МОНИТОРИНГ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Мельников С.А.¹, Шакенов Е.Е.², Плотников Д.И.³, Паламарчук Д.В.⁴, Мельников Н.А.⁵

¹ORCID: 0000-0001-9226-297Х, студент, ²ORCID: 0000-0001-5086-071Х, студент,

³ORCID: 0000-0002-4566-4885, студент, ⁴ORCID: 0000-0002-0498-2991, студент,

⁵ORCID: 0000-0001-5042-1186, студент,

Омский Государственный Технический Университет

МОНИТОРИНГ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Аннотация

Проведён анализ современного уровня развития электрических сетей. Рассмотрены основные устройства контроля, на основе которых осуществляется управление пропускной способностью линий электропередачи. Описаны преимущества использования устройств мониторинга линий электропередачи в режиме реального времени. Представлен перечень основных характеристик, на основании которых может быть построено управление пропускной способностью линий электропередачи в нормальном и аварийном режиме работы электрических сетей.

Ключевые слова: устройства для измерения температуры провода, стрела провеса, линия электропередачи, статическая и динамическая оценки температуры провода.

Melnikov S.A.¹, Shakenov E.E.², Plotnikov D.I.³, Palamarchuk D.V.⁴, Melnikov N.A.⁵

¹ORCID: 0000-0001-9226-297Х, Student, ²ORCID: 0000-0001-5086-071Х, Student,

³ORCID: 0000-0002-4566-4885, Student, ⁴ORCID: 0000-0002-0498-2991, Student,

⁵ORCID: 0000-0001-5042-1186, Student,

Omsk State Technical University

MONITORING OF POWER LINES IN REAL-TIME BANDWIDTH MANAGEMENT PROBLEMS

Abstract

The analysis of the current development level of power lines is carried out in the paper. The primary control devices are considered, based on which the transmission capacity of power lines is controlled. The advantages of the use of devices for power line monitoring in real time are described. The list of the primary characteristics is presented, based on them the control capacity of power lines can be constructed in the normal and emergency mode of operation of power lines.

Keywords: devices for measuring wire temperature, sag, power line, static and dynamic estimates of wire temperature.

Устройства передачи электроэнергии теперь имеют способность удаленно отслеживать определенные механические и тепловые характеристики воздушных линий электропередачи в режиме реального времени. Эти устройства позволяют сообщать системным операторам диспетчерских управлений помимо линейных токов и напряжений, такие параметры как: стрелу провеса в настоящий момент, температура проводника и данные о погоде, например, ветер и интенсивность солнечного излучения на всей протяжённости линии [1, С. 4-10].

Поток активной мощности в линии ограничен рядом характеристик. Очень важно поддержание температуры провода ниже максимально допустимой температуры линии, поэтому поддерживается допустимое расстояние до токоведущих частей вдоль линии и избегается чрезмерное старение проводов. Системный оператор диспетчерского управления обычно должен поддерживать поток мощности меньше пропускной способности при любых состояниях системы [2, С. 3-7], [3, С. 84-87].

Статическая оценка пропускной способности линии равняется максимальному линейному току, для которого температура линейного провода меньше, чем максимально допустимая температура провода при соответствующих установленных погодных условиях, являющихся фиксированными или варьирующимися в зависимости от сезона. Статическая оценка пропускной способности не меняется в зависимости от фактических погодных условий или времени суток. Динамическая оценка пропускной способности линии также равняется линейному току, для которого температура провода меньше, чем его максимально допустимая температура, но, так как погодные условия меняются с течением времени, динамические оценки пропускной способности линии действительны только на ограниченный промежуток времени, называемый периодом тепловой оценки (к примеру, на следующий час). Чем больше данных о погоде, тем точнее получается оценка пропускной способности в режиме реального времени, в сравнении со статической оценкой.

Процесс определения температуры провода и вычисления статической и динамической оценки линии определен в Стандарте IEEE 738, [4, С. 1-57] первоначально изданном в 1986 и обновлённом в 2012.

Это алгоритм, согласно которому температура неизолированного провода может быть вычислена для любой комбинации погодных условий и линейного тока. Кроме того, максимальный ток может быть вычислен по установленной максимально допустимой температуре линии и по принятым или спрогнозированным погодным условиям.

