1

1. Wprowadzenie do problemów jako

ś

ci energii elektrycznej (JEE) w

układach elektroenergetycznych

Wykład jest po

ś

wi

ę

cony zagadnieniom wła

ś

ciwo

ś

ci (jednej z cech) energii

elektrycznej nazywanej jako

ś

ci

ą

. Poniewa

ż

energia elektryczna, zale

ż

nie od

ś

rodowiska,

mo

ż

e by

ć

analizowana w

ró

ż

nych

kategoriach

techniczno-

ekonomicznych, zatem i jej jako

ść

mo

ż

na rozpatrywa

ć

stosownie do wymaga

ń

i celu

tych analiz.
W ramach wykładu b

ę

d

ą

rozwa

ż

ane zagadnienia jako

ś

ci energii elektrycznej (dalej,

JEE) powi

ą

zane w du

ż

ej mierze z dwoma kategoriami analiz, a mianowicie:

-

transakcjami na rynku energii elektrycznej, na którym energia elektryczna jako

specyficzny towar (produkt) jest obj

ę

ta warunkami umów zawieranych przez

strony,

-

kwestiami przyczyn niewła

ś

ciwej JEE oraz oddziaływania JEE (a wła

ś

ciwie

warto

ś

ci parametrów JEE) na funkcjonowanie urz

ą

dze

ń

i układów

elektroenergetycznych.

W umowach dotycz

ą

cych energii elektrycznej, podobnie jak innych towarów, powinny

by

ć

okre

ś

lone m. in. postanowienia nast

ę

puj

ą

ce: miejsce jej dostarczenia, planowana

ilo

ść

w czasie oraz jako

ść

jej dostarczania (w tym parametry JEE). Dodatkowo dla

energii elektrycznej okre

ś

la si

ę

moc umown

ą

. Przykładami takich umów mog

ą

by

ć

:

umowa kompleksowa, umowa sprzeda

ż

y energii elektrycznej odbiorcy czy umowa o

ś

wiadczenie usług dystrybucji energii elektrycznej.

Charakterystycznymi miejscami w układach elektroenergetycznych analiz i oceny
jako

ś

ci energii elektrycznej (dalej JEE), o których mowa w umowach, s

ą

miejsca jej

dostarczania do odbiorców.
Wyznaczanie JEE, w odró

ż

nieniu od wi

ę

kszo

ś

ci produktów dost

ę

pnych na rynku, jest

trudniejsze co najmniej z trzech powodów. Po pierwsze, wła

ś

ciwo

ś

ci energii

elektrycznej nie mo

ż

na oceni

ć

za pomoc

ą

zmysłów, co jest mo

ż

liwe w przypadku

wielu innych produktów. Do okre

ś

lenia JEE konieczne s

ą

standardowe procedury

oraz przyrz

ą

dy pomiarowe. Po drugie, pełna ocena JEE, a wła

ś

ciwie jej poziomu

okre

ś

lonego w umowie, jest mo

ż

liwa przy zapewnieniu ci

ą

głego monitorowania

parametrów kolejnych jej porcji, w przedziałach czasowych ustalonych w
procedurach pomiarowych. Po trzecie, na pogorszenie JEE w miejscach jej
dostarczania, mog

ą

wpływa

ć

jej odbiorcy, zaburzaj

ą

c niektóre jej parametry (np.

przebiegi sinusoidalne pr

ą

dów i napi

ęć

). Wymienione oddziaływanie podnosi problem

odpowiedzialno

ś

ci stron (dostawcy i odbiorcy) za JEE.

Analizy przyczyn niewła

ś

ciwej JEE oraz oddziaływania JEE na funkcjonowanie

urz

ą

dze

ń

i układów elektroenergetycznych s

ą

powi

ą

zane z poj

ę

ciem zaburze

ń

elektromagnetycznych (zaburzenia napi

ę

cia lub pr

ą

du). Zaburzeniem okre

ś

la si

ę

ka

ż

de odst

ę

pstwo od idealnych parametrów napi

ę

cia albo pr

ą

du, tzn. ich przebiegów

sinusoidalnych, warto

ś

ci znamionowych napi

ę

cia oraz symetrii. Posta

ć

tych

odst

ę

pstw jest zró

ż

nicowana, tym nie mniej mo

ż

na je umownie pogrupowa

ć

w

sposób nast

ę

puj

ą

cy : 1) ci

ą

głe przewodzone i emisyjne, niskocz

ę

stotliwo

ś

ciowe (do

10 kHz), 2) ci

ą

głe i emisyjne wysokocz

ę

stotliwo

ś

ciowe, 3) oscylacje, 4) impulsy i

załamania w przebiegach napi

ęć

i pr

ą

dów.

