Zabezpieczenie częstotliwościowe (ANSI 81) i ROCOF — jak przekaźnik rozpoznaje utratę sieci po szybkości zmiany częstotliwości

Przewodnik o zabezpieczeniu przed pracą wyspową falowników PV krótko wspomina szybkość zmiany częstotliwości (ROCOF, rate of change of frequency) jako jedną z metod, których falownik PV używa do rozpoznania utraty sieci. Ten artykuł opisuje dokładniej samą funkcję zabezpieczenia: zabezpieczenie częstotliwościowe, oznaczane kodami ANSI 81O (nadczęstotliwość), 81U (podczęstotliwość) i 81R (ROCOF, nazywane też df/dt) — funkcja stosowana znacznie szerzej niż tylko dla falowników PV, między innymi dla generatorów i automatycznego odciążania sieci.

Dlaczego częstotliwość monitoruje coś innego niż napięcie lub prąd

W przeciwieństwie do napięcia w konkretnym punkcie, częstotliwość sieci jest (w przybliżeniu) taka sama dla całej synchronicznie połączonej sieci: odzwierciedla równowagę między całkowitą mocą wytwarzaną a całkowitą mocą pobieraną. Jeśli zapotrzebowanie rośnie bez towarzyszącego wzrostu generacji, częstotliwość spada; jeśli generacja rośnie bez towarzyszącego wzrostu zapotrzebowania (albo zostaje utracona duża część obciążenia), częstotliwość rośnie. Zabezpieczenie częstotliwościowe pośrednio monitoruje więc równowagę całej sieci, a nie tylko lokalny stan w jednym punkcie pomiaru.

Zabezpieczenie nad- i podczęstotliwościowe (81O/81U)

• Zabezpieczenie podczęstotliwościowe (81U) jest najbardziej znane z zastosowania do automatycznego odciążania sieci (load shedding): gdy tylko częstotliwość spadnie poniżej ustawionego progu — oznaka deficytu mocy w sieci — zabezpieczenie stopniowo odłącza części obciążenia, aby zapobiec dalszemu spadkowi częstotliwości do punktu, w którym same generatory zaczynają się wyłączać (kaskada, która może doprowadzić do pełnego blackoutu).
• Zabezpieczenie nadczęstotliwościowe (81O) chroni przed siecią z nadmiernym nadmiarem mocy (na przykład po utracie dużego obciążenia, gdy generacja nie nadąża wystarczająco szybko się obniżyć), i jest też używane do odłączania generatorów lub generacji rozproszonej, gdy częstotliwość przekroczy bezpieczną górną granicę.

Obie funkcje zwykle wykorzystują kilka niezależnie nastawialnych par próg-czas, tak aby łagodne odchylenie częstotliwości było obsługiwane z dłuższym opóźnieniem czasowym niż odchylenie ekstremalne, które musi zostać usunięte szybciej.

ROCOF (81R, df/dt): reakcja na szybkość zmiany, nie tylko na poziom

Zwykłe zabezpieczenie nad- lub podczęstotliwościowe reaguje dopiero po przekroczeniu progu bezwzględnego — zależnie od progu może to zająć stosunkowo dużo czasu. Zabezpieczenie ROCOF mierzy natomiast, jak szybko zmienia się częstotliwość (w Hz na sekundę), i reaguje, gdy tylko ta szybkość przekroczy ustawioną wartość, niezależnie od tego, czy częstotliwość bezwzględna przekroczyła już w tym momencie zwykły próg 81O/81U. Dzięki temu ROCOF nadaje się do dwóch różnych zastosowań:

• Przyspieszone odciążanie sieci: sieć, która nagle traci dużą część swojej generacji, wykazuje szybki spadek częstotliwości na długo przed osiągnięciem bezwzględnego progu 81U; ROCOF może zareagować na to wcześniej niż zwykłe zabezpieczenie podczęstotliwościowe.
• Wykrywanie pracy wyspowej przy generacji rozproszonej: gdy część sieci z lokalną generacją zostaje odłączona od sieci głównej, pozostałe, znacznie mniejsze obciążenie "wyspy" zwykle nie jest już dokładnie zbilansowane z lokalną generacją, przez co częstotliwość w tej wyspie zaczyna się szybko zmieniać — df/dt znacznie powyżej normalnego, powolnego zachowania dużej, synchronicznej sieci.

Dlaczego nadzór napięciowy jest potrzebny, aby zapobiec niepożądanym zadziałaniom

Krótkotrwałe odkształcenie harmoniczne lub szum pomiarowy podczas operacji łączeniowej może dać pozorną, bardzo szybką zmianę częstotliwości bez rzeczywistej utraty sieci. Aby temu zapobiec, funkcja ROCOF jest zwykle nadzorowana napięciowo: dopóki zmierzone napięcie jest poniżej ustawionej dolnej granicy (na przykład około 0,7-0,8 napięcia znamionowego), pomiar ROCOF jest uznawany za niewiarygodny, a zabezpieczenie pozostaje zablokowane, nawet jeśli obliczone df/dt w tym momencie przypadkowo wykazuje wysoką wartość.

Uwaga: dokładne progi 81O/81U, czułość ROCOF (zwykle rzędu 0,1-kilku Hz/s, z krótkim ustawionym opóźnieniem czasowym) oraz granica blokady napięciowej wynikają z kodeksu sieciowego operatora sieci oraz studium systemowego konkretnej instalacji; ten artykuł opisuje zasadę działania, a nie gotową tabelę nastaw dla każdej sieci.

Znaczenie praktyczne

Przy przyłączaniu generacji rozproszonej (PV, kogeneracja, magazyny energii) do istniejącej sieci należy sprawdzić, czy zabezpieczenie częstotliwościowe — w tym ewentualna funkcja ROCOF — jest dostosowane do wymagań operatora sieci, a nie po prostu do ogólnego ustawienia fabrycznego: zbyt czuła nastawa ROCOF może prowadzić do niepożądanych zadziałań przy normalnych, niewielkich wahaniach częstotliwości dużej sieci, natomiast zbyt nieczuła nastawa nie spełnia zamierzonego celu wykrywania pracy wyspowej.

Typowe błędy

1. Stosowanie zabezpieczenia ROCOF bez nadzoru napięciowego — sprawia to, że funkcja jest podatna na pozorne skoki częstotliwości spowodowane szumem lub odkształceniem harmonicznym.
2. Stosowanie tych samych nastaw 81O/81U/ROCOF w małej, izolowanej sieci i w dużej, silnie połączonej sieci — normalna dynamika częstotliwości znacznie różni się między tymi sytuacjami.
3. Próba połączenia odciążania sieci i wykrywania pracy wyspowej za pomocą tej samej, niezróżnicowanej nastawy — oba zastosowania zwykle wymagają innej czułości i opóźnienia czasowego.
4. Brak przeglądu zabezpieczenia częstotliwościowego po istotnej zmianie miksu generacji lub obciążenia sieci — normalna dynamika częstotliwości sieci zmienia się wraz ze stosunkiem generacji wolno i szybko regulowanej.

Powiązane

• Zabezpieczenie przed pracą wyspową falowników PV (NEN-EN 50549-1)
• Zabezpieczenie podnapięciowe i nadnapięciowe (ANSI 27/59)
• Zabezpieczenie mocy zwrotnej (ANSI 32)
• Przyłączenie kogeneracji do sieci