Самарин А.В., ведущий инженер Рыгалин Д.Б., доктор экономических наук, ведущий научный сотрудник Шкляев А.А., зам. генерального директора
(ЗАО «Импеданс»)
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНЫХ ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ ЛЭП
В статье приведен обзор современных технологий для реализации систем мониторинга воздушных линий ЛЭП. Описываются архитектура и реализации систем мониторинга воздушных линий для повышения надежности и энергоэффективности энергопередачи.
Ключевые слова: энергетическая эффективность, энергосбережение, ЛЭП, ВЛ, Overhead HighVoltage Transmission Lines (OHTL), GSM\GPRS, ISM, xBee, беспроводной канал связи, топология Backbone GPS, SCADA, бесконтактный измеритель тока, катушка Роговского.
MODERN TECHNOLOGIES FOR OVERHEAD HIGH-VOLTAGE TRANSMISSION LINE MONITORING SYSTEMS
The article describes overview innovation for Overhead High-Voltage Transmission Line Online Monitoring Systems. Also describes architecture and commercial implementation of Overhead High-Voltage Transmission Line Online Monitoring Systems for energy saving problems solution, increasing reliability and power efficiency transmitting.
Keywords: energy efficiency, energy saving, HV, Overhead High-Voltage Transmission Lines (OHTL). GSM\GPRS, ISM, xBee, wireless communication, Backbone topology, GPS, SCADA, contactless current transducer, Rogowski coil.
Транспортировка электроэнергии от электростанции к потребителям является одной из важнейших задач энергетики. Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП). Сеть электропередачи как система передачи энергии состоит из проводных линий и оборудования для преобразования энергии и согласование с нагрузкой. Эффективность и надежность передачи энергии определяется состоянием сетей электроснабжения. Мониторинг воздушных линий электропередачи, позволяет решить многие проблемы надежного и эффективного энергоснабжения.
Потери энергии при передаче через воздушные электросети довольно высоки. Мощность теряется как на оборудовании, обеспечивающем преобразование энергии, так и на протяженных проводных линиях. Потери электроэнергии в проводах зависят от силы тока, поэтому при передаче её на дальние расстояния, напряжение повышают (во столько же раз уменьшая силу тока) с помощью трансформаторов, что при передаче той же мощности позволяет значительно снизить потери. Однако с ростом напряжения начинают происходить различные разрядные явления, которые также вносят потери энергии. Установленное на узловых станциях для перераспределения электроэнергии оборудование позволяет контролировать потоки энергии и их параметры, а также оценивать потери и качество электроэнергии. Системы мониторинга воздушных электросетей ЛЭП обеспечивают дополнительные функции, позволяя повысить эффективность передачи электроэнергии и уменьшить потери. Линии электропередач требуют очень высокого уровня надежности, поэтому без систем мониторинга сети электропередачи не могут использоваться на полную мощность. Мониторинг обеспечивает не только повышение надежности транспорта электроэнергии, но способствует уменьшению расходов на обслуживание линий электропередач за счет более оперативных и точных данных при локализации аварийных сегментов, а также прогнозирования проблемных ситуаций на трассе.
Актуальность использования перспективных систем мониторинга воздушных электросетей в последнее время стала особенно актуальна в России, поскольку, во-первых существенно возросла стоимость ущерба при крупных авариях, а во-вторых, в связи с уменьшением надежности энергосистем вследствие сильного износа как используемого оборудования, так и проводных линий. Оборудование, функционирующее в непрерывном производственном цикле и определяющее надежность и экономичность работы, изготовлено, в основном, в пя-тидесятые-семидесятые годы прошедшего века и требует периодического, возрастающего по объемам с ростом срока службы ремонтного обслуживания. На 01.01.2010 года общая протяженность ЛЭП составляет более 121 тыс. км. Ресурс силовых проводов применяемых на высоковольтных линиях электропередачи, составляет не более 40-45 лет. Коррозия, деградация соединений, обрывы токонесущих жил в силовых кабелях воздушных линий приводят к повышению сопротивления всей линии и локальному перегреву проводов, провису проводов, создавая аварийную ситуацию и уменьшая нагрузочную способность линии. Потребность в увеличении энергии вынуждает энергосистемы использовать силовые кабели на пределе их физических возможностей, а интересы безопасности и эффективности имеют огромное значение для операторов, которым важно знать, какие процессы происходят вдоль кабельной трассы (локальный нагрев, критическая раскачка проводов, критический провис проводов, обледенение).
