2012/ évfolyam. A magyar elektrotechnikai egyesület hivatalos lapja Alapítva: 1908

Átírás

1 A magyar elektrotechnikai egyesület hivatalos lapja Alapítva: MEE Vándorgyűlés, Konferencia és Kiállítás Budapest, Kongresszusi Központ Szervezett-villamosenergia piac algoritmus fejlesztése és alkalmazása Növelhető-e a hazai szélerőmű kapacitás energiatárolás alkalmazása esetén? 2. rész Szünetmentes áramellátó rendszerek 2. rész Meghatározások Világítástechnika a szemhez igazítva Az Érintésvédelmi Munkabizottság ülése Kina világelső a villamos energetikában? 2. rész Vízerőművek Készen áll a nemzetközi megmérettetésre a szolárház 105. évfolyam 2012/

2

3 Tartalomjegyzék 2012/07-08 CONTENTS 07-08/2012 Felelős kiadó: Kovács András Főszerkesztő: Tóth Péterné Szerkesztőbizottság elnöke: Dr. Bencze János Tagok: Dr. Benkó Balázs, Dr. Berta István, Dervarics Attila, Günthner Attila, Hatvani György, Dr. Horváth Tibor, Dr. Jeszenszky Sándor, Kovács András, Dr. Madarász György, Orlay Imre, Schachinger Tamás, Dr. Vajk István, Dr. Varjú György, Vinkovits András Szerkesztőségi titkár: Szelenszky Anna Témafelelősök: Technikatörténet: Dr. Antal Ildikó Hírek, Lapszemle: Dr. Bencze János Villamos fogyasztóberendezések: Dési Albert Automatizálás és számítástechnika: Farkas András Villamos energia: Horváth Zoltán Villamos gépek: Jakabfalvy Gyula Világítástechnika: Némethné Dr. Vidovszky Ágnes Szabványosítás: Somorjai Lajos Szakmai jog: Arató Csaba Oktatás: Dr. Szandtner Károly Tudósítók: Arany László, Horváth Zoltán, Kovács Gábor, Köles Zoltán, Lieli György, Úr Zsolt Korrektor: Tóth-Berta Anikó Grafika: Kőszegi Zsolt Nyomda: Innovariant Nyomdaipari Kft. Szeged Szerkesztőség és kiadó: 1075, Budapest, Madách Imre u. 5. III. e. Telephely: 1075, Budapest, Madách Imre u. 5. III. e. Telefon: Telefax: Honlap: Kiadja és terjeszti: Magyar Elektrotechnikai Egyesület Adóigazgatási szám: Előfizethető: A Magyar Elektrotechnikai Egyesületnél Előfizetési díj egész évre: Ft + ÁFA Kéziratokat nem őrzünk meg, és nem küldünk vissza. A szerkesztőség a hirdetések, és a PR-cikkek tartalmáért felelősséget nem vállal. Index: HUISSN: Hirdetőink / Advertisers energoexpo enersys hungária kft. Landis & gyr OBO Bettermann Kft. Omicron electronics gmbh Schneider electric zrt. Baji Csaba Sándor: Beköszöntő:... 4 ENERGETIKA Divényi Dániel Péter dr. Raisz Dávid dr. Dán András Sleisz Ádám: Szervezett-villamosenergia piac algoritmus fejlesztése és alkalmazása... 5 Hartmann Bálint dr. Dán András: Növelhető-e a hazai szélerőmű kapacitás energiatárolás alkalmazása esetén? 2. rész... 8 VILLAMOS BERENDEZÉSEK ÉS VÉDELMEK Dr. Kárpáti Attila Mosonyi Károly Vörös Miklós: Szünetmentes áramellátó rendszerek 2. rész Meghatározások Dr. Gaál-Szabó Zsuzsanna: Transzformátorolajok élettartamának növelése VILÁGÍTÁSTECHNIKA Erbeszkorn Lajos: Világítástechnika a szemhez igazítva BIZTONSÁGTECHNIKA Dr. Novothny Ferenc Kádár Aba Arató Csaba: Az Érintésvédelmi Munkabizottság ülése HÍREK Kimpián Aladár: Kina világelső a villamos energetikában? 2. rész Vízerőművek Dr. Bencze János: Újabb előrelépés az e-mobilitás elterjesztésben Tóth Éva: A világon egyedülálló hőtározót épít Bécs Farkas András: Intelligens Épület, Épületautomatizálás Mayer György: Felkészülés az okos mérés bevezetésére Mayer György: Beszállítóit díjazta az ELMŰ és az ÉMÁSZ Tóth Éva: Készen áll a nemzetközi megmérettetésre a szolárház EGYESÜLETI ÉLET Ünnepélyes Rubintdiploma átadás Arany László: Hírek Szegedről SZEMLE 36 NEKROLÓG 38 HELYREIGAZÍTÁS FELADVÁNY PR CIKKEK Electro Sistem MAVIR ZRt Sándor Csaba Baji: Greetings ENERGETICS Dániel Péter Divényi dr. Dávid Raisz dr. András Dán Ádám Sleisz: Development and application of the algorithm for organized electric energy market Bálint Hartmann dr. András Dán: Possibilities of the extension of Hungarian wind power capacity by means of energy storage? Part 2. ELECTRICAL EQUIPMENTS AND PROTECTIONS Dr. Attila Kárpáti Károly Mosonyi Miklós Vörös: Uninterruptible power supply systems Part 2. Definitions Dr. Zsuzsanna Gaál-Szabó: Increase the life of transformer insulating oils LIGHTING TECHNICS Lajos Erbeszkorn: Illumination techniques adjusted to the eyes SAFETY OF ELECTRICITY Dr. Ferenc Novothny Aba Kádár Csaba Arató: Protection against Electric Shock Committee Meeting on NEWS Aladár Kimpián: Is China leading in the world on the field of electrical energetic? Part 2. Hydroelectricity Dr. János Bencze: New step forward on the propagation of e-mobility Éva Tóth: Wien builds a unique heat-storage equipment András Farkas: Intelligent buildings, Building-automation 2012 György Mayer: Preparing the implementation of smart metering György Mayer: ELMŰ and ÉMÁSZ awarded them subcontractors Éva Tóth: The so called Solar house is ready to the international test SOCIETY ACTIVITIES Ceremonial handing over of a Rubin Diploma László Arany: News from Szeged REVIEW OBITUARY CORRECTION PUZZLE PR ARTICLES Electro Sistem MAVIR ZRt.

