Автоматика ограничения перегрузки линий – элемент интеллектуальных сетей

В настоящее время режим работы электросетевого комплекса характеризуется опережающим ростом электропотребления, обусловленным как ростом энерговооруженности существующих потребителей, так и подключением новых потребителей, по отношению к темпам увеличения выработки электроэнергии и развития электросетевой инфраструктуры. Данный факт приводит к увеличению нагрузки высоковольтных линий электропередачи как магистральных, так и распределительных электрических сетей в результате дополнительного наложения транзитных перетоков мощности.

Возрастание нагрузки электрических сетей и старение электросетевого оборудования характерно для большинства промышленно развитых стран во всём мире. Пропускная способность электрической сети с течением времени снижается, растёт разветвлённость и усложняется конфигурация сети, передаваемая мощность ограничивается критерием (n-1).

В случаях наложения аварийного отключения на ремонтную схему перераспределение перетоков мощности может привести и приводит [1, 2] к недопустимому увеличению загрузки отдельных электросетевых элементов и к их перегрузке.

Для устранения недопустимой перегрузки элементов электрической сети предусмотрены средства противоаварийной автоматики [3]. Устройства автоматического ограничения перегрузки линий (АОПЛ) предназначены для противоаварийного управления, включающего в себя: изменение конфигурации электрической сети, отключение части потребителей электрической энергии, категория надёжности которых допускает перерыв электроснабжения, отключение линий электропередачи.

Основное требование к АОПЛ — селективность действия, т.е. автоматика должна действовать только в недопустимых режимах работы, не ограничивая пропускную способность линии.

Ниже рассмотрена сравнительная оценка нескольких вариантов АОПЛ и выполнен анализ с точки зрения селективности действия и возможности повышения пропускной способности линии электропередачи в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах.

ТИПОВОЕ ПРОЕКТНОЕ РЕШЕНИЕ АОПЛ

По условию механической прочности провода в сочетании с величиной стрелы провеса (габарит линии) параметром, ограничивающим перегрузку линии, является температура провода.

Температура провода (с определёнными параметрами — сечение, материал, степень износа) определяется величиной протекающего тока и внешними факторами (температура окружающего воздуха, скорость и направление ветра, солнечная энергия и др.).

Длительно допустимый режим для конкретной линии определяется её статическим рейтингом (по зарубежным источникам информации — «статический предел линии»). Это ограничение перетока по линии при температуре провода, не превышающей допустимое значение, при конкретных условиях окружающей среды.

Проектируемые до настоящего времени в электрических сетях устройства ограничения перегрузки линий содержат токовые реагирующие органы, осуществляющие противоаварийное управление только в зависимости от значения токовой загрузки.

Зависимость длительно допустимых токовых нагрузок проводов ВЛ (из расчёта нагрева проводов до допустимого уровня) от температуры окружающего воздуха (Т_в) согласно действующим Правилам [3] изображена на рис. 1. Из графика видно, что повышение (понижение) температуры окружающего воздуха на 10°С приводит к понижению (повышению) нагрузочной способности ВЛ по току на 10%.

В типовом техническом решении АОПЛ сезонные уставки тока срабатывания автоматики выбираются дискретно при помощи оперативного элемента (с положениями зима/ лето). Это не позволяет учитывать реальные условия нагрева провода и не обеспечивает в большинстве случаев необходимую селективность работы автоматики. Необходимость действия автоматики ограничения перегрузки линии может потребоваться в любом диапазоне климатических условий окружающей среды.

Однако действия устройств АОПЛ, выполненных по методу контроля тока линии и не учитывающих внешние климатические условия, могут оказаться неселективными. С одной стороны, возможно излишнее срабатывание автоматики при величине тока меньшей, чем допустимое значение, с выдачей управляющих воздействий, которые приведут к неоправданным ограничениям электроснабжения потребителей. С другой стороны, возможно возникновение ситуаций несрабатывания автоматики в случаях, когда ток линии превысит допустимое значение. Данная ситуация представляет опасность термической перегрузки линии электропередачи и может привести к критическим и аварийным последствиям.

АОПЛ С РАСЧЁТНЫМ МЕТОДОМ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОВОДА ВЛ

Для исключения недостатков типового проектного решения был разработан алгоритм реализации АОПЛ с косвенным методом определения температуры провода ВЛ путём расчёта с использованием тепловой модели линии [4] с учётом температуры окружающего воздуха.