Utrzymanie parametrów idealnych energii elektrycznej nie jest mo

ż

liwe w praktyce,

dlatego dopuszcza si

ę

margines zaburze

ń

, który nie powinien wpływa

ć

na poprawn

ą

prac

ę

wi

ę

kszo

ś

ci urz

ą

dze

ń

i układów elektroenergetycznych. Margines zaburze

ń

jest

powi

ą

zany w du

ż

ym stopniu z poj

ę

ciem kompatybilno

ś

ci elektromagnetycznej,

u

ż

ywanej w normach EN- 61000- x (x okre

ś

la numer arkusza normy).

2

Kompatybilno

ść

elektromagnetyczna urz

ą

dzenia/układu jest to jego zdolno

ść

do

prawidłowego działania w danym

ś

rodowisku elektromagnetycznym oraz nie

emitowania do tego

ś

rodowiska zaburze

ń

elektromagnetycznych, mog

ą

cych

powodowa

ć

zakłócenia w pracy innych urz

ą

dze

ń

/układów. Zatem, dwa podstawowe

aspekty charakteryzuj

ą

ce kompatybilno

ść

obiektu to :

- odporno

ść

urz

ą

dzenia/układu na zaburzenia elektromagnetyczne,

- emisja zaburze

ń

elektromagnetycznych przez urz

ą

dzenia/układy.

Na rys. 1, linami poziomymi, zilustrowano granice minimalnej odporno

ś

ci (linia nr 2)

oraz maksymalnej emisji zaburze

ń

(linia nr 3) dla urz

ą

dzenia/układu. Linie nr 1 oraz 2

okre

ś

laj

ą

odpowiednio bie

żą

cy poziom odporno

ś

ci oraz emisji zaburze

ń

.

Rys. 1. Granice kompatybilno

ś

ci elektromagnetycznej urz

ą

dzenia/układu

Wymienione

granice

odporno

ś

ci

i

emisji

zaburze

ń

znajduj

ą

arbitralne

odzwierciedlenie w normatywach dopuszczalnych parametrów JEE w miejscach jej
dostarczania. Dla odbiorców powy

ż

sze wymagania przedstawiono na rys. 2

Poziomy

kompatybilno

ś

ci

Wymagania w zakresie

oddziaływa

ń

na sie

ć

Wymagania w

zakresie odporno

ś

ci

odbiorców i

urz

ą

dze

ń

Metody testowania

i oceny, pomiary

Limity oddziaływa

ń

odbiorców

Rozwi

ą

zania

zwi

ę

kszaj

ą

ce

odporno

ść

odbiorców

i urz

ą

dze

ń

Limity oddziaływa

ń

urz

ą

dze

ń

Rozwi

ą

zania dla

odbiorców i urz

ą

dze

ń

w zakresie

dotrzymania limitów

oddziaływa

ń

na sie

ć

Rys. 2. Ilustracja zagadnie

ń

kompatybilno

ś

ci elektromagnetycznej w odniesieniu do

odbiorców

Zaburzenia (zakłócenia)

Poziom
zaburzeń

1

2

3

4

3

Analizy przyczyn niewła

ś

ciwej JEE oraz oddziaływania JEE umo

ż

liwiaj

ą

poznanie

ź

ródeł zaburze

ń

elektrycznych, b

ę

d

ą

cych elementami opisu JEE, reakcji urz

ą

dze

ń

i

układów elektroenergetycznych na zaburzenia elektryczne oraz okre

ś

lenie działa

ń

przeciwdziałaj

ą

cych czy zmniejszaj

ą

cych poziomy zaburze

ń

i ich negatywne

oddziaływania.
Jak ju

ż

nadmieniono, JEE mo

ż

na analizowa

ć

odr

ę

bnie lub jako jeden z aspektów

wi

ę

kszego zagadnienia dotycz

ą

cego odbiorców, które w literaturze przedmiotu

nazywa si

ę

jako

ś

ci

ą

dostarczania energii elektrycznej albo jako

ś

ci

ą

zasilania energi

ą

elektryczn

ą

. Zgodnie z klasyfikacj

ą

uznawan

ą

przez Rad

ę

Europejskich Regulatorów

Energii (CEER) w jako

ś

ci dostarczania energii elektrycznej mo

ż

na wyró

ż

ni

ć

trzy jej

aspekty; s

ą

to : JEE, ci

ą

gło

ść

dostarczania energii oraz jako

ść

obsługi odbiorców.

