Simularea retelelor electrice pentru cresterea calitatii

Abstract

Simularea este una dintre cele mai importante componente ale ingineriei din zilele noastre.

Pentru a avea o imagine completa asupra unei intregi retele electrice este absolut necesara folosirea unui soft. Folosind un soft dedicat se poate lua decizia corecta asupra interventiei ce urmeaza a fi facuta in retea.

Prin folosirea simularii nu sunt necesare modificari asupra retelei reale pentru a se obtine rezultatele modificarilor. De asemenea este foarte importanta calitatea energiei electrice transportata de retea.
Scopul acestei lucrari este de a prezenta unele rezultate cu privire la calitatea energiei electrice in retelele reale.

Cuvinte cheie - simulare, calitate, factor de putere, armonici

Introducere

Energia electrica este o marfa pe care noi o cumparam in modul (forma) in care ne este livrata de catre furnizor. Spre deosebire de orice alta marfa, pentru care ne punem problema calitatii si pentru care avem posibilitatea de a alege, referitor la calitatea energie electrice aceasta trebuie sa fie o preocuparea a furnizorilor de energie. De asemenea, daca despre orice alt produs putem vorbi despre calitatea sa care conduce la un pret ridicat, despre energia electrica putem supune ca respectand strict standardul de calitate pretul platit de consumatori poate fi chiar diminuat.

Calitatea energiei electrice trebuie sa fie aproape bidirectionala, atat din punctul de vedere al consumatorului cat si din punctul de vedere al furnizorului. Scopul acestei lucrari este de a accentua anumite aspecte reale si actuale din sistemul electric de distributie aflat in Galati.
Daca pana acum, problema calitatii energiei electrice in retele, respectiv perturbatiile din retelele electrice au fost imputate receptoarelor neliniare puternic dezechilibrate (cuptoarelor cu arc, tractiune electrica, etc.) in ultima perioada perturbatiile constau din, exceptand produsul cu regimuri perturbatoare, in primul rand regim nesinusoidal, participarile unei diversitati mari de receptoare de mica putere (0,1 1kW), dar care adunate pot avea o putere comparabila cu cea a unui mare consumator, printre acestea pot fi: masini automate de spalat, congelatoare, frigidere, Pc, imprimante, fax-uri. Cele mai multe dintre acestea, prezinta la intrare clocuri cu surse in comutatie, acest lucru conducand la distorsiuni ale curbei de curent si tensiune.

In aceste conditii, compensarea puterii reactive in nodurile retelelor electrice si in intregul contur al retelei nu se poate face separat de echilibrarea sarcinii si filtrarea armonicilor. Implementarea solutiilor individuale poate afecta calitatea energiei electrice.
Referitor la calitatea energiei electrice, indiferent de modul in este privita: calitatea produsului energie electrica, calitatea serviciilor oferite de furnizor de energie electrica, calitatea sistemelor automate care produc energie electrica, aceasta este cuantificata prin indicatorii de calitate, indicatorii de calitate ce pot fi specifici sau globali.
Luand in considerare dezideratul interconectarii sistemelor nationale de putere cu sistemul european, dovedesc preocuparile de modernizare, eficientizare si imbunatatirea calitatii alimentarii cu energie electrica.

Calitatea alimentarii cu energie electrica este influentata de doua grupuri de fenomene:

1. - fenomene aleatorii (supratensiuni tranzitorii, intreruperea scurtcircuitului de lunga durata, golurile de tensiune)
2. - fenomene permanente sau semipermanente (variatii lente sau rapide de tensiune, forma de unda nesimetrica a curentui si a tensiunii, generarea de armonici).

Starea consumului de energie electrica in Romania si nivelul mondial

Analizand statisticile [6] se poate observa ca evolutia consumului de energie electrica se afla pe un trend ascendent (Fig.1) la nivel mondial. Acesta arata dezvoltarea economica a fiecarei tari. De asemenea nu trebuie uitat de luat in considerare mediul politic si social pentru fiecare tara. Acelea au marea influenta in evolutia mediului economic.

Cu privire la Romania, trebuie notat ca consumul de energie electrica a cunoscut o diminuare dupa 1989 (Fig.2). Acest lucru poate fi asociat cu situatia economica, plolitica si sociala din tara noastra dun acea perioada. Dupa 1999 putem vedea o evolutie pozitiva a consumului de energie cu un trend ascendent.

Fig. 1 Consumul de energie electrica din cateva tari din UE

Fig. 2 Consumul de energie electrica din Romania

Deci, in elaborarea unui studiu cu privire la optimizarea transportului si distributiei de energie electrica, problemele sunt diferite, existand doua situatii distincte: cresterea sau scaderea consumului de energie electrica.