4 Tisztelt Olvasók! Nincs megállás! Mozgalmas időben kerül megrendezésre a Magyar Elektrotechnikai Egyesület ez évi, 59. Vándorgyűlése. A villamosenergia-ipar folyamatosan új kihívásokkal és változásokkal szembesül. A Parlament tavaly fogadta el határozatát a Nemzeti Energiastratégiáról. Folyik a kapcsolódó cselekvési tervek előkészítése. A napi sajtó folyamatosan hírt ad olyan programokról, mint az okos mérők felszerelése, villamos autó töltőállomások kialakítása, kampány a tudatos energiafelhasználásért, a hazai dekarbonizációs útiterv elkészítését támogató ágazati munkacsoportok megalakulása, melyek részben a jövőbe történő befektetések. Ezek mellett számos más projekt végrehajtása is folyik, mint például az atomerőmű üzemidejének meghosszabbítása, bővítésének előkészítése, a megújuló erőművek új átvételi rendszerének előkészítése, magyar-szlovák földgázvezeték létesítése, a Déli Áramlat gázvezetékrendszer beruházásának megkezdése, amelyek az ország biztonságos gázellátásának javítását szolgálják. A befektetők a szélerőmű-létesítési pályázat kihirdetésére várnak. Folyamatosan bővül a HUPX hazai energiatőzsde forgalma. Arról is hírt kaptunk, hogy leálltak az AES Tisza II. Erőmű és a Dunamenti Erőmű 215 MW-os blokkjai, ezzel mintegy 2000 MW szabályozható ugyan az utóbbi években már keveset működő, de az ellátásbiztonság szempontjából fontos erőmű-kapacitás működése szűnt meg. Az Európai Parlament és Tanács a közelmúltban fogadta el az energiahatékonyságról szóló irányelvet, amely a tagállamok és az energiaiparban működő vállalkozások napi feladatává tette az energiahatékonyság javítását, elsősorban az energiatakarékosságot szolgáló beruházásokon keresztül. Készül az egységes európai üzemviteli szabályzat, hálózatfejlesztési terv, kísérleti okos hálózatok működnek. Az előbbi projektekben, akciókban az iparág számos dolgozója vesz részt, folyamatosan új szakmai ismereteket, technikai, kereskedelmi megoldásokat megismerve. Az egyesület vándorgyűlései jó alkalmat kínálnak az eredmények bemutatására, ismeretszerzésre, tapasztalatok kicserélésére és a gazdaságilag ugyan elkülönült, de szakmailag összetartozó, a fogyasztók jó kiszolgálásában együttesen érdekelt társaságok munkavállalói személyes kapcsolatainak elmélyítésére is. Az új feladatokra való felkészülés mellett számot lehet adni olyan sikerekről, mint az átviteli hálózat fejlesztési stratégia végrehajtása, az ITO modell kialakítása, új erőművek üzembe helyezése és más eredmények. A Vándorgyűlés központi gondolata a Megfizethető energia. Ez elsősorban azt jelenti, hogy napi tevékenységünknek, iparági fejlesztéseknek, beruházásoknak a fogyasztókat kell szolgálni, a vállalkozásoknak versenyképes, a háztartásoknak, közintézményeknek a pénztárcához illő szolgáltatást kell biztosítani. A széndioxid-szegény energiatermelésre való átállás nem lesz olcsó, és még sokáig kell várni arra, hogy a megújuló erőművekben előállított villany ára összemérhető legyen a hagyományos erőművek árával. Emiatt nagyon fontos, hogy a hazai erőműpark megújítása a fogyasztók számára kiszámítható, legkisebb többletterhet eredményező módon menjen végbe, és mindenki számára megfizethető legyen az energia. Ennek érdekében kívánok a Vándorgyűlés résztvevőinek eredményes együttgondolkodást. Baji Csaba Sándor elnök-vezérigazgató A Magyar Elektrotechnikai Egyesület kiemelt támogatói:

5 energetika Energetika energetika ENERGETIKA Divényi Dániel Péter, Dr. Raisz Dávid, Sleisz Ádám, Dr. Dán András Szervezett villamosenergiapiac algoritmus fejlesztése és alkalmazása A BME kutatóegyetemi programjának egyik kiemelt kutatási területe a fenntartható energetika témaköre. A Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet csoportja komoly részt vállalt a kutatási feladatokban. A projekt lezárásához közeledve cikksorozatot indítottunk, melyben bemutatjuk az elvégzett kutatások legfontosabb eredményeit. A cikksorozat második része A magyar szervezett villamosenergia-piac integrációjának stratégiája c. területen végzett kutatások eredményeit ismerteti. The research on sustainable energy is one of the priority research domains of the BME Research University Program. The Power Systems and Environment Group (Department of Electric Power Engineering) took considerable part in this project. Approaching the end of the project we have started a series of articles to present the most important results of our investigations. The second part of the series gives a review about the research focusing on the Strategy of integration of the Hungarian power exchange. biztosítja, hogy a tőzsdén megkötött ajánlatok tényleges szállításra és kifizetésre kerülnek. A másnapi tőzsde (day-ahead market) minden nap a másnapi szállításokra vonatkozó ajánlatokat gyűjti össze, majd zárt aukció keretében elvégzi a klíringet, s meghatározza a klíringárat (Market Clearing Price, MCP) és a kereskedett mennyiséget (Market Clearing Volume, MCV). Minden nyertes ajánlat az MCP szerint kerül elszámolásra, függetlenül az ajánlatban megadott ártól. Termékek A magyar áramtőzsdén órás és blokktermékekre lehet ajánlatot tenni. Az órás termékek minden európai piacon megtalálhatók, például a H02 termékre adott 1MWh ajánlat másnap 1:00-2:00 között 1MWh szállításra vonatkozik, állandó teljesítmény mellett. Az órás termékekre alapvetően kétféle ajánlat tehető: lépcsős és lineáris ajánlat. Az előbbiben egy limitár és egy mennyiség kerül meghatározásra: eladás esetén az adott limitár feletti MCP kialakulása esetén a meghatározott mennyiség szállításra kerül. Ha az MCP nem éri el a meghatározott limitárat, az ajánlat nem kerül elfogadásra, nincs szállítás. Hasonló módon kezelendő a vételi lépcsős ajánlat is, amikor a limitár értelemszerűen maximálisan elfogadható árat jelent. Ha a lépcsős ajánlatokat ár szerint sorba rendezzük és ábrázoljuk a p-q (ár-mennyiség) diagramon, akkor egy lépcsős görbét kapunk (1. ábra). Lineáris ajánlatokban egy mennyiséghez két ár, egy kezdő- és egy végsőár (p 0, p 1 ) kerül megadásra. Ha az MCP a kezdőár alatt vagy a végső ár felett alakul ki, akkor az ajánlat teljes mértékben elfogadásra, vagy elutasításra kerül. Abban az esetben, ha a két ár közé esik a klíring ár, az ajánlatból arányosan megfelelő rész kerül csak elfogadásra. A lineáris ajánlatokat ábrázolva lépcsők helyett adott meredekségű szakaszokat látunk. Bevezetés A magyar villamosenergia-piac kifejlődésének egyik fontos állomása volt 2010 nyarán a hazai szervezett villamosenergiapiac, közismertebb nevén áramtőzsde elindulása. A Hungarian Power Exchange (HUPX) azóta folyamatosan fejlődik, egyre nagyobb volumenű kereskedés és likviditás jellemzi nyarán elindult a határidős piac is, valamint a másnapi piacon bevezetésre kerültek a