biti baterije skupaj s preostalo periferijo pravilno dimenzionirane in umeščene v sistem.

Modul je v skladu z IEEE 485 standardom in izračunava število paketov s številom celic in velikost celic za

zahtevan obratovalni cikel. Število celic podaja zahtevan napetostni nivo. Predviden delovni cikel baterij je

odvisen od vsote vseh ciklov členov, ki so v skupini, izračunan pa je na podlagi pretokov moči, ki so razdeljeni

na različne veje, z različnimi obremenitvami.

Poleg že opisanih zmožnosti tega orodja, po drugi strani orodje ponuja še izračun Battery discharging analysis,

ki je namenjen testiranju ali verifikaciji zmogljivosti obstoječih že dimenzioniranih baterij. Ta modul izračuna

kapaciteto baterij, napetost, tok in izhodno moč skozi celoten cikel. Dolžina cikla je lahko določena po dveh

metodah, ki jo uporabnik izbere v nastavitvah študije, bodisi na podlagi vsote pretokov moči ali pa na podlagi

izračuna pretoka moči.

g. Ocenjevanje zanesljivosti (Reliability assessment analysis)

Ocenjevanje zanesljivosti elektroenergetskih sistemov je pomembno za zagotavljanje razpoložljivosti in

kakovosti električne energije pri porabnikih. Analiza statistike napak pri končnih porabnikih pove, da so v

primerjavi z drugimi deli elektroenergetskega sistema za večino izpadov krive napake na distribucijskem

omrežju, tako je smiselno izvajati takšne analize in sisteme, ki jih je potrebno ustrezno zasnovati oz. imeti v

rezervi ustrezne komponente. Osnovni indeksi zanesljivosti se uporabljajo za predvidevanja ali dostop do

zanesljivosti distribucijskega sistema, ki je sestavljen iz treh osnovnih indeksov zanesljivosti: povprečna stopnja

okvare, povprečni čas odprave napake in letna razpoložljivost. Za nadaljnjo oceno resnosti in pomena izpada se

poleg že omenjenih indeksov uporabljajo še dodatni, razširjeni indeksi. Med te dodatne spadajo npr.: indeks

povprečja frekvence sistemskih prekinitev, indeks časovnega povprečja sistemskih prekinitev, indeks povprečja

trajanja prekinitev pri porabnikih, indeks povprečne razpoložljivosti sistema in po drugi strani še pričakovana

škoda izpada. ETAPovi napredni algoritmi upoštevajo pri analizi različne energetske elemente in naprave ter

njihove odzive, ki lahko vplivajo na zanesljivost celotnega sistema. Upošteva se zazankane in radialne vode,

predvideva pa tudi morebitne preboje izolacije.

Rezultate omenjene analize program vrne v enopolni shemi (Slika 13). Poleg elementov so izpisani: število

okvar na leto in čas trajanja okvare, ki pa je lahko podan na dva različna načina, t.j. število ur na leto in število

dejanskih ur. Ta podatek pomeni okviren čas, ki je predviden za izpad te naprave. Druga možnost prikaza je, da

se namesto ur izpišejo finančne izgube zaradi izpada obratovanja.

14


CIGRÉ ŠK C1-09

Slika 13: Rezultati ocenjevanje zanesljivosti

VI. IZPIS POROČIL

Slika 14: Vrste poročil

V fazi analize nekega problema v projektu je poročilo izračuna pomembna listina, na podlagi katerega inženir

lahko napiše evaluacijo in strokovno mnenje. ETAP vsebuje univerzalni vmesnik za oblikovanje poročil. Oblika

poročila je vnaprej pripravljena in ima glavo z osnovnimi podatki in tabele z vhodnimi in izhodnimi podatki.

Glede na izbran format se podatki izpišejo iz baze vnesenih parametrov in baze poročil izračunanih vrednosti.

Poročila so tako kompletna, saj vsebujejo vhodne podatke, izračunane vrednosti in seznam opozoril (Slika 14).

Program pozna več različnih oblik izpisa npr. PDF, MS Word, Excel. Slika 15 kaže primer poročila z rezultati

analize pretokov moči. Podatki so v poročilu razvrščeni po abecednem vrstnem redu, in sicer po IDjih zbiralk. V

prvi koloni so podane vse zbiralke, sledijo napetosti s pripadajočimi relativnimi vrednostmi in kotom med

15


CIGRÉ ŠK C1-09

napetostmima, moč proizvodnje in na koncu še moč potrošnje. Drugi del tabele predstavlja stolpec za prikaz

pretokov moči med vsemi zbiralkami.