Структура систем мониторинга воздушных электросетей
В настоящее время во всем мире находит широкое применение различные системы мониторинга воздушных линий ЛЭП, обеспечивая системного оператора подробными сведениями о текущем состоянии воздушных кабельных сетей электроснабжения. Система мониторинга состоит из сети измерительных блоков связанных через канал связи с оборудованием на диспетчерском пункте. Измерительные блоки распределены вдоль трассы ЛЭП и монтируются либо на опорах, или непосредственно на высоковольтных проводах. На
Рис. 1 показан принцип работы подсистемы мониторинга пропускной способности проводов ЛЭП.
Рис. 1. Принцип работы подсистемы мониторинга пропускной способности проводов ЛЭП
Диспетчерские пункты расположены в узловых точках сетей перераспределения энергии. В настоящее время в них, как правило, используются системы SCADA, обеспечивающие обработку и интерпретацию полученных данных от измерительных блоков. Измерительный блок состоит из следующих базовых компонентов:
• Группы датчиков для измерения основных текущих параметров проводной линии
• Процессорного модуля для обработки измеренных данных
• Системы передачи данных
• Модуля автономного питания
В зависимости от функционального назначения системы мониторинга могут использоваться различные типы датчиков:
• Датчики для измерения тока в проводе
• датчики температуры провода в пролете.
• Датчики механического напряжения провода в точках подвеса (тензодатчики)
• датчики для измерения затухания в оптических волокнах грозотросса или фазного провода
• датчики для измерения критических стрел провеса
• датчики климатических условий (метеостанция)
• датчики вибрационных характеристик проводов (акселерометры)
Измерение тока осуществляется бесконтактным методом, для чего используются датчики на основе эффекта Холла или катушки Роговского.
Автономное энергопитание
Как это не покажется странным, но взять энергию для питания измерительного модуля непосредственно от высоковольтной проводной системы не так просто. В настоящее время для питания систем мониторинга воздушных электросетей используется два варианта:
1. для измерительных систем размещаемых на мачтах опор ЛЭП, как правило, используются аккумуляторные батареи подзаряжаемые от солнечных батарей
2. Для измерительных модулей монтируемых непосредственно на проводах ЛЭП питание производится от токового трансформатора.
Токовый трансформатор, преобразует энергию непосредственно из провода ЛЭП. В качестве источника возбуждения (первичная обмотка трансформатора) используется токонесущий провод ЛЭП. Вторичная обмотка трансформатора - тороидальная катушка с ферромагнитным сердечником. Модуль индукционного источника питания состоит из токового трансформатора, выпрямителя, аккумулятора энергии (ионистора) и преобразователя напряжения который обеспечивает работу всех цифровых и аналоговых узлов измерителя.
Процессорный модуль
Процессорный модуль обеспечивает следующие функции:
• прием и обработку данных поступающих от датчиков;
• формирование массива данных цифровой осциллограммы;
• вычисление спектральной характеристики;
• сохранение массива текущей осциллограммы в оперативной памяти;
• постоянный мониторинг параметров в соответствии с заданными порогами аварийных ситуаций;
• перезапись цифровой осциллограммы в NVRAM с привязкой к текущей временной метке при фиксировании аварийной ситуации;
• синхронизацию процесса обработки с сигналами точного времени, получаемых от GPS приемника;
• передачу данных через канал беспроводной связи на сервер ввода-вывода в диспетчерский пункт
Канал передачи данных
В настоящее время для передачи данных в системах мониторинга воздушных линий электропередачи в основном используются беспроводные каналы связи - это GSM или же ISM радиомодемы, работающие на частотах 434 МГц, 868 МГц и 2.4 МГц.
GSM\GPRS канал связи
GSM модемы уже более десяти лет используются на рынке средств АСУ ТП, в том числе и для передачи данных в системах мониторинга. У первых моделей возможности были ограничены передачей SMS сообщений и данных в аналоговом режиме. Работа таких устройств в режиме аналогового модема обеспечивает скорость передачи данных всего 9,5 кбод, а оплата производится в соответствии со временем нахождения в сети. Система GPRS реализует пакетную коммутацию на всем протяжении канала связи, существенно оптимизируя услуги передачи данных в сетях стандарта GSM. Она практически мгновенно устанавливает соединения, использует сетевые ресурсы и занимает участок диапазона частот только в моменты фактической передачи данных, что гарантирует чрезвычайно эффективное использование доступной полосы частот. GPRS предоставляет услугу многоточечной передачи (мультиве-щания) между провайдером определённой сети и группой мобильных абонентов с терминалами GPRS. Для GPRS необходима оплата трафика, которая начисляется только за объём переданной и принятой информации, а не за время нахождения модема в состоянии приёма-передачи.
Структура беспроводной сети xBee для канала передачи данных
Для передачи данных от модулей измерителей в сервер системы мониторинга может использована беспроводная сеть, созданная на основе радиомодемов xBee. Частота трансиверов - 2. 4ГГц. Может быть использована топология сети «backbone» с эстафетной передачей данных по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.