Систематизация объектов электроэнергетики для построения концепции «BigData» на примере металлических опор воздушных линий

УДК 621.315.1+004.04

А. В. Бурцев, В. В. Ярошевич, Г. П. Фастий, А. С. Карпов

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ «BIGDATA» НА ПРИМЕРЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОР ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

Аннотация

В статье приведена начальная структурная схема воздушной линии для применения в разработке концепции системы обработки больших объемов данных для нужд электроэнергетических предприятий. Показан пример представления в числовом виде металлических опор воздушных линий электропередачи для их записи в базе данных.

Ключевые слова:

база данных, систематизация, опора, воздушная линия электропередачи.

61

A. V. Burtsev, V. V. Yaroshevich, G. P. Fastiy, A. S. Karpov

SYSTEMATIZATION OF ELECTRIC POWER OBJECTS FOR CONSTRUCTION OF THE "BIGDATA" CONCEPT ON THE EXAMPLE OF METAL TRANSMISSION TOWERS

Abstract

The initial structural scheme of an overhead transmission line for application in development of the big data system concept for the needs of electricity enterprises is given. An example of a representation in a numerical form of metal supports of overhead transmission lines for recording in a database is shown.

Keywords:

Big Data, database, systematization, transmission tower, air transmission line.

Термин «BIGDATA» или «Большие данные» подразумевает под собой гигантское количество информации. Объем этой информации столь велик, что его обработка стандартными аппаратными и программными средствами представляется крайне сложной задачей. То есть, «BIGDATA» - это достаточно серьезная проблема - проблема обработки и хранения огромных объемов данных. Но обработка больших объемов информации - это только одна сторона вопроса. Как правило, термин «BIGDATA» определяет три составляющих: объем данных, большая скорость обработки информации, многообразие и недостаточная структурированность данных. Для любой электрической сети существует множество технических параметров, которые из бумажных носителей для упрощения документооборота переводят в электронный вид. Однако это не позволяет упростить нахождение информации по объекту и установить связи между объектами и событиями. Систематизация электронных документов с информацией об объектах подразумевает под собой создание централизованной базы данных, учитывающей взаимосвязи между всеми объектами. Необходимость создания таких баз данных диктуется, прежде всего, ростом объемов самих данных, которые требуется контролировать и систематизировать. Последующая аналитическая обработка систематизированных данных позволит оптимально применить результаты обработки и предоставить нужную информацию заинтересованным предприятиям.

При создании базы данных требуется определить ее структуру, то есть установить связи между таблицами базы [1]. Например, для описания в виде числовых данных воздушной линии электропередачи, прежде всего, нужно разбить воздушную линию на компоненты, и записать в числовом виде каждый из этих компонентов. К основным компонентам воздушной линии относятся опоры, провода, молниезащитный трос, изоляторы, арматура, заземление. Начальная структурная схема воздушной линии приведена на рис. 1.

Опоры в числовом виде выглядят как набор геометрических размеров, необходимых для ее достаточного описания и идентификации среди множества других опор, а также некоторых физических величин, например, вес. От материала же, обычно, зависит лишь конструктивная особенность опоры. Таким же образом нужно описать провода и тросы, но в этом случае необходимо учесть материал изготовления, т.к. именно от него зависят физические свойства проводника. При этом провод может сочетать в себе несколько материалов, что усложняет его описание. Поэтому, до описания провода в числовом виде,

необходимо сначала в таком виде описать возможные материалы провода. К таким материалам относятся алюминий, сталь, бронза, медь. Систематизация материалов проводников уже предложена в виде таблиц в различных электротехнических справочниках [2, 3]. Точно так же следует описать изоляторы, применяемые на опорах. Основные параметры изолятора зависят от используемого материала, поэтому требуется заранее описать эти материалы. Систематизированная информация по материалам изоляторов также присутствует в различных справочниках по высоковольтным установкам [4]. Таким образом, выстраивается структура воздушной линии для описания ее в числовом виде. Структурированные данные по компонентам воздушной линии, занесенные в общую базу данных, позволяют применять различные аналитические алгоритмы для обработки этих данных, учитывая, при этом, все связи между компонентами и все параметры компонентов, что, в целом, позволяет говорить о создании физической модели воздушной линии.

