Systémové poruchy typu Blackout. Marián Mešter Východoslovenská distribučná, člen skupiny innogy

Transkript

1 Systémové poruchy typu Blackout Marián Mešter Východoslovenská distribučná, člen skupiny innogy November 2016

2 Systémové poruchy veľkého rozsahu Brownout: náhly pokles napätia, ktorý je čiastočný a iba dočasný, príčina môže byť prevádzková (porucha) ale aj cielená - dispečersky zásah - úprava napätia alebo výkonu, s cieľom predchádzať úplnému výpadku, teda blackoutu, v tomto prípade sa však jedná iba o záchranný prostriedok v stavu núdze. Väčšinou ide iba o zníženie napätia o % a len na krátky čas [1] brownouty nepredstavujú takú hrozbu pro naše kritické infraštruktúry ani pre bežný život občanov, pokiaľ sú včas ošetrené Blackout: rozsiahly výpadok dodávky elektriny vedúci k úplnému alebo čiastočnému rozpadu elektrizačnej sústavy (ES), skôr ako by mal dopad na samotné zariadenia ES, tak omnoho viac postihuje spoločnosť a predovšetkým ekonomiku, blackout nevzniká náhle, ale je dôsledkom počiatočnej príčiny, ktorá spustí ďalšie kaskádovité poruchy Termálna nestabilita Elektrická nestabilita ÁNO Rýchla kaskáda Stav ohrozenia, čiastočný alebo úplný blackout Počiatočná udalosť, strata prvku siete Elektrická nestabilita NIE ÁNO NIE Pomalá kaskáda NIE Nezabezpečený normálny stav alebo stav ohrozenia Nezabezpečený normálny stav alebo stav ohrozenia ÁNO Rýchla kaskáda Malá pravdepodobnosť zabezpečenia Stav ohrozenia, čiastočný alebo úplný blackout 2

3 Kritická infraštruktúra Kritická infraštruktúra predstavuje kľúčový systém prvkov, ktorých narušenie alebo nefunkčnosť by mali závažný dopad na bezpečnosť štátu, zabezpečenie základných životných potrieb obyvateľstva alebo ekonomiky štátu [2]. 3

4 SCADA komunikácia Finančné investície, kapitál Finančné investície, kapitál Preprava paliva a iné druhy prepravy Palivo pre generátory SCADA komunikácia Finančné investície a kapitál Palivo a mazivá Elektrizačná sústava ako súčasť kritickej infraštruktúry Preprava Rozvoj nových technológií Komunikácia Energia Dodávky vody a kanalizácia Energia Chladenie vody, redukcia emisií Chladenie vody, redukcia emisií Palivo, mazadlá Energia Ropa Chladenie vody Redukcia emisií Informačné technológie Energia ELEKTRINA Energia pre kompresory, kontrola zásob Zemný plyn Energia Palivo pre generátory Preprava Doprava Preprava paliva a preprava tovaru Energia Energia SCADA komunikácia Telefónna komunikácia Teplo Banková investícia Chladiaca kvapalina Finančné investície, kapitál SCADA komunikácia Preprava Preprava

5 Identifikácia príčin I. Tri hlavné trendy v oblasti narušenia dodávky elektriny v dôsledku narušenia systému VÝROBA = SPOTREBA 1. Americký model najčastejšou príčinou blackoutov v týchto oblastiach je tzv. rozkolísaný odber elektrickej energie, je špecifický predovšetkým v letnom období - klimatizačné zariadenia tieto štáty síce majú stabilnú výrobu, ale práve v letných extrémne teplých dňoch je spotreba omnoho väčšia ako výroba 2. Európsky model Európa na rozdiel od USA a Kanady netrpí toľko na rozkolísaný odber, ale skôr na rozkolísanú výrobu problém spočíva v postupnom prechode na obnoviteľné zdroje energie vysoká penetrácia OZE 3. Model rozvojových zemí slabo rozvinuté výrobné kapacity (nedostatočné kapacity) súčasne často krát zastaralá elektrická sieť 5

6 Identifikácia príčin II. [3] prenos veľkých výkonov na medzi zaťažiteľnosti, chybné prepojenia prenosových sústav susedných zemí, zlý stav energetickej siete, po tzv. liberalizacií trhu nie je možné exaktne plánovať výrobu a prenos elektrické energie => neplánované toky výkonov, včasné nerozpoznanie bežnej poruchy (napr. pády vegetácie na vedenia) z dôvodov neprijatia včasných preventívnych opatrení, kedy dochádza ku kaskádovitému šíreniu poruchy, chýbajúce podporné algoritmy (napr. odhad dynamického stavu sústavy), ktoré by umožnili dispečerom včasnú reakciu, nedostatky v koordinácii, v komunikácii a výmene dát medzi jednotlivými prevádzkovateľmi sústav. Blackout potom býva najčastejšie zapríčinený kombináciou viacerých príčin. 6

