Математический метод контроля теплового состояния проводов воздушных линий питающих сетей

Максим Иванович Данилов; Ирина Геннадьевна Романенко

Математический метод контроля теплового состояния проводов воздушных линий питающих сетей

Максим Иванович Данилов, Ирина Геннадьевна Романенко

Аннотация

Системными операторами для повышения эффективности и безопасности (надёжности) функционирования энергосистем проводятся расчёты и анализ установившихся режимов потоков мощности воздушных линий электропередачи (ЛЭП). Точность и скорость таких расчётов зависят от сложности и адекватности применяемых математических моделей и технологий их использования. Известно, что увеличить точность можно учётом изменений температуры проводников ЛЭП электросети, происходящих под влиянием потоков мощности и погодных факторов. Для этого к традиционным выражениям потоков мощности добавляют уравнения теплового баланса проводов линий.

Рассмотрены известные расчётные методы определения температуры проводов ЛЭП, отмечены их недостатки. Предложен новый подход, в котором температура проводов ограничивается напряжениями узлов сети энергосистемы, получаемыми с учётом нелинейных уравнений теплового баланса. Формулируется задача определения потоков мощности и температуры проводов питающей электрической сети заданной топологии при известных значениях параметров линий (при температуре 20\оС) и функционирующих генераторов, включая источники PV-типа, а также климатических и географических факторах. С помощью предложенного метода проведено исследование влияния потоков мощности на температуру проводов линий электропередачи для тестовой схемы сети IEEE 5-шин. Показаны возможности и полезность предлагаемого метода, который может применяться при решении задач обеспечения контроля устойчивости и безопасности функционирования энергосистемы, при экономической диспетчеризации для сравнения возможных эксплуатируемых и/или планируемых схем сети, а также для выявления возможных причин непредвиденных отказов линий. Получаемая при расчётах информация расширяет возможности управления режимами электрических сетей.

Ключевые слова

электроэнергетическая система, расчёт установившихся режимов, погодные воздействия, уравнения теплового баланса.

Полный текст:

PDF

Литература

Rahman, M. Temperature–dependent system level analysis of electric power transmission systems [Text]: A review / M. Rahman, F. Atchison, V. Cecchi // Electric Power Systems Research. -- 2021. -- Vol. 193, 107033. – (doi: 10.1016/j.epsr.2021.107033).

Karimi, M. Application of Newton–Based Load Flow Methods for Determining Steady–State Condition of Well and Ill–Conditioned Power Systems [Text]: A Review / M. Karimi, A. Shahriari, M.R. Aghamohammadi [et al.] // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. -- 2019. -- Vol. 113. -- P. 298 -- 309.

Frank, S. Temperature-dependent power flow [Text] / S. Frank, J. Sexauer, S. Mohagheghi // IEEE Transactions on Power Systems. -- 2013. -- Vol. 28, No. 4. -- P. 4007 -- 4018. – (https://doi.org/10.1109/TPWRS.2013.2266409).

Prusty, B.R. A sensitivity matrix-based temperature-augmented probabilistic load flow study [Text] / B.R. Prusty // IEEE Transactions on Industry Applications. -- 2017. -- Vol. 53, No. 3. -- P. 2506 -- 2516.

Wang, M. Contingency Analysis Considering the Transient Thermal Behavior of Overhead Transmission Lines [Text] / M. Wang, M. Yang, J. Wang [et al.] // IEEE Transactions on Power Systems. -- 2018. -- Vol. 33, No. 5. -- P. 4982 -- 4993. – (DOI: 10.1109/TPWRS.2018.2812826).

Talpur, S. Non-steady state electro-thermally coupled weather-dependent power flow technique for a geographically-traversed overhead-line capacity improvement [Text] / S. Talpur, T.T. Lie, R. Zamora // Electric Power Systems Research. -- 2019. -- Vol. 177. -- 106017.

