Kritikus hálózati helyzetek Európában

Átírás

1 BME OMIKK ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 1. sz p Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás Kritikus hálózati helyzetek Európában A 2003-as év során több kritikus helyzet is kialakult az összekapcsolt európai villamos távvezetékhálózatban, egy ízben egész Olaszország áram nélkül maradt. Az okok elemzése fontos előfeltétele az ilyen helyzetek jövőbeli megakadályozásának. A liberalizált európai árampiac jelentősen átalakította a villamos energia áramlását az egyes régiók között, a szállítások sokkal áttekinthetetlenebbek, és előre nem láthatóak a szolgáltatók és a teherelosztók korábbi hierarchikus jellegű monopolhelyzetéhez képest. Az alkalmazkodás eszközei részben műszakiak, részben szervezési, információáramlási jellegűek. Tárgyszavak: UCTE; kritikus helyzet; áramszünet; túlterhelés. Az európai átviteli rendszer szolgáltatóinak (transmission system operators TSO) legfontosabb feladata a villamosenergia-hálózat biztonságos és megbízható működtetése. A villamosenergia-piac liberalizálása és a megnövekedett nemzetközi villamosenergia-kereskedelem miatt az összefüggő európai hálózat működésének körülményei lényegesen megváltoztak. Az országokat összekapcsoló távve- zetékek energiaforgalmát nem államközi szerződések és előre rögzített menetrendek szabják meg, hanem a piaci folyamatok gyakran hektikus változásai. Gyakori az is, hogy két ország közötti export-import ügylet egy harmadik ország hálózatának közbeiktatásával valósul meg. A továbbiak a megváltozott körülmények között esetleg előálló kritikus helyzetekkel és túlterhelésekkel foglalkoznak. 37

2 Az európai villamos átviteli rendszer irányítása Az európai villamosenergia-átviteli rendszer néhány nagy szinkronizált területre oszlik, amelyek között nagyfeszültségű egyenáramú összeköttetés (HV-DC) van. A teljes rendszer szinkron működésének határt szab a nagy kiterjedés és teljesítmény, a manapság a feszültség és a frekvencia szűk sávban megkívánt stabilitása mellett. Az UCTE (Union for the Co-operation of Transmission of Electricity együttműködő villamosenergia-átviteli rendszer ) szinkronizált rendszere jelenleg két zónából áll, az 1. szinkronizált zóna két koordinációs blokkra oszlik, az északira és a délire. UCTE észak B ELIA (L*) NL TENNET RWE DK** D PL+ PSE CENTREL CEZ SE (L*) E.ON VET UCTE dél F RTE VKW EnBW RWE TIRAG CZ SK A H E REE CH ETRANS 7 APG MAVIR 8 P COMELEC I SLO HR GRTN ELES HEP szabályozási terület szabályozási blokk (blokkvezető) koordinációs központ UCTE észak-dél L* = az ipar B-hez, a közművek a D-hez tartoznak DK** = Dánia déli része (ELSAM, nem UCTE) 1. ábra A szabályozási blokkok és területek áttekintése az UCTE hálózatában (az országok rövidítései gépkocsi jelölések szerint) 38

3 UCTE 1. zóna Észak: Belgium, Hollandia, Németország, Lengyelország, Magyarország, Ausztria; Dél: Franciaország, Spanyolország, Portugália, Olaszország, Svájc, Szlovénia, Horvátország; UCTE 2. zóna Románia, Bulgária, az 1. zónában nem szereplő jugoszláv utódállamok. Aszinkron nagyfeszültségű egyenáramú kapcsolat köti össze az UCTE hálózatát a skandináv országokkal (NORDEL), Nagy-Britanniával és Görögországgal. Érdekes módon Írország szabályozási szempontból szigetként működik, bár van összeköttetése Nagy-Britanniával. Németország az UCTE szinkronizált rendszerének középpontjában van, és számos szinkronizált kapcsolata van a szomszédos országokkal (1. ábra), ezért különösen nagy hatással van rá a határokon keresztül történő energiaátvitel. Franciaország, a legnagyobb áramexportőr és Olaszország, a legnagyobb áramimportőr az UCTE szinkronizált rendszerének peremén van, ezért ezeknek az országoknak villamos hálózatára kevésbé van hatással a határokon átnyúló, őket közvetlenül nem érintő energiaátvitel. Az UCTE két zónájának külön irányítóközpontja van, az északinak az RWE Transportnetz Strom Németországban, a délinek az ETRANS Svájcban; feladatuk a saját hálózatukon belüli teherelosztás mellett a határokon átnyúló energiacsere összehangolása. Szabályozási blokkok és szabályozási területek az UCTE szinkronizált rendszerében Az UCTE szinkronizált rendszere a kontinentális Európában egymással közvetlenül szinkron kapcsolt szabályozási blokkokból és szabályozási területekből áll (lásd az 2. ábrát). Az UCTE tagjai által elfogadott szabályzata szerint minden szabályozási blokk (tulajdonképpen az egyes országok nemzeti távvezetékhálózatai és azok teherelosztói) ellátja és szabályozza saját hatásterületét, vészhelyzetben szigetüzemben működhet. Minden szabályozási blokk teljesítmény- és frekvenciaszabályozást végez, tehát fenntartja és helyreállítja a teljesítményegyensúlyt az egyes szabályozási blokkokban, oly módon, hogy figyeli az összekötő távvezetékeken a szomszédos nemzeti alrendszerekből származó, vagy oda távozó teljesítményt. A teljesítmény-energia szabályozás során az egyes szabályozási blokkok mint önálló egységek működnek, amelyek biztosítják az áramellátást a saját szabályozási blokkjukon belül, még abban az esetben is, ha súlyos zavarok lépnek fel az összekapcsolt hálózatban. 39

