Systemy DTS w energetyce OZE

Systemy monitoringu temperatury DTS zaczynają być coraz częściej stosowanym rozwiązaniem w energetyce OZE. Zainteresowanie nimi, z początku niewielkie, pojawiło się przy okazji budowy dużych farm wiatrowych, których moc wyprowadzana jest długimi liniami kablowymi. Inwestorzy coraz częściej poza standardowymi funkcjonalnościami systemu kablowego (transfer mocy) zaczęli interesować się awaryjnością systemów oraz możliwością kontroli ich pracy, jak również możliwością predykcji stanów zagrożenia lub awarii przesyłu mocy między punktem jej generacji (farma wiatrowa, fotowoltaiczna) a punktem odbioru (system elektroenergetyczny).

W związku budową dużych fam wiatrowych na morzu oraz dynamicznym rozwojem dużych farm lądowych okazało się, że w systemie energetycznym zaczęło brakować punktów przyłączenia oraz wolnych mocy do wprowadzenia. Sytuację pogarsza również fakt sporej (nieznanej) liczby umów o przyłączenie nie realizowanych w terminie lub też całkowicie nieaktywnych. Problem ten wynika z małej liczby ewentualnych punktów przyłączenia na północy kraju (i nie tylko), gdzie planowane i projektowane duże generacje zajęły wolne moce do wykorzystania.

W związku z brakami dostępnych punktów odbioru mocy inwestorzy instalacji wiatrowych i fotowoltaicznych zaczęli poszukiwać rozwiązania, które mogłoby im pomóc zwiększyć portfel posiadanych mocy generowanych. Najczęściej rozważane są dwa warianty:

  • poszukiwanie wolnych mocy przyłączeniowych,
  • zwiększanie mocy w istniejących miejscach przyłączenia.

Pierwszy z nich polega na wyszukiwaniu w systemie energetycznym punktów z możliwością przyłączenia nowych generacji na różnym poziomie napięcia (od SN do NN). Obecnie w związku z brakiem rozbudowy sieci energetycznej możliwości przyłączenia nowych mocy są bardzo ograniczone. Jedyna szansa to oczekiwanie na rozbudowę istniejącej infrastruktury. Z uwagi na to, że w najbliższej przyszłości nie należy się spodziewać szerokiej rozbudowy ewentualnych punktów przyłączeń ten wariant zwiększenia portfela mocy wytwórcy można uznać za mało rokujący.

Drugą opcją jest zwiększenie posiadanych już mocy w danym punkcie przyłączenia lub też lepsze wykorzystanie już posiadanych. Okazuje się, że do realizacji takiego zamierzenia systemy DTS są bardzo przydatne. Oczywiście warunkiem wykorzystania systemu DTS jest to, że linia kablowa zostanie co najmniej przystosowana do współpracy z tym systemem (jeśli nie ma woli instalacji kompletnego systemu DTS na tym etapie). Przystosowanie takie polega na:

  • zaprojektowaniu i zastosowaniu kabla z modułem światłowodowym do monitoringu temperaturowego umieszczonym w żyle powrotnej kabla,
  • zaprojektowaniu i zastosowaniu osprzętu kablowego (mufy i głowice kablowe)umożliwiającego łączenie i zakańczanie włókna światłowodowego,
  • instalacji wszystkich połączeń optycznych na obu końcach linii kablowej.
Rys. 1. Miejsce instalacji modułu światłowodowego w kablu WN

Koszty przystosowania linii kablowej do współpracy z systemem monitorującym nie są duże, ale należy je uwzględnić już na etapie realizacji inwestycji. Najlepszym rozwiązaniem jest umieszczenie modułu światłowodowego w obrębie żyły powrotnej kabla (zintegrowanego konstrukcyjnie z kablem – rysunek 1). Inne rozwiązania w postaci:

