NAPREDNE METODE ODRŽAVANJA OPREME U RASKLOPNIM POSTROJENJIMA NA TEMELJU KONTINUIRANOG PRAĆENJA STANJA POMOĆU ON-LINE SUSTAVA MONITORINGA

Transcription

1 HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE CIGRÉ 11. savjetovanje HRO CIGRÉ Cavtat, studenoga A3-01 Ana Mik Končar-Institut za elektrotehniku Mario Dujmović Hrvatska elektroprivreda d.d. Krešimir Meštrović Končar-Institut za elektrotehniku Marko Šporec Hrvatska elektroprivreda d.d. Mario Pernar Hrvatska elektroprivreda d.d. NAPREDNE METODE ODRŽAVANJA OPREME U RASKLOPNIM POSTROJENJIMA NA TEMELJU KONTINUIRANOG PRAĆENJA STANJA POMOĆU ON-LINE SUSTAVA MONITORINGA SAŽETAK Tradicionalne metode održavanja opreme u energetskim postrojenjima zahtijevaju značajna financijska sredstva i zaposlenike s velikom količinom znanja koji se znaju snaći u slučaju poremećaja rada sustava. Sustavi monitoringa stanja opreme predstavljaju značajan napredak u pouzdanosti i ekonomskoj učinkovitosti energetskih sustava. U sklopu uvođenja naprednih energetskih mreža i digitalizacije energetskog sustava, sustavi monitoringa se ističu kao jedna od osnovnih komponenti novog energetskog doba. Korištenje ovakvih sustava čini opskrbu električnom energijom sigurnijom, pouzdanijom i kvalitetnijom. Glavni cilj korištenja sustava monitoringa je predvidjeti kvar prije nego do njega dođe te na vrijeme alarmirati korisnike. Sustavom monitoringa rasklopnih postrojenja kontinuirano se prati stanje prekidača, rastavljača, mjernih transformatora i zemljospojnika. Glavna karakteristika sustava je njegova modularna struktura što znači da kupac u potpunosti izabire koji aparati i koje veličine će se pratiti. Sustav je moguće povezati sa sustavom monitoringa transformatora i generatora čime se dobiva integrirani sustav monitoringa. Podacima takvog sustava pristupa se putem web korisničkog sučelja. Prvi integrirani sustav ugrađen je u hidroelektrani Zakučac što je detaljnije prikazano u radu. Također je prikazan i trenutni razvoj ekspertnog sustava čime će se sustav monitoringa podići na višu razinu. Cilj je velike količine prikupljenih podataka obraditi na način da se korisnicima daju savjeti o održavanju i otklanjanju kvarova. Budući da sustav raspolaže mnoštvom podataka i pohranjuje ih, sve te prikupljene podatke moguće je iskoristiti u još jednu svrhu: za ekonomsku analizu. Pomoću sustava je moguće izrađivati plan održavanja i financijski plan za buduće razdoblje: plan investicija i proračun budućih troškova. Na temelju tih podataka može se izraditi proračun troškova životnog vijeka opreme što pomaže u pronalaženju optimalnih tehnologija, konfiguracija ili operativne strategije upotrebe te opreme. Primjena proračuna troškova životnog vijeka na različite strategije upotrebe resursa ima za posljedicu smanje troškova održavanja uzimajući u obzir sve relevantne parametre. Dakle, sustav monitoringa usmjerava donošenje odluka korisnika u tehničkom i ekonomskom području. Ključne riječi: sustav monitoringa, rasklopno postrojenje, prekidač, ekspertni sustav, trošak radnog vijeka 1

2 ADVANCED METHODS OF SWITCHGEAR APPARATUS MAINTENANCE BASED ON CONTINUOUS ON-LINE MONITORING SYSTEM SUMMARY Traditional methods of power plant equipment maintenance require significant financial resources and expert who can manage every type of the system disruption. Equipment monitoring system represents a significant improvement in the reliability and economic efficiency of energy systems. During the introduction of Smart grids monitoring systems stand out as one of the basic components of a new energy era. Using such systems makes electricity supply safer, more reliable and of better quality. The main objective of using a monitoring system is to predict failure before it occurs and to alarm the users on time. Switchgear monitoring system continuously monitors the state of circuit breakers, disconnectors, instrument transformers and earthing switches. The main feature of the system is its modular structure, which means that the customer fully chooses which devices and values are to be monitored. The system can be connected to the transformer and generator monitoring systems which produces an integrated monitoring system. Data of such system can be accessed via a web user interface. The first integrated system was installed in the hydro power plant Zakučac which is shown in the paper. The current development of an expert system is also shown, which will take a monitoring system to a higher level. The goal is to provide users with tips on maintenance and repair. Since the system stores all kinds of data it can be also used in another purpose: for economic analysis. Using the system it is also possible to create a maintenance plan and a financial plan: investment plan and budget for future expenses. Based on these data, a lifecycle cost analysis can be made which helps in finding the optimal technology, configuration or operational strategies of the equipment usage. Usage of the life cycle cost calculation results in maintenance costs reduction. Hence, the monitoring system helps in decision making in technical and economic sphere. Key words: monitoring system, switchgear, circuit breaker, expert system, lice cycle cost calculation 1. METODE ODRŽAVANJA Tradicionalne metode održavanja vodile su se principom korektivnog održavanja (engl. Corrective maintenance) ili periodičnog održavanja (engl. Time-based maintenance). Kod korektivnog održavanja zamjena ili popravak komponente obavlja se tek kad dođe do kvara. Ova metoda se koristi u slučajevima gdje su troškovi nabave opreme niski i kvar ima neznatne efekte budući da se na taj način postižu najmanji ukupni troškovi. Ovu metodu nije preporučljivo primjenjivati u visokonaponskim rasklopnim postrojenjima. Metoda koja je primjenjivana u rasklopnim postrojenjima je periodično održavanje kod kojeg se komponente provjeravaju i/ili mijenjaju u određenim vremenskim intervalima koji su određeni s obzirom na iskustvo ili preporuke proizvođača. Taj pristup nije novčano isplativ u svim slučajevima, budući da se može dogoditi da obavimo postupak dijagnostike ili zamijenimo komponentu prije nego što je potrebno, ili da dođe do kvara između dva održavanja što može izazvati velike financijske posljedice, naročito ako se kvar proširi na ostalu opremu. S razvojem elektronike i senzora te naprednih metoda prikupljanja signala počelo je uvođenje sustava monitoringa u praćenje stanja opreme te se prelazi na održavanje s obzirom na stanje (engl. Condition based maintenance). Tehnologija prediktivnog održavanja (engl. Predictive maintenance) koristi se u današnjim sustavima da bi se ustanovilo stanje opreme te da bi se odredio termin kad je potrebno obaviti popravak ili zamjenu dijelova kod kojih je uočen poremećaj u karakteristici. Cilj je kvar predvidjeti prije nego do njega dođe. Takav način održavanja omogućuje smanjenje troškova u odnosu na tradicionalne metode održavanja. Poznavajući stanje opreme izrađuje se plan održavanja na temelju kojeg je moguće bolje raspolaganje resursima: izrada plana za tehničko osoblje zaduženo za održavanje i ekonomičnije skladištenje rezervnih dijelova. Umjesto neplaniranih prekida u radu, prekidanje se odvija planirano i kratkotrajno, čime se povećava raspoloživost sustava. Uvođenjem sustava monitoringa u rasklopna postrojenja postižu se i druge prednosti kao što je produženje radnog vijeka opreme, povećanje sigurnosti 2

3 za osoblje u transformatorskim stanicama, smanjenje zagađenja okoline (sprječavanje ispuštanja sumpor heksafluorida u atmosferu) te smanjenje ukupnih troškova životnog vijeka opreme. 2. MONITORING RASKLOPNIH POSTROJENJA Sustavi monitoringa služe za kontinuirani nadzor stanja opreme [1]. U području rasklopnih postrojenja takvim sustavima se nadziru: prekidač, rastavljač, strujni mjerni transformator, naponski mjerni transformator, zemljospojnik. Sustav monitoringa se može primijeniti na običnom rasklopnom postrojenju i na metalom oklopljenom, plinom sumpor heksafluoridom (SF6) izoliranom rasklopnom postrojenju (engl. Gas Insulated Switchgear - GIS). Korištenje ovakvih sustava čini opskrbu električnom energijom sigurnijom, pouzdanijom i kvalitetnijom. Pretpostavimo samo što će se dogoditi kad se počnu koristiti automobili koji za svoj pogon koriste električnu energiju te do čega će dovesti uvođenje otvorenog tržišta električne energije. Korisnici će birati onog distributera električne energije koji pruža kvalitetniju, pouzdaniju, jeftiniju i ekološku isporuku. Glavni cilj korištenja sustava monitoringa je predvidjeti kvar prije nego do njega dođe te na vrijeme alarmirati korisnike. Prekid isporuke električne energije u proizvodnim postrojenjima može dovesti do velikih materijalnih troškova. Uzmimo za primjer prekid u isporuci električne energije na samo jednu sekundu. Mikroprocesor koji je zadužen za upravljanje robotom koji boja dijelove za automobile može uništiti završetak jednog ili više automobila i stvoriti probleme u cijelom sustavu montaže dijelova. Nadalje, problemi sa isporukom elektri čne energije mogu dovesti do problema kod proizvodnje elektroničkih komponenti te uništiti cijelu seriju. Kod just-in-time proizvodnih procesa male smetnje u proizvodnji mogu dovesti do velikih problema koji se mogu prenijeti čak do malih krajnjih distributera tih proizvoda te dovesti do novčanih gubitaka. U ovakvim slučajevima od distributera električne energije može se tražiti nadoknada troškova u vidu penala kojima bi se nadoknadio nastali gubitak. Također voditelji energetskih postrojenja trebaju uzeti u obzir i indirektne troškove: budući da energija nije isporučena, ne može se naplatiti Tehnički opis sustava monitoringa Sustav motrenja rasklopnih postrojenja sastoji se od sljedećih elemenata: senzora koji prikupljaju mjerene veličine, kontrolera koji prikuplja vrijednosti sa senzora te obavlja jednu razinu obrade podataka, serverskog računala na kojem se dalje obrađuju prikupljeni podaci i spremaju u bazu te ono također služi kao veza prema klijentima, klijentskih računala na kojima se nalaze klijentske aplikacije pomoću kojih korisnici pristupaju podacima. Sustavom se prikupljaju razne analogne izmjerene vrijednosti te digitalne vrijednosti koje su uglavnom vezane uz operacije uklopa i isklopa. Osim tih vrijednosti postoje i proračunate veličine koje se dobivaju raznim matematičkim obradama prikupljenih podataka. Signali koje se prate na prekidaču su: napon faze, struja glavnog kruga, struja uklopnog svitka, struja isklopnog svitka, put kontakata, hidraulički tlak, triger uklopa, triger isklopa, triger motora, stanje prekidača (uklopljen, isklopljen), lučni integral, 3

4 sklopna vremena (uklop, isklop, uklop-isklop), brzina kontakata, promjena tlaka plina kod sklopnih operacija, iscrtavanje sive zone iz struje svitka prekidača. Kod rastavljača važne su sljedeće veličine: put kontakata, struja motora, triger uklopa, triger isklopa, stanje rastavljača (uklopljen, isklopljen), sklopna vremena (otvaranja, zatvaranja), brzina kontakata. Mjerni transformatori daju nam sljedeće veličine: hidrostatski tlak, struja glavnog kruga, napon glavnog kruga Sumpor heksaflourid - staklenički plin Iako SF6 plin posjeduje izvrsna dielektrična svojstva te se u visokonaponskim aparatima koristi kao medij za izolaciju i gašenje luka, potrebno je obratiti pažnju na njegova štetna svojstva [2]. Naime, otkriveno je da je to plin s najvećim potencijalom za pojačavanje efekta