Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих устройств автоматического ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи 15
1.1. Классическое устройство автоматического ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи 15
1.2. Устройство автоматического ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с контролем температуры окружающей среды 17
1.3. Устройство автоматического ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с косвенным контролем температуры провода 19
1.4. Устройство автоматического ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода 24
1.5. Выводы по первой главе 26
ГЛАВА 2. Исследование установившихся режимов электроэнергетических систем с целью определения мест размещения и выбора логики действия автоматики ограничения перегрузки ЛЭП 27
2.1. Расчет установившихся режимов электроэнергетических систем 27
2.2. Исследование установившихся режимов электроэнергетических систем с целью определения мест установки и выбора логики действия автоматики ограничения перегрузки линий электропередачи 32
2.3. Нестандартные решения в части логики действия автоматики ограничения перегрузки оборудования и ее взаимодействия с другими видами противоаварийной автоматики 38
2.4. Влияние нагрева провода на величину необходимого объема управляющих воздействий с целью предотвращения недопустимой токовой нагрузки ВЛ 43
2.5. Выводы по второй главе 47
ГЛАВА 3. Методы определения допустимой токовой нагрузки и алгоритмы функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи 49
3.1 Методы определения допустимой токовой нагрузки воздушных линий электропередачи по известной температуре провода 49
3.1.1Стационарный тепловой процесс 49
3.1.2Нестационарный тепловой процесс 52
3.2 Метод прогнозирования токовой перегрузки воздушных линий электропередачи для целей противоаварийного управления 57
3.3 Алгоритмы функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода 59
3.3.1Алгоритм «по трем точкам» 60
3.3.2Алгоритм «по итерационному методу» 62
3.4 Алгоритм адаптации комплексной автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи 65
3.5 Повышение эффективности автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода 66
3.6 Выводы по третьей главе 71
ГЛАВА 4. Реализация алгоритмов функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода в микропроцессорном терминале и их экспериментальная проверка 72
4.1 Опытная установка 72
4.2 Формирование алгоритмов 77
4.3 Алгоритм «по трем точкам» 80
4.4 Алгоритм «по методу итераций» 84
4.5 Методики определения параметров настройки автоматики ограничения
перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода 91
4.5.1Методика определения параметров настройки алгоритма «по трем точкам» 92
4.5.2Методика определения параметров настройки алгоритма «по методу итераций» 97
4.6 Экспериментальная проверка алгоритмов функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода 100
4.7 Сравнение эффективности действия устройств автоматического ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с различными алгоритмами функционирования 101
4.8 Технико-экономическая эффективность применения автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода 102
4.9 Выводы по четвертой главе 107
Заключение 108
Перечень сокращений 111
- Устройство автоматического ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с косвенным контролем температуры провода
- Нестандартные решения в части логики действия автоматики ограничения перегрузки оборудования и ее взаимодействия с другими видами противоаварийной автоматики
- Метод прогнозирования токовой перегрузки воздушных линий электропередачи для целей противоаварийного управления
- Экспериментальная проверка алгоритмов функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода
Введение к работе
Актуальность темы диссертации и степень ее разработанности. Постоянный рост нагрузки электропотребителей, а также значительный количественный рост электрических станций средней мощности при отсутствии соответствующих темпов электросетевого строительства способствуют расширению области установившихся режимов электроэнергетических систем, характеризующихся нагревом проводов свыше температуры окружающего воздуха, поэтому труды ученых со всего мира (Усов В.В., Махлин Б.Ю., Zeerleder A., Kid-der A. и др.) практически с самого начала образования энергосистем и осуществления передачи электроэнергии на расстояние были направлены, в том числе, на исследование механической прочности проводов воздушных линий электропередачи после длительного нагрева и зависимости температуры провода, а значит, и стрелы провеса от условий окружающей среды и величины протекающего в нем тока. Результаты этих исследований дали толчок изучению проблем более полного использования пропускной способности ВЛ, получивших отражение в научных работах в России и за рубежом.