Slika 15: Primer poročila

VII. KALKULACIJSKE METODE

Sodobna zapletena omrežja praktično onemogočajo analitični izračun, vsaj brez večjih poenostavitev. Modeli so

obsežni in komplicirani, enačbe za reševanje pa nelinearne. Pri izračunu se zato uporabljajo iterativne metode, ki

pa zahtevajo več časa, še posebej, če je želena večja natančnost rezultatov, oz. če je konvergenca počasna.

Znanstveniki so razvili številne različne metode. V splošnem so dobre in uporabne metode tiste, ki izpolnjujejo

naslednje zahteve:

- velika hitrost izračuna (predvsem pri sprotnem vodenju),

- zanesljivost in natančnost rešitve,

- prilagodljivost na različno formulacijo problema (npr. regulacijski transformatorji) in

- enostavnost pri kodiranju algoritmov.

K uporabi že prej razvitih metod je botroval velik napredek računalniške tehnologije, saj so metode za ročno

računanje sploh pri večjih sistemih preobsežne in neuporabne.

ETAP uporablja tri najbolj razširjene, to so:

- Newton-Raphson,

16


CIGRÉ ŠK C1-09

- Fast-decoupled,

- Accelerated Gauss-Siedel.

VIII. ETAP V PRAKSI

Sami se kot elektro-inženirji in projektanti največkrat srečujemo z modificiranjem obstoječih sistemov. Z

modifikacijo obstoječega sistema ali pa tudi z dodajanjem dela novega sistema na prej omenjeni sistem je

potrebo predvideti raznorazne vplive. Pri tem nam mnogokrat pomaga prav ETAP. Praktičnost uporabe

programskega orodja pred ročnimi izračuni je predvsem v tem, da lahko s poskušanjem in večkratnimi izračuni

pridemo do ustreznega koncepta. Tako uporaba programa prihrani mnogo časa, še bolj pomembno pa je, da je

poročilo verodostojno. Poskušanje oz. uporaba vgrajenih modulov za dimenzioniranje in že omenjene samodejno

predlagane veličine pridejo najbolj do izraza pri povsem novih sistemih, kjer mnogokrat v fazi razvoja še ni

povsem znano kakšni bodo končni elementi, nastavitve. Tako nam ETAP simulira različne scenarije, na podlagi

rezultatov katerih določimo končen koncept.

V Sipru imamo tudi nekatere stalne partnerje, s katerimi neprestano sodelujemo, z leti in po potrebi gradimo

obsežen model in dopolnjujemo parametre opreme. Le-te je po mnogih letih delovanja kar težavno najti.

Osnovni podatki se še dobijo, ko pa nastopi potreba po kakšnih bolj detajlnih in specifičnih podatkih (upornosti,

razni koeficienti, itd), pa smo si primorani pomagati z nekimi splošnimi ali tipičnimi vrednostmi. Pri omenjeni

počasni gradnji in dopolnitvah modela je več prednosti; sistem oz. sam model zelo dobro poznamo, ne

potrebujemo vedno znova in znova graditi modela, ki je navadno v prvih korakih še precej slabo definiran.

Po že nekaj letih uporabe ugotavljamo, da vse obsežnosti programa verjetno nikoli ne bomo uspeli izkoristiti v

polni meri. To je sicer povezano tudi s potrebami in delom našega podjetja. Kot primer, naše podjetje se ne

ukvarja z nadzorom omrežij, torej modula za sprotni nadzor (ETAP RealTime system) ne bomo nikoli uporabili.

V edini slovenski jedrski elektrarni je v uporabi nekoliko bolj z moduli obogaten in nuklearno verificiran

programski paket ETAP. Zgrajen imajo tudi celoten model omrežja lastne rabe, kar je zelo koristno pri

modifikacijah, oz. precejkrat tudi že v fazi idejne zasnove. Za tak objekt, kot je elektrarna je tak program velik

doprinos.

