linia-SN

Wpływ technologii budowy linii średniego napięcia na niezawodność sieci

Wysoka niezawodność sieci jest jednym z kluczowych zadań operatorów systemu dystrybucyjnego. Postawione przez Urząd Regulacji Energetyki cele ograniczenia wartości wskaźników obszarowych CTP i CP, a w poprzednim okresie regulacyjnym SAIDI i SAIFI, stanowią poważne wyzwanie dla wszystkich spółek dystrybucyjnych.

Zadania nie ułatwia starzejący się majątek sieciowy, który zmusza OSD do inwestycji w całą sieć, również w obszarach, gdzie proces modernizacji co prawda zdecydowanie poprawia stan techniczny i bezpieczeństwo majątku energetycznego, ale jednocześnie teraz nie wpływa istotnie na poprawę osiąganych wartości wskaźników jakościowych. Są jednak inwestycje, które dobrze wpisują się w proces ciągłego ograniczania przerw w dostawach energii elektrycznej dla odbiorców. Należy do nich kablowanie sieci średniego napięcia, czyli tej część sieci dystrybucyjnej, która ma decydujący wpływ na poziom wskaźników niezawodnościowych [4]. Pod pojęciem ,,kablowania sieci’’ przyjęto zarówno zastępowanie linii napowietrznych kablowymi, jak budowę nowych linii kablowych.

Do największych zalet linii kablowych należy ich niska awaryjność i duża odporność na czynniki pogodowe [2, 5]. Efektem tego jest korelacja stopnia skablowania linii SN ze wskaźnikami SAIDI i SAIFI, wskazująca na wzrost niezawodności sieci wraz ze zwiększaniem udziału linii kablowych w całkowitym wolumenie sieci średniego napięcia. Trudno znaleźć informacje, które jakościowo opisywałyby tę zależność. W związku z tym w artykule podjęto próbę odpowiedzi na pytanie: jakich wartości SAIDI i SAIFI można oczekiwać przy określonym poziomie skablowania sieci?

Linie średniego napięcia to, według stanu na koniec 2019 roku, w 72,4 proc. linie napowietrzne. Wśród nich największy udział mają linie z przewodami gołymi (prawie 93 proc.). Około 6,6 proc. linii napowietrznych to linie w osłonie; linii z izolacją pełną jest niecały procent. Pokazane na rysunku 1 zmiany długości poszczególnych typów linii obrazują kierunek, jaki przyjęły OSD w zakresie budowy linii SN. Zdecydowanie przybywa linii kablowych; widać także wzrost długości linii napowietrznych w osłonie. Wszystko to skutkuje zmniejszaniem udziału linii napowietrznych z przewodami gołymi w całkowitej długości tej sieci.

Rys. 1. Długość linii SN (w km) dla pięciu największych OSD w podziale na technologie budowy (opracowanie własne na podstawie danych OSD)

Na potrzeby realizacji celu artykułu analizie poddano zależności pomiędzy wartościami wskaźników SAIDI i SAIFI a stopniem skablowania sieci średniego napięcia. Przeprowadzono ją dla danych z poziomów rejonów energetycznych z lat 2015-2019. Na wykresach 2 i 3 podano liczbę rekordów (n) przypisanych do poszczególnych przedziałów skablowania. Aby jak najlepiej ocenić wpływ stopnia skablowania sieci SN, wartości SAIDI i SAIFI, jakie przyjęto do analizy, dotyczyły tylko zdarzeń na średnim napięciu.

Wyniki zależności wskaźnika SADI od stopnia skablowania pokazano na rysunku 2, a podstawowe statystyki zamieszczono w tabeli 1. Podobne informacje dla wskaźnika SAIFI zawierają rysunek 3 i tabela 2.

Tabela 1. Podstawowe parametry statystyczne SAIDI rejonów energetycznych, dla przedziałów stopnia skablowania linii SN, 2015-2019 (opracowanie własne na podstawie danych OSD).
Rys. 2. Zależność wskaźnika SAIDI rejonów energetycznych od stopnia skablowania linii SN, 2015-2019 (opracowanie własne na podstawie danych OSD).
Tabela 2. Podstawowe parametry statystyczne SAIFI rejonów energetycznych w przedziałach stopnia skablowania linii SN, 2015-2019 (opracowanie własne na podstawie danych OSD).
Rys. 3. Zależność wskaźnika SAIFI rejonów energetycznych od stopnia skablowania linii SN, 2015-2019 (opracowanie własne na podstawie danych OSD).