blokktermékek. Jelenleg a legnagyobb erőfeszítések az OTE (cseh), OKTE (szlovák), valamint a HUPX összekapcsolása irányában történnek [1]. A HUPX szűk kétéves működése alatt a hazai, valamint a régiós villamosenergia-kereskedelem meghatározó része lett. A BME-VET Villamos Művek és Környezet csoportja folyamatosan figyelemmel kíséri az áramtőzsde fejlődését. Ennek során került kifejlesztésre egy algoritmus, melynek segítségével a másnapi szervezett villamosenergia-piacok és piac-összekapcsolások klíringje szimulálható. Az algoritmust a közeljövőben az oktatásban is fel kívánjuk használni. Szervezett villamosenergia-piac Ismertetés A szervezett villamosenergia-piac több szempontból is előnyös kereskedési formát nyújt. A továbbiakban csak a másnapi kereskedéssel foglalkozunk. A kereskedők anonim módon adhatnak ajánlatokat, melyek megkülönböztetésmentesen kerülnek az ajánlati könyvekbe. Így egyenlő elbánásban részesül mind a kiskereskedők egy-egy ajánlata, mind a nagykereskedők nagy szállított mennyiségre vonatkozó ajánlatai is. Az áramtőzsde mögött álló Elszámolóház 1. ábra Aggregált kínálati és keresleti görbe A magyar áramtőzsdén lehetőség van blokktermékek beadására is. Egy blokktermékre adott ajánlat több órára egyszerre vonatkozik, például BASE blokk esetén mind a 24 órára. A blokkajánlatok a vonatkozó órák átlagára szerint kerülnek elfogadásra vagy elutasításra. Részleges elfogadásuk a legtöbb áramtőzsde esetében nem lehetséges ( fill-or-kill ). Kitekintve az európai szervezett villamosenergia-piacokra, további speciális termékek is megtalálhatók: rugalmas órás és blokkajánlatok, kapcsolt blokk ajánlatok, vagy terhelésváltoztatási és leállítási korlátok [2]. Piac-összekapcsolás Határon keresztül történő kereskedéshez az érintett keresztmetszetekre kapacitásjogot is kell szerezni. A jelenlegi rendszerben ez külön szervezett kapacitásaukciókon zajlik, aminek következményeként a villamosenergia-kereskedelem és a kapacitásjog megszerzése egymástól függetlenül történik, s így kockázatot hordoz magában. A piacok összekapcsolásával lehetőség nyílik Elektrotechnika 2012/

6 implicit kapacitásaukcióra: a kereskedők az összekapcsolt tőzsdékre adják be ajánlataikat, s a klíring során veszik figyelembe a határkeresztező kapacitás, tehát a két piac között lehetséges maximális áramlás mértékét. Így az ajánlatot tevő kereskedő implicit módon kereskedik a szomszédos országban ajánlatot adó kereskedőkkel kapacitásjog vásárlása nélkül. Algoritmus fejlesztése A probléma jellege Az ajánlati könyvekben összegyűlt információ alapján a klíringeredmények meghatározása igen összetett feladat. A különböző termékek és korlátok miatt egy több ezer, folytonos és bináris változóval rendelkező, négyzetes költségfüggvényt maximalizáló optimalizálási feladatot (Mixed Integer Quadratic Problem, MIQP) kell megoldani. A piaci szabályzat miatt erre alig pár perc áll rendelkezésre, ami még a mai nagy teljesítményű számítógépek esetén sem egyszerű feladat. Ennek ellenére a probléma megfelelő megfogalmazásával, valamint egy ún. branch-and-bound módszer alkalmazásával a megoldás elfogadható idő alatt megtalálható. Algoritmus ismertetése A kutatás fő célkitűzése egy olyan algoritmus létrehozása volt, mely a fenti klíringszámítást elvégzi. Az elkészült szoftver jelenlegi formájában számos különböző vizsgálat és elemzés végrehajtásához segíthet hozzá. Az algoritmus a Nyugat-Európában etalonnak használt COSMOS algoritmuson alapul [3], ill. néhol továbbfejlesztésre került. Így az algoritmus jelenleg a következő funkciók kiszolgálására képes: lépcsős és lineáris órás termékek blokktermékek: profil és kapcsolt, előre definiált és felhasználó által definiált, fill-or-kill tulajdonság ATC alapú piac-összekapcsolások szimulációja tetszőleges számú piac esetén Az algoritmust a CPLEX és MATLAB szoftverek támogatásával implementáltuk. Görbefelbontás A tőzsdék ajánlati könyveinek tartalma az adatok érzékenysége miatt természetszerűen nem publikus. Azonban az algoritmus működését csak tényleges adatokkal lehet verifikálni. A nem elérhető adatok pótlására egy külön algoritmust fejlesztettünk ki, mely a publikus aggregált görbék feldolgozásával elfogadható becslést ad az ajánlati könyvek tartalmára. Tőzsdei szabályoktól függően az algoritmusnak kétféle variációja létezik. A cseh, szlovák és korábban a román szervezett villamosenergia-piacon csak lépcsős órás termékekkel lehet kereskedni. Ebben az esetben az aggregált görbe is lépcsős, tehát a görbe ajánlatokra bontása könnyebben megoldható. Azonban a cseh-szlovák piac-összekapcsolás miatt erre a két tőzsdére csak közös aggregált görbe érhető el, ahol a cseh és szlovák ajánlatok egy görbébe összegezve érhetők el. Ebben az esetben a két tőzsdéhez tartozó ajánlatok/lépcsők elkülönítése már egy összetett probléma megoldását jelenti (2. ábra). Az ábra a kínálati görbe felbontását illusztrálja. Mivel mindkét tőzsdére külön-külön adott a teljes felajánlott, s ebből elfogadott mennyiség, ezért az egyes ajánlatokat úgy kell csoportosítani, hogy az összegük megfeleljen a publikált mennyiségeknek. A feladat nem minden esetben megoldható, mert elképzelhető, hogy a görbén egy lépcső valójában két azonos áron beadott ajánlatból alakul ki. Ebben az esetben a legszélesebb lépcső megtörésével alakítjuk ki az ajánlatokat. A feladat az illusztrálthoz képest jóval bonyolultabb, hiszen nem 5-6, hanem MWh OTE-CZ OKTE-SK Összesen Sikeres Nem sikeres ábra A cseh-szlovák görbe felbontásának illusztrációja lépcső szeparálását kell elvégezni. Ez egy sokváltozós diofantikus egyenletrendszer megoldását jelenti. Az osztrák és magyar görbék felbontása jellegénél fogva más módszert igényel, mivel ezek a görbék lineáris ajánlatokat is tartalmaznak. A 3. ábra a (fiktív) lineáris ajánlatokat mutatja, a 4. ábra pedig ezek aggregálását. A feladat valójában az aggregált görbéből előállítani az egyes ajánlatokat. A szétbontáshoz az eredeti függvény inverzét (5. ábra) veszszük: az ár lesz a független, és az adott áron felajánlott menynyiség a függő változó. Ez csak kölcsönösen egyértelmű függvények esetén tehető meg, tehát a lépcsős ajánlatokat előbb el kell távolítani. Az inverzfüggvény meredekségét az 5. ábrán a kék görbe mutatja, a meredekség változásait az 1. táblázat tartalmazza. Ezen egyszerű esetben a töréspontok könnyen párba állíthatók, s az ajánlatok megállapíthatók: A +18,75 és 18,75 meredekségváltozást 28 és 36 /MWh között tapasztaljuk. Tehát ebben az ár-intervallumban feltételeztünk egy 18,75 meredekségű lineáris ajánlatot, amelynek mennyisége (36 28) 18,75 = 150 MWh. Hasonlóképpen a -50 meredekségváltozással párosítható egy +10-es és egy +40-es változás, ezért további két ajánlatot kapunk: (30-20) 10 = 100 MWh, ill. (30-25) 40 = 200 MWh. A felbontást általában több száz ajánlatra kell elvégezni, s az eredmény a legtöbb esetben nem ilyen egyértelmű. Egy-egy töréspontban több ajánlat is kezdődhet/végződhet, ami tovább bonyolítja az algoritmust. 3. ábra A példában szereplő, nem ismert (reprodukálandó) lineáris ajánlatok Elektrotechnika 2012/