Problemele principale care apare in lantul produceri, transportului si distributiei energiei electrice isi gasesc solutii in diferite moduri variind de la caz la caz.
Se poate trece in revista situatiile problemelor caracteristice prezentand doar cateva dintre acestea: supradimesionarea sau subdimensionarea liniilor de transport, supradimesionarea sau subdimensionarea transformatoarelor de putere, circulatia prin retea a unei cantitati importante de energie reactiva, depasirea domeniului de masura a grupurilor de masura.
O problema delicata este aceea reprezentata de propriul consum tehnologic (OTC), care este inevitabil, dar care poate avea alte cauze decat cele prezentate anterior.

Studiu de caz

In cele ce urmeaza vom incerca sa prezentam si sa ilustram anumite situatii reale cu care ne confruntam in transportul si distributia energiei electrice.

Pornind de la masuratorile preluate din instalatiile existente avem urmatoarele informatii care pot crea o imagine generala cu privire la calitatea energiei pe care orice consumator casnic sau industrial trebuie sa o cumpere:

1. Variatia tensiunii de faza efective VRMS

(1)

Fig. 3 Variatia tensiunii de faza efective VRMS

NechSec - numarul de esantioane pe secunda
i - numarul fazei (0,1,2)

Putem observa variatia tensiunii de faza pe o perioada de 24 de ore. Cu un simplu calcul putem concluziona ca, variatiile lente de tensiune nu sunt mai mari de ± 10 %.

2. Variatiile tensiunii de linie efective URMS
Putem de asemenea vedea ca variatia tensiunii URMS si VRMS sunt asemanatoare. Perioada de masura este tot de 24 ore.

Fig. 4 Variatia tensiunii de linie efective URMS


(2)

3. Variatia de putere aparenta

Cu privire la consumul de energie se poate afirma ca in acest punct unde sau realizat masuratorile, este un factor de incarcare in jurul valorii de 23%. Acest factor de incarcare este definit pornind de la puterile vehiculate in sistem astfel:

(3)

(4)
unde: SC - reprezinta puterea aparenta ceruta;
SN - reprezinta puterea nominala a transformatorului.



Fig. 5 Variatia de putere aparenta

4. Variatia de putere activa

Componenta principala a energiei electrice transportate in reteaua electrica este energia activa. Cunoscandu-se ca energia reprezinta integrala puterii vehiculate pe o anumita perioada, 24h in cazul nostru, putem vorbi despre putere.

Variatiile consumului de putere electrica sunt prezentare in Fig. 6. Perioada de masurare este identica cu perioada celorlate masuratori.

Fig. 6 Variatia puterii active

(5)

Se poate observa cum puterea active variaza in intervalul 60 kW 140 kW.

5. Variatia de putere reactiva

Puterea reactiva este al doilea tip de putere electrica care este vehiculat in retea. O monitorizare a variatiilor de putere reactiva a fost facuta in aceiasi perioada de timp.

(6)

Fig. 7 Variatia puterii reactive

Pot fi observate limitele de variatie a puterii reactive transportate prin retea.

6. Factorul de putere

Factorul de putere este un indice de calitate in care sunt incluse informatii cu privire la calitatea energiei electrice din punctul de vedere al transportatorului.

Factorul de putere este definit astfel:

(7)
unde: P - puterea activa;
S - puterea aparenta.

In ceea ce priveste determinarea factorului de putere sa realizat folosindu-se masuratorile de putere activa respectiv aparenta.
Se poate observa in figura urmatoare variatia factorului de putere pe fiecare faza si o variatie globala.
De asemenea, este evidenta dependenta dintre consumul cantitativ de energie si valoarea factorului de putere.

Fig. 8 Variatia factorului de putere pe fiecare din cele 3 faze


Fig. 9 Variatia factorului de putere global

Daca analizam celelalte aparente prezentate aici nu sunt probleme majore, despre factorul de putere insa nu putem afirma acelas lucru. Poate fi observata o variatie a factorului de putere intre limitele 0,752 si 0,952 care nu sunt in conformitate cu 0,92, valoarea factorului de putere neutral.

7. Regimul deformant

O problema delicata este reprezentata de prezenta armonicilor in retelele electrice.
Masuratorile realizate pentru studiul regimului deformant au fost facute in acelas punct al retelei si in aceiasi perioada de timp inregistrandu-se astfel si armonicle cu rangul cuprins intre 01 si respectiv 50, armonici de tensiune cat si armonici de curent.