Rahman, M. Power handling capabilities of transmission systems using a temperature-dependent power flow [Text] / M. Rahman, V. Cecchi, K. Miu // Electric Power Systems Research. -- 2019. -- Vol. 169. -- P. 241 -- 249. – (https://doi.org/10.1016/j.epsr.2018.12.021).

Ahmed, A. Weather-Dependent Power Flow Algorithm for Accurate Power System Analysis under Variable Weather Conditions [Text] / A. Ahmed, F.J.S. McFadden, R. Rayudu // IEEE Transactions on Power Systems. -- 2019. -- Vol. 34, No. 4. – P. 2719 -- 2729.

Voitov, O. Algorithms for Considering the Temperature of Overhead Conductors in the Calculation of Steady States of an Electrical Network [Text] / O. Voitov, E. Popova, L. Semenova // Energy Systems Research. -- 2019. -- Vol. 2, No. 2 (6). -- P. 19 -- 27.

Balametov, A.B. Simulation of Electric Networks Modes Using Steady–State and Heat Balance Equations [Text] / A.B. Balametov, E.D. Halilov // Enеrgеtika. Proс. СIS Higher Educ. Inst. аnd Power Eng. Assoc. -- 2020. -- Vol. 63 (1). -- P. 66 – 80. – (https://doi.org/10.21122/1029–7448–2020–63–1–66–80)/

Гиршин, С.С. Разработка усовершенствованных методов расчёта установившихся режимов электроэнергетических систем с учётом температурной зависимости активных сопротивлений ВЛ [Текст] / С.С. Гиршин, А.О. Шепелев // Электрические станции. -- 2019. -- № 11(1060). -- С. 44 -- 54.

Zhou, S. Time-Process Power Flow Calculation Considering Thermal Behavior of Transmission Components [Text] / S. Zhou, M. Wang, J. Wang [et al.] // IEEE Transactions on Power Systems. -- 2020. -- Vol. 35, No. 6. -- P. 4232 -- 4250.

Pompodakis, E.E. A Three-Phase Weather-Dependent Power Flow Approach for 4-Wire Multi-Grounded Unbalanced Microgrids with Bare Overhead Conductors [Text] / E.E. Pompodakis, A. Ahmed, M.C. Alexiadis // IEEE Transactions on Power Systems. -- 2021. -- Vol. 36, No. 3. – P. 2293 -- 2303.

Данилов, М.И. Определение потоков мощности и температуры проводов электрической сети установившегося состояния энергосистемы [Текст] / М.И. Данилов, И.Г. Романенко // Электрические станции. -- 2022. -- № 7(1092). -- С. 25 -- 37.

Thermal Behaviour of Overhead Conductors [Text] // Cigre Working Group 22.12. – 2002. – August. -- Brochure ref. 207.

Standard for Calculating the Current-Temperature Relationship of Bare Overhead Conductors [Text]: IEEE 738, 2013.

Методика расчета предельных токовых нагрузок по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимых габаритов воздушных линий [Текст]: СТО 56947007-29.240.55.143-2013. – М.: ФСК ЕЭС, 2013.

Левченко, И.И. Нагрузочная способность воздушных линий электропередачи в экстремальных погодных условиях [Текст] / И.И. Левченко, Е.И. Сацук // Электричество. -- 2008. -- № 4. -- С. 2 -- 8.

Воротницкий, В.Э. Оценка погрешностей расчёта переменных потерь электроэнергии в ВЛ из-за неучёта метеоусловий [Текст] / В.Э. Воротницкий, О.В. Туркина // Электрические станции. -- 2008. -- № 10. -- С. 42 – 49.

Зарудский, Г.К. Оценка влияния метеорологических условий на активное сопротивление проводов воздушных линий электропередачи [Текст] / Г.К. Зарудский, Г.В. Шведов, А.Н. Азаров, Ю.С. Самалюк // Вестник Московского энергетического института. -- 2014. -- № 3. -- С. 35 -- 39.