Powy

ż

sze aspekty jako

ś

ci dostarczania energii elektrycznej zilustrowano na rys. 3.

Dodatkowo przedstawiono powi

ą

zanie odbiorców z JEE (linia przerywana).

Wiadomo,

ż

e podstawowymi parametrami energii elektrycznej s

ą

napi

ę

cie i pr

ą

d

elektryczny. Zatem parametry tych dwóch wielko

ś

ci powinny charakteryzowa

ć

JEE.

W praktyce dominuje analiza i ocena JEE na podstawie parametrów napi

ę

cia. Tylko

nieliczne kraje, np. Wielka Brytania, uwzgl

ę

dniaj

ą

w ocenie JEE dostarczanej

odbiorcom normatywy dla wy

ż

szych harmonicznych pr

ą

dów.

CIĄGŁOŚĆ DOSTAW ENERGII

JAKOŚĆ

ENERGII

ELEKTRYCZNEJ

JAKOŚĆ UśYTKOWANIA

ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Parametry napięcia

elektrycznego

Parametry prądu

elektrycznego

Jakość usług

Zachowanie odbiorcy

JAKOŚĆ OBSŁUGI ODBIORCÓW

Rys. 3. Ilustracja aspektów jako

ś

ci dostarczania odbiorcom energii elektrycznej

Jednym z powodów powszechnego okre

ś

lania JEE na podstawie parametrów

napi

ę

cia jest mo

ż

liwo

ść

ustalenia standardów oceny jego parametrów w sposób

uniwersalny, odnosz

ą

cy si

ę

do du

ż

ych grup odbiorców.

Na rys. 4 przedstawiono elementy składowe aspektów jako

ś

ci dostarczania energii

elektrycznej w warunkach krajowych, w których JEE odzwierciedla jako

ść

parametrów napi

ę

cia.

4

Jako

ść

dostarczania

energii elektrycznej

Obsługa odbiorców

Ci

ą

gło

ść

dostaw

Parametry

napi

ę

cia elektrycznego

Przerwy planowe

Przerwy
nieplanowe :

- mikroprzerwy (do 1 s),

- krótkie (do 3 min),

- długie (do 12 h)

Cz

ę

stotliwo

ść

Warto

ś

ci skuteczne

napi

ę

cia

Zmiany napi

ę

cia

(odchylenia, zapady,

wahania, podskoki, przepi

ę

cia)

Odkształcenia
sinusoidy (harmoniczne)

Asymetria

Zgłoszenia, reklamacje i
skargi

Usuwanie zakłóce

ń

w

dostawach energii

Powiadamianie o
przerwach planowych

Upusty za niedotrzymanie

warunków dostaw energii

Udzielanie informacji w
zakresie dostaw energii

Forma i tryb rozlicze

ń

energii

Warunki przył

ą

czania odbiorców

do sieci elektroenergetycznych

- bardzo długie (do 24 h)

- katastrofalne (od 24 h)

Rys. 4. Elementy składowe podstawowych aspektów jako

ś

ci dostarczania energii

elektrycznej

Warto podkre

ś

li

ć

,

ż

e w jako

ś

ci napi

ę

cia na rys. 4 nie wyst

ę

puje jako element

składowy przerwa napi

ę

ciowa. Zdaniem prowadz

ą

cego wykład przerwa ta stanowi

naturalny składnik opisu ci

ą

gło

ś

ci dostaw energii elektrycznej wi

ę

c powinna

charakteryzowa

ć

ten aspekt jako

ś

ci dostarczania energii elektrycznej. W

ś

wietle

powy

ż

szego, dla odró

ż

nienia zmian napi

ę

cia od przerwy napi

ę

ciowej za kryterium ich

podziału przyjmuje si

ę

warto

ść

napi

ę

cia równ

ą

1 % napi

ę

cia deklarowanego. Z reguły

napi

ę

cie deklarowane jest równe napi

ę

ciu znamionowemu. Podana warto

ść

graniczna została zaczerpni

ę

ta z normy PN-EN 50 160.

