Čtvrthodinové maximum

 

Regulátory čtvrthodinového maxima jsou průmyslové automatizační přístroje, resp. decentralizované mikroprocesorové řídicí systémy určené pro přímé řízení technologických procesů. Regulační proces současných regulátorů spotřeby probíhá ve dvou základních režimech:

Hladinový režim (obr. 1)

a) režim vyhodnocující odebíranou činnou elektrickou práci (kW·h) od začátku čtvrthodinového intervalu.

 

K aktivaci příslušného stupně dojde tehdy, když množství odebrané energie od začátku měřicího intervalu dosáhne nastavené hodnoty. Při překročení maxima se odpojí všechny kanály. Ke zpětnému připojení spotřebiče dojde až na začátku dalšího měřeného intervalu.

 

Doba na začátku čtvrthodinového intervalu, ve které se zařadí pásmo nečinnosti regulátoru, kdy je regulace potlačena a všechny kanály jsou připojeny, se stanovuje na základě analýzy odběru podniku.

 

Překročí-li spotřebovaná práce první úroveň (hladinu), je dána první výstraha (např. světelná signalizace), po překročení druhé úrovně se vyhodnotí druhá výstraha (akustická) a na třetí se odpojí výstupní kanál. Nastavení výstupů je konstantní po celý čtvrthodinový interval, kdy se vrací do původního stavu.

 

Hladinový režim vyhodnocující odebíranou činnou elektrickou práci má statický charakter s pevným přiřazením výstupů k nastaveným rozhodovacím hladinám regulace a lze jej považovat za zvláštní případ dvoupolohové regulace.

 

b) režim, který vyhodnocuje střední hodnotu činného výkonu (kW). Při poklesu výkonu pod sledovanou hladinu se stav výstupů vrací do klidových hodnot. Popisovaný režim může pracovat nezávisle na čtvrthodinovém intervalu a lze ho použít jako omezovač okamžitého výkonu.

Trendový režim (predikační algoritmus) je založen na sledování trendu (predikci) spotřeby činné elektrické energie. Podle trendu v průběhu aktuální spotřeby je dopočítávána spotřeba na konci regulačního intervalu a v závislosti na ní jsou odpojovány a připojovány výstupní kanály. K aktivaci příslušného stupně dojde tehdy, když množství odebrané energie od začátku měřicího intervalu dosáhne nastavené hodnoty a současně je výpočtem zjištěno, že dosavadní velikost odběru by měla za následek překročení sjednaného limitu. Ke zpětnému připojení spotřebiče dojde, jestliže odběr poklesne natolik, že nehrozí překročení sjednaného limitu, popřípadě na začátku dalšího měřicího intervalu.

 

Trendový režim lze s ohledem na jeho „předvídavost“ hodnotit jako kvalitnější, ale pouze za předpokladu, že spotřeba v jednotlivých kanálech je alespoň přibližně předvídatelná.

K řešení problematiky optimalizace řízení spotřeby elektrické energie z hlediska co nejnižších cen (bez sankčních poplatků) při zachování výrobních výkonů jsou navrženy různé systémy IT, které jsou schopny realizovat nejen výše uvedené požadavky, ale například i řídit výrobní linky, popř. celé technologické procesy.

 

Dodržování hodnoty smluvního technického maxima má velký vliv na ekonomiku odběratele elektrické energie. Kvalitní regulátor spotřeby elektřiny je kromě regulace 1/4max schopen svému uživateli zobrazit aktuální provozní údaje, umožňuje archivovat dlouhodobé údaje a též umožňuje v řadě případů i snížení původní hodnoty smluvního technického maxima podniku.

 

Regulátor snímá výkonové údaje z impulzního elektroměru a synchronizační časové údaje ze soustavy rozvodných závodů. Na základě jejich vyhodnocení dochází k výpočtu povolené zátěže do konce čtvrthodiny. Porovnáním tohoto údaje s nastavenými úrovněmi vypínacích hladin (zákazníkem modifikovatelná hodnota) reguluje odběr postupným vypínáním a připínáním zátěží. Dojde-li v průběhu čtvrthodiny k výraznému snížení odběru, může dojít k opětnému připnutí již vypnuté zátěže.

