Determination of the maximum allowable active powerflow in the section taking into account the thermal conditions of power transmission lines

Full Text

Введение

Планирование электроэнергетического режима – одна из основных задач оперативно-диспетчерского управления, и заключается она в определении состава генерирующего оборудования и загрузки электростанций различного типа для покрытия нагрузки энергосистемы. Задача планирования электроэнергетического режима не производится без расчёта максимально допустимого и аварийно допустимого перетоков активной мощности в контролируемом сечении. В настоящее время в Российской Федерации планирование режимов работы как для планового диспетчерского графика, так и для выбора состава генерирующего оборудования осуществляется только с учетом температуры окружающей среды [1], при этом не учитываются другие факторы, влияющие на температуру токопроводящих частей: солнечное излучение, скорость и направление ветра. В работе предлагается на этапе расчёта установившегося режима учесть факторы, влияющие на фактическую температуру проводников, и произвести оценку перетоков активной мощности в контролируемом сечении.

В основе обеспечения устойчивого функционирования ЭЭС лежит расчёт и анализ допустимых перетоков активной мощности в контролируемом сечении (фактически анализ статической апериодической устойчивости). Изначально анализ данного вида устойчивости в крупных ЭЭС представлял собой сложную задачу. Однако благодаря развитию возможностей персональных компьютеров, а также полноте теоретических исследований, определение запасов устойчивости на основе анализа установившихся режимов является одной из основных функций оперативно-диспетчерского управления [2].

Дальнейшим этапом в определении запасов статической апериодической устойчивости на основе анализа установившихся режимов становится возможность учитывать тепловые процессы, происходящие в элементах ЭЭС [3–6].

Надежность обеспечения промышленных и бытовых потребителей электрической энергии значительно зависит от оборудования, находящегося в эксплуатации, в том числе и от проводника воздушной линии электропередачи. Одним из наиболее важных критериев оценки допустимости электроэнергетического режима является допустимый ток (в т. ч. допустимый переток мощности). Важно отметить, что воздушные линии электропередачи являются наиболее надежным способом передачи электрической энергии. Основными факторами, влияющими на нагрев и охлаждение проводника воздушной линии, являются джоулевы потери, инфракрасное излучение, конвекция (естественная или вынужденная) и солнечная радиация [7–10].

Солнечная радиация в то же время вносит ощутимое влияние только в регионах с жарким климатом, и поэтому в регионах средней полосы может не учитываться [10, c. 6].

Множественные проведённые исследования показали, что активное сопротивление, как один из параметров элементов ЭЭС, не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от температурных факторов и может значительно повлиять на параметры электроэнергетического режима. Это связано с тем, что активное сопротивление изменяется в широком диапазоне рабочих температур от –50 до +90 градусов Цельсия. Т. е., фактически, активное сопротивление линий электропередачи может изменяться вплоть до 50 %, таким образом влияя на пропускную способность элемента. Это, в свою очередь, влияет на запасы по статической апериодической устойчивости. Однако на сегодняшний день в практических расчетах установившихся режимов и оценке запасов статической устойчивости малое внимание уделяется учету фактической температуры элементов, окружающей среды, – соответственно, активное сопротивление принимают постоянным, не зависящим от температуры. Это допущение может сильно влиять на оценку запасов статической устойчивости в ЭЭС.

Результаты и обсуждение

Моделирование электроэнергетического режима электрической системы произведём в программном продукте RastrWin3 и программном комплексе Mathcad. Для расчёта максимально и аварийно допустимого перетоков активной мощности воспользуемся методом последовательного утяжеления.

В работе были смоделированы установившиеся электроэнергетические режимы для двух узловой схемы, моделирующей генератор (ШБМ)-линию электропередачи-нагрузку.

2-узловая схема. Исходные параметры для моделирования 2-узловой схемы представлены в таблицах 1 и 2 (узлы и ветви, соответственно).

