Адаптивная автоматика ограничения перегрузок воздушных линий

Сейчас актуально развитие технологий, обеспечивающих повышение степени использования пропускной способности существующих электрических сетей. В статье приведены результаты разработки системы адаптивной автоматики ограничения перегрузки воздушных линий электропередачи, основанной на изучении международного опыта построения систем DLR (Dynamic Line Rating, то есть с динамическими токовыми уставками) и адаптации его к отечественной практике эксплуатации ВЛ с расширением в части применения противоаварийной автоматики. Основным отличием предлагаемой системы защита воздушных линий электропередачи от существующих на сегодняшний день является ее адаптивность, заключающаяся в учете фактических условий работы ВЛ при определении ее допустимых токовых нагрузок.

Рост электропотребления и усложнение условий для электросетевого строительства характерны для большинства промышленно развитых стран. В связи с этим крайне актуальным является развитие технологий, обеспечивающее повышение степени использования пропускной способности существующих электрических сетей с отказом от строительства новых подстанций и линий электропередачи или переносом его на более поздний срок.

Для предотвращения и ликвидации недопустимой перегрузки электросетевых элементов в послеаварийных режимах работы энергосистемы используется противоаварийная автоматика (ПА) для защиты ЛЭП. Устройства автоматики ограничения перегрузок оборудования (АОПО) предназначены для формирования команд на реализацию следующих видов управляющих воздействий (УВ):

• изменение конфигурации электрической сети;
• отключение части потребителей электрической энергии, категория надежности которых допускает перерыв электроснабжения;
• отключение оборудования (линий электропередачи, трансформаторов);
• загрузку/разгрузку/ограничение генерации.

Современные устройства АОПО воздушных линий электропередачи (ВЛ) действуют на основе заданных уставок по току, которые рассчитываются, исходя из наихудших условий охлаждения провода (наличие солнечной радиации, слабый ветер) и учитывают только фактическую температуру окружающей среды. При наличии условий, обеспечивающих лучшее по сравнению с базовыми условиями охлаждение провода (сильный ветер, осадки, облачность), имеет место недоиспользование пропускной способности ВЛ при управлении электрическими режимами энергосистемы. Это отражается на избыточных УВ по защите воздушных и кабельных линий и снижении надежности электроснабжения потребителей.

В рамках реализуемой в настоящее время работы коллективом авторов разрабатывается адаптивная автоматика ограничения перегрузки линий (АОПЛ), способная учитывать фактические условия работы ВЛ и в режиме реального времени определять ее допустимые токовые нагрузки с соответствующей корректировкой необходимых УВ при аварийных ситуациях.

Далее в статье приводится описание зарубежного опыта по защите ЛЭП и краткое описание разрабатываемой АОПЛ.

Общее описание автоматики ограничения перегрузки линий

В настоящее время в электроэнергетике РФ применяются два типа ПА с разными подходами к реализации функции АОПО:

• классическое устройство АОПО ВЛ или автоматики разгрузки линии (АРЛ);
• устройство АОПО ВЛ с контролем температуры окружающего воздуха

АРЛ использует измеренное значение тока в проводе каждой фазы и информацию о направлении перетока активной мощности в ВЛ и обычно содержит набор сезонных уставок по току, который в большинстве случаев ограничивается несколькими уставками: «зима», «межсезонье», «лето». Выбор сезонной уставки оперативным персоналом подстанции (ПС) производится по распоряжению диспетчера

Устройство АОПО ВЛ с контролем температуры воздуха, в отличие от классического АОПО, позволяет более полно использовать пропускную способность линии за счет применения температурно-токовых таблиц, рассчитанных для диапазона температур наружного воздуха от -50°С до +50°С (как правило, с шагом 5°С), либо за счет построенной по этим данным кусочно-линейной функции допустимого тока от температуры воздуха. Датчики температуры наружного воздуха устанавливаются на территории ПС.

Расчет аварийно-допустимых токовых нагрузок (АДТН) для занесения в терминал в качестве уставки проводится либо по условиям нагрева с сохранением механической прочности проводов (для невысокотемпературных проводов марок А и АС по ГОСТ 839-2019 аварийно-допустимая температура провода равна 90°С, либо по условиям ненарушения допустимых габаритов (в зависимости от того, что наступает раньше для конкретной ВЛ).

