Sisteme de distributie inteligente pentru alimentarea utilizatorilor de energie electrica

PREFATA

Utilizatorii de energie electrica, conectati in retelele de medie tensiune (0,4 kV si 20 kV), reprezinta cea mai mare parte a unitatilor care utilizeaza energia electrica si sunt, in mod obisnuit, cei asupra carora se indreapta cu prioritate atentia specialistilor pentru a asigura utilizarea eficienta a energiei, dezvoltarea unor noi solutii pentru procesele tehnologice de utilizare a energiei, cu reducerea amprentei de carbon a utilizatorilor, reducerea perturbatiilor electromagnetice determinate de procesele de utilizare, asigurarea unei evaluari corecte a energiei utilizate.

Aparitia de noi tehnologii, a noilor surse de energie, a sistemelor moderne de conducere si control ale proceselor a determinat dezvoltarea unor noi solutii pentru alimentarea utilizatorilor, protectia in cazul unor defecte, sisteme noi de masurare a energiei utilizate, dar si a altor marimi ce caracterizeaza calitatea energiei furnizate, sisteme noi de comunicatii si noi procedee pentru controlul sistemului de alimentare.

Un rol deosebit il are digitalizarea sistemului de distributie care a permis atat cresterea nivelului serviciului de alimentare a utilizatorilor, dar si incadrarea acestora drept componente active ale sistemului de energie, participand la controlul circulatiei de putere in sistem, asigurarea acoperirii economice cu energie a cerintelor utilizatorilor, cu participare la piata de energie electrica.

Amplificarea exigentelor privind mediul ambiant, cerintele privind reducerea amprentei de carbon a utilizatorilor prin cresterea eficientei in utilizarea energiei, aparitia de solutii mature privind sursele regenerabile de energie, au impus elaborarea de noi proceduri de lucru, a unui eficient management al surselor de energie care sa asigure o abordare moderna a energiei ca resursa ce trebuie sa fie utilizata in mod rational. Sursele regenerabile conectate in reteaua interna a utilizatorilor contribuie la reducerea necesarului de energie preluata din sistem, reducerea emisiilor de CO2 generate de intreprindere, limitarea costurilor cu energia utilizata si cresterea sigurantei in alimentarea cu energie.

Progresele importante in domeniul informaticii de sistem au permis dezvoltarea de sisteme care sa ofere o mare cantitate de informatii pe baza carora utilizatorul poate controla, in timp real, puterea utilizata, poate sa adopte masuri pentru controlul energie utilizate in functie de factori externi, poate dezvolta un management inteligent al unitatii, poate sa-si planifice si sa faca o prognoza imbunatatita a necesarului de energie.

Numarul mare de senzori din instalatiile utilizatorului ii permite acestuia sa obtina toate informatiile privind parametrii proceselor din sistem, sa cunoasca in detaliu starea instalatiilor sale, sa-si reconfigureze reteaua interna de alimentare pentru a reduce pierderile active, sa planifice operatiile de mentenanta astfel incat sa se asigure utilizarea eficienta a activelor din instalatie.

Sistemele moderne de comunicatie si dezvoltarea solutiilor cu surse regenerabile (in general solare) la utilizatorii rezidentiali permit micilor utilizatori sa realizeze comunitati energetice in care, prin agregarea energiei utilizate si a energiei produse, sa devina unitati energetice cu pondere in piata de energie electrica si sa asigure o utilizare eficienta a surselor locale de energie, reducerea costurilor cu energia si posibilitatea de a participa activ la procesele din sistemul electroenergetic ca agregator energetic.

Reteaua de distributie trebuie sa asigure si energia necesara alimentarii automobilelor electrice prin statii de incarcare cu caracteristici specifice. Prezenta acestora in retea trebuie luata in considerare atat prin energia necesar a fi livrata, dar si prin perturbatiile pe care le pot induce in sistemul electroenergetic. Un management inteligent al statiilor cu multiple locuri de incarcare poate asigura limitarea influentelor acestora asupra nivelului perturbatiilor in retea si chiar obtinerea unor servicii de sistem.

Receptoarele actuale de energie electrica includ sisteme nelineare de control, pot functiona monofazat sau cu sarcini inegale pe cele trei faze, pot avea variatii mari de putere absorbita, pot sa fie afectate de defecte. In acest fel, functionarea receptoarelor moderne poate determina abateri de la caracteristicile normate ale marimilor electrice, afectand astfel calitatea energiei in reteaua electrica de alimentare si performantele tehnice ale receptoarelor. In prezent exista solutii tehnice eficiente pentru asigurarea nivelului de calitate necesar utilizatorilor pentru obtinerea performantelor atribuite proceselor.