staklenika. Jedna tona sumporovog heksafluorida ima stakleničko djelovanje u sljedećih 100 godina kao tona ugljičnog dioksida. Osim toga, atmosferski životni vijek toga plina je godina, što znači da će na efekt staklenika djelovati u idućim tisućljećima. Protokolom iz Kyota SF6 plin je uvršten u grupu od 6 stakleničkih plinova čiju emisiju je potrebno smanjiti. U Europi SF6 plin spada pod direktivu F-plina koja dozvoljava njegovu potrošnju u samo nekoliko primjena među kojima je upotreba u visokonaponskoj energetskoj opremi. Doneseni su strogi zakoni koji prate upotrebu SF6 plina, od kojih je u Hrvatskoj važeća Uredba o praćenju emisija stakleničkih plinova, politike i mjera za njihovo smanjenje u Republici Hrvatskoj (NN 87/2012). Sastavni dio Uredbe je gospodarenje izravnim stakleničkim plinom sumporovim heksafluoridom. Zbog toga je važno naglasiti da sustav monitoringa rasklopnih postrojenja (prekidača, GIS-a) pruža uvid u stanje SF6 plina mjerenjem sljedećih veličina: temperature plina SF6, točke rosišta plina SF6, gustoće plina SF6, tlaka plina SF6, tlaka plina pri 20 C. Osim navedenih veli čina na metalom oklopljenim, SF6 plinom izoliranim rasklopnim postrojenjima prate se i parcijalna izbijanja SF6 plina. Uvidom u te veličine može se na vrijeme uočiti probleme sa SF6 plinom tj. s gubicima SF6 plina. Pravovremenim uočavanjem problema zadržava se prekidna moć sklopnih aparata, a u isto vrijeme se štiti od ispuštanja SF6 u atmosferu čime sustav monitoringa ispunjava svoju ekološku funkciju. 3. SUSTAV MONITORINGA U HE ZAKUČAC U sklopu revitalizacije hidroelektrane Zakučac u periodu od g. u rasklopnom postrojenju biti će ugrađen sustav monitoringa kojim će se pratiti stanje aparata četiri generatorska polja. Sustav monitoringa rasklopnih postrojenja projektiran za HE Zakučac je sastavni dio Integriranog sustava monitoringa koji osim rasklopnih postrojenja nadzire i turbine, generatore te transformatore. 4

5 Sustav monitoringa rasklopnih postrojenja je modularan te se u potpunosti prilagođava zahtjevima klijenata i tipu opreme. Tako je i sustav monitoringa za HE Zakučac prilagođen aparatima u polju te zahtjevima i idejama korisnika. Slika 1. Sučelje sustava monitoringa rasklopnih postrojenja (engl. Bay Monitoring System) 4. EKSPERTNI SUSTAV-TEHNIČKA I EKONOMSKA ANALIZA Sustavom monitoringa rasklopnih postrojenja prikuplja se veliki broj podataka. Uzmimo za primjer polje kod kojeg se prate sve tri faze i svi signali koje je moguće pratiti na prekidaču, rastavljaču, zemljospojniku i mjernom transformatoru. U takvom sustavu skuplja se preko 100 signala. Tolika količina podataka korisnicima je prevelika i stoga može doći do toga da jednostavno ne znaju što učiniti ili čak da počnu ignorirati sustav. Za interpretaciju tolike količine podataka je potrebno imati stručnjaka eksperta koji raspolaže velikom količinom znanja, što je također dodatni problem. Stoga se trenutno u Končar - Institutu za elektrotehniku, kao nadogradnja postojećeg sustava monitoringa, razvija ekspertni sustav. Uvođenjem umjetne inteligencije pomoći će se korisnicima tako što će im se davati savjeti na temelju prikupljenih podataka. Najčešće korištene metode za ovakve sustave su primjena neizrazite logike (engl. Fuzzy logic) i neuronskih mreža. Takav pristup je moguć ukoliko postoji baza podataka sa dosadašnjim kvarovima i uzrocima takvih kvarova. Međutim, budući da sustav monitoringa postoji tek nekoliko godina i da ne postoji baza podataka na temelju kojih se može izraditi kvalitetna npr. neuronska mreža potrebno je do podataka doći na drugačiji način. Stoga se u trenutnom razvoju ekspertnog sustava monitoringa podatke uzima iz tri izvora: 1. Podaci o kvarovima dobiveni iz ankete CIGRE [3], 2. Podaci dobiveni simulacijom u Matlabu i ostalim adekvatnim programima, 3. Podaci