CC BY
110
ISSN 1992-6502 (Print)_
2016. Т. 20, № 1 (71). С. 136-142
Ъъомшс
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.315.1
Совершенствование системы контроля гололедно-ветровых нагрузок
на воздушных линиях электропередачи
а. ю. Елизарьев1 , а. р. Валеев2 , г. а. Громова3
1 elizar-1@yandex.ru, 2 azat@valeev.su, 3 sharafieva.guzel@mail.ru
1 ООО «Башкирские распределительные электрические сети» (Башкирэнерго) 2 3 ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 25.01.2016
Аннотация. Рассматривается усовершенствованная система контроля гололедно-ветровых нагрузок на воздушных линиях электропередачи. Описывается общий вид, структурная схема, принцип работы и результаты апробации системы. Предлагается комплексная система контроля гололедно-ветровых нагрузок, которая заключается в использовании системы контроля гололедных нагрузок посредством весовых датчиков совместно с локационной системой мониторинга.
Ключевые слова: гололедно-ветровая ситуация, гололедообразование на воздушных линиях электропередачи, дистанционный мониторинг гололедообразования, система мониторинга гололедообразо-вания, метод локационного зондирования, комплексный метод контроля гололедообразования.
ВВЕДЕНИЕ
Значительная часть территории России в той или иной мере подвержена влиянию гололеда на работу энергосистем. Аварии по гололедным причинам на воздушных линиях (ВЛ) в более чем 40 энергосистемах за последние 30 лет нанесли ущерб во всех отраслях народного хозяйства и коммунально-бытовой сфере. Наиболее опасными с этой точки зрения являются Северный Кавказ, Урал и Поволжье, Север и Северо-Запад, Дальний Восток и Сахалин.
Важным аспектом предотвращения аварий является наличие достоверной информации о гололедных отложениях на проводах линий электропередачи (ЛЭП).
В период образования гололедно-изморозевых отложений диспетчеру сетей постоянно необходима информация об обстановке на ВЛ, для чего в этот период организуется круглосуточное дежурство оперативно-ремонтного персонала, который находится непосредственно в местах наиболее вероятного образования максимального количества отложений и с помощью имеющихся средств связи сообщает диспетчеру информацию о количестве отложений на ВЛ.
Непосредственный мониторинг бригадой электромонтеров за гололедообразованием на ВЛ имеет ряд отрицательных моментов:
• невозможность оперативного контроля гололедно-ветровых нагрузок на ВЛ;
• невозможность достоверного и точного определения параметров гололедных отложений из-за визуального измерения;
• труднодоступность большинства участков линий в условиях зимнего бездорожья и небольшой продолжительности светового дня;
• практическая нереализуемость в условиях плохой видимости;
• невозможность спрогнозировать время начала плавки гололеда, подачи заявки на вывод линии в ремонт;
• значительные финансовые затраты на мониторинг, что даже при отсутствии аварий приводит к значительному удорожанию эксплуатации ВЛ в зимний период.
1. ДИСТАНЦИОННАЯ СИСТЕМА
КОНТРОЛЯ ГОЛОЛЕДНО-ВЕТРОВЫХ
НАГРУЗОК НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Ввиду вышеназванных недостатков в последнее время электросетевые предприятия активно внедряют дистанционные системы автоматизированного мониторинга, позволяющие в режиме реального времени контролировать вес уже образовавшихся отложений на проводах.
Есть ряд способов для обнаружения отложений гололеда на проводах:
• способ, основанный на измерении веса (тяжения) провода с гололедом [1];
• способ, основанный на измерении плотности (проводимости) отложений на специальных поверхностях, размещенных рядом с проводом ВЛ (на расстоянии, обеспечивающем электробезопасность)[2];
• способ, основанный на измерении проводимости промежутка между датчиком и проводом [3];
• способ, основанный на измерении напряженностей электрического поля в точке гололедной муфты и за ее пределами [4];
• способ, основанный на преобразовании перемещения кодирующего устройства в электрический сигнал;
• оптический способ.
