Jak omezit riziko vzniku velkých výpadků v dodávkách elektřiny (Energetika 12/2004)

Igor CHEMIŠINEC, Jiří TŮMA, Karel WITNER

V souvislosti s otvíráním trhu s elektřinou se v posledních letech dostává do popředí otázka, zda přechod od vertikálně integrovaného systému nepovede ke zvýšení počtu výpadků nebo dokonce k celkovým rozpadům soustav, tzv. black-outům. Liberalizace trhu s elektřinou s sebou přináší vznik konkurenčního prostředí, doprovázeného tlakem na redukci provozních nákladů a investic energetických společností v oblasti výroby a rozvodu elektřiny. Jedním z jeho důsledků je i snižování počtu zaměstnanců. Aktuální je také otázka dostatečného množství výkonových rezerv a problémy vyvolané provozem větrných elektráren nebo přenosem velkých výkonů na značné vzdálenosti při růstu spotřeby elektřiny.

1. Úvod

Měnící se podmínky spojené s liberalizací kladou velké technické nároky na provoz dříve stabilních soustav a ovlivňují konečnou spolehlivost. V posledních letech došlo k několika velkým výpadkům v dodávkách elektřiny (14. 6. 2000 v Kalifornii a ze­jména pak 14. 8. 2003 na severovýchodním pobřeží USA, 28. 8. 2003 v Londýně, 23. 9. 2003 ve Švédsku a Dánsku a 28. 9. 2003 v Itálii).¹

Cílem tohoto článku je na základě zkoumání uvedených výpadků [1], [2], [3], [4] analyzovat situaci a nastínit některá řešení, která mohou takovým rozpadům soustav zabránit nebo alespoň snížit riziko jejich vzniku. Ve druhé části příspěvku je uvedeno několik postupů realizovatelných na úrovni přenosové soustavy ČR.

2. Příčiny vzniku black-outu

Přestože je každý rozpad soustavy zpětně detailně zkoumán, je obtížné sestavit komplexní model, který by přesně popisoval a odhadoval problémy, jež k němu vedly. Přesto analýzy jednotlivých případů umožňují poznat typické příčiny a na tomto základě je možné tyto příčiny nebo jejich důsledky v budoucnu eliminovat. Black-out bývá způsoben postupným sledem málo pravděpodobných poruch, výpadků a změn zatížení. Spolehlivost elektrizační soustavy je zpravidla navrhována tak, aby vyřazení jednoho prvku nevedlo k přetížení ostatních,² nikoliv pro vícenásobný sled jednotlivých poruch. Nelze proto předem připravit jeden jediný detailní a univerzálně platný postup, který by stanovil, jak se mají pracovníci provozu v takových kritických situacích rozhodovat. Konkrétní řešení a postup vždy záleží na dané situaci. Je důležité si uvědomit, že pravděpodobnost vzniku událostí vedoucích k tzv. dominovému efektu jednotlivých výpadků roste s tím, jak je přenosová síť vystavena předcházejícímu zatížení. Primární příčinou kaskádových výpadků jsou často také přírodní podmínky, například bouřka, extrémní teploty, vítr nebo požáry.

Kombinace těchto a dalších faktorů ukazuje, že i malá porucha může mít v postižené soustavě nedozírné následky. Po výskytu poruchy, přetížení soustavy, popř. odstranění některého prvku (z důvodu opravy) bez adekvátní náhrady se může snadno spustit dominový efekt událostí, vedoucí ke vzniku black-outu. Jako příklad uveďme situaci, kdy je vypnuto vedení z důvodu opravy a poté ochrana vypne další vedení v důsledku výskytu poruchy. Vzniklým přetížením ostatních vedení může dojít k průvěsu vodiče, k jeho dotyku s větvemi stromů a k dalšímu vypnutí. Také může dojít k chybnému (neselektivnímu) působení ochran, po němž následuje vypnutí vedení nebo generátorů. Jestliže nejsou rychle provedena opravná opatření (omezení zatížení, izolování poruchy, zvýšení výroby aj.), může následovat dominový efekt s přetížením dalších vedení a jejich následující odpojení, vedoucí ke vzniku black-outu.

Lidský faktor nebo časová prodleva reakce na dispečincích jednotlivých elektrizačních soustav mohou mít významný vliv na průběh řešení poruchy. Rozhodující je včasná dostupnost informací a koordinace akcí mezi provozovateli sousedních soustav.