Uwzgl

ę

dniaj

ą

c tylko napi

ę

cie, definicj

ę

JEE mo

ż

na sformułowa

ć

nast

ę

puj

ą

co :

JEE jest to własno

ść

(cecha) energii elektrycznej wyra

ż

ona przez stopie

ń

zgodno

ś

ci

warto

ś

ci parametrów napi

ę

cia zasilaj

ą

cego, wyznaczanych według obowi

ą

zuj

ą

cych

standardów, z dopuszczalnymi warto

ś

ciami normatywnymi tych parametrów.

W uj

ę

ciu metodycznym, abstrahuj

ą

c od preferencji praktyki, w definicji JEE, obok

napi

ę

cia, nale

ż

y wymienia

ć

równie

ż

parametry pr

ą

du.

W wi

ę

kszo

ś

ci krajów europejskich zbiór parametrów napi

ę

cia składaj

ą

cych si

ę

na

JEE i obj

ę

tych regulacjami jest bardo podobny. S

ą

to wielko

ś

ci nast

ę

puj

ą

ce :

cz

ę

stotliwo

ść

, ró

ż

ne zmiany warto

ś

ci napi

ę

cia (odchylenia, wahania, zapady, itp.),

wy

ż

sze harmoniczne oraz asymetria w układach trójfazowych.

To podobie

ń

stwo wynika z faktu,

ż

e ich

ź

ródłem pierwotnym w wielu krajach jest ten

sam dokument, a mianowicie norma EN 50 160.

Ko

ń

cow

ą

ocen

ę

JEE zazwyczaj dokonuje si

ę

na skali dwustanowej, składaj

ą

cej si

ę

z

jako

ś

ci poprawnej oraz jej przeciwie

ń

stwa - jako

ś

ci niepoprawnej.

5

Niepoprawna JEE oddziaływuje negatywnie na funkcjonowanie odbiorników/układów
elektroenergetycznych i prowadzi do strat (rys. 5).

Rys. 5. Skutki niewła

ś

ciwej jako

ś

ci energii elektrycznej

Przyporz

ą

dkowywanie badanych parametrów napi

ę

cia jednemu z tych stanów nie

jest obiektywne i zale

ż

y od zastosowanego kryterium klasyfikacji parametrów.

W literaturze przedmiotu przewa

ż

a kryterium klasyfikacji, wg którego JEE jest

niepoprawna wtedy, gdy co najmniej jeden z parametrów napi

ę

cia nie spełnia

normatywnych zmian dopuszczalnych. Jest to prosty w zastosowaniu sposób oceny,
który jednak zakłada,

ż

e stopie

ń

negatywnego oddziaływania poszczególnych

parametrów JEE na prac

ę

urz

ą

dze

ń

elektrycznych jest zbli

ż

ony, co nie znajduje

potwierdzenia w praktyce.
Nale

ż

y zauwa

ż

y

ć

,

ż

e w klasyfikacji parametrów napi

ę

cia do stanu jako

ś

ci poprawnej

lub niepoprawnej wa

ż

n

ą

rol

ę

odgrywaj

ą

dopuszczalne poziomy zmian parametrów.

Małe dopuszczalne zmiany parametrów JEE b

ę

d

ą

wymuszały na dostawcach

działania techniczo-ekonomiczne prowadz

ą

ce do poprawy JEE i odwrotnie

zwi

ę

kszanie zakresu dopuszczalnych zmian parametrów zwalnia dostawców z tych

działa

ń

i b

ę

dzie powodowa

ć

pogarszanie JEE dostarczanej odbiorcom. Z opisanego

zwi

ą

zku JEE i dopuszczalnych zmian parametrów wynika, ze poza szczególnymi

przypadkami rozstrzyganymi arbitralnie tylko w kategoriach technicznych (np.
zagro

