mario.peric@koncar-ket.hr 1

BOSANSKOHERCEGOVAČKI KOMITET MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTRIČNE SISTEME –

BH K CIGRÉ

SARAJEVO

13. SAVJETOVANJE BOSANSKOHERCEGOVAČKOG KOMITETA

NEUM, 17. – 21.09.2017.

STK C6

IZAZOVI KOD PRIKLJUČENJA DISTRIBUIRANIH IZVORA SA SINKRONIM GENERATORIMA

CHALLENGES IN CONNECTION DISTRIBUTED SOURCES WITH SYNCHRONOUS

GENERATORS

Mr.sc. Mario Perić, dipl.ing.el.

Končar – KET

Republika Hrvatska

Jelena Galešić, dipl.ing.el.

Končar – KET

Republika Hrvatska

Dr.sc. I. Kuliš, dipl.ing.el.

Končar – KET

Republika Hrvatska

Miljenko Boras, dipl.ing.el.

Končar – KET

Republika Hrvatska

Sažetak: Distribucijska elektroenergetska mreža u početcima nije bile planirana za integraciju distribuiranih izvori.

Njena namjena je prvenstveno distribucija električne energije. Priključak distribuiranih izvora sa sinkronim generatorima

je zahtjevan proces zbog nezanemarivog utjecaja izvora na mrežu. Mjesto priključenja elektrane je ujedno i mjesto

razgraničenja proizvođača i mreže. Prema važećim mrežnim pravilima u RH nije dopušten otočni pogon distribuiranih

izvora. Isto tako, sustav za odvajanje mora zadovoljiti uvijete sigurnog odvajanja od mreže za vrijeme beznaponske pauze

unutar ciklusa APU-a. Trenutno na tržištu ne postoje pasivne metode zaštite koje uspješno odvajaju izvor u slučaju brzog

APU-a. U radu je prikazan pregled dosadašnja iskustva u rješavanju problematike.

Ključne riječi: distribucijska mreža, distribuirani izvor, automatski ponovni uklop, otočni pogon, odvajanje

Abstract: The distribution power grid initially was not planned for the integration of distributed sources. Its primary

purpose is the distribution of electricity. Connecting of Distributed Sources with Synchronous Generators is a demanding

process due to the undeniable impact on the network. The connection point of the distributed sources is also the point of

manufacturer and network delimitation. According to grid code in the Republic of Croatia the island operation of

distributed sources is not permitted. Likewise, the protection system must satisfy the conditions for safe disconnection

from the network during no voltage pause within the auto-reclosing cycle. Currently there are no passive protection

methods that successfully separate the source in the case of a fast auto reclosing. This paper presents an overview of

current experience in problem solving.

Key words: distribution network, distributed source, auto-rewind, island drive, separation

UVOD

Uloga distribucijske mreže u početku je prvenstveno bila distribucija (razdioba) električne energije. U novije vrijeme u

cilju smanjenja emisije CO2 i racionalnijeg korištenja električne energije potiče se izgradnja proizvodnih objekata koji

koriste obnovljive izvore električne energije. U današnje vrijeme, distribucijska mreža poprima novu ulogu, a to je prihvat

proizvedene električne energije iz distribuiranih izvora električne energije. Sa stajališta operatera distribucijske mreže na

distribuirane izvore se često gleda kao na proizvođače električne energije koji unose probleme u postojeću mrežu u

pogledu vođenja mreže i postojećeg sustava zaštita u distribucijskoj mreži. Na problematiku zaštita distribuiranih izvora

2

potrebno je posvetiti posebnu pozornost, posebice na zaštitu od otočnog pogona. Problematika zaštite korištenja

distribuiranih izvora u distribucijskoj mreži ima svoje korijene u tradicionalnom pristupu planiranja i korištenja zaštitnih

shema u mreži. Temeljene pretpostavke takvog pristupa su izmijenjene u odnosu na prije. Električna energija sada teče

dvosmjerno te tradicionalno pasivna distribucijska mreža postaje aktivna i sve više poprima odlike prijenosne mreže.

Korištenje distribuiranih izvora donosi cijeli niz izazova koje treba uzeti u obzir prilikom određivanja zaštitne sheme.

Neki od njih su: struje kratkog spoja, reducirani doseg distantne zaštite, smjer energije, izmijenjeni naponski profil, utjecaj

na regulaciju napona, ferorezonancija, automatski ponovni uklop. Obzirom da automatski ponovni uklop predstavlja

poseban oblik prelaska distribuiranog izvora iz paralelnog rada u nedozvoljeni otočni rad, te može uzrokovati velike

probleme potrebno mu je posvetiti posebnu pozornost.

1. AUTOMATSKI PONOVNI UKLOP DISTRIBUIRANOG IZVORA (APU)

Automatski ponovni uklop (APU) je sklopna radnja u distribucijskoj mreži (prisutan je i u prijenosnoj mreži, međutim

tamo ne predstavlja toliki problem kao u distribuciji) namijenjena otklanjanju („čišćenju“) prolaznih kvarova. Cilj APU-

a je da onemogući utjecaj prolaznog uzroka kvara u mreži na nastanka trajnog kvara. Statistički pokazatelji govore da je

velika većina kvarova u nadzemnoj mreži prolaznog karaktera te ukoliko se mjesto kvara ne napaja iz mreže kroz

određeno vrijeme, luk kvara će se sam od sebe ugasiti. Duljina trajanja bez naponske pauze je od 300 do 400 ms, što je

dovoljno vremena da se električni luk ugasi te da se restrukturira dielektrična čvrstoća izolacije zraka (deionizacija).

Ispravno funkcioniranje APU-a u mreži je uvjetovano mogućnošću osiguranja beznaponske pauze. Korištenjem

distribuiranih izvora narušavaju se ti uvjeti. Dva su ključna problema povezana s korištenjem distribuiranih izvora u

mrežama s APU-om: prvo distribuirani izvor produžava vrijeme gašenje luka, odnosno smanjuje efikasnost APU zaštite,

a drugo nakon prestanka beznaponske pauze (uz uvjet da je luk ugašen) postoji opasnost od asinkronog uklapanja dva

sinkrona sustava

Kako bi se ispunili uvjeti za uspješnu otklanjanje prolaznog kvara pomoću APU-a s jedne strane te izbjegavanje neželjenih

posljedica nakon ponovnog uklapanja s druge strane, potrebno je provesti obostrano odvajanje mjesta kvara. Sa strane

distribucijske mreže prekidač opremljen relejom sa aktiviranim APU-om odvaja napajanje sa strane mreže, a zaštita na

mjestu priključenja distribuiranog izvora odvaja napajanje sa strane distribuiranog izora – elektrane. Na navedenom,

bazira se temeljni zahtjev za zaštitu distribuiranog izvora: odvajanje od distribucijske mreže ukoliko dođe do kvara u

mreži bez obzira je li kvar prolazan ili trajan te je li umreži instaliran relej sa aktiviranim APU-om ili nije.

Odvajanje distribuiranog izvora od mreže, odnosi se na proizvodnju električne energije (isklop generatorskog prekidača),

ne nužno i na vlastitu potrošnju distribuiranog izvora – elektrane. U jedno-agregatskim postrojenjima odvajanje uslijed

kvara u mreži se odvija na generatorskom prekidaču, a ne na prekidaču za odvajanje. U tom slučaju, nakon povratka

napona postrojenje je spremno za nastavak rada.

Prema važećim mrežnim pravilima, ukoliko je distribuirani izvor priključen na mrežu u kojoj se primjenjuje APU, on

mora imati tehničko rješenje zaštite od mogućeg asinkronog uklopa. [1]

APU predstavlja poseban oblik prelaska u otočni pogon. Njegova posebitost leži u kratkoći vremena koja se ostavlja

zaštiti u distribuiranom izvoru (elektrani) za pravovremenu detekciju i odvajanje. Zbog toga rješavanje problem APU-a

u mreži s distribuiranim izvorom treba promatrati kroz opću problematiku otočnog pogona [2].

2. OTOČNI POGON DISTRIBUIRANOG IZVORA I UZROCI NASTANKA

Sukladno važećim Mrežnim pravilima u RH, otočni pogon je pogonsko stanje proizvodne jedinice u kojem ona može

sigurno podnijeti djelomično opterećenje u izdvojenom dijelu elektroenergetskog sustava [1]. Kao i u većini

elektroenergetskih sustava, otočni pogon u distribucijskoj mreži je zabranjen i u Hrvatskoj. Otočni pogon može nastupiti

iz više razloga [3]. Jedan je posljedica kvarnog stanja koje je nastalo nakon kvara na transformatoru ili pak dovodu prema

distribuiranom izvoru. Zaštita transformatora ili voda izbacuje element mreže koji je u kvaru iz pogona te ostavlja dio

mreže ispod mjesta odvajanja bez mrežnog napajanja. Tada distribuirani izvor ostaje, u slučaju da ugrađene zaštite nisu

detektirale kvar, jedino napajanje dijela mreže. Moguć je nastanak otočnog pogona uslijed prirodne nepogode, udar

groma, pad grana na zračni vod, potres... Manje vjerojatno, ali isto moguće je i namjerno isključivanje dijela distribucijske

mreže poradi održavanja ili interventnih popravaka ukoliko ono nije prethodno dogovoreno između operatera na elektrani

i operatora distribucijskog sustava.

Neovisno uslijed čega je nastupio otočni pogon, nužna je njegova pravovremena detekcija kako bi se među ostalim

spriječio asinkroni uklop sinkronih generatora (u slučajevima turbogeneratorskih setova) nakon povratka elektrane na

mrežu. U tom slučaju dolazi do velikih oštećenja pogonske opreme te opasnosti za pogonsko osoblje. Isto tako u slučaju

3

da elektrana napaja lokalni konzum, postavlja se pitanje odgovornosti za kvalitetu isporučene električne energije

(odgovornost u slučaju kvarova na opremi korisnika za vrijeme otočnog pogona).

Neki od razloga zašto je zabranjen otočni pogon su: ferorezonancija, gubitak selektivnosti, utjecaj na regulaciju napona,

promjena očekivanog profila pada napona, stabilnost sustava itd.

3. METODE OTKRIVANJA OTOČNOG POGONA

Otočni pogon je pogonsko stanje proizvodne jedinice u kojem ona može sigurno podnijeti djelomično opterećenje u

izdvojenom dijelu elektroenergetskog sustava [1]. U većini EES, otočni pogon u distribucijskoj mreži je zabranjen. Isto

tako je i u RH iz razloga kako slijede [4],[5]:

- Gubitak uzemljenja kod prelaza u neuzemljeni pogon nul-točke mreže. Uslijed dozemng spoja – zaštite možda neće

djelovati ispravno.

- Mogućnost nesinkronog uključenja DI – ozbiljni kvarovi na sinkronim strojevima,

- Ima utjecaj na regulaciju napona (mijenja očekivani profil pada napona),

- Gubitak selektivnosti – rizik oštećenje opreme

- Opasnost za pogonsko osoblje

- Nejasna odgovornosti za ispravnost pogona korisnika mreže u slučaju otočnog pogona – tko je odgovoran na za

kvarove na opremi korisnika nastalih za vrijeme otočnog pogona?

- Problemi ferorezonancije,

- Stabilnost sustava, itd..

3.1. Uzroci otočnog pogona

Razlikujemo nekoliko uzroka nastajanja otočnog pogona [3]:

- Nakon kvarnog stanja. Ovo stanje nastaje uslijed kvara na dovodnom transformatoru ili pak dovodu nakon čega

zaštita transformatora ili pak voda izbacuje spomenuti element mreže iz pogona ostavljajući dio mreže ispod mjesta

odvajanja bez napajanja iz mreže. U tom slučaju DI ostaje (ukoliko njegova zaštita ne detektira kvarno stanje) jedini

izvor u tom dijelu mreže odnosno napaja dio distribucijske mreže otočno.

