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.

https://doi.org/10.71841/ep.elst.2024.1116.7.02

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.