Воздушная линия

РК Ю линии

Опора 1

Координаты опоры 1 Изоляторы опоры 1 Провод опоры 1

Грозотрос опоры 1

Опора п

Координаты опоры п Изоляторы опоры п Провод опоры п

Грозотрос опоры 1

Провод

РК Ю провода

Название провода Материал провода

Диаметр проволок материал 1 Количество проволок материал 1 Диаметр проволок материал 2 Количество проволок материал 2 Разрывное усилие провода

Опора

РК Ю опоры

Название опоры Тип опоры

Класс напряжения опоры Материал опоры Геометрические размеры опоры Количество цепей Вес опоры

Изолятор

РК Ю изолятора

Название изолятора Метод крепления Материал изолятора Класс напряжения Геометрические размеры Пробивное напряжение Разрушающая нагрухка

Материал провода

РК Ю материала

Название материала Плотность Предел прочности Предел текучести

Относительное удлинение при обрыве Модуль упругости Коэффициент упругого удлинения Электрическое активное сопротивление

Материал изолятора

РК Ю материала

Название материала Диэлектрическая проницаемость Удельное объемное сопротивление Удельное поверхностное сопротивление Электрическая прочность Теплопроводность Плотность

Прочность на разрыв

Рис.1. Начальная структурная схема воздушной линии

Рассмотрим представление в числовом виде металлических опор воздушных линий более подробно. Данное представление ставит задачу определения наименьшего числа геометрических параметров и физических величин, с помощью которых можно идентифицировать конкретную опору. Для этого проведем анализ конструкций опор классов напряжения 35-330 кВ, как наиболее распространенных на Кольском полуострове, и определим у них общие параметры (рис. 2 - 3). Опоры классов напряжения выше 330 кВ на данном этапе умышленно не рассматриваются ввиду значительного конструктивного отличия от опор классов напряжения до 330 кВ.

Рис.2. Анкерно-угловые металлические опоры разных классов напряжения

Рис.3. Промежуточные металлические опоры разных классов напряжения

Решетчатая металлическая опора состоит из следующих основных элементов: стойка (ствол), тросостойка, траверсы [5]. Возможно отсутствие тросостойки или наличие оттяжек, а также подставки у опор без оттяжек.

У пяти из шести опор, изображенных на рис. 2 - 3, имеется база - нижняя секция ствола, основание опоры. База, как правило, имеет два габаритных размера: высоту и ширину (рис. 4 а). Для опор на оттяжках база отсутствует, т.к. ствол опоры упирается в точечный фундамент (опора ПС110-7Н на рис. 3). Поэтому ее ширину учитывать не требуется.

а) Основание (база) опоры ЛЭП

б) Стойка (ствол) опоры ЛЭП

Рис.4. Элементы опоры ЛЭП

в) Тросостойка опоры ЛЭП

Ствол опоры предназначен для обеспечения требуемых габаритов проводов, т.е. вертикального расстояние от проводов в пролёте до пересекаемых трассой инженерных сооружений или поверхности земли. Конструкция опоры может содержать одну, две, три и более стойки. Двухстоечные опоры обычно выполняют из железобетона, а трёхстоечные и многостоечные предназначены для более высоких классов напряжения. Поэтому почти все рассматриваемые в данной работе металлические опоры имеют одну стойку. Основные габаритные размеры у стойки - это высота, а также ширина диафрагмы (рис. 4 б). Диафрагма находится на месте стыка базы и верхней секции стойки, а также в местах крепления траверс. Как правило, достаточно задать размеры двух диафрагм: нижней (на стыке с базой) и верхней (около тросостойки). На рис. 4 размеры двух диафрагм у опоры равны. Однако, на рис. 2 опора УТ имеет разные значения диафрагм. Поэтому, для числовой записи стойки требуется минимум три параметра: ширина двух диафрагм и высота стойки.

Тросостойка опоры предназначена для поддерживания грозозащитного троса (рис. 4 в). На опорах классов напряжения до 330 кВ обычно размещается одна тросостойка с поддержкой одного или двух грозотросов. На некоторых опорах 330 кВ и большинства классов выше используют две тросостойки. Тросостойка может быть выполнена в качестве отдельного элемента, тогда требуется знать ее высоту, или быть продолжением ствола опоры (рис. 5). Также тросостойка может быть выполнена в нескольких вариациях: односкатная, симметричная, для плавки гололеда, с поддержкой двух тросов (рис. 6). Крепление троса к тросостойке может быть выполнено не на краю траверсы тросостойки, а со смещением, как, например, на опоре У220-3 (рис. 2). Таким образом, для числовой записи тросостойки необходимо семь параметров: ее наличие, тип, высота, длина правой и левой траверс при их наличии, а также смещение крепления троса от края траверс.

а) Тросостойка как б) Тросостойка как отдельный элемент часть ствола

Рис.5. Тросостойка опоры ЛЭП

а)

односкатная

б)

симметричная

в)

для плавки гололеда

г)

поддержка двух тросов

Рис.6. Типы тросостоек опор ЛЭП

Траверса опоры — конструкция, предназначенная для удержания проводов линии электропередачи на опоре. Примеры размещения траверс на опоре приведены на рис.7.