Факторы, влияющие на температуру провода линии, отображены на рис. 2. Провод нагревается под действием протекающего тока и солнечной радиации, а охлаждается за счёт лучеиспускания (теплоотдачи в окружающую среду) и конвекции (влияния ветра).

Линия смоделирована инерционным звеном первого порядка, характеризуемым постоянной времени нагрева. Это позволяет учесть динамику изменения температуры провода. В алгоритме расчёта температуры провода приняты допущения для наихудших условий его охлаждения (например, отсутствие ветра, наличие солнечной радиации).

В качестве переменных параметров, которые определяют нагрев провода, использованы две величины, измерение которых на практике осуществляется достаточно легко:
• ток линии на наиболее загруженном участке;
• температура окружающего воздуха.

В 2009 г. на базе технических проектов института «Энергосетьпроект» компания ООО «ГК ОПТИМА» разработала рабочие чертежи и выполнила работы по внедрению автоматики ограничения перегрузки линий на 3-х транзитах 110 кВ электрических сетей ОАО «МОЭСК».

Функциональная схема АОПЛ изображена на рис. 3.

Данный метод позволяет определить термическую перегрузку линии, т.е. её перегрев. Автоматика в этом случае осуществляет управляющие воздействия в зависимости от степени перегрева провода линии, что является более совершенным решением по сравнению с типовым способом, т.к. позволяет уточнить и в конечном счёте уменьшить объём реализации управляющих воздействий от автоматики. Этот метод кардинально улучшает селективность работы АОПЛ, так как уставки задаются не по току в линии, а по температуре провода.

Между тем расчёт температуры провода требует знания характеристик окружающей среды и самого провода. Отсутствие измерений отдельных параметров окружающей среды приводит к снижению точности расчётов и, как следствие, к ограничению пропускной способности линии. Возможно неоправданное ограничение электроснабжения потребителей ещё до достижения реального предела пропускной способности линии электропередачи.

АОПЛ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ
КОНТРОЛЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОВОДА ВЛ

Исследования, проведённые в России [5, 6] и за рубежом [7], показали, что нагрузочная способность линии (динамический рейтинг линии) большую часть времени существенно превосходит статический предел пропускной способности по току. Запас по нагрузке может достигать 125—150—200% за счёт более благоприятных условий охлаждения провода по сравнению с наихудшими условиями охлаждения, принятыми для статического рейтинга линии.

Существенное влияние на температуру провода оказывает, например, ветер. Расчётная зависимость изменения допустимого тока линии от скорости ветра изображена на рис. 4, зависимость изменения температуры провода линии от скорости ветра — на рис. 5.

Результаты статистических исследований [8] мет е орологических условий окружающей среды линий электропередачи показывают, что в состоянии штиля линия находится лишь незначительный период времени (рис. 6).

Базовый рейтинг — худшие условия окружающей среды для охлаждения проводов линии электропередачи, при которых, в соответствии с проектом, ВЛ должна обеспечивать передачу номинальной мощности.

Возможность пропускной способности линии с учётом реальных метеорологических условий изображена на рис. 7.

Приведённые данные показывают, что наиболее прогрессивным и перспективным направлением развития систем АОПЛ является переход от косвенного метода расчёта температуры провода к использованию достоверной информации о текущей, актуальной температуре провода ВЛ.

Применение интеллектуальных датчиков [9, 10] измерения температуры провода высоковольтной линии позволяет создать модернизированное устройство автоматического ограничения перегрузки линий (АОПЛ-Т), внедрение которого обеспечит повышение пропускной способности линий электропередачи в аварийных и послеаварийных режимах и надёжность электроснабжения потребителей.

Создаваемые в настоящее время в электрических сетях системы температурного мониторинга проводов высоковольтных линий позволяют с меньшими затратами средств и времени оснастить устройствами АОПЛ-Т проблемные транзиты, уже оснащённые температурными датчиками. Взаимодействие систем АОПЛ и систем температурного мониторинга уже опробовано на практике, а интегрированное устройство было представлено на выставке «Электрические сети России — 2010».