7 Zoznam najväčších blackoutov v histórii Dátum Trvanie Zasiahnuté obyvateľstvo (mil.) Zasiahnutá oblasť Prvotná príčina hod 30 Severovýchod USA a časť Kanady Chyba v nastavení ochrany, 1. veľký blackout v histórii hod 9 Mesto New York Kombinácia porúch a chýb týždňov 0,06 Auckland (Nový Zéland) Závada na zastaralom kábli VN hod 50 Severovýchod USA a časť Kanady Pretaženie systému následkom vysokého odberu, porucha vedení hod 0,5 Londýn Dva výpadky v rýchlom slede hod 5 Dánsko a juh Švédska Závada odpojovača po výpadku jadrovej elektrárne hod 56 Taliansko, časť Švajčiarska Búrka zničila vedenia VVN hod 5 Juh Grécka Preťaženie prenosovej sústavy hod 100 Bali, Jáva a Indonézia Výpadok vedenia VVN ,5 hod 25 Kolumbia Chyba obsluhy v rozvodni dní >30 Čína Snehová búrka zničila vedenie VVN hod 3 USA a Mexiko Výpadok vedenia VVN, chyba obsluhy hod 300 India Preťaženie vedení VVN hod 670 India Závada rele, najväčší svetový výpadok hod 53 Brazília Požiar v rozvodni hod 0,45 Mníchov Závada v rozvodni hod 17 Holandsko Preťaženie siete hod 76 Turecko Nehoda v prenosovej sústave 7

8 Slovenská elektrizačná a prenosová sústava innogy SE Názov DD mesiac RRRR 8

9 Obnova sústavy po poruche typu blackout Prevádzkovateľ prenosovej sústavy (PPS) je povinný prijať také opatrenia, aby vzniknuté problémy neviedli k rozpadu sústavy - tzv. obranný plán. Základné nástroje plánov obrany: riadenie priepustnosti siete opatrenia proti preťaženiu opatrenia proti kaskádovitému šíreniu poruchy opatrenia proti poklesu a nárastu frekvencie opatrenia proti poklesu a nárastu napätia opatrenia proti kývaniu opatrenia proti strate synchronizmu Existujú rôzne stupne závažnosti postihnutia prenosovej sústavy: strata napätia v časti PS strata napätia v celej PS, susediace PS sú stabilné systémové elektrárne bežia na vlastnej spotrebe systémové elektrárne nebežia na vlastnej spotrebe strata napätia v celej PS, susediace PS sú nestabilné systémové elektrárne bežia na vlastnej spotrebe systémové elektrárne nebežia na vlastnej spotrebe 9

10 Postup obnovy I. Postup obnovy napájania záleží od závažnosti postihnutia PS. 1. Na prvom mieste je nutnosť obnoviť vlastnú spotrebu klasických systémových elektrární, buď dodaním stabilného napätia zo susediacich PS alebo pomocou elektrární schopných štartu z tmy, tzn. že elektráreň je schopná sa uviesť do prevádzky pomocou nezávislého zdroja bez podania napätia z vonkajšej siete. 2. Obnovovanie v ďalšom kroku pokračuje väčšinou obnovou napájania v hlavnom meste a veľkým priemyselným odberateľom. Ďalej sa obnovuje napájanie ostatným odberateľom. Strata napätia v časti PS => obnova sa zabezpečí zo zdravej nepostihnutej časti PS alebo zo susediacich PS. Strata napätia v celej PS, susediace PS sú stabilné napätia v časti PS => prioritne obnova sústavy by mala prebiehať zo zahraničia innogy SE Názov DD mesiac RRRR 10

