Taking innovation technologies into the design of air electric line Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВРАХУВАННЯ ШНОВАЦШНИХ ТЕХНОЛОГ1Й В ЗАДАЧАХ ПРОЕКТУВАННЯ ПОВ1ТРЯНИХ

Л1Н1Й ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧ1

Бондаренко В.О.

доктор техтчних наук, професор кафедри передачi електричног енергИ Нацгонального техтчного yHiверситету «Хартвський полтехтчний iHcmumym»

Горкунов Б.М. доктор mехнiчних наук професор кафедри iнформацiйно-вимiрювальних технологш i систем Нацюнального техтчного yнiверсиmеmy «Хартвський полimехнiчний iнсmиmym»

Черкашина В.В.

доктор mехнiчних наук, доцент кафедри передачi електричног енергИ На^онального техтчного yнiверсиmеmy «Хартвський полтехтчний iнсmиmym»

TAKING INNOVATION TECHNOLOGIES INTO THE DESIGN OF AIR ELECTRIC LINE

Bondarenko V.

Doctor of technical sciences, professor of the department of electric power transmission,

National technical university "Kharkiv polytechnic institute "

Gorkunov B.

Doctor of technical sciences professor of the department of information-measuring technologies and systems, National technical university "Kharkivpolytechnic institute"

Cherkashyna V.

Doctor of technical sciences, docent of the department of electric power transmission, National technical university "Kharkivpolytechnic institute"

Анотащя

У статп обгрунтовано необхвдшсть врахування шновацшних технологш пвд час проектування повгг-ряних лшш електропередачг Ввдмшною особливютю запропонованого тдходу е доцшьшсть враховувати шд час проектування наявшсть засобiв контролю поточних технолопчних параметрiв об'екту для керу-вання в перюд експлуатацп режимами роботи електричних мереж в реальному час з метою оптимшци перетоков активно! потужностi i зменшення технологiчних втрат. Бiбл. 8, табл. 4, рис. 1.

Abstract.

The article substantiates the need to take into account innovative technologies in the design of transmission lines. A distinctive feature of the proposed approach is the feasibility of taking into account when designing the means of control of the current technological parameters of the object to control during the operation of the modes of operation of electrical networks in real time in order to optimize the flows of active power and reduce technological losses. Bible. 8, Table. 4, fig.1.

Ключовi слова: активна потужнють, технолопчш втрати, електропередача, шновацшш технологи, повиряна лiнiя, проектування.

Keywords: active power, technological losses, power transmission, innovative technologies, overhead line, design.

Вступ. Об'еднана електроенергетична система (ОЕС) Укра!ни, яка здшснюе централiзоване елект-розабезпечення внутршшх споживачiв, а також взаемодiе з енергосистемами сусвдшх держав i за-безпечуе експорт та iмпорт електрично! енергii, фу-нкцiонуе за Законом Укра!ни «Про ринок електрично! енергп» [7].

Данi умови сприяють створенню нових засобiв контролювання поточних технологiчних парамет-рiв електроенергетичних об'ектiв, якi доцiльно враховувати пвд час проектування електричних мереж (ЕМ). Щдсумком цього напрямку являеться впрова-дження iнновацiйних технологiй. Згвдно енергетич-но! стратегii держав £вросоюзу та США данi технологи входять до концепцii Smart Grid. Вщповвдно до не! електричнi мережi оснащенi iнновацiйними технологiями - це мереж^ якi задовольняють вимо-гам енергоефективного та економiчного функцю-

нування енергосистеми за рахунок скоординова-ного керування за допомогою сучасних двосторон-тх комунiкацiй м!ж елементами електричних мереж, електричними станцiями, джерелами жив-лення i споживачами [3, 5].

Ввдповщно дано! стратегii в Укра!ш також про-водяться заходи, щодо оснащення електроенергети-чних об'ектiв, в тому чи^ i повiтряних лшш (ПЛ), засобами контролю поточних параметрiв для керу-вання пiд час експлуатацп режимами струмового навантаження в мережi згiдно з реальними даними про термiчну та механiчну стшшсть проводiв; контролювання рiвня технолопчних втрат; врахування змши електричних навантажень; коригування ре-жимiв роботи лшш i регламенту !х технiчного об-слуговування (ремонту та реконструкцii).

Таким чином, врахування щд час проектування шновацшних технологш, а саме оснащення ПЛ шновацшними засобами контролю поточних

технолопчних параметрiв, дозволить в перюд екс-плуатаци покращити керування режимами роботи ЕМ за рахунок додатково! шформаци з лiнiй [3].