- Bez-kvarno nastajanje otočnog pogona nastaje kod slučajne pogreške sklopne ili zaštitne opreme. Kvarno situacija

ne postoji, tim više izostaje detekcija otočnog pogona od strane DI-a.

- Namjerno isključivanje dijela distribucijske mreže radi održavanja ili popravka, pri čemu ta aktivnost operatera

distribucijske mreže nije poznata operateru DI-a.

- Ljudska pogreška

- Zbog neke prirodne nepogode (udar groma, zemljotres,…)

Bilo da se radi o namjernom ili ne namjernom prelasku na otočni pogon te o dozvoljenom ili nedozvoljenom otočnom

pogonu, pravodobna identifikacija otočnog pogona je nužna. U ovom poglavlju je dan pregled nekih metoda detekcija

otočnog pogona.

3.2. Zahtjevi za zaštitu od otočno pogona i metode detekcije

Bitne ocjenske značajke metoda za detekciju otočnog pogona mogu su: Pouzdanost, Brzina, Cijena. Pouzdanost se

ogleda u pouzdanosti prijenosa signala kao takvog (zbog zagušenja na komunikacijskom kanalu) ili pak pouzdanosti

interpretacije signala. Brzina detekcija je ključna značajka poglavito u mrežama s kratkim beznaponskim sekvencama

automatskog ponovnog uklopa. Cijena je također bitna, kad-kad i presudna kod odabira metode. Valorizacija vrijednosti

implementacije neke metode se mora promatrati u kontekstu visine rizika o ostvarenja negativnog scenarija. Pored

spomenutih karakteristika tu su još: utjecaj na mrežu i ovisnost o svojstvima mreže [6]. Metode detekcije otočnog pogona,

opisane u ovom radu mogu se svrstati u nekoliko grupe kako je to prikazano na slici 1:

4

Metode detekcije

LOKALNE METODE DALJINSKE METODE

AKTIVNE PASIVNE HIBRIDNE

Slika 1. Klasifikacija metoda detekcije otočnog pogona

3.2.1. Daljinske metode

Daljinske ili komunikacijske metode se baziraju na primjeni raznih informacijskih tehnologija u prenošenju direktne ili

indirektne informacija (komunikacija DI-a s Distribucijskom mrežom) o ispunjavanju uvjeta za otočnim pogonom

određenog distribuiranog izvora. Metoda je relativno pouzdana sa stajališta interpretacija singla pa i u uvjetima apsolutnog

balansa proizvodnje i potrošnje na mjestu priključka te ne ovisi o smetnjama u energetskoj mreži. Mana metoda su cijena

i pouzdanost signala u smislu smetnji. Brzina ovisi o mediju prijenosa. Neki od izvedbe daljinske metode su:

PLCS metoda (Power line Communications Scheme“ - prijenos signala putem energetskog voda). Ova metoda se temelji

na korištenju galvanske veze između mreže i distribuiranog izvora za prenošenje informacije. Točnije po istom vodu koji

osigurava električnu vezu sa DI-om šalje se pilot signal. Nestanak pilot signala može1 značiti prekid električne veze

odnosno prelazak u otočni pogon. Na SN strani distribucijske mreže, ugrađuje se generatora električnog signala (pilot

signal) frekvencije različite od radne frekvencije mreže i amplitude zanemarive u odnosu na nazivni napon mreže. Signal

se trajno odašilje prema „repu“ distribucijske mreže gdje se na sabirnicama distribuiranog izvora nalazi prijemnik signala.

Sve dok prijamnik registrira signal, distribuirani izvor radi paralelno s mrežom. Kod prorade bilo kojeg prekidača ili

rastavljača „nizvodno“ od predajnika, a koji prema konkretnoj konfiguraciji mreže mogu formirati otočni pogon oko

distribuiranog izvora, prijamnik generira isklopni signal za generatorski prekidač te odvaja izvor. Princip djelovanja

prikazan je na slici 2.

DI

G

VM

mreža

L2

Zs

L1 L3

R5R1 R3

R4 R6

VM1

VM0 VM2 VM3

GVDI0

VM4

R8

L4

R7

predajnik

Prijamnik

Otočni pogon DI-a

Slika. 2. princip djelovanja PLCS metode

Doseg ovakvog sustava za detekciju otočnog pogona je do 100 km [5]. Ova metoda je, precizna i neovisna o stanju

ravnoteže na mjestu odvajanja. Prednost je u tom što nije ograničena na samo jedan agregat u mreži nego i više njih ako

postoji. Međutim slabosti ove metode je visoka cijena ali i ovisnost o izvoru pilot signala. Nadalje, prijemnik i predajnik

su NN oprema koja se ugrađuje u SN okruženju tako da za svaki je potreban SN/NN transformator odgovarajućih

karakteristika. Valja voditi računa da je kabelski i nadzemni vodovi nisko-propusni filter tako da signal mora biti relativno

blizu nazivne frekvencije. Druga mana ovog sustava je složenost konfiguracije u slučaju da se mreža sa distribuiranim

izvorom napaja s nekoliko različitih strana. Tada za svaku od napojenih trafostanica se mora ugradit po jedan prijamnik.

Ova metoda ima dvije podvrste:

- Prva je kada je generirani signali proizveden u generatoru impulsnog ili visokofrekventnog signala koji se superponira

na osnovi (50Hz) elektromagnetski val (električna energije).

- Druga podvrsta ove metode jest kada pilot signal nastaje unošenjem karakteristične smetnje (distorzije) u osnovni

napon [17]. Princip unošenje distorzije se zasniva na korištenje tiristorskog ventila koji okida par stupnjeva prije

prolaska napona kroz nulu kratko spajajući fazu sa zemljom ili međusobno. Na taj način se unosi kontrolirana

distrozija u osnovni napon. Distorzija je prepoznatljiva, ukoliko prijamni sustav ne registrira nekoliko uzastopnih

distrozija napona kod prolaza kroz nulu ili po već unaprijed utvrđenom obrascu, znači da se sustav odvojio od mreže.

