Krajowe sieci dystrybucyjne a bezpieczeństwo zasilania odbiorców

Pojęcie bezpieczeństwa energetycznego dotyczy dwóch pod­stawowych podmiotów: odbiorcy (czy grupy odbiorców) jako pierwotnego podmiotu oraz dostawcy (zbioru dostawców) jako wtórnego podmiotu. Bezpieczeństwo energetyczne odbiorcy to określony stopień gwarancji korzystania z potrzebnych mu form energii w określonym czasie i w potrzebnej ilości oraz przy dostęp­nej dla niego cenie. Zapewnienie tego bezpieczeństwa stawia odpo­wiednie wymagania dostawcom. Bezpieczeństwo dostaw energii to natomiast gotowość dostawców do pokrycia pełnego zapotrzebo­wania na energię po akceptowalnych społecznie cenach w stanach normalnych i ograniczonego zapotrzebowania energii w stanach awaryjnych.

Poziom bezpieczeństwa energetycznego zależy od wielu czynni­ków. Do najważniejszych z nich można zaliczyć:

• stopień dywersyfikacji źródeł zaopatrzenia,
• pochodzenie źródeł zaopatrzenia (krajowe bądź zagraniczne),
• magazynowanie paliw na terenie kraju,
• własność przedsiębiorstw sektora energetycznego oraz systemu zaopatrzenia,
• kondycja systemu zaopatrzenia (wielkość mocy przesyłowych, stan techniczny, niezawodność),
• nadzór i regulacja systemu sprawowana przez państwo,
• prognozowanie, planowanie oraz decyzje rozwojowe i inwesty­cyjne,
• stabilność sytuacji wewnętrznej kraju i sytuacji międzynarodowej.

W kształtowaniu bezpieczeństwa energetycznego wyróżnia się następujące horyzonty czasowe: krótkoterminowe (operacyjne), se­zonowe (taktyczne) oraz długoterminowe (strategiczne).

Zagwarantowanie bezpieczeństwa długoterminowego wymaga strategicznych decyzji rozwojowych w energetyce. W przypadku elektroenergetyki decyzje dotyczyć będą rozwoju sektora wytwór­czego, czyli elektrowni oraz sektora przesyłu energii sieciami o róż­nych poziomach napięć. Problem bezpieczeństwa energetycznego w naszym kraju jest dostrzegany od wielu lat, o czym świadczą zapisy w głównych dokumentach prawnych dotyczących energety­ki. Jako pierwszy należy wymienić Prawo energetyczne, w którym zawarte jest sformułowanie: Bezpieczeństwo energetyczne to stan gospodarki umożliwiający pobycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na paliwa i energię w sposób technicz­nie i ekonomicznie uzasadniony, przy zachowaniu wymagań ochro­ny środowiska. Drugim dokumentem jest „Polityka energetyczna Polski do 2030 roku”, w którym zawarta jest bardziej precyzyjna definicja: (…) bezpieczeństwo dostaw paliw i energii jest to zapew­nienie stabilnych dostaw paliw i energii na poziomie gwarantują­cym zaspokojenie potrzeb krajowych i po akceptowalnych przez gospodarkę i społeczeństwo cenach, przy założeniu optymalnego wykorzystania krajowych zasobów surowców energetycznych oraz poprzez dywersyfikację źródeł i kierunków dostaw ropy naftowej, paliw ciekłych i gazowych.

Pewne dostawy energii elektrycznej do odbiorców o różnym za­potrzebowaniu wymagają (poza źródłami wytwórczymi) dobrze rozbudowanej sieci elektroenergetycznej, pozwalającej na transport energii od wytwórców do odbiorców. Struktura polskiej sieci o róż­nych poziomach napięć stwarza niejednokrotnie problemy w prze­syłaniu energii do odbiorcy, szczególnie do drobnego odbiorcy roz­proszonego (inaczej wiejskiego). Z uwagi na powyższe w artykule przedstawiono charakterystykę sieciowej infrastruktury średniego i niskiego napięcia w rozbiciu na sieć miejską i wiejską, omówiono aktualne wskaźniki zawodności elementów sieci oraz podano kie­runki działań dla zwiększenia pewności zasilania odbiorców.