Длительно допустимые токовые нагрузки (ДДТН) рассчитываются исходя из длительно допустимой температуры провода (ДДТП) равной 70°С по требованиям ПУЭ-7 (для невысокотемпературных проводов марок А и АС по ГОСТ 839-2019). Для ВЛ, оснащенных высокотемпературными проводами по ГОСТ 839-2019 значения допустимой и аварийно допустимой температур выбираются исходя из марки и типа провода. Для проводов с конструкцией, отличной от ГОСТ 839-2019, значения допустимых температур должны задаваться согласно техническим условиям производителей проводов или иных нормативно-технических документов, регламентирующих применение на ВЛ данных типов проводов.

Однако в любом случае расчет допустимых токовых нагрузок (ДТН) ВЛ ведется для наихудших условий охлаждения провода, поэтому зачастую в реальности АОПО ВЛ срабатывает при токах менее допустимых для данных фактических условий охлаждения проводов, что приводит к избыточным УВ.

Зарубежный опыт

В мировой практике нашли применение несколько подходов к определению ДТН линии.

Величина ДТН может быть постоянной (static line rating), то есть задаваемой вручную для определенного периода времени. Такая уставка рассчитывается для абсолютно всех линий как за рубежом, так и в России. Как правило, значение зависит от сезона. В США оно рассчитывается для фиксированных условий эксплуатации и должно ограничивать перегрузки для 98%-ной вероятности одновременного наступления наихудших возможных условий по всем основным параметрам окружающей среды. Величины ДТН различаются: для нормального режима а также послеаварийных режимов — кратковременного (продолжительностью до 15 минут) и длительного (продолжительностью до 4-х часов).

В ряде стран, особенно в тех регионах, где наблюдаются существенные колебания температуры применяется величина ДТН, периодически корректируемая по внешним условиям (на основании прогноза температуры воздуха). Например, если сезонная токовая нагрузка для летнего периода рассчитана для +35°С, то в случае наличия прогноза, в соответствии с которым в течение следующих 24 часов температура воздуха не превысит +25°С, токовая нагрузка может быть увеличена на 10%.

Недостатком этого метода расчета защиты воздушных линий электропередачи является то, что при таких расчетах учитывается только температура воздуха, а воздействие ветра и солнечной радиации не учитывается.

И наконец, уставка может быть динамической (dynamic line rating, DLR), то есть рассчитанной с использованием данных, поступающих в режиме реального времени. Системы DLR являются естественным и логичным усовершенствованием систем расчета уставки статически, по временам года и по внешним условиям.

В зарубежной литературе концепция динамического определения допустимой токовой нагрузки линии встречается под различными названиями:

• dynamic line rating (DLR);
• real-time rating;
• dynamic thermal rating (DTR);
• real-time thermal rating (RTTR);
• dynamic thermal conductor rating (DTCR);
• dynamic cable rating (DCR) и др.

На сегодняшний момент не существует единой стандартизованной терминологии обозначения элементов систем DLR, а также величин, применяемых при расчетах, ни на английском, ни на русском языках. Наиболее близкий смысловой перевод «DLR» — динамическая ДТН. Следует отметить, что в России применяются два значения ДТН: ДДТН и АДТН. Понятие DLR может относиться как к одному, так и к другому значению.

Применение систем DLR (под «системой DLR» понимается программно-технический комплекс для расчета значения DLR, то есть фактического допустимого тока, включая системы сбора исходных данных, и/или передачи его в системы мониторинга) позволяет определять пропускную способность, опираясь на фактические условия эксплуатации. При этом предполагается что наступление наихудших внешних условий (по которым рассчитывается статическая уставка) с очень малой вероятностью совпадет по времени с периодом пиковых нагрузок. Кроме того, учитывается, что внешние условия, такие как температура окружающего воздуха, скорость и направление ветра (в том числе по отношению к трассе ВЛ), наличие дождя или обледенения проводов, уровень солнечной радиации, изменяются во времени и по длине линии, оказывая влияние на температуру провода и являясь причиной изменения пропускной способности ВЛ.