K běžným příčinám vzniku rozsáhlého výpadku tedy patří:

• vlivy dané předcházejícími okolnostmi, jako je oprava zdroje nebo vedení aj.,
• vypnutí zdroje nebo vedení kvůli nenadálé poruše,
• nedostatečná rezerva jalového výkonu,
• nesprávný postup oprav,
• nepřesné plánovací a provozní programy,
• automatizované úkony, které nejsou schopny zabránit vzniku přetížení vedení nebo poklesu napětí.

Stoprocentně eliminovat riziko vzniku rozsáhlého výpadku není technicky a ekonomicky možné, lze pouze snížit pravděpodobnost, že se libovolná porucha rozvine v celkový rozpad soustavy.

3. Obrana proti vzniku black-outu

Zkušenosti z poruch tohoto typu potvrzují význam vhodně definovaných a koordinovaných obranných plánů i potřebu účelných investic jak do rozvodu, tak do výroby elektřiny. Každá investice by měla brát v úvahu dlouhodobý dopad spojený s úpravami v systému a měly by jí předcházet detailní systémové studie a analýzy nezbytných investic. Neexistuje žádné přesné pravidlo pro zabránění black-outu, ale existují obecná pravidla a řešení, která by měla být brána v úvahu, aby byl minimalizován dopad, který porucha vyvolá. To však vyžaduje také koordinaci jednotlivých společností, regulačních úřadů a legislativy.

Relativní doba řešení mimořádných událostí závisí vždy na typu a rychlosti vzniku poruchy a na potřebě koordinace činností k jejímu odstranění, a je proto v jednotlivých případech různě dlouhá.

3.1 Analýzy předcházejících rozsáhlých výpadků

Mnoho regulačních úřadů, státních orgánů a dalších institucí po celém světě intenzivně analyzuje průběhy výpadků dodávek elektřiny v roce 2003 v USA a v Itálii. Zpočátku by měl být hlavní důraz kladen na simulování sledu událostí a vyšetření chybných kroků kontrolních a ochranných mechanismů. Je třeba prozkoumat nedostatečnou výměnu informací mezi dispečerskými centry sousedních přenosových soustav, která měla za následek neomluvitelné časové prodlevy. Je také nutné posoudit všechny poruchy na zařízeních a příčiny jejich vzniku.

Dalšími analýzami by měly být prověřeny kroky dispečinku a údržby. Nezbytné je také pečlivé prošetření řízení přenosových kapacit vzhledem k vyšším tokům energie a velkému množství obchodů. Prověřeno by mělo být i udržování bezpečných vzdáleností vegetace od vedení.

Po vzniku rozsáhlého výpadku je nejdůležitější rychlá obnova dodávky elektřiny odběratelům. (V případě USA a Itálie trvala obnova napětí v celém postiženém regionu více než 24 hodin!) Proto je třeba věnovat pozornost jednotlivým navrženým postupům obnovy dodávek elektřiny a v případě potřeby identifikovat, jaké nápravné kroky je nutné provést.

3.2 Preventivní a nápravná opatření

Na základě předcházejícího kroku se stanoví opatření s cílem minimalizovat možnosti výskytu podobného výpadku. K tomu je třeba lepší monitorování sítě a diagnostika, lepší detekce a rychlejší komunikační odezva stejně jako trénování dispečerů, plánování a řízení soustavy. Klíčovou roli budou v nejbližší době hrát lepší kontrolní mechanismy včetně systémových nastavení ochran.

Nyní se budeme věnovat nejvýznamnějším preventivním a nápravným opatřením.

a) Zlepšení monitorování on-line, diagnostiky a činnosti dispečerských center. Funkčnost systému SCADA/EMS se zlepšuje díky lepším vlastnostem komunikačních zařízení. Sledování systému musí být udržováno v odpovídajících provozních podmínkách s vhodným využitím ochran, aby co největší počet poruch byl správně zobrazen a zabránilo se dalšímu šíření poruchy.

b) Zabezpečení reálných provozních omezení na základě aktuálního stavu provozu. Díky použití monitorování on-line a ochranných zařízení založených na dynamické zatížitelnosti vedení lze dnes používat reálné provozní údaje a podle toho včas určit omezující podmínky. Skutečná přenosová schopnost vedení je časově proměnná a závisí na okolní teplotě, rychlosti a směru větru, zatížení atd. Reálná provozní omezení v USA určuje organizace NERC,³ která definuje, jak mohou být linky aktuálně zatíženy s ohledem na spolehlivost provozu.