  • umieszczenia kabla światłowodowego na zewnątrz kabla monitorowanego,
  • wykorzystania zewnętrznej telekomunikacyjnej kanalizacji światłowodowej,
  • są obarczone większymi błędami pomiarowymi związanymi z trudnością z właściwym odwzorowaniem tak geometrii, jak i parametrów cieplnych takiego układu. Idea wykorzystania systemu DTS dla potrzeb zwiększenia mocy istniejącego przyłącza polega na:
    • przeanalizowaniu dotychczasowej pracy farmy (najlepiej analizując profil obciążenia dla całego roku kalendarzowego),
    • zweryfikowaniu sposobu ułożenia kabla i jego otoczenia oraz rzeczywistych parametrów pracy systemu kablowego na podstawie pomiarów z DTS oraz dokumentacji powykonawczej,
    • wyznaczenie szacowanych zapasów przesyłu mocy dla istniejącej linii kablowej,
    • wykonanie analizy obciążalności dla planowanego układu uwzględniającej charakter połączonej generacji istniejącej i planowanej.
Rys. 2. Schemat działania systemu monitoringu DTS

System DTS może udzielić dodatkowej odpowiedzi na temat rzeczywistych obciążeń i temperatur żył roboczych oraz wskazać miejsca pogorszonego oddawania ciepła przez linię do otoczenia, które nie były zidentyfikowane na etapie projektowania linii kablowej.

Użycie technologii DTS w systemach elektroenergetycznych

Systemy DTS służą do monitoringu temperatury pracy urządzeń elektroenergetycznych (i nie tylko) przy wykorzystaniu włókna światłowodowego pełniącego rolę czujnika pomiarowego. Aby miało to miejsce, urządzenia procesów technologicznych integruje się z włóknem światłowodowym, starając się, aby włókno pomiarowe zostało umiejscowione jak najbliżej źródła ciepła. Monitoring zjawisk temperaturowych dokonywany jest w jednostkach pomiarowych popularnie nazywanych DTS-ami.

Kompletny system pomiarowy DTS, poza jednostką pomiarową, zawiera urządzenia dodatkowe, które wraz z nią tworzą funkcjonalną całość:

  • obudowa (np. szafa stacyjna) dostosowana wymiarami oraz szczelnością do warunków pracy,
  • serwer (komputer) przetwarzania danych,
  • serwer (przestrzeń dyskowa lub chmura) archiwizacji danych,
  • urządzenia do komunikacji z systemem nadrzędnym użytkownika (np. SCADA) i wymiany danych,
  • urządzenia do komunikacji niezależnej (powiadamianie, komunikacja zastępcza)
  • oraz opcjonalne (nie wymagane) peryferia do obsługi urządzenia na miejscu.

Jednostka DTS jest to urządzenie pomiarowe nazywane też systemem liniowego pomiaru temperatury. Urządzenie to ma możliwość pomiaru temperatury na duże odległości (50 km i więcej) przy wykorzystaniu włókien wielomodowych (najbardziej wskazanych do tego typu zastosowań) lub też jednomodowych (w przypadku konieczności współpracy z infrastrukturą zastaną). Monitoring temperatury w urządzeniu DTS realizowany poprzez pomiar czujnika temperatury (światłowodu pomiarowego), który jest najczęściej zintegrowany z obiektem monitorowanym i zapewnia odwzorowanie profilu temperaturowego monitorowanego procesu technologicznego w miejsce dotychczasowego tradycyjnego pomiaru punktowego. Zasadę pomiaru pokazuje rysunek 2.

W przypadku zmiany temperatury w określonej lokalizacji system DTS oblicza zarówno dokładną temperaturę modułu światłowodowego, jak i jego lokalizację.

Podstawowa przykładowa specyfikacja systemu do monitoringu temperatury:

  • maksymalna długość pojedynczego włókna światłowodowego 50 km i więcej,
  • rozdzielczość liniowa pomiaru już od 1 m,
  • sekwencyjne monitorowanie od 4 do 16 niezależnych kanałów pomiarowych o długości 50 km każdy (np. 16 x 50 km),
  • pomiar temperatury wzdłuż całej długości włókna o dokładności pomiaru poniżej 1oC,
  • indywidualne definiowanie stref pomiarowych, poziomów i kategoryzację alarmów przez użytkowników,
  • długoletnia archiwizacja danych pomiarowych (standardowo do pięć lat),
  • wizualizacja wyników pomiarów w czasie rzeczywistym na mapie lub schemacie sytuacyjnym w formie uzgodnionej z użytkownikiem.