11 Postup obnovy II. Strata napätia v celej PS, susediace PS sú nestabilné => obnova napájania zo susediacich PS nie je možná, tak: a) dispečer môže počkať až sa susediace PS znovu dostanú do stabilnej prevádzky b) alebo pristúpi na obnovu sústavy z domácich zdrojov na výrobu elektriny c) v prípade, že ostali systémové elektrárne bežať na vlastnej spotrebe, čo je v prípade veľkej systémovej poruchy málo pravdepodobné, tak dispečer postupuje podľa dopredu vypracovaného plánu obnovy a postupne zvyšuje zaťažovanie jednotlivých blokov d) ak systémové elektrárne neostali bežať na vlastnej spotrebe, tak dispečer môže počkať, kým sa susediace PS dostanú do stabilného stavu, e) ak by čas obnovy susediacich PS trval neprimerane dlhú dobu, tak pristúpi na obnovu sústavy z domácich zdrojov na výrobu elektriny => elektrárne, ktoré poskytujú podpornú službu => schopnosť štartu z tmy a schopnosť ostrovného režimu. Tieto elektrárne sa v tomto prípade využijú na napájanie lokálneho ostrova a na dodanie napätia do klasických systémových elektrární na ich rozbeh. innogy SE Názov DD mesiac RRRR 11

12 Obnova sústavy po blackout-e v Európe V noci dňa 4. novembra 2006, okolo 22:10, vzájomne prepojená západná UCTE (teraz táto zóna ENSTO-E) mala sieť po bola postihnutá vážnou poruchou pochádzajúcou zo severo nemeckejrozpade prenosovej frekvenciu sústavy, pod ktorá 50 viedla Hz k výpadku napájania pre viac ako 15 miliónov európskych domácností severo-východná a k rozdeleniu frekvencia UCTE na v tri zóny (obr. tesne po rozpade sústavy): tejto zóne bola nad 50 Hz Zobrazenie juho-východná frekvencií v jednotlivých frekvencia zónach v tejto zóne bola pod 50 Hz Výrobná bilancia v jednotlivých zónach tesne pred rozpadom: - západná zóna MW vrátane MW veternej energie - severo-východná zóna MW vrátane MW veternej energie - juho-východná zóna MW Celková výkonová bilancia bola MW vrátane okolo MW veternej energie. Toky výkonov boli hlavne zo severo-východnej zóny do západnej a juho-západnej zóny.

13 Príčiny rozpadu sústavy na3 obrovské ostrovy: nedodržanie bezpečnostného kritéria N-1 zlyhanie ľudského faktora nedostatočná komunikácia medzi PPS hlavnou príčinou nebolo však plánované vypnutie 400 kv vedenia, ale nedodržanie bezpečnostného kritéria N-1 ďalšie vedenia sa začali preťažovať, čo viedlo ku kaskádovitému šíreniu poruchy preťažovaniu vedení a ich následnému vypínaniu automatikami Proces obnovy a problémy počas obnovy obnova frekvencie na jej nominálnu hodnotu požadovala zvýšenie výroby elektrickej energie v západnej zóne a zníženie výroby v severo-východnej časti. každý PPS začal s procesom obnovy podľa vlastného plánu obnovy, bez dodatočnej vzájomnej komunikácie s inými PPS. to viedlo k čiastočným zlepšeniam hodnôt frekvencií, ale ani opätovné pokusy o znovu pripojenie vypnutých vedení neboli úspešné. innogy SE Názov DD mesiac RRRR 13

14 Problémové časti obnovy Veľkým problémom pri obnove boli veľké veterné farmy v Nemecku. Stabilizácia jednotlivých zón a resynchronizácia neprebehla hladko. Veterné elektrárne sú zvyčajne pripojené do distribučnej sústavy. Veterné elektrárne sú automaticky odpájané z DS, ak sieťová frekvencia poklesne pod 49,5 Hz. V západnej zóne sa nachádzajú tiež veterné farmy a keď tu frekvencia poklesla na hodnotu 49 Hz hneď po rozpade, tak obrovské množstvo veterných elektrárni bolo automaticky odpojených od DS. V severo-východnej časti, veterné elektrárne boli automaticky odpojené ako následok veľkého skoku vo frekvencii. Kým sieťová frekvencia bola v procese stabilizácie, tak sa začali automaticky veterné elektrárne pripájať do DS. Toto nekontrolované znovu pripájanie významne zbrzdilo stabilizáciu elektrizačnej sústavy. Automatické znovu pripájanie veterných elektrární sa konalo bez vedomia dispečerov prenosových sústav a dispečerov distribučných sústav. Je potrebné zdôrazniť, že dispečingy PS nemali k dispozícii žiadne online údaje o množstve výroby pomocou zdrojov zapojených do DS. Faktor, ktorý sa tiež podieľal na zbrzdení synchronizácie bol, že dispečeri PS nemali vôbec informácie o menších elektrárňach pripojených do DS a neboli ani informovaní, keď dispečeri DS začali so znovu pripájaním týchto menších elektrární, pričom dispečeri nevzali do úvahy stabilitu ES