c) Zavádění speciálních ochranných schémat a nastavení ochran. Vývoj speciálních ochran může pomoci úspěšně zvládnout systémové poruchy. Hlavním cílem je zlepšit stabilitu elektrizační soustavy. Příkladem těchto ochranných schémat je prognóza podnapěťových stavů nebo napěťové nestability v soustavě s cílem zajistit provozuschopný stav.

d) Návrh a zkoušení koordinace ochran. S měnícími se provozními podmínkami v soustavě je nutné v pravidelných intervalech provádět zkoušky a revize nastavení ochran pro zajištění správné selektivity. Tím lze také snížit riziko chybné aktivace ochran při změně provozního stavu v soustavě.

e) Testy reléových aplikací a soustav systémových ochran. Pro zjištění možných příčin výpadku je nezbytné správné testování nejen jednotlivých ochran, ale i všech ochran jako celku. Toto testování zahrnuje kontrolu vstupních, výstupních a logických obvodů jednotlivých ochran.

f) Studium dynamické a napěťové stability. Rozvoj analytických nástrojů otevřel možnost identifikovat slabá místa v systému a zvýšil provozuschopnost celého systému. Pro správné studium poruch a jejich časového vývoje je důležité mít odpovídající modely, popisující daný systém. Například poměry napěťové stability lze studovat na modelech sledujících dynamická zatížení a zařízení pro řízení toků jalových výkonů.

Zvýšenou pozornost je třeba věnovat i použitým simulačním metodám a jejich rozboru a následujícímu provedení odpovídajících kroků při výskytu příznaků, které by mohly vést ke vzniku black-outu.

g) Stárnutí zařízení a zlepšení údržby. Abychom dosáhli snížení počtu poruch v jednotlivých zařízeních, je třeba přehodnotit činnost údržby. Často jsou totiž jako příčina vzniku black-outu uváděny poruchy vyvolané doteky vedení s větvemi stromů a požáry porostů.

Další příčinou vzniku výpadků je snižování provozních nákladů. Cestou ke snížení nákladů může být rozvoj optimálních strategií pro provozní a údržbové činnosti, monitorování on-line a řízení životnosti jednotlivých zařízení. Příkladem je identifikace zařízení vyžadujících opravu nebo dokonce výměnu. Tento proces zahrnuje přesnou metodologii a modely pro stanovení stavu zařízení kombinované se stanovením vlivu na bezpečnost, spolehlivost a kvalitu elektřiny stejně jako vlivu na regulované činnosti a na životní prostředí.

h) Školení odpovědných pracovníků. Koordinované a systematické školení dispečerů a dalších pracovníků zodpovědných za bezpečný a spolehlivý provoz významně přispívá k tomu, že budou schopni v jednotlivých provozních situacích vhodně reagovat, čímž mohou snížit riziko vzniku rozpadu soustavy nebo ovlivnit jeho rozsah a urychlit nápravu.

i) Obnova soustav. Stejně důležitá jako zabránění vzniku velkého výpadku v dodávce elektřiny je také efektivní a rychlá obnova napětí v soustavě po jejím rozpadu. Tato obnova zahrnuje přesně definované postupy, které vyžadují soulad jednotlivých činností nejen uvnitř postižené oblasti, ale také mezi sousedními sítěmi. Pro volbu vhodné strategie v dané situaci je však nutný dobře vyškolený personál. Ke zrychlení rozhodovacího procesu personálu mohou vést nové komunikační, výpočetní a měřicí prostředky. Pro rychlou obnovu napětí v síti musí existovat vhodný „mix“ zdrojů, včetně zdrojů, které v případě, že nelze získat napětí ze sousedních soustav, umožňují tzv. start ze tmy.