Korzyści z zastosowania systemów DTS w energetyce OZE

Ogólne korzyści z zastosowania urządzeń monitorujących DTS sprowadzają się do zminimalizowania wkładu ludzkiej pracy w proces zbierania danych oraz na automatycznym powiadamianiu o zdarzeniach temperaturowych podczas pracy monitorowanego obiektu. Automatyzacja procesu zbierania danych oraz ich prędka obróbka sprzyja szybszemu reagowaniu na zmiany w stanach podstawowych (znamionowych), ale i daje możliwość przewidzenia stanów awaryjnych lub też natychmiastowej reakcji na zdarzenia podczas zaistnienia awarii. Szybsza reakcja na zagrożenia powoduje ograniczenie zakresu strat materialnych lub też z tytułu nie wyprodukowania i nie dostarczenia energii elektrycznej w przypadku awarii głównej linii kablowej wyprowadzającej moc z farmy wiatrowej czy fotowoltaicznej.

Dodatkowymi korzyściami dla operatora (lub też właściciela) farmy wiatrowej (fotowoltaicznej) może być możliwość wykorzystania monitoringu kilku różnych zjawisk i obiektów w ramach tej samej jednostki DTS, np.:

  • połączenie monitoringu temperatury linii energetycznych z monitoringiem temperatury urządzeń elektroenergetycznych znajdujących się w zasięgu aparatury,
  • dodatkowy monitoring temperatury pomieszczeń technicznych,
  • wspomaganie instalacji przeciwpożarowych
  • poprzez wykorzystanie wolnych kanałów pomiarowych.

Możliwości szerszego zastosowania urządzeń DTS w ramach już posiadanych lub planowanych do zakupu urządzeń jest decydowanie więcej i każda realizacja może po głębszej analizie wykazać więcej zastosowań systemu DTS.

Świadoma obsługa systemu kablowego

Eksploatacja linii kablowych wyposażonych w systemy monitorujące DTS pozwala na świadomą eksploatację nie tylko systemu kablowego, ale eksploatację famy, która zależna jest od awaryjności jedynej linii kablowej wyprowadzającej z niej moc. Wykorzystanie technologii monitorujących temperaturę pozwala m.in. na:

  • monitorowanie linii kablowych wyprowadzających moc z punktu generacji i tym samym wyświetlanie rzeczywistych parametrów przesyłu mocy krytycznych dla kabla, tj. temperatury żyły roboczej kabla,
  • sprawdzanie oddziaływania otoczenia na przebieg temperatury oraz kontrola lokalnych wzrostów temperatury przy użyciu funkcji m.in. odchylenia od standardu oraz stałej czasowej nagrzewania pozwalających na detekcję lokalnych wzrostów temperatury,
  • wykrycie ewentualnych miejsc o gorszych parametrach cieplnych otoczenia, co może być podstawą do (jeśli to możliwe) np. wymiany gruntu otaczającego kable lub zastosowanie mieszanek specjalnych o lepszych i stałych parametrach cieplnych,
  • sterowanie generacją farmy w taki sposób, aby nie były przekroczone maksymalne graniczne parametry pracy linii kablowej w przypadku okresów maksymalnej jej produktywności.

Monitoring temperatury przy użyciu dodatkowych (opcjonalnych) narzędzi

Dodatkowe oprogramowanie, które jest uzupełnieniem podstawowej funkcji wskazywania temperatury mierzonego włókna, zdecydowanie poszerza możliwości systemu monitorującego. Z dostępnych narzędzi można wymienić m.in.:

  • oprogramowanie przeliczające temperaturę żyły powrotnej (gdzie umieszczony jest moduł światłowodowy) na temperaturę żyły roboczej – popularnie nazywany RTTR,
  • narzędzie detekcji lokalnych odchyleń od standardu,
  • narzędzie detekcji lokalnych zmian stałej nagrzewania linii kablowej.