а)

одноцепная линия

б)

одноцепная линия с горизонтальным размещением проводов

в)

двухцепная линия

Рис.7. Размещение траверс на опоре ЛЭП

На одной опоре могут быть размещены одна, две или несколько линий электропередачи. В таких случаях линия называется одноцепная (рис. 7 а), двухцепная (рис. 7 в) или многоцепная. Для одноцепной линии используют не более трех траверс, для двухцепной линии — не более шести. Каждая траверса находится на определенной высоте от земли и имеет длину. Обычно на конце траверсы размещают крепление для гирлянды изоляторов. Но бывают случаи, когда крепление изоляторов осуществляют не с самого края, а отступают от него на некоторое расстояние. На рис. 2 изображена анкерно-угловая двухцепная опора У220-2, на которой крепление провода к верхним и нижним траверсам выполнено со сдвигом. Следовательно, для числовой записи траверс опоры необходимо минимум девять параметров для каждой цепи опоры (по три параметра на траверсу) и один параметр для определения количества цепей.

На некоторых опорах применяются оттяжки. Оттяжки предназначены для устройства угловых, переходных и концевых опор для компенсации сил, возникающих от тяжения проводов при повороте и окончании трассы ЛЭП. Оттяжки также применяются на промежуточных опорах для уменьшения общего веса конструкции, затрат на материал, времени строительно-монтажных работ. Обычно на опорах, имеющих одностоечную конструкцию, применяют пять оттяжек при одноцепном исполнении (рис.8, опора ПГ330) и шесть оттяжек при двухцепном исполнении (рис.8, опора ПОДМ110-7,8). Для описания в числовом виде таких опор потребуется знать глубину залегания фундамента для оттяжек, горизонтальные размеры по оси траверсы и оси воздушной линии для левой и правой группы оттяжек.

Рис.8. Опоры ЛЭП на оттяжках

Таким образом, для описания решетчатой металлической опоры в числовом виде, ее идентификации среди множества других опор и составления ее геометрической модели достаточно располагать следующими данными:

- ширина основания (база) опоры, м;

- высота базы опоры, м;

- ширина ствола опоры в верхней части, м;

- ширина ствола опоры на границе с базой, м;

- высота ствола опоры, м;

- является ли тросостойка опоры отдельным элементом;

- тип тросостойки (при ее наличии);

- высота тросостойки (при ее наличии), м;

- длина правой траверсы тросостойки (при ее наличии), м;

- сдвиг крепления подвеса к правой траверсе (при наличии), м;

- длина левой траверсы тросостойки (при ее наличии), м;

- сдвиг крепления подвеса к левой траверсе (при наличии), м;

- количество цепей;

- высота до верхней траверсы (для каждой цепи), м;

- высота до средней траверсы (для каждой цепи), м;

- высота до нижней траверсы (для каждой цепи), м;

- длина верхней траверсы (для каждой цепи), м;

- длина средней траверсы (для каждой цепи), м;

- длина нижней траверсы (для каждой цепи), м;

- сдвиг крепления подвеса к верхней траверсе (для каждой цепи), м;

- сдвиг крепления подвеса к средней траверсе (для каждой цепи), м;

- сдвиг крепления подвеса к нижней траверсе (для каждой цепи), м;

- наличие оттяжек;

- горизонтальный размер по оси ВЛ первой группы оттяжек, м;

- горизонтальный размер по оси ВЛ второй группы оттяжек, м;

- горизонтальный размер по оси траверсы первой группы оттяжек, м;

- горизонтальный размер по оси траверсы второй группы оттяжек, м;

- глубина залегания фундамента для оттяжек, м.

Помимо этого для быстрого поиска опоре следует назначить название, класс напряжения, тип, материал, вес и ряд других общих параметров.

Поверхностный анализ железобетонных опор показал, что количество параметров для их идентификации и создания моделей не увеличится относительно количества параметров металлических опор, т.к. некоторые параметры заменятся на параметры, свойственные бетонным опорам. Например, ширина базы заменяется диаметром ствола, а высота базы заменяется глубиной закапывания опоры.

Литература

1. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных, 8-е издание.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом "Вильяме", 2005. — 1328 с.: ил. — Парал. тит. англ.

2. И. А. Баумштейн, С. А. Бажанов, Н. Н. Беляков и др. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. Под ред. И. А. Баумштейна, С. А. Бажанова. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1989. —768 с., ил.

3. Н. И. Белоруссов и др. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник / Н. И. Белоруссов, А. Е. Саакян, А. И. Яковлева; Под ред. Н. И. Белоруссова. — 5 изд., перераб. и доп. — М: Энергоатомиздат, 1987. — 536 с.; ил.

4. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства / Под общ. ред. профессоров МЭИ (Гл. ред. И. Н. Орлов) и др. — 7-е изд., испр. и доп. — М: Энергоатомиздат, 1986. — Т. 2. — 712 с.

5. Крюков К. П., Новгородцев Б. П. Конструкции и механический расчет линий электропередачи. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1979. — 312 с.

Сведения об авторах

Бурцев Антон Владимирович,

младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл. почта: a.burtsev@tehnonord.ru

Ярошевич Вера Васильевна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: yaroshevich_vera@mail.ru

Фастий Галина Прохоровна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: fastiy@ien.kolasc.net.ru

Карпов Алексей Сергеевич,

старший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: info@ien.kolasc.net.ru