Поэтому применение систем DLR позволяет оптимизировать эксплуатацию линии (то есть обеспечить при необходимости увеличение перетока мощности) за счет более точного определения ее допустимой токовой нагрузки в режиме реального времени. Хотя сами по себе технологии DLR не увеличивают пропускную способность линии, они показывают текущие возможности ВЛ. В таблице 1 показано возможное увеличение пропускной способности ВЛ в процентах при изменении внешних условий по данным, приведенным в ряде зарубежных источников.

Технологии DLR коммерчески доступны уже более 30 лет. Для кабельных линий технологии мониторинга в режиме реального времени были разработаны в конце 70-х. В 90-е годы были впервые разработаны технологии для ВЛ. За последнее десятилетие системы DLR получили существенное развитие. С начала 2010-х годов технологии DLR развились от стадии теоретических исследований и первых пилотных систем до широкомасштабного использования в энергосистемах многих зарубежных стран. В РФ на сегодняшний день подобные системы не применяются.

Практически все зарубежные системы на сегодняшний день имеют схожую архитектуру защиты ЛЭП, которая состоит из трех уровней. Нижний уровень включает в себя датчики, установленные непосредственно на ВЛ. Данные с них передаются на средний (приемное устройство на ПС) и далее на верхний уровень, на котором реализованы расчетные модели, и далее в систему SCADA и между диспетчерскими центрами.

Опционально система защиты воздушных линий электропередачи может содержать некоторые дополнительные элементы, нехарактерные для «классической компоновки» систем DLR в зависимости от необходимости в дополнительном функционале системы, например, подсистему мониторинга актов вандализма (Румыния).

Основными преимуществами технологий DLR по защите ЛЭП являются:

• возможность мониторинга пропускной способности линии в режиме реального времени;
• повышение надежности и безопасности сети;
• оптимизация использования существующих электросетевых активов;
• оптимизация капиталовложений в электросетевое строительство.

Системы DLR предполагают установки метеодатчиков для измерения скорости и направления ветра, температуры воздуха и уровня солнечной радиации и/или сбор данных о температуре провода (точечно или распределенно), тяжении, величие стрелы провеса. Системы связи обеспечивают передачу этих данных от датчиков в программное обеспечение DLR, которое рассчитывает пропускную способность линии и динамическую токовую нагрузку в режиме реального времени.

Десять лет назад системы 01В были предметом исследований, пять лет назад разработки дошли до стадии запуска пилотных проектов. Сегодня системы DLR — это стандартный инструмент для эффективной защиты воздушных линий от перенапряжения, выдачи мощности возобновляемых источников энергии, резервирования ВЛ в «узких сечениях» при выводе из работы параллельных цепей, а также возможность при необходимости обеспечить передачу большей по сравнению с проектной величиной мощности по ВЛ без ее переустройства или технического перевооружения.

Новый подход к созданию адаптивной АОПЛ

Разрабатываемая в настоящее время коллективом автором адаптивная АОПЛ сочетает в себе основные принципы работы АОПЛ с контролем температуры воздуха, однако срабатывание ступеней автоматики происходит по факту превышения измеренной температуры провода над допустимой — в этом заключается новизна и основное отличие от существующих АОПЛ, которое позволят осуществлять эффективную защиту ЛЭП и при этом максимально полно использовать пропускную способность ВЛ и не приводить к избыточным УВ.

Динамические уставки ДДТН и АДТН рассчитываются в терминале адаптивной АОЛЛ по текущим условиям нагрева и охлаждения провода, с постоянной коррекцией по измеренной температуре провода на ВЛ в режиме реального времени. Это, в свою очередь, при передаче текущих динамических уставок в РДУ позволит использовать максимальную пропускную способность линии при управлении электрическими режимами энергосистемы, повышая надежность передачи электроэнергии по электрической сети. Описанный механизм лежит в основе построения адаптивной АОПЛ.

