Rozšířený model elektrizační soustavy a jeho využití

Pro operativní řízení provozu elektrizační soustavy jsou klíčové správné a úplné vstupní informace. Vzhledem ke komplexnosti provozu propojené evropské soustavy, jíž je elektrizační soustava České republiky (ES ČR) součástí, je pro dispečerské řízení klíčový model soustavy, a to jak přenosové ČR, tak i zahraničních přenosových a distribučních ČR. Nad tímto modelem probíhají výpočty a simulace, které jsou pro operativní řízení i přípravu provozu nepostradatelné.

Historie vzniku modelu ES

Popisovaný model ES ČR vznikl pro účely síťových výpočtů v reálném čase. Původní model obsahoval přenosovou soustavu České republiky (PS ČR) rozšířenou o nejbližší okolí sousedních přenosových soustav (PS) a o propojené uzlové oblasti (UO) distribučních sítí České republiky (DS ČR) paralelně pracující s PS ČR.

Takový model však vyhovoval výpočtu aktuálního provozního stavu PS ČR, ale byl problematický jak při výpočtech simulací doprovázených změnou topologie nebo výpadkem zatíženého prvku PS, tak při výpočtech optimálních provozních stavů z hlediska napětí. Na původním modelu také nemohl být správně vyhodnocen vliv manipulací v sousedních PS na PS ČR a na DS ČR a obráceně vliv manipulací v PS ČR na sousední PS a na DS ČR. Proto společnost ČEPS spolu s partnery v letech 2007 až 2016 rozšířila pro účely simulačních výpočtů  ustálených stavů a optimalizace režimu napětí a přenosů jalového výkonu v PS (OPT UQ) v reálném čase model sledované soustavy PS ČR o celé nebo části deseti nejbližších PS. Kritériem pro rozšíření bylo porovnání přesnosti simulačních výpočtů pro výpadek nejzatíženějšího vedení na skutečných provozních stavech PS ČR za uplynulý rok. Porovnávaly se výsledky simulačních výpočtů výpadků nad modelem o rozsahu sledované soustavy v dispečerském řídicím systému s celoevropským modelem. Pokud chyba dosáhla 5 a více procent, byl model rozšířen.

Zároveň ČEPS porovnávala vliv topologických změn v DS ČR na simulace provozních stavů PS ČR. Vzhledem k tomu, že primárně šlo o simulace provozních stavů ES ČR v reálném čase, které se provádí každou minutu, a vzhledem k tomu, jak často probíhá přepojování mezi UO v DS ČR, se ČEPS s provozovateli distribučních soustav (PDS) domluvila na začlenění celé sítě 110 kV do modelu sledované soustavy v dispečerském řídicím systému ČEPS (DŘS ČEPS).

Současně s těmito aktivitami byla v rámci EU vydána nařízení týkající se provozování PS z hlediska jejich spolehlivosti a bezpečnosti – nařízení Komise (EU) 2017/1485 ze dne 2. srpna 2017, kterým se stanoví rámcový pokyn pro provoz elektroenergetických přenosových soustav, též známý pod zkratkou SOGL. Tato legislativa mimo jiné klade požadavky na komplexní analýzy provozu PS v rámci regionu ve všech časových rámcích, a to dlouhodobé, krátkodobé přípravy provozu ES, řízení provozu v reálném čase a hodnocení provozu ES. Legislativa se vztahuje na všechny provozovatele a významné uživatele ES. Vše uvedené urychlilo jednání a v roce 2019 společnosti ČEPS, ČEZ Distribuce, E.ON Distribuce a PREdistribuce podepsaly čtyřstrannou Smlouvu na výměnu informací, zahrnující všechny časové rámce a rozsah společného modelu pro PS a DS ČR.

V současnosti slouží exporty modelu z DŘS ČEPS k analýzám provozu ES ČR, jsou součástí analýz provozu Evropské sítě provozovatelů elektroenergetických přenosových soustav (ENTSO-E), využívají se k tvorbě předpovědních modelů pro přípravu provozu PS ČR a jsou používány pro koordinaci bezpečnosti, kterou provádí regionální bezpečnostní koordinátoři TSCNET a CORESO. Jejich využití se předpokládá také pro výpočet přeshraničních kapacit v rámci regionu Core.

Rozsah modelu

Model využívaný provozovatelem přenosové soustavy obsahuje celou přenosovou soustavu. S takovým modelem je však možné soustavu pouze ovládat (manipulovat s jejími prvky). Model použitelný pro výpočty obsahuje také subjekty připojené k přenosové soustavě (elektrárny), zahraniční přenosové soustavy, s nimiž je ČR propojena, a distribuční soustavu ČR.