Przedstawione wyniki wskazują, że istnieje wyraźna zależność pomiędzy stopniem skablowania linii średniego napięcia a niezawodnością sieci, zarównano w przypadku wskaźników SAIDI, jak i SAFI. Kablowanie linii SN w istotny sposób wpływa na poprawę niezawodności sieci. Wraz ze wzrostem poziomu skablowania, wzrasta także koncentracja wartości wokół średniej, wyraźnie szybciej dla SAIFI niż dla SAIDI. Dla poszczególnych przedziałów stopnia skablowania wartości wskaźników są różne, niemniej widać pewne podobieństwa pomiędzy grupami. Przeprowadzona segmentacja pokazała wyraźnie podział na trzy skupienia. Na rysunku 4 pokazano dendrogram, który ilustruje wyniki grupowania przedziałów skablowania (podanych w tabeli 1, opisanych przez wartość średnią oraz odchylenie standardowe) przy wykorzystaniu metody Warda. Warto również zaznaczyć, że podobieństwo skupień wzrasta ze wzrostem skablowania linii. Skupienia 2 i 3 na pewnym poziomie można uznać za podobne. Skupienie 1 nie łączy się natomiast z żadną inną grupą. Równie jednoznaczne wyniki uzyskano dla wartości odnoszących się do wskaźnika SAIFI.

Rys. 4. Grupowanie przedziałów skablowania sieci SN metodą Warda, dla danych z tabeli 1

Na podstawie otrzymanych wyników linie kablowe średniego napięcia ze względu na stopień skablowania możemy podzielić na trzy grupy:

  1. Stopień skablowania do 30 proc.
  2. SAIDI: wysokie wartości wskaźnika rzędu 230-250 min, odchylenie standardowe 80-110 proc. wartości wskaźnika. W tej grupie zanotowano kilkanaście wartości odstających i kilka ekstremalnych.
  3. SAIFI: wartość wskaźnika 3,4-3,6, odchylenie standardowe stanowi 50-60 proc. wartości wskaźnika. W tej grupie zanotowano kilka wartości odstających i jedną ekstremalną.
  4. Stopień skablowania w zakresie od 30 do 70 proc.
  5. SAIDI: wartości rzędu 140-170 min, odchylenie standardowe stanowi 60-80 proc. wartości wskaźnika. Zanotowano kilka wartości odstających, brak wartości ekstremalnych.
  6. SAIFI: wartości rzędu 2,2-2,6, odchylenie standardowe 40-50 proc. wartości wskaźnika. W tej grupie nie wystąpiły wartości odstające i ekstremalne.
  7. Stopień skablowania powyżej 70 proc.
  8. SAIDI: wartości 50-70 min, odchylenie standardowe wynosi 30-60 proc. wartości wskaźnika. W tej grupie nie wystąpiły wartości odstające i ekstremalne.
  9. SAIFI: wartości 0,9-1,3, odchylenie standardowe 30-40 proc. wartości wskaźnika. W tej grupie nie wystąpiły wartości odstające i ekstremalne.

Przedstawione wyniki są również zbieżne ze wskaźnikami uszkodzeń linii SN (rysunek 5). Awaryjność linii kablowych jest mniejsza niż napowietrznych i co najważniejsze ma trend malejący, czego nie można powiedzieć o liniach napowietrznych.

Rys.5. Wskaźniki uszkodzeń na 100 km linii SN (w sztukach) eksploatowanych w sieciach dystrybucyjnych w Polsce [1]

Dla oceny niezawodności równie ważny, co liczba awarii, jest także czas przerwy w dostawie energii elektrycznej wynikający z tych zdarzeń (rysunek 6). W tym przypadku rezultaty nie są już tak jednoznaczne. Co prawda krótsze czasy zawsze występują dla linii kablowych, ale w ostatnich dwóch latach wartości te są zbliżone. Prawdopodobnie dlatego, że w tym okresie nie występowały
w takim nasileniu jak w latach wcześniejszych niekorzystne warunki atmosferyczne (o charakterze klęsk żywiołowych).