Все вышеперечисленные способы научно обоснованы, но широкое применение на практике получили только системы мониторинга гололеда с применением тензометрических весовых датчиков, основанные на принципе измерения тяжения провода с гололедом.
Основным достоинством таких устройств является простота конструкции и эксплуатации при достаточной точности определения гололедных отложений.
Данные системы контроля гололедных нагрузок (СКГН) позволяют:
1) контролировать в режиме онлайн или с задаваемой диспетчером дискретностью механическую нагрузку на проводах фаз и параметры окружающей среды;
2) своевременно обнаруживать начало голо-ледообразования;
3) информировать об отклонениях и пред-аварийных режимах ВЛ;
4) формировать базу архивных данных по изменению воздействующих на ВЛ метеорологических факторов и механического состояния элементов ВЛ;
5) регистрировать события и оперативные действия персонала (статистические данные).
Учитывая, что измерительные посты устанавливаются точечно в наиболее подверженных гололедно-изморозевым отложениям местах, для достаточно надежной защиты линии требуется порядка 5 постов на 100 км линии.
Однако вследствие тяжелых условий эксплуатации надежность установок СКГН невысокая. Ежегодно из строя выходит в среднем 40 % ранее установленных систем. Анализ надежности работы систем мониторинга за
2010-2015 гг. указывает, что наиболее слабым звеном являются:
• датчики веса,
• контроллеры,
• система заряда.
Ввиду значительных стоимостей существующих разработок, было принято решение о создании системы контроля гололедно-ветровых нагрузок на проводах и грозозащитных тросах ВЛ (далее Система), используя новейшую элементную базу и опыт эксплуатации (как положительные, так и отрицательные аспекты) уже существующих постов различных производителей.
Целью создания Системы является контроль гололедно-ветровых нагрузок на проводах и г/з тросах ВЛ, эффективное определение и предупреждение образования гололедных отложений за счет:
• повышения оперативности контроля гололедно-ветровых нагрузок на проводах и г/з тросах ВЛ;
• повышения достоверности измерения и передачи значений для измерения гололедных и ветровых нагрузок за счет применения более надежного аппаратного решения;
• повышения качества принимаемых оперативным персоналом решений и уменьшения числа ошибок при реализации действий по управлению режимом работы энергосистемы на основании данных, полученных от Системы;
• снижения затрат на обслуживание и эксплуатацию ВЛ.
Функциональная схема Системы представлена на рис. 1.
Система состоит из:
1) центрального пункта (ЦП) автоматики приема, который предназначен для обеспечения приема и передачи пакетных данных. Используется как элемент распределенной сети (статиче-
Рис. 1. Функциональная схема Системы
ский IP адрес), предназначен для использования в непрерывном круглосуточном режиме;
2) контролируемого пункта (КП) автоматического опроса, обеспечивающего опрос подключенных датчиков, дистанционный контроль технологического оборудования и обмен данными с центральным сервером системы телемеханики в диспетчерском пункте.
В состав КП, находящегося на контрольной точке, входят тензометрические датчики, датчик температуры цифровой, анемометр, программируемый контроллер, комплект для радиосвязи по GPRS/GSM каналу, аккумуляторная батарея (12V, 140Ah), контроллер заряда аккумуляторной батареи, фотоэлемент (солнечная батарея) - 2 шт.
Структурная схема КП автоматики опроса представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема контролируемого пункта автоматики опроса
Разработанная система работает следующим образом.
Основным режимом работы КП является осуществление опроса датчиков по сети RS 485 и передача полученных данных в ЦП.
КП автоматики опроса осуществляет опрос и снятие информации с датчиков. С тензомет-рических датчиков нагрузки, установленных на поддерживающих гирляндах изоляторов, снимаются показания измеренного веса грозозащитного троса и проводов. С цифрового датчика температуры и анемометра снимаются параметры окружающей среды: температура, скорость и направление ветра.
Передача данных происходит по сети сотовой GSM связи по каналу GPRS в режиме работы с диспетчерским терминалом (центральным пунктом) и/или с помощью SMS-сообщений в автономном режиме с передачей на сотовые телефоны. Дальность действия определяется зоной покрытия сотовой связи.