IX. SORODNI PROGRAMI

Kot omenjeno se na trgu najde več podobnih programskih paketov. Vsak ima svoje prednosti in slabosti. Nekaj

takšnih programov: SKM Power Tools, PowerCad, Easy Power, Cyme itd. (Slika 16). Načeloma bi jih lahko

ločili na tiste, ki v kompletu ponujajo več modulov in na tiste, ki niso povsem primerni za primerjavo, saj

pokrivajo le eno ali nekaj teh modulov oz. izračunov. Princip dela je na vseh sodobnih programih zelo podoben.

Izračuni temeljijo na enopolni shemi, sestava le-te in pa samo vnašanje parametrov pa se lahko razlikuje v

drugačnih vnosnih poljih, drugačnem načinu povezovanja, drugačnem načinu prikaza itd.

17


CIGRÉ ŠK C1-09

Slika 16: Konkurenčni programski paketi

Ker sami uporabljamo ETAP in ne poznamo dobro konkurenčnih programov se bojimo, da ne bi bili preveč

objektivni, zato primerjave med programi ne bomo delali. V splošnem pa vedno velja, nihče ni na vseh področjih

popoln, zato je tukaj veliko dejavnikov, ki končno vplivajo na izbiro orodja. Eden izmed takšnih je tudi pomoč

uporabnikom, izobraževanja, posodobitve ipd. Vsekakor pa je izbira povezana s ceno in pa potrebami samega

uporabnika oz. podjetja.

X. ZAKLJUČKI

Tako kot ostali sistemi, tudi elektroenergetska omrežja za brezhibno in stabilno delovanje potrebujejo

predvidena vzdrževanja, ta pa temeljijo na podlagi izračunov in analiz, ki jih danes izvajamo s pomočjo različnih

programskih paketov. Pa ne samo vzdrževanje, tukaj je še veja razvoja in načrtovanja novih sistemov, kjer je

potrebnih veliko študij. V referatu smo predstavili ETAP, ki ga uporabljamo v Sipro, prav tako pa ga uporabljajo

v Nuklearni elektrarni Krško. Analiziranje in preverjanje se izvaja v fazi načrtovanja, obratovanja in nadgradenj.

Enačbe so v splošnem nelinearne, kar onemogoča analitično računanje. Do rezultatov se tako pride z različnimi

iterativnimi numeričnimi metodami, kot je npr. Newton-Raphsonova metoda za pretoke moči. Z natančnostjo

izračuna je potrebno večje število iteracij, ki pa za današnje računalnike ne predstavlja več problema.

ETAP je močan in obsežen programski paket, ki z različnimi moduli (pretoki moči, kratki stiki, optimizacija

pretokov moči, zagon motorjev, koordinacija zaščite, DC sistemi itd.) pokriva skoraj vse potrebe po analizah za

načrtovalce. Po drugi strani pa program zajema tudi modul za sprotni nadzor in vodenje EES (Real-time) in

hkrati omogoča še sprotne analize ter sprotno optimizacijo. Uporaba programa je preko grafičnega vmesnika

enostavna, temelj analizam pa je enopolna shema.

V praksi se kaže pozitivnost investicije na način, da z uporabo programa in inženirsko presojo na mnogo hitrejši

način pridemo do zaključkov.

18


CIGRÉ ŠK C1-09

REFERENCE

[1] - Operation technology Inc., ETAP 7.5.2 User Guide, Operation technology Inc., 2011

[2] - OTI, "Uradna spletna stran ETAP." Dosegljivo:

http://etap.com/electrical-power-system-software/etap-products.htm. [Dostopano: 10.3.2015].

[3] - F. Gubina, Delovanje elektroenergetskih sistemov, Fakulteta za elektrotehniko Univerze v Ljubljani,

2004

[4] - M.Vene, Diplomska naloga: Analiza programskega orodja ETAP za potrebe Sipro inženirin, ,

Fakulteta za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, 2014

[5] - Tang ChunHua, "Electrical power system modeling and simulation of large-scale industrial

enterprise." Advanced Power System Automation and Protection (APAP), 2011 International Conference, vol.3,

str. 2076-2081, IEEE, 2011

19

Documents

Web viewSledi izbira materiala. Pri izračunu se upoštevajo tudi talni materiali (gramoz, mivka, zemlja, mulj, glina, šota, ... PDF, MS Word, Excel. Slika . 15