Míru detailu, s níž jsou modelovány zahraniční přenosové soustavy i DS ČR, určuje zejména:

• požadovaná přesnost výpočtu, tzn. rozdíl mezi skutečností a modelem, např. při výpadku vedení,
• vzájemné ovlivnění, např. jak výpadek prvku přenosové soustavy ovlivní zatížení v distribuční soustavě a
• zajištění bezpečnosti při pracích na zařízení.

V DŘS ČEPS je tak modelována:

• celá přenosová soustava (hladiny 400 a 220 kV),
• distribuční soustava vvn (hladina 110 kV),
• individuálně všechny zdroje elektrické energie – výrobní moduly (VM) připojené do přenosové soustavy,
• individuálně všechny VM připojené do distribuční soustavy větší než 5 MW a
• okolní přenosové soustavy.

Přenosová soustava

Přenosová soustava ČEPS je modelována v maximálním detailu. To znamená, že jsou modelovány všechny její prvky – vedení, transformátory, tlumivky, přípojnice, vypínače, odpojovače i zemniče. Všechny prvky jsou modelovány podle jejich umístění v rozvodně, takže např. pořadí polí (vedení, transformátorů) v modelu odpovídá skutečnému pořadí v rozvodně.

Tento model je doplněn měřením napětí, proudu, činného a jalového výkonu z jednotlivých polí a měřením napětí z přípojnic. Mimo standardní měření se využívají i časově synchronizovaná data měření fázorů, která slouží ke zpřesnění stavové estimace. Nad takto vytvořeným modelem již mohou probíhat výpočty popsané v následující kapitole.

Zahraniční přenosové soustavy jsou modelovány v podobné míře detailu spínačového modelu. Vynechány jsou např. zemniče, které dispečink ČEPS neřídí a pro výpočty nejsou třeba.

Distribuční soustava

Distribuční soustava na hladině 110 kV je modelována obdobně jako zahraniční přenosové soustavy. Jsou tedy modelovány všechny její prvky ve správném pořadí v rozvodně a doplněny měřením napětí, proudu a činného a jalového výkonu.

Dále jsou modelovány všechny transformátory 110 kV/vn. Nižší napěťové hladiny (vn, nn) jsou pak modelovány agregovaně na přípojnicích vn – zvlášť VM, rozdělené dle typu, a zvlášť spotřeba.

Výrobní moduly (VM)

Jak již bylo zmíněno, všechny VM větší než 5 MW jsou modelovány individuálně. To znamená, že jsou v modelu umístěny v místě (rozvodně), kam jsou ve skutečnosti připojeny, a jejich model je doplněn měřením činného a jalového výkonu, proudu a napětí.

U VM v síti 110 kV je zvlášť modelováno i jejich vyvedení (bloková linka a transformátor) a vlastní spotřeba. VM, připojené do přenosové soustavy, mají navíc plně modelováno vyvedení výkonu včetně případných odpojovačů a zemničů a spotřeby, která je přímo připojena k jejich generátoru. Typicky jsou to doly, zásobující danou elektrárnu uhlím.

VM menší než 5 MW jsou agregovány podle jejich napojení na sekundární strany transformátorů 110 kV/vn. Jejich činný a jalový výkon je v modelu reprezentován jediným (součtovým) VM v příslušné rozvodně 110 kV. Jejich rozlišení tak probíhá pouze podle primárního zdroje energie na solární, větrné, tepelné atd. 

Využití modelu

Takto vytvořený model má patero využití:

• Sledování provozu soustavy (v reálném čase)
• Ovládání prvků přenosové soustavy ČR (v reálném čase)
• Jako podklad pro výpočty v reálném čase
• Jako podklad pro sestavení predikčních modelů využívaných v přípravě provozu v rámci ČEPS i v regionu
• Vyexportované jako zdroje pro hodnocení provozu ES (snapshot) a pro ex-post analýzu provozního stavu ES

V reálném čase dává model dispečerům přehled o zapojení soustavy a tocích výkonu. Na sledované veličiny a prvky jsou navázány alarmy, které dispečera upozorní na změnu stavu prvku (např. po výpadku) nebo na překročení meze (např. blížící se horní mez napětí). Dispečeři ČEPS také z řídicího systému ovládají všechny prvky v rozvodnách – vypínače, odpojovače a zemniče, ale také odbočky transformátorů vč. PST v rozvodně Hradec – a na modelu ještě před manipulací s vypínačem sledují jejich dopad.

Výpočty v reálném čase pak tyto informace doplňují o veličiny, které nelze měřit, a jsou proto dopočítávány. Jedná se např. o estimované úhly napětí na přípojnicích modelovaných rozvoden, o zkratový proud pro kontrolu dodržení zkratové odolnosti zařízení. O prováděných výpočtech podrobně hovoří další kapitola.

V přípravě provozu slouží model pro simulování možných (očekávaných) stavů soustavy a návrh opatření, aby byl zajištěn bezpečný provoz. Na národní úrovni toto probíhá ve všech etapách přípravy provozu – rok, měsíc, týden a den. Díky zahrnutí sítě 110 kV je tak možné vidět nejen vliv v přenosové soustavě, ale i vliv změn zapojení přenosové soustavy (typicky vypínání vedení) na distribuční soustavy, které jsou v některých místech paralelně propojeny s přenosovou soustavou.

V denním a vnitrodenním rámci pak model slouží i pro regionální koordinaci zabezpečenosti provozu, kterou zprostředkovává regionální bezpečnostní koordinátor TSCNET se sídlem v Mnichově. Provozovatelé přenosových soustav, kteří se koordinace účastní, připraví modely své soustavy po hodinách na den dopředu a zašlou je TSCNET. Ten modely spojí, provede nad nimi výpočet kontingenční analýzy a výsledky zašle zpět provozovatelům přenosových soustav. V případě, že výsledky ukazují porušení limitů (tzn. přetížení prvku po výpadku jiného prvku), se dispečeři musí domluvit na opatření pro jejich vyřešení.

Prováděné výpočty a simulace

V reálném čase jsou nad spojeným modelem PS a DS:

• prováděna vyhodnocení topologie podle různých kritérií (základními kritérii jsou monitoring ostrovních provozů a v případě sítí 110 kV příslušnost k transformátoru PS/DS),
• je počítána stavová estimace (SE) a její výsledky jsou přímo použity k vyhodnocení spolehlivosti ostrovních provozů, kontrole podezřelé signalizace zejména v sousedních PS a DS (SE je zároveň klíčová pro navazující aplikace),
• každou minutu je prováděna kontingenční analýza pro kontrolu výpadků jak jednotlivých větví ES (vedení, transformátorů), tak vícenásobných výpadků – multikontingencí (odpojení přípojnice, paralelních vedení atd.),
• probíhá samostatný výpočet zamýšleného ustáleného provozního stavu před manipulací s vypínačem,
• každou minutu a před manipulací s vypínačem jsou prováděny zkratové výpočty pro zkraty na přípojnicích v rozvodnách PS pro zamýšlený provozní stav,
• každou minutu a před manipulací běží výpočet rázu činného výkonu na blízké generátory,
• každou minutu běží výpočet optimalizace napětí na sekundárních stranách transformátorů PS / 110 kV včetně optimalizace kruhových toků jalového výkonu u skupin paralelně pracujících transformátorů,
• každé 3 minuty běží optimalizace ztrát OPT – UQ (využívaná k udržení napětí v rozvodnách PS v mezích a výroby Q v nasmlouvaných mezích), na ni navazuje automatická regulace napětí (ARN) v rozvodnách PS ČR,
• každých 5 minut běží nad vyexportovaným modelem sledované soustavy výpočet mezního času odpojení třífázového zkratu na nejbližších vedeních z hlediska úhlové stability generátoru (Critical Clearing Time, CCT), výpočet probíhá pro velké generátory připojené do PS,
• každých 15 minut běží SCOPT – subsystém pro bezpečnou optimalizaci provozu PS zahrnující optimalizaci spojitých (zejména redispečink) a diskrétních (zejména rekonfigurace) zásahů při řízení bezpečnosti PS. SCOPT navrhuje nápravná opatření v případě neočekávaných změn stavu, např. v případě závažných kontingencí.

Model ES je dále využívám v simulačním prostředí přímo v DŘS ČEPS, kde je možno využít všechny vyjmenované funkce.

Závěr

Model ES je klíčovou součástí dispečerského řízení, která dává dispečerům PS přehled o aktuální situaci v soustavě a vzájemném ovlivnění dalšími soustavami. Dalším pracovníkům ČEPS pak dává možnost simulací nejrůznějších stavů soustavy. Práce na modelu prošly dlouhým vývojem. V současnosti máme k dispozici špičkový model soustavy, který kromě analytických výpočtů, jež jsou standardem mezi provozovateli přenosových soustav, dokáže v reálném čase počítat zkratové poměry a dynamickou stabilitu. Zároveň splňuje všechny požadavky legislativy. Toho by nebylo možné dosáhnout bez spolupráce všech zúčastněných subjektů, zejména provozovatelů distribučních soustav.

Ing. Miloslava Chladová, CSc.
Ing. Martin Pistora
ČEPS, a. s.