7 Limit ár ( /MWh) MCP ( /MWh) Többlet ( ) Eladó Vevő táblázat Eladói és vételi többlet szemléltetése 3,7 M Ft-tal növekedett volna. Százalékos mértékben ez elhanyagolhatónak tűnik, de éves szinten már 1300 M Ft-ot jelent. 4. ábra A 3. ábrán szereplő ajánlatok aggregálásából származó kínálati görbe (az azonos árhoz tartozó ajánlati értékek összege) 5. ábra A 4. ábrán szereplő aggregált görbe inverze: Q(P), ill. annak meredeksége (dq/dp) Ár Meredekség változás , ,75 1. táblázat Eladói és vételi többlet szemléltetése Validáció A klíringalgoritmus és a görbék felbontásának módszerét működését valós, internetről letölthető, aggregált görbékből előállított HUPX, valamint OTE és OKTE ajánlatok segítségével igazoltuk. A kezdeti nehézségek után mára a HUPX hivatalos klíring eredményét az általunk fejlesztett algoritmus hiba nélkül reprodukálni tudja. Az OTE és OKTE tőzsdék sajátossága a megoszthatatlansági korlát, aminek következtében az aggregált görbék nem tartalmaznak minden információt. Ennek ellenére a cseh-szlovák összekapcsolt tőzsde hivatalos eredményét 90-95%-os pontossággal reprodukálni tudtuk. LEENDŐ PIAC-ÖSSZEKAPCSOLÁS VIZSGÁLATA A cseh, szlovák és magyar villamosenergia-piacok összekapcsolása már igen közel került a megvalósításhoz, a tervek szerint már idén elindul. Az implicit kapacitásaukció bevezetésével a kereskedelmi forgalom várhatóan megnövekszik, melynek gazdasági hatása kimutatható. A tőzsdék esetében ezt az ún. társadalmi jólét (social welfare) értékének változásával mutathatjuk meg. A társadalmi jólét értéke megfelelő matematikai formulával definiált, mely leírja, hogy a tőzsdén kereskedett ajánlatok milyen többletet, profitot termeltek. Az alábbi táblázat ennek megértését segíti. Az eladói és vevői többlet a kereskedő által megadott limitár és kialakult piaci ár különbségének, valamint a kereskedett menynyiségnek a szorzata. A kereskedők többletének összegéből számítható a társadalmi jólét. A cseh-szlovák-magyar piac-összekapcsolás görbefelbontás alapú szimulációja során több kérdésre is válasz adható. A 2011-es ajánlatok alapján a vizsgálat kimutatta, hogy összekapcsolást feltételezve a hazai társadalmi jólét értéke napi szinten ÖSSZEFOGLALÁS és Kitekintés A szervezett villamosenergia-piacok megjelenésével a villamosenergia-kereskedelem egy új formája alakult ki az elmúlt pár évben ben elindult a hazai áramtőzsde is, s ezzel párhuzamosan a BME-VET is komoly kutatási munkát folytat az áramtőzsdékkel kapcsolatban. Kifejlesztésre került egy klíringszámítást elvégző algoritmus, mely számos termék és korlát figyelembevételére alkalmas. A kutatási munkával párhuzamosan egy újabb irányban is lépéseket tettünk: elkezdtük egy multiágens alapú villamosenergia-kereskedelmi szimulátor fejlesztését, amely intelligens és autonóm szoftver ügynökök segítségével próbálja meg leképezni a villamosenergia-rendszer egyes szereplőit (fogyasztók, termelők, kereskedők, rendszerirányító stb.), és a köztük létrejövő kereskedelmi-fizikai kapcsolatokat. E kutatásról egy későbbi időpontban fogunk beszámolni részletesen. Irodalomjegyzék [1] [2] Implementation study, CWE Market Coupling, [3] COSMOS description, CWE Market Coupling algorithm, Divényi Dániel Péter BME Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet Csoport, doktorandusz MEE-tag divenyi.daniel@vet.bme.hu Dr. Raisz Dávid BME Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet Csoport, docens MEE-tag raisz.david@vet.bme.hu Dr. Dán András BME Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet Csoport, egyetemi tanár MEE-tag dan.andras@vet.bme.hu Sleisz Ádám BME Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet Csoport, doktorandusz MEE-tag sleisz.adam@vet.bme.hu Konzulens: Dr. Kiss Péter okleveles villamosmérnök, BME-VET adjunktus Elektrotechnika 2012/

8 Hartmann Bálint, Dr. Dán András Növelhető-e a hazai szélerőmű kapacitás energiatárolás alkalmazása esetén?* 2. rész Magyarország megújuló energia termelésének növelésére a Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terv ambiciózus célokat tűzött ki a 2010-es évekre; ezen időszak alatt az ország beépített szélerőművi kapacitásának megduplázása a terv. Felmerülhet azonban a kérdés, hogy a nagyarányú fejlesztés milyen műszaki feltételeket támaszt a magyar villamosenergia-rendszerrel szemben. A MAVIR és a Magyar Energia Hivatal által kiadott tanulmányok szerint a bővítés egyik fő korlátja a rendszerben lévő szabályozási tartalékok nem elegendő volta. A korábbi lapszámban megjelent cikkünk [1] folytatásaként azt vizsgáljuk, hogy a magyar villamosenergia-rendszer terhelés/termelés változást kiszabályozó gradiens képességét hogyan lehetne javítani, elősegítve ezzel is a szélerőművek rendszerintegrációját. The Renewable Energy Action Plan of Hungary has set ambitious goals for the decade, concerning the use of renewables; wind capacity of the country is to be doubled in this period. However the question may arise, what technical conditions will be imposed against the Hungarian power system as the result of such large-scale development? Studies published by MAVIR Hungarian Transmission System Operator Company Ltd. and the Hungarian Energy Office have highlighted insufficient control reserves as one of the major obstacles of further capacity expansion. As continuation of our previous paper [1] we examine the possibilities of the improvement of the ramping capabilities of the Hungarian power system, thus supporting the integration of wind power. Bevezetés Cikkünk első részében részletesen foglalkoztunk két olyan tanulmánnyal is [2-3], mely a szélerőművek bővítési lehetőségeit vizsgálva született az évek során. Ezek közül a MAVIR által kiadott tanulmány már 2008-ban is kitért a szabályozási gradiens okozta problémákra: a támogatott áron termelő, nem szabályozható entitások vagy a hálózatra zsinór menetrend szerint termelő önszabályozó kooperációk elterjedésével csökkent a rendszerben a szekunder és perces tartalékot biztosító erőművek aránya. Ezzel pedig nemcsak a szabályozási tartomány csökkent, hanem minden blokk leállásával [csökkent] a rendszer szabályozási sebessége (gradiense), azaz [romlott] a magyar VER szabályozási rugalmassága. A szekunder tartalékok csökkenése a VER-ben pedig csökkenti a rendszerbe befogadható időjárásfüggő entitások teljesítményeit. A tanulmány 2.6. fejezetében ismertetésre kerül az is, hogy a rendszerben addig mért, a szélerőművek által