Данный алгоритм описывает следующее уравнение «теплового баланса» для неизолированного провода [5, С.1-45]:

где – конвективные тепловые потери (Вт/м);  – лучистый теплообмен (Вт/м);  –  теплоемкость материала провода (); – средняя температура токопроводящей жилы ( ); t – время (с); – солнечная радиация (Вт/м); I – действующее значение тока нагрузки (A); R – активное сопротивление токопроводящей жилы (Ом/м).

Уравнение теплового баланса позволяет производить расчет температуры и оценки пропускной способности линии, когда температура воздуха, интенсивность солнечного тепла, скорость и направление ветра известны. Поэтому приборы отслеживания погоды, помещенные вдоль линии, могут использоваться при вычислении пропускной способности линии в режиме реального времени. Некоторые очень важные проблемы, влияющие на точность динамической оценки, включают:

• Если метеостанция находится вне полосы отвода ЛЭП, измеренная скорость и направление ветра могут отличаться, от тех значений, которые непосредственно воздействуют на проводник в полосе отвода ЛЭП.
• Не зависимо от того в полосе отвода ЛЭП или вне ее, анемометр неспособен точно измерять скорость и направление ветра ниже 1 м/с.
• Если о средних скоростях ветра известно из случайных изменений скорости ветра и направления, усреднение скорее всего будет некорректным.

Существует большое количество приборов, которые могут использоваться для сбора данных о погоде вдоль воздушной линии электропередачи [6, С.74-76].

Некоторые наиболее широко применяемые источники и устройства описаны ниже:

1. 1. Интернет данные о погоде

Данные о погоде и прогнозы на час вперед могут быть получены для многих местоположений во всем мире по интернету. Они обычно основаны на высотных измерениях, которые отфильтрованы цифровой моделью ландшафта с разрешением 5 км над уровнем земли.

2. Измерения скорости и направления ветра на территории подстанции

Для проверки правильности прогнозов низкой скорости ветра, может использоваться высокоточный сверхзвуковой анемометр. Это прибор, который может произвести высококачественные измерения скорости и направления ветра вплоть до 0,1 м/с. При помещении данного прибора на территории подстанции, может осуществляться более точная оценка скорости ветра в полосе отвода ЛЭП. В силу того, что в действительности вдоль ЛЭП присутствуют естественные объекты, существует погрешность между измеренным значением скорости ветра и фактическим.

3. Измерения погодных условий в полосе отвода ЛЭП

Высокоточный сверхзвуковой анемометр (рис.1), объединенный с датчиками температуры воздуха и солнечными датчиками на метеостанции, может быть помещен в полосе отвода ЛЭП, но анемометр должен быть помещен на среднюю высоту провода для более точной оценки состояния линии.

Рис. 1 – Традиционные пропеллерные и сверхзвуковые анемометры (а) и проводниковая модель направленного анемометра (б)

Измерить температуру воздуха и интенсивность солнечного излучения можно не только с помощью анемометра, проводниковая температура может быть измерена в разнообразных точках вдоль линии с помощью проводниковых температурных измерителей, представленных на рис. 2. Данные устройства будут влиять на температуру провода из-за их массы, а также разрушения потока ветра вдоль провода, поэтому они требуют тщательной калибровки перед установкой.

Рис. 2 – Измеритель температуры провода

Для определения пропускной способности линии около устройства, измеренная температура преобразуется в эффективную перпендикулярную скорость ветра с помощью уравнения теплового баланса. Прямое измерение температуры провода повышает точность расчета, по сравнению с измерениями при помощи анемометра, но не гарантирует точного значения величины провеса провода при высокой температуре, поэтому некоторые измерители включают позиционные датчики [7, С.1-19].

Также существуют устройства, позволяющие измерить стрелу провеса или натяжение провода (рис. 3). Если изменение натяжения между пролетами в секции линии является маленьким, то преимущество измерителей стрелы провеса и натяжения линии состоит в том, что рассчитанная эффективная перпендикулярная скорость ветра представляет среднее значение конвекции по всей секции линии, а не просто по одиночному пролету, в котором прибор смонтирован. Если изменение натяженности от пролета к пролету в секции линии является значительным, то использование такого прибора не отражает среднюю скорость ветра вдоль секции линии, а только локальную конвекцию [8, С.1-20].

