tdee2014_lignes.pdf

Transport et distribution de lnergie lectrique

Dimensionnement de conducteur Calcul dampacit (temps rel et prvisions)

29 oct 2014, Lige

NGUYEN Huu-Minh [email protected]

Transport et Distribution de lnergie lectrique (Prof. J.-L. Lilien),

Institut Montefiore, Universit de Lige, Belgique.

TDEE 2014 2

n Critres de dimensionnement des lignes q Critres sur le conducteur q Supports q Poids quivalent q Porte critique q Flche maximale q Autres calculs

n Ampacit

Plan gnral

TDEE 2014 3

I) 4 critres sur les conducteurs (6.2.1) :

n Courant nominal

n Courant de court-circuit

n Chute de tension

n conomique

II) Les supports (6.2.2)

Critres de dimensionnement des lignes (rf. TP 6.2)

Ampacit Physique du conducteur

TDEE 2014 4

n Relation temprature flche du conducteur pour une porte de niveau (typiquement h/L < 0.1)

avec

T = traction horizontale (assimile la traction axiale du conducteur) = paramtre de chanette s = longueur du conducteur L = longueur de la porte (s > L)

en dveloppant le cosh, on a : flche f = L/8 Dveloppements limits justifis, puisque L ~ 400m, ~ [1000; 2000] m

y = cosh x

!

"#

$

%&

ds = 1+ y '2 dx

'

()

*) s = L + L

3

242 + *O(L5 /5 ) =

Tmg =

Tp


TDEE 2014 5

n Relation temprature flche du conducteur

pour une porte de niveau: avec

La diffrence de longueur darc entre 2 tats s2-s1 est la somme algbrique de :

Il vient : formule de changement dtat il existe une relation univoque flche-temprature de conducteur

s = L + L3

242 =Tmg =

Tp

(dans cette quation, on peut assimiler s1 = L)

TDEE 2014 6

III) Poids quivalent (ou apparent) (6.2.3) :

Force de trane du vent sur le conducteur par unit de longueur [N/m] :

F = CD . q . d [N/m] pour altitude = 0m 20C

CD peut tre rduit 0.6 Calcul du POIDS APPARENT pour pour conducteurs aero-Z

=> H1 (hypothse t) => H2 (hypothse hiver)


3 conditions respecter : T_max, f_max, _max

TDEE 2014 7

IV) Porte critique (6.2.4) (H1 et H2): condition sur T_max


On compare la longueur de porte L la porte critique L_cr Si L < L_cr ou L_cr imaginaire=> hypothse grand froid (portes courtes) Si L > L_cr => hypothse grand vent (portes longues) Une fois lhypothse choisie, => On utilise lhypothse ad hoc en injectant T_max dans lquation dtat, do trouve la constante de lquation de changement dtat = a

Lcr

TDEE 2014 8

V) Calcul de leffort pour H3 condition sur f_max corresp. (_max+ _fluage) :

Flche maximale (6.2.5) + garde au sol :

n => on dtermine la hauteur des pylnes

n NB : pour un canton de pose, Cest la porte de rglage L_r (formule p. suiv.) quon compare la porte L_cr.

n On remplace galement L par L_r au point (V) ci-dessus, on obtient alors f_r(max) qui permet par la suite de calculer f_i(max) individuellement pour chaque porte i du canton de pose.


L2 L2

L2


TDEE 2014 9

n Relation temprature flche du conducteur

pour un canton de pose (portes de niveau) : Il vient : formule de changement dtat pour un canton

avec L Lr Lr

TDEE 2014 10

VI) Autres calculs : longueur de la chane de suspension, gomtrie

des pylnes et efforts en tte de pylne, cot des supports, effet couronne. (cf. notes, retenir les principes, pas tous les dtails de calcul)

Optimisation de lusage des lignes existantes Aprs le dimensionnement 75C, on tudie les conditions pour

lesquelles on peut augmenter lampacit.


TDEE 2014 11

n Dfinition n Besoins actuels en transport dnergie lectrique n Mthode Ampacimon n Physique du conducteur et mthodes de calcul n Constante de temps thermique n Rsultats de recherche

Ampacit Plan


TDEE 2014 12

PANIQUE !!!

Courtesy : ELIA

Si on considre 2 ternes en parallles, et si on perd un terne (situation N-1), on aura grosso modo toute la puissance qui se reporte sur le terne restant. Du point de vue opration du rseau, on imposerait en gnral (et pour simplifier) :

Imax= Idimensionnement/2 Imaginons que les lignes soient surcharges cet hiver en Belgique tel que I > Imax !!!

Que faire ?


TDEE 2014 13

Que faire pour grer la situation en N (les oliennes injectent plus que Imax) ? (Tc,max = 75C) Solution prventive ou curative ?

a)Diminuer la puissance qui transite dans la ligne Solution 1 : changer topologie (calcul configuration locale du rseau : jeux de barres, ou Power Flow Controller si on en dispose, comme par ex. FACTS, ou Phase Shifting Transformer(PST)*) Solution 2 : Redispatching (coteux) et/ou rduction de la production du parc olien

Gestion de la surcharge des conducteurs

*ELIA possde 3 PST en Belgique, notamment pour rguler les flux lectriques europens sa frontire. Ceux-ci transitent par la Belgique mme si cela ne la concerne pas ! Cela est d sa position centrale,et au rseau europen fortement maill (par ex. nergie provenant de lolien allemand et vendue en France)


TDEE 2014 14

b) Augmenter la limite thermique de la ligne Solution 3 : DLR (Dynamic Line Rating) et/ou augmentation du seasonal rating par calcul probabiliste (tenant compte des conditions mto de la rgion) Solution 4 : autoriser courant de surcharge momentan

(quelques dizaines de minutes) uniquement solution de secours c) Autres options (du futur proche) Solutions 5 : Demand-side management (DSM), storage (prs de gnration ou de charge), Virtual Power Plant, HVDC, etc. Bref, il y a encore beaucoup de boulot (et de demande) pour les ingnieurs dans ce domaine !

d) Options moyen et long terme Construire de nouvelles lignes, changer de conducteur, p. ex: HTLS (High-Temperature Low Sag)

Gestion de la surcharge des conducteurs

TDEE 2014 15

AMPACIMON smart sensors installation

Live-line installation

Simple & quick to install"

Self-powered" No maintenance"

TDEE 2014 16

n CIGRE defines the current carrying capacity from a thermal viewpoint or ampacity as follow : The ampacity of a conductor is that current which will meet the design, security and safety criteria of a particular line on which the conductor is used.

CIGR=Conseil International des Grands Rseaux lectriques (depuis 1921) Cigre, 2004, Conductors for the uprating of overhead lines, TB244, WGB2.12.

Ampacit Dfinition

TDEE 2014 17

DLR system : Ampacimon (ULg) Besoins

Opration avec un systme DLR (Dynamic Line Rating) du type Ampacimon

Utilisation actuelle des lignes

(N-1)

(N-1)


TDEE 2014 18

n quation thermique du conducteur

])([1 2 rcscp

c PPPITRmCdt

dT+=

0 20 40 60 80 100 120 140 160 18030

40

50

60

70

80

90

100

110

Time [min]

Aver

age

Tem

pera

ture

[C]

Temperature vs. Time simulation [621 AMS]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Curre

nt In

tens

ity [A

]

Tc = temprature moyenne du conducteur [C]


TDEE 2014 19


: capacit thermique massique ( chaleur massique ) [J.kg-1.K-1] = specific heat

])([1 2 rcscp

c PPPITRmCdt

dT+=

Matriau Capacit thermique massique [J.kg-1.K-1]

eau liquide ~4200 Air sec ~1000 Aluminium (pour ligne HT)* 955

Acier (pour ligne HT)* 476

Cuivre (pour ligne HT)* 423

* Source : IEEE standard for calculating the current-temperature of bare overhead conductors IEEE Std 738-2006

pC

=> Calcul court-circuit (adiabatique) !


TDEE 2014 20


: capacit thermique massique ou chaleur massique (J.kg-1.K-1) = specific heat

m : masse linique [kg.m-1]

])([1 2 rcscp

c PPPITRmCdt

dT+=

pC


TDEE 2014 21

n quation thermique du conducteur Apport de chaleur

q : Echauffement par effet Joule [W/m]

(R [/m] non-linaire interpolation linaire)

q : Echauffement par radiation incidente globale [W/m]

1. (CIGRE) : coeff. dabsorptivit de surface [0,1]

: irradiance solaire (dimensionnement : 1000 W/m)

2. Mthode IEEE (plus labore, dpend de lheure et du jour)

])([1 2 rcscp

c PPPITRmCdt

dT+=

2)( ITR c

SP

S

SW

dWP SSS =


TDEE 2014 22

n quation thermique du conducteur Dissipation de chaleur q : refroidissement par rayonnement du conducteur [W/m]

(Ta Tamb mais on les assimile en pratique)

: coeff. dmissivit de surface [0,1] : constante de Stefan-Boltzmann = 5,67.10-8 (W.m-2.K-4)

Ts, Ta : temprature de la surface du conducteur, et temprature ambiante (K)

(attention, en Kelvins !!!)

])([1 2 rcscp

c PPPITRmCdt

dT+=

rP

Pr = d SB TS4 Ta4( )

SB


TDEE 2014 23

n quation thermique du conducteur Dissipation de chaleur

q : refroidissement par convection [W/m]

pour convection force ( )

: standard Std 738-2006

])([1 2 rcscp

c PPPITRmCdt

dT+=

cP

Pc(CIGRE ) = 2.42 102 + 7.2 105TS +Ta2

"

#$

%

&'

(

)*

+

,-(TS Ta )Bf

vd

"

#$

%

&'n

[A1 +B2 (sin)m1 ]

Pc(Bayliss) = 8.5483(TS Ta )(vd)0.448 [unitsSI ]smv 5.0>

)( IEEEcP


TDEE 2014 24

n quation thermique du conducteur lquilibre, rsoudre lquation avec :

Sinon EDO (dordre 1 si on nglige le rayonnement, ou si on le linarise).

En pratique, dans ce TP, on assimilera Tc = Ts

])([1 2 rcscp

c PPPITRmCdt

dT+=

0=dtdTc


TDEE 2014

0 500 1000 15000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Current [A]

Cond

ucto

r Ave

rage

Tem

pera

ture

[C]

Temperature vs. Current simulation [621 AMS / Tref = 15C]

Ambient temperature = 15 C Global irradiance = 1000 W/m Emittance = 1 Load at 75C (wind n1) = 1184 A

Bayliss : v(1) = 0.5 m/sBayliss : v(2) = 2 m/sBayliss : v(3) = 4 m/sBayliss : v(4) = 6 m/s

25

calcul lquilibre

Tc,max

+ de vent => + de courant pour atteindre la mme temprature (pour simplifier, on considrera dans tous les calculs qui suivent le vent perpendiculaire laxe du conducteur, mais dans la ralit limpact de sa direction est significatif !)


TDEE 2014 26

Si on prend en compte le vent, on constate que : i) on na plus de problmes de congestion si v lev (mais attention la variabilit du vent !) ii) La constante de temps du conducteur diminue rapidement lorsque v augmente Utilit davoir un DLR install (surveillance en temps rel de la ligne)

Calcul du transitoire Constante de temps thermique

Calc. simplifi : Ti=25C, Tf=53C, tau 6min Calc.simplifi : Ti=31C, Tf=71C, tau 9min

tau dimensionnement (v=0.5 m/s) 15min


TDEE 2014 27

n Paramtres influenant lampacit (classs selon leur variabilit dans le temps) :

1. Conditions mto : vent (trs variable dans le temps et lespace),

ensoleillement, T. ambiante, (pluie, neige), etc. 2. Courant traversant le conducteur 3. Physique du matriau : coefficient dabsorption/mission, fluage 4. Gomtrie du conducteur (diamtre, organisation des brins, aero-Z,) 5. Nature du matriau (AMS, ACSR, Cu, conducteur haute temprature)

Paramtres principaux influenant la constante de temps : 1. Le vent surtout : entre 5min (pour v>5m/s)

et 15min (v=0.5m/s cd dimensionnement)) 2. Le courant

TDEE 2014 28

The actual thermal rating is determined by the sag

Sag S (Clearance C) is the most critical limit to the operation of an overhead-line STATE-CHANGE EQUATION !

Wind speed : Wind speed (especially low wind speed) is the main factor which

cools down the line Tremendous impact of wind speed over the actual line rating 2 m/s perpendicular wind speed => 150% of seasonal rating !

Direct sag measurement is the safest monitoring method

TDEE 2014 29

module

module

plateforme

Prmoteur (calcul flches)

Data BF

Data BF

Moteur Ampacit Moteur prdictif

Mto (vent, t_amb,)

TSO (ELIA) Courant I

n Chane de transmission complte (cf. Poster)

Mesures Ampacimon : algo de calcul de flche

gomtres

Ampacit / Prvisions 1.Temps restant 2.Flche / MVA disponible

DLR system : Ampacimon Mthode du DLR dvelopp lULg

Ampacit

TDEE 2014 30

Sag Validated by Topography"

Good agreement with independent topography measurements

TDEE 2014

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100module:11 / period : from01Dec2010 to31Dec2012

Cumu

lative

occu

renc

es <

x [%]

(SEC

URE

STAT

E ex

c

(relative to seasonal limit) Current / Ampacity [%]

Actual load

Seasonal rating % of seasonal rating

100

Winter

Summer

100 C

umul

ativ

e O

ccur

renc

es [%

]

200

50

0 130

85

Available capacity

Real-time capacity > 130% for more than 85% of the time ! "

31

A lot more capacity is available

TDEE 2014

Where are we today with DLR ?

n ELIA has more than 2-year experience in using real-time rating and short-term forecast (1h) as a fully integrated component of the operational network security calculations on 2 specific overhead lines

n Intensive use expected this winter (nuclear power plants shutdown in Belgium): day-ahead forecast tool planned in Nov. 2014, on 8 cross-border lines (FR-BE-NL)

Sag monitoring On cri-cal spans

GPRS

Operational in a

matter of months

Integration into TSOs IT system

TDEE 2014

DLR Overview : Need for forecast !

Copyright: Twenties project Elia, Christophe Druet

TDEE 2014 34

Projet Ampacimon Prvisions dampacit

NETFLEX DEMO 5 Algorithm for line capacity prediction (ULG) Deliverable n: 7.2

TDEE 2014 35

capacity can change quickly a stable value is needed

line capacity forecast is needed to operate the network

Real-time capacity

1h forecast

seasonal rating

Short-term forecast

TDEE 2014 36

Processing medium-term capacity forecast

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 600

5

10

15

20

25

30

35150kV line from Dec 2011-March 2012

relative ampacity error (RT-FO) [% of RT rating]

% o

f occ

uren

ces

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 600

5

10

15

20

25

30

35150kV line from Dec 2011-March 2012

relative ampacity error (RT-FO) [% of RT rating]%

of o

ccur

ence

s

Weather forecast

TWENTIES forecast (P98)

Relative error on line capacity

98% 2%

19/11/12 20/11/12 21/11/12 22/11/12 23/11/12 24/11/12 25/11/12 26/11/120

50

100

150

200

250

300

Time (civil time)

Curre

nt ;

Line

cap

acity

[%]

Historical data

ALGORITHM

Meteo France, "DTU, ULg

TDEE 2014

Line capacity forecast (NETFLEX) Real-time capacity

1 week

100 Seasonal rating

% o

f sea

sona

l rat

ing

37

NETFLEX Results 2 days ahead capacity forecast (P98)

