Повышение эффективности реконструируемых воздушных линий электропередач, подверженных экстремальным метеовоздействиям

Развитие электрических сетей является одним из важнейших показателей уровня электроэнергетики страны. В России более 50% оборудования электрических сетей выработало свой расчетный ресурс, хотя еще сохраняет достаточную работоспособность. Ухудшение технического состояния электрических сетей является одной из основных причин роста повреждаемости воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) и силового оборудования подстанций. Остро стоит задача реконструкции и модернизации электрических сетей, что требует огромных капитальных вложений. Поэтому актуальной задачей остается выбор оптимального варианта реконструкции линии с заданной степенью надежности.

Надежность работы линий электропередачи зависит от многих факторов: качества проектирования и выполнения строительно-монтажных операций, ввода в действие и грамотной эксплуатацией в различных режимах и атмосфер-но-климатических условиях.

Основные метеорологические факторы, влияющие на безаварийность работы ВЛЭП: гололедообразование, ветер и температура воздуха. Гололедно-ветровые аварии сопровождаются многочисленными обрывами проводов и тросов, поломкой опор, массовыми отключениями воздушных линий всех классов напряжения и нарушением электроснабжения, потребителей с соответствующим ущербом.

Глобальные изменения климата, наблюдаемые в последнее время, приводят к тому, что складывается устойчивая тенденция постоянного усиления гололедных и ветровых явлений. Происходящие с регулярной повторяемостью в разных районах страны (Урал, Поволжье, Центр, Север и Северо-запад, Северный Кавказ, Дальний Восток, Сахалин и др.) чрезвычайные происшествия в электросетях энергосистем («Южэнерго», «Средняя Волга», «Дальэнерго» и «Центрэнерго») свидетельствуют о том, что надежность энергоснабжения народно-хозяйственных комплексов в районах страны является приоритетной задачей [3]. Аварии ВЛЭП, в более чем 40 энергосистемах за последние 30 лет нанесли большой экономический ущерб во всех отраслях народного хозяйства и коммунально-бытовой сфере. Например, в Сочинских электрических сетях ОАО «Кубаньэнерго» в декабре 2001 г. общая, протяженность поврежденных ВЛ напряжением 0,38−220 кВ составила 2,5 тыс. км., была полностью прекращена на длительное время подача электроэнергии в коммунально-бытовой сектор с населением 320 тыс. человек [97]. Серьезные повреждения от сильного гололеда (поломки опор ВЛЭП 330−500кВ, разрушение изоляции, арматуры, обрывы проводов и грозозащитных тросов) на линиях электропередачи МЭС Юга произошли в 2003;2004 гг. Январь — февраль 2005 г. почтой же причине принес ущерб АО «Ростовэнерго» в виде поломок и падений пяти опор ВЛЭП 220 кВ, двух опор ВЛЭП 110 кВ и 1910 опор ВЛЭП 10 кВ, при этом 53 населенных пункта остались без электроэнергии [39]. Экономический ущерб от гололедных, явлений 1993 года в Камышинских электрических сетях ОАО «Вол-гоградэнерго» составил более одного млрд. рублей- [74], в ОАО «Саратовэнер-го» более 10 млрд. рублей в ценах 1994 г [75], в 2010;2011 годах в Поволжье и центральных регионах России составил более одного млрд. рублей.

Подобные гололедно-ветровые аварии происходят и за. рубежом: Канаде, США (северные штаты), включая Аляску, Украине, Чехии, Словакии, Германии Швеции, Норвегии, Финляндии.

Из отмеченных примеров следует, что электрические' сети в гололёдно-ветровой ситуации являются системой, подвергающейся воздействию случайных возмущений и имеющей случайные параметры. Отсюда особенно четко видна необходимость применения системного подхода к проектированию воздушных линий электропередачи [37].

Для предотвращения снижения надежности ВЛ из-за отрицательного воздействия на них гололедно-ветровых нагрузок в нашей стране и за рубежом уже давно ведутся интенсивные разработки и внедряются различные системы предотвращения гололедно-ветровых аварий на ВЛ. Значительный вклад в решение этой проблемы сделали многие известные ученые и инженеры:

Аллилуев A.A. [34], Абжанов P.C. [1], Будзко И. А. [16], Бургсдорф В. В. [15], Дьяков А. Ф. [34, 36, 37, 38], Дьяков Ф. А. [35, 39], Левченко И. И. [34, 36], Са-цук Е.И. [34], Каверина P.C. [120, 121, 123, 124], Холодов В. В. [110], Никифоров Е. П. [81], Яковлев JI.B. [120 — 124] и другие.