4 HV-DC kapcsolat szinkronizált kapcsolat N SF DK S IRL GB B NL L* L* D CZ PL SK CH AT F H E I SLO P GR 2. ábra A német szabályozási blokk központi szerepe az összekapcsolt hálózatban Történelmileg az összefüggő hálózat fokozatosan fejlődött ki a nemzeti szabályozási területekből, amelyeket a zavarok elhárítása céljából, egymás kisegítése érdekében kapcsoltak össze. Ezért az egyes szabályozási blokkokon belül sokkal kiterjedtebbek a hálózati kapcsolatok, mint az egyes nemzeti blokkok között. Ha egy szabályozási területen belül komoly zavar keletkezik, a többi szabályozási terület elosztóközpontjai a kérdéses területet a saját primer teljesítménytartalékainak automatikus aktiválásával, a rendszerösszekötő vezetékeken keresztül segítségben részesíti. Ha az adott ellenőrzési területen az áramszünetet nem lehet megakadályozni, az érintett területet a külvilággal összekötő távvezetékek lekapcsolásával az áramszünet kiterjedése korlátozható, vagyis az áramszünet térben az adott szabályozási területre korlátozható. Az (n-1) szabály A fizikai energiaáramlást az összekapcsolt hálózatban a betáplált teljesítmény, az erőművek helye, a fogyasztók által okozott terhelés, valamint a hálózat topológiája és kapcsolási 40

5 állapota határozza meg. Az UCTE szinkronizált rendszerében az összes távvezeték-hálózat az ún. (n-1) biztonsági kritériumnak megfelelően működik. E biztonsági kritérium megköveteli, hogy bármely távvezeték előre nem látott, de mindig lehetséges megszakadása ne okozzon túlterhelést egy másik távvezetéken, vagyis a bekapcsolva maradó hálózat legyen képes felvenni a kieső teljesítményt. Minden üzemeltető a saját hálózatán belül ügyel az (n-1) kritérium teljesülésére, mert ennek megsértése az egész hálózat biztonságát veszélyeztetheti: a távvezetékek túlterhelés miatti egymás utáni kiesése láncreakciószerűen a teljes rendszer leállásához is vezethet. A hálózat akkor van túlterhelve, ha a fizikai energiaáramlás megsérti az (n-1) kritériumot. A európai árampiac liberalizálása miatt a villamosenergia-átviteli rendszer működési keretei erősen megváltoztak. A múltban a vertikálisan integrált áramszolgáltató társaságok mint kizárólagos szolgáltatók láttak el meghatározott körzeteket, ahol a fogyasztás mértéke ismert és előrelátható volt. A liberalizáció, valamint a villamosenergia-termelés és -továbbítás szétválása miatt az erőművek irányítása nagymértékben a kereskedelmi tevékenységtől függ, ez pedig részben Európára kiterjedően történik. Ez nagymértékű határokon átívelő, harmadik ország hálózatán áthaladó áramtovábbítást jelent. Ezért jelenleg a villamosenergia-termelés eloszlása nem illeszkedik optimálisan a meglevő hálózatokhoz. Mindezek következtében a hálózatban túlterhelések lépnek fel, különösen a szomszédos nemzeti irányítási blokkokat összekötő távvezetékekben. Kritikus helyzetek az európai hálózatban Súlyos helyzet 2003 nyarán 2003 nyarán a magas hőmérséklet és a hoszszantartó szárazság miatt az európai villamosenergia-ellátás nehéz helyzetbe került. A fő okok a következők voltak: váratlanul nagymértékű nyári terhelés a villamos ventilátorok és légkondicionáló berendezések üzemeltetése miatt, a hőerőművek teljesítménye a magas hűtővíz-hőmérséklet és az előre betervezett karbantartási munkák miatt csökkent, a tavaszi és nyári szárazság miatt csökkent a vízerőművek teljesítménye. Mindez nehéz helyzetet idézett elő: a terhelés nőtt, miközben a rendelkezésre álló teljesítmény korlátozott volt. Európában és Németországban is az egyensúly fennmaradását az elosztóhálózat feszültségének csökkentésével érték el. A hálózat névleges feszültségének 41