Rsultat actuel de recherche dans le service TDEE : prvision dampacit 2 jours

TDEE 2014

Market tool integration

Convenient assessment of ROI with flow-based market coupling

Initial Security of Supply Domain

for Belgium

38

TDEE 2014

01/12 02/12 03/12 04/12 05/12 06/12 07/12100

150

200

250

300

Time (civil time)

Am

paci

ty/s

easo

nal r

atin

g [%

]

39

Different risk policies for Day-1 (P75 or P98)

1 week

Line

cap

acity

[%]

Real-time capacity Forecast D-1 (P75)

Forecast D-1 (P98)

seasonal rating

Parametrized prediction intervals allow utilities to take the best decision in due time Tradeoff gain/risk (compensation with FACTS, PST,)

TDEE 2014

0 500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

Current per subconductor [A]

Aver

age

cond

ucto

r tem

pera

ture

[C]

Temperature vs. Current simulation [570.22 AMS] alpha=0.9 epsilon=0.7

v = 0.5 m/s (angle=90,Ta=20C, Psun = 800 W/m2)

1000 A

Seasonal rating

Load [A]

Conductor temperature [C] vs. Line load [Amps] (570mm2 Aluminium-alloy conductor)

Design (reference) v=0.5 m/s

40

Line capacity is designed for the worst case but line capacity is very sensitive to low windspeed

Max. Temperature

75C Max. sag

TDEE 2014

0 500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100


Aver

age

cond

ucto

r tem

pera

ture

[C]


v = 0.5 m/s (angle=90,Ta=20C,Psun=800W/m2)

v = 2 m/s (angle=90,Ta=20C,Psun=800W/m2)


75C

2000A 1000A 1500A

x 1.5 x 2

Actual line capacity

Max. sag


Load [A]


but line capacity is very sensitive to low windspeed

Max. Temperature

Seasonal rating

41

TDEE 2014 42 42 Wind turbine starts

TDEE 2014

Wind blowing perpendicularly to the conductor

at 5 m/s doubles the line capacity

0 500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100


Aver

age

cond

ucto

r tem

pera

ture

[C]


v = 0.5 m/s (angle=90,Ta=20C,Psun=800W/m2)



75C

Actual line capacity

Max. sag


Load [A]


Max. Temperature

Other limits

2000A 1000A 1500A

Seasonal rating

43

TDEE 2014 44 !

Mean wind speed (in ms-1) at 10 meters high above ground level from 1982-2011

Courtesy : Climatology and topoclimatology Lab, ULg

TDEE 2014 45

More wind farms can be connected to the grid with existing overhead lines thanks to DLR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 9080

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Wind farm power output [%]

Line

cap

acity

[%]

P50

P98

When wind blows on wind turbines, it also blows on nearby lines

TDEE 2014 46

n Le gestionnaire du rseau de transport (GRT, ou TSO en anglais) a besoin de connatre lampacit de ses lignes lavance : 2 jours lavance pour les calculs de march (J-2) 1 jour lavance pour les calculs de scurit rseau (J-1) La technologie DLR dveloppe lULg apporte une plus-value pour loprateur

lorsquil connat lavance la capacit de transport de ses lignes (capacit fournie en prvision heure par heure par exemple).

Les rsultats actuels de prvision en J-2 fournissent un gain de 10-15%

dampacit par rapport au seasonal rating ! Pour celles et ceux qui sont intress(e)s : Module de mesure dvelopp lULg : www.ampacimon.com Projet europen TWENTIES (Netflex Demo) : www.twenties-project.eu/node/150 Ampacimon dans la presse (hiver 2014-2015) : Le Soir, RTBF

Rsultats de recherche TDEE / Projet europen

tdee2014_lignes.pdf

Documents

conducteur tdee

longueur du conducteur

max tdee

longueur de la porte

longueur de porte

max critres

porte de niveau

lcr tdee