 

Monitorovací systémy umožňují výrazně snížit náklady za elektrickou energii, a to:

Systémy porovnávají všechny měřené hodnoty veličin s odběrovými diagramy, hlídají případné překročení nebo podkročení na úrovni čtvrthodin i hodin (záleží na podmínkách odběru). Provádějí predikci vybraných odběrů a pomocí alarmů/upozornění umožňují v předstihu reagovat na vzniklou situaci.

 

Systémy přinášejí nejen významné úspory, ale hlavně plnou kontrolu nad výrobním procesem. Umožňují rovnoměrně rozložit odběry, a tím vyrovnat odběrovou křivku, přesunout automatické odběry (najíždění zařízení pomocí řídicích systémů) do pásem s nižšími cenami energií. Z naměřených dat lze okamžitě reagovat na ztráty v rozvodech - např. při netěsnosti v řadu pitné vody, při různých haváriích technologických zařízení umožní lokalizovat vznik poruchy atd.

 

Systémy také nabízejí další uživatelský komfort podle potřeb podniku: posílání SMS zpráv o provozu soustavy vybraným pracovníkům, zaznamenávání provozních událostí k záznamům okamžitých hodnot, automatické zasílání hodnot odběru oprávněných zákazníků do systému OTE atd.

 

Samotný sběr dat a hlídání maxima jsou zajištěny řídicím automatem, který je schopen pracovat zcela autonomně bez připojeného PC a dokáže ve své vnitřní paměti uchovat zálohu čtvrthodinových odběrů za posledních 24 h. Lokální archivy naměřených hodnot jsou uloženy v paměti řídicího automatu pro případ dočasného výpadku spojení s nadřízenou stanicí PC. Po obnovení komunikačního spojení jsou data z PLC zpětně dočtena do databáze na stanici PC.

Výroba a spotřeba elektrické energie nejsou v průběhu celého dne rozloženy rovnoměrně, ale kolísají podle energetické náročnosti spotřeby.

 

To se projevuje v odběru při maximálním zatížení tzv. odběrovými špičkami, což ovlivňuje parametry dodávky elektřiny a stabilitu provozu distribuční sítě. Může docházet i k výpadkům v dodávkách elektřiny. Při nedostatku může dojít k vypnutí celých regionů, což se u nás v i v nedávné minulosti stávalo. Dochází k tomu i dnes i ve vyspělých zemích, např. v USA, kdy došlo před několika lety v Kalifornii k vypnutí vlivem nedostatku výkonu způsobeného velkým odběrem klimatizačních zařízení v letních měsících. Naproti tomu existují časy minimálního odběru, kdy je elektrické energie přebytek. Nerovnoměrný odběr elektrické energie má tyto závažné hospodářské důsledky:

 

Se stoupajícím proudem rostou činné ztráty na vedení se druhou mocninou (I2). To znamená, že při dvojnásobném proudu rostou ztráty čtyřikrát. Spotřebič s dvojnásobným příkonem zvýší okamžité ztráty na vedení čtyřikrát a celkové ztráty na vedení stoupnou oproti spotřebiči s polovičním příkonem dvakrát, protože takový spotřebič provozujeme jen poloviční dobu. Tyto ztráty se projevují na celém vedení od generátoru až po spotřebič včetně transformátorů NN, VN, VVN.

 

