Dynamické zatěžování vedení jako nástroj pro optimální provoz

Dynamické zatěžování vedení (DLR – Dynamic Line Rating) se stává standardní součástí modernizace přenosových a distribučních sítí. Tato technologie v sobě kombinuje měřicí systémy, algoritmické výpočty a komunikační systémy. Postupně byly vyvinuty různé postupy a měřicí senzory a zároveň byly stanoveny mezinárodní normy, které sjednocují některá pravidla pro jejich použití v praxi (např. IEEE738, Cigré TB207, TB498 a TB601). Mezi přenosové společnosti, které mají hlavní zásluhu na rozvoji DLR, patří společnosti Hydro-Québec, Oncor, Amren v Severní Americe, UTE a Transelec v Jižní Americe a v Evropě hlavně Elia a RTE.

Cílem dynamického zatěžování přenosových vedení je zejména bezpečné využití přenosové kapacity za reálných podmínek, v nichž jsou vedení provozována. Zatímco statické zatížení je stanoveno na základě konvenčních atmosférických podmínek, dynamické zatížení vychází ze skutečných (aktuálních) atmosférických podmínek, které poskytují většinu času lepší chlazení vodičů a umožňují tak lépe využít kapacity vedení. Výpočet dynamického zatížení je poměrně náročný úkol, který spočívá ve výpočtu limitního proudu jednotlivých rozpětí vedení a stanovení nejslabšího místa vedení, které bude určovat mez zatížení celého vedení.

Monitorovací systémy pro DLR jsou obvykle rozdělovány na přímé a nepřímé. Přímé metody jsou založeny na měření teploty vodiče, měření mechanického napětí, měření průhybu nebo měření vibrací lan vedení. Nepřímé metody vycházejí z údajů meteorologických stanic instalovaných na/nebo v blízkosti vedení. Teplota vodiče je pak dopočítávána pomocí simulačních modelů vodiče. Všechny uvedené metody mají své výhody a nevýhody a vždy záleží na konkrétní situaci, jakou metodu zvolit.

Monitoring průhybu vodičů měřením vibrací

Metoda sledování průhybu vodiče pomocí měření vlastních vibrací vodičů byla vyvinuta firmou Ampacimon. Jde v současnosti o asi nejpropracovanější systém na trhu. Tato metoda využívá přímého vztahu mezi základní frekvencí fz daného rozpětí vedení a jeho průhybem s:

Měření vibrací ve třech osách je provedeno pomocí přesného akcelerometru. Výsledky stanovení průhybu vodičů byly ověřeny porovnáním s přesným zaměřením pomocí teodolitu. Zjištěná přesnost dosahuje hodnoty 1 % bez ohledu na délku rozpětí, což je dostatečné pro aplikaci v systémech DLR.

Metoda stanovení průhybu založená na měření frekvence vibrací lana přináší mnoho výhod:

• Není potřeba zařízení nijak kalibrovat, při uvedení do provozu se pouze umístí senzor na vodič pomocí upevňovacích šroubů
• Stejně tak není potřeba opakovaná kalibrace po celou dobu životnosti při nevyhnutelných změnách charakteristik (normální stárnutí, zkraty, mechanická namáhání)
• Výsledky nejsou ovlivněny polohou zařízení v rámci rozpětí (s výjimkou polohy uprostřed rozpětí, kde se nachází uzel vlnění)
• Před instalací není nutné vypracovávat žádné studie pro umístění zařízení
• Samotná instalace je přímá a rychlá (obvykle trvá méně než 30 min)

Zjištěné hodnoty průhybu jsou pak převedeny na teplotu vodičů pomocí stavové rovnice pro vedení. Měření průhybu vodiče je nejlepším způsobem, jak stanovit teplotu vodiče, protože průhyb je přímo spojený s teplotním stavem vodiče bez ohledu na události ovlivňující vedení.

Důležitým parametrem pro stanovení ampacity je skutečná rychlost větru. Tuto veličinu systém Ampacimon zaznamenává přímo na vodiči pomocí akcelerometrů, které zaznamenávají vibrace a úhel rozkyvu. Z těchto veličin je pak stanovena rychlost větru. Ampacimon tedy není závislý na údajích z meteorologických stanic. Meteorologické stanice obvykle nejsou umístěné ve správném místě a správné výšce a také anemometry neměří menší rychlosti větru (<2m/s).