okozott legnagyobb felfutási gradiens 49 MW/15 perc, míg a legnagyobb lefutási gradiens 35 MW/15 perc volt. * A cikk 1. része az Elektrotechnika 2012/03 szám 9. oldalától olvasható Ugyanez a problémakör részletesen is tárgyalásra került alig egy év elteltével egy másik MAVIR tanulmányban [4] is. A szerzők a munkához a hazai rendszer szélerőműveinek, valamint a szabályzásba bevont erőműveknek a második félévi, és első félévi adatait használták fel. A vizsgálatok eredményeként megállapításra került, hogy a szélerőművek által leadott teljesítményváltozás gradiense az idő több, mint 95%-ban a 2,5 MW/perc határon belül volt, mind fel, mind le irányban. További tapasztalatként megfogalmazták, hogy az üzemi szabályzat által előírt, névleges beépített kapacitásra vonatkoztatott 10%/perc gradiens korláttól is messze elmaradnak a magyarországi értékek. A szekunder szabályozásban részt vevő erőműveket vizsgálva fel és le irányban egyaránt az időszak %-ban legfeljebb MW/perc gradiens értékkel tudtak szabályozni, így a szélerőművi kapacitás bővülése eredményeként fellépő nagyobb gradiens értékek kiszabályozása már meghaladhatja az erőműpark képességeit. A tanulmány végső következtetése szerint a magyar VER jelenlegi szabályozási lehetőségei, és a várhatóan akár 740 MW-ig növekvő beépített szélkapacitás mellett a szélerőművek mindenkori beépített teljesítményének 10%*BT/perc gradiens értékének jelentős túllépése veszélyeztetheti a megfelelő minőségű és biztonságos energiaellátást. Cikkünkben bemutatásra kerülnek azok a kutatási eredmények, melyek során a magyar villamosenergia-rendszer gradiens képességének szükséges növelését vizsgáljuk az egyes szélerőmű beépítettségi szcenáriók függvényében. A vizsgálatok eredményeként javaslatot teszünk több technológiának a bevonására, melyekkel a rendszer gradiens képessége javítható. A vizsgálat módszertana A vizsgálatokat ezúttal is két módszerrel folytattuk le; statisztikai elemzést készítettünk a nyilvánosan elérhető historikus adatokból, illetve ezek további értékelésére számítógépes szimulációt használtunk. A munka során a január 1-től december 31-ig terjedő teljes 3 éves időszakot vizsgáltuk ez lényegesen hosszabb időszakot jelent, mint a hivatkozott tanulmányok vizsgálata. Az adatok 1 perces felbontásban kerültek felhasználásra, a 3 évről így összesen adatpontot vizsgáltunk. A szélerőművek termelési adatai a MAVIR honlapján közvetlenül is elérhetőek. A rendszer fel- és le irányú szabályozási gradiensének számításához online csak a 15 perc alatt igénybe vehető forgó tartalékok mennyisége áll rendelkezésre. Fontos megjegyezni, hogy ezen adatok kereskedelmi, és nem műszaki jellegűek. Az egyes erőművek tényleges gradiens értékeit jelentősen befolyásolhatja, hogy milyen üzemállapotban vannak a gradiens igény jelentkezésekor, ez pedig elsősorban a napszakoktól függ. Jelen cikkben bemeneti adatként a bruttó tény rendszerterhelés és a 15 perc alatt igénybe vehető forgó tartalék különbségéből 1 percre átszámított értékeket használtuk fel, így a gradiensek szempontjából best case szituációt modelleztünk. A ténylegesen elérhető gradiens értékek várhatóan nagyobb pluszkapacitás installálását teszik szükségessé. Az általunk számított gradiens értékekből készítettünk eloszlásfüggvényt, mind a le, mind a fel irányú szabályozási tartalékokat kiértékelve. A szélerőművek perces felbontású termelési adataiból a perces változások kiszámíthatóak, ezekből pedig a szabályozási tartalékokhoz hasonlóan képezhető eloszlásfüggvény ez mutatja meg, hogy a magyarországi szélerőművekre mekkora MW/perc gradiens jellemző az elmúlt 3 év tapasztalatai alapján. A szélerőművi termelési adatokat hasonlóan korábbi cikkünkhöz ezúttal is extrapoláltuk a Elektrotechnika 2012/

9 [2] által definiált, az üzemzavari gázturbinák méretéhez igazított három szcenárióra ( =450, =570 és =740 MW). A villamosenergia-rendszer által biztosított szabályozási gradiensek értékét nem extrapoláltuk, vizsgálatunk célja ugyanis éppen azon kiegészítő egység paramétereinek feltérképezése volt, amelynek ezt a feladatot kell majd ellátnia a jövőben. A szélerőművi termelés, valamint a rendelkezésre álló szabályozási tartalék gradiensének historikus értékeit idő szerint egymáshoz rendelve vizsgáltuk, hogy mely időpillanatokban, mekkora nagyságban, és milyen hosszú időre kell kisegítést biztosítani a rendszernek ahhoz, hogy a szélerőművek termelésében bekövetkező változásokat szabályozni legyen képes. Az így összeállított vektorokat MATLAB segítségével dolgoztuk fel, perces felbontásban. Amennyiben adott percnél elegendő szabályozási gradiens állt rendelkezésre, az esettel nem foglalkoztunk. Ha azonban ez a feltétel nem valósult meg, kiszámítottuk, hogy mekkora teljesítmény gradiensre (MW/perc) lenne szükség a rendelkezésre álló mennyiségen felül. A számítógépes programban ezek mellett rögzítésre került, hogy egyhuzamban mennyi ideig tartott ez a gradiens túllépés. Mind a teljesítmény gradiensre, mind az időtartamra kapott eredményekből eloszlásfüggvényt készítettünk, és a görbe alatti terület 95%-os értékének elérését tűztük ki célul úgy, hogy: az egység (energiatároló) képes legyen a szükséges teljesítmény gradiens kiegészítést biztosítani az esetek 95%-ban az egység (energiatároló) képes legyen a szükséges időtartamon keresztül teljesítmény gradiens kiegészítést biztosítani az esetek 95%-ban A szimulációkhoz használt, MATLAB alá írt program egy korábbi, szintén saját készítésű szimulációs program részben módosított változata. Az eredeti program célja az volt, hogy a villamosenergia-rendszerrel kooperációban üzemelő szélerőművek és energiatárolók működését képezze le úgy, hogy az energiatárolás célja a szélerőművek termelési gradiensének korlátozása legyen. A programban tetszőlegesen választhatjuk meg az engedélyezett fel, illetve le irányú gradiens nagyságát, tetszőleges teljesítmény/idő mértékegységben (jellemzően MW/perc vagy MW/15 perc), ehhez képest fog beavatkozni az energiatároló. Amennyiben az egy időbélyeggel korábbi értékhez képest többet termelt a szélerőmű, fel irányú gradiens túllépés fordulhat elő; amennyiben ez be is következik, a többletenergiával a tárolót töltjük, elkerülve ezzel azt, hogy a rendszer más egységeinek le irányú szabályozást kelljen végrehajtani. Ha ellentétes irányú a változás, azaz a szélerőmű termelése csökkent, a tárolt energia megfelelő hányada kisütésre kerül, így elkerülve a gradiens túllépést, illetve megelőzve a hálózat többi eleménél bekövetkező fel irányú szabályozást. Jelen cikkben ismertetett szimulációk során az eredeti programot elsősorban a statisztikai kiértékelésekhez használtuk, a különböző teljesítményű és kapacitású energiatárolók időbeli működésének szimulációja a nagy mennyiségű bemeneti adat (a perces felbontás miatt ) miatt igen nagy futási idővel jár. 1. ábra A magyar villamosenergia-rendszer le és fel irányú gradiens képessége ( ) Hasonló statisztikai kiértékelést végeztünk a szélerőművek tényleges termelését felhasználva, ennek eredményei láthatóak a 2. ábrán. Az esetek döntő többségében ennek a szabályozási igénynek a nagysága függetlenül annak irányától 2,5 MW/perc értéknél kisebb volt, 5 MW/perc gradiensnél nagyobb értékek pedig elvétve fordultak elő. Megállapítható továbbá az is, hogy a magyarországi szélerőműparkok együttes termelésének a változása messze a 10%*BT/perc gradiens alatt volt az eddig eltelt időszakban. 