6 3%-os csökkentése kb. 3%-os terheléscsökkenést eredményezett, így Németországban az áramellátás biztosítható volt. Olaszországban azonban átmeneti áramszünetek voltak, mivel itt kicsik a belső kapacitások és az ellátás erősen függ az áramimporttól, az európai piacon meglevő szabad kapacitásoktól. Az olaszországi helyzetet több körzetben a meddő teljesítmény hiánya is súlyosbította. Az olaszországi áramszünet szeptember 28-án egy svájci távvezeték kiesése miatt az olasz hálózat levált az UCTE szinkronizált rendszeréről, és ez komoly hatást gyakorolt a teljes szinkronizált UCTE rendszerre, beleértve a német szabályozási blokkot is. A 3. ábra szemlélteti a német szabályozási blokk frekvencia- és teljesítmény-eltérését 03:00 óra és 05:00 óra között. Az olasz hálózat leválása kb. 03:27-kor történt; kb MW teljesítmény exportja az olasz hálózatba hirtelen kiesett az UCTE szinkronizált rendszeréből, ez a fennmaradó UCTE szinkronizált rendszerben a frekvenciát ugrásszerűen kb. 250 mhz-cel megnövelte. Az RWE Transportnetz Strom koordinálásával a német szabályozási blokkban a következő intézkedéseket hajtották végre a frekvencia csökkentése érdekében: P, MW f, mhz idő ábra A frekvencia és a teljesítmény eltérése a német szabályozási blokkban az olasz áramszünet idején 42

7 kb MW összteljesítményű szivattyú beindítása, az erőművek energiatermelésének minimálisra csökkentése, 04:00 óra után, a tervektől eltérően, nem indították be az erőműveket. Az intézkedések következtében a német szabályozási blokk teljesítménycseréje 3800 MWtal csökkent a frekvencia 50 Hz-s névleges értékre való visszaállítása érdekében. Ezen felül Ausztria teljesítménycseréje is csökkent 400 MW-tal. Kritikus hálózati helyzet Hollandiában október 27-én a Németország és Hollandia közötti rendszerösszekötő távvezetékek túlterheltté váltak. A Hollandiába irányuló teljesítmény hurokáramlás következtében kb MW volt, ami jelentősen meghaladta a tervezett 2380 MW-os értéket. A rendszerösszekötő vezetékek nagy terhelése megsértette a (n-1) biztonsági kritériumot. Egyetlen rendszerösszekötő vezeték kiesése Németország és Hollandia között valószínűleg teljes áramszünetet okozott volna Hollandiában, ezt azonban sikerült elkerülni. Intézkedések a túlterhelés menedzselésére Ez a három példa, különösen Hollandia esete azt mutatja, hogy a nem szabályozott túlterhelés súlyos veszélybe sodorhatja a villamos hálózat működését. A túlterhelés kiváltó okai: az erőművek teljesítményének nagymértékű ingadozása piaci okok miatt (nagy különbségek az energia árában), kiterjedt, nagymennyiségű villamosenergiakereskedelem, a szélenergia ingadozása, a helyi terhelés rövid ideig tartó csökkenése (munkaszüneti napok), a teljesítménymérleg zavarai a szabályozási területen (erőművek leállása). A túlterhelés elhárítása céljából az energiarendszerek üzemeltetői a túlterhelés menedzselésének keretében megelőző és válságkezelő intézkedéseket tehetnek. A lehetséges megelőző intézkedések: a hálózat fejlesztése vagy szabályozók beépítése (fázistoló transzformátorok, meddőkompenzálás), az erőművek és a terhelés eloszlásának befolyásolása csomóponti hálózathasználati díj kivetésével, 43

8 horizontális hálózati pótdíjak nagy távolságokra való energiaátvitel esetében, a piac különböző árzónákra bontása, ha a statikus zónák jól elkülöníthetők, az energiaátviteli kapacitás versenytárgyalásokra bocsátása vagy felosztása. A lehetséges válságkezelő intézkedések: a hálózat topológiájának összehangolt és célirányos módosítása, az energiaáramlás szabályozása (ez csak korlátozott mértékben lehetséges), a kereskedelmi menetrendek megnyirbálása, a piac árzónákra bontása, ha a statikus zónák jól elkülöníthetőek, piacok közötti kereskedelem (a szolgáltató kompenzálja a piaci árak közötti különbséget), az erőművek közötti terhelésmegosztás eltérítése (a szolgáltató kompenzálja az egyes erőművek többletköltségeit). Mindezek az intézkedések más-más hatékonyságúak, eltérő időt, erőfeszítést és pénzt igényelnek. Sajnos nem lehet megtenni egyetlen eljárást az összes típusú túlterhelés ellenszerének, elemezni kell minden egyes bekövetkező túlterhelést az optimális ellenintézkedés kiválasztásához. Szükség van az európai szolgáltatók határokon túlnyúló együttműködésének fejlesztésére a közös intézkedések kidolgozásában. Ennek fontos előfeltétele a valósidejű adatok és előrejelzések kiterjedt cseréje. Összeállította: Schultz György Irodalom [1] Vanzetta, J.; Stobrawe, M.: Analysis of critical grid situations and black-outs in Europe in = VGB PowerTech, 84. k. 10. sz p [2] US DOE Research News: Creating stability in a world of unstable electricity distribution. = BME OMIKK LOGISZTIKA Kéthavonta az egértől a Boeingig. logisztika@info.omikk.bme.hu 061/