Infrastruktura krajowej sieci elektroenergetycznej średniego i niskiego napięcia 

Aktualne dane o krajowej infrastrukturze sieciowej zawierają roczniki Agencji Rynku Energii Statystyka Elektroenergetyki Pol­skiej [3]. Wykorzystując dane zawarte w rocznikachz lat2002-2012 w tab. I zestawiono w ujęciu historycznym długość linii średniego i niskiego napięcia krajowej sieci elektroenergetycznej, a w tab. II liczbę stacji transformatorowo-rozdzielczych SN/ńN i moc zainsta­lowanych w nich transformatorów.

TABELA I. Długość krajowych linii SN i nN w latach 2002-2012:

Rok	Linie SN [tys. km]		Linie nN [tys. km]
	napowietrzne	kablowe	napowietrzne	kablowe
2002	223,7	56,2	283,5	110,6
2003	224,2	57,0	285,7	114,2
2004	233,9	61,8	287,4	122,1
2005	233,9	62,0	287,0	125,8
2006	234,1	63,0	288,1	128,6
2007	234,3	65,4	288,2	130,6
2008	234,2	66,3	289,7	134,2
2009	234,4	67,6	290,4	137,7
2010	234,7	69,0	290,0	140,3
2011	234,7	70,8	291,7	144,3
2012	234,7	72,9	320,0	148,3
Średni roczny wskaźnik zmian dla lat 2002-2012 [%]	0,48	2,64	1,22	2,98
Średni roczny wskaźnik zmian dla lat 2002-2007 [%]	0,93	3,08	0,33	3,38
Średni roczny wskaźnik zmian dla lat 2007-2012 [%]	0,03	2,19	2,11	2,57

Pełna charakterystyka infrastruktury sieci elektroenergetycznej powinna obejmować stan sieci na terenach miejskich i wiejskich. Roczniki [3] nie zamieszczają danych szczegółowych rozróżniają­cych sieci na terenach miejskich i wiejskich. Publikacje wyników prac studialnych [4, 5] pozwoliły autorom określić trendy zmian wystających w infrastrukturze sieci elektroenergetycznej średnie­go i niskiego napięcia na terenach miejskich i wiejskich. W tab. M podano liczbę stacji transformatorowo-rozdzielczych SN/nN oraz moce zainstalowanych w nich transformatorów w rozbiciu na sieci miejskie i wiejskie, natomiast w tab. IV i V zestawiono długości linii elektroenergetycznych średniego i niskiego napięcia z rozróż­nieniem sposobu ich wykonania – napowietrzne i kablowe – rów­nież w rozbiciu na sieci miejskie i wiejskie. Z uwagi na fakt, że dysponowano ograniczoną bazą danych statystycznych, w tab. ni-V zamieszczono dane tylko z lat 2002-2005 oraz 2007 r., obliczając jednocześnie średnioroczne wskaźniki zmian poszczególnych elementów sieci w analizowanym okresie tzn. dla lat 2002-2007. Aby umożliwić wnioskowanie, w tab. I i II podano także obliczone warto­ści średniorocznych wskaźników zmian poszczególnych elementów sieci odpowiednio dla lat 2002-2012,2002-2007 oraz 2007-2012.

TABELA II. Stacje transformatorowo-rozdzielcze SN/nN w latach 2002-2012:

Rok	Liczba stacji [tys. sztuk]	Moc zainstalowanych transformatorów [GVA]
2002	224,0	38,6
2003	226,3	39,0
2004	234,1	40,4
2005	236,1	40,9
2006	237,8	41,6
2007	239,9	42,1
2008	242,1	42,6
2009	244,4	43,3
2010	246,6	44,1
2011	249,0	45,0
2012	252,0	46,0
Średni roczny wskaźnik zmian  dla lat 2002-2012 [%]	1,19	1,77
Średni roczny wskaźnik zmian  dla lat 2002-2007 [%]	1,38	1,75
Średni roczny wskaźnik zmian  dla lat 2007-2012 [%]	0,99	1,79

Analizując zestawione w tab. I-V wartości można sformułować następujące wnioski dotyczące rocznych wskaźników zmian iloś­ciowych poszczególnych elementów sieci:

• przyrosty liczby stacji transformatorowych SN/nN w ostatnich pięciu latach (od 2007 r.) są niższe niż dla okresu lat 2002-2007,
• przyrost mocy instalowanych transformatorów SN/nN utrzymuje się praktycznie na stałym poziomie z zauważalną przewagą wzrostu mocy jednostek na terenach wiejskich – dla lat 2002-2007 wskaźnik ten przekroczył wartość 2%,
• przyrosty długości linii napowietrznych średniego napięcia są procentowo bardzo małe,
• dla linii napowietrznych niskiego napięcia na obszarze miast za­uważalna jest nawet tendencja malejąca,
• procentowe przyrosty długości linii kablowych we wszystkich analizowanych przypadkach są większe niż linii napowietrznych, przyrosty długości linii kablowych na terenach wiejskich są znacz­nie wyższe niż na obszarach miast (należy mieć jednak na uwadze fakt, że ich bezwzględne długości są znacznie niższe).

