Spolehlivost dodávky elektrické energie a blackouty

V posledních letech stále častěji dochází k poruchám elektrické rozvodné sítě, které jsou spojeny s přerušením zásobování rozsáhlých území elektřinou. Hlavní příčiny jsou:

• vysoká spotřeba v letních měsících vlivem stále rostoucího používání klimatizace
• vysoká teplota vzduchu, navíc nízké průtoky a vysoká teplota vody v řekách snižují dostupný výkon u parních elektráren
• přenosové systémy jsou více zatíženy, zvětšuje se průhyb vodičů a možnost kontaktu s vegetací
• při vysokých teplotách je (vlivem bezvětří) minimální produkce větrných elektráren a jejich výkon je nahrazován přenosem elektřiny z jiných zdrojů, často na velké vzdálenosti
• chyby v koordinaci při propojení národních energetických soustav

Samozřejmě jsou výjimky potvrzující pravidlo. K výpadku může dojít i z příčin způsobených technickým stavem sítě. Plošný výpadek elektřiny na velkém území (Blackout) je kritická událost pro celá města, regiony, státy, kontinenty. Zatímco ostatních strategických surovin mají státy zásoby na 90 dní, elektřinu skladovat nelze. Co se vyrobí, hned se spotřebuje. Co se nevyrobí, nemáme.

Blackouty jsou jednou z příčin, proč není takový tlak na důslednou elektrifikaci železnice a proč se stále používají dieselelektrické lokomotivy.

Jaké největší blackouty se v nedávné době staly?

• 20. února 1998 Auckland, Nový Zéland
• 14. srpna 2003 severovýchod USA a Kanada
• 23. září 2003 Dánsko a Švédsko
• 28. září 2003 Itálie
• 12. července 2004 Řecko
• 18. srpna 2005, Bali, Indonésie
• 27. dubna 2007 Kolumbie

Seznam dalších výpadků proudu naleznete zde ...

Ve všech (i řadě dalších) případech byly vládami příslušných států určeny vyšetřovací komise, které měly analyzovat příčiny blackoutů a vyvodit příslušná opatření. Výsledky vyšetřování mají řadu společných znaků:

• ve všech případech přenosové soustavy přenášely velké výkony na mezi zatížitelnosti
• ve všech případech byla jednou z příčin nezvládnutá situace při propojení soustav sousedních států
• liberalizace trhu a vytvoření jednotného kontinentálního trhu změnily podmínky, za kterých se musí uskutečňovat bezpečná dodávka elektřiny
• zmizelo tradiční plánování výroby a přenosu elektrické energie
• provozovatelé jednotlivých soustav jsou na sobě více závislí, na druhé straně jsou pod komerčním tlakem rostoucího počtu odběratelů
• nebyla včas rozpoznána běžná porucha (např. přeskok z vodiče vedení na větev stromu), takže nebyla včas přijata opatření a došlo ke kaskádovitému šíření poruchy
• chyběly podpůrné programy, jako je odhad bezpečnosti provozu v reálném čase a dynamický odhad stavu soustavy, který by dispečery včas varoval
• nedostatek komunikace, koordinace a ve výměně dat mezi provozovateli soustav
• jednou z příčin výpadku v Řecku bylo omezení prostředků na údržbu soustavy v důsledku velkých investic do olympiády
• ve Švédsku bylo zase jednou z příčin odstavení jaderné elektrárny Barseback, které mělo politické důvody

Jedním z výsledků analýz je vypracování směrnice EU 2005/89/ES o zabezpečení dodávky elektřiny pro infrastrukturu, která platí od 28.2.2008.

Jako zajímavost uveďme, že po Norteast Blackoutu v USA a Kanadě v roce 2003 uveřejnil prestižní časopis Facility Management Journal analýzu, jejímž výsledkem bylo doporučení všem uživatelům zdrojů UPS, aby lépe kontrolovali své baterie!!

Tento mediálně nejznámější blackout přitom začal banálním pádem několika stromů na VVN vedení. Tuto událost operátoři nezvládli a došlo k dominovému šíření poruchy. V koncovém stavu bylo od sítě odpojeno 256 energetických zdrojů. Došlo k poruchám v zásobování vodou, zkolabovala železniční i letecká doprava, telefonní síť, internet. Jen v New Yorku byla zaznamenáno 3000 požárů (od svíček). Nejvíce úmrtí vzniklo při dopravních nehodách (nefungovala světelná signalizace) a pádem zlodějů, rabujících v opuštěných domech, ze střechy nebo římsy. Došlo také k úmrtí v důsledku nadýchání zplodinami z provozu elektrocentrál.