ż

enie

ż

ycia ludzi), powinno si

ę

korzysta

ć

z kryteriów obiektywnych przy

ustalaniu limitów parametrów. Do nich zalicza si

ę

kryterium ekonomiczne, a

konkretnie, np. całkowite koszty roczne. Koszty te zawieraj

ą

dwa składniki zale

ż

ne

od poziomu JEE, tj. koszty ponoszone przez dostawców oraz koszty zewn

ę

trzne -

koszty strat jakie mog

ą

wyst

ą

pi

ć

u odbiorców. Pogl

ą

dowo, uwzgl

ę

dniaj

ą

c jedynie

charakter wymienionych kosztów, ich sumaryczn

ą

wielko

ść

w zale

ż

no

ś

ci od poziomu

JEE R przedstawiono na rys. 6. Poniewa

ż

kierunki zmian rozpatrywanych kosztów s

ą

przeciwne - koszty dostawców rosn

ą

, natomiast koszty strat odbiorców malej

ą

-

istnieje taki optymalny poziom JEE, któremu odpowiadaj

ą

minimalne koszty

całkowite. Te metodyczne rozwa

ż

ania, zilustrowane syntetycznie na rys. 6, s

ą

trudne

do powszechnego stosowania w praktyce. Bowiem nie s

ą

znane, z powodu wielu

barier w ich wyznaczaniu, ogólne zale

ż

no

ś

ci na ww. koszty w funkcji poziomu JEE.

Niepoprawna JEE

Zakłócenia w pracy

urz

ą

dze

ń

/układów

Awaria

Zagro

ż

enie dla

ż

ycia i

ś

rodowiska

Straty ekonomiczne

6

100 %

Rys. 6. Zale

ż

no

ść

kosztów od poziomu JEE R

Mimo zasygnalizowanych problemów z wyznaczaniem ogólnej zale

ż

no

ś

ci na koszty,

JEE nale

ż

y rozpatrywa

ć

nie tylko jako kategori

ę

techniczn

ą

ale równie

ż

jako

kategori

ę

ekonomiczn

ą

, która powinna by

ć

brana pod uwag

ę

w rozwi

ą

zywaniu

zagadnie

ń

o charakterze lokalnym, np. doborze filtrów do kompensacji wy

ż

szych

harmonicznych pr

ą

dów. Ogóln

ą

procedur

ę

rozwi

ą

zywania problemów JEE w uj

ę

ciu

techniczno-ekonomicznym przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Ogólna procedura rozwi

ą

zywania problemów JEE

Rodzaj problemu

(Kategoria zaburzeń)

Zaburzenia o stanach

ustalonych

Zaburzenia przejściowe, w tym

w formie oscylacji i impulsów

Przyczyny
Charakterystyki

Zbadanie ilościowe

problemu

Pomiary (metody, środki)

/ gromadzenie i

przetwarzanie danych

Skutki
(oddziaływanie)

Ustalenie możliwych

miejsc i środków

rozwiązania problemu

Sieć
rozdzielcza
dostawcy

Sieć
rozdzielcza
odbiorcy

Rodzaj urządzeń
elektrycznych /
budowa, wymagania

Zestawienie

przedsięwzięć

technicznych

Modelowanie/Procedury

analityczne

Określenie wariantów
przedsięwzięć

Wybór optymalnego

przedsięwzięcia

technicznego

Ocena efektywności ekonomicznej wariantów przedsięwzięć

W ostatnich latach obserwuje si

ę

szybki wzrost zainteresowania zagadnieniami

jako

ś

ci energii elektrycznej w miejscach przeł

ą

czenia do sieci jej u

ż

ytkowników. Jest

7

to spowodowane przyczynami nast

ę

puj

ą

cymi : przekształceniami sektorowymi,

wprowadzeniem zasady TPA, wzrostem znaczenia umów podpisywanych przez
odbiorców, wzrostem liczby i mocy odbiorników nieliniowych, masowym
instalowaniem urz

ą

dze

ń

elektrycznych z elementami elektronicznymi oraz sprz

ę

tu

informatycznego, dost

ę

pem do coraz ta

ń

szych analizatorów parametrów JEE,

zapotrzebowaniem na energi

ę

elektryczn

ą

o wysokim poziomie jako

ś

ci przez

niektórych odbiorców, przył

ą

czaniem do sieci rozdzielczych

ź

ródeł rozproszonych, m.

in. elektrowni wiatrowych, elektrowni fotowoltaicznych.