2. ábra A szélerőművek gradiense ( ) A 2. ábrán látható arányok fokozatos változása figyelhető meg a 3. és 4. ábrán. Ezek a diagramok rendre a 450, illetve 740 MW-os szélerőművi beépítettséggel számoló, extrapolált szcenáriókra érvényes eredményeket mutatják. Látható, hogy a 0-2,5 MW/perc gradiensen belülre eső perces termelésválto- A vizsgálatok eredményei A 3 éves periódus során az idő 2,85 illetve 1,62%-ban nem állt rendelkezésre le, illetve fel irányú szabályozási tartalék. Ezektől az esetektől eltekintve általánosságban megállapítható, hogy a rendszer az esetek legalább 90%-ban rendelkezik 5 MW/perc nagyságú szabályozási gradiens képességgel. A magyar villamosenergia-rendszer le és fel irányú gradiens képességének eloszlását részletesen az 1. ábra mutatja be. 3. ábra A szélerőművek gradiense, 450 MW-os beépített teljesítmény esetén ( ) Elektrotechnika 2012/

10 zások aránya fokozatosan csökken, a legnagyobb beépítettségű szcenárióban már csak az esetek kb. 75%-a tartozik ide. Ezzel párhuzamosan megnő az igény a nagyobb szabályozási gradiensek felé, az 5-10 MW/perc tartomány elkezd telítődni. A növekvő beépített szélerőművi kapacitás következtében 4. ábra A szélerőművek gradiense, 740 MW-os beépített teljesítmény esetén ( ) növekvő perces termelésváltozások jól láthatóan még a jelenleginél nagyobb szélerőműpark esetén is a rendszer által kiszabályozható tartományba esnek. [1]-ben ismertetett kutatásainkhoz hasonlóan azonban ebben az esetben is a folyamatok időbelisége az, ami alapján a részletes vizsgálatokat elvégezni célszerű. A korábban leírtaknak megfelelően két fő szempont szerint vizsgáltuk a gradiens túllépéseket: a túllépés nagysága, illetve a túllépés időtartama szerint. Amennyiben a jelenleg beépített, 330 MW-os szélerőművi teljesítménnyel számolunk, a 3 éves periódusban olyan percet találunk, amikor leszabályozási igényt jelentett a szélerőművek termelésének változása, ebből olyan perc volt (az esetek 2,79%-a), amikor a rendszer (le)szabályozási gradiense nem volt elegendően nagy. Ahhoz, hogy ezen esetek 95%-át lefedjük, 19 MW/perces teljesítményre van szükségünk. Fel irányú szabályozási igény percben volt, ebből percben (0,98%) nem állt rendelkezésre elegendő nagyságú felszabályozási tartalék. Ezen eseteknél a 95%-os küszöböt egy 16 MW/perc gradiens képességű egység alkalmazásával érjük el. Az egyel nagyobb, összesen 450 MW-nyi beépített szélerőművi teljesítményre extrapolált szcenárió esetén a , leszabályozási igényt támasztó perc közül esetben nem bizonyul elegendőnek a rendszer gradiense, ez 3,27%-os arány. A 95%-os határ eléréséhez 22 MW/perc gradiensnek megfelelő nagyságú teljesítményt kell rendszerbe állítanunk. Fel irányú szabályozás szempontjából percben (1,2%) van szükség a rendszerben jelen lévő szabályozás kiegészítésére, az esetek 95%-át pedig 22 MW/perc gradienssel tudjuk kielégíteni. Az 570 MW-os beépítettségű szcenárió esetén ezek a számok tovább nőnek. A leszabályozási tartalékok kiegészítésére percben van szükség, ami az összes eset 3,79%-át teszi ki. A 95%-os küszöbhöz tartozó gradiens értéke 22,5 MW/perc. A fel irányú szabályozást vizsgálva összesen esetben (1,48%) nem bizonyulnak elegendőnek a rendszerben lévő szabályzó erőművek. Ahhoz, hogy ezen esetek 95%-ban is elegendő szabályozási gradiens álljon rendelkezésünkre, 25 MW/perc kiegészítés szükséges. Az általunk vizsgált, legnagyobb szélerőművi kapacitással rendelkező esetben összesen 740 MW-nyi termelőegységünk van. A leszabályozás kisegítésére percben van szükség 5. ábra A szükséges gradiens kisegítés nagysága (esetek 4,58%-a), a 95%-os lefedettséghez pedig 23,5 MW/perc gradiens tartozik. A fel irányú szabályozás hasonló értékeit tekintve a kisegítést igénylő perc az összes eset 2%-át teszi ki, míg a 95%-os küszöböt 25,5 MW/perc gradiensnél lépjük át. A szükséges gradiens kisegítésre vonatkozó vizsgálatok eredményeit foglalja össze az 5. ábra. Látható, hogy a beépített szélerőművi kapacitástól eltérő mértékben függ a fel illetve a le irányú szabályozási gradiens szükséges kisegítésének nagysága. Annak eldöntésére, hogy a feladat ellátására egy vagy két energiatárolót kívánnánk használni, meg kell vizsgálni a szükséges kisegítések időbeliségét. Ha a fel és le irányú szabályozási igények időben jól váltakozva követik egymást, várhatóan kisebb egységteljesítményekkel számolhatunk. A kérdés megválaszolásához a jövőben további vizsgálatokat kívánunk végezni. A következőkben azokat a vizsgálatokat tekintjük át röviden, melyek a rendszerben lévő gradiens képesség hiányának időtartamát vizsgálták, a 2. pontban leírtak szerint, kezdve a le irányú szabályozással. Amennyiben 330 MW-os beépített szélerőművi teljesítményre extrapoláljuk a közötti időszak adatait, olyan időszak volt, amikor a rendszer gradiens képességeit meghaladó mértékben kellett volna szabályzást biztosítani. Ebből esetben 1 perces volt a túllépés, esetben 2 perces, míg 814 esetben 3 perces. A 95%-os küszöb értéke 4 perc. A 450 MW-os szcenáriót vizsgálva időszakban lépne fel igény nagyobb gradiensre: esetben 1 perces, esetben 2 perces, 918 esetben 3 perces időtartammal, ekkor is 4 perc lesz a 95%-os görbe alatti területhez tartozó érték. Ha a még nagyobb, 570 MW szélerőművi teljesítménnyel számoló esetre nézzük ugyanezeket az eredményeket, a esetből ábra A szükséges le irányú szabályozási gradiens kisegítések száma Elektrotechnika 2012/