1 Kvar na signal-generatoru može dovesti do neslektivne prorade.

5

Prijenos isklopa (engl.: „transfer trip“). Za razliku od komunikacijske metode, u ovoj metodi sustav ne odašilje

kontinuirani signal nego se odgovarajući signal generira kada dođe do promjene stanja prekidača koji uzrokuje prelazak

u otočni pogon. Prednost ove metode jest što se postojeći SCADA sustav koji već ima podatke o stanjima sklopne opreme,

na jednostavan način može integrirati u sustav prijenos isklopnog stanja. Ova metoda ima nekoliko podvrsta ovisno o

mediju prijenosa. Tako govorimo od najmanje tri grupacije:

- Žičane metode. Mediji je bakreni vodič kao npr. pilot kabel diferencijalnog releja, telefonski kabel. Metoda je

primjenjiva kod jednostavnih mrežnih struktura.

- Bežične metode. Mediji prijenosa signala su radio valovi, mikrovalovi

- Svjetlovodna komunikacija.

Jedno od metoda prijenosa isklopa jest korištenje radio veze ili telefonske komunikacije. Princip djelovanja je opisan na

primjeru radio veze. Osnova struktura sustava podrazumijeva radio predajnik (Slika. 3) koji odašilje informacije o

isklopnom stanju svakog „kritičnog“2 sklopnog aparata te jedan centralni radio prijamnik koji prima sve signale u nekom

području i generira signal ako je neka kombinacija sklopnih stanja vodi ka otočni pogon. Taj signal se emitira

odgovarajućem distribuiranom izvoru odnosno zaštitnom releju koji generira isklop prekidača. Ova metoda je pouzdana

i nema zone neosjetljivosti, NDZ, opisane u sljedećem poglavlju. Mana ovog sustava je prije svega cijena, a zatim

složenost s porastom broja distribuiranih izvora u nekoj mreži. Nadalje nakon svakog proširenja mreže potrebno je

rekonfigurirati centralni sustava praćenja stanja pa čak i proširenje kapaciteta. Na slici 3 je prikazana jedan primjer

korištenja prijenosa isklopnok stanja. Primjer opisuje vjetroelektranu koja je preko nadzemnog voda spojena na

distribucijsku trafostanicu. Nakon što je došlo da prekida jedne faze, zaštita u distribucijskoj trafostanici će proraditi i

odvojiti dalekovod. Primo-predajni uređaj u trafostanici prijenosi signal značenja „mrežni prekidač je otvoren“ do među

postaje koje zatim re-emitira taj signal u prostor prema primo-predajnicima u postrojenjima distribuiranih izvora.

Programibilna logika u centralnoj postaji određuje koji DI mora ići u isklop, a koji ne. Nakon prorade prekidača kojim se

distribuirani izvor odvaja od mreže, potvrdni signal stanja određenog distribuiranog izvora se vraća u trafostanicu.

Informacije se prenose radiovalovima u području od 902 – 928 MHz. Vrijeme reakcije je do 50 ms.

Slika 3 primjer primjene metode prijenosa isklopa [8]

Danas već postoje komercijalna rješenja s radio primopredajnicima srednjeg dometa koje formiraju lokalnu radio mrežu

za detekciju otočnog pogona. Problem kod takvih rješenje nestandardnost komunikacijskih medija i protokola te potrebna

posebna komunikacijska infrastruktura.

Napredne metode detekcije otočnog pogona. Razvojem koncepta naprednih mreža, detekcija otočnog pogona biti će

jedna od funkcija integriranog komunikacijskog sustava. Napredne mreže su integracijska platforma energetskih i

komunikacijskih tehnologija. Svakom energetskom sklopu (opremi) pridijeljen je odgovarajući komunikacijski sklop (ili

je već tvornički integriran). To elektroničko sklopovlje se uvezuje u kompleksu komunikacijsku mrežu. Za razliku od

„klasičnih“, prethodno opisanih komunikacijskih metoda, napredne komunikacijske metode koriste standardne

komunikacijske protokole i utvrđenu komunikacijsku infrastrukturu. Ovim se značajno snižava cijena komunikacijske

metode. Neposredno prije pune primjene naprednih mreža, neke inačice lokalnih mreža mogu se koristiti za detekciju

otočnog pogona, kao što su:

- Korištenje pilot voda za diferencijalnu zaštitu spaja zaštitne releje u trafostanicama na različitim krajevima

dalekovoda. Taj vod se može iskoristi također za prijenos isklopnog signala iz trafostanice na distribuirani izvor [9].

2 Koji svojom proradom može izazivati otočni pogon nego DI-a

6

Vod za diferencijalnu zaštitu može biti bakreni izolirani vodič ili svjetlovodni kabel. Moderni komunikacijski

protokol IEC 61850 koji se koristi u trafostanicama je pogodan za implementaciju zaštite. Predlaže se kombiniranje

vertikalne međustanične komunikacije BST signalizacije (Binary Signal Transfer) i horizontalne GOOSE formata

signala na razini trafostanice s ciljem poboljšanja pouzdanosti zaštite od otočnog pogona. Na Slici 4 je prikazan

primjer takve metode. Ovom tehnologijom mogu se postići brzine od 30 ms [9].

- Drugi značajan komunikacijski link je sam Internet koji kao novi komunikacijski link za komunikacijsku metoda

detekcije otočnog pogona nudi real-time komunikaciju ali ograničene pouzdanosti. Korištenjem ADSL moguće je

postizanje i većih brzina i veće pouzdanosti ali zahtjeva postojanje komunikacijskih vodova (npr. svjetlovod ili

koaksijalni kabel).