ВЛЭП, являясь элементом электрической системы, обладает присущими для нее свойствами: динамикой развития, управляемостью, множеством целей функционирования и неопределенностью части исходной информации для исследования которой, требуется системный подход. Для принятия оптимальных решений на стадии проектирования ВЛЭП необходимо по возможности учитывать все факторы, позволяющие найти «золотую середину» между себестоимостью сооружения линии электропередачи, издержками на ее эксплуатацию и надежностью электроснабжения потребителей.

Эти свойства подразумевают решение задач оптимизации вариантов реконструкции ВЛЭП по многокритериальной модели. Такая задача оптимизации ранее не решалась.

До последнего времени задачи оптимизации параметров ВЛЭП решались по критерию минимума приведенных затрат без учета динамики неопределенности исходной информации в перспективе.

Разработкой многокритериальных методов принятия решений занимались известные зарубежные ученые: Р. Беллман [7], Л. Заде [44], Т. Саати [92] и другие. Среди российских ученых значительный вклад в исследование данной проблемы внесли Березнев Ю. И. [10, 11], Березовский Б. А. [9], Брахман Т. Р. [14], Веников В .А. [16], Венцель Е. С. [17], Левин М. С. [16], Лещинская Т. Б. [62, 63, 65, 66, 67, 68] и другие.

Цель диссертационной работы заключается в разработке способов оценки эффективности вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи, работающих в экстремальных метеоусловиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе анализа причин отказов воздушных линий электропередачи, установить факторы, снижающие надежность и разработать мероприятия, повышающие эффективность работы воздушных линий электропередачи в сложных метеорологических условиях.

2. Обосновать варианты реконструкции воздушных линий электропередачи, работающих в сложных метеоусловиях и проанализировать их работу при различных ожидаемых механических нагрузках на провода реконструируемого участка воздушной линии электропередачи напряжением 220 кВ.

3. Разработать методику оптимизации вариантов реконструкции и составить алгоритм решения задачи оптимизации.

4. Сформировать и обосновать систему частных критериев, получить их аналитические модели.

5. Определить оптимальный вариант реконструкции ВЛЭП, с заданной степенью надежности и его технико-экономические показатели.

Методы исследования, используемые в работе, включают в себя методы механического расчета ВЛ, теоретические основы электротехники, методы многокритериальной оптимизации и теории принятия решений, системный анализ, методы теории вероятностей и математической статистики, численные методы программирования, методы оценки ¦ эффективности инвестиционных проектов.

Краткое содержание работы по главам.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы. Дается краткая аннотация содержания работы по разделам. Сформулирована научная новизна основных результатов и практическая ценность исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту. Указаны апробации полученных результатов. Приведена структура диссертации.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу проблем снижения надежности воздушных линий электропередач напряжением 220−500 кВ. Отражена актуальность темы исследования. Описан объект исследования — воздушная линия электропередачи высокого напряжения. Дается анализ причин отказов элементов ВЛЭП и комплекс факторов для повышения её надежности. В работе основное внимание уделено современным технологиям и материалам, повышающим эффективность ВЛ. Проанализирован мировой опыт использования проводов с повышенной нагревостойкостью и пониженной усадкой для повышения пропускной способности и увеличения механической прочности воздушной линии. Дана многокритериальная оценка применения металлических многогранных опор.

Повышение эффективности работы воздушных линий электропередачи в сложных метеорологических условиях предложено реализовать на основе оптимизации вариантов их реконструкции по многокритериальной модели. В заключении главы сформулированы задачи исследования, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе сформулирована научно-техническая задача. На основе аналитических моделей показателей надежности составлены варианты реконструкции ВЛЭП. Представлены результаты расчетов и анализа ожидаемых механических нагрузок на провода ВЛЭП при всех возможных режимах эксплуатации линии для двух периодов повторяемости климатических нагрузок Т = 25 лет и Т = 50 лет. В качестве стратегии повышения надежности линии выбрана частичная реконструкция участков линии, сильно подверженных гололедно-ветровым воздействиям.

В третьей главе сформулирована цель системного анализа и разработана методика многокритериальной оптимизации вариантов реконструкции ВЛЭП, работающих в сложных метеорологических условиях и представлен алгоритм её решения. На основе анализа целей функционирования ВЛЭП выбраны и обоснованы частные критерии оценки вариантов реконструкции.

В четвертой главе проанализированы статистические данные по электрическим нагрузкам ВЛ 220 кВ в предшествующий период и спрогнозировано развитие электрических нагрузок по нормальному закону распределения.

Выбор рационального варианта, реконструируемой ВЛ произведен с учетом неопределенности исходной информации для двух периодов повторяемости климатических нагрузок Т = 25 лет и Т = 50 лет. Представлено экономическое обоснование проектных решений.

В заключении приводятся основные результаты и выводы.

Научная новизна работы:

1. Определены основные направления реконструкции ВЛЭП, позволяющие проектировать их с заданной степенью надежности.

2. Разработана методика многокритериального выбора оптимального варианта реконструкции воздушных линий электропередач, работающих в сложных метеорологических условиях, отличающаяся от известных учетом климатических нагрузок и технико-экономическим сравнением, позволяющая проектировщикам разрабатывать линии с заданным уровнем надежности электроснабжения.

3. Предложены и теоретически обоснованы критерии эффективности: комплексный показатель надежности, отражающий безотказность, долговечность и ремонтопригодностькритерий экономичности, учитывающий системный эффект от внедрения мероприятий, повышающих эффективность работы" ВЛЭП, индекс доходности, срок окупаемости и рентабельность производстваи критерий технической эффективности и безопасности, учитывающий увеличение пропускной способности и снижение потерь электроэнергии.

4. Разработана методика определения комплексного показателя надежности, позволяющая оценивать эффективность мероприятий, повышающих надежность воздушных линий электропередач.

5. Разработана методика определения критерия технической эффективности и безопасности, позволяющая оценивать энергетическую эффективность и пропускную способность ВЛЭП.

6. Разработана методика определения критерия экономической эффективности, позволяющая оценивать конкурентоспособность вариантов реконструкции на интервале в несколько лет.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением для теоретических исследований научных положений теории вероятности, теории надежности, теоретических основ электротехники и корректным использованием статистического материала и подтверждается результатами эксплуатации ВЛЭП энергосистемами развитых стран. Результаты, выносимые на защиту:

1. Методика многокритериальной оптимизации вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи, использование которой позволяет обеспечить их максимальную эффективность в экстремальных метеоусловиях с учетом изменения токовой нагрузки.

2. Методика расчета комплексного показателя надежности, позволяющая оценивать варианты реконструкции воздушных линий электропередачи.

3. Система частных критериев эффективности и их аналитические модели, позволяющие прогнозировать конкурентоспособность вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи.

4. Результаты решения многокритериальнойзадачи и технико-экономические показатели.

Практическая ценность работы:

1. Предложенные алгоритмы расчета могут быть использованы, для разработки и оценки проектов реконструкции ВЛЭП высокого напряжения.

2. Программные модули для расчетов и построения зависимости тяжений и стрел провеса проводов от различных климатических нагрузок и для определения показателей экономической эффективности могут использоваться в учебном процессе по специальности «Электроснабжение».

Апробация работы. Основные положения и теоретические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных и всероссийских научно-практических конференциях: V Всероссийской научно-практической конференции. «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, (2008) — IV международной, молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г. Казань, (2009) — VI Всероссийской научно-практической конференции. «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, (2009) — VII Всероссийской научно-практической конференции. «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, (2010).

Реализациярезультатов работы: разработанная методика многокритериального выбора оптимального варианта реконструкции ВЛЭП с учетом изменения токовой нагрузки и климатических нагрузок, программные модули для расчета и построения тяжений и стрел провеса проводов от различных климатических нагрузок и для определения показателей экономической эффективности прит няты и используются Волго-Донским предприятием магистральных электрических сетей филиала ОАО «ФСК ЕЭС» МЭС Центра при выполнении реконструкции ВЛЭП 220 кВ, что подтверждаетсяактом внедрения от- 20 декабря4 2010г.

Публикации. По теме диссертации было опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, 6 приложений и списка литературы, включающего 124 наименования. Работа изложена на 163 страницах. Основная часть содержит 132 страницы машинописного текста, 29 рисунков и 47 таблиц;