В настоящее время нормы и требования к организации автоматики ограничения перегрузки оборудования (АОПО) устанавливают ГОСТ Р 55105-2012 и стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-33.040.20.123-2012, согласно которым АОПО служит для предотвращения недопустимой по величине и длительности токовой нагрузки ЛЭП и оборудования с учетом сезонности или температуры наружного воздуха и, при необходимости, с контролем направления перетока активной мощности по защищаемому элементу электрической сети. Алгоритмы автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи (АОПО ВЛ), представленные в настоящее время заводами-изготовителями микропроцессорных терминалов противоаварийной автоматики в России и выполненные с учетом существующих нормативных документов, не позволяют использовать пропускную способность воздушных линий электропередачи при осуществлении противоаварийного управления полностью.
Актуальность темы исследования подтверждается: п.5.11 стандарта ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 59012820.29.240.008-2008 – «противоаварийная автоматика должна обеспечивать эффективность действия и использование минимальных управляющих воздействий»; приказом ОАО «Холдинг МРСК» от 08.10.2010г. № 430 «Об организации работы по повышению пропускной способности и надежности функционирования воздушных линий электропередачи»;
количеством установленных устройств АОПО в ЕНЭС России, не позволяющих полностью использовать пропускную способность ВЛ. Например, в ОЭС Юга – более двухсот: в зоне ответственности ОДУ Юга – 58, Кубанского РДУ – 86, Ростовского РДУ – 31, Северокавказского РДУ – 27, Дагестанского РДУ – 21.
Цель работы: разработка алгоритмов функционирования и методик определения параметров настройки автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода.
При этом поставлены и решены следующие научные задачи:
-
Анализ алгоритмов функционирования и методик определения параметров настройки существующих устройств АОПО ВЛ.
-
Разработка методов определения допустимой токовой нагрузки воздушных линий электропередачи по известной температуре провода и метода прогнозирования токовой перегрузки воздушных линий электропередачи для целей противоаварийного и диспетчерского управления.
-
Разработка алгоритмов функционирования, методик определения параметров настройки и исследование возможных способов повышения эффективности автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода.
-
Разработка алгоритма адаптации комплексной автоматики, состоящей из автоматики с контролем тока в проводе, контролем температуры наружного воздуха, непосредственным контролем температуры провода, позволяющего адаптировать автоматику к частичному отказу измерительных органов.
-
Экспериментальная проверка алгоритмов функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода.
Методы исследований. При решении вышеуказанных задач использовалась методология исследования допустимых перетоков активной мощности в контролируемом сечении (КС), методы математического, физического и компьютерного моделирования, а также метод эксперимента.
Научная новизна работы.
1. Впервые предложена методика определения мест размещения и выбора логики действия автоматики ограничения перегрузки линий электропередачи, основывающаяся на анализе статистических данных по существующим и запроектированным устройствам, позволяющая оптимизировать процесс проектирования комплекса автоматического противоаварийного управления.
-
Разработаны новые алгоритмы функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода в отличие от алгоритмов функционирования, применяемых в настоящее время в энергетике, учитывающие в режиме реального времени текущие климатические условия для определения допустимой токовой нагрузки воздушных линий электропередачи, что позволяет более полно использовать пропускную способность ВЛ.
-
Впервые предложен метод прогнозирования токовой перегрузки воздушных линий электропередачи, основывающийся на анализе временных рядов, позволяющий за счет использования прогноза потребления электроэнергии и прогноза климатических условий прогнозировать возникновение недопустимой токовой нагрузки ВЛ для целей противоаварийного и диспетчерского управления.
-
Впервые разработан алгоритм адаптации комплексной автоматики, состоящей из автоматики с контролем тока в проводе, контролем температуры наружного воздуха и непосредственным контролем температуры провода, позволяющий адаптировать автоматику к частичному отказу измерительных органов и обеспечить возможную полноту использования пропускной способности воздушных линий электропередачи.