Udział liczby stacji transformatorowo-rozdzielczych SN/nN na te­renach wiejskich był w 2007 r. (tab. ID) na poziomie 67,7% ogólnej liczby stacji SN/nN, przy znacznie niższym udziale zainstalowanych mocy znamionowych transformatorów – 40,3% i trzykrotnie mniej­szej średniej mocy transformatora-104 kVA w sieci wiejskiej w po­równaniu z 323 kVA w sieci miejskiej. W tab. VI zestawiono średnie długości linii SN i nN przypadające na jedną stację SN/nN. Z po­równania podanych wartości wynika, że występuje ustabilizowanie się średnich długości linii w latach 2002-2007, a jedynie w stosunku do roku 1995 [6] nastąpiły pewne zmiany – zmalała średnia długość linii SN i nN, przypadająca na jedną stację na terenach wiejskich i wzrosła średnia długość linii nN przypadająca na jedną stację na obszarach miejskich.

TABELA III. Stacje transformatorowo-rozdzielcze SN/nN:

Rok	Liczba stacji  [tys. sztuk]		Moc zainstalowanych  transformatorów [GVA]
	miasto	wieś	miasto	wieś
2002	70,4	148,5	23,2	14,9
2003	70,9	150,2	23,4	15,1
2004	71,6	151,1	23,7	15,2
2005	72,2	152,2	23,9	15,4
2007	75,6	158,2	24,4	16,6
Średni roczny wskaźnik zmian [%]	1,44	1,27	1,01	2,6
Średnia moc transformatora w stacji: miasto – 323 kVA, wieś -104 kVA (dla roku 2007).

 

TABELA IV. Długość linii elektroenergetycznych średniego napięcia (SN):

Rok	Linie napowietrzne [tys. km]		Linie kablowe  [tys. km]
	miasto	wieś	miasto	wieś
2002	22,3	194,5	48,9	7,17
2003	22,2	197,8	49,2	7,46
2004	22,3	198,0	50,0	7,61
2005	22,3	198,1	50,5	8,00
2007	23,0	200,9	50,2	9,59
Średni roczny wskaźnik zmian [%]	0,62	0,65	0,53	5,99

 

TABELA V. Długość linii elektroenergetycznych niskiego napięcia (nN):

Rok	Linie napowietrzne [tys. km]		Linie kablowe  [tys. km]
	miasto	wieś	miasto	wieś
2002	52,2	229,0	90,0	19,9
2003	52,6	230,3	90,7	22,0
2004	52,2	231,5	92,4	22,6
2005	52,0	232,4	93,5	24,2
2007	50,1	233,7	94,6	28,5
Średni roczny wskaźnik zmian [%]	-0,82	0,41	1,00	7,45

 

TABELA VI. Powiązania linii SN i nN ze stacjami transformatorowymi SN/nN:

Rok	Średnia długość linii na stację transformatorową SN/nN [km/stacja]
	LSN(w)	LnN(w)	LSN(m)	LnN(m)
1995	1,40	1,84	1,07	1,74
2002	1,36	1,67	0,96	1,99
2003	1,36	1,67	0,97	1,94
2004	1,35	1,67	0,97	1,93
2005	1,35	1,69	1,01	2,02
2007	1,33	1,66	0,97	1,91
LSN(w) – średnia długość linii SN na jedną stację SN/nN na terenach wiejskich,  LnN(w) – średnia długość linii nN na jedną stację SN/nN na terenach wiejskich,  LSN(m) –  średnia długość linii SN na jedną stację SN/nN na terenach miejskich,  LnN(m) – średnia długość linii nN na jedną stację SN/nN na terenach miejskich.