Мета роботи. Провести дослщження та обгру-нтувати доцiльнiсть врахування шд час проекту-вання оснащения повпряних лiнiй засобами контролю поточних технолопчних параметрiв для керування в перюд експлуатаци режимами роботи електричних мереж в реальному чай з метою збшь-шення активно! потужносп i зменшення технологi-чних втрат.

Основш матерiали дослiджень.

Основний показник ПЛ в реальному часi - до-пустимий струм, за якого тшя функцiонуe без по-рушень правил техшки безпеки, цiлiсностi матерiа-лiв i надiйностi ЕС [5]. Коли струм в ПЛ збтшу-еться, провiд нагрiваeться i, вiдповiдно, с^ли провисання можуть виходити за допустимi меж1, що приводить до змш в габаритах лiнiй.

Традицiйно тд час проектування об'eктiв ЕМ фшсоваш значення теплових показник1в ПЛ уста-новлюють за доввдковими даними [8]. Так показ-ники засновано на певних уявленнях про швидкiсть виру, температуру навколишнього середовища i сонячному випромiнюваннi. В реальному часi ме-теорологiчнi умови змiнюються. Особливо небез-печним являються ожеледi ввдкладення на проводах, яш можуть привести не тшьки до подовження проводу, а i до його обриву. Тому замють фжсова-них значень показнишв необхвдно отримувати i ко-ригувати данi про термiчну та мехашчну стiйкiсть проводiв лiнiй в реальному чай в залежносп ввд па-раметрiв навколишнього середовища, що дозволить скорегувати режим роботи ЕМ i оптимiзувати використання реально! пропускно! здатностi ПЛ.

Вiдомо, що пропускна здатнiсть ПЛ визнача-еться величиною передано! потужностi i залежить вiд рiвня технологiчних втрат. Потужшсть визнача-еться умовами роботи лшш в ЕМ i параметрами самих ПЛ.

Одним з основних параметрiв лшш, що впли-вае на передану потужшсть, е активний опiр прово-дiв, який залежить вiд температури проводiв й стру-мового навантаження. Тому, доцiльно пвд час проектування в розрахунках режимiв роботи лшш використовувати активний опр лшш як змшнш параметр.

Враховуючи те, що ПЛ виконують основнi еле-ктричнi зв'язки в ОЕС, то розглядати !х пропускну здатнiсть дощльшше враховуючи параметри ро-боти мереж.

Для розрахунку параметрiв режиму роботи ЕМ з врахуванням температури проводiв в робот вико-ристовуеться метод Ньютона i математична модель на основi методу вузлових напруг [2, 5]:

£ = 430, ■ 3 ;

f (U )= y u-sj+ydud = 0,

(1) (2)

вузлових проввдностей мереж1 без базисного вузла; Y а - вектор взаемних проввдностей базисного вузла, кожен елемент якого дор1внюе

n+1

Y. =-У Y

а г,.

j=1

де U - вектор напруг у вузлах; U a - напруга в базисному вузлц n - шльшсть вузл1в ЕМ без базисного.

З р1вняння (2) слвдуе, що матриця Y мае важ-ливу роль в процеа розрахунку режиму роботи мереж!. Тому, що вона визначаеться параметрами па-сивних елеменпв мереж!, яш залежать в1д температури проводу та навантаження i е складовою частиною матриц чутливостi Якобi в методi Ньютона. В наукових працях вчених ця проблема не мала широкого ввдображення, хоча температура проводу у неявному виглядi е параметром матема-тично! моделi сталого режиму i, вiдповiдно, впли-вае на процеси при отриманнi рiшення задачi ана-лiзу режиму роботи мереж! [2, 4, 5].

В робот пропонуеться оцiнювання впливу за-значених факторiв, тобто температури провод!в i навантаження у вузлах на характер проходження ггерацшних процесiв розрахунку режиму роботи

мереж!. I так, як вектор - функц!я л/3 J = U—1S

неаналп'ична, то неможна визначити матрицю Якоб! математично! моделi в комплексних координатах. Для цього !! перетворено в дшсну площину з

урахуванням того, що Y = G — jB.

Модель (2) шсля перетворень мае вигляд:

F (U' ,U'' ) =

B G U"

G — B U

J' G U

+ a a

J" — Ba Ud

= 0;

(3)

J' + jJ " = U—1S; и'+jU" = U,

де Ga, Ba - складовi вектору It а .