Адаптация расчетной модели

Расчет значений установившейся температуры провода, ДДТН и АДТН проводится по модели теплового баланса модифицированной для применения в терминале адаптивной АОПЛ с функцией адаптации. В установившемся режиме модель основана на равенстве теплоты подведенной к проводу, и теплоты, отдаваемой проводом в окружающую среду:

Теплота Р output, отводимая от провода в окружающую среду за счет конвекции и теплового излучения, зависит от разницы температур провода и воздуха и условий охлаждения проводов ветром:

Наличие обратной связи тепловой модели с измеренной ТП позволило сделать расчетную модель защиты ЛЭП адаптивной, в ручном и автоматическом режимах подстраивающейся под параметры защищаемой ВЛ, учитывающей как. неточности задания коэффициентов для расчетной модели (коэффициентов, связанных с поверхностным эффектом и магнитными потерями при протекании электрического тока, коэффициентов поглощения солнечной радиации и излучения тепла с поверхности провода), так и такие погодные явления, как дождь, изморось, снег, образование наледи на поверхности провода, которые не учитываются в [14].

Структурная и функциональная схемы адаптивной АОПЛ

Структурно разрабатываемую адаптивную АОПЛ можно представить в виде трехуровневой системы (рисунок 1), включающей в себя систему непрерывного мониторинга температуры проводов и метеопараметров и исполнительный блок.

Потоки информации между блоками структурной схемы, обозначенные номерами, приведены в таблице 2.

Нижний уровень системы (ВЛ)

Нижний уровень системы защиты ЛЭП представляет собой набор оборудования, состоящего из измерительных датчиков и пунктов контроля, а также каналов передачи данных на средний уровень. Каждый пункт контроля ВЛ собирает информацию от следующих датчиков: датчиков температуры проводов, совмещенных с датчиками измерения углов схождения одновременно по трем фазам, и датчиками измерения метеопараметров (датчик температуры и влажности воздуха, датчик скорости и направления ветра, датчик солнечной радиации). Обмен информацией между датчиками и пунктом контроля производится по радиоканалу.

Информация в оцифрованном виде передается по GPRS-каналу от пунктов контроля, расположенных на выбранных опорах ВЛ, на средний уровень системы — в пункт приема — для дальнейшей обработки. В зависимости от режима работы ВЛ (нормальный режим, режим перегрузки / аварийный режим) изменяется частота передачи данных от пункта контроля в пункт приема (от одного раза в 5 минут до одного раза в 2 секунды).

Средний уровень системы (ПС)

Средний уровень системы защиты ЛЭП состоит из пункта приема данных (сервер среднего уровня) и исполнительного блока (ИБ), размещенных в одном шкафу АОПЛ. Сервер среднего уровня обменивается информацией с ИБ по протоколу ГОСТ Р МЭК 60870-5-104.

Исполнительный блок представляет собой терминал АОПЛ — промышленный серийный терминал ПА, с функциями АОПО, подключенный к токовым цепям и цепям напряжения в релейном зале ПС и позволяющий формировать команды на реализацию УВ, описанных в разделе «Общее описание автоматики ограничения перегрузки линий».

Верхний уровень системы

Верхний уровень системы защиты ЛЭП строится по архитектуре «клиент-сервер». Основной компонент верхнего уровня — сервер репликации, который должен получать информацию от сервера среднего уровня без возможности обратного доступа и организации к нему удаленных запросов.

Основные функции сервера верхнего уровня:

• сбор, хранение и обработка всех данных, поступивших от среднего и нижнего уровней системы;
• расчет вертикальных расстояний от проводов до земли и/или пересекаемых объектов в пролетах контролируемой ВЛ;
• расчет прогнозных значений ДДТН и АДТН в случае подключения к серверу метеоданных;
• предоставление доступа к данным линейным службам и ЦУС ПМЭС/ МЭС.

Передача данных между сервером репликации верхнего уровня и сервером среднего уровня осуществляется посредством технологической сети предприятия либо одностороннего GPRS (2G/3G/4G)-канала связи.