Теоретическая значимость результатов работы:
– предложенные в диссертации решения открывают новое направление в автоматическом противоаварийном управлении – учет температуры провода и текущих погодных условий в режиме реального времени для определения значений параметров срабатывания автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи;
– использование параметрических зависимостей длительной прочности металлов предложенным образом позволит повысить эффективность автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода за счет более полного использования пропускной способности ВЛ.
Практическая значимость результатов работы:
– снижение ущерба от недоотпуска электроэнергии в результате недоиспользования пропускной способности воздушных линий электропередачи в установившихся режимах при нормальной, ремонтных схемах сети и в послеаварийных установившихся режимах электроэнергетических систем (ЭЭС), а значит, и повышение экономического эффекта от установки устройств противоаварийной ав-
томатики за счет использования разработанных алгоритмов функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи;
– возможность реализации предложенных математических моделей в существующих микропроцессорных терминалах противоаварийной автоматики позволяет уже сегодня более полно использовать пропускную способность воздушных линий электропередачи в автоматическом противоаварийном управлении;
– повышение надежности автоматического противоаварийного управления для предотвращения недопустимой по величине и длительности токовой нагрузки за счет использования разработанного алгоритма адаптации комплексной автоматики, включающей в себя автоматику с контролем тока, контролем температуры окружающей среды, непосредственным контролем температуры провода.
Соответствие паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы в диссертационной работе целью исследования является совершенствование теоретической и технической базы электроэнергетики с целью более полного использования пропускной способности транспортных каналов электроэнергии.
Области исследования специальности 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы соответствуют следующие научные положения, приведенные в диссертации:
– разработанные алгоритмы функционирования, а также методики определения параметров настройки автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода – п. 9 «Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике»;
– предложенные методы определения допустимой токовой нагрузки воздушных линий электропередачи по известной температуре провода, позволяющие более полно использовать пропускную способность ВЛ при противоаварий-ном и диспетчерском управлении – п. 10 «Теоретический анализ и расчетные исследования по транспорту электроэнергии переменным и постоянным током, включая проблему повышения пропускной способности транспортных каналов»;
– способ учета нагрева провода воздушной линии электропередачи для повышения точности определения величины необходимого объема управляющих воздействий с целью предотвращения недопустимой токовой нагрузки ВЛ – п. 13 «Разработка методов использования ЭВМ для решения задач в электроэнергетике».
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием корректной методологии и классических математических моделей, введением приемлемых допущений и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов программного моделирования и экспериментальной проверки.
Положения, выносимые на защиту:
– методы определения допустимой токовой нагрузки воздушных линий электропередачи по известной температуре провода и метод прогнозирования токовой перегрузки воздушных линий электропередачи для целей противоава-рийного и диспетчерского управления;
– алгоритмы функционирования и методики определения параметров настройки автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода;
– алгоритм адаптации комплексной автоматики, состоящей из автоматики с контролем тока в проводе, контролем температуры наружного воздуха, непосредственным контролем температуры провода, позволяющий адаптировать автоматику к частичнму отказу измерительных органов;
– способ повышения эффективности автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода за счет использования параметрических зависимостей длительной прочности металлов.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований были представлены автором на следующих научно-технических конференциях: всероссийский научный семинар «Кибернетика энергетических систем», Новочеркасск, 2012, 2013, 2014, 2015 г.г.; IV международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодёжи», Новочеркасск, 2013 г.; всероссийская конференция молодых специалистов ОАО «Южный инженерный центр энергетики», п. Дивноморск, 2012, 2013, 2014 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень научных рецензируемых изданий ВАК.