Также с помощью данного оборудования возможно определение необходимости вывода линии в ремонт или проведение текущих работ по обслуживанию линии, это значительно облегчает мониторинг на линиях и позволяет делать это без непосредственного определения данных параметров на месте.

Рис. 3 – Видео датчик провиса (а) и тензодатчик натяжения (б)

Точность динамической оценки пропускной способности, основанной на показаниях проводниковых измерителей стрелы провеса и натяжения линии, датчиках температуры воздуха и интенсивности солнечного излучения, зависит от линейного тока и конструкции линии. В нормальном режиме функционирования системы из-за низкого линейного тока, будет неточная оценка средней эффективной скорости ветра в секции линии, в которой он расположен. Наиболее точное определение скорости ветра возможно при большом токе нагрузки

Приборы, работающие в режиме реального времени, могут дать более полную информацию для динамической оценки. В отличие от статической оценки, которая основывается на достаточно устойчивых погодных условиях [9, С.341-347].

Передача данных в реальном времени от точных метеоприборов, соответственно помещенных на участок контролируемой линии, может предоставить основу для вычислений оценки состояния линии, которые возможно провести без использования данных о потоке мощности в линии[10, С.2-8].

Данные методы позволяют достичь относительно незначительного уровня увеличения пропускной способности (5%-15%), но являются недорогими, могут быть использованы без потребности в разрешении надзорного органа, а также при монтаже не требуют вывода ключевых линий из эксплуатации.

Список литературы / References

1. Дьяков Ф.А. Новый подход к мониторингу гололедообразования на ВЛ 330 – 750 кВ / Дьяков Ф.А., Кононов Ю.Г. // Энергетик. – 2009. – №4. – C. 4–10.
2. Дьяков Ф.А. Эксплуатация ВЛ 330 – 500 кВ в условиях интенсивных гололедно-ветровых воздействий. Внедрение системы автоматического наблюдения за гололедом / Дьяков Ф.А. // Энергетик. – 2005. – №6. – C. 3–7.
3. Бубенчиков А.А. Применение численных методов расчета тепловых полей для вычисления потерь энергии в электрических сетях с учетом температуры проводников / А.А. Бубенчиков, С.С. Гиршин, Е.В Петрова // Омский научный вестник, Серия 64 – 2008. – №1. –  C. 84-87.
4. Working Group B2.12 Guide for Selection of Weather Parameters for Bare Overhead Conductor Ratings / Working Group B2.12 // CIGRE Technical Brochure. – 2006. – Vol. 299. – P.57.
5. IEEE 738-2012 Standard for Calculating the Current-Temperature Relationship of Bare Overhead Conductors / IEEE 738-2012 // IEEE Xplore Digital Library. – 2013. – Vol.738 – P.45. doi:10.1109/IEEESTD.2013.6692858
6. 6. Камаев В.А. Анализ методов оценки качества функционирования и эффективности систем защиты информации на предприятиях электроэнергетики / В.А. Камаев, В.В. Натров // Известия ВолгГТУ, Серия 60 – 2007. – № 1 – С. 74–76.
7. Сазонов В.Н. Эффективные инженерные решения по повышению пропускной способности ВЛ на основе применения системы мониторинга тока и температуры проводов, математического моделирования поведения элементов линий в различных режимах эксплуатации [Электронный ресурс]/ Сазонов В.Н. // ООО «Тольяттинский Трансформатор». – [2013]. – C.19 – URL:https://goo.gl/57MBQ8
8. Титов Д.Е. Предложение по внедрению системы мониторинга воздушных линий электропередач [Электронный ресурс] / Титов Д.Е. // ООО «Национальная технологическая инициатива». – [2016]. – C.20 – URL: https://goo.gl/S5C3B8
9. Самарин А.В. Современные технологии мониторинга воздушных электросетей ЛЭП / Самарин А.В., Рыгалин Д.Б., Шкляев А.А. // Естественные и технические науки. Серия 58. – 2012. – № 2. – С. 341–347.
10. Левченко И.И. Нагрузочная способность и мониторинг воздушных линий электропередачи в экстремальных погодных условиях / И.И. Левченко, Е.И. Сацук // Национальный исследовательский университет "МЭИ". Электричество. – 2008. – № 4. –  С. 2– 8.