Инновационный подход к срабатыванию ступеней противоаварийной автоматики

Непосредственный контроль температуры проводов защищаемой ВЛ, а также адаптивная модель для расчета температуры провода в установившемся режиме и расчета допустимых токов позволили предложить новый подход к реализации команд ПА, направленный, с одной стороны, на наиболее полное использование пропускной способности защищаемой ВЛ в режиме перегрузки и снижения количества вынужденных отключений потребителей, а с другой стороны, — недопущения перегрева проводов. Предлагается следующая схема реализации пуска и срабатывания ступеней, относительно классического АОПО.

Первая и четвертая ступени. Первая ступень ПА запускается при достижении проводом температуры ДДТП (в наиболее нагретой точке измерения). Данная ступень остается по-прежнему сигнальной, то есть информирует о том, что ВЛ находится в режиме перегрузки.

Четвертая ступень ПА запускается при достижении проводом температуры АДТП (в наиболее нагретой точке измерения). Данная ступень также аварийная, через минимально допустимую выдержку по времени (секунды) выдает команду на отключение защищаемой ВЛ с запретом АПВ.

Таким образом, задачи первой и четвертой ступеней защиты ЛЭП остаются неизменными по сравнению с классическими АОПО.

Вторая и третья ступени ПА служат для формирования команд на разгрузку ВЛ (то есть для формирования команд на реализацию заданных в проекте УВ) для исключения ситуации с нагревом проводов ВЛ до АДТП и срабатывания четвертой ступени.

Вторая ступень запускается одновременно с первой при достижении проводом температуры ДДТП при условии, что токовая нагрузка ВЛ превышает ДДТН, но не превышает АДТН. Уставки по времени для формирования команд на реализацию УВ отданной ступени аналогичны применяемым в настоящее время АОПО (максимальная длительность команды на реализацию последнего УВ от второй ступени — 20 мин.). Кроме того, достаточность реализованного УВ, если к ступени их привязано несколько, определяется расчетом температуры провода в установившемся режиме после формирования воздействия, и если значение линейного тока уменьшилось на столько, что расчетная температура провода в установившемся режиме не превышает ДДТП, команда на следующее УВ ступенью не формируется.

Преимуществом данного подхода к пуску и срабатыванию второй ступени (по отношению к существующим АОПО) является увеличенное безопасное время существования режима перегрузки ВЛ, поскольку учитывается дополнительное время нагрева провода с текущей температуры до ДДТП (например, 70°С). что в сумме может значительно превосходить заданные 20 минут, в течение которых в сети могут измениться перетоки мощности таким образом, что не придется формировать УВ и осуществлять вынужденные отключения потребителей.

Третья ступень ПА запускается одновременно со второй ступенью при достижении проводом температуры ДДТП, но при условии, что токовая нагрузка ВЛ превышает АДТН. Однако уставка по времени на срабатывание ступени и формирования от нее команд на реализацию УВ — динамическая и зависит от скорости нагрева провода. То есть формирование всех команд на реализацию УВ от ступени будет происходить за определенное количество секунд до достижения проводом аварийно-допустимой

температуры. Поэтому в качестве уставок по времени для данной ступени задается время формирования команд на реализацию УВ до нагрева провода (с учетом запаса 5°С) до АДТП (например, если предусмотрено проектом шесть УВ, УВ1 — за 60 с, УВ2 - за 50 с, УВ3  — за 40 с, УВ4 - за 30 с, УВ5 - за 20 с, УВ6 — за10 с).

В случае, если после формирования УВ6 и измерения линейного тока расчетная температура провода в установившемся режиме остается по-прежнему выше АДТП, то по ее достижению срабатывает четвертая ступень ПА.

Таким образом, если ВЛ была слабо загружена до возникновения аварийного режима, длительность безопасной работы ВЛ может значительно (в разы) превысить жестко заданное существующей автоматикой время, исчисляемое от десятков секунд до нескольких минут. А если учитывать тот факт, что в существующем АОПО ДДТН и АДТН не зависят, по крайней мере, от температуры воздуха, скорости и направления ветра вдоль линии, их значения во многих случаях будут заниженными и не будут соответствовать ДДТП и АДТП, поэтому предложенный подход к пуску и срабатыванию третьей ступени позволит наиболее полно (по величине и длительности) использовать пропускную способность ВЛ в режиме перегрузки.

