Automatyczne odciążanie sieci (UFLS/UVLS) — jak sieć broni się przed kaskadowym blackoutem

Przewodnik o zabezpieczeniu częstotliwościowym (ANSI 81) i ROCOF opisuje, jak zabezpieczenie podczęstotliwościowe (81U) i szybkość zmiany częstotliwości (ROCOF, 81R) wykrywają, że sieć utraciła część swojej generacji. Ten artykuł opisuje, co zwykle następuje później, na poziomie całego planu obrony sieci: automatyczne odciążanie sieci, podzielone na odciążanie podczęstotliwościowe (UFLS) i odciążanie podnapięciowe (UVLS) — ostatnią automatyczną linię obrony, zanim lokalny brak równowagi przerodzi się w kaskadowy, rozległy blackout.

Dlaczego odciążanie w ogóle istnieje

System elektroenergetyczny pozostaje w równowadze tylko dopóki generacja i zapotrzebowanie pasują do siebie, sekunda po sekundzie. Przy dużym deficycie generacji (utrata dużej elektrowni, utrata połączenia międzysystemowego) częstotliwość zaczyna spadać w całej synchronicznie połączonej sieci. Jeśli nic nie zadziała, spadająca częstotliwość w końcu powoduje, że same generatory zaczynają się wyłączać na własnym zabezpieczeniu podczęstotliwościowym — usuwając jeszcze więcej generacji i przyspieszając dalszy spadek, kaskada, która może zakończyć się całkowitym blackoutem. Automatyczne odciążanie sieci interweniuje przed tym punktem, celowo odłączając kontrolowaną ilość obciążenia, tak aby pozostała generacja i pozostałe zapotrzebowanie mogły ponownie się zrównoważyć.

Odciążanie podczęstotliwościowe (UFLS)

Przekaźniki UFLS są rozproszone po odpływach obciążenia w sieci i działają stopniami: każdy stopień odłącza określony procent obciążenia, gdy tylko częstotliwość spadnie poniżej przypisanego progu, zwykle z krótkim, celowym opóźnieniem czasowym, aby krótkotrwały, samoistnie ustępujący spadek nie wywoływał niepotrzebnego odciążania.

Uwaga: dokładne progi, liczba stopni i procent odciążany na każdym stopniu są ustalane w planie obrony systemu operatora sieci (w Europie zgodnie z zasadami ENTSO-E dotyczącymi stanu wyjątkowego i odbudowy; w Ameryce Północnej według normy NERC PRC-006), a nie przez ten artykuł — poniższa tabela ilustruje wzorzec, a nie uniwersalne nastawy.

Każdy kolejny stopień odłącza więcej obciążenia przy niższej częstotliwości, tak aby reakcja była proporcjonalna do wielkości deficytu, a nie działaniem typu wszystko albo nic.

Odciążanie podnapięciowe (UVLS)

UVLS dotyczy innego mechanizmu awarii: niestabilności napięciowej, która głównie zagraża sieciom ograniczonym pod względem mocy biernej, a nie mocy czynnej. Gdy napięcie zapada się pod ciężkim obciążeniem indukcyjnym (obciążenie silnikowe wpadające w zatrzymanie, przełączniki zaczepów poszukujące wyższego napięcia i przy tym niezamierzenie pobierające więcej prądu biernego), system może wpaść w samowzmacniającą się zapaść napięciową, której zabezpieczenie częstotliwościowe nie widzi nadchodzącej — sama częstotliwość może nadal być bliska normalnej, podczas gdy napięcie lokalnie się rozpada. Przekaźniki UVLS odłączają obciążenie, gdy napięcie pozostaje poniżej progu przez ustalony czas, celowo z opóźnieniem czasowym wystarczająco długim, aby przetrwać przejściowy zapad napięcia spowodowany pobliskim zwarciem bez niepotrzebnego odciążania.

UFLS/UVLS a ROCOF: próg bezwzględny a szybkość zmiany

Zwykłe UFLS/UVLS reaguje dopiero po faktycznym przekroczeniu przez częstotliwość lub napięcie progu bezwzględnego — z natury reaktywnie. ROCOF (opisany w powiązanym przewodniku) reaguje na szybkość zmiany częstotliwości i dzięki temu może zadziałać wcześniej przy poważnym, szybko rozwijającym się deficycie. W dobrze zaprojektowanym planie obrony obie funkcje współpracują: ROCOF (lub szybki pierwszy stopień UFLS) wcześnie wychwytuje poważny, szybko rozwijający się deficyt, podczas gdy pozostałe stopnie UFLS/UVLS obsługują wolniej rozwijający się brak równowagi w sposób stopniowany.

Dlaczego sieć wydzielona lub mała potrzebuje innych nastaw

Mała, wydzielona sieć (mikrosieć fabryczna, instalacja kogeneracyjna w szklarni tymczasowo odłączona od sieci publicznej, lub zakład przemysłowy działający na agregatach awaryjnych) ma znacznie mniej bezwładności wirującej niż duża, wzajemnie połączona sieć krajowa. Ten sam względny deficyt generacji powoduje więc znacznie szybszy spadek częstotliwości na małej wyspie niż w dużej sieci — kopiowanie nastaw UFLS/UVLS dostrojonych do dużej sieci synchronicznej na małą wyspę zwykle reaguje o wiele za późno, ponieważ częstotliwość wyspy już dawno przekroczyła pierwszy próg, zanim zamierzony stopień w ogóle zdąży zmierzyć stabilną wartość.

Automatyczne przywracanie: nie po prostu odwrotność odciążania

Po zdarzeniu odciążenia automatyczne i natychmiastowe ponowne przywrócenie odciążonego obciążenia nie jest po prostu "cofnięciem" działania odciążenia: przywrócenie dużego bloku obciążenia naraz może samo spowodować ponowny spadek częstotliwości (z powodu nagłego nowego zapotrzebowania) lub nadmierny prąd rozruchowy z jednoczesnego ponownego załączenia wielu obciążeń. Przywracanie jest więc zwykle etapowe, opóźnione, a w wielu planach obrony celowo pozostawione ręcznej decyzji dyspozytora, a nie w pełni automatycznemu ponownemu załączeniu.

Znaczenie praktyczne

Przy projektowaniu nastaw zabezpieczeń instalacji zdolnej do pracy wyspowej (generacja lokalna z pracą równoległą z siecią i trybem wyspowym, lub sieć prywatna z własną generacją) progi i opóźnienia UFLS/UVLS muszą wynikać z własnej bezwładności i profilu obciążenia instalacji, a nie być po prostu skopiowane z planu obrony operatora sieci publicznej — i muszą być skoordynowane z ewentualnym już istniejącym wykrywaniem pracy wyspowej opartym na ROCOF, tak aby obie funkcje nie kolidowały ani nie odłączały tego samego obciążenia podwójnie.

Typowe błędy

1. Stosowanie niezmienionych nastaw UFLS/UVLS z sieci publicznej na małej wyspie o niskiej bezwładności — spadek częstotliwości (lub napięcia) przebiega tam zwykle znacznie szybciej, przez co te same progi reagują za późno.
2. Zbyt krótkie opóźnienia czasowe UVLS — powoduje to niepożądane odciążanie przy zwykłym, samoistnie ustępującym zapadzie napięcia spowodowanym pobliskim zwarciem, zamiast rzeczywiście rozwijającej się zapaści napięciowej.
3. Automatyczne i natychmiastowe przywrócenie całego odciążonego obciążenia w jednym kroku — ryzykuje to ponowny spadek częstotliwości lub nadmierny prąd rozruchowy, niwecząc korzyść, jaką właśnie osiągnęło stopniowe odciążanie.
4. Traktowanie ROCOF i UFLS jako zbędnych duplikatów zamiast funkcji uzupełniających się — bez koordynacji obie mogą odciąć obciążenie przy tym samym zdarzeniu, odłączając więcej obciążenia niż zakładał plan obrony.

Powiązane

• Zabezpieczenie częstotliwościowe (ANSI 81) i ROCOF
• Zabezpieczenie podnapięciowe i nadnapięciowe (ANSI 27/59)
• Zabezpieczenie przed pracą wyspową falowników PV (NEN-EN 50549-1)
• Przyłączenie kogeneracji do sieci