В случае превышения текущих показаний заранее введенной в систему уставки, система сигнализирует об этом диспетчеру визуальными и звуковыми сигналами.
Описание работы алгоритма сигнализации. С заданной дискретностью модуль мониторинга, встроенный в «ОИК Диспетчер», осуществляет сбор телеизмерений с датчиков веса, установленных на КП, полученные текущие телеизмерения (ТТ) сохраняются в переменных ТТ_изм_д1, ТТ_изм_д2, ТТ_изм_д3, ТТ_изм_д4. После чего происходит сравнение полученных телеизмерений с предупредительной уставкой (ПУ) для соответствующего телеизмерения (например ТТ_изм_д1 сравнивается с ПУ_д1). В случае превышения величиной ТТ значения ПУ срабатывает предупредительная аварийная сигнализация на экране оператора. В случае превышения величиной ТТ значений аварийной уставки (АУ) срабатывает аварийное оповещение оператора и выставляется телесигнал для КП «Необходима плавка». Также на экран оператора выводится информация с погодных датчиков.
По получаемым данным и характеру погодных условий диспетчер принимает решение о необходимом комплексе оперативных мероприятий по борьбе с гололедообразованием на ВЛ.
На блок-схеме (рис. 3) показан процесс об-
Аварийное оповещение; Выставление телесигнала «Необходима плавки»
Рис. 3. Блок-схема процесса обработки /-го телеизмерения
работки телеизмерения.
Новизна разработанной Системы заключается в следующем:
1. Информация от СКГН передается и отображается в информационно-управляющей системе «ОИК Диспетчер НТ» (стандартный программный комплекс Башкирэнерго) напрямую, без промежуточных серверов сбора, модемов на приемной стороне и дополнительного программного обеспечения (ПО). Это обеспечивается протоколом передачи в «ОИК Диспетчер НТ» IEC-870-5-104 или Modbus поверх TCP/IP, с обеспе-
чением возможности передачи на основной и резервный сервер «ОИК Диспетчер НТ».
Отображение и обработка полученной телеметрической информации в ОИК «Диспетчер» освобождает электросетевую компанию от необходимости приобретения и использования дополнительного ПО, а также установки дополнительного рабочего места для работы с данным ПО, что в масштабах всей энергосистемы существенно сокращает эксплуатационные затраты.
2. Применение цифрового датчика температуры для определения температуры окружающей среды. Цифровые датчики температуры поддерживают точность измерения от 0,1 ^ в широком диапазоне температур, обеспечивают единство измерений с национальными эталонами и не требуют применения каких-либо дополнительных средств аналогового преобразования сигнала и калибровки.
3. Измерение скорости и направления ветра с помощью незамерзающего всепогодного анемометра.
Все вышеназванные аспекты обеспечивают высокую точность, оперативность и сокращение затрат при мониторинге гололедообразования на ВЛ.
На данный момент проводятся испытания разработанной Системы на действующей ВЛ.
КП блока автоматики опроса установлен на опоре ВЛ 110 кВ, проводятся все необходимые измерения. В состав измеряемых технологических параметров входят измерения:
• механической нагрузки на проводах фаз, г/з тросе,
• температуры наружного воздуха,
• скорости и направления ветра,
• уровня и контроля заряда батареи.
Информационное окно мониторинга представлено на рис. 4.
По показаниям разработанной СГКН в первые дни гололедной волны было произведено две плавки гололеда на грозозащитном тросе и одна на всех фазах (рис. 5).
Недостатком системы также является ограниченность зоны мониторинга, так как система измеряет вес гололеда только в одном пролете ВЛ, где установлены весовые датчики.
2. МЕТОД ЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Новым способом мониторинга за гололедо-образованием является метод локационного зондирования, который позволяет надежно следить за процессом образования гололеда на проводах ВЛ ЛЭП [5].