Lucrarea abordeaza unele probleme cu care se confrunta utilizatorii industriali si rezidentiali in etapa actuala, sunt prezentate mijloacele pentru punerea in evidenta a acestor probleme, sunt analizate cauzele aparitiei acestora si sunt indicate solutii pentru limitarea efectelor perturbatiilor care apar la functionarea echipamentelor utilizatorilor.

Autorii

CUPRINS

1. Introducere 15
1.1. Aspecte generale 15
1.2. Surse descentralizate 18
1.3. Siguranta in functionare si rezilienta 19
1.4. Programe de viitor 20
Bibliografie 22

2. Serviciul de alimentare a utilizatorilor 23
2.1. Aspecte generale 23
2.2. Tratarea neutrului retelelor electrice 25
2.2.1. Tratarea neutrului in retelele de medie tensiune 25
2.2.1.1. Retele cu neutrul izolat 26
2.2.1.2. Retele cu neutrul conectat la pamant printr-o bobina 28
2.2.1.3. Retele electrice cu neutrul conectat la pamant prin rezistor 30
2.2.1.4. Retele electric cu neutrul conectat rigid la pamant 32
2.2.1.5. Retele cu neutrul conectat la pamant prin bobina conectata in paralel cu un rezistor 32
2.2.2. Caracteristici ale sistemelor de tratare a neutrului in retele de medie tensiune 33
2.3. Instalatii de distributie la tensiune continua 35
2.4. Topologia retelelor de alimentare cu energie electrica 38
2.4.1. Structura retelelor electrice de distributie actuale 38
2.4.2. Structuri ale retelelor electrice „inteligente” 40
2.4.3. Microretele 43
2.4.4. Structuri moderne ale retelelor electrice 46
2.4.5. Conectarea utilizatorilor la reteaua electrica publica 49
2.4.6. Reconfigurarea retelelor electrice de medie tensiune 51
2.5. Retele electrice ale utilizatorilor 53
2.5.1. Alegerea solutiei de alimentare a utilizatorilor 53
2.5.2. Scheme ale retelelor de medie tensiune industriale 55
2.5.3. Alimentarea utilizatorilor la joasa tensiune 57
2.6. Stocarea energiei electrice in sisteme industriale 59
2.6.1. Dimensionarea sistemului de stocare 60
2.6.2. Aplicatii ale sistemelor de stocare a energiei 64
Bibliografie 68

3. Achizitia si utilizarea datelor 69
3.1. Introducere 69
3.2. Transferul de date in statia electrica 70
3.3. Dispozitive electronice inteligente 74
3.3.1. Structura unui dispozitiv electronic inteligent 74
3.3.2. Dispozitive logice si noduri logice 79
3.4. Clasa atributelor 81
3.5. Organizarea IED-urilor 83
3.6. Notarea IED-urilor 87
3.7. Alocarea IED-urilor din statiile electrice 90
3.8. Semantica datelor 91
3.9. Limbajul SCL de configurare a statiilor electrice 93
Bibliografie 96

4. Sisteme electrice „inteligente” 98
4.1. Aspecte generale 98
4.2. Retele electrice ale viitorului (smart grid) 100
4.3. Structura unei retele „inteligente” 103
4.4. Modelul CIM 108
4.5. Retele de comunicatii in retele „inteligente” 110
4.6. Tehnologii de comunicatie 112
4.6.1. Sistemul OSI 114
4.6.2. Mesaje GOOSE 117
4.6.3. Protocol MMS 119
4.7. Interoperabilitatea in statiile electrice 120
4.8. Redundanta in sistemele de comunicatie 122
4.9. Sisteme de automatizare in statiile electrice de distributie 123
Bibliografie 127

5. Alegerea echipamentelor in statiile electrice ale utilizatorilor 129
5.1. Introducere 129
5.2. Alegerea schemei statiei 132
5.3. Sisteme de masurare 135
5.4. Alegerea surselor de alimentare 137
5.5. Dimensionarea circuitelor de alimentare 138
5.6. Alegerea echipamentelor electrice 141
5.6.1. Alegerea echipamentelor de comutatie 141
5.6.2. Intreruptoare statice 142
5.6.3. Alegerea separatoarelor de linie 144
5.6.4. Alegerea separatoarelor de legare la pamant 145
5.6.5. Alegerea cablurilor de alimentare 145
5.6.6. Alegerea transformatoarelor de putere 149
5.7. Dimensionarea barelor colectoare 152
5.8. Alegerea condensatoarelor din instalatie 154
5.9. Echiparea statiei pentru sistemul de automatizare 157
Bibliografie 158

6. SCADA 160
6.1. Introducere 160
6.2. Structura unui sistem SCADA 161
6.3. Functiile sistemului SCADA 163
6.4. Functiile sistemului SCADA in sistemele de alimentare cu energie electrica 167
6.5. Avantajele sistemului SCADA 173
6.6. Functia DMS/SCADA 174
6.7. Protocolul Modbus 175
6.8. Vulnerabilitati ale sistemului SCADA 176
Bibliografie 178

7. Protectia instalatiilor electrice 179
7.1. Aspecte generale 179
7.2. Protectia contra loviturilor directe de trasnet 180
7.2.1. Protectia structurilor industriale 180
7.2.2. Protectia instalatiilor electroenergetice contra loviturilor directe de trasnet 183
7.2.3. Protectia instalatiilor electrice contra supratensiunilor 185
7.3. Protectia contra solicitarilor datorate curentilor electrici de defect 187
7.3.1. Sisteme de protectie 189
7.3.2. Alocarea nodurilor logice in sistemele de protectie 193
7.4. Circuite de protectie in instalatiile electrice 196
7.4.1. Protectia maximala 197
7.4.2. Protectia diferentiala 199
7.4.3. Protectia directionala 200
7.4.4. Protectia de distanta 201
7.4.5. Dispozitive de protectie 202
7.5. Protectia echipamentelor electrice ale utilizatorului 203
7.5.1. Protectia generatoarelor 203
7.5.2. Protectia transformatoarelor 206
7.5.3. Protectia la curentul electric la pornire 207
7.5.4. Protectia liniilor electrice 210
7.5.5. Protectia motoarelor electrice 210
7.5.6. Coordonarea protectiilor 212
7.6. Protectia surselor regenerabile de energie 214
7.7. Protectia in retele cu surse distribuite 214
7.8. Protectia microretelelor 217
7.9. Securitatea cibernetica a sistemelor de protectie/control si SCADA 218
7.9.1. Vulnerabilitati ale sistemului informatic 218
7.9.2. Protectia contra atacurilor cibernetice 219
Bibliografie 225

8. Necesarul de energie electrica si eficienta energetica 226
8.1. Aspecte generale 227
8.2. Indicatori de eficienta in utilizarea energiei 229
8.3. Necesarul de energie in zone rezidentiale 230
8.4. Necesarul de energie in zone industriale 231
8.5. Eficienta in utilizarea energiei in industrie 235
8.6. Utilizarea energiei in industria otelului 237
8.6.1. Energia utilizata pentru producerea otelului 238
8.6.2. Functionarea cuptoarelor cu arc electric 239
8.6.3. Mijloace de crestere a eficientei in utilizarea energiei la cuptoarele cu arc electric 240
8.7. Utilizarea energiei in instalatiile cu laminoare 243
8.8. Utilizarea energiei in industria cimentului 244
8.9. Utilizarea energiei in industria chimica 246
8.10. Utilizarea energiei in industria sticlei 247
8.11. Eficienta energetica in industrie usoara 248
8.12. Utilizarea energiei in industria hartiei 249
8.13. Utilizarea energiei in industria de aluminiu 250
8.14. Utilizarea sistemelor eficiente de actionare electrica 251
8.15. Eficienta energetica la transferul energiei electrice 254
8.16. Necesarul de energie pentru tractiunea electrica 256
8.17. Profiluri de sarcina 258
8.18. Flexibilitatea necesarului de energie 259
8.19. Economia circulara 260
8.20. Acoperirea necesarului de energie din surse regenerabile 261
8.21. Mobilitatea electrica 263
8.22. Bariere in calea cresterii eficientei energetice in industrie 267
Bibliografie 267

9. Managementul energiei 269
9.1. Aspecte generale 269
9.2. Sistem de management energetic 271
9.3. Programe de management energetic 273
9.4. Managementul sistemului de distributie 274
9.5. Managementul cererii de energie 276
9.6. Flexibilitatea necesarului de energie. Programe DR 278
9.7. Managementul activelor 280
9.8. Managementul activ al retelei 282
9.9. Managementul retelelor electrice industriale 285
9.10. Managementul micilor utilizatori 286
9.11. Managementul puterii reactive 286
9.11.1. Utilizarea condensatoarelor pentru imbunatatirea factorului de putere in cazul marimilor sinusoidale 289
9.11.2. Utilizarea filtrelor pentru imbunatatirea factorului de putere 291
9.11.3. Utilizarea bateriilor cu trepte de condensatoare 292
9.12. Managementul sistemelor de comunicatie 294
9.13. Managementul riscului 294
Bibliografie 296