In cele ce urmeaza sunt prezentate rezultatele cu privire la regimul deformant (armonici):

(8)

Fig. 10 Armonicile de tensiune Vthd

Fig. 11 Armonica de tensiune Vh05

(9)

Fig. 12 Armonicile de curent Athd

Fig. 13 Armonica de curent Ah03

Fig. 14 Armonica de curent Ah05

Este foarte dificil sa analizam punctual fiecare dintre aceste probleme si sa oferind solutii punctuale fara a considera impactul asupra intregului sistem electro energetic, daca nu imposibil, sa vorbim despre eficienta in transportul si distributia energiei electrice.

In aceasta directie, este foarte important sa obtinem o analiza pentru intregul sistem energetic sau pentru un contur inchis. In acest moment o astfel de analiza sau mai bine zis o simulare pentru un contur cu vizualizarea fiecarui parametru in orice punct al sistemului poate fi oferit de CAE (Computer Added Engineering) aplicatie program DINIS (E).

Cu ajutorul acestui pachet de programe se pot determina in scurt timp solutii optime care conduc la o calitate ridicata pentru alimentarea cu energie electrica prin reducerea OTC.

Analiza retelei electrice consta in:

1. -modelarea avansata a retelei electrice eliminand pierderile;
2. -reconfigurarea retelelor si a efectului in retea dat de diferite modificari (diferite sectiuni pentru cabluri, schimbarea transformatoarelor, etc.)

Analizele tin cont de performantele si limitele sintemelor de distributie, si ca rezultat trebuie sa obtinem cresterea eficientei in utilizare, proiectand, crescand calitatea pentru energia electrica oferita spre utilizare.

Interfata folositta de DINIS (E) este ilustrata in Fig. 15:

Fig. 15 Interfata DINIS (E)

De asemenea, cu aplicatia DINIS (E), poate fi obtinuta usor o orientare rapida in teren multumita utilizarii unui suport geografic.

In urmatoarea figura sunt prezentate unele detalii cu privire la reprezentarea retelelor electrice si a suportului geografic.

Fig. 16 Detalii DINIS (E)

In Fig. 16 este prezentata reteaua electrica dupa cum este localizata in intregul oras Galati. Putem mari pentru mai multe detalii, schimbarea parametrilor si a altor parametrii dupa cum sunt modificati in mod real in teren. Astfel de detalii sunt aratate in Fig. 17 si Fig. 18. In Fig. 17 este ilustrat un cartier si in Fig. 18 este prezentat un fider impreuna cu transformatoarele de la care sunt alimentati consumatorii.

Fig. 17 DINIS (E) detalii cu support geografic

Fig. 18 DINIS (E) detalii cu parametrii electrici

Concluzii

Cu privire la modificarile consumului national de electricitate trebuie luat in considerare o redimensionare a intregului sistem de transport si distributie a energiei electrice. Aceasta redimensionare poate fi facuta prin interschimbari ale elementelor din retea. Este foarte importanta corelarea modificarilor si un studiu amanuntit al impactului modificarilor asupra intregului sistem energetic.
Aceasta corelare poate fi facuta eficient doar prin folosirea unui instrument de calcul performant pentru calcule ca cele sugerate prin intermediul pachetului CAE (Computer Added Engineering).

Simularea intregului sistem, sau a unei zone a sistemului, considerata independenta, putem avea rezultate intrun timp foarte scurt.
Pornind de la acele rezultate se poate lua o decizie corecta cu privire la anumite modificari care pot fi facute in reteaua reala. De asemenea, rezultatele obtinute pot fi folosite in proiectarea retelelor electrice.
Folosind aceste rezultate se poate realiza o strategie pentru dezvoltarea si cresterea eficientei intro retea electrica existenta.

Bibliografie

[1] COMSA, D., 1979s - Proiectarea instalatiilor electrice industriale, E.D.P., Bucuresti;
[2] CRISTESCU, D., 1982 s.a.- Centrale si retele electrice E.D.P., Bucuresti ;
[3] DINIS (E) Library;
[4] DUMITRESCU, M.,2002-Producerea, transportul si distributia energiei electrice, EDP Bucuresti;
[5] DUMITRESCU, M., - Centrale si retele electrice, Galati 1997.
[6] Energy Information Administration http://eia.doe.gov/;
[7] IORDACHE, M, CONECINI, I 1998-Calitatea energiei electrice, ED. Tehnica, Bucuresti;
[8] PANTELIMON, L., s.a. 1980- Utilizarea energiei electrice. Probleme, E.D.P., Bucuresti;
[9] SAIMAC, s.a. 1983- Utilizarea energiei electrice, E.D.P, Bucuresti.