Реализация работы (практическое внедрение). Крупнейшие заводы-изготовители терминалов противоаварийной автоматики в России отметили целесообразность применения устройств АОПО ВЛ с использованием предложенных в диссертации алгоритмов функционирования, так как это позволит наиболее полно использовать пропускную способность воздушных линий электропе-
редачи при выполнении противоаварийного управления для предотвращения недопустимых токовых нагрузок ВЛ, и подтвердили заинтересованность во внедрении. Предложенные автором методика определения мест размещения и выбора логики действия автоматики ограничения перегрузки ЛЭП и дополнение к п.13.4.5 СТО 59012820.27.010.001-2013 о возможности выполнения корректировки расчетной модели послеаварийного установившегося режима ЭЭС в части использования средств компенсации реактивной мощности с целью введения величин напряжений в контролируемых узлах в интервал допустимых значений в настоящее время широко используются при выполнении проектных работ в филиале ЭНЕКС (ОАО) «Южэнергосетьпроект». Внедрены новые лабораторные работы в учебный процесс по дисциплине «Противоаварийное управление и противоаварийная автоматика в электроэнергетических системах» с использованием математических моделей и опытной установки, разработанных автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений, списка литературы из 113 наименований, 4 приложений. Полный объем работы составляет 124 страниц основного текста, иллюстрированного 62 рисунками и 18 таблицами, и приложений на 18 страницах.
Устройство автоматического ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с косвенным контролем температуры провода
Существенным недостатком устройства АОПО ВЛ с косвенным контролем температуры провода при использовании только измерений тока в проводе и температуры окружающей среды является отсутствие информации о скорости и направлении ветра, что приводит к значительному снижению эффективности данной автоматики, так как приходится, например, при вычислении (2), (3), (4) задаваться наихудшими условиями охлаждения: скорость ветра 0,6 м/с, направление вдоль провода. В результате, при использовании более сложной математической модели эффект остается на уровне АОПО ВЛ с контролем температуры наружного воздуха с кусочно-линейной функцией тока от температуры, выполненной по таблицам [81]. В [55] также указывается на экспериментальную проверку, которая показала, что расчет по формуле (3) при условии допущения постоянства величин в выражении (2), может дать погрешность до 20%.
Стоит отметить, что в последнее время для нужд железных дорог в составе микропроцессорных терминалов защит, например, БМРЗ-ФКС [25] и ЦЗАФ-3,3 [3] появились защиты от перегрева проводов (квазитепловые) [92]. Алгоритм такой защиты основан на решении уравнения теплового баланса для нахождения температуры контактного провода (КП), которая определяется силой протекающего по нему тока и температурой окружающей среды при заданных метеоусловиях: скорость ветра 1 м/с вдоль провода; нормативное значение поверхностной плотности потока энергии солнечного излучения Е = 1125Вт/м2 [15]. Теплоемкость провода C (определяется для температуры 100C) и полный коэффициент теплоотдачи а (рекомендуется выбирать из таблиц в зависимости от износа и степени загрязнения КП) считаются постоянными величинами [31]. При достижении рассчитанной температуры провода предельно (аварийно) допустимой температуры КП происходит отключение.
Наиболее достоверно судить о том, в какой момент времени необходимо осуществлять пуск УВ или отключать линию, позволяет информация о температуре провода, которая может быть доступна при условии использования различного рода датчиков (рисунок 8). Датчики устанавливаются в местах наихудшего охлаждения провода или возможного нарушения габаритов линии. Способ определения приоритетов проведения работ по инструментальному обследованию технического состояния линий посредством лазерного аэросканирования [22], или комплексной диагностики ЛЭП с использованием беспилотного летающего аппарата (БПЛА) [26] с целью определения мест установки датчиков приведен, например, в [45].
В связи со значительным износом сетевых элементов [29] становится очевидным тот факт, что в результате диагностирования линий электропередачи может быть выявлено некоторое количество участков с нарушением допустимых габаритов [58] даже при нормальном режиме работы ВЛ [96]. В качестве примера на рисунке 9 приведен график допустимой температуры провода ВЛ 110 кВ Г-20 – Замчалово по условиям сохранения габарита, построенный по результатам обследования линии [2]. Заслуживает внимания тот факт, что в настоящее время у нас и за рубежом наряду с классическими датчиками температуры провода внедряются системы квазинепрерывного измерения температуры по трассам воздушных линий электропередачи на основе оптоволоконных кабелей [48, 51].
В настоящее время в российской печати предлагаются функциональные схемы автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с логикой действия аналогичной принципам построения классической автоматики, но с использованием в качестве уставки срабатывания не величины тока в проводе, а его температуры [40, 94] (рисунок 10). Недостатки подобных устройств обусловлены инерционностью такого параметра провода, как температура, в результате чего, например, не представляется возможным после реализации части УВ однозначно определить достаточность выполненного объема управляющих воздействий и осуществить сброс автоматики. В разделе 3.3 диссертации показано, что для фиксации снятия перегрузки целесообразно использовать факт непревышения значения текущего тока в проводе над допустимым током, рассчитанным для конкретных условий теплообмена. Стоит оговориться, что указанный недостаток не критичен в том случае, если в качестве УВ от автоматики используется только воздействие на отключение защищаемого элемента сети.
Нестандартные решения в части логики действия автоматики ограничения перегрузки оборудования и ее взаимодействия с другими видами противоаварийной автоматики
Подводя итоги, можно сделать вывод, что совокупное использование рассмотренных выше методов позволит с достаточной точностью определять допустимую токовую нагрузку по известной температуре провода для нормального и аварийного режимов работы линии и может быть применено для диспетчерского управления.
Для прогноза изменения температуры провода воздушной линии электропередачи возможно использовать метод математической статистики с использованием анализа временных рядов [36], а именно полиноминальный тренд в следующем виде: где к - степень полинома.
Исследование различных степеней полинома [71] показало, что приемлемой точностью обладает квадратичный полином с введением в трендовую модель дополнительных факторов, определяющих температуру провода: температуру воздуха и ток в проводе, которые также определяются путем прогнозирования. Зпр (t + т) = а0 + a1l(t + т) + я A (t + т)2, (16) где а0,а1,а2 - коэффициенты; т - глубина прогноза. В качестве исходных данных для расчёта необходимы измеренные значения: тока, температуры провода, температуры воздуха. Остальные климатические условия (скорость и направление ветра, величина солнечной радиации) считаются неизвестными. Имея серию из N замеров, получим переопределенную систему уравнений, которую решим методом наименьших квадратов. В матричном виде она выглядит следующим образом:
Таким образом, с использованием вышеописанного метода прогнозируется не только непосредственно токовая перегрузка ВЛ, но и время достижения допустимой температуры провода. Для исследования настоящего метода воспользуемся архивными данными АИСКГТ на ВЛ 330 кВ Черкесск-Ильенко-Баксан, а именно, информацией за интервал времени 10:1510:27 14.04.2012г., полученной с пункта контроля, установленного в районе опоры №18 [28] (рисунок 25). Примем в данном случае за эталон &пр, определенную для данных климатических условий по программе «Мониторинг ВЛ» [62]. Результаты проверки прогноза с использованием формулы (16) сведены в таблицу 7 и показаны на рисунке 29.
В целях повышения точности прогноза температуры провода возможно дополнительно использовать прогноз скорости ветра в местах наихудшего охлаждения или возможного нарушения габаритов. Так, например, за рубежом тестирование модели пропускной способности воздушной линии электропередачи, основанной на использовании метеорологических данных, получаемых в режиме реального времени или прогноза на одни-двое суток, подтвердило приемлемую точность подобного метода [100, 112].
В разделе предлагаются решения в части автоматического противоаварийного управления - два адаптивных технологических алгоритма (ТА) автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода, которые возможно реализовать, например, посредством математического аппарата [76] микропроцессорного комплекса противоаварийной автоматики МКПА [54] или МКПА-2 [53] производства ООО «Прософт-Системы» (г. Екатеринбург), а также шкафа ШЭЭ 22Х 0106 производства ООО НПП «ЭКРА» [97] и подобных микропроцессорных терминалов противоаварийной автоматики с целью более полного использования пропускной способности ВЛ при автоматическом противоаварийном управлении.