10. Mentenanta si fiabilitatea sistemelor de distributie industriale 298
10.1. Aspecte generale 298
10.2. Mentenanta echipamentelor electrice 299
10.3. Mentenanta corectiva 301
10.4. Mentenanta preventiva 303
10.5. Mentenanta predictiva 304
10.6. Mentenanta proactiva 305
10.7. Mentenanta bazata pe risc 306
10.8. Costurile actiunilor de mentenanta 307
10.9. Evaluarea eficientei actiunilor de mentenanta 308
10.10. Mentenanta cablurilor electrice 310
10.11. Mentenanta transformatoarelor 313
10.11.1. Mentenanta transformatoarelor uscate 313
10.11.2. Mentenanta transformatoarelor cu izolatie lichida 314
10.12. Mentenanta intreruptoarelor 317
10.13. Fiabilitatea instalatiilor electrice 317
10.13.1. Aspecte generale 317
10.13.2. Functia de fiabilitate 318
10.13.3. Functia de nonfiabilitate (de reparatii) 320
10.14. Disponibilitatea 321
10.15. Mentenabilitatea 322
10.16. Redundanta 323
10.17. Rezilienta in sistemele de energie 324
10.17.1. Conceptul de rezilienta versus fiabilitate 324
10.17.2. Vulnerabilitati ale sistemelor de energie 326
10.17.3. Cuantificarea rezilientei in sistemele electrice 329
10.17.4. Metode de crestere a rezilientei in sistemele electrice 331
10.18. Sistemul de management al activelor si de mentenanta (AMMS) 333
Bibliografie 333

11. Monitorizarea marimilor in retelele electrice industriale 335
11.1. Aspecte generale 335
11.2. Traductoare clasice pentru masurarea curentului electric si a tensiunii 338
11.2.1. Traductoare clasice pentru masurarea curentului electric 339
11.2.2. Traductoare clasice pentru masurarea tensiunii 341
11.3. Traductoare neconventionale cu interfata numerica pentru masurarea curentului electric si a tensiunii 343
11.3.1. Traductoare neconventionale cu interfata numerica pentru masurarea curentului electric 344
11.3.1.1. Traductoare utilizand cordonul Rogowski 344
11.3.1.2. Traductoare pe baza efectului Hall 346
11.3.1.3. Traductoare utilizand efectul Faraday 347
11.3.1.4. Traductoare cu circuit optic de transfer 349
11.3.2. Traductoare neconventionale cu interfata numerica pentru masurarea tensiunii 350
11.3.2.1. Traductoare neconventionale cu divizor capacitiv 351
11.3.2.2. Traductoare neconventionale bazate pe efecte electrono-optice 352
11.3.2.3. Traductoare cu senzori de camp electric 352
11.3.2.4. Traductoare combinate 353
11.4. Procesarea datelor achizitionate 353
11.5. Evaluare puterilor electrice 355
11.6. Evaluarea energiei electrice 357
11.7. Infrastructura de masurare avansata (AMI) 358
11.8. Managementul datelor contorizate 361
11.9. Utilizarea datelor pentru evaluarea evenimentelor 362
11.10. Utilizarea PMU in sistemele de distributie 363
11.11. Monitorizarea starii transformatoarelor 366
11.12. Sisteme de achizitie de date pentru evaluarea starii sistemului 367
11.13. Prelucrarea datelor experimentale 369
Bibliografie 370

12. Surse regenerabile de energie. Surse distribuite 372
12.1. Aspecte generale 372
12.2. Producerea energiei electrice din surse regenerabile 375
12.2.1. Instalatii eoliene 376
12.2.2. Instalatii fotoelectrice 379
12.2.3. Puterea generata de o instalatie fotoelectrica 383
12.2.4. Perturbatii electromagnetice determinate de instalatiile fotoelectrice 385
12.2.5. Conectarea la reteaua electrica publica a surselor regenerabile de energie 386
12.2.5.1. Conectarea la reteaua electrica publica a instalatiilor fotoelectrice 386
12.2.5.2. Circulatia puterii in retele cu surse regenerabile 387
12.2.6. Utilizarea biomasei ca purtator de energie 391
12.2.7. Utilizarea hidrogenului ca purtator de energie 392
12.3. Functionarea surselor regenerabile in sistemele industriale 394
12.4. Rigiditatea nodurilor in reteaua de distributie 397
12.5. Functionarea sistemelor izolate 400
12.6. Surse distribuite de energie 401
12.7. Centrale electrice virtuale 402
12.8. Managementul sistemelor agregate ale utilizatorilor activi 402
12.9. Conectarea la reteaua electrica a surselor distribuite si regenerabile de energie 404
Bibliografie 406