 

Таблица 1 – Исходные данные

Uном, кВ	P, МВт	Q, Мвар	Марка провода	L, км
110	40	15	АС-95/16	30

 

Таблица 2 – Параметры провода АС-95/16

Диаметр провода dпр	0.0135 м
Погонное активное сопротивление при 20oС r20	0.301 Ом/км
Погонное индуктивное сопротивление x0	0.434 Ом/км
Погонная емкостная проводимость b0	2.611 мкСм/км
Температурный коэффициент сопротивления a	0.00403 oC-1
Степень черноты поверхности провода en	0.6
Поглощательная способность поверхности провода для солнечного излучения As	0.6
Допустимая температура провода Qдоп	90 oC

 

Рисунок 1 – 2-узловая схема

 

Расчет с учётом изменения температуры окружающей среды в соответствии с требованиями системного оператора

Сначала произведём расчёт с учётом температуры окружающей среды $t_{окр}=+25{}^{\circ }\text{C}$, которая считается номинальной для воздушных линий электропередачи [11].

 

Рисунок 2 – Токовая загрузка ЛЭП при t=+25ºC

 

Таблица 3 – Расчетные данные для t=+25ºC

Переток, МВт	$I_{ДДТН},\text{ A}$	$I_{АДТН},\text{ A}$	$\frac{I}{I_{допДДТН}},\text{ \%}$	$\frac{I}{I_{допАДТН}},\text{ \%}$
41.3	330	420	64.9	51

 

Далее производится расчёт для температуры окружающей среды $t_{окр}=+10{}^{\circ }\text{C}$ и $t_{окр}=-10{}^{\circ }\text{C}$.

 

Рисунок 3 – Утяжеление режима при температуре окружающей среды t_окр=+10ºC

 

Рисунок 4 – Токовая загрузка ЛЭП при температуре окружающей среды t_окр=+10ºC

 

Рисунок 5 – 2-узловая схема с утяжелением режима для t_окр=+10ºC

 

Таблица 4 – Расчетные данные для t_окр=+10ºC

Переток, МВт	$I_{ДДТН},\text{ A}$	$I_{АДТН},\text{ A}$	$\frac{I}{I_{допДДТН}},\text{ \%}$	$\frac{I}{I_{допАДТН}},\text{ \%}$
71.4	381.2	485.1	98.1	77.1

 

Рисунок 6 – Утяжеление режима при температуре окружающей среды t_окр=-10ºC

 

Рисунок 7 – Токовая загрузка ЛЭП при температуре окружающей среды t_окр=-10ºC

 

Рисунок 8 – 2-узловая схема с утяжелением режима для t_окр=-10ºC

 

Таблица 5 – Расчетные данные для t_окр=-10ºC

Переток, МВт	$I_{ДДТН},\text{ A}$	$I_{АДТН},\text{ A}$	$\frac{I}{I_{допДДТН}},\text{ \%}$	$\frac{I}{I_{допАДТН}},\text{ \%}$
81.3	425.7	541.8	100.3	78.8

 

Расчет с учетом неблагоприятных условий окружающей среды

Дополнительные исходные данные для неблагоприятных условий охлаждения представлены в таблице 6. Неблагоприятные условия выбраны в соответствии с данными [4, 9].

 

Таблица 6 – Исходные данные

Скорость ветра	0.6 м/с
Угол атаки ветра	0.55
Постоянная излучения	$5.67\cdot {10}^{-8},{\text{ Вт/м}}^2\cdot {\text{К}}^4$
Солнечная радиация	0.7

 

Таблица 7 – Расчетные данные для t=+10ºC с утяжелением режима

Переток, МВт	$I_{\max },\text{ A}$	$\frac{I}{I_{допДДТН}},\text{ \%}$	$\frac{I}{I_{допАДТН}},\text{ \%}$
58	301.7	100	77.8

 

Таблица 8 – Расчетные данные для t=-10ºC с утяжелением режима

Переток, МВт	$I_{\max },\text{ A}$	$\frac{I}{I_{допДДТН}},\text{ \%}$	$\frac{I}{I_{допАДТН}},\text{ \%}$
67.9	353.7	100	77.8

 

Расчет допустимых перетоков мощности с учётом повышенной средней скорости ветра

Дополнительные исходные данные для благоприятных условий охлаждения представлены в таблице 9.

