ZAGOTOVITEV ZANESLJIVOSTI MERJENJA PARAMETROV VERIŽNICE VODNIKA V PRIMERU ŽLEDA

ZAGOTOVITEV ZANESLJIVOSTI MERJENJA PARAMETROV VERIŽNICE VODNIKA V PRIMERU ŽLEDA Nenad Gubeljak 1, Bojan Banić 2, Viktor Lovrenčić 3, Matej Kovač 4 1 Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Smetanova 17, 2000 Maribor nenad.gubeljak@um.si 2 Prva gimnazija Varaždin, Preradovičeva 2, 42000 Varaždin, Hrvaška bojan.banic@vz.t-com.hr 3 C & G d.o.o. Ljubljana, Riharjeva ulica 38, 1000 Ljubljana viktor.lovrencic@c-g.si 4 OTLM d.o.o., Riharjeva ulica 38, 1000 Ljubljana matej.kovac@otlm.si Povzetek: Sistem OTLM SMART omogoča kontinuirano spremljanje temperature vodnika in kot verižnice. Na osnovi meritve kota se določa sprememba dodatnega bremena na vodniku (žleda, mokrega snega), zaradi česar je pomembno zanesljivo določiti pravo vrednost kota pri izmerjeni temperaturi vodnika. Prav sprememba kota predstavlja izhodišče za oceno spremembe natezne sile v vodniku zaradi dodatne obtežbe. Nenatančno izmerjen kot lahko privede do nepotrebnega ukrepanja (npr. povečanja toka za taljenje žledu) ali prepoznega ugotavljanja nabiranja žledu, ko nabiranje žledu ni več možno nadzorovati. Z namenom, da se zagotovi zanesljivost določanja dejanskega kota verižnice vodnika daljnovoda je izdelan računalniški program za statistično obdelavo in analizo podatkov s katerim je definirano območje gotovosti izmerjenega kota z verjetnostjo 99,97 %. Na osnovi statistično definiranih parametrov kota verižnice na posamezni temperaturi vodnika so bolj zanesljivo določeni dolžina vodnika, poves in zatezna sila v vodniku. Rezultati statistične analize kažejo, da je statistično območje verjetnosti na več različnih temperaturah vodnika manjše od +/- 0,25 kota, kar bistveno prispeva večji občutljivosti spremembe kota zaradi nabiranja žledu in s tem omogoča pravočasno ukrepanje in bolj zanesljiv nadzor nad količino nabranega žledu na vodniku. Ključne besede: monitoring, daljnovod, žled, statistika, OTLM SMART, alarm ENSURING OF THE RELIABILITY OF THE CATENARY PARAMETERS MEASUREMENTS IN THE CASE OF ICING Abstract: The OTLM SMART system allows continuous monitoring of the temperature and angle of the conductor. Based on the measurement of the angle, it is determined that the additional load on the conductor (ice, wet snow, etc.) is changed. It makes it important to determine the true value of the angle at the measured temperature of the conductor. The change of angle is the starting point for estimating the change in tensile force in the guide due to additional load. Inaccurately measured of angle can lead to unnecessary action or late detection of the ice In order to ensure the reliability of determining the actual angle of the catenary of the power line conductor, a computer program for statistical processing and data analysis with which the range of certainty of the measured angle with a probability of 99,97 % is defined. On the basis of statistically defined parameters of the catenary of conductor at the spot measurement the length of the conductor, the angle and the tensile force in the conductor are more reliably determined. The results of the statistical analysis show that the statistical probability range at a number of different conductor temperatures is less than +/- 0,25 angle, which is significantly contributed by the greater sensitivity of the angle change due to the accumulation of the gum, thus allowing timely action and more reliable control of the amount of the accumulated gall on the guide. Keywords: monitoring, transmission line, icing, statistics, OTLM SMART, alarm 1

1 UVOD Problematika merjenja količine žleda je določena tudi s strani CIGRE združenja [1-4], v katerih se predlagajo mere za zaščito od nadaljnjega nabiranja žledu in temelji na statistični analizi. Določanje količine žledu se opravlja na posameznem delu daljnovoda z napravo, ki je ob daljnovodu in ni neposredno na distribucijski mreži zaradi česar ni možno spremljati proces odtajanja žledu na samem vodniku kot tudi nadaljnje nabiranje žledu. V okviru raziskovalnega projekta je razvit računalniški model za določanje prisotnosti in spremljanje nabiranja žledu na osnovi meritev z OTLM SMART napravo (»Overhead Transmission Line Monitoring«). Metoda (patent SI 25126 A-2017, objava EP 3 96 348 A1) je sestavni del programske podpore za izračun in določitev povesa in zateznih sil na mestu pritrditve na stebre [5]. Slika 1: prikaz zapisa meritev v tabelarični obliki. Slika 2: Primer meritve kota in temperature v obdobju mesca februarja 2018. Slika 3:. Prikaz odvisnosti izmerjenega kota od temperature ob upoštevanju montažnega zamika kota za 0,91. Sistem za kontinuirano spremljanje temperature in kota v točki pritrditve naprave na vodniku so izpostavljeni vibracijam vodnika zaradi vetra, kakor tudi spremembam kota zaradi spremembe temperature vodnika. OTLM SMART sistem beleži v *.csv datoteki v časovnih presledkih podatke o temperaturi vodnika, temperaturi okolice, toku, vlažnosti zraka in kotu, ki ga meri OTLM SMART naprava, kot je prikazano na sliki 1 in grafično na sliki 2. Prav zaradi vibracij vodnika je rezultat meritve kota precejšnji raztros izmerjenih vrednosti pri izmerjeni temperaturi vodnika, kot je prikazano na sliki 3. Na sliki 3 so prikazani rezultati vseh meritev kota v 2

mescu februarju v odvisnosti od temperature. Območje +/- 0,25 kota je zajeto z črtkanimi vzporednimi linijami. Opazno je, da so posamezne vrednosti izmerjenega kota izven območja črtkanih linij, zaradi česar bi se lahko predčasno opozarjalo na prisotnost žleda ali nabiranja mokrega snega. Prav sprememba kota predstavlja izhodišče za oceno spremembe natezne sile v vodniku zaradi dodatne obtežbe. Nenatančno izmerjen kot lahko privede do nepotrebnega ukrepanja (npr. povečanja toka za taljenje žledu) ali prepoznega ugotavljanja nabiranja žledu, ko nabiranje žledu ni več možno nadzorovati. OTLM SMART sistem za nadzor je bil demonstracijsko montiran na DV 110 kv Slovenj Gradec Dravograd, vodnik AlFe 240/40. 2 OBDELAVA PODATKOV Sistem OTLM SMART na osnovi meritve kota omogoča spremljanje spremembe dodatnega bremena na vodniku (žleda, mokrega snega, padlega drevesa), zaradi česar je pomembno zanesljivo določiti pravo vrednost kota pri izmerjeni temperaturi vodnika. Izmerjene vrednosti kota z OTLM SMART napravo je potrebno uskladiti z dejanskimi meritvami kota verižnice vodnika, saj med montažo skoraj ni mogoča točna namestitev, kar lahko povzroči zamik položaja inklinmetra glede na horizontalno lego. V demonstracijskem primeru je dejanski kot za 0,91 večji od izmerjenega z OTLM SMART napravo. Računalniški program je izdelan kot sestavni del OTLM SMART sistema in vsebuje podprogram za Weibull/Nominal porazdeliteveno aplikacijo na osnovi katere se odloča ali je potrebno pristopiti odtajanju žledu. Aplikacija temelji na večmesečnem kontinuiranem spremljanju in hranjenju podatkov v obliki *.csv datoteke ter določanju statističnih parametrov na posamezni temperaturi na osnovi vsaj 5 meritev na isti temperaturi. Na sliki 4 je prikazana maska za branje meritev v mescu februarju 2018, kje je v 10 minutnih presledkih bilo prebrano 3437 zapisov meritev na različnih temperaturah. Robni pogoji za postavitev aplikacije so kot zamika 0,91 ter enačba odvisnost kota v ( ) od temperature vodnika v ( C) kot parametra a 0 in a 1, ki se vpisujeta lahko tudi ročno v maski, slika 4. Po branju vhodne datoteke in zagonom se razvrstijo izmerjene vrednosti statistično obdelane po posameznih temperaturah od -9,5 do +12 C, torej le v 44 vrsticah, kot je prikazano na sliki 5. Slika 4: Odprtje maske in branje podatkov enomesečnih meritev. Slika 5: Simulacija izračuna statističnih parametrov. Slika 5 v tabeli prikazuje srednje vrednosti, standardno deviacijo in robno območje z -3V in +3V, ki zajema 99,97 % verjetnost vrednosti za normalno Gaussovo porazdelitev, ter Ko in m za Weibullijevo porazdelitev. Na osnovi odvisnosti med kotom in temperaturo v mescu februarju (slika 3) sklepamo, da ni bilo žledu ali mokrega snega, ki bi vplival na spremembo meritev kota, torej meritev v mescu februarju za temperaturno območje vodnika od -9,5 do +12 C lahko smatramo za referenčno brez žledu. Meritev v mescu februarju potemtakem lahko primerjamo z meritvami v naslednjih mescih za isto temperaturno območje in lahko statistično ocenjujemo stopnjo razhajanja med referenčnimi in tekočimi meritvami. Na sliki 6 je prikazano branje in statistična obdelava rezultatov meritev v naslednjem mescu (marcu 2018) za temperaturno območje od -4,5 C, ki predstavlja novo statistično postavitev, ki jo lahko poljubno omejimo z številom zadnjih meritev, ki jih bomo upoštevali za izračun statističnih parametrov. Za določitev statističnih parametrov je kriterij da imamo vsaj 5 rezultatov meritev kota na isti temperaturi. Novim statističnim vrednostim se sedaj lahko dodajajo rezultati novih meritev na poljubni temperaturi in s tem se vpliva na spremembo zadnjih statističnih parametrov, ki spreminjajo položaj srednje vrednosti in standardne deviacije ter s tem vplivajo na meje območja meritve. Obdelava zadnjih nekaj deset odčitanih vrednosti meritev za določitev verjetnostnega zamika je prikazana na sliki 7. Za določitev meje je potrebno oceniti pri kateri statistični verjetnosti nabiranja žledu se bo distribucijskem centru posredovala informacija, da se je žled nabral in pristopili določevanju debeline žledu za oceno potrebnega povečanja toka za njegovo odtajanje. 3

Slika 6: Vpis in statistična obdelava rezultatov meritev v naslednjem mescu. Slika 7: Obdelava zadnjih nekaj deset odčitanih vrednosti meritev za določitev verjetnostnega zamika. Slika 8: Rezultat izračuna v primeru, ko ni statistično zadostno število podatkov na isti temperaturi. Slika 9: Prikaz rezultatov simulacije v primeru, ko je statistično zadostno število podatkov meritev in se žled nabira. Slika 10: Prikaz odstopanj meritev kota pri -5 C med referenčno in novo izmerjeno (rjavo) Gaussovo porazdelitvijo. Na sliki 7 je predlagana vrednost 36 %. Program statistično preračunava parametre kota verižnice za vse izmerjene temperature. V kolikor nima minimalnega zadostnega števila izmerjenih vrednosti na enaki temperaturi (vsaj 5 za normalno in vsaj 3 za Weibullijevo porazdelitev) takrat zapisuje le srednje vrednosti in 4