Для функционирования обоих алгоритмов необходимы замеры: тока в проводе, температуры наружного воздуха (достаточно на подстанции, где установлена автоматика) и температуры провода (датчики устанавливаются в местах наихудшего охлаждения провода или в местах возможного нарушения габаритов линии).
В алгоритме используется достаточно простая математическая модель для определения предельной токовой нагрузки воздушной линии электропередачи на основании измерений текущих значений температуры провода, изложенная в разделе 3.2. Ее основу составляет допущение, что процесс нагрева провода происходит экспоненциально. В качестве исходных данных для расчёта берутся измеренные через равные интервалы времени At значения: тока (Ii,I2 I) температуры провода (Sпр1, , ), температуры воздуха (Зв1,Зв2 Ав3) По зафиксированным значениям определяются параметры экспоненты, и вычисляются значения установившейся температуры провода и постоянной времени нагрева. ТА, использующий вышеописанный метод, условно будем называть АОПО «по трем точкам», его функциональная схема приведена на рисунке 30, а).
Так как вышеописанная модель применима для расчета только в процессе динамически изменяющейся температуры провода, то в качестве критерия пуска автоматики используется факт превышения более чем на 15% изменения значения тока при наступлении аварийной ситуации. Данная величина принята с некоторым запасом, исходя из того, что обычно аварийно допустимый ток соотносится с длительно допустимым как 1,2 к 1.
Метод прогнозирования токовой перегрузки воздушных линий электропередачи для целей противоаварийного управления
Очевидно, что при вычислении времени до разрушения тр по формулам (30) и (31) получим абсолютно одинаковые результаты (при использовании параметров Ларсона-Миллера и Орра-Шерби-Дорна), аналогичная ситуация будет при использовании параметров Мэнсона-Хэферда-Гроунеса и Мэнсона-Саккопа и формул (32), (33).
В таблице 10 приведены вычисленные значения тр для диапазона температур сталеалюминевого провода 90150 С, анализ которых показывает, что использование параметрических зависимостей (26)-(29) дает весьма близкий результат практически во всем исследуемом диапазоне температур провода за исключением температур в районе 150 С.
В качестве примера на рисунке 32 приведена графическая зависимость времени до разрушения метала провода от температуры, вычисленная с использованием параметра Ларсона-Миллера. 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100
В итоге, принимая во внимание исследования, результаты которых приведены в [11, 41], не вызывает сомнений тот факт, что для возможности корректного использования формул (30)–(33) в целях повышения эффективности противоаварийного управления необходимо актуализировать допустимые времена существования ряда предельных температур, с учетом механических напряжений, характерных для сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи, приведенных, например в [57].
В результате, представляется возможным работа воздушной линии электропередачи при температурах провода свыше допустимых значений, регламентируемых существующими нормами, при условии автоматического определения допустимого времени существования конкретной термической перегрузки ВЛ. 3.6 Выводы по третьей главе
1. Совокупное использование предложенных методов вычисления допустимой токовой нагрузки позволит с достаточной точностью определять искомую величину по известной температуре провода для нормального и аварийного режимов работы линии и может быть применено при диспетчерском и противоаварийном управлении.
2. Предложенный метод прогнозирования токовой перегрузки воздушных линий электропередачи позволяет использовать прогноз потребления электроэнергии и прогноз климатических условий для целей противоаварийного и диспетчерского управления
3. Разработанные новые алгоритмы функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода позволяют в режиме реального времени определять допустимую токовую нагрузку воздушных линий электропередачи с учетом текущих климатических условий. Возможность реализации предложенных математических моделей в существующих микропроцессорных терминалах противоаварийной автоматики позволяет уже сегодня более полно использовать пропускную способность воздушных линий электропередачи в автоматическом противоаварийном управлении.