Рис. 4. Информационное окно мониторинга во время гололедной волны
Рис. 5. График нарастания и плавки гололеда
ЛЭП на территории Бугульминско-Белебеевской возвышенности особенно подвержены гололедообразованию. В связи с этим система мониторинга гололеда (СМГ) на проводах с использованием метода локационного зондирования была установлена на подстанции (ПС) «Шкапово» Белебеевских электрических сетей ООО «Башкирэнерго» в марте 2013 г. В настоящее время контролируются три линии напряжением 110 кВ, отходящие от ПС «Шкапово». Особый интерес представляют результаты локационного контроля линий Шкапово -Чегодаево и Шкапово - Аксаково, так как на них установлены весовые датчики контроля гололеда. Совместная эксплуатация локационной системы и весовых датчиков позволяет провести юстировку показаний локационной системы мониторинга гололеда, привязав локационные данные (затухание и запаздывание импульса) к реальной массе гололеда на проводах.
Рассмотрим методику распознавания ре-флектограмм ЛЭП более подробно применительно к особенностям конфигурации каждой линии. При локационном способе диагностики ЛЭП информацию о состоянии линии несут импульсы, отраженные от неоднородностей ее
волнового сопротивления (конец линии, отпайки и другие). При образовании гололеда на проводах из-за его диэлектрических свойств происходит уменьшение скорости распространения локационных сигналов. Кроме того, возникает их дополнительное затухание из-за поглощения энергии импульса в слое гололедного отложения. По уменьшению затухания и увеличению запаздывания импульса при распространении локационных сигналов по высокочастотному тракту ВЛ определяется количество гололедных отложений на проводах.
Система локационного мониторинга гололеда подключается к высокочастотному тракту, организованному с помощью высокочастотного заградителя (ВЗ), конденсатора связи (КС), фильтра присоединения (ФП) и высокочастотного кабеля (ВК). На контролируемых линиях ПС «Шкапово» заградители на отпайках расположены в непосредственной близости (менее 150 м) от места присоединения этих отпаек к линии. По этой причине происходит наложение двух импульсов, отраженных от места присоединения отпайки и от ВЗ на самой отпайке, которые имеют небольшое расхождение во времени (менее 1 мкс).
Таким образом, на рефлектограмме мы имеем практически один отраженный от отпайки импульс, являющийся суперпозицией двух упомянутых выше импульсов. В дальнейшем этот суммарный импульс будет считаться отражением от отпайки.
При локационном зондировании масса гололеда рассчитывается из затухания и запаздывания отраженных импульсов согласно модальной теории распространения сигналов по высокочастотным трактам ВЛ. Локационный метод дает усредненное по длине линии значение массы гололеда. Предполагая равномерное распределение гололедного покрытия по длине линии, можно определить значение массы гололеда в одном пролете, которое может быть сопоставлено с данными весовых датчиков.
Различие показаний системы локационного мониторинга гололеда и весовых датчиков объясняется различными принципами работы этих устройств. Так, весовой датчик определяет вес провода в двух полупролетах около опоры, на которой смонтирован датчик, а локационным методом определяется интегральное по длине линии значение количества гололеда, которое затем приводится к массе гололеда в одном пролете. Несмотря на это, оба метода дают совпадающие динамики отложения гололеда на проводах.
Для повышения точности локационного метода в условиях неравномерного распределения гололеда вдоль ЛЭП линия может быть разделена неоднородностями волнового сопротивления на отдельные локационные участки. Это позволит контролировать данные участки независимо друг от друга.
Способ, основанный на измерении временной задержки импульсных сигналов, отраженных от муфт отложений, относительно зондирующих сигналов и отношении амплитуд этих отраженных импульсов, имеет трудности определения порога обнаружения отложений. При этом добавляется также трудно регистрируемое и учитываемое влияние волновых процессов в линиях передачи сигналов, а также влияние отпаек от ВЛ и режимов работы нагрузки на них.
Таким образом, локационный метод контроля гололедообразования на проводах является косвенным и позволяет контролировать гололедооб-разование по всей длине ЛЭП. Но при этом измеряется усредненное по всей длине ЛЭП значение толщины стенки гололедообразования, что при неравномерном гололедообразовании будет давать заниженные значения толщины и массы гололедных отложений. Одним из решений для преодоления данного недостатка может являться совместное использование локационных и весовых систем контроля гололедной нагрузки, которые дополняют друг друга.
3. КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА
КОНТРОЛЯ ГОЛОЛЕДНО-ВЕТРОВЫХ
НАГРУЗОК НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Для увеличения надежности работы энергосистемы в условиях гололедообразования целесообразно применить комплексную систему мониторинга, сочетающую в себе мониторинг посредством весовых датчиков и локационный мониторинг.
Мониторинг весовых датчиков необходим для определения веса гололеда в определенном пролете. Информация системы будет анализироваться и по ней будет определяться режим плавки: схема, ток, время плавки. Пост по наблюдению за гололедообразованием устанавливается на участке ВЛ, который наиболее подвержен гололедообразованию. Система локационного мониторинга внедряется на ряд ВЛ с захватом определенной географической территории, ограниченной схемами плавки гололеда.
Принцип действия комплексной системы.
1. Информация от метеостанций районов анализируется и при условии срабатывания уставок по температуре, влажности, ветре дает
сигнал на начало опроса системы локационного мониторинга.
2. Сигнал о начале гололедообразования и его географическом направлении передается от локационного мониторинга. Данный сигнал является начальной уставкой для начала опроса системы мониторинга с весовыми датчиками.
3. По весовым датчикам определяется режим плавки: схема плавки, ток плавки, время начала и окончания плавки. Сигнал от весового датчика направляется в ОИК «Диспетчер» и дает диспетчеру указание на организацию плавки.
4. Результатом окончания плавки является информация об отсутствии гололеда от локационной системы.
Графически описанный алгоритм может быть представлен в виде блок-схемы (рис. 6).
Инициализация
Получение те куш и* измерений от мете о станции t[i] {температура воздуха,влажность воздуха скорость ветра)
| Выдержка по врементГ Нет_
Рис. 6. Блок-схема алгоритма работы комплексной системы мониторинга
Применение двух методов мониторинга повысит уровень контролируемости, наблюдаемости и прогнозируемости процесса гололедооб-разования на ВЛ ЛЭП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье представлены результаты разработки усовершенствованной системы кон-
троля гололедно-ветровых нагрузок на воздушных ЛЭП посредством весовых датчиков и предложена комплексная система контроля го-лоледообразования.
Разработанная система контроля гололедно-ветровых нагрузок на ВЛ ЛЭП посредством весовых датчиков отличается применением более современной элементной базы и тем, что информация от СКГН передается и отображается в стандартном программном комплексе электросетевого предприятия ОИК «Диспетчер» напрямую без промежуточных серверов сбора, модемов на приемной стороне и дополнительного программного обеспечения.
Предложенная комплексная система контроля гололедообразования отличается тем, что в ней совместно используются локационный и весовой методы контроля гололедной нагрузки для расширения контролируемой зоны СКГН и уменьшения погрешностей измерения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. на полезную модель № 107412. МПК H02G 7/16. Система контроля гололедно-ветровых нагрузок / Ф. Р. Исмагилов, С. В. Зайцев, А. Ю. Елизарьев. Опубл.: 10.08.2011. Бюл. № 22. [ F. R. Ismagilov, S. V. Zajcev,
A. Y. Elizariev. Ice-wind load control system, (in Russian), Utility patent 107412, MPK H02G 7/16. Published on 8/10/2011; Bul. 22. ]
2. Пат. № 2079944. МПК H02G 7/16. Сигнализатор начала обледенения / Р. М. Рудакова, М. Б. Гузаиров, И. Г. Асмандияров. Опубл. 20.05.97. Бюл. № 12. [ R. M. Rudakova, M. B. Guzairov, I. G. Asmandiyarov. Signaling device of ice formation beginning, (in Russian), Patent 2079944, MPK H02G 7/16. Published on 5/20/1997; Bul. 12. ]