odstopanja od vrednostih na zapisani premici (s koeficienti a o in a1 ), kot je prikazano na sliki 8. V primeru, ko je zadostno število podatkov in se vrednosti kota povečujejo čez statistično dano mejo 36%, program izračunava statistično zanesljivost nabiranja žledu v %, sproža opcijo odtajanja in sporoča podatke o prisotnosti žledu [6] ali mokrega snega dispečerju, ko je prikazano na sliki 9. Določitev odstopanja temelji na zamiku porazdelitvene funkcije za na posamezni temperaturi. Na sliki 10 je prikazana porazdelitvena funkcija, ki se z srednjo vrednostjo in mejami območja 99,97 % odmika od referenčnega položaja na temperaturi -5 C. Na osnovi stopnje ne pokrivanja površin se določi statistična verjetnost, ki je prikazana kot rezultat v tabeli na sliki 9. Iz slike 9 je tudi razvidno, da srednja vrednost zadnjih meritev ne presega odstopanja 0,25 kota, vendar kljub temu je verjetnost nabiranja žledu visoka. Ugotavljamo da rezultati statistične analize kažejo, da je statistično območje verjetnosti na več različnih temperaturah vodnika manjše od +/- 0,25 kota, kar bistveno prispeva večji občutljivosti spremembe kota zaradi nabiranja žledu in s tem omogoča pravočasno ukrepanje in bolj zanesljiv nadzor nad količino nabranega žledu na vodniku. 3 ZAKLJUČKI V članku je predstavljena statistična obdelava rezultatov meritev kota in temperature z OTLM SMART napravo za določitev parametrov Weibullijeve in Gaussove normalne porazdelitve kota na posamezni temperaturi vodnika. Obe porazdelitve dajo podobne srednje vrednosti z različnimi parametri. Na osnovi meritev kota in temperature brez prisotnosti žleda ali mokrega snega je izračunana referenčna baza podatkov za odvisnost kota od temperature vodnika. Z nadaljnjimi meritvami in v primeru odstopanja trenutnih vrednosti kota od referenčnega na dani temperaturi je možno določiti verjetnost, da se žled ali moker snega nabira na vodniku in s tem dispečerskem centru dati vpogled na dogajanje na razponu na katerem je montiran OTLM SMART naprava. S točkovnimi meritvami temperature vodnika in kota vodnika na mestu pritrditve OTLM SMART naprave je možno spremljati spremembo kota in spremembo temperature vodnika kot posledico temperature okolice ter meteroloških pogojev in toka v vodniku daljnovoda. Z integracijo statističnega programa v OTLM SMART ICE sistem je možno bolj zanesljivo določiti povprečno debelino žledu na vodniku, ter s spremljanjem spremembe kota in temperature v časovno dovolj pogostih intervalih, oceniti zmanjšanje nabiranja žledu in s tem uspešnost povečanja toka za segrevanje vodnika kot mere za zmanjšanje debeline oz. odtajanje žledu in preprečitev poškodb vodnika zaradi žleda. REFERENCE [1] Guidelines for field measurement of ice loadings on overhead line conductors, CIGRE, TB 179, 2001. [2] Guidelines for Meteorological Icing Models, Statistical Methods and Topographical Effects, CIGRE, TB 291, 2006. [3] Systems for prediction and monitoring of ice shedding, anti-icing and de-icing for power line conductors and ground wires, CIGRE, TB 438, 2010. [4] Coatings for protecting overhead power network equipment in winter conditions, CIGRE, TB 631, 2015. [5] LOVRENČIĆ, V., GUBELJAK, N., BANIĆ, B., IVEC, A., KOZJEK, D. in JARC, M.: On-line monitoring for direct determination of horizontal forces vs. temperature and incline angle of transmission conductor, 11 th Symposium on power system management HRO-CIGRE, Opatija, Croatia, November 2014. [6] GUBELJAK, N., BANIĆ, B., LOVRENČIĆ, V., KOVAČ, M. in NIKOLOVSKI, S.: Preventing transmission line damage caused by with smart on-line conductor monitoring, Proceedings of 2016 International Conference on Smart Systems and Technologies, (SST), Osijek, Croatia, October 12-14. 2016. 5