dobiveni od eksperata u području visokonaponske opreme: zaposlenika HEP-a u održavanju i transformatorskim stanicama, zaposlenika u razvoju i održavanju opreme u tvrtci Končar. Jedan od pristupa u izradi ekspertnog sustava je korištenje Bayesove teorije odlučivanja [4], [5]. Korištenje ove metode je tipično za modeliranje ekspertnog sustava na osnovi znanja koje o tom sustavu posjeduju stručnjaci iz tog područja. Vjerojatnosti pojave kvara dobivaju se na temelju statističkih podataka ili na temelju iskustva eksperata u tom području [6], [7]. Ukoliko se uzimaju podaci od nekoliko osoba moguće je na temelju njihovog iskustva dati težinu pojedinom kvaru [8] Pomoć u planiranju troškova i izradi rasporeda održavanja Osim nadogradnje sustava monitoringa programskim aplikacijama koje obavljaju tehničku analizu, cilj je razviti dodatni sustav kojim će se pratiti stanje što većeg broja aparata, koji je ekonomski 5

6 isplativ i pomoću kojeg se planira održavanje te se automatski prate troškovi, takozvani računalni sustav za upravljanje održavanjem (engl. Computerized maintenance management system - CMMS). Time se ekspertni sustav podiže na višu razinu tako da se, osim što se obavlja standardna tehnička analiza, odgovara i na najvažnije pitanje voditelja energetskih postrojenja: koliki će biti trošak? Sustav će također pomagati u izradi financijskih planova za buduće razdoblje: planu investicija i proračunu budućih troškova bazirano na planu održavanja koji se izrađuje na temelju podataka o stanju opreme dobivenih sustavom monitoringa. Metode koje se koriste u izradi ekonomskog dijela sustava su: Life cycle cost analysis i Decision making. Proračun troškova životnog vijeka opreme pomaže u pronalaženju optimalnih tehnologija, konfiguracija ili operativne strategije. Primjena proračuna troškova životnog vijeka na različite strategije upotrebe resursa ima za posljedicu smanje troškova održavanja uzimajući u obzir sve relevantne parametre. Nakon proračuna troškova životnog vijeka potrebno je izabrati optimalnu metodu održavanja [9]. Upotreba strategije održavanja bazirane na održavanju s obzirom na pouzdanost (engl. Reliability Centred Maintenance - RCM) [10] vodi do zaključka koju opremu je potrebno popraviti ili zamijeniti. Prednost se daje održavanju onih elemenata za koje postoji veća vjerojatnost da će doći do kvara i kod kojih su posljedice kvara veće i opasnije. Ukoliko se dođe do zaključka da je opremu bolje zamijeniti s novom opremom nego ju popravljati, opet se postavlja pitanje: da li zamijeniti samo taj element ili kompletan sustav. Odgovor na ovo pitanje daje proces donošenja odluka (engl. Decision making process) [11]. Problem optimizacije održavanja traži udovoljavanje nekoliko zahtjeva [12]: 1. Minimalizacija održavanja i troškova popravka, 2. Maksimalizacija rada u mreži, 3. Minimalizacija rizika nastanka kvara. Dakle, cilj je filtrirati i pretvoriti mnoštvo podataka skupljenih sustavom monitoringa u skup smislenih informacija upotrebom alata za pomoć u odlučivanju. Dobivene informacije je moguće ugraditi u različite procese koji sačinjavaju radni vijek proizvoda. Stoga se program za prediktivno održavanje koristi kao tehnički uvid u vrijednosti mnoštva parametara koji ukazuju na stanje opreme te se uvidom u te iznos tih parametara kroz vrijeme (trendove) donose odluke o vrsti i rasporedu aktivnosti vezanih uz popravke i održavanje. Cilj je dobiti efikasne ekonomske poslovne parametre [13]. Također, programi koji služe kao potpora u prediktivnom održavanju pružaju uvid u "povijesne" podatke pomoću kojih je moguće obaviti analizu uzroka kvara (engl. root cause analysis). Na kraju uz sve ostale prednosti potrebno je spomenuti i efikasno upravljanje skladištenjem rezervnih dijelova koje uključuje smanjenje troškova skladištenja i povećanje pouzdanosti fokusiranjem na skladištenje kritičnih dijelova. Također se smanjuju rizici i povećava pouzdanost kod donošenja odluka procjenom povratka investicija i analizom svih uključenih rizika te bolje upravljanje troškovima održavanja i izvještavanjem čime se povećava transparentnost i poboljšava izrada proračuna budućih troškova [14]. 