Unatoč zadovoljavajućoj brzini bitan nedostatak je pouzdanost prijenosa signala. Između dostupnih internetskih protokola

ADSL i WiFi (IEEE802.11) su kandidati za buduću primjenu [10]. Zbog ograničene pouzdanosti preporuča se udvajanje

ove metode s nekom klasičnom metodom za detekciju otočnog pogona [6]. Pored spomenutih, neki autori predlažu

Internet kao medija – međutim njegovo korištenje nije dovoljno pouzdano za zahtjevna vremena odziva.

Slika 4. primjer primjene IEC61850 za detekciju otočnog pogona [6,9]

Napredne metode detekcije otočnog pogona zbog korištenja standardnih komunikacijskih kanala i protokola imaju nižu

cijenu primjene od tradicionalnih komunikacijskih metoda no, vremensko kašnjenje signala može biti problem primjenom

GOOSE formata informacije i ovaj problem je rješiv. Jedina zapreka široj primjeni jest ne postojanje odgovarajuće

informatičke infrastrukture.

3.2.2. Lokalne metode

Osnovna filozofija lokalnih metoda jest da je sva oprema smještena lokalno, na mjestu primjene distribuiranog izvora.

Postoje dvije grupe lokalnih metoda: pasivne i aktivne. Pasivne metode koriste informacije koje mogu dobiti snimanjem

stanja električnih veličina na mjestu priključka dok se aktivne metode baziraju na injektiranju pilot signala na temelju

čijeg odziva se određuje činjenično stanje.

Pasivne metode su ujedno i najraširenija metoda za detekciju otočnog pogona. Ovo su vrlo brze metode i relativno jeftine

u primjeni ali imaju problem razmjerno velike zone neosjetljivosti. Potonji pojam definira područje debalansa radne i

jalove snage u P-Q dijagramu u kojemu pasivne metode ne mogu razlučiti da li se radi o prelasku na otočni pogon. Ove

metode su potpuno neučinkovite dakle, kada je distribuirani izvor u ravnoteži s lokalnom potrošnjom. Nadalje problem

kod korištenja pasivnih metoda može biti preosjetljivost na brze i velike promjene opterećenja kao što su skokovito

opterećenje sumjerljivo s kapacitetom izvor u slabim mrežama, isključenje izvora [11]. Postoji nekoliko inačica koje će

se pobliže objasniti u ovom poglavlju:

- Metoda detekcijom prenapona ili podnapona je osnovna metoda iz ove grupacije. U paralelnom pogonu,

distribuirani izvor ne sudjeluje samostalno u opskrbi lokalne potrošnje. Dio potrošnje se napaja iz distribucijske mreže,

a dio iz distribucijskog izvora. Kod prelaska na otočni pogon može, kao posljedica skokovitog porasta ili pada

opterećenja, doći do skoka i propada napona izvana dozvoljenih limita. Ova metoda je najjednostavnija metoda ali i

najnepreciznije. U principu metoda se temelji na debalansu jalove energije koju trošilo treba (neposredno prije

odvajanja) i koje daje izvor. Do trenutka odvajanja taj debalans je podmirivala mreža. Varijacija napona ovisi o iznosu

debalansa radne odnosno jalove energije i to tim je veća što je debalans veći. S druge pak strane, uzimajući u obzir da

zaštititi releji moraju dozvoliti određenu varijaciju napona (do +-15% u vremenu do 500 ms) lako se zaključuje da

7

primjena ove metode je tolerantna na relativno veliko područje varijacije radne odnosno jalove energije. Te varijacije

se označavaju kao područje neosjetljivosti (engleski Non Detection Zone ili kratica NDZ).

- Metoda detekcijom previsoke ili preniske frekvencije. Slično kao prethodna metoda, ova metoda se bazira na

činjenici da će uslijed promjene radne snage doći do porasta ili pada frekvencije (razlika snaga generatora i tereta

ubrzati će vrtnju rotora ili usporiti ga). Metoda je jednostavna ali ima veliko područje neosjetljivosti (NDZ).

DILok. teret

IT

ZT

Eg

Eg

DI

Otočni pogon

Lok. teret

IT

ZT

Eg

V’t

Mreža EES-a

Mreža EES-a

Slika 5. Pomak vektora napona uslijed kod otočnog pogona

- Metoda detekcijom pomak kuta napona. Na Slici 13. je prikazana nadomjesna shema distribuiranog izvora

spojenog u paraleli sa mrežom prije i poslije prelaska na otočni pogon. Na Slici 6 je prikazan funkcija trenutne

vrijednosti napona tijekom pomaka kuta napona. Dužine trajanja poluperiode između dva prolaza napona kroz nulu,

uslijed prelaska na otočni pogon, se produžuje. To je nedvojbeni pokazatelj otočnog pogona. Na Slici 14. promjena

se očituje u skokovitoj promjeni kuta između uzbude generatora i napona generatora (Δφ=a'-a)

U (t)

Slika 6. vremenska funkcija napona tijekom pomaka kuta

Ova metoda se u stranoj literaturi skraćeno obilježava VVS (Voltage Vector Shift). Metoda je veoma brza ali ima relativno

veliku zonu neosjetljivosti npr. pomak od 6° potreban je debalans snage od gotovo 30%. Inačice prethodne metode jest

detekcija brzine promjene napona. Problem s metodom koja se temelji samo na promjeni apsolutne vrijednosti napona

jest u tome što kod nekih tranzijenata moguće je postići velike propade napona ili porast napona, a da to još uvijek ne

znači prelazak u otočni pogon. Prelazak na otočni pogon uz uvjet postojanja određenog debalansa snage znači vrlo brzi

porast napona (skok) pa je stoga gradijent promjene napona bolja mjera.

- Metoda detekcijom promjene frekvencije je najraširenija pasivna metoda. U literaturi se spominje kao ROCOF

(Rate of Change of Frequency). Metoda se zasniva na činjenici da će uslijed naglog opterećenja ili rasterećenja, doći

do ubrzanja odnosno usporenja brzine vrtnje rotora nakon što nestane sinkronog momenta mreže koji održava

konstantnu brzinu vrtnje rotora distribuiranog izvora. Brzina promjena frekvencije napona generatora kod prelaska

na otočni pogon razmjerna je razlici snage generatora i preostalog teret:

𝑑𝑓

𝑑𝑡=

𝑓𝑛

2𝑆𝑛𝐽∆𝑃 (1)

Pri čemu je f, nazivna frekvencija, Sn – nazivna prividna snaga izvora, J moment inercije stroja, ΔP – razlika između

aktivno angažirane snage izvora angažirana snaga lokalne potrošnje. Većina suvremenih digitalnih releja imaju

funkciju zaštite od otočnog pogona prema ROCOF metodi. Obično su proradne postavke kreću od 0,1 do 1 Hz/s.

Proradno vrijeme zaštite je od 200ms do 500 ms. Problem s ovom zaštitom je moguća neselektivna prorada pri ispadu

velikih tereta. Kao i druge pasivne zaštite, zaštita je neučinkovita pri malim promjenama snage na mjestu odvajanja.

- Pomak kuta između vektora napona generatora i mreže (Phase jump detecion). Metoda je slična kao WAMS u

prijenosnim mrežama.

- Mjerenje ukupnog naponskog izobličenja („Voltage Unbalanced and Total harmonic detection“). Metoda počiva

na pretpostavci da je mreža dovoljno čvrsta da održava sinusodalni oblik napona. Prelaskom na otočni pogon, trošila

više nisu simetrična i može se očekivati izobličenja naponskog vala, metoda je neovisna o stanju balansa i vrlo je brza.

Međutim problem je u postavkama releja koji treba reagirati na određenu vrijednost THD-a mreže. Nadalje uklapanje

8

velikih nelinearnih trošila dok je izvor u paralelnom radu s mrežom može također izazvati veliki THD i neselektivnu

proradu. S druge strane čisto linearna trošila ne unose više harmonike u mrežu.

- Brzina promjene radne snage dp/dt. Ova metoda se temelji na pretpostavci da je najbrža promjena snage zapravo

ona koja nastane kod prelaska na otočni pogon. Problem s ovom metoda što ta pretpostavka nje uvijek ispunjena. Kod

naglog ispada velikih tereta ili uklapanja postižu se slični prijelazni fenomeni pa može doći do neselektivne prorade.

- Brzina promjene frekvencije po snazi df/dp. Ova metoda je bolja od klasične ROCOF metode u malim sustavima.

- Usporedba mjerenja ROCOF je metoda koja na dva mjesta mjeri ROCOF u mreži i na DI-u. Ukoliko mjerenje

pokaže da se i u mreži događa promjena frekvencije, sustav blokira odvajanje. U literaturi metoda je označena kao

COROF (Comperison of Rate od change of frequency).

- Brzina promjene razlike faznih kuteva struje i napona. U literaturi se označava kao ROCOPAD [12]. Sustav

nadzire realne vrijednosti struje i napona u(t) i i(t) te određuje brzinu promjene razlike faznih kutove Δ(δu – δi)/Δt.

Metoda je učinkovitija od ROCOF metode pri malim debalansima te ima brži odziv.

- Metode umjetne inteligencije je metoda koja analizira rezultate svih dostupnih metoda (npr. korištenjem neuronskih

mreža). Koriste se baze podataka dobivenih off-line simulacijama i uspoređuju sa stvarnim vrijednostima. Metoda

traži veliku računalnu sposobnost releja i vrijeme reakcije je veliko. Pogodno je za komplicirane mreže s više izvora.

- Metoda bazirana na wavelet transformaciji. Wavelet transformacija daje informacije o vremenu i frekvenciju

nekog valnog oblika i predstavlja efikasnu metodu za analizu nestacionarnih tranzijentnih signala. Vremenski nizovi

struje i napona se podvrgavaju diskretnoj wavelet transformaciji i računa se snaga signala. Prema [6] taj parametar je

dobar pokazatelj stanja otočnog pogona distribuiranog izvora. Metoda je pouzdana i brza. Problem s primjenom ove

metode jest veliki zahtjevi za procesorskom snagom releja.

Aktivne metode podrazumijevaju namjerno unošenje kontrolirane smetnje. Metoda počiva na premisi da male smetnje

imaju zanemariv učinak na sustav kada DI radi paralelno s mrežom a taj učinak je velik kada DI otočno napaja određeni

dio distribucijske mreže [11]. Metoda je učinkovita i u uvjetima apsolutnog balansa snaga ali zbog relativno dugog

vremena da se kreira smetanja (elektromehanička inercija) odnosno da se identificira odzive na smetnju, metoda je

manjkava u slučajevima brzog APU-a. Neke od metoda su:

- Metoda injektiranja jalove energije. Ova metoda se bazira na tome da regulator održava faktor snage odnosno

određenu količinu jalove energije koju injektira u mrežu (ne regulira napon). U stranoj literaturi metoda je poznata

pod kraticom RPEED (Reactive Power Export Error detection). Sve dok je distribuirani izvor na mreži, ovakva

regulacija jalove energija je moguća, odnosno moguće je održati jalovinu konstantnom [2],[5],[13]. Prelaskom na

otočni rad, ukoliko se proizvodanja jalove energija održava konstantnom doći će do značajnog porasta napona, a to

se može detektirati klasičnim preponskim relejima. Glavni nedostaci ove metode jest što je neprimjenjiva kod

distribuiranih izvora sa asinkronim generatorima, kao i slučajevima gdje izvor (generator) radi s jediničnim faktorom

snage.

- Metoda nadzora impedancije je metoda koja se oslanja na činjenicu da se prilikom pojave otočnog pogona značajno

mijenja veličina impedancije koju „vidi“ distribuirani izvor. Visoko frekventni izvor je priključen preko spojnog

kondezatora u točki priključka. Na slici 7 je prikazan shema mjerenja impedancije

Em EgZT

Zm Zg

Im

UHF

Slika 7 Metoda nadzora impedancije.