Údaje o slunečním záření a okolní teplotě jsou získávány z online dostupných meteorologických služeb. Všechny popsané parametry jsou pak vstupem pro tepelný model podle standardu IEEE 738 pro stanovení dynamického hodnocení ampacity. Může se jednat o hodnocení v reálném čase nebo o přechodné hodnocení či hodnocení při mimořádných stavech, založené na provozních pravidlech provozovatele. Pokud je to možné, využívá se k finálnímu výpočtu ampacity údaj o proudu, který má provozovatel k dispozici. Jinak využít i okamžitý proud měřený vestavěným proudovým transformátorem v senzoru Ampacimon.

Metody a nástroje nasazení DLR

Typický projekt DLR obvykle obsahuje následující kroky:

1. Simulace a výběr linky
Simulace by měly být provedeny před každým nasazením systému DLR do provozu, aby se potvrdil potenciál vybraných vedení a provedl výběr těch, kde se očekává největší potenciální přínos. K simulaci se využívá historických meteorologických dat s dostatečnou dobou (od několika měsíců po jeden rok), aby se zohlednily změny oproti převládajícím podmínkám a normálním sezónním změnám. Přestože zde nejsou k dispozici informace o aktuálním stavu vedení s ohledem na bezpečnost, simulační software je silným rozhodovacím nástrojem pro doplnění existujících znalostí o vedení. Před samotným nasazením do provozu je zásadní diskuze výsledků simulace mezi provozovatelem sítě a dodavatelem systému DLR.

2. Nasazení do provozu
Po výběru vhodných vedení následuje rozhodování o počtu a lokaci senzorů. Jsou vybrána kritická rozpětí, kde je nejdříve dosaženo bezpečnostních limitů (teplota nebo průhyb) při určitých provozních podmínkách. Během instalace je upřednostňován postup s minimálním přerušením dodávky. Po instalaci lze provést kontrolní měření za účelem validace technologie a získání kvalifikace produktu. Kontrolní měření je prováděno topografickým zaměřením s časovou značkou po několik hodin denně a zároveň je získán rozsah možných hodnot.

3. Provoz v reálném čase a analýza
Hodnocení stavu vedení v reálném čase je podporou denních operací na dispečinku provozovatele sítě (dynamické zatěžování a dočasná přetížení). Omezení jsou uvolněna a tím je poskytnut prostor pro zmírnění přetížení a ekonomický provoz. Celková bezpečnost provozu se zvýší, protože je monitorován reálný stav linky a jsou k dispozici provozní tolerance.

Shromážděné údaje z několika měsíců provozu pak poskytují statistiky o ziscích pro další analýzu a kontrolu. Na základě této zpětné vazby lze plánovat další nasazení nebo rozmístění senzorů na vedení. Také mohou být přidány další funkce pro sledování stavu vedení, například detekce ledu, které přinášejí výhody z hlediska bezpečnosti provozu nebo nákladů na síť.

4. Provoz s prediktivními nástroji
Predpovědní nástroje poskytují hodnocení v ten samý den (1-6h) nebo den či dva dny dopředu. Pro dispečery jsou tak k dispozici prediktivní nástroje, které mohou sloužit jako podpora každodenních operací. Například lze vylepšit scénáře N-1, pokud jsou založeny na vyšší zaručené kapacitě přenosových vedení. Předpovědi kapacity na denní úrovni podporují operace na trhu s energií a výpočty čisté přenosové kapacity přeshraničních vedení.

5. Integrace do SCADA systémů
Konečným cílem systému DLR je integrace do nástrojů používaných na dispečinku, jako jsou EMS (Energy management system) a DMS (Distribution management system). DLR system musí poskytovat standardní komunikační rámec pro implementaci do EMS/DMS databázových systémů. Tento proces vyžaduje těsnou spolupráci mezi odběratelem, dodavatelem řídicího systému a dodavatelem systému DLR. Rozhraní mezi člověkem a strojem (HMI) zobrazuje měřené parametry jako je teplota vedení a dynamické hodnocení vedle maximální teploty vodiče a statistických /sezónních hodnocení. Pro provoz v reálném čase lze volit dynamické hodnoty místo statických hodnot dle uvážení dispečera. Podobně mohou být prováděny periodické kontingenční scénáře s prognózami dynamických hodnot, čímž se posílí možnosti ekonomického řízení sítě.