На рисунке 2 приведена осциллограмма формирования трех последних команд (УВ4, УВ5, УВ6) от третьей ступени адаптивной АОПЛ, последнее (УВ6) сформировано при измеренной температуре провода 84.5°С (с учетом запаса 5°С до АДТП).

Также следует подчеркнуть то, что вне зависимости от динамических ДДТН, АДТН и аварийно-допустимой температуры защищаемой ВЛ, если линейный ток превышает АДТН «концевого» оборудования (трансформаторы тока, ВЧ-заградители и пр), пуск третьей адаптивной АОПЛ происходит по алгоритмам работы существующего АОПО ВЛ, то есть для пилотного объекта внедрения АОПЛ после пуска третьей ступени через 17 с (отстройка от защит) происходит формирование УВ1. Далее, если линейный ток не снижается до значения меньше АДТН, каждые 2 с происходит формирование последующего УВ, и затем через 2 с после УВб — отключение самой ВЛ с запретом АПВ, если линейный ток так и не снизился меньше АДТН.

Функциональные испытания опытного образца адаптивной АОПЛ

Рассмотренный выше новый подход к срабатыванию ступеней противоаварийной автоматики был реализован при создании опытного образца адаптивной АОПЛ для защиты ЛЭП. При создании опытного образца каждый из уровней системы создавался и проходил заводские испытания независимо от остальных, после чего все элементы системы были объединены и смонтированы на физической модели пролета ВЛ на полигоне АО «НТЦ ФСК ЕЭС» (рисунок 3) для прохождения функциональных испытаний.

В рамках функциональных испытаний системы для защиты ЛЭП (в том числе при отказе различных ее компонентов) проводились следующие проверки:

• проверка расчетов терминалом АОПЛ, ДЦТН, АДТН и функции адаптации тепловой модели;
• проверка восстановления работоспособности системы после отказов;
• проверка срабатывания каждой из ступеней адаптивной АОПЛ (формирование команд УВ).

Результаты функциональных испытаний подтвердили работоспособность системы защиты воздушных линий элекстропередачи во всех заявленных режимах работы, что дает основание сделать вывод о целесообразности перевода разработанного опытного образца в опытно-промышленную эксплуатацию.

Выводы

Технологии, обеспечивающие управление режимами энергосистем на основе ДТН линий электропередачи, определяемых в режиме реального времени, являются типовым решением повышения пропускной способности сети в зарубежных энергосистемах. Однако в России опыт применения подобных систем практически отсутствует.

Коллективом авторов разработан и успешно испытан на физической модели опытный образец адаптивной АОПЛ в составе:

• автоматизированной системы непрерывного точечного контроля температуры и габарита провода по всем трем фазам, метеопараметров в точке контроля;
• исполнительного блока адаптивной АОПЛ с реализованной функцией АО ПО по температуре провода;
• реализованных алгоритмов функционирования, позволяющих выполнять адаптивный функционал системы АОПЛ, проверку достоверности поступающей, обрабатываемой и передаваемой информации, надежность и бесперебойность функционирования всей системы, включая случаи отказа элементов системы непрерывного мониторинга ВЛ.

При реализации алгоритмов работы исполнительного блока адаптивной АОПЛ была разработана функция адаптации расчетной модели по обратной связи с измеренной температурой провода, что позволило сделать расчетную модель адаптивной, подстраивающейся под параметры защищаемой ВЛ, а также под такие погодные явления, как дождь, изморось, снег, образование наледи на поверхности провода, которые в настоящее время нигде аналитически не описаны и не учтены.

Предложен новый подход к реализации команд ПА, направленный, с одной стороны, на наиболее полное использование пропускной способности защищаемой ВЛ в режиме перегрузки и снижения количества вынужденных отключений потребителей, а с другой стороны, — на недопущение перегрева проводов свыше аварийно-допустимой температуры.

В случае положительного опыта эксплуатации на действующей ВЛ 220 кВ адаптивная АОПЛ будет рекомендована для широкого применения в качестве технического решения для повышения пропускной способности электрических сетей при защите ЛЭП, альтернативного в ряде случаев дополнительному сетевому строительству.

Оригинал статьи: Адаптивная автоматика ограничения перегрузок воздушных линий