Система прогнозирования и контроля гололедообразования
 
Энергетика

Система прогнозирования и контроля гололедообразования

Гололедообразование происходит как локально, что характерно для горной и пересеченной местности, так и захватывает большие территории и линии всех классов напряжения. Это приводит к дезорганизации энергоснабжения целых регионов. Примером тому является авария в Сочинских электрических сетях ОАО «Кубаньэнерго» в период с 18 по 22 декабря 2001 года, которая привела к повреждению 2,5 тыс. км воздушных линий напряжением 0,38—220 кВ, прекращению подачи электроэнергии в коммунально-бытовой сектор с населением 320 тыс. человек. В январе-феврале 2005 года в результате гололедообразования было нарушено электроснабжение 423 населенных пунктов в Ростовской области, в том числе в таких городах, как Ростов-на-Дону и Новочеркасск (рис. 1).

Для борьбы с гололедными авариями разработана комплексная система мероприятий (1), основной подсистемой которой является плавка гололеда постоянным или переменным током. Для своевременного применения плавки при массовом гололедообразовании необходимо решить задачу формирования оптимальной стратегии борьбы с гололедом не на отдельной линии, а в регионе.

Комплексная система мероприятий (КСМ) включает в себя оперативные и перспективные, технические и организационные мероприятия, как требующие, так и не требующие капитальных вложений (табл. 1).

Разработка КСМ на каждом сетевом предприятии должна начинаться с анализа аварийности при ГВВ. Сюда входят: сбор и обработка информации обо всех аварийных отключениях ВЛ и трансформаторных подстанций в период гололедообразования; выяснение характера и причин отключений и повреждений; определение величин фактических гололедных и ветровых нагрузок на провода и тросы ВЛ в этот период; сравнение этих нагрузок с расчетными, которые определяются в соответствии с климатическим районированием по гололеду и ветру по ПУЭ-7; оценка своевременности информации о гололедообразовании и эффективности плавки гололеда на проводах и тросах имеющимися методами; оценка оперативности и квалификации персонала.

В настоящее время в МЭС Юга, а также в ряде энергосистем России — Ростовэнерго, Ставропольэнерго, Кубаньэнерго, Волгоградэнерго, Башкирэнерго, Сахалинэнерго находится в эксплуатации автоматизированная информационная система контроля гололедообразования на ВЛ — (АИСКГ), которая разработана и внедрена творческим коллективом сотрудников ЮРГТУ (НПИ) и СКБПиСА, г. Невинномысск (1—3). В табл. 2 приведены данные об установленных пунктах контроля системы.

В настоящее время в состав информационной системы входят пункты контроля с выдачей до 30 параметров с одного КП — датчики: гололедной нагрузки на проводах и грозозащитных тросах, тяжения провода, температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, температуры провода, интенсивности солнечной радиации; видеокамера, средства связи, источник бесперебойного питания, средства сигнализации о несанкционированном доступе к аппаратуре; а также пункты приема (ПП) данных: серверы баз данных, компьютеры клиентов базы данных, источник бесперебойного питания, средства связи, сопряжения с устройствами телемеханики и сопряжения с ОИК.

На рис. 2. показаны фотографии датчиков и аппаратуры пункта контроля. Пункт контроля обеспечивает опрос подключенных к нему датчиков по запросу или в автоматическом режиме с заданной периодичностью и передачу данных в пункт приема по выбранному каналу связи. Линейный преобразователь обеспечивает передачу данных по двум каналам связи. Он также дает возможность сохранения данных с фиксацией текущего времени (в режиме «черный ящик»). Глубина хранения данных может достигать нескольких лет. В случае срабатывания одного из двух датчиков несанкционированного доступа в шкаф пункта контроля производится передача аварийного сигнала на диспетчерский пункт.

Разработаны принципы построения и унифицированные программно-аппаратные средства региональных информационных систем с произвольным количеством пунктов контроля на ВЛ различных классов напряжения. Для передачи данных применяются различные каналы: УКВ, GSM, спутниковая и волоконно-оптическая линии связи.

Радиотелемеханические системы, использующие УКВ и транкинговые каналы радиосвязи, а также GSM-связь, обеспечивают высокую надежность и скорость передачи телемеханического сигнала. Созданы региональные системы с передачей информации не только о гололедной нагрузке, но и о других метеорологических параметрах для прогноза и раннего предупреждения гололедоопасной ситуации. Архитектура и принципы построения системы не накладывают ограничений на количество пунктов контроля на ВЛ.

Одним из главных преимуществ использования GSM-канала является возможность установки пункта приема (или нескольких пунктов) практически на любом удалении от пунктов контроля, что позволяет собирать информацию с очень большой территории. Например, в МЭС Юга информация о гололедообразовании на ВЛ 220—500 кВ собирается практически со всей территории Северного Кавказа.