Функциональная схема АОПЛ-Т изображена на рис. 8.

В алгоритме АОПЛ-Т для повышения надёжности действия автоматики совмещены прямой и расчётный методы контроля температуры провода линии. Расчётный метод служит в качестве резервного на случай потери связи с датчиком температуры провода высоковольтной линии.

Для кабельно-воздушной линии алгоритм АОПЛ-Т инициирует управляющие воздействия в зависимости от превышения текущего значения параметра, ограничивающего пропускную способность по линии электропередачи: температуры провода — для участка воздушной линии, тока — для кабельного участка линии.

Система АОПЛ-Т может предоставлять диспетчерскому и оперативному персоналу дополнительную информацию о факторах, которые необходимо учитывать при управлении в аварийном и послеаварийном электроэнергетических режимах. Наличие системы АОПЛ-Т может оказать влияние на правила краткосрочного планирования (на несколько часов, на предстоящие сутки) электроэнергетических режимов энергосистемы [11].

После получения положительного опыта эксплуатации АОПЛ-Т нужно определить перечень нормативных правовых актов и нормативно-технической документации, в которые требуется, при необходимости, внесение соответствующих изменений (дополнений) в части определения возможности и порядка использования АОПЛ-Т при управлении электроэнергетическим режимом работы.

При угрозе нарушения электроснабжения (например, из-за возникновения дефицита пропускной способности электрической сети) или возникновении аварийного электроэнергетического режима оперативный персонал вправе принимать решения об использовании перегрузочной способности линий электропередачи на основании сведений о значениях, характеризующих текущую перегрузочную способность линий электропередачи [11]. Система АОПЛ-Т предоставляет диспетчеру необходимую информацию, чем способствует принятию оператором оптимальных решений по управлению в аварийных и послеаварийных режимах электрической сети, повышению надёжности электроснабжения потребителей.

ВЫВОД

Современные средства автоматизации обеспечивают реализацию требуемых технологических алгоритмов систем ПА, а наличие датчиков для непосредственного измерения температуры провода высоковольтной линии позволяет создавать интеллектуальные системы автоматического ограничения перегрузки линий (АОПЛ-Т). Внедрение данных систем ПА обеспечит повышение пропускной способности линий электропередачи в аварийных и послеаварийных режимах (а в дальнейшем — и в нормальных режимах) и надёжность электроснабжения потребителей в целом.

Имеющийся положительный опыт эксплуатации систем АОПЛ с расчётным методом определения температуры провода ВЛ позволяет отказаться от применения в проектах типового проектного решения, не обеспечивающего необходимую селективность и не соответствующего идеологии построения интеллектуальных сетей.

ЛИТЕРАТУРА
1. Герасимов А.С., Есипович А.Х., Кощеев Л.А., Шульгинов Н.Г. Исследование режимов Московской энергосистемы в процессе развития аварии в мае 2005 г. Электричество, 2008, № 1.
2. Кокшаров А., Бадов А., Сумленный С. Неудачное отключение. Эксперт, 2006, № 42(536).
3. Правила устройств электроустановок. Шестое издание.
4. Назначение и цель создания АОПЛ. Разработка функциональной структуры АОПЛ. ОАО «Энергосетьпроект», г. Москва, 2007 г., отчёт № 417-16-т1.
5. Механошин Б.И., Шкапцов В.А., Васильев Ю.А. Повышение эффективности использования существующих ВЛ на основе анализа их технического состояния и данных мониторинга температуры проводов. Электро, 2007, № 6.
6. Левченко И.И., Сацук Е.И. Нагрузочная способность и мониторинг воздушных линий электропередачи в экстремальных погодных условиях. Электричество, 2008, № 4.
7. Алексеев Б.А. Оценка нагрузочной способности ВЛ и методы её повышения. Энергоэксперт, 2010, № 4.
8. Механошин Б.И. Доклад на второй конференции компании «Дженерал Электрик» в России на тему: «Интеллектуальные сети (Смарт Грид) и энергоэффективность». г. Москва, 6 апреля 2011 г.
9. Overhead Transmission Line Monitoring OTLM.
10. Дистанционный измерительный модуль ДИМ-ВЛ01.
11. Правила оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике. Постановление правительства РФ от 27.12.2004 № 854 (ред. от 03.03.2010).