Příklady nasazení DLR

Integrace distribuovaných zdrojů energie (Francie, 2012, 63 kV)
Projekt větrné farmy s instalovaným výkonem 9 MW byl opožděn, protože bylo nutné posílit vedení 63 kV. Bez posílení kapacit vedení je produkce větrných elektráren omezena a projekt se tak stává neekonomickým. Posílení kapacit existujících vedení však není snadné, nejprve byla provedena studie vedení, kdy se ukázalo, že by práce na posílení musely být koordinovány s plánováním sítě pro danou oblast. Navíc náklady na posílení byly v tomto případě nadměrně vysoké (několik milionů eur), protože linka byla dlouhá více než 15 km. Aplikace DLR se ukázala být levnější a rychlejší alternativou: s pouhými několika senzory (tři) byly během několika měsíců zjištěny silné zisky až do výše 50%. Větrná farma tak byla propojena podle plánu a ekonomika projektu nebyla omezena. Ve skutečnosti není žádným překvapením najít profit ve větrných oblastech, kde se nacházejí větrné elektrárny, protože vítr je nejvlivnějším faktorem DLR. Kombinace větrné energie a DLR tak přináší zřejmé výhody.

Optimalizace vedení během plánované údržby (Francie, 2015, 225 kV)
Na jednom z potahů vedení vvn musela být provedena nutná údržba po dobu 3 měsíců. TSO chtěl minimalizovat náklady na rekonfiguraci vedení a zaručit dodávku energie tím, že přenese zatížení, pokud možno bez omezení bezpečnosti, do paralelního okruhu. Po dobu trvání prací byl dočasně na paralelní okruh implementován DLR. V tomto období bylo dosaženo značných zisků, kolem 40%. Po dokončení údržby byly senzory přemístěny na jinou linku, kde bylo vzhledem k přesnosti metody dosaženo značných zisků. Ekonomické benefity byly pro TSO okamžité. Navíc po přemístění senzorů se náklady na systém DLR rozloží na více vedení.

Predikce na trhu s energií (Belgie, 2015-2016, 380 kV)
V létě roku 2014 byly v Belgii z bezpečnostních důvodů odstaveny dvě jaderné elektrárny. S tím, jak se zima blížila, se belgický provozovatel přenosové soustavy dohodl na změnách dodavatelských smluv se dvěma sousedy (Francie a Nizozemsko). Na belgické straně byl tranzit omezen propojovacími vedeními (podle sezónních hodnocení).

Proto byl před zimou nasazen systém DLR na 8 linkách. Vzhledem k nákladům na mezinárodní redispečink (přes 500 EUR/MWh) bylo zavedení DLR ziskové již po několika týdnech. Belgie se také tuto zimu vyhnula vážným rizikům blackoutu a bylo rozhodnuto provozovat tato vedení s DLR v dlouhodobém horizontu. Protože se jednalo o přeshraniční vedení, plných výhod DLR se mohlo dosáhnout pouze s predikcí kapacit. Po několika měsících provozu tak byly získány historické hodnoty tvořené časově označenými parametry počasí a časově označenými kapacitami.

Parametry počasí byly poskytnuty národní meteorologickou službou. Hodnoty kapacit byly hodnoty skutečné, měřené systémem DLR během analyzovaného období. Tím bylo možné statisticky modelovat reakci těchto linek na povětrnostní podmínky z hlediska přenosové kapacity. Údaje předpovědi byly uváděny s intervalem spolehlivosti, který vyjadřuje pravděpodobnost, že skutečné (naměřené) hodnoty nebudou vyšší než předběžné (vypočítané) hodnoty. Uvedená tabulka na Obrázku 6 zobrazuje výsledky získané z provozu v reálném čase (RT) s dalšími statistikami a výsledky pro prognózu s předstihem 2 dny.

Jak je vidět z uvedených výsledků, bylo dosaženo zhruba 10 % zisků po 90 % času s konzervativním intervalem spolehlivosti "P98", který je použitelný pro transakce na trhu s energií. Více „agresivnější“ výsledky lze získat s nižšími intervaly spolehlivosti, jako je 95, 90 nebo dokonce 50. Řešení Ampacimonu je pro své výrazné přednosti aktivně využíváno v mnoha zemích a je plně dosažitelné i na českém trhu prostřednictvím společnosti ODEM GROUP a.s., která zde Ampacimon zastupuje. Zajímavostí je, že na vývoji tohoto řešení se podílel také tým z pražské ČVUT v čele s prof. Josefem Tlustým.