V Itálii byla příčinou bouřka, která vyřadila linku mezi Švýcarskem a Itálií. Státní společnost ENEL ztratila kontrolu nad situací během 4 sekund. Tisíce lidí zůstaly ve vlacích a v metru, letecká doprava byla zrušena.

Nejvážnější následky měl blackout v Aucklandu. Zasáhl sice „jenom“ 1 milion obyvatel, s důsledky blackoutu se ale město nevyrovnalo dodnes. Zpočátku jednoduchá porucha na VN kabelu (město je zásobováno VN kabelovou sítí) vyvolala řetězec dalších poruch na kabelech (prakticky po každé opravě kabelu a následném připojení napětí došlo k závadě na dalších místech). Tento stav, kdy obchodní centrum města bylo zcela mimo provoz, trval 5 týdnů!!! Denně spotřebovaly nouzové agregáty 1 milion litrů nafty. Za tu dobu opustila město velká část obyvatel, ale také banky, univerzity, významné firmy… Drobným podnikatelům stát doporučil ohlásit bankrot a po zklidnění situace začít znovu.

I energetika v České republice byla již na pokraji blackoutu. Nouzový stav, vyhlášený ČEPS 24. července 2006, nebyl typickým blackoutem ve smyslu fatálního dopadu na odběratele (někdy se pro tento stav používá termín „grayout“). Žádnému spotřebiteli v ČR nebyla dodávka elektřiny přerušena. Vlivem vyhlášených regulačních stupňů museli však velcí spotřebitelé omezit odběr. Dispečink ČEPS ten den řešil více než 1.000 tísňových volání.

Vlivem přetížení sítě v sousedních státech se změnil objem toku energie v ČR jak v severojižním směru, tak i od východu na západ. Co se vlastně ten den stalo?
24. červenec byl extrémě horký, průměrná denní teplota byla 27°C, v 9 hodin ráno byla teplota již 33°C. Zatížení sítě bylo o 500MW vyšší než obvykle v tomto čase. Dne 20. května 2006 bylo při vichřici zdemolováno vedení 400kV mezi rozvodnou Hradec (klíčová rozvodna sítě ČEPS) a německým Etzenrichtem. Toto vedení bylo rychle nahrazeno provizorní linkou a byla zahájena oprava. Shodou okolností právě dne 24. července probíhalo přepojování z provizorního vedení na původní opravené.

Z důvodů oprav a revizí byly vypnuty další 4 přenosové trasy na území ČR. Po 8. hodině ráno došlo k nečekanému vypnutí rozvodny Diviča ve Slovinsku (důsledek požáru v blízkosti rozvodny) a následně k navýšení odběru z ČR do Rakouska. To vedlo k přetížení jednoho z 400kV vedení rozvodny Hradec a jeho vypnutí. Dominovým efektem pak došlo k dalším výpadkům, čímž část sítě v ČR přešla do ostrovního provozu.

Tento ostrovní provoz byl však značně nesymetrický – zůstala v něm velká část zdrojů a vykazoval přebytek výkonu 1500MW. Stejný rozdíl byl ve zbývající části soustavy, ale jako deficitní. Přesto se podařilo systém zregulovat a asi po 1 hodině soustavu ČR opět spojit.

Další dva výpadky, způsobené požárem vazební tlumivky v rozvodně Čechy střed a kontakt vedení se stromem v důsledku velkého průhybu, způsobily kolem poledne opět vznik ostrovního provozu, tentokrát s diferencí výkonu 2400MW. Zvládnout tento stav se podařilo pouze po odpojení některých elektrárenských bloků. Následně byl ve 14.00 vyhlášen stav nouze, ale síť se odlehčila pouze o 600MW. Ještě v 14.45 došlo ke vzniku dalšího ostrovního provozu. Pak se situace vlivem snížení odběru začala stabilizovat, stav nouze byl ukončen ve 23.00.

VVN sítě, provozované v ČR státním podnikem ČEPS (sítě 750 a 400kV) a krajskými distributory (dnes v rámci ČEZ - distribuce nebo EON), sledují také provozní spolehlivost. Používají parametr SEIFY (obdoba MTBF) a SEIDY (obdoba MTTR). Téměř všude jsou čidla monitorující stav sítě. Spolehlivost se vyhodnocuje dle normy PN333430 (kvalita dodávky el. energie). Spolehlivost sítí 110kV je vyšší (okruhové uspořádání) než sítí 35/22kV (paprskovité uspořádání).