Фигурнов, Е.П. Опыты по нагреву неизолированных проводов воздушных линий [Текст] / Е.П. Фигурнов, В.И. Харчевников // Электрические станции. -- 2016. -- № 11(1024). -- С. 41 -- 47.

Фигурнов, Е.П. Уточненная методика вычисления длительно допустимых токов неизолированных проводов воздушных линий электропередачи и контактных сетей [Текст] / Е.П. Фигурнов, Ю.И. Жарков, В.И. Харчевников // Электричество. -- 2021. -- № 2. -- С. 36 -- 43. – (DOI 10.24160/0013-5380-2021-2-36-43).

Данилов, М.И. Оперативная идентификация сопротивлений проводов распределительных сетей 380 В автоматизированными системами учета [Текст] / М.И. Данилов, И.Г. Романенко // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. -- 2023. -- Том. 66, № 2. -- C. 124 -- 140. – (https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-2-124-140).

Данилов, М.И. О выявлении и расчёте потерь электроэнергии автоматизированными системами учёта распределительных сетей при несанкционированных потреблениях [Текст] / М.И. Данилов // Электричество. -- 2021. -- № 6. -- C. 51 -- 61. – (https://doi.org/10.24160/0013-5380-2021-6-51-61).

Данилов, М.И. Идентификация несанкционированного потребления электроэнергии в фазах распределительных сетей с автоматизированными системами учёта [Текст] / М.И. Данилов, И.Г. Романенко // Электрические станции. -- 2022. -- № 2(1087). -- С. 10 -- 19.

Iskakov, A.B. Definition of state-in-mode participation factors for modal analysis of linear systems [Text] / A.B. Iskakov // IEEE Transactions on Automatic Control. -- 2021. -- Vol. 66, No. 11. -- P. 5385 -- 5392. – (DOI: 10.1109/TAC.2020.3043312).

Liu, C. Online Voltage Stability Assessment for Load Areas Based on the Holomorphic Embedding Method [Text] / C. Liu, B. Wang, F. Hu, K. Sun, C.L. Bak // IEEE Transactions on Power Systems.-- 2018. -- Vol. 33, No. 4. -- P. 3720 -- 3734.

Данилов, М.И. Об определении границы области, предшествующей предельным установившимся режимам электроэнергетических систем, методом анализа тропической геометрии уравнений балансов мощности [Текст] / М.И. Данилов, И.Г. Романенко // Автоматика и телемеханика. -- 2024. -- № 1. -- C. 95 -- 109. – (DOI: 10.31857/S0005231024010076).

Любчик, О.А. Минимизация влияния возобновляемых источников энергии на работу энергосистемы путем совместного использования солнечной и ветряной генераций [Текст] / О.А. Любчик, С.В. Быстрых, А.Н. Казак // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. -- 2023. -- Т. 66, № 5. -- С. 423 -- 432. – (https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-5-423-432).

Воропай, Н.И. Спектральный и модальный методы в исследованиях устойчивости электроэнергетических систем и управлении ими [Текст] / Н.И. Воропай, И.И. Голуб, Д.Н. Ефимов [и др.] // Автоматика и телемеханика. – 2020. – № 10. – С. 3 -- 34. – (DOI: 10.31857/S0005231020100013).

Ali, M. Calculating multiple loadability points in the power flow solution space [Text] / M. Ali, M.H. Ali, E. Gryazina, V. Terzija // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. -- 2023. -- Vol. 148. -- 108915. – (https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2022.108739).

Zhang, W. A Novel FFHE-Inspired Method for Large Power System Static Stability Computation [Text] / W. Zhang, T. Wang, H.D. Chiang // IEEE Transactions on Power Systems. -- 2022. -- Vol. 37, No 1. -- P. 726 -- 737. – (DOI: 10.1109/TPWRS.2021.3093236).

Указания по проектированию ВЛ 220 кВ и выше с неизолированными проводами нового поколения [Текст]: СТО 56947007-29.060.50.268-2019. – М.: ФСК ЕЭС, 2019.