Список литературы на английском языке / References in English

1. D'jakov F.A. Novyj podhod k monitoringu gololedoobrazovanija na VL 330 – 750 kV [A new approach to monitoring ice formation on the 330 - 750 kV overhead transmission line] / D'jakov F.A., Kononov Ju.G. // Jenergetik [Energetik]. – 2009. – №4. – P. 4–10. [in Russian]
2. D'jakov F.A. Jekspluatacija VL 330—500 kV v uslovijah intensivnyh gololedno-vetrovyh vozdejstvij. Vnedrenie sistemy avtomaticheskogo nabljudenija za gololedom [Operation of VL 330-500 kV in conditions of intense ice-wind impacts. Implementation of the automatic monitoring system for ice] / D'jakov F.A. // Jenergetik [Energetik]. – 2005. – №6. – C. 3–7. [in Russian]
3. Bubenchikov A.A. Primenenie chislennyh metodov rascheta teplovyh polej dlya vychisleniya poter' ehnergii v ehlektricheskih setyah s uchetom temperatury provodnikov [Application of numerical methods for calculating thermal fields for calculating energy losses in electrical networks, taking into account the temperature of conductors] / A.A. Bubenchikov, S.S. Girshin, E.V Petrova // Omskij nauchnyj vestnik, Serija 64 [Omsk Scientific Bulletin, Series 58]. – 2008. – №1. – P. 84-87. [in Russian]
4. Working Group B2.12 Guide for Selection of Weather Parameters for Bare Overhead Conductor Ratings / Working Group B2.12 // CIGRE Technical Brochure. – 2006. – Vol. 299. – P.57. doi: 10.1109/TPWRD.2014.238391
5. IEEE 738-2012 Standard for Calculating the Current-Temperature Relationship of Bare Overhead Conductors / IEEE 738-2012 // IEEE Xplore Digital Library. – 2013 – Vol.738 – P.45. doi: 10.1109/IEEESTD.2013.6692858
6. Kamaev V. A. Analiz metodov ocenki kachestva funkcionirovaniya i ehffektivnosti sistem zashchity informacii na predpriyatiyah ehlektroehnergetiki [Analysis of methods for assessing the quality of operation and the effectiveness of information security systems at enterprises of the electric power industry] / V.A. Kamaev, V.V. Natrov // Izvestiya VolgGTU, Serya 60[News VolgGTU, Series 60]. – 2007. – № 1 – P. 74–76. [in Russian]
7. Sazonov V.N. Ehffektivnye inzhenernye resheniya po povysheniyu propusknoj sposobnosti VL na osnove primeneniya sistemy monitoringa toka i temperatury provodov, matematicheskogo modelirovaniya povedeniya ehlementov linij v razlichnyh rezhimah ehkspluatacii [Effective engineering solutions to increase the capacity of overhead lines based on the application of a current and temperature monitoring system for wires, mathematical modeling of the behavior of line elements in various operating modes] [Electronic resource]/ Sazonov V.N. //OOO «Tol'yattinskij Transformator». – [2013]. – P.19 – URL: hhttps://goo.gl/57MBQ8 (accessed: 12.11.2017). [in Russian]
8. Titov D.E. Predlozhenie po vnedreniyu sistemy monitoringa vozdushnyh linij ehlektroperedach [Proposal for the introduction of a monitoring system for overhead power lines][Electronic resource]/ Titov D.E. // OOO «Nacional'naya tekhnologicheskaya iniciativa». – [2016]. – p.20 – URL: https://goo.gl/S5C3B8 (accessed:12.11.2017). [in Russian]
9. Samarin A.V. Sovremennye tehnologii monitoringa vozdushnyh jelektrosetej LJep [Modern technologies for monitoring of power transmission lines] / A.V. Samarin, D.B. Rygalin, A.A. Shkljaev // Estestvennye i tehnicheskie nauki, Serija 58 [Natural and technical sciences, Series 58]. – 2012. – № 2. – P.341–347. [in Russian]
10. Levchenko I.I. Nagruzochnaja sposobnost' i monitoring vozdushnyh linij jelektroperedachi v jekstremal'nyh pogodnyh uslovijah [Loading Capacity and Monitoring of Overhead Power Transmission Lines Under Extreme Weather Conditions] / I.I. Levchenko, E.I. Sacuk // Jelektrichestvo [Electricity]. – 2008. – № 4. –  P. 2– 8. [in Russian]