Ako je distribuirani izvor u paraleli s mrežom, izmjerena impedancija je niska (Zm║ ZT║ Zg) te utjecaj viših

harmonika nije tako velik. U slučaju otočnog pogona, izmjerena impedancija raste, a injektirani VF signal je

zamjetljiv. Unatoč preciznosti, primjena ove metode je problematična zbog viših harmonika koje se unose u mrežu.

- Metoda pomaka frekvencije (faze). Ova metoda se koristi kod izvora sa sučeljem na bazi energetske elektronike

(solarne elektrane). U normalnim okolnostima frekvencija „okidanja“ tiristora je usklađena s frekvencijom mreže te

se na taj način oblikuje sinusni val nazivne frekvencije. ukoliko je frekvencija struje pretvarača postavljena na veću

vrijednost, dok je izvor na mreži neće se evidentirati nikakva promjena u frekvencije mreže jer istu drži jaka vanjska

mreža. Kod pojave otočnog zaštita evidentira gotovo trenutan skok frekvencije što je pokazatelj otočnog pogona.

Hibridne metode su kombinacija aktivnih i pasivnih metoda na način da se pasivne metode koriste za utvrđivanje

„sumnjivih“ situacija, a primjenom aktivnih metoda se ta sumnja potvrđuje ili pak odbacuje [5]. Postoji nekoliko inačica

ove metode:

- Naponski debalans s frekvencijskim odzivom. Sustav zaštite kontinuirano mjeri direktnu i inverznu komponentu

linijskog napona te određuje njihov omjer Vd/Vi. ukoliko je taj parametar preko neke vrijednosti to je pokazatelj da

9

su se pojavili kratko trajne prijelazne pojave zbog promjene opterećenja, neke sklopne radnje ili pak odvajanja u

otočni pogon. Nakon toga sustav mijenja postavnu vrijednost frekvencije (drugačiju od mrežne). Sustav će reagirati

promjenom frekvencije ukoliko se radi o otočnom pogonu.

- Metoda temeljena na pomaku napona i jalove energije. Metoda se najčešće koristi u sustavima s energetskom

elektronikom kao sučeljem. Pasivna metoda u ovoj hibridnoj metodi kojom se identificira „sumnjivo“ područje je

izračun kovarijance između mjernih nizova srednje vrijednosti dužine trajanja perioda napona u prethodna četiri

mjerenja (Tav) i trenutna vrijednost perioda napona (Tv). Ukoliko je kovarijanca veća od neke predefinirane, aktivira

se algoritam ARPS (Adaptive Reactive Power Shift). Algoritam ARPS je jedan od algoritama za pomak frekvencije

prema području u kojemu će sigurno proraditi f>>, f<< [6].

3.2.3. Usporedba metoda detekcije otočnog pogona

U Tablici 1. prikazan pregled metoda i međusobna usporedba [13], [14].

Tablica 1 Usporedba metoda detekcije otočnog pogona

Metode PREDNOSTI MANE PRIMJER METODA

Daljinske

metode Visoka pouzdanost Visoka cijena implementacije

posebno za male sustave

Prijenos isklopa

Signalizacija putem

energetskog voda

Lokalne

metode -

pasivne

Kratko vrijeme detekcije

Nema povratnog utjecaja na mrežu

Vrlo točan u slučajevima velikih

debalansa snaga.

Poteškoća u detekciji otočnog

pogona kod balansa snage

između proizvodnje i lokalne

potrošnje

Posebnu pozornost treba voditi

na postavne vrijednosti

zaštitnih releja

Ukoliko su postavke prestroge,

može doći do neselektivnog

uklopa

U>>; U<< ; f>>; f<<

ROCOF

Skok vektora napona VVS

Pomak faze izvora u

odnosu na mrežu

dP/dt; df/dp

Promjena impedancije

sustava

Promjena napona

Promjena napona

Lokalne

metode -

aktivne

Može detektirati otočni pogon i u

situacijama apsolutnog balansa snage

proizvodnje i otočne potrošnje

Unosi smetnje u sustav

Vrijeme odziva je relativno

dugo

U mrežu se unose „nečistoće“

Injektiranje jalove energije

Nadzor impedancija

Pomak faze ili frekvencije

Hibridne

metode

Imaju malu zonu neosjetljivosti

Smetnje se unose samo ako postoji

sumnja na otočni pogon

Vrijeme odziva zaštite od

otočnog pogona se produžuje

zbog korištenja dvaju metoda.

Naponski debalans s

frekvencijskim odzivom

4. PRIMJER DETEKCIJE OTOČNOG POGONA UPOTREBOM NAPREDNE METODE

U lipnju 2015. godine uspješno je pušteno u pogon kogeneracijsko postrojenje na bazi izgaranja drvne biomase Slavonija

OIE snage 4.66 MWel. Električna energija se dobiva iz sinkronog generatora čiji je pogonski stoj kondenzacijska turbina

sa jednim reguliranim oduzimanjem pare. Na elektrani je ugrađena zaštita generatora SIPROTEC 7UM62 i

multifunkcionalni uređaj DEIF GPC3 koji je ujedno i sinkotnizaor i zaštita od odvajanja. Zaštita SN postrojenja (na

elektrani i u susretnom postrojenju) je realizirana u sklopu releja RFX KONČAR INEM. Elektrana je preko susretnog

postrojenja RS Slavonija DI povezana na distribucijsku mrežu u trafostanici TS 35/10 kV Brod II. Trafostanica TS Brod

II se može, ovisno o pogonskom stanju, napajati sa obližnjih trafostanica TS 110/35 kV Bjeliš, TS 110/35 kV Podvinje

te TS 35/10kV Brod III. Terminali polja na napojnim vodovima prema TS 35/10 kV Brod II imaju aktiviranu funkciju

brzog APU-a unutar 400 ms.