4. Разработанный алгоритм адаптации комплексной автоматики, состоящей из автоматики с контролем тока в проводе, контролем температуры наружного воздуха и непосредственным контролем температуры провода, позволит добиться оптимального автоматического противоаварийного управления возможного к реализации посредством используемого для этих целей терминала ПА даже при частичном отказе измерительных органов.
5. Представляется возможным работа воздушной линии электропередачи при температурах провода свыше допустимых значений, регламентируемых существующими нормами, при условии автоматического определения допустимого времени существования конкретной термической перегрузки ВЛ.
Схема опытной установки включает в себя: ЛАТР1 – ЛАТР3 – лабораторные автотрансформаторы; Rб – балластный резистор из термостабильного материала; А – амперметр; ТДВ-35 – нагрузочный трансформатор с одновитковой вторичной обмоткой и коэффициентом трансформации 5/600 A; ПЛ1, ПЛ2 – плашечные зажимы; П – образец провода, имеющий внутри нагрузочного трансформатора ТДВ-35 удвоенное сечение для предотвращения перегрева; ТТ – измерительный трансформатор тока с коэффициентом трансформации 600/5 A; Т – термопара, впаянная в провод; ТП – преобразователь температуры; ДТНВ – датчик температуры наружного воздуха; В – вентилятор.
Схема преобразователя а) – структурная схема; б) – схема подключения датчиков где ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ДХС – термодатчик (компенсатор холодного спая); МК– микроконтроллер; К – коммутатор питания; Ст – стабилизатор напряжения; USB– USB порт; ТС – термометр сопротивления; ТП – термопара Датчик температуры наружного воздуха использован типа Т.п/п-420-Кл.2-2 производства НПК «РЭЛСИБ» [68]. Скорость потоков воздуха измерялась анемометром Testo 410-2. Фотографии приборов приведены на рисунке 37, основные параметры – в таблице 11. а) .« Ш б)J ШШШ і в) Рисунок 37 - Используемые приборы а) - преобразователь температуры; б) - датчик температуры окружающего воздуха; в) - анемометр Таблица 11 – Основные технические характеристики приборов Наименование Значение НПТ-1 Т.п/п-420-Кл.2-2 Testo 410-2 Предел основной приведенной погрешности, не более, % 0,5 0,5 3 Диапазон допустимых значений напряжения питания, В 12…36 7,5…36 Номинальный диапазон выходного тока преобразователя, mA 0..20, 4..20 4..20 Диапазон измерений -200…+800С -40…+100С 0,4…20 м/с Функция преобразования входных сигналов Монотонновозрастающая илиубывающая - Нелинейность преобразования, не хуже, % ±0,1 - Время установления рабочего режима (предварительный прогрев), не более, мин 15 - Время установления выходного сигналапосле скачкообразного изменениявходного, не более, с 1 - Интерфейс связи с ПК USB 2.0 – –
Экспериментальная проверка алгоритмов функционирования автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода
Погрешность ТА «по методу итераций» определяется неравномерным охлаждением провода посредством вентилятора и сильно зависит от корректности значения скорости ветра, определенного в исходном режиме. Использование замеров от датчиков скорости и направления ветра, расположенных на ВЛ в местах установки датчиков температуры провода, а также уточненной методики определения коэффициента теплоотдачи конвекцией, изложенной, например, в [92], позволит повысить точность алгоритма.