11 alkalommal 1 perces a túllépés, és esetben pedig 2 illetve 3 perces. A 95%-ot ismét 4 percnél érjük el. A vizsgált beépítettségi szcenáriók közül a 740 MW-os esetben lesz a vártnak megfelelően a legtöbb olyan időszak, amikor a villamosenergia-rendszer gradiens képessége nem lesz elegendő lefelé irányban. Az összesen esetből alkalommal 1 perces, alkalommal 2 perces, alkalommal pedig 3 perces egybefüggő időszakban kellene kisegítést biztosítani. A 95%-os küszöbérték eléréséhez még ebben az esetben is figyelembe kell vennünk a 4 perces időszakokat. Amennyiben a fel irányú szabályozási gradiens képességet vizsgáljuk, hasonló eredményeket kapunk, a következőkben röviden ezeket is áttekintjük. A vizsgált 3 éves periódusban olyan perc volt, amikor felszabályozási igényt jelentettek a szélerőművek. Ha a beépített kapacitás tekintetében 330 MW-tal számolunk, összesen olyan periódus van, amikor nem elegendő a rendszer felszabályozási gradiensének nagysága. Ebből esetben 1 perces, esetben 2 perces, 285 esetben pedig 3 perces a hiány. A 95%-os küszöbérték 4 perchez tartozik. A 450 MW-os beépített teljesítményű esetben esetben kell kisegíteni a rendszert, alkalommal 1 percig, alkalommal 2 percig, 328 alkalommal pedig 3 percig, míg a 95%-hoz tartozó érték 3 perc. Ha extrapolációval tovább növeljük a szélerőművek teljesítményét 570 MW-ra, már olyan időszakunk lesz, amikor nem elegendő a szabályozás gradiens képessége. Ezen időszakokból alkalommal 1 percet, alkalommal 2 percet, 385 alkalommal pedig 3 percet kell a kisegítő egységnek működnie, a 95%-os küszöb átlépése 3 percnél bekövetkezik. Végül a legnagyobb, 740 MW-os kapacitás esetén periódusban lesz szükség a gradiens képesség kiegészítésére esetben 1 perc, esetben 2 perc, 466 esetben 3 perc lesz ezen periódusok hossza, a 95%-os érték pedig 3 percnek adódik. Ezeket az eredményeket foglalja össze a 7. ábra. A kiszámított teljesítmény gradiens és idő értékeket összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a szükséges gradiens kisegítés hossza 3-4 percnél nem szükséges, hogy hosszabb legyen ez az érték segíthet meghatározni az energiatároló kapacitásának energiatároló) üzembe állításával, mely képes percenként kb. 25 MW-os teljesítményt kezelni, és kapacitása elegendő ahhoz, hogy 4 percig folyamatosan maximális teljesítménnyel üzemelhessen. Itt is meg kell jegyeznünk azonban, hogy amennyiben rendelkezésre állnak az erőművek tényleges gradiens értékei, a vizsgálatokat elvégezve eltérő eredmények adódhatnak, nagyobb kisegítést eredményezve. Ezen bemeneti adatokkal történő szimuláció későbbi terveink között szerepel. Összefoglalás Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terve döntően fogja meghatározni az évtized megújuló energiával kapcsolatos beruházásait. Amennyiben a célként kitűzött kapacitásértékeket minden területen el kívánja érni az ország, nem várathat magára a megfelelő műszaki megoldások kidolgozása sem. A szerzők két részes cikkükben a szélerőművek rendszerintegrációjának két aspektusát vizsgálták. Az első részben [1] a szélerőművek menetrendezéséből adódó leszabályozási energiaigény rendelkezésre állásával kapcsolatos vizsgálatok kerültek bemutatásra, míg jelen cikk a szélerőművek gradiensének, és a magyarországi villamosenergia-rendszer szekunder szabályozásába bevont erőműveinek gradiensének egymásra hatását vizsgálta. Hasonló tanulságok vonhatók le mindkét esetből; az elmúlt évek trendjét megfordítandó, növelni kell a rendszerben rendelkezésre álló szabályzó egységek számát, legyen szó akár ilyen célra épülő erőművekről, akár különböző energiatárolási technológiákról. Köszönetnyilvánítás A szerzők ezúton is köszönik Dr. Tombor Antalnak a kétrészes cikk lektorálását, valamint az általa megfogalmazott értékes észrevételeket, amelyek nagyban hozzájárultak e munkánk elkészítéséhez. A munka szakmai tartalma kapcsolódik a "Új tehetséggondozó programok és kutatások a Műegyetem tudományos műhelyeiben" c. projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását a TÁMOP B-10/ program támogatja. Irodalomjegyzék [1] Hartmann Bálint, Dr. Dán András: Növelhető-e a hazai szélerőmű kapacitás energiatárolás alkalmazása esetén?, Elektrotechnika, vol. 3., pp [2] MAVIR Zrt.: A szélerőművi kapacitásbővítés lehetőségei és feltételei a magyar villamosenergia-rendszerben, V1.31, 2008 [3] Magyar Energia Hivatal: A magyar villamosenergia-rendszerbe illeszthető szélerőművek mennyisége, 2009 [4] MAVIR Zrt.: A magyar VER szekunder szabályozásba bevont erőműveinek és a szélerőművek gradiensének egymásra gyakorolt hatásairól, ábra A szükséges fel irányú szabályozási gradiens kisegítések száma nagyságát. Hasonló módon, a szükséges teljesítmény gradiens kisegítés nagyságából becsülni tudjuk az energiatároló teljesítményének nagyságát, ez 330 MW-os szélerőművi teljesítmény esetén 19 MW/perc (itt a le irányú szabályozás a szűkebb keresztmetszet), 450 MW esetén 22 MW/perc, 570 MW esetén 25 MW/perc, 740 MW esetén pedig 25,5 MW/perc. Ezen értékek alapján jó közelítéssel mondhatjuk, hogy amennyiben a magyarországi szélerőművek beépített teljesítménye megduplázódik, az így keletkező le és fel irányú szabályozási gradiens többletigény is kezelhető egy olyan egység (például Lektor: Dr. Tombor Antal Hartmann Bálint BME Villamos Energetika Tanszék doktorjelölt MEE-tag hartmann.balint@vet.bme.hu Dr. Dán András BME Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet Csoport egyetemi tanár MEE-tag dan.andras@vet.bme.hu Elektrotechnika 2012/

12 Villamos és és védelmek Berendezések Villamos berendezések Dr. Kárpáti Attila, Mosonyi Károly, Vörös Miklós Szünetmentes áramellátó rendszerek* II. rész Meghatározások A cikk az első részben az UPS-ek telepítésének indoklásával foglalkozik.a hálózati kiesések hatására keletkező anyagi károk elemzésével. A második részben az UPS-ek megbízhatósági jellemzőinek megfogalmazását adja. A harmadik részben pedig irodalmi adatok alapján különböző áramellátási feladatok megoldására rendszermegbízhatóságot javasol. The first part of the paper deals with the motivation of the application of UPS systems, on the basis of the financial losses because of the network outages. The second part contains a short summary and interpretation of the reliability parameters used for the UPS systems. In the third part suitable system reliability will be proposed for various power supply poblems. 1. Bevezetés A szünetmentes áramellátó rendszerek (UPS-ek) drága berendezések. Telepítésük mégis sokszor indokolt, mert a közhasznú elosztóhálózat ellátási biztonsága sok fogyasztó számára már nem megfelelő. Indokolt a telepítés, ha az áramellátás kiesése által okozott anyagi veszteségek a telepítési és üzemeltetési költségeket jóval meghaladják, ill. a közvetlen károkon túlmenően a létrejövő veszélyhelyzet sem elhanyagolható. Az első csoportba tartozik az erősen számítógépesített üzleti szféra. A második csoportba a nagy energiaellátó/ipari/közlekedési rendszerek irányítása sorolható. Először irodalmi adatok alapján néhány általánosabb adatot ismertetünk: A tápláló hálózat meghibásodása miatt fellépő közvetlen költségek ~ 150 milliárd USD/év. (Business week 1999) Az üzleti életben alkalmazott számítógéprendszereknél a tapasztalt havi hálózati zavarok száma ~120. (IBM) Tipikus üzemi tapasztalat: 9 hálózati kimaradás évente. Ennek az eredő költségkihatása majdnem 3 millió USD, a munkavállalók