3.3 Otevřený trh a investice

Postupné otvírání trhu s elektřinou je obecným trendem na celém světě. Ke zvýšení spolehlivosti elektrizačních soustav lze přispět i obchodní cestou, pokud ve správně fungujícím konkurenčním prostředí platí nezbytný předpoklad převahy nabídky nad poptávkou. Podmínkou je, že se soutěže účastní více „hráčů“, a musejí být vyřešeny nežádoucí efekty spojené s vlivem výrazně dominantních účastníků trhu. Strukturu zdrojové základny a dostatečné množství výkonových rezerv ovlivňují dlouhodobé investice do výstavby nových výrobních kapacit. Návratnost investic záleží na správně stanovených cenách (tarifech). Stabilizační roli mohou hrát také střednědobé kontrakty s poskytovateli podpůrných služeb. V souvislosti s využíváním výrobních bloků o velkém instalovaném výkonu se stává aktuální otázka řešení případného výpadku velkého bloku a jeho pokrytí příslušným výrobcem elektřiny. Své místo zde má využití vhodných stimulů pro řízení na straně odběru a ekonomicky a ekologicky vhodné využití rozptýlených zdrojů energie a zdrojů s kogenerací.

V evropském kontextu má význam integrace regionálních trhů s elektřinou. Důležité je splnění podmínek kladených na standardizaci a harmonizaci pravidel trhu (legislativy) a tarifů, na společnou strategii a koordinaci na úrovni Evropské unie, na zvýšení propustnosti přeshraničních profilů, na posílení přenosové infrastruktury a efektivní systém přístupu k přeshraničním kapacitám.

4. Výměny elektřiny v Evropě

Řádná obnova a náhrada prvků v přenosových a distribučních systémech musí respektovat životnost a odpovídat platným standardům rozvoje a provozu. To je důležité pro zachování přijatelné úrovně spolehlivosti, ale i pro zajištění kapacit odpovídajících rostoucímu zatížení v soustavě. Počet těchto míst se vlivem rostoucích přenosů výkonů a zatížení může nadále zvyšovat. Evropská unie podporuje systémová řešení vedoucí k zajištění bezpečného a stabilního provozu propojených elektrizačních soustav s využitím pozitivních možností, které poskytuje otevřený trh. Program EU-TEN podporuje cílené a ekonomicky odůvodněné projekty zabývající se zmírněním úzkých profilů posílením přenosové infrastruktury.

Dalším limitujícím faktorem je dostatek zdrojů jalového výkonu, vhodně rozmístěných v soustavě.

Úzká místa mezi sousedními elektrizačními soustavami, nemusejí trvat po celý rok, protože jsou závislá i na ročním období. Příkladem je propojení přenosových soustav mezi Španělskem a Francií, kdy je omezení přenosu v zimním období závislé na výrobě ve vodních elektrárnách, stejně jako spojení mezi Norskem a Švédskem v jarních měsících. Další úzké místo mezi Německem a Dánskem je například závislé na aktuální výrobě ve větrných elektrárnách.

Podobně jako v Evropě existují úzká místa i v USA. Spojené státy jsou totiž rozděleny do čtyř propojených soustav, které mají navzájem relativně malou přenosovou schopnost. Při rozpadu soustavy v srpnu roku 2003 proto nemohly být na severovýchod USA přivedeny potřebné elektrické výkony ze sousedních soustav.

Ke zlepšení přenosových schopností přenosové soustavy, a tedy i k zajištění bezpečnějšího a stabilnějšího provozu elektrizační soustavy vedou zejména tato systémová řešení:

a) Zvýšení schopností kontroly v oblasti toků výkonů. Vysokonapěťové elektronické prvky, FACTS (Flexible AC Transmission Systems) a stejnosměrná vedení vvn (HVD) mohou v odůvodněných případech umožnit přesnější a zejména rychlejší řízení k zajištění větší systémové kontroly a zvětšení přenosové kapacity vedení. Kromě důkladného ekonomického rozboru (velké pořizovací náklady) je nezbytné koordinovat postup se zúčastněnými provozovateli rozvodných soustav.

Zařízení FACTS jsou zaměřena na přenosové systémy s cílem zlepšit řízení a využít existující přenosová vedení a na spolehlivost a kvalitu dodávek elektřiny.