Сравнение эффективности действия устройств автоматического ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с различными алгоритмами функционирования Результаты сравнения эффективности действия устройств АОПО ВЛ известных алгоритмов функционирования, полученные с использованием программного обеспечения [62], приведены, например, в [74]. Здесь же, в таблице 15, приведены результаты подобного исследования, в том числе для автоматики ограничения перегрузки ВЛ с разработанным автором алгоритмом функционирования, для расчетных условий, указанных в разделе 4.6, полученные при проведении эксперимента с использованием описанной в разделе 4.1 опытной установки. На рисунке 62 приведены осциллограммы работы автоматик. Таблица 15 – Результаты сравнения эффективности АОПО ВЛ
Параметр Алгоритмы функционирования АОПО ВЛ Обозначение Наименование Классический (сезон – лето) С контролемтемпературывоздуха С непосредственнымконтролем температуры провода I , А пр исх Исходный ток в проводе 120 120 120 Зпр исх , С Исходная температура провода 27 27 27 I , А пр ср Ток срабатывания 348 396 526 пр уст , С Установившаяся температура провода 53 62 89 АI, А (%) Увеличениеиспользованияпропускнойспособности ВЛ - 48(14) 157(45)/109(28) АP, МВт - 7,3 24/16,6
Из осциллограмм, приведенных на рисунке 62, видно, что значения тока в проводе, при которых происходит срабатывание устройства АОПО ВЛ с использованием рассмотренных алгоритмов функционирования различны, а максимальное значение тока срабатывания соответствует АОПО ВЛ с использованием алгоритма функционирования, разработанного автором (рисунок 62, в)).
Технико-экономическая эффективность применения автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи с непосредственным контролем температуры провода В настоящем разделе оценка технико-экономической эффективности применения устройств автоматического ограничения перегрузки воздушной линии электропередачи с непосредственным контролем температуры провода выполняется по Методике [80], применяемой для устройств FACTS, которая, по мнению, автора также может быть использована для АОПО ВЛ с непосредственным контролем температуры провода, так как вышеуказанные устройства применяются для решения сопоставимых задач, а именно: – повышение использования пропускной способности ВЛ ЕНЭС; – в некотором смысле – в качестве альтернативы сооружения дополнительных линий электропередач или генерации, например для выполнения заданных Методическими указаниями [42] требований к послеаварийным установившимся режимам. Принимались следующие расчетные условия: – режим летних максимальных нагрузок 2017 года (Рисунок А.2 ); – схема ремонта ВЛ 500 кВ Кубанская–Тамань; – температура наружного воздуха – +35C; – скорость и направление ветра – 1 м/с, вдоль провода – практически наихудшие условия охлаждения в районе прохождения трас рассматриваемых линий электропередач (по данным из [65] вероятность штиля – менее 14%, нормативная максимальная скорость ветра в соответствии с [67] – до 32 м/с); – без учета солнечной радиации; – обследование линий выявило необходимость установки двух пунктов контроля; – время существования ремонтной схемы – 9-ть суток в год (принято среднее значение, исходя из статистических данных за 2004-2014 года по ВЛ 500 кВ в МЭС Юга), вплоть до ввода ВЛ 500 кВ Ростовская АЭС–Ростовская, ВЛ 500 кВ Ростовская–Тамань в конце 2018 года [88]; – часы пиковой нагрузки – с 8-го по 17-й и 21-й (взяты в соответствии с плановыми часами пиковой нагрузки по месяцам на 2016 год для территорий, которые объединены в ценовые зоны оптового рынка электрической энергии [95] и мощности, и территорий, которые объединены в неценовые зоны оптового рынка электрической энергии и мощности [56]); – время ликвидации аварии на ВЛ 220 кВ – 17,62, ч [111]; – на линиях эксплуатируются устройства АОПО с контролем температуры наружного воздуха.
Учитывая прогнозируемую нагрузку Крымской энергосистемы и нагрузку в районе ПС 220 кВ Вышестеблиевская (1172 МВт и 360 МВт соответственно), и мощность станций «за сечением» (установленную мощность проектируемых станций (807 МВт) и располагаемую мощность существующих станций (83 МВт)), требования методических указаний [42] при раздельной работе с ОЭС Украины обеспечить невозможно без ввода графика временных отключений (ГВО) (119,5 МВт) или строительства дополнительной генераций или ЛЭП.