 

Таблица 9 – Исходные данные

Скорость ветра	3 м/с
Угол атаки ветра	0.55	1
Постоянная излучения	$5.67\cdot {10}^{-8},{\text{ Вт/м}}^2\cdot {\text{К}}^4$
Солнечная радиация	0.7

 

Таблица 10 – Расчетные данные для t=+10ºC с утяжелением режима при v=3 м/с

$k_v$	Переток, МВт	$I_{\max },\text{ A}$	$\frac{I}{I_{допДДТН}},\text{ \%}$	$\frac{I}{I_{допАДТН}},\text{ \%}$
0.55	87.6	459.5	100	77.8
1	115	608.5	100	77.8

 

Таблица 11 – Расчетные данные для t=+10ºC с утяжелением режима при v=3 м/с

$k_v$	Переток, МВт	$I_{\max },\text{ A}$	$\frac{I}{I_{допДДТН}},\text{ \%}$	$\frac{I}{I_{допАДТН}},\text{ \%}$
0.55	102.3	538.8	100	77.8
1	134	712.9	100	77.8

 

Выводы

Таким образом, на основе полученных результатов моделирования рассматриваемой системы электроснабжения c 6-пульсным преобразователем, сравнивая результаты с существующими нормами по обеспечению качества электрической энергии, можно сделать следующие выводы.

Были выполнены расчеты установившихся режимов для 2-узловой схемы с утяжелением режима только с учетом температуры окружающей среды и расчеты установившегося режима уже с учетом вариации погодных параметров. В результате данных расчетов наглядно видно, что при учете тепловых режимов воздушных линий электропередачи допустимые перетоки активной мощности значительно отличаются от значений, определяемых только лишь при учёте температуры окружающей среды.

По результатам проведённых расчётов можно сделать вывод о том, что при наиболее худших условиях охлаждения наблюдается снижение перетоков мощности в контролируемых сечениях относительно расчёта режима в RastrWin3 с учётом корректировки длительно-допустимого тока относительно температуры окружающего воздуха. Так, например, в 2-узловой схеме величина максимально-допустимого перетока активной мощности снизилась на 18% ($P_{МДП\_+10}=58\text{\hspace{0.17em}МВт}$) и 16% ($P_{МДП\_-10}=68\text{\hspace{0.17em}МВт}$) при температуре окружающего воздуха +10 °С и –10 °С, соответственно, относительно расчёта в RastrWin3 ($P_{МДП\_Rastr\_+10}=71\text{\hspace{0.17em}МВт}$ и $P_{МДП\_Rastr\_-10}=81\text{\hspace{0.17em}МВт}$). При скорости ветра 3 м/с и $k_v=\mathrm{0,55}$ (угол атаки ветра) величина максимально допустимого перетока активной мощности увеличилась на 24% ($P_{МДП\_+10}=88\text{\hspace{0.17em}МВт}$) и 26% ($P_{МДП\_-10}=102\text{\hspace{0.17em}МВт}$) при температуре окружающего воздуха +10 °С и –10 °С, соответственно, относительно расчёта в RastrWin3. В остальных рассмотренных случаях и схемах, результаты получились со схожей тенденцией.

About the authors

Anastasiya V. Vas'kovskaya

System Operator of the Unified Energy System – JSC

Author for correspondence.
Email: nastya-7798@inbox.ru

Lead Specialist

Russian Federation, Omsk

Alexander O. Shepelev

Yugra State University

Email: a_shepelev@ugrasu.ru

Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor

Russian Federation, Khanty-Mansiysk

Elena Yu. Shepeleva

Yugra State University

Email: e_shepeleva@ugrasu.ru

Senior Lecturer

Russian Federation, Khanty-Mansiysk

References

Supplementary files