Pokud jde o VN rozvodny, jejich spolehlivost prudce stoupla v 90. letech zavedením spínacích prvků na bázi SF6 , a později vakuových prvků.

Struktura VVN sítě vznikala ve 2. polovině 20. století, a byla koncipována jako ostrovní s minimálním transferem do okolních států. Zcela jiná situace je dnes, kdy česká VVN síť funguje jako tranzitní a zhruba 12% vyrobené energie vyvážíme do zahraničí. Elektrizační soustava je řízena neviditelnou rukou trhu, a „stav nouze“, kdy se podle Energetického zákona neuplatňují sankce za nedodání elektřiny, může provozovatel vyhlásit prakticky kdy chce.

Skutečnost, že na jedné straně je výrobce elektřiny odpovědný za ekonomické výsledky svým vlastníkům a stát je odpovědný za bezpečnost obyvatel, tvoří bezpečnostní mezeru. Tato mezera je eliminována Integrovaným záchranným systémem (IZS). Systém IZS však dnes nedisponuje všemi potřebnými prostředky.

V rámci řešení státního výzkumného úkolu 2A-1TP1/065 byly vyčísleny následky dvoutýdenního výpadku ve třech krajích (JČ, STČ a PAD). Ztráty se pohybují v rozmezí 15 – 22 miliard Kč, přičemž zhruba polovina jsou následky na zdraví a životech osob (při vyčíslení byla použita metodika České pojišťovny). V této částce nejsou uvedeny údaje na evakuaci a zaopatření obyvatel a náklady na logistiku (doprava pitné vody, potravin atd.).

Jaká je vlastně spolehlivost dodávky elekřiny z veřejné sítě?
Jako ilustraci uveďme fiktivní distribuční obvod, v němž za rok dojde k 30 mikrovýpadkům po 1 sekundě. Dostupnost energie pro odběratele je pak

A = ((31 536 000 – 30)/31 536 000)x100% = 99,99999048%.

To je jistě úctyhodné číslo, nicméně připouštějící za 1 rok 30 kolapsů nezálohovaných zařízení. Riziko si každý vyhodnotí sám – instalace energocentra se určitě vyplatí.

Na uvedeném příkladu je navíc vidět, jak je používání „devítek“ záludné. Tady je jich devět – a zákazník má každých 10 dní problém!

Často kladený požadavek : „Chtěl bych dodat energocentrum se čtyřdevítkovou spolehlivostí…“ má nekonečně mnoho řešení, např.:

• za dobu provozu 50 let dojde k jedné poruše, která bude trvat dva dny

• za dobu provozu 1 rok dojde k jedné poruše, která bude trvat 52 minut

• za dobu provozu 2 měsíce dojde ke dvěma poruchám, z nichž jedna bude trvat 7 minut a druhá 100 sekund

• každý týden dojde na zařízení k poruše, trvající průměrně 1 minutu (ale v některém týdnu může být trvání poruchy i delší, jindy zase kratší)

Přitom se jedná o stále stejné zařízení. Je zřejmé, že použití parametru A (dostupnost) nedává uživateli téměř žádnou konkrétní informaci o spolehlivosti.

V oboru IT a telekomunikací se často používá metodika firmy Uptime Institute Inc. Výsledky bádání této agentury lze shrnout:

• střední doba do poruchy nehraje žádnou roli pro určování kvality. Životní cykly výrobků se stále zkracují a nejsou k dispozici data o provozu za delší dobu. Navíc parametr MTBF vůbec nezahrnuje vliv lidského faktoru a opravitelnost systému.

• již v roce 1991 předpověděli, že moderní server musí mít zdvojený napájecí zdroj

• velká část problémů vzniká na lince mezi zdrojem UPS a počítačem

• výpadku informačního systému předchází pět až sedm singulárních problémů

• odolnost Informačního systému vůči poruchám znamená, že kterýkoli subsystém se může porouchat nebo ztratit napájení

• výpadek informačního systému v důsledku údržby trvá průměrně 12 hodin. Neplánovaný výpadek má za následek prodlevu 4 dny.

Ing. Karel Kuchta

Více informací z oblasti naleznete zde ...