Рекурентнi вирази методу Ньютона першого порядку отримано використовуючи розкладення виразу (3) в ряд Тейлора з! збереженням лшшно! частини

[w(U(k))}\U(k) =—F(U(k)). (4)

Ввдповщно до виразу (4) математична модель анал!зу сталих режим!в ЕМ в метод! вузлових напруг на к- ш ггеращ! методу Ньютона мае вигляд:

AU',(k)

де S - вектор потужностей джерел, приедна-них до вузл!в ЕМ; Uд - д!агональна матриця напруг в вузлах; J - вектор задаючих струм!в; y - матриця

— (и'(к) U " (k)) U , ' AU

F' (u " (k ),U "" (k))

F"(и (k) U"(k)

t(k)

ge

— U'(k) U"(k))

dUy ' '

MaTpu^ nyTgHBocn

^Ko6i; AU '(k), AU"(k) - BeKTop 3MiH gincHoi Ta ya-BHoi' CKgagoBHx Hanpyr; F'(U'(k), U"(k)),

F" U'(kU "(k) ) - He6agaHCH gincHHx Ta yaBHHx CKgagoBHx CTpyMiB.

MaTpu^ _3Ko6i $opMyeTbca 3 ypaxyBaHHaM $o-pmh 3anucy BHxigHoi Mogegi (5) y BignoBigHocri 3 bh-pa3OM:

OF' OF'

OF _ dU" dU'

dU OF" OF"

dU" dU'

(6)

i ii egeMemu BH3HanaroTbca 3a Bupa3aMH:

dF'

dF- = B + AB - D ;

ÖU" '' '' ';

OF'

F = G + AG + A;

OU" dF'

= -B - AB ;

OU" " "

OF'

= G +Ag ;

dU" u u; OF"

dF- = G + Ag - A;

OU" '' '' ';

OF."

dF- = -Bn -AB„ - D;

dU" » •• ,;

OF."

dU; = G+AG; uB+Ab ;

ou ' u u;

A =

D =

P(U"2 -U"2) + 2• Qt • U"-U".

u? '

Q(U"2 - U"2) - 2 • p •U" • U"

U ,?

ge AG, AB- - nonpaBKH go egeMemiB i-j MaTpu^,

BignoBigHO, aKTHBHHx Ta peaKTHBHHx By3goBHx npo-BigHOCTen, aKi 3yMOBgeHO 3MiHOM aKTHBHoro onopy BiTKH i-j cxeMH 3aMi^eHHa EM ARj nig BngHBoM TeM-nepaTypu npoBogy Ta npoTiKaHHaM po6onoro CTpyMy:

Klv-AR + K2j ■AR1J _

AG j = 2

' K 5 j ■aR2 + K 6 j ■AR1J + K 7 y

^ _ K 3 „' ARi + K 4 ■ARy

u K5,.,. -AR.2 + K6„ • AR,, + K7,

u

u

u

u

u

K1 u =-Ru;

K 2 u =- R+X2; K 3 u=-X;

K 4 u =-2Ru • Xu; K 5 u = R ¿2 + X ¿2; K6u = 2Ru • (R + X2);

K 7 u =R+)2-

3 ypaxyBaHHHM BBegeHHx no3HaneHt Bupa3 g^H мaтрнцi HKO6I (6) Mae BHr^ag:

OF

B + BA - D

G + G + A

dU G + Ga- A - B - BA - D

B G BA GA - D A

+ +

G -B Ga - BA - A - D

ge Ba, Ga - мaтpнцi, nogi6Hi 3a CTpyKTypoM go CKgagoBHx MaTpu^ By3goBHx npoBigHocTen B, G, egeMemaMH aKHx e, BignoBigHo, ABij Ta AGij ; A i D -giaroHagbHi мaтpнцi, egeMeHTaMH aKHx e, Bigno-BigHo, Ai Ta Di

TaKHM hhhom, MaTp^H HKO6I Mae Tpu CK^a-goBi:

= 7 + 7a-(RA) + V • (P,e,U), (7)

dU

ge Ra - BeKTop-CTOBne^ nonpaBoK aKTHBHHx onopiB BiToK cxeMH 3aMi^eHHa Mepe^i, 3yMoBgeHHx BngHBoM 3MiHH MeTeonapaMeTpiB Ta pe^HMy po6oTH EM.

Po3gigeHHa мaтpнцi ^Ko6i Ha Tpu CKgagoBi gae Mo^gHBicTb cnpocTHTH agropHTM ii ^opMyBaHHa Ta KopuryBaHHa b npoцeci aBToMaTH3oBaHoro po3paxy-HKy, aKHM npoaHagi3oBaHo KoMngeKCHy мaтpнцм no-ToKopo3nogigeHHa:

Ck = z;1 • m' -Mk • z;1 • Mki

(8)

ge ze = + - giaroHagbHa мaтpнцa onopiB rigoK EM; M^t - MaTpuua 3'egHaHb BiToK y By3-gax, b aKin 3aMicTb "-1" gga TpaHC^opMaTopHHx BiToK 3anucyMTbca кoe$iцieнтн тpaнc$opмaцii.

AKTHBHi i peaKTHBHi onopu rigoK, a TaKo® Koe-^i^eHTH мaтpнцi noToKopo3nogigy (Ck) po3paxoBy-MTbca cnonaTKy gga HoMiHagbHHx 3HaneHb napaMeT-piB Mepe®i i yroHHMMTbca b npoцeci KepyBaHHa pe-®HMoM ii po6oTH 3rigHo 3i 3MiHoM noToHHHX MeTeopogorinHHx yMoB.

3MiHa TexHogorinHHx BTpaT noTy®HocTi b bht-Kax EM 3a 3MiHH ix napaMeTpiB, BHKgHKaHHx 3MiHoM MeTeopogorinHHx yMoB, BH3HanaeTbca aK:

A^ = T • S, (9)

ge S = P + uQ - BeKTop noTy^HocTen; t -MaT-pнцa кoe$iцieнтiв po3nogigy BTpaT noTy®HocTi b Bi-TKax cxeMH EM, Ko®eH pagoK aKoi BH3HanaeTbca aK

T = Ut • mm • C' U-1. (10)

Коефщенти втрат потужносп в витках ЕМ ви-значаються напругою в вузлах. У вираз! (10) вони записан! у вигляд! транспонованого вектору Ut i

зворотно! д!агонально! матриц! UД та коефщен-

тш розпод!лу струм!в по гшках C^. Знак ~ означае, що матриця сполучена.

За допомогою розробленого алгоритму вико-нано автоматизований розрахунок ощнювання про-пускно! здатносп ПЛ 110 кВ i 750 кВ з параметрами провод!в АС 240/32 мм2 i АС400/51 мм2 вщповщно.

Отримаш значення (табл. 1 i 2) показали, що при незмшному струмовому навантаженш з! збшь-шенням температури проводу знижуеться передана потужшсть, а технолопчш втрати активно! потужносп в лши збшьшуються.

Таблиця 1

Значення активно! потужносп (Ррозрах) i технолопчних втрат активно! потужносп (АРрозрах)

Параметри розрахунку t, 0С

-20 -10 0 10 20

Ярозрах.10~3 Ом/км 97,71 102,78 107,85 112,93 118

Ррозрах, ММВт 16,59 15,75 15,05 14,34 13,64

АРрозрах, МВт/км 0,41 0,43 0,45 0,47 0,49

2

Таблиця 2

Значення активно! потужносп (Ррозрах) i технолопчних втрат активно! потужносп (АРрозрах)

при робочому струм! I = 595А з урахуванням температури проводу АС-400/51 мм2_

Параметри розрахунку t, 0С

-20 -10 0 10 20

Ярозрах., 10-3 Ом/км 60 64 66 69 73

Ррозрах, МВт 258,43 244,27 233,65 226,57 212,41

АРрозрах, МВт/км 6,37 6,79 7,01 7,33 7,75

Для тдтвердження теоретичних розрахунк1в амплпудно-фазовим методом вим!рювання вико-нано експериментальш визначення впливу мехаш-чного зусилля i температури на параметри прово-д!в. Даний метод базуеться на спшьному визна-ченш магнггаих i електричних параметр!в проводу

й дозволяе одночасно визначити поздовжню магнь тну проникшсть i поперечну питому електричну проввдшсть [1, 6].

Експерименти проводилися на лабораторий установщ кафедри "1нформацшно-вим!рювальш технолог!! i системи" Нацюнального техшчного ушверситету "ХПТ з використанням провод!в АС 240/32 мм2 i АС400/51 мм2довжиною 1м. (рис. 1)

Рис. 1. Лабораторий установка для вuмiрювань впливу мехамчного зусилля в i температури

на параметри проводiв повiтряиих лтт

В ходi експерименпв виявлено, що прикладене мехашчне зусилля на проввд, яке моделювало оже-ледш вiдклaдення, приводить не тiльки до його по-довження, в результата чого збiльшуeться стрiлa провисання, а й до ускладнення режиму роботи ль

нп через змiну довжини проводу. Тому, що змiню-ються його параметри i, в першу чергу активний опiр, який впливае на технологiчнi втрати активно! потужностг Результати вимiрювaнь автоматизо-вано перераховувалися на 1 км (табл. 3 i 4).