5. ZAKLJUČAK Glavni cilj programa za upravljanje imovinom (engl. Asset Management Services) u energetskim postrojenjima je smanjenje ukupnih troškova u koje su također uračunati i troškovi nastali zbog neplaniranih prekida isporuke električne energije. Mnoge tvrtke još uvijek vide održavanje samo kao trošak. Potrebno je promijeniti to gledi šte budući da su direktne posljedice izbora kvalitetnih metoda održavanja produženje rada opreme te poboljšanje financijskog rezultata. U proračun gubitaka nastalih zbog kvarova treba uračunavati i "skrivene" troškove koje treba kontrolirati kako bi se postigla maksimalna iskoristivost imovine tvrtke. Poboljšanje održavanja znači postizanje optimalne ravnoteže između metoda održavanja i resursa kako bi se optimirali troškovi održavanja i iskoristivost opreme te povećala dobit. Kvalitetno održavanje utječe na povećanje upotrebljivosti opreme (produženja radnog vijeka) i optimiziranje skladištenja rezervnih dijelova. Drugim riječima dobiva se više, uz manje troškove i u dužem periodu. To je najbolji način da se izbjegnu nove investicijske potrebe. 6

7 6. LITERATURA [1] K. Meštrović, M. Poljak, M. Vidović, M. Furčić, M. Lončar, I. Maras, A. Mik, New concept of highvoltage switchgear on-line monitoring system, 16 th International Symposium on high-voltage engineering ISH 2009, South Africa, Cape Town, August [2] P. Glaubitz, C. Wallner, Gas-Insulated-Substations SF6 gas handling, EPA s 2012 Workshop on SF6-emission reduction strategies, Atlanta, Georgia; April 17-18, 2012 [3] K. Meštrović, "Postupci određivanja pokazatelja pouzdanosti visokonaponskih SF6 prekidača", doktorska disertacija, Zagreb, Fakultet elektrotehnike i računarstva, [4] J. D. McCalley et al., Automated Integration of ConditionMonitoring with an Optimized Maintenance Scheduler for CircuitBreakers and Power Transformers, Final Project Report, Power Systems Engineering Research Center, [5] I. Štajduhar, Učenje Bayesovih mreža iz cenzuriranih podataka [6] Mark L Krieg, A Tutorial on Bayesian Belief Networks [7] S. Natti, M. Kezunović, Assessing circuit breaker performance using condition-based data and Bayesian approach [8] K. Meštrović, D. Žigman, G. Malčić, Prvi rezultati međunarodne ankete CIGRE o pouzdanosti visokonaponske opreme, 7. Savjetovanje HRO CIGRE, Cavtat, [9] P. Glaubitz, Residual life concepts applied to HV SF6-gas insulated switchgear considering tightness, EPA s 2009 Workshop on SF6-emission reduction strategies, Phoenix, Arizona, February 4-5, [10] G. Balzer, "Condition assessment and reliability centered maintenance of high voltage equipment", Electrical Insulating Materials, (ISEIM 2005). Proceedings of 2005 International Symposium [11] D. Dolezilek, G. Rocha, "Decision-making information from substation IEDs drives equipment life extension, modernization, and retrofitting", Innovative Smart Grid Technologies (ISGT Europe), nd IEEE PES International Conference and Exhibition, 5-7 Dec [12] Fazel Zarandi M.H.,Rahimi Chatri M., Life cycle cost analysis of high voltage substations evaluation with fuzzy expert systems, International journal of engineering science, (english) Fall 2004; 15(4): [13] Phuwanart Choonhapran, Applications of High Voltage Circuit-Breakers and Development of Aging Models, Doktorska disertacija [14] P. F. Gale, Extending SCADA systems to provide cost effective distribution switchgear condition monitoring, Power System Monitoring and Control, Third International Conference,