3. А. с. 1390682. МПК H02G 7/16. Линия электропередачи с устройством для обнаружения гололеда на ее проводах / Р. В. Шнелль, И. В. Абрамов, А. С. Козырев, Э. Н. Куфа, В. Н. Радиков. Опубл. 23.04.88. Бюл. № 15. [ R. V. Shnell, I. V. Abramov, A. S. Kozyrev, E. N. Kufa,
B. N. Radikov. Power transmission line with device for detection ice on wires, (in Russian), Certificate of authorship 1390682, MPK H02G 7/16. Published on 4/28/1988; Bul. 15. ]
4. А. с. 1159099. МПК H02G 7/16. Способ обнаружения гололеда на проводах линий электропередач / Р. В. Шнелль, И. В. Абрамов, Э. Н. Куфа. Опубл. 30.05.85, Бюл. № 20. [ R. V. Shnell, I. V. Abramov, E. N. Kufa. Method of detection ice on power transmission wires, (in Russian), Certificate of authorship 1159099, MPK H02G 7/16. Published on 5/30/1985; Bul. 20. ]
5. Обнаружение локационным зондированием гололеда на воздушных линиях электропередачи Республики Башкортостан. Р. Г. Минуллин, Р. Р. Аскаров, В. А. Каси мов, М. Р. Яруллин, А. Ю. Елизарьев, О. Е. Семенов, А. И. Салимгареев // Энергетика Татарстана. 2014. № 3-4 (35-36). С. 42-45. [ R. G. Minullin, R. R. Askarov, V. A. Kasimov, M. R. Yarullin, A. Y. Elizariev, O. E. Semenov and A. I. Salimgareev "Location probe ice detection on overhead transmission lines of the Republic of Bashkortostan", (in Russian) in Power system of Tatarstan. 2014. No. 3-4 (35-36). pp. 42-45. ]
ОБ АВТОРАХ
ЕЛИЗАРЬЕВ Артем Юрьевич, асп. каф. э/мех., зам. нач. ДКС. Дипл. инж. по эл.-эн. сист. и сетям (УГАТУ, 2007). Иссл. в обл. надежности энергоснабжения потребителей во время гололедообразования на ВЛ.
ВАЛЕЕВ Азат Рустамович, доц. каф. э/мех. Дипл. инж. по спец. эл.-оборуд. лет. апп. (УГАТУ, 2002). Канд. техн. наук по э/техн. компл. и сист. (УГАТУ, 2006). Иссл. в обл. эл.-эн. сист.
ГРОМОВА Гузель Айратовна, асп. каф. экономики предпринимательства. Дипл. инж. по эл.-эн. сист. и сетям (УГАТУ, 2014). Экономист-менеджер по спец. «Экономика и управление на предприятиях» (УГАТУ, 2013). Иссл. в обл. методов и моделей управления системой электроснабжения.
METADATA
Title: Development of control system of ice-wind loads on overhead transmission lines.
Authors: A. Y. Elizariev1, A. R. Valeev2, G. A. Gromova3
Affiliation:
1 Bashkirenergo (Bashkirenego), Russia.
2 Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
3 Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
Email: 1 elizar-1@yandex.ru, 2 azat@valeev.su,
3 sharafieva.guzel@mail.ru.
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 20, no. 1 (71), pp. 136-142, 2016. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: Improved control system of ice-wind loads on overhead transmission lines are considered. Describes the overview, block diagram, principle of operation and testing result. New complex ice-wind loads control system is suggested. This system includes both weight sensor control system and location probe ice detection system.
Key words: Ice-wind situation, icing in overhead power transmission lines, icing remote monitoring, icing control system, location probe method, icing control complex method.
About authors:
ELIZARIEV, Artem Yurievich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of Electro mechanics, Deputy Head of capital construction department. Dipl. engineer of Electrical systems and grids (UGATU, 2007). Studies in power supply reliability during transmission lines icing.
VALEEV, Azat Rustamovich, PhD., Dept. of Electro mechanics. Dipl. engineer of Aircraft electric equipment (UGATU, 2002). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2006). Studies in power systems.
GROMOVA, Guzel Ajratovna, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of business economics. Dipl. engineer of Electrical systems and grids (UGATU, 2014). Economist-manager in spec. Economy and management in business. Studies in power supply system control methods and models.