15 Čo sa deje, keď nastane tma v DS? Nie je tma ako tma... 1.Plánovaná tma Prerušenie distribúcie elektriny pri výkone plánovaných prác Odberatelia oboznámení o plánovanom obmedzení distribúcie elektriny 2.Neplánovaná tma Prerušenie distribúcie elektriny v dôsledku NN poruchy o Najčastejšie s najmenším dopadom na odberateľov elektriny Prerušenie distribúcie elektriny v dôsledku VN poruchy o Časté s výrazným dopadom na odberateľov elektriny Prerušenie distribúcie elektriny v dôsledku VVN poruchy o Zriedkavé s možným výrazným dopadom na odberateľov elektriny 3. Black-out Úplná tma s veľkým dopadom na obyvateľstvo, hospodárstvo, fungovanie štátu ako takého stav núdze

16 Riešenie prerušenia distribúcie elektriny v dôsledku VN poruchy cca 5 min. cca 60 min. cca 30 min. Vznik VN poruchy Vyslanie skupiny Lokalizácia poruchového miesta Odstránenie poruchy/obnovenie distribúcie ee innogy SE Názov DD mesiac RRRR 16

17 Vznik poruchy cca 5 min. cca 60 min. cca 30 min. Vznik VN poruchy Vyslanie skupiny Lokalizácia poruchového miesta Odstránenie poruchy/obnovenie distribúcie ee

18 Lokalizácia poruchy cca 5 min. cca 60 min. cca 30 min. Vznik VN poruchy Vyslanie skupiny Lokalizácia poruchového miesta Odstránenie poruchy/obnovenie distribúcie ee innogy SE Názov DD mesiac RRRR 18

19 Odstránenie poruchy cca 5 min. cca 60 min. cca 30 min. Vznik VN poruchy Vyslanie skupiny Lokalizácia poruchového miesta Odstránenie poruchy/obnovenie distribúcie ee innogy SE Názov DD mesiac RRRR 19

20 Prerušenie distribúcie elektriny v dôsledku vn poruchy Cieľom PDS je rýchle obnovenie distribúcie elektriny pri zabezpečení ochrany zdravia pracovníkov: Bezpečné pracovné postupy Školenie terénnych pracovníkov Tréning dispečerov Využitie DO/DS prvkov vo vn sústave DO úsekový vypínač DO recloser DO trafostanica vn/nn indikátor skratových prúdov Využitie náhradných zdrojov elektriny innogy SE Názov DD mesiac RRRR 20

21 Black-out očami dispečera PDS Takúto obrazovku nikto z nás nechce vidieť, čo pre to urobiť?

22 Black-out... kto rozsvieti Slovensko... a ako? Zahraničie Vlastné zdroje - podanie napätia poskytovateľmi služby Štart z tmy VE Gabčíkovo, PVE Čierny Váh PVE: Ružín, L. Mara, VE: Nosice, Nové Mesto, PPC: Malženice, Levice, Bratislava DG: Sučany, Levice, Moldava Nábeh systémových elektrární EGA, EBO, EMO, MALŽENICE ENO-B, TEKO, EVO Postupné zaťažovanie systémových elektrární vytváranie ostrovov života (VVN+VN) Spájanie systémových elektrárni, ostrovov do jedného celku obnova ES

23 Východ počas poruchy typu Black-out 1. ostrov života PVE Ružín TEKO (Košice) Trebišov - Vojany innogy SE Názov DD mesiac RRRR 23

24 Východisko z Black-out pre východ - trasa 1

25 Východisko z Black-out pre východ trasa 2

26 Závery a otvorené otázky riešenia Neexistujúci legislatívny rámec pre skúšky pripravenosti na riešenie B-O! Príprava nových trás pre ďalšie ostrovy života Výkon obmedzovania spotreby odberateľov počas B-O (budúce využite Inteligentných Meracích Systémov pre reguláciu odberu počas B-O) innogy SE Názov DD mesiac RRRR 26

27 Literatúra [1] [2] Uličný, D.: Obnova elektrizačnej sústavy po poruche typu blackout, FEI STU Bratislava, máj [3] Kozová, P.: Kriminalita v době blackoutu rizika a hrozby spojené s narušováním bezpečnosti a veřejného pořádku, lackout, Masarykova Univerzita, Brno,