Pierwsze z tych narzędzi to oprogramowanie bazujące na normach IEC 60287 oraz IEC 60853, które ma dwie ważne funkcje:

  • przeliczenie temperatury modułu światłowodowego (umieszczonego pomiędzy drutami żyły powrotnej – rysunek 1) na temperaturę żyły roboczej,
  • wykonywanie obliczeń obciążalności prądowej dla stanów w przyszłości (max. +24h) pozwalających na przewidzenie zachowania linii kablowej w przypadku naturalnych lub wymuszonych przeciążeń.

Narzędzie to jest przydatne do zobrazowania stanu rzeczywistego linii kablowej oraz pozwala na operowanie systemem kablowych w stanach innych niż standardowy.

Drugie narzędzie (detekcja odchylenia od standardu) pozwala na detekcję lokalnych wzrostów temperatury nie pochodzące od zmian sezonowych czy też atmosferycznych (opady).

Temperatura linii kablowej wzdłuż jej całej trasy zachowuje się podobnie, jeśli uśrednione zostaną pomiary z określonych okresów pomiarowych. Okazuje się, że przebieg temperatury linii kablowej w funkcji długości w zasadzie ma podobny kształt dla dłuższych okresów pracy, a zmienia się proporcjonalnie na całej długości linii wraz ze zmianą temperatur średnich tak powietrza, jak i gruntu. Lokalna szybka zmiana temperatury otoczenia linii kablowej związana z p. wykopami, chwilowym zwiększonym oddziaływaniem termicznym sąsiednich mediów lub lokalnymi zmianami wilgoci w jej otoczeniu powinna być interpretowana jako stan, któremu należy się przyjrzeć. Po detekcji takich zdarzeń
użytkownik wie, gdzie należy wysłać ekipy eksploatacyjne, które sprawdzą na miejscu, czy nie doszło do nieautoryzowanych prac w okolicy linii kablowej lub też nie zaistniały inne zagrożenia zewnętrzne.

Rys. 3. Odchylenie od standardu dla temperatur średnich z dwóch różnych okresów

Trzecie narzędzie (kontrola stałej czasowej) może być uzupełnieniem drugiego dla zmian szybko następujących. Zapewnia nadzór nad narastaniem temperatury lokalnej lub też dla całej długości linii kablowej w przypadku zbyt szybkiego nagrzewania się kabla monitorowanego niż wynika to z normalnej pracy linii.

Rys. 4. Przykład odchylenia od standardu dla rzeczywistych pomiarów

Studium przypadku – przykład pracy systemu lokalizującego niestandardowe zdarzenie temperaturowe

Jako potwierdzenia przydatności systemów DTS w energetyce OZE przedstawiono studium przypadku polegające na analizie zdarzenia temperaturowego w pracującej linii kablowej, które wystąpiło w sierpniu bieżącego roku. Dane pozyskano dzięki zgodzie i uprzejmości:

  • właściciela FW Jasna: Windfarm Polska III Sp. z o.o.
  • dewelopera FW Jasna: Sevivion Sp. z o.o.
Rys. 5. Miejsce wystąpienia nadmiernego wzrostu temperatury (lime)

Podczas rutynowej kontroli stanu linii wykryto wzrost temperatury w postaci piku temperaturowego w odległości około 12,4 km od urządzenia DTS. Pierwotnie podejrzewano przewiert pod drogą, jako przyczynę wzrostu temperatury. Jednak po dalszej analizie okazało się, że temperatura ta osiągnęła docelową na poziomie około 37°C, gdzie temperatura pozostałej części linii w tej okolicy wahała się od 17 do 19°C (rysunek 6).

Rys. 6. Miejsce wystąpienia nadmiernego wzrostu temperatury w postaci wykresu z DTS
Rys. 7. Miejsce wysypania nawozu

Po wizji lokalnej wskazanego przez jednostkę DTS miejsca, okazało się, że miejscowy rolnik w zaznaczonym na rysunku 5 miejscu wysypał stertę nawozu, wapna granulowanego. Dalsza analiza przyczyn powstania wzrostu temperatury pokazała, że była nią reakcja chemiczna zachodząca w stercie wapna, skutkująca wydzieleniem się ciepła ogrzewającego otoczenia kabla, co spowodowało powstanie piku temperaturowego. Analizując typowy skład wapna stosowanego w rolnictwie:

  • CaCO3 (węglan wapnia) około 60 proc.,
  • CaO (tlenek wapnia) 30-35 proc.,
  • MgO (tlenek magnezu) 15-18 proc.,
  • MgCO3 (węglan magnezu) około 30 proc.,
  • inne mikroelementy: miedź, mangan, cynk,

okazało się, że to tlenek wapnia (wapno palone) na skutek kontaktu z wodą (opadową i atmosferyczną) wchodzi w następującą reakcję:

wydzielając jako produkt reakcji wodorotlenek wapnia oraz spore ilości ciepła, które radykalnie podniosło temperaturę otoczenia kabla.

Po analizie tego zdarzenia temperaturowego można wysnuć kilka ważnych wniosków:

  1. systemy DTS są świetnym narzędziem do powiadamiania użytkownika o zdarzeniach temperaturowych wynikających z:
    • charakterystyki cieplnej otoczenia linii kablowej, które mogą nie być brane pod uwagę na etapie projektowania linii kablowej (ciepłociągi, inne linie kablowe, miejsca o utrudnionej lokalnie migracji wilgoci lub też o innej rezystywności cieplnej niż zakładano),
    • zmian warunków pracy pochodzenia innego niż sezonowość i pogoda,
  2. zewnętrzne zmiany warunków panujących lokalnie na powierzchni gruntu (jak np. sterta nawozu) może mieć wpływ na pracę linii kablowej,
  3. detekcja niestandardowych zdarzeń temperaturowych w sytuacji, kiedy pracuje ona w warunkach zbliżonych do maksymalnych (przy temperaturze 90°C żyły roboczej) ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia bezawaryjnej pracy systemu kablowego,
    • brak monitoringu zdarzeń temperaturowych w przypadku nie posiadania systemu DTS może być przyczyną awarii linii z powodu przegrzania kabli WN.

Podsumowanie i wnioski końcowe

Biorąc pod uwagę korzyści płynące z zastosowania systemów monitoringu, zwłaszcza przy wykorzystaniu ich możliwości monitorowania i informowania o stanie pracy linii kablowej na całej jej długości, można powiedzieć, że urządzenia DTS mają szersze zastosowanie i są ważniejsze dla zapewnienia bezawaryjnej pracy monitorowanego obiektu niż zwykło się sądzić. Ich możliwość detekcji zdarzeń przy użyciu zaawansowanych narzędzi programowych oraz funkcja powiadamiania daje wręcz niesamowitą możliwość obserwacji oraz szybkiego reagowania na różnego rodzaju zdarzenia mogące przyczynić się do uszkodzenia linii kablowej, a tym samym wstrzymaniu pracy całej farmy wiatrowej czy fotowoltaicznej.

Pozwala to na wysnucie następujących wniosków ogólnych:

  • zastosowanie systemów DTS w energetyce OZE jest uzasadnione,
  • systemy DTS są pomocne w przypadku rozważania zwiększenia pierwotnego obciążenia linii kablowej,
  • warto ponieść koszty inwestycyjne związane z instalacją systemu DTS lub chociaż samego przystosowania linii do późniejszego uruchomienia systemu DTS,
  • świadoma eksploatacja systemów kablowych może przyczynić się do uniknięcia awarii jedynej linii wyprowadzającej moc z punktu generacji,
  • zastosowanie systemów monitoringu z możliwością predykcji zdarzeń może pozwolić na takie sterowanie parametrami pracy farmy, aby nie przekroczyć dopuszczalnych parametrów pracy linii kablowej wyprowadzającej z niej moc.

ANDRZEJ CICHY, SensoTransel Sp. z o.o. Sp. K.
PAWEŁ WRZESIEŃ, Paweł Wrzesień Consulting

Czytaj dalej