Таблиця 3

Значения активно! потужносп (Рвммр) i технолопчних втрат активно! потужносп (APfUMip), а також вщно-сна похибка вимiрiв (дК) при робочому струмi I = 375 А з урахуванням температури проводу

АС 240/32 мм2

Параметри вимiрювань t, 0С

-20 -10 0 10 20

Rвимiр, 10-3 Ом/км 99,2 106,7 110,6 111,5 116,1

Реимгр, МВт 16,3 15,6 15,41 14,91 13,92

АР^р, МВт/км 0,42 0,45 0,46 0,47 0,49

SR, % 1,48 3,72 2,53 1,3 0,84

Таблиця 4

Значения активно! потужносп (Рвммр) i технолопчних втрат активно! потужносп (APfUMip), а також вщно-сна похибка вимiрiв (дК) при робочому струмi I = 595 А з урахуванням температури проводу

АС-400/51 мм2

Параметри вимiрювань t, 0С

-20 -10 0 10 20

Rвимiр, 10-3 Ом/км 62 63 67 68 71

Рeимiр, МВт 251,35 240,73 237,19 223,3 219,49

АРеим1р, МВт/км 6,58 6,69 7,12 7,22 7,54

SR, % 3,2 1,5 1,47 1,4 2,8

Результати, отримаш експериментальним шляхом (табл. 3 i 4) вiдрiзияються ввд розрахункових (табл. 1 i 2) i змiнюються в залежносп ввд змiни те-мператури проводу.

Для проводу АС 240/32 по всьому дiaпaзону змiни температури проводу вимiрянi втрати (табл. 3) бiльшi за розраховаш (табл. 1). Для проводу АС.400/51 при зменшеннi температури проводу ви-мiрянi втрати (табл. 4) бiльшi за розрaховaнi (табл. 2), а при збшьшенш температури проводу вимiрянi втрати (табл. 4) меншi в порiвняннi з розрахова-ними (табл. 2). З порiвняння розрахованих i вимiря-них величин слiдуе, що вплив змши метеоролопч-них умов на параметри ПЛ обумовлено i перерiзом проводу: чим бiльше перерiз проводу, тим вiн стш-шше до змiни температури i навпаки.

Достовiрнiсть результaтiв перевiрялaся розра-хунком вщносно! похибки. Значення похибки скла-дае менше 4 % (табл. 3, 4), що тдтверджуе достовь рнiсть отриманих результaтiв i доцшьшсть врахо-вувати пвд час проектування зaсобiв контролю поточних технологiчних пaрaметрiв ПЛ.

Висновок.

Предстaвленi дослiджения шляхом порiвнянь значень активно! потужиостi i !! технологiчних втрат, як1 отримано теоретичними розрахунками за допомогою розробленого алгоритму i експеримен-тальними визначеннями на лaборaторнiй устaиовцi, обгрунтовують доцшьшсть враховувати шд час проектування оснащення повiтряних лiнiй засобами контролю поточних пaрaметрiв для керування в перюд експлуaтaцi! режимами роботи електричних мереж в реальному час з метою збшьшення активно! потужносп i зменшення технологiчних втрат.

Список лггератури

1. Arsalan Habib Khawaja, Qi Huang. Monitoring of Overhead Transmission Lines: A Review from the Perspective of Contactless Technologies. Sensing and Imaging. 2017. Vol. 18. 24 - 18 p.

2. Bondarenko V.E., Cherkashyna V.V., Chere-misin N.M. Research on the process of controlling electric grids' operation modes in present conditions. East European Journal of Advanced Technologies. 2015. № 6/8(78). РР. 11 - 18.

3. European Smart Grids Technology Platform. Vision and Strategy for Europe's Electricity Networks of the Future. Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2006. 44 р.

4. Shiguang Nie, Guangyu Qu, Haifeng Ye. Online monitoring system for icing state of overhead transmission line. Power Engineering and Automation Conference (PEAM). 2012. Р.1 - 5

5. Zhu J. Optimization of Power System Operation: Wiley-IEEE Press: Piscataway, NJ, USA, 2015 -623 р

6. Горкунов Б.М., Львов С.Г., Горкунова И.Б., Шахин И.Х. Многопараметровый электромагнитный метод контроля цилиндрических токопрово-дов. Энергосбережение Энергетика Энергоаудит. 2013. Спец. вып. С. 140 - 144.

7. Закон Укра!ни «Про ринок електрично! енергп Укра!ни» ввд 13 квгтня 2017 року № 2019-VIII, https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2019-19/page

8. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д.Л. Файбисовича. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2009. 392с.