U svrhu pravovremenog detektiranja otočnog pogona, te sprječavanja asinkronog uklopa generatora ugrađen je sustav

automatike za direktno isključenje u slučaju otočnog rada. Sustav predstavlja prvu razinu zaštite koja omogućuje brzo

djelovanje (isključenje prekidača za odvajanje) unutar spomenutih 400 ms. Osnovni dijelovi sustava su terminal polja

REF 651 (ABB), distribuirane U/I jedinice RIO600 (ABB) i aktivna komunikacijska oprema RMC400 (SIEMENS). Baza

sustava je terminal polja REF615 čija je zadaća proračun logike koja omogućuje automatsko direktno isključenje

prekidača za odvajanje. U njemu se obrađuju procesni signali dobiveni sa U/I jedinica RIO600 koje su montirane na

udaljenim postrojenjima. Zadaća distribuirane UI jedinice je prikupljanje ulaznih procesnih signala o stanju aparata u

10

pojedinom polju koja definiraju topologiju i uklopno stanje mreže, a utječe na uvjet automatskog direktnog isključenja

prekidača za odvajanje. S obzirom da je između pojedinih trafostanica prisutna optička mreža, sustav automatike za

direktno isključenje je uključen u SDV putem staničnog računala korištenjem IEC 61850 komunikacije, te je omogućen

daljinski nadzor operaterima u nadležnom daljinskom centru [15]. Provedena ispitivanja u balansu snage, pokazala su da

sustav uspješno odvaja elektranu unutar 300 ms.

5. ZAKLJUČAK

Distribuirani izvori u unose velike promjene u distribucijsku mrežu. Pojava proizvođača električne energije u neposrednoj

blizini potrošnje nosi mnoge pogodnosti mijenjajući tradicionalni pogled na distribuciju električne energije potrošačima.

S druge strane korektan (primjeren) paralelni pogon distribuiranog izvora s mrežom unosi nove poglede na sustave zaštite.

Posebna pozornost je na problemu nedozvoljenog otočnog pogona. Problematika pravovremene detekcije otočnog pogona

sve više dolazi do izražaja priključenjem sve većeg broja distribuiranih izvora. Nemoguće je izdvojiti jednu metodu

detekcije koja bi bila jednako učinkovita za sve prilike u mreži, kao i za sve tipove i veličine distribuiranih izvora. Stoga

kombinacija dostupnih metoda prilagođenih konkretnoj situaciji je razuman i preporučljiv put.

Izbor pravilne metode ili skupa metoda mora se pomno odabrati još u fazi razvoja projekta. Često se događa, da je zbog

zanemarivanja ovog problema potrebno na već izgrađenom postrojenju mijenjati dijelove projekta. Stoga se kao prijedlog

poboljšanju procesa implementaciji distribuiranih izvora može dati zahtjev za izradom studije primjerenog rješenja

detekcije otočnog pogona ili kao zasebna studija ili u sastavu jedne od studijskih dokumenta koji se prilažu prilikom

izdavanja prethodnih odobrenja i mišljenja. Veliki doprinos razvoju primijene distribuiranih izvora bila bi redefiniranje

funkcije APU-a odnosno prilagodba načina djelovanja po uzoru na prijenosnu mrežu.

6. LITERATURA

[1] Mrežna pravila elektroenergetskog sustava, NN 36/06

[2] D. Karavidović, D. Buljić, “Neke od važnih značajki pogona distribuiranih izvora s distribucijskom mrežom”,

CIRED Sveti Martin na Muri, 13.-16.05.2012

[3] “Distributed Generation (DG) Protection Overview“, 5/5/2008 University of Western Ontario

[4] Impact of Distributed Resources on Distribution Relay Protection A report to the Line Protection Subcommittee of

the Power System Relay Committee of The IEEE Power Engineering Society prepared by working group D3;

http://www.pes-psrc.org/Reports/wgD3ImpactDR.pdf

[5] M. Filipović, Napredne tehnike zaštite i vođenja razdijelinih mreža s integriranim distribuiranim izvorima;

http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/M.Filipovic%2C_KDI.PDF

[6] J. YinM L.Chang, C. Diduch; “A New Hybrid Anti-Island Algorithm in Grid Connected Three-Phase Inverter

System”, 2006 IEEE Power Electronic Specialists Conference, pp. 1-7.

[7] W. Xu; G- Zhang, C.Li, W. Wang; G. Wang; J. Kliber, “A Power Line Signaling Based Technique for Anti-Islanding

Protection of Distribution Generators – Part I: Scheme and Analysis”; IEEE Transactions on Power Delivery, VOL.

22, No. 3, July 2007.

[8] GE Digital Energy; “DGT – Distributed generation trip control”;

[9] O. Rintamaki. K. Kauhaniemi, “Applying modern communication technology to loss-of-mains protection”, 20th

International Conference on electricity Distribution, CIRED, 8-11 06. 2009, Prague

[10] D. Laverty (1), D.J. Morrow (1) and T. Littler (1), “Internet based loss-of-mains detection for distributed

generation”, Universities Power Engineering Conference, 2007. UPEC 2007. 42nd International

[11] F. Coffele, P. Moore, C. Booth, A. Dysko, G. Burt, T. Spearing, P. Dolan “Centralized Loss of Mains protection

using IEC-61850”

[12] A. Samui and S. R. Samantaray, “Assessment of ROCPAD Relay for Islanding Detection in Distributed Generation”,

IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID, VOL. 2, NO. 2, JUNE 2011.

[13] C. S. Chandrakar, B. Dewani, D. Chandrakar “An Assessment of Distributed Generation Islanding Detection

Methods”, International Journal of Advances in Engineering & Technology, Nov. 2012., Vol. 5, Issue 1, pp. 218-

226

[14] M.Vatani, T.Amraee, I.Soltani; “Comparative of islanding Detection Passive Methods for Distributed Generation

Applications”, International Journal of Innovation and scientific Research, , Sep. 2014, Vol. 8 No.2, pp.234-241

[15] „Sustav automatike za direktno isključenje od otočnog rada generatora“ – Slavonija DI, tehnički opis Končar KET