Исходя из опыта эксплуатации существующих информационных систем приняты следующие основные технические решения по функциональной схеме АИСКГ.

Во-первых, на линиях 35—110 кВ необходимо использование минимум двух датчиков гололедной нагрузки для повышения достоверности получаемой информации, на линиях 220— 500 кВ — на всех трех фазных проводах. Обязательна установка датчика в грозозащитный трос при его наличии. Датчик температуры выполняется выносным и устанавливается в месте, защищенном от прямого попадания солнечных лучей.

Во-вторых, схема питания пункта контроля с использованием аккумуляторов напряжением 12 В и солнечных батарей для подзарядки показала достаточную надежность в зимний период. Однако при этом аккумуляторы должны отвечать достаточно жестким требованиям: длительный срок эксплуатации, герметичность, отсутствие требования доливки электролита в течение длительного времени, высокая надежность, широкий температурный диапазон — от -40 до +60°С. Для обеспечения заряда выбранного типа аккумулятора в зимнее время мощность солнечных батарей должна выбираться с запасом.

В-третьих, необходимо обеспечить достаточную надежность питания пункта приема, так как в условиях чрезвычайных погодных условий высока вероятность нарушения электроснабжения. Поэтому в ПП также используется аккумулятор для питания радиостанции и приемного преобразователя с подзарядкой через специальное устройство от сети 220 В. Питание компьютера, установленного в ПП, осуществляется от источника бесперебойного питания серийного производства.

В-четвертых, возможность применения для передачи информации радио- или GSM-канала должна рассматриваться в каждом конкретном случае на основе анализа следующих данных: географическое расположение и удаленность пункта контроля и пункта приема; прохождение радиосигнала, наличие свободной частоты, помех; надежность приема сигнала в различных условиях от базовых станций сотовой связи и т.д. АИСКГ позволяет применять комбинированные системы, в которых для различных пунктов контроля применяются различные способы передачи данных.

В-пятых, информация о гололедообразовании на верхний уровень управления по каналам телемеханики должна передаваться в цифровом виде.

В целом информационная система позволяет:
• осуществлять краткосрочный прогноз начала гололедообразования;
• обеспечивать диспетчерские службы информацией о развитии гололедно-ветровой ситуации;
• сократить время на принятие решения о проведении организационно-технических мероприятий по предотвращению гололедной аварии — своевременной организации наблюдения выездными бригадами при отсутствии датчиков гололедной нагрузки на ВЛ, определению очередности плавок и их проведению;
• обеспечить контроль окончания плавки.

Важной составляющей информационной системы является прикладное программное обеспечение. Данные о нагрузках на провода ВЛ и температуре воздуха поступают диспетчеру, автоматически записываются в базу данных и обрабатываются с помощью комплекса программ «Гололед». Программное обеспечение работает в режиме советчика диспетчеру и позволяет ему оперативно принимать решение о необходимости и очередности плавки гололеда на ВЛ.

Информация о гололедообразовании передается с пунктов контроля с периодичностью, которая может меняться диспетчером в зависимости от гололедной ситуации. Эти данные отображаются у диспетчера на карте местности с нанесенными на нее подстанциями, линиями и пунктами контроля. При поступлении данных производится прогноз гололедной нагрузки в каждой фазе на три часа вперед. Определяется расчетное время плавки при условии ее начала немедленно и через три часа. По этим значениям диспетчер может оценить, насколько опасно промедление в проведении плавки гололеда. Вычисляется температура провода, не покрытого гололедом, при текущих климатических условиях, что позволяет не допустить перегрева провода. Для расчета режимов плавки гололеда в базе данных хранится информация о схемах плавки на всех ВЛ энергорайона. Программа рассчитывает также значения максимально допустимого тока и тока профилактического обогрева при текущих климатических условиях.

Программное обеспечение выполнено с использованием архитектуры «сервер-клиент», что дает доступ к информации по сети всем зарегистрированным пользователям и обеспечивает надежную защиту базы данных от несанкционированного доступа.

При выборе очередности плавки гололеда на ВЛ должны учитываться показания датчиков гололедной нагрузки, метеоусловия и тенденция их изменения, техническое состояние и ответственность ВЛ, возможности установок плавки гололеда при различных климатических условиях. Как правило, начинать плавки гололеда при неблагоприятном прогнозе нужно сразу же после обнаружения гололедообразования, не дожидаясь опасных нагрузок, чтобы успеть удалить гололед в зоне опасного гололедообразования на всех ВЛ до начала их повреждения.

Для решения задач расчета параметров гололедообразования и режимов плавки гололеда были разработаны методики и алгоритмы расчета тепловых и механических режимов работы ВЛ. В частности, вследствие сложного рельефа в Сочинском районе и в предгорьях Кавказа разработана математическая модель, позволяющая производить расчеты механических параметров ВЛ:
• для горных линий с большой разностью высот подвеса провода;
• для датчиков, установленных в подвесные и натяжные гирлянды изоляторов;
• для различного профиля трассы;
• с учетом наличия препятствий и пересечений.