Okamžitému odběru musí odpovídat i okamžitý vyráběný výkon v elektrárně. To vyžaduje mít veliký tzv. instalovaný výkon, který zvýšený odběr pokryje. Základní odběr vyrábějí tzv. elektrárny pásmové, které vyrábějí stále stejný výkon. U nás jsou to především elektrárny tepelné a elektrárny jaderné. Tyto elektrárny nelze okamžitě uvést do chodu, ani je zastavit^*). Jejich výkon nelze ani výrazně zvýšit či snížit. K regulaci odběru se používají především elektrárny vodní (přehradové), pracující v pološpičkovém a špičkovém odběru. Méně vhodné pro regulaci jsou vodní elektrárny průtočné. Se zvyšujícím se procentovým poměrem uhelných a jaderných elektráren proti elektrárnám vodním se problém nerovnoměrného zatížení začal řešit výstavbou vodních elektráren přečerpávacích. Tyto elektrárny nejenže pokrývají energetické špičky, ale zároveň „odsávají“ nadbytečnou energii v době malého zatížení. Stavějí se především na vhodných místech s převýšením, u nás největší vodní přečerpávací elektrárna je Dlouhé Stráně v Jeseníkách. Nejvhodnější místa pro výstavbu přečerpávacích elektráren jsou v Alpách, zvláště pak v Rakousku a ve Švýcarsku. Výstavba špičkových zdrojů je velmi drahá a zdlouhavá, trvá mnoho let. Proto je cena tzv. špičkové kilowatthodiny několikanásobně dražší. Z literatury je známo, že při rovnoměrném odběru po celých 24 h by byla potřeba instalovaného výkonu elektráren třetinová. Rovněž ztráty na vedení a potřeba vedení by byla menší. Avšak toto je pouhý ideál, neodpovídající fyziologické potřebě člověka (dennímu režimu, spánek, jídlo).

 

Jak je již uvedeno v úvodu, nelze v průběhu dne připustit libovolné odebírání činného výkonu. Dodavatelé elektrické energie proto zavádějí u větších spotřebitelů měření výkonu ve sledovaných časových úsecích – čtvrthodinové maximum. Tímto opatřením nutí spotřebitele odebírat elektrickou práci při menším příkonu po delší čas.

Jak již bylo vysvětleno, odebírá-li se elektrická práce velkým výkonem, vznikají tím problémy ve výrobě i v přenosu. Proto měříme průměrný výkon v jedné čtvrthodině.

Sledovaný čtvrthodinový výkon odběratele je 140 kW. Za sledovaný čas jedné čtvrthodiny se spotřebuje elektrická práce o velikosti 140 kW·h/4 = 35 kW·h. Skutečný odebíraný příkon přitom kolísá. Stejnou elektrickou práci odebereme, budeme-li spotřebovávat elektrickou práci o příkonu 280 kW při polovičním čase, tj. 7,5 min. Avšak z provozních a technických důvodů není možné v takto krátkém čase měnit výkon ve velkém rozsahu, proto byl tento způsob měření nastaven na krátký čas – jen na čtvrthodinu. Měření čtvrthodinového maxima se provádí k tomu příslušnou měřicí aparaturou, dnes kumulovanou společně s elektroměrem a s prostředky IT. Měří se po celou sledovanou fakturační dobu, tj. 1 měsíc, a to 24 hodin denně. Toto zařízení zaznamená ve své paměti nejvyšší naměřenou hodnotu čtvrthodinového maxima v daném měsíci. Dodavatel uplatňuje dvě základní sazby měření čtvrthodinového maxima:

1. Za naměřené maximum - vhodné tam, kde odběr každý měsíc není stejný (sezónní odběr) – tato sazba je dražší.

2. Sazba hlídající nepřekročení smluveného čtvrthodinového maxima. Toto měření je vhodné v místech s rovnoměrným odběrem po celý rok. Tento nasmlouvaný výkon platí obvykle po dobu jednoho kalendářního roku. Během roku dochází k nedočerpání – obvykle v létě i překročení stanoveného limitu – obvykle v zimě. Za nasmlouvaný výkon se platí stálý plat, daný součinem ceny za 1 kW a výši kW.

Za sledovaný měsíc byla spotřeba 20 000 kW·h a sledované maximum je 140 kW. 1 kW·h se fakturuje cenou 2,50 Kč. Za 1 kW čtvrthodinového maxima se platí 150 Kč.

 

cena odebrané kW·h

20 000 kW·h · 2,50 Kč = 50 000 Kč

 

cena za nasmlouvané maximum

140 kW · 150 Kč = 21 000 Kč

 

cena celkem 71 000 Kč

 

Průměrná cena jedné odebrané kW·h = 71 000 / 20 000 = 3,55 Kč

Odběratel, který se „nevejde“ do nasmlouvaného limitu, zaplatí penále za překročení. Každý překročený kW výkonu je obvykle pětinásobně dražší. Někteří odběratelé se proti tomuto překročení pojistí tak, že si navýší limit, aby v žádném případě k překročení nedošlo. Pak ale platí navýšený limit 12krát ročně. Jestliže podělíme dvanáct plateb platbou za překročení (5), dostaneme podíl 12/5 = 2,4. K překročení dochází obvykle v listopadu, prosinci a lednu. Takže toto navýšení (připojištění) vyjde nastejno, jako bychom připustili překročení.

