Определение максимально допустимого перетока активной мощности в сечении с учетом тепловых режимов линий электропередачи

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Предмет исследования: в настоящей работе проводится оценка возможности внедрения в задачу расчёта максимально и аварийно допустимых перетоков активной мощности с учётом тепловых режимов воздушных линий при планировании электроэнергетических режимов.

Цель исследования: определение влияния тепловых процессов в линиях электропередачи на максимально допустимый переток активной мощности в контролируемых сечениях электроэнергетических систем.

Методы и объекты исследования: рассмотрены такие факторы, влияющие на перетоки активной мощности, как температура окружающего воздуха, корректировка на которую в настоящее время производится Системным оператором, скорость ветра, солнечная радиация и непосредственно нагрев от протекающего тока. Произведено моделирование установившегося электроэнергетического режима в программном комплексе RastrWin3 и Mathcad для 2-узловой схемы с утяжелением режима только с учетом температуры окружающей среды и расчеты установившегося режима уже с учетом вариации погодных параметров с учетом возможных ограничений максимальной нагрузки, обусловленных режимами работы энергосистемы (техническая возможность работы генерирующего оборудования в рассматриваемой работе не учитывалась).

Результаты исследования: в результате произведённых расчетов наглядно видно, что при учете тепловых режимов воздушных линий электропередачи допустимые перетоки активной мощности отличаются на 16-26% от значений, определяемых только лишь при учёте температуры окружающей среды.

Полный текст

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 tокр=+25 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

IДДТН, AIАДТН, AIIдопДДТН, %IIдопАДТН, %

41.3

330

420

64.9

51

 

Далее производится расчёт для температуры окружающей среды tокр=+10 C и tокр=10 C.

 

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

 

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

 

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

 

Таблица 4 – Расчетные данные для tокр=+10ºC

Переток, МВт

IДДТН, AIАДТН, AIIдопДДТН, %IIдопАДТН, %

71.4

381.2

485.1

98.1

77.1

 

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

 

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

 

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

 

Таблица 5 – Расчетные данные для tокр=-10ºC

Переток, МВт

IДДТН, AIАДТН, AIIдопДДТН, %IIдопАДТН, %

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

5.67108, Вт/м2К4

Солнечная радиация

0.7

 

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

Переток, МВт

Imax, AIIдопДДТН, %IIдопАДТН, %

58

301.7

100

77.8

 

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

Переток, МВт

Imax, AIIдопДДТН, %IIдопАДТН, %

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

5.67108, Вт/м2К4

Солнечная радиация

0.7

 

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

kv

Переток, МВт

Imax, AIIдопДДТН, %IIдопАДТН, %

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

kv

Переток, МВт

Imax, AIIдопДДТН, %IIдопАДТН, %

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% (PМДП_+10=58 МВт) и 16% (PМДП_10=68 МВт) при температуре окружающего воздуха +10 °С и –10 °С, соответственно, относительно расчёта в RastrWin3 (PМДП_Rastr_+10=71 МВт и PМДП_Rastr_10=81 МВт). При скорости ветра 3 м/с и kv=0,55 (угол атаки ветра) величина максимально допустимого перетока активной мощности увеличилась на 24% (PМДП_+10=88 МВт) и 26% (PМДП_10=102 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.

×

Об авторах

Анастасия Викторовна Васьковская

АО «Системный оператор Единой энергетической системы» – Омское РДУ

Автор, ответственный за переписку.
Email: nastya-7798@inbox.ru

ведущий специалист

Россия, Омск

Александр Олегович Шепелев

ФГБОУ ВО «Югорский государственный университет»

Email: a_shepelev@ugrasu.ru

кандидат технических наук, доцент

Россия, Ханты-Мансийcк

Елена Юрьевна Шепелева

ФГБОУ ВО «Югорский государственный университет»

Email: e_shepeleva@ugrasu.ru

старший преподаватель

Россия, Ханты-Мансийcк

Список литературы

  1. Требования к обеспечению надёжности электроэнергетических систем, надёжности и безопасности объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок «Методические указания по устойчивости энергосистем»: Приказ Министерства энергетики РФ от 3 августа 2018 г. № 630. – Текст : непосредственный.
  2. Об электроэнергетике: Федер. закон [принят Гос. Думой 26.03.2003 № 35‑ФЗ, ред. от 03.07.2016] : справочная правовая система Консультант Плюс (интернет-версия). – Текст : электронный. – URL : http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_41502/ (дата обращения: 11.03.23).
  3. Frank, S. Temperature-Dependent Power Flow / S. Frank, J. Sexauer, S. Mohagheghi. – doi: 10.1109/TPWRS.2013.2266409 // IEEE Transactions on Power System. – 2013. – Vol. 28, № 4. – Рp. 4007–4018.
  4. Гиршин, С. С. Разработка усовершенствованных методов расчёта установившихся режимов электроэнергетических систем с учётом температурной зависимости активных сопротивлений ВЛ / С. С. Гиршин, А. О. Шепелев. – Текст : непосредственный // Электрические станции. – 2019. – № 11. – С. 44–54.
  5. Шепелев, А. О. Применение метода внутренней температурной коррекции для расчёта установившихся режимов электроэнергетических систем с учётом тепловых процессов в элементах / А.О. Шепелев. – Текст : непосредственный // Промышленная энергетика. – 2020. – № 9. – С. 9–19.
  6. Данилов, М. И. Определение потоков мощности и температуры проводов электрической сети установившегося состояния энергосистемы / М. И. Данилов, И. Г. Романенко. – Текст : непосредственный // Электрические станции. – 2022. – № 7. – С. 25–37.
  7. IEEE Std. 738-2012. (Revision of IEEE Std 738-2006 – Incorporates IEEE Std 738-2012 Cor 1–2013). Standard for Calculating the Current-Temperature Relationship of Bare Overhead Conductors. – NY, The USA: IEEE, 2012. – 72 p.
  8. CIGRE. Guide for thermal rating calculations of overhead lines / Working group B2.43. – 2014.
  9. Методика расчёта предельных токовых нагрузок по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимых габаритов воздушных линий: СТО 56947007-29.240.55.143–2013. – М. : ОАО «ФСК ЕЭС», – 2013. – 67 с. – Текст : непосредственный.
  10. Методика расчета предельных токовых нагрузок по условиям нагрева проводов для действующих линий электропередачи // РД 34.20.547 (МТ 34-70-037-87). – М. : ВНИИЭ, 1988. – 12 с. – Текст : непосредственный.
  11. Правила устройства электроустановок: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. 7-й выпуск. – Новосибирск: Сиб. Унив. Изд-во, 2007. – 854 с. – Текст : непосредственный.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рисунок 1 – 2-узловая схема

Скачать (76KB)
3. Рисунок 2 – Токовая загрузка ЛЭП при t=+25ºC

Скачать (88KB)
4. Рисунок 3 – Утяжеление режима при температуре окружающей среды tокр=+10ºC

Скачать (136KB)
5. Рисунок 4 – Токовая загрузка ЛЭП при температуре окружающей среды tокр=+10ºC

Скачать (93KB)
6. Рисунок 5 – 2-узловая схема с утяжелением режима для tокр=+10ºC

Скачать (82KB)
7. Рисунок 6 – Утяжеление режима при температуре окружающей среды tокр=-10ºC

Скачать (148KB)
8. Рисунок 7 – Токовая загрузка ЛЭП при температуре окружающей среды tокр=-10ºC

Скачать (94KB)
9. Рисунок 8 – 2-узловая схема с утяжелением режима для tокр=-10ºC

Скачать (82KB)

© Югорский государственный университет, 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах