Sprotno določanje obremenljivosti daljnovodov na podlagi podatkov sistema za monitoring daljnovodov Gašper LAKOTA JERIČEK gasper.lakota@eimv.si Vladimir DJURICA vladimir.djurica@eimv.si Boštjan BARL ELES Elektro Slovenija d.o.o. bostjan.barl@eimv.si Povzetek Maksimalna dovoljena tokovna obremenitev daljnovodnega vodnika je določena z najvišjo dopustno temperaturo njegovega materiala. Ker pa se pod vplivom višje temperature vodnik razteza, se le-ta bolj poveša. S tem pa nastopi nova omejitev, t.j. varnostna višina oziroma razdalja vodnika do objektov na potencialu zemlje. Na temperaturo vodnika v obratovanju vplivajo predvsem tok skozi vodnik in atmosferski dejavniki, kot so temperatura okolice, efektivna hitrost vetra in jakost sončevega sevanja. Na podlagi podatkov o teh dejavnikih nato po termičnem modelu vodnika sprotno izračunavamo, kolikšen je tisti maksimalni tok, pri katerem bi temperatura vodnika dosegla termično mejo. Ker pa daljnovodi potekajo po zelo razgibanem terenu in se atmosferski dejavniki vzdolž trase precej spreminjajo, je za točne izračune potrebno pridobiti atmosferske podatke iz mikrolokacij trase daljnovoda. Za to poskrbi sistem SMD (Sistem za Monitoring Daljnovodov), ki uporablja novitetni pristop k prenosu podatkov iz merilnikov do centralne lokacije, kjer se ti podatki obdelujejo. On-Line Determination of Allowable Conductor Current Using the Data from the System for Overhead Line Monitoring Gašper LAKOTA JERIČEK gasper.lakota@eimv.si Vladimir DJURICA vladimir.djurica@eimv.si Boštjan BARL ELES Elektro Slovenija d.o.o. bostjan.barl@eimv.si Abstract The maimum allowable temperature of an overhead line conductor is determined by a thermal limit of its material. Conductor's temperature is affected primarily by the electric current flowing through the conductor and the atmospheric factors, such as ambient temperature, effective wind speed and global sun radiation. Taking these factors into account we can determine the maimum allowable current of the conductor while still not eceeding its maimum allowable temperature. This is achieved by using the conductor's thermal equilibrium model. Overhead power line corridors are built over a diverse terrain and atmospheric factors along the corridors are very variable. We must therefore collect data from these corridors' microlocaitons to accurately calculate the true maimum allowable current. For this we use the SMD system (System for overhead line monitoring), that uses a novelty approach for data transmission from the measurement points to central location, where these data are processed.
I. UVOD Obratovalno stanje ključnih daljnovodov slovenskega prenosnega omrežja je pomembno vprašanje, tako z vidika obratovanja kot tudi z vidika vzdrževanja. Med obratovanjem se namreč fazni vodniki zaradi toka in sončnega sevanja segrevajo, zaradi vpliva vetra in naravne radiacije pa se ohlajajo. Temperatura okolice in prej našteti vplivni faktorji določajo temperaturo vodnika, ta pa med drugim vpliva na poves vodnika. Poves vodnika je z vidika obratovalne sposobnosti in varnega obratovanja eden ključnih faktorjev obratovalne sposobnosti daljnovoda. Ob povišanih temperaturah vodnika se lahko zgodita dva nevarna pojava: vodnik v razpetini se povesi do točke, ko pride do preskoka med faznim vodnikom in zemljo in posledično do nastanka zemeljskega kratkega stika ali vodnik doseže kritično temperaturo elastičnosti aluminijeve zlitine in preide v področje plastičnih deformacij. Poznavanje temperature faznih vodnikov je tako ključna informacija za ekonomsko in varno izrabo prenosnih daljnovodov. Poleg tega je bilo prenosno omrežje načrtovano v obdobju relativno stabilnega vremena. V primeru, da bodo imele podnebne spremembe za posledico povišanje najvišjih temperatur vodnikov, bo to lahko imelo omejevalne učinke na obratovanje daljnovodov v poletnih mesecih. Novi pogoji obratovanja bi lahko ključne elemente omrežja (daljnovode in transformatorje) približali termičnim in mehanskim obratovalnim omejitvam. Iz tehniškega normativa»tehniški normativ za gradnjo nadzemnih vodov«tp 4/89, po katerem so bili projektirani nadzemni vodi od 1 do 400 kv (TP 89), je razvidno, da se izračuni povesov opravljajo pri -20 ºC, -5 ºC z dodatnim bremenom in pri 40 ºC. Temperatura, višja od 40 ºC, je v normativu omenjena samo pri izbiri prereza vodnika z namenom, da temperature vodnika ne preseže 80 ºC. Pravilnik do neke mere odseva stanje v praksi v času projektiranja, ki ga je prof. Plaper v knjigi Elektroenergetska omrežja III, opisal kot: "Že v EO I. na str. 40 je bilo omenjeno, da ob trajno še dopustnih tokih v vodnikih (Id) nadzemnih vodov lahko maksimalna temperatura vodnika doseže +80 C, kar je v navideznem nasprotju s pravkar omenjeno maksimalno temperaturo vodnikov +40 C. Razlike v povesih (med temperaturo +40 C in +80 C) so znatne, saj dosežejo npr. pri daljnovodih 110 kv že poldrug meter, pri daljnovodih višjih napetosti pa še več. Vendar je verjetnost, da pride do praktičnih težav zaradi prevelikih povesov vodnikov običajno sorazmerno majhna. Saj bi moral biti vod tokovno zelo močno obremenjen, temperatura okolice bi morala znašati +40 C, hkrati bi moralo vladati popolno brezvetrje in pod najnižjo točko vodnika bi moralo obstajati kritično približanje. Tokovna obremenitev večine daljnovodov v visokonapetostnih omrežjih se običajno giblje nekje okrog polovice termične meje, čemur ustreza povečanje temperature samo za 10 C nad temperaturo okolice (med tokom in proizvedeno toploto obstaja kvadratna odvisnost!). Kljub temu pa pravilnik priporoča, da se za daljnovode, v katerih lahko v normalnem obratovanju pride do močne tokovne obremenitve, povesi vodnikov računajo do +60 C, medtem ko odklonov vodnikov zaradi vetra ni treba nikdar računati za višje temperature od +40 C." Zato je toliko bolj potrebno, da se vzpostavi sistem za ocenjevanje obremenjenosti daljnovodov, ki bo na podlagi projektiranih vrednosti, dejanskega stanja na terenu in vseh razpoložljivih meritev zagotovil boljšo tehnično in ekonomsko izkoriščenost ter hkrati varno obratovanje daljnovodov. Poleti 2010 je bila na EIMV narejena študija [5], ki je na testnem primeru pregleda daljnovodne trase 110 kv Ajdovščina Idrija pokazala, da lahko daljnovod obratuje tudi pri povišani temperaturi vodnikov 80 C, čeprav podatki o projektirani maksimalni temperaturi vodnika niso bili na voljo. 1 V študiji so bili upoštevani rezultati laserskega snemanja pozicij daljnovoda iz leta 2003. Ti rezultati pa so bili nato preverjeni še na terenu. Sistem za ocenjevanje obremenjenosti daljnovodov zahteva merjenje nekaterih ključnih veličin, katere v času, ki je blizu realnega, najbolj vplivajo na točnost ocenjevanja. Ključne veličine, ki jih je potrebno meriti, so: tok v faznem vodniku, temperatura vodnika, temperatura okoliškega zraka, hitrost in smer vetra, jakost sončnega sevanja. Smiselno je poudariti, da je zgornji nabor merjenih veličin idealen nabor, saj zagotavlja najboljše rezultate ocenjevanja. Z uporabo dinamičnega modela segrevanja in ohlajanja faznega vodnika (glej enačbo 1) je mogoče z dovolj dobro točnostjo določiti temperaturo vodnika samo z merjenjem okoljskih parametrov [1]. 1 V času projektiranja DV-ja je veljal tehniški normativ TP 4/89, ki predpisuje maksimalno temperaturo vodnika 40 C.
dϑm c pm dt kjer so: c p m ϑ m p j p m p s p r p c = p j + p m + p s p r p c (1) specifična toplota vodnika [Ws/(kg*K)]; masa vodnika [kg]; srednja temperatura vodnika [ C]; moč joulskega segrevanja vodnika [W]; moč segrevanja vodnika zaradi magnetnih izgub [W]; moč sončnega sevanja na vodnik [W]; moč radiacijskega oddajanja toplote vodnika [W]; moč konvekcijskega hlajenja vodnika [W]. Ker se zgoraj navedene ključne vplivne veličine vzdolž trase spreminjajo in s tem bistveno vplivajo na kakovost ocene prenosne zmogljivosti, je treba predvideti, da bo potrebno izvajati meritve navedenih veličin na geografsko razprostrtih lokacijah. To nadalje pomeni, da bo morala biti zagotovljena komunikacijska povezava z merilniki vzdolž trase (slika 1). Z_A RTP A 1 2 3 4 5 Z_B RTP B ANTENNA RF switch PA LNA TX RF RX BAT. μp UNIT POWER PC M. A/D M. TEMP. M. HUM. M. WIND M. IMG. M. DIRECT CURRENT SUPPLY CUR. M. SOLAR PANEL PROGRAMMING ANALOG INPUTS TEMPERATURE SENSOR HUMIDITY SENSOR WIND SENSOR IMAGING CURRENT SENSOR Slika 2: Blokovna shema SMD merilne naprave. Dostava merjenih veličin poteka prek RF komunikacijske kanala do zbirno merilne enote. Pri vzpostavljanju komunikacije uporablja merilnik ANT RF tehnologijo, ki omogoča realizacijo neodvisnega samostojnega komunikacijskega omrežja. Pri izvedbi merilnega sistema je potrebno vzpostaviti tudi informacijsko infrastrukturo, ki bo omogočala integracijo meritev v že obstoječe sisteme. Informacijski sistem, ki ga uporablja SMD, je prikazan na sliki 3, iz katere je razvidna fleksibilnost integracije različnih merilnih sistemov. DALJNOVOD 2 ZE_1 ZE_2 ZE_n DALJNOVOD 1 DALJNOVOD n ZE_n+1 DALJNOVOD n+1 ELES OPTIČNO OMREŽJE INTERNET FIREWALL RUTER SCADA CIM HSDA PODATKOVNI STREŽNIK PS ALARM SERVIS BUS MONITORING PRIKAZOVALNA ENOTA PE Vzdolžni profil z lokacijami MOBILNA ZE_1 MOBILNA ZE_2 MOBILNO OMREŽJE RDB GIS OKOLJSKE RITVE Vzdolžni profil z lokacijami in pokrivanjem signala Legenda: merilna enota - zbirno merilna enota - Z komunikacija med Z_A in 1 komunikacija med Z_B in 3 komunikacija med 4 in 5 aktivno spremljanje komunikacije Slika 1: Prikaz vzdolžnega profila daljnovoda z merilnimi enotami (), pokritostjo signala in lokacijo zbirno merilne enote (Z) sistema SMD. II. SISTEM ZA MONITORING DALJNOVODOV Sistem za Monitoring Daljnovodov (SMD) predstavlja konceptualno rešitev Elektroinštituta Milan Vidmar na področju monitoringa daljnovodov za potrebe ocenjevanja prenosne zmogljivosti. Osnovo predstavlja radiofrekvenčni komunikacijskomerilni sistem, ki omogoča dostavo ključnih merilnih veličin v realnem času za potrebe sprotnega določanja tokovne obremenljivosti vodnikov. SMD merilni sistem je zamišljen kot večfunkcijski merilnik posameznih veličin (slika 2) od atmosferskih pogojev, prek žleda, vse do zajema videa. RDB Slika 3: Prikaz informacijskega sistema SMD od zajema, prenosa, hrambe in prikaza podatkov z, ZE. Funkcionalna in podatkovna struktura SMD je bila načrtovana za lažjo integracijo drugih sistemov v skupni sistem za ugotavljanje prenosne obremenljivost DV. Upoštevane so bile obstoječe tehnologije zajemanja okoljskih podatkov, standardne komunikacijske poti ter uporaba uveljavljenih grafičnih prikazovalnikov, kot so SMD-View, ODIN in podobni. III. ANT RF TEHNOLOGIJA ANT radiofrekvenčna tehnologija predstavlja enega od temeljev Sistema za Monitoring Daljnovodov (SMD). Gre za tehnologijo, ki omogoča vzpostavitev lastnega, od tujih operaterjev neodvisnega, podatkovnega vodila za prenos izmerjenih veličin ali drugih podatkov. Deluje na prostem ISM 2.4GHz frekvenčnem pasu, za katerega ne potrebujemo
uporabniške licence regulatorja. To pripomore k večji fleksibilnosti nadaljnjega razvoja in sprotnemu prilagajanju RF razmeram na terenu. Osnovne lastnosti ANT tehnologije so: ultra nizka poraba: ANT-ova definicija ultra nizke porabe v praksi pomeni povprečen tok v obsegu nekaj µa (npr. 5 µa) do maksimalne vrednosti toka, ki ga omogoča inducirano napajanje. Z vidika porabe pomeni to optimalnejše načrtovanje napajalnega sistema in daljšo življenjsko dobo obratovanja; skromne sistemske zahteve: implementacija ANT tehnologije zahteva relativno malo programiranja; 8 kanalno vozlišče je z uporabo ANT tehnologije mogoče realizirati s 16 KB kode. Zaradi podpore tako sinhroni kot tudi asinhroni komunikaciji lahko ANT naprave uporabljajo nizko cenovne merilnosenzorične rešitve; prilagodljiva omrežna topologija: ANT omogoča tako osnovno P2P (peer to peer, vsak-z-vsakim) topologijo kot tudi kompleksnejše mrežne topologije. ANT naprave podpirajo do 8 kanalov, pri čemer vsak kanal na napravi lahko deluje v načinu master ali slave. Zaradi tega se prenos sporočil iz enega v drugo vozlišče izvede samodejno, saj vzpostavljanje določene topologije ne zahteva dodatne koordinacije; svoj ANT kanal, je največje število naprav omejeno s številom kanalov za čip AT3 je to 8 kanalov. To število se lahko bistveno poveča z uvedbo souporabe (sharing) kanalov; oddajna, potrjevalna in paketna sporočila: (Broadcast, Acknowledge and Burst Message); ANT omogoča tri vrste paketnih transakcij, ki zagotavljajo prilagodljivo uporabo za različne potrebe. V primerih, ko je ažurnost podatkov pomembnejša od občasne izgube nekaterih paketov, je oddajni način sporočanja razumna izbira; v nasprotnem primeru je smiselna uporaba prenosa s potrjevanjem. Tretji, paketni način, je primeren, kadar želimo poslati večje količine podatkov. V tem primeru je mogoče pričakovati hitrost prenosa do 20 kbps; zanesljivost in odvisnost: ANT ima vgrajenih več mehanizmov za zaščito pred interferencami, vključno z adaptivno sinhronizacijo kanalov in frekvenčno prilagodljivostjo. Na določeni frekvenci lahko sobiva in hkrati deluje več kot 100 kanalov; nizka latenca: latenca kanala je pogosto kompromis med hitrostjo kanala in porabo energije. V primeru, ko nadrejeno vozlišče nima omejitev glede porabe, je lahko kanal za iskanje nastavljen tako, da je latenca za kritične aplikacije majhna oziroma nič. IV. POSTAVITEV TESTNEGA SMD- MAP SISTEMA Slika 4: Prikaz možnih SMD mrežnih topologij, ki jih omogoča ANT tehnologija. drevesna topologija s souporabo kanalov: v primerih, ko mora nadrejeno vozlišče (hub) periodično pridobivati podatke iz podrejenih vozlišč (node), je smiselno izkoristiti souporabo kanalov. Vsi senzorji z določenimi naslovi (address) souporabljajo določen ANT kanal. Vsak senzor pošlje podatek šele, ko to od njega zahteva nadrejeno vozlišče. Če je omogočena samodejna souporaba kanala, se senzor lahko samodejno priključi določeni topologiji; veliko število vozlišč: ANT lahko teoretično naslavlja 2 32 naprav. Za določeno zvezdasto topologijo, kjer vsaka povezava potrebuje Komunikacijsko merilni sistem SMD je trenutno v fazi operativnega preskušanja. Za potrebe testiranja komunikacijskih poti in merilnih sistemov smo modificirali SMD sistem v SMD-MAP 2 (Merjenje Atmosferskih Parametrov). Osnovna nadgradnja SMD ZE in je v dodanem zunanjem merilnem sistemu, ki zajema atmosferske parametre ter nadgradnja napajalnega sistema, ki je izvedena s pomočjo fotonapetostnih modulov. Meritve smeri in hitrosti vetra se izvajajo s pomočjo 2D ultrazvočne tehnologije, meritve padavin, toče s pomočjo piezo senzorike, meritve pritiska, vlage in okoljske temperature pa s pomočjo kapacitivnih senzorjev. Njihove lastnosti sta izjemna natančnost in ponovljivost meritev, kar je bistvena odlika uporabljene senzorike. Pri izbiri testne trase daljnovoda smo upoštevali opremljenost daljnovodov z že obstoječimi merilnimi sistemi, ki ponujajo podobne meritve kritičnih 2 SMD-MAP: Sistem za monitoring daljnovodov Merjenje atmosferskih pogojev
parametrov za sprotno določanje tokovne obremenljivosti vodnikov. Izbrana je bila trasa DV 110 kv Slovenj Gradec Dravograd, na kateri je daljnovod opremljen z OPPC in Valcap sistemom (vzdolžno merjenje temperature faznega vodnika) (slika 5). Kombinacija merjenja vzdolžne temperature faznega vodnika in SMD-MAP okoljskih atmosferskih veličin je optimalni sklop meritev za testiranje modela za določanje tokovne obremenljivosti vodnikov. Trasa omogoča tudi testiranje RF komunikacije, saj je dolga več kot 10 km. Na določenem odseku je tudi geografska ovira, ki lahko oslabi komunikacijo med SMD senzorji. Po drugi strani pa leži del trase znotraj doline, kjer je razdalja med dvema senzorjema kar 8,5 km. pastmi, ki pa so bile v času nastajanja projekta uspešno rešene. REFERENCE [1] Thermal Behaviour of Overhead Conductors. (2002). Working Group 22.12. Paris : CIGRE. [2] Djurica, Vladimir, Janko Kosmač, Andrej Souvent, Gašper Lakota Jeriček, Goran Milev, Boštjan Barl. (2010). Raziskava merjenja temperaturnih faznih vodnikov v obratovanju-sistem za monitoring daljnovodov. Študija št. 1928. Ljubljana : Elektroinštitut Milan Vidmar. [3] Product Specification v1.2 (2010).»Singlechip ANT TM Ultra-Low Power Wireless Network Solution«. Nordic Semiconductor [4] Plaper, M. (1974).»Elektroenergetska omrežja III«. Ljubljana : Fakulteta za elektrotehniko. [5] Lakota Jeriček, Gašper, Andrej Souvent, Vladimir Djurica, Goran Milev. (2010). Obremenjevanje daljnovodov glede na atmosferske razmere. Študija št. 2049. Ljubljana :. Slika 5: Prikaz izbrane SMD testne trase daljnovoda DV 110 kv Slovenj Gradec - Dravograd. V. NADALJNJI RAZVOJ SISTEMA SMD Kot vsak sistem je tudi SMD v nenehnem razvoju. V zdajšnji fazi razvoja želimo doseči kritično pokritost trase daljnovoda in tako pridobiti kar največ obratovalnih izkušenj. Ta bi vsebovala SMD-MAP in SMD-MAP Z ter SMD-MAP enote. Poleg tega bi bilo smiselno primerjati rezultate s sorodnimi merilnimi sistemi na isti trasi. Glede na hitrost razvoja RF tehnologije in merilnih sistemov, pa stremimo tudi k uporabi drugih RF tehnologij kot so ZigBee, WiFi ali WiMa, ki bi lahko v prihodnje nadgrajevale sistem SMD. Glavni razvojni cilji sistema SMD so doseči robustnost in zanesljivost. Pokrivanje ključnih, najbolj obremenjenih daljnovodov v slovenskem prenosnem omrežju je velika želja, ki pa je odvisna od mnogih dejavnikov. Eden izmed teh je vsekakor uspešnost operativnega testiranja na testni trasi. VI. ZAKLJUČKI Razvoj komunikacijsko merilnega SMD sistema je posegel na področje nove tehnologije, o kateri je bilo znanega zelo malo, saj domačih ali tujih izkušenj na tem področju ni bilo. Zato lahko rečemo, da je od začetka do konca šlo za zahteven raziskovalnorazvojni projekt s številnimi neznankami, težavami in