Rys. 6. Średni czas przerwy (w godzinach) w dostawie energii dla linii SN eksploatowanych w sieciach dystrybucyjnych w Polsce [1]

Analizując awaryjność linii napowietrznych i kablowych SN, najczęściej z braku danych pomija się technologię, w jakiej powstały i lata ich budowy. Patrząc na statystykę wiekową (rysunek 7), należy mieć świadomość, że porównujemy stare linie napowietrzne – aż 42 proc. z nich wybudowano ponad 40 lat temu – ze stosunkowo nowymi liniami kablowymi (35 proc. ma poniżej 10 lat). Jest to istotne szczególnie w przypadku linii napowietrznych. Zupełnie inaczej wyglądały one 40 lat temu niż te budowane w ostatnich latach. Obecne linie napowietrzne SN to linie z przewodami w osłonie na słupach wirowanych. Tego typu linie są na pewno mniej awaryjne niż stare linie z przewodami gołymi wybudowane na żerdziach ŻN. Potwierdziła to także prosta analiza statystyczna: współczynnik korelacji pomiędzy SAIDI a stopniem skablowania dla linii SN dla danych za 2019 rok wynosi -0,39. Zależność pomiędzy SAIDI a sumą linii kablowych i linii z przewodami w osłonie wykazuje silniejszą korelację 0,-43. Z czego możemy wnioskować, że tam, gdzie wśród linii napowietrznych więcej jest linii w osłonie, SAIDI jest mniejsze.

Rys. 7. Statystyka wiekowa linii SN w 2019 roku (opracowanie własne na podstawie danych OSD)

Oceniając wpływ linii kablowych SN na wskaźniki SAIDI i SAIFI należy również pamiętać, że linie kablowe to linie na obszarach miejskich, gdzie najczęściej spotykanym układem pracy sieci jest układ zamknięty. W takich przypadkach istnieje możliwość zasilania odbiorcy z dwóch niezależnych źródeł, co w oczywisty sposób wpływa na większą niezawodność sieci.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku linii napowietrznych SN, które najczęściej występują na obszarach wiejskich i pracują jako sieci otwarte. Co prawda, zainstalowane w ostatnich latach w głębi sieci łączniki sterowane radiowo skracają czas trwania lokalizacji miejsca uszkodzenia oraz samego zakłócenia, niemniej jednak należy przyjąć, że układ pracy sieci, w jakim pracują linie kablowe, działa korzystnie na ocenę ich niezawodności.

Podsumowanie

Wyniki przedstawione w artykule potwierdzają zależność, że im wyższy poziom skablowania linii SN, tym większa niezawodność sieci.

Przeprowadzona analiza wskazuje, że linie średniego napięcia możemy podzielić ze względu na stopień skablowania na trzy grupy, charakteryzujące się podobnymi wskaźnikami SAIDI i SAIFI. Wartościami granicznymi są poziomy 30 i 70 proc.

  1. Stopień skablowania do 30 proc. Obszary o takim udziale linii kablowych charakteryzują się wysokimi wskaźnikami SAIDI i SAIFI, dużym rozrzutem wartości oraz występowaniem wartości odstających i ekstremalnych.
  2. Stopień skablowania w zakresie od 30 do 70 proc. Mniejsze wartości wskaźników, wartości odstające tylko dla wskaźnika SAIDI, brak wartości ekstremalnych.
  3. Stopień skablowania powyżej 70 proc. Najmniejsze wartości wskaźników SAIDI i SAIFI, najmniejszy rozrzut, brak wartości odstających i ekstremalnych.

Mimo wysokiego priorytetu, jaki mają w ostatnich latach inwestycje dotyczące kablowania sieci SN, rocznie udział linii kablowych w liniach SN zwiększa się o 0,8-0,9 p.p. Dla obszaru pięciu największych OSD wyniósł on na koniec 2019 roku 27,6 proc. Prawdopodobnie w 2022 roku przekroczy on granicę 30 proc., czyli patrząc na wyniki zaprezentowane w artykule, za kilka lat możemy się spodziewać (większe prawdopodobieństwo) wyraźnego obniżenia wartości wskaźników SAIDI i SAIFI.

Jarosław Tomczykowski, Biuro PTPiREE

Literatura

1. Agencja Rynku Energii, Statystyka elektroenergetyki polskiej 2012-2018, Warszawa, 2013-2019.

2. Chojnacki A., Kablowanie sieci dystrybucyjnych średniego i niskiego napięcia jako metoda zwiększania niezawodności zasilania odbiorców energią elektryczną, ,,Elektro Info’’ 12/2019.

3. Raport PTPiREE „Energetyka. Dystrybucja i Przesył”, 2019 rok.

4. Tomczykowski J., Kluczowa rola linii SN w ocenie niezawodności sieci dystrybucyjnych, ,,Energia Elektryczna’’ 8/2019.

5. Michał Wawszczak, Program zwiększenia udziału linii kablowych do 30 proc. w sieci SN PGE Dystrybucja SA w celu ograniczenia przerw w dostawach energii elektrycznej, III Lubelskie Forum Energetyczne, Nałęczów 2019.

Czytaj dalej