13. Piata de energie electrica 408
13.1. Aspecte generale 408
13.2. Energia electrica pe piata de produse 409
13.3. Costuri ale producatorului de bunuri 410
13.4. Costuri medii si costuri marginale 413
13.5. Piata de energie electrica 414
13.6. Structura pietei de energie electrica 416
13.7. Licitatii pe piata 419
13.8. Piete spot 420
13.8.1. Piata pentru ziua urmatoare (PZU) 421
13.8.2. Piata intrazilnica 423
13.8.3. Piata serviciilor de sistem 423
13.8.4. Piata de capacitati 424
13.8.5. Piata de echilibrare 425
13.8.6. Piata contractelor bilaterale 427
13.8.7. Piata contractelor de tip PPA 431
13.9. Piete la termen 432
13.9.1. Contracte „forward? 432
13.9.2. Contracte „futures” 435
13.10. Piata de energie electrica in prezenta surselor regenerabile de energie 437
13.11. Schimburi de informatii pe piata de energie electrica 440
13.12. Bursele de energie 441
13.13. Dezvoltarea pietelor de energie 442
Bibliografie 443

14. Calitatea energiei electrice in instalatii industriale de distributie 445
14.1. Aspecte generale 445
14.2. Perturbatii electromagnetice 447
14.3. Limitarea nivelului de distorsiune a curbelor de curent electric si de tensiune 450
14.3.1. Filtre pasive simple 451
14.3.2. Functionarea filtrelor absorbante in reteaua electrica 455
14.3.3. Filtre pasive de tip C 458
14.3.4. Filtre active 459
14.3.4.1. Filtrul activ conectat in paralel cu receptorul neliniar 460
14.3.4.2. Filtrul activ conectat in serie cu receptorul neliniar 462
14.3.4.3. Filtrul activ UPQC 464
14.4. Functionarea transformatoarelor si a liniilor electrice in prezenta distorsiunilor armonice 465
14.5. Limitarea nesimetriei determinata de utilizatori 467
14.6. Limitarea abaterilor de tensiune 468
14.7. Controlul nivelului de tensiune si al puterii reactive 473
14.8. Limitarea fluctuatiilor de tensiune 475
14.8.1. Utilizarea SVC pentru controlul circulatiei puterii reactive 475
14.8.2. Utilizarea DSTATCOM pentru controlul circulatiei puterii reactive 476
14.9. Limitarea golurilor de tensiune 479
14.10. Limitarea intreruperilor de tensiune 480
14.10.1. Solutii pentru reducerea duratei intreruperii 481
14.10.1.1. Controlul bobinei contactoarelor 481
14.10.1.2. Utilizarea grupurilor de interventie 481
14.10.2. Utilizarea surselor neintreruptibile UPS 483
14.10.3. Utilizarea surselor neintreruptibile dinamice 487
14.10.4. Alegerea solutiei de alimentare 488
14.11. Costuri induse de evenimente din sistemul de alimentare 489
14.12. Monitorizarea calitatii energiei electrice 489
14.13. Siguranta in functionare 491
Bibliografie 492

15. Securitatea muncii in instalatiile electrice 495
15.1. Introducere 495
15.2. Efectele trecerii curentului electric prin corpul uman 496
15.3. Corpul uman - circuit electric 497
15.4. Curentul electric admis prin corpul uman 499
15.5. Tensiuni de atingere si de pas admise 502
15.6. Masuri de protectie impotriva socurilor electrice 505
15.6.1. Scheme de conectare a instalatiilor de joasa tensiune 505
15.6.2. Curentii electrici la contact indirect 507
15.6.3. Protectia suplimentara la atingeri directe 510
15.7. Masuri de protectie in retele de joasa tensiune 511
15.8. Echipament de protectie 512
15.9. Prize de pamant 513
Bibliografie 517

16. Abrevieri, definitii 518
16.1. Abrevieri 518
16.2. Definitii 525

Anexe 533