Niezawodność elementów sieci elektroenergetycznej średniego i niskiego napięcia 

Przez wiele lat trudno było realnie ocenić zawodność układów za­silania energią elektryczną z uwagi na brak wiarygodnych danych statystycznych. Wykorzystywano głównie dane literaturowe, które były efektem badań prowadzonych w latach 60. i 70. ub.w. i można stwierdzić, że obecnie są one mało aktualne. Ostatnio coraz więk­szą uwagę zwraca się na zagadnienie ciągłości zasilania odbiorców energią elektryczną, stanowiącą jeden z elementów bezpieczeństwa energetycznego. Odzwierciedleniem tego stwierdzenia jest m.in. rozszerzenie (od roku 2002) zakresu danych opracowywanych w przedsiębiorstwach energetycznych i zestawianych w arkuszach statystycznych G-10.5 o wartości wskaźników charakteryzujących awaryjność elementów sieci elektroenergetycznej średniego i ni­skiego napięcia oraz zamieszczenie w rocznikach Statystyki Elek­troenergetyki Polskiej [3] średnich wartości tych wskaźników dla polskich sieci elektroenergetycznych.

 Dla przeprowadzenia kompleksowej analizy awaryjności sieci (łącznie z kosztami strat wynikającymi z niedostarczonej energii elektrycznej) wprowadzono pojęcie współczynnika awaryjności q –    nazywanego również w literaturze [7, 8] współczynnikiem za­wodności lub współczynnikiem niezdatności, który uwzględnia nie tylko liczbę awarii elementów sieci zaliczanych do danej grupy (li­nie, transformatory), ale również czas przerwy w dostawach energii elektrycznej, który obejmuje czas trwania awarii i czas jej usunięcia. Dla odbiorcy bowiem niezmiernie ważną sprawą jest czas, w któ­rym nie może korzystać z energii elektrycznej i straty jakie ponosi w wyniku przerw w zasilaniu.

 Uwzględniana w analizach ekonomicznych ilość energii elek­trycznej niedostarczonej w danym roku w wyniku awarii obiektu sieciowego wyznaczana jest z wykorzystaniem współczynnika awa­ryjności danego elementu lub układu sieci elektroenergetycznej. Współczynnik awaryjności wynika z przeciętnej liczby awarii da­nego elementu lub układu sieciowego w ciągu roku oraz średniego czasu trwania awarii, a te dane podawane są obecnie w rocznikach Statystyki Elektroenergetyki Polskiej [3]. W celu oceny obecnego stanu sieci elektroenergetycznej w zakresie awaryjności w tab. VII zestawiono wartości współczynników awaryjności q spotykane w li­teraturze [7, 8] i wartości obliczone na podstawie danych z [3] dla lat 2002-2012.

Z przedstawionych danych w tab. VII wynika, że zdecydowana poprawa niezawodności pracy wystąpiła dla dwóch elementów sie­ciowych, tzn. dla transformatorów SN/nN, dla których współczyn­nik awaryjności zmalał praktycznie o dwa rzędy wartości i dla linii kablowych średniego napięcia, dla których współczynnik awaryj­ności zmalał praktycznie o rząd wartości. Uzasadnieniem tego jest zdecydowanie wyższa jakość stosowanych elementów sieci (trans­formatory hermetyczne bezobsługowe i kable o izolacji z polietylenu sieciowanego) oraz znacznie krótszy czas likwidacji uszkodzenia.

Tabela VII. Wartości współczynników awaryjności:

Rok	SN-LN	SN-LK	TR	nN-LN	nN-LK
(dane wg [7,8])	4,00E-05	3,01E-04	1,60E-04	6,85E-05	8,22E-05
2002	5,45E-05	6,22E-05	5,43E-06	3,93E-04	8.10E-05
2003	238E-05	4,39E-05	2,68E-06	3,41E-04	8.71E-05
2004	4,17E-05	3,70E-05	3,49E-06	4,20E-04	9,64E-05
2005	3,60E-05	3.60E-05	3,84E-06	3,63E-04	7.38E-05
2006	3.38E-05	3,49E-05	4,87E-06	3,09E-04	6,99E-05
2007	6.11E-05	3,65E-05	5.11E-06	3,68E-04	7.38E-05
2008	4,47E-05	3,68E-05	3.25E-06	3,29E-04	5,41E-05
2009	5,25E-05	3.24E-05	3,77E-06	2,98E-04	5,77E-05
2010	7,05E-05	3,81E-05	5,75E-06	2,77E-04	6,91E-05
2011	5,51E-0,5	3,49E-05	5,48E-06	3,32E-04	7,49E-05
2012	3.95E-05	3,12E-05	4,87E-06	2,42E-04	5,05E-05
Średnia z lat 2002-2012	4,67E-05	3,85E-05	4,41E-06	3,34E-04	7,17E-05
SN – średnie napięcie, nN – niskie napięcie, LN – linie napowietrzne, LK – linie kablowe, TR – transformatory.