V praxi se můžeme setkat s těmito zařízeními, která zvyšují dynamiku a stabilitu provozu:

• univerzální regulátory toku energie (UPFC),
• regulátor fázového úhlu (PAR),
• sériová kompenzace,
• statické paralelní kompenzátory,
• omezovače zkratových proudů,
• stejnosměrné spojky,
• supravodivé prvky (SMES) – akumulátory elektřiny,
• dynamické regulátory napětí (DVR).

b) Uplatnění ochran, kontrol a monitorování systému. Jde o uplatnění ochranných prvků schopných detekovat abnormální podmínky a na základě této detekce provést předem plánované automatické nápravné kroky (jiné než izolování postiženého prvku) k zajištění správného chodu chráněné oblasti. Tyto kroky jsou založeny na sledování událostí, které nastanou v daném systému (například vypnutí vypínače), nebo na sledování veličin, které se nacházejí mimo předem zadaná rozmezí. K dalšímu zlepšení může vést instalování dálkově ovládaných vypínačů. Nové technologie mohou pomoci koordinovat rozsáhlou oblast ochrany, kontroly a monitorování systému ekonomicky přijatelným způsobem (jedná se o instalaci systémů GPS pro dálkové sledování jednotlivých prvků a o předávání dat mezi jednotlivými terminály s využitím vysokorychlostních přenosových tras).

c) Akumulování energie a využití supravodivosti. Nové způsoby akumulace elektřiny a nové technologie v oblasti její dodávky, zahrnující supravodivostní materiály, mají do budoucna širokou škálu možností pomoci v oblasti návrhu elektrizační soustavy, která by byla odolnější proti rozpadu.

5. Situace v České republice

Energetický zákon (č. 458/2000 Sb.) jako základní legislativní dokument přesně definuje pojem „stav nouze“ (§ 54) a úlohu jednotlivých účastníků trhu, tj. provozovatelů přenosové soustavy (PS) a distribučních soustav (DS), výrobců, oprávněných zákazníků a Operátora trhu s elektřinou, při činnostech bezprostředně zabraňujících stavu nouze, při stavu nouze a při likvidaci následků stavu nouze.

Mezi další dokumenty ve smyslu požadavků definovaných v energetickém zákoně patří dokumenty zpracované a průběžně aktualizované provozovateli PS a DS v koordinaci s výrobci elektřiny (jako je Kodex PS a DS, Provozní instrukce, Provozní předpisy, Havarijní plány, Plán obrany, Frekvenční plán, Regulační plán, Vypínací plán a Plán obnovy elektrizační soustavy).

Základní požadavky na rozvoj a provoz přenosové soustavy jsou uvedeny v Kodexu PS v kapitole Standardy (včetně obecného požadavku na plnění kritéria n – 1 spolehlivosti chodu soustavy).

Plán obnovy obsahuje postupy připravené pro případ poruchy typu black-out, jejichž cílem je bezpečným a koordinovaným způsobem v co nejkratší době uvést postiženou oblast do normálního provozního stavu; zde má důležitou roli pravidelný trénink a školení dispečerů.

Elektrizační soustava ČR díky své poloze patří mezi tzv. vnitřní soustavy a představuje kompaktní celek napojený na pět energetických společností (Vattenfall, E.ON, Verbund, SEPS, PSE) pomocí deseti vedení 400 kV a šesti vedení 220 kV (což představuje výhodu při případné obnově napětí z vnější zahraniční sítě).

Porucha může mít charakter úplného nebo částečného kolapsu elektrizační soustavy s takovými průvodními jevy, jako jsou významné změny frekvence, napětí, činných a jalových výkonů, působení frekvenčních relé – odpínání zátěže, vznik ostrovů (samovolný, řízený) a také možné komunikační zahlcení (SCADA, telefony). K faktorům ovlivňujícím závažnost události patří doba trvání, rozsah a lokalita vzniklé poruchy.

Hlavní strategie obnovy soustavy po poruše typu black-out spočívá ve dvou postupech:

1. Obnova bez použití napětí ze sítě (neboli klasický „start ze tmy“). Schopnost vybraných bloků obnovit provoz („najet“) bez podpory vnějšího zdroje (i v rámci podpůrných služeb) je nezbytná pro obnovení dodávky po úplném nebo částečném rozpadu sítě. Výběr bloků schopných bez vnější podpory dosáhnout jmenovitých otáček a jmenovitého napětí a schopných připojení k síti a napájení sítě v ostrovním režimu provádí provozovatel přenosové soustavy na základě dohody s poskytovatelem této služby.

V současné době je zpracován postup obnovy napětí v rozvodně Slavětice – „najetí ze tmy“ elektrárny Dalešice; obdobně se připravuje využití zdrojů Lipno, Dlouhé Stráně a Orlík.