termelékenységcsökkenésének figyelembevétele nélkül. (Find/SVP) Érdekességképpen a hálózati feszültségkiesések okainak [2] sokféleségét mutatja az 1. táblázat. Közvetlenül a számítógépesített üzleti szféra veszteségeire (irodalmi, (USA)) adatok alapján) az 2. táblázat tartalmaz összefoglaló adatokat. Nagyipari rendszerekben a veszteségek jóval nagyobbak lehetnek, nem beszélve a keletkező veszélyhelyzetekről. Érzékeltetésképpen néhány példa: Energiatermelő és -elosztó rendszerek irányítása (atomerőművek, összefüggő/országos energiaelosztó rendszerek). Veszélyes technológiákat alkalmazó, vegyipari nagyvállalatok (pl. olajfinomítók). Nagy közlekedési rendszerek irányítása (vasút, repülőtér). Jelenleg már sokféle típusú UPS létezik. Ezek között a zavarelhárító képességük és a megbízhatóságuk alapján lehet * A cikk I. része az Elektrotechnika 2012/04 szám 10. oldalától olvasható 1 táblázat A hibatípusok megoszlása kisfeszültségű hálózaton. (A rendelkezésre állás 99,9%-os) Megnevezés választani. A zavarelhárító képességek szerinti osztályozást a megelőző cikkben (Szünetmentes áramellátó rendszerek, I. rész) ismertettük. Jelenleg a megbízhatóság szerinti csoportosítással foglalkozunk. Az UPS-ek megbízhatósági jellemzői statisztikus jellemzők. A 2. pontban az ezekkel kapcsolatos legfontosabb alapfogalmakat foglaljuk össze, azok rövid magyarázatával együtt. A 3. pontban a különböző alkalmazásokhoz javasolt megbízhatósági kategóriákat ismertetjük irodalmi adatok, szabványok, és vezető gyártók ajánlásai alapján. Az "összefoglalás" rövid összefoglaló elemzést tartalmaz. 2. Az UPS-ek jellemzésére használt legfontosabb megbízhatósági adatok Megbízhatósági szempontból minden rendszernek két alapállapota van, ezek: 0 hibátlan állapot, H hibás állapot. Tartalékolt rendszereknél a két alapállapot között köztes állapotok is fellépnek, amikor a rendszer bizonyos részei már hibásak, de a rendszer az eredeti feladatát még el tudja látni. %-os érték Központi betáplálás kiesése (power outage) 26 Vízszálltó csővezeték törése (burst water pipe) 1 Bombázás, robbanás (bombing) 7 Alkalmazott szabotázsakciója (employee sabotage) 3 Tranziens feszültségváltozás (power surge) 3 Hurrikán (hurricane) 6 Tűz (fire) 6 Földrengés (earthquake) 6 Viharkárok (storm damage) 12 Közvetlen hálózati kiesés (network outage) 2 Árvíz (flood) 10 Emberi hiba (human error) 2 Hardver hiba (hardware error) 8 Kezelési hiba (service failure) 1 Szoftver hiba (software error) 5 Egyéb (other) 2 2 táblázat Alkalmazás Tőzsdei brókercég Hitelkártya-üzletág Költség USD (1 óra kiesési időre) (5-7) millió (2-3) millió Call center 800# üzletág Repülőjegy-biztosítási üzletág Mobiltelefon-szolgáltatás ATM szolgáltatás Elektrotechnika 2012/

13 A közbülső állapotokból 3. táblázat Az RÁ, MTBF és MTTR közötti kapcsolat MTTR, h lehetséges az elmozdulás a H (további meghibásodás), ill. 0 állapot (javítás) felé. Számításokkal minden állapotban való tartózkodás MTBF,h ,25 0, , ,5 0, , , , , , , , , , , , valószínűsége , , , , , , , meghatározható, mint az idő függvénye, ahol az , , , , , , , n-ik állapotban való tartózkodás valószínűsége P n (t). Az egyes állapotok közötti átmeneteket az egyes , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , átmenetekhez tartozó , , , , , , , meghibásodási ráták (λ) és az átlagos javítási idők (μ, MTTR, mean time to repair) határozzák meg , , , , , , , , , , , , , , λ(t + Δt) = ΔNH/(N0-NH)/ 0, es; 0, es; 0, es; 0, es; 0, es; 0, es; ΔT = (ΔNH/N0)/ ΔT/(1 (NH/N0)), azaz egy vizsgált mintából kieső elemszám relatív értékének időegységre vonatkozó része, [1/h], ahol ΔNH a ΔT idő alatt kieső, N0 a 3. A különböző megbízhatósági kategóriák és az alkalmazások összehangolása kiindulási, NH pedig a t időpontig kiesett darabszám. ΔT 0; N0 ; esetben lim(nh/n0) = Q, ill. λ(t) = (dq/dt)/ (1 Q(t)) = - (dr/dt)/r(t), ahol R = P(t >t), az életben maradási, Q = P(t <t), pedig a meghibásodási valószínűség, t a meghibásodás időpillanata, R(t) + Q(t) = 1, R (t) = - Q (t) és f(t) = dq/dt = - dr/dt az eloszlásfüggvény. Egy rendszer leginkább ismert megbízhatósági jellemzője az MTBF (mean time between failure) érték, ami a meghibásodások között eltelt idők középértéke. Az MTBF érték a H állapotban való tartózkodás valószínűségével arányos, azaz MTBF = t.f(t).dt, (t = 0 ), - t.dr/dt.dt R(t).dt, (t = 0 ) (.R( ) 0.R(0)) 0, minden gyakorlati esetre. Gyakorlati esetekben a készülék hasznos élettartama alatt λ = állandó értéket tételezünk fel. λ erős növekedése a hasznos élettartam végét jelzi. Alapesetben: λ(t) = λ, állandó, λ = - dr/dt/r R / λ + R = 0, R = exp(-t. λ), R0 = 1, MTBF = 1/ λ. A másik, gyakran használt definíció a rendelkezésre állás, (RÁ), annak valószínűsége, hogy a teljes, javítható rendszer adott időpillanatban működőképes állapotban van. Jóllehet, az MTBF a leginkább használt fogalom egy berendezés megbízhatóságának jellemzésére, de a korrekt megítéléshez ez önmagában nem elegendő, mert: Pl. az MTBF = órás érték ~ 10 éves átlagos meghibásodási időnek felel meg, ami első látásra kedvezőnek tűnhet. Nem veszi viszont figyelembe a kiesett berendezés javítási idejét, ami az okozott pénzügyi károk becslése szempontjából fontos. Nem mond semmit arról, hogy mekkora a meghibásodás valószínűsége pl. az üzembe helyezés utáni 1 év alatt. Az RÁ rendelkezésre állási tényező már jobban használható fogalom, mert az átlagos javítási időt is figyelembe veszi. Az RÁ, MTBF és MTTR közötti kapcsolatot a 3. táblázatban foglaltuk össze. A szünetmentes rendszerek telepítésekor az egyik fő probléma,. hogy milyen RÁ tényezőjű megoldást válasszunk. A tájékozódást elősegítendő a 4. táblázatban irodalmi adatokban javasolt értékeket foglaltunk össze. A 5. táblázatban 12 és 24 órás javítási időket feltételezve adtuk meg a 3.2 táblázat szerinti RÁ étékeket biztosító MTBF értékeket. A rendelkezésre állás valószínűsége a kezdeti tranziensek lejátszódása után, 4. táblázat Az áramellátó rendszerek javasolt rendelkezésre állási tényezője különböző szakterületeken állandósult állapotban, Javasolt alkalmazási Nagyságrend %-os értk Relatív érték T*max, h Megjgyzés (t ) állandó értékhez terület tart. A gyakorlatban ezt az értéket használják. Számítása: RÁ = MTBF/(μ +MTBF). Kritikus esetekben a 1 9-es 2 9-es 3 9-es ,9 0,9 0,99 0, ,6 8,76 36,5 nap 3,65 nap 0,365 nap Háztartás (egyszerű) Háztartás (gépesített) minősítésre az időegységre 4 9-es 99,99 0,9999 0,876 0,876 óra Gyárak vonatkozó kiesési valószínűséget (SIL 5 9-es 99,999 0, ,0876 5,256 perc Kórház,repülőtér Safety Integrated Level) 6 9-es 99,9999 0, , ,536mp Bankok használják, (pl. nagyipari, atomerőművi alkalmazások). 7 9-es 99, , , ,1536mp On-line üzletág Megjegyzések: T*max Max. kiesési idő 1 év alatt Elektrotechnika 2012/