Neodebíráme-li po celou pracovní směnu výkon rovnoměrně, můžeme vysledovat, kolik stojí špičková kW·h. Budeme-li odebírat ve směně elektrický výkon 130 kW, který po dobu jedné hodiny vystoupne na 140 kW, můžeme spočítat, kolik stojí taková špičková kW·h.

 

Tato špičková kW·h při odběru 20 dní v měsíci stojí při ceně 150 Kč za 1 kW čtvrthodinového maxima

 

1 kW·h špičková = 150 Kč : 20 hodin + 2,50 Kč / kW·h = 7,50 Kč + 2,50 Kč = 10 Kč

1. Nejméně za fakturu zaplatí ten, kdo dokáže odebírat elektrickou práci rovnoměrně s co nejmenším výkonem a nejdelším časem.

 

2. Cena za vypočtenou špičkovou kW·h (10 Kč) vypovídá o tom, jaká je cena 1 špičkové kW·h vyrobené ve špičkových (přečerpávacích) elektrárnách.

Zrovnoměrnit odběr elektrické práce můžeme dvěma způsoby:

Zapínáním strojů v takovém sledu, aby odebíraný výkon byl co možno rovnoměrný. Dále používáním některých strojů mimo ranní hodiny, kdy je zvýšený odběr např. osvětlením, topením a větším počtem pracovníků na pracovišti. Nebo používáním strojů s vyšší spotřebou po pracovní směně, kdy je výkonu dostatek. Tento způsob regulace není vždy možné uplatnit. Je nevhodné, aby jeden pracovník vykonával práci sám, hrozí nebezpečí úrazu. Dále práci zdražují možné příplatky za směnnost.

Hlídáním výkonu – vypnutí po vyčerpání stanoveného limitu. Má-li dojít k překročení, můžeme vypnout buď celý provoz, nebo jen část spotřebičů.

Hlídané maximum je 140 kW. Výkon je však větší, a to 150 kW. Hrozí překročení o 10 kW. Jaké je řešení?

 

Odepnutí celého provozu po dosažení limitu výkonu. Čas, kdy hlídací zařízení vypne, bude: t_vyp = (140 : 150) . 15 = 14. minuta

K vypnutí dojde ve 14. minutě sledované čtvrthodiny. Toto hlídání je velmi nepraktické a nebezpečné. Dojde k vypnutí všech strojů, ke zhasnutí osvětlení. Může dojít k poškození materiálu a strojů a především hrozí nebezpečí úrazu.

 

V provozu jsou často spotřebiče, jejichž pracovní čas můžeme na krátkou dobu vypnout, aniž bychom narušili pracovní režim.

Takovými vhodnými spotřebiči jsou například kompresory, sušárny, ohřev vody, výroba páry. Vhodné spotřebiče zapojíme k vypínání za sebou (postupně) podle jejich důležitosti. Při zapojení více spotřebičů dojde k jejich postupnému vypínání v časech blížících se 15. minutě. Počet sepnutých spotřebičů pro regulaci je odvislý od míry překročení stanoveného limitu.

Hlídané čtvrthodinové maximum je 140 kW. Výkon je však větší o 10 kW a dosáhl by hodnoty 150 kW. Bude-li kompresor uvažovaný k vypnutí mít příkon 25 kW, pak ve sledované kritické čtvrthodině vypne tento příkon na dobu t = (10 : 25) . 15 = 6 minut.

 

To znamená, že automat vypne v době: t_vyp = 15 – 6 = 9 – dojde k vypnutí v 9. minutě sledované čtvrthodiny.

Pro co nejefektivnější vyregulování čtvrthodinového maxima je vhodné kombinovat oba způsoby regulace, tj. organizaci práce a technické prostředky – regulátory 1/4max.

 

 

^*) Pozn.: vyjma elektráren s derivačním kanálem – v Evropě řeky Váh, Rýn