Наибольший опыт использования АИСКГ имеют МЭС Юга и Сочинские электрические сети.

Информационная система контроля гололедообразования на ВЛ 220—500 кВ в МЭС Юга является комбинированной системой. Часть пунктов контроля (там, где обеспечивается достаточная надежность радиосвязи) передает информацию по транкинговому радиоканалу непосредственно на пункт приема, расположенный в Ставропольском предприятии МЭС и в МЭС Юга, которые взаимно резервируют друг друга. Сюда же передается информация от удаленных пунктов контроля по GSM-каналу. Вся информация собирается и хранится на серверах и по локальной сети передается диспетчеру и пользователям в МЭС Юга. Пункты приема расположены также в других предприятиях МЭС Юга: Ростовском (на ПС «Ш-30») и Кубанском (на ПС «Тихорецк»).

Анализ статистики работы системы в МЭС Юга за ОЗП 2007—2008 гг., проведенный за период с 1.10.07 по 31.03.2008, показывает:
• работал 31 пункт контроля, из них 4 пункта с комбинированной связью (GSM и радио);
• в среднем за сезон на один пункт контроля направляется 17 980 запросов, максимально — 22 565;
• в среднем до 25% составляют неудачные сеансы связи из-за длительных периодов отсутствия транкинговой связи;
• наилучший показатель надежности для GSM-канала — 0,8% неудачных сеансов связи (из 11 768 запросов — 98 без ответа);
• наилучший показатель надежности для радиоканала — 3,9% неудачных сеансов связи (из 21 731 запроса — 851 без ответа);
• по комбинированным пунктам контроля в среднем надежность GSM-связи выше, чем надежность радиоканала.

В Сочинских электрических сетях в 2003 г. была внедрена информационная система контроля гололедообразования на ВЛ 110—220 кВ. Первоначально система использовала радиоканал и состояла из 8 пунктов контроля (2 — на ВЛ 500 кВ, 2 — на ВЛ 220 кВ, 4 — на ВЛ 110 кВ) и двух пунктов приема — в Туапсе и Лазаревской. С пунктов приема информация по каналам телемеханики передавалась на ДП Сочинских ЭС и в Кубаньэнерго. В конце 2006 г. были выполнены модернизация и расширение информационной системы. Теперь она состоит из 18 пунктов контроля на ВЛ 110 кВ и 28 — на ВЛ 220 кВ, передача информации осуществляется по GSM-каналу. На рис. 3 приведен фрагмент схемы Сочинского энергорайона с пунктами контроля в программе АИСКГ-Клиент.

Информационная система контроля гололедообразования — это средство, помогающее главному инженеру предприятия принимать решение об организации борьбы с гололедообразованием. При этом он должен также опираться на всю совокупность информации: данные метеостанций, доклады наблюдателей, состояние сетей и т.д. Только в этом случае можно принять правильное и своевременное решение.

За время эксплуатации информационные системы показали свою работоспособность. Выявлена необходимость и осуществлена их доработка для повышения надежности и более полного использования диспетчером возможностей системы. Модернизация коснулась всех основных элементов: элементной базы, схемы и алгоритма функционирования линейного и приемного преобразователей; устройств, обеспечивающих питание аппаратуры; организации связи; программного обеспечения.

Повысить надежность электроснабжения в гололедоопасных регионах можно только на основе комплексного подхода, включающего:
• организацию взаимодействия всех предприятий, осуществляющих управление и эксплуатацию энергосистемы;
• реконструкцию электрических сетей всех уровней напряжения с применением новейших технологий и материалов;
• установку новых, более надежных и быстродействующих устройств релейной защиты и автоматики;
• совершенствование средств борьбы с гололедообразованием (плавка гололеда, профилактический обогрев);
• совершенствование системы оповещения и наблюдения за гололедообразованием (включая АИСКГ);
• постоянное проведение обучения персонала и противоаварийных тренировок.


ЛИТЕРАТУРА

1. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах. Учеб. пособие/И.И. Левченко, А.С. Засыпкин, А.А. Аллилуев, Е.И. Сацук. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007, 448 с.
2. Левченко И.И., Засыпкин А.С., Сацук Е.И. Информационное обеспечение мероприятий по предотвращению гололедных аварий в электрических сетях энергосистем // Известия вузов. Электромеханика. 2007, №4, с. 72—79.
3. Информационная система контроля гололедообразования на воздушных линиях электропередачи/ А.Ф. Дьяков, И.И. Левченко, А.С. Засыпкин и др. // Энергетик. — 2005, № 11, с. 20—25

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно