基于動態增容技術的輸變電調度監控系統設計

劉義，張賢坤,齊軍，蒿峰，楊志國

（1.內蒙古電力（集團）有限責任公司電力調度控制分公司，內蒙古 呼和浩特 010020；2.上海海能信息科技有限公司，上海 201315）

輸電導線和變壓器是構成輸電網絡最重要的兩個部分。隨著我國經濟蓬勃發展，用電需求不斷增加，電網負荷日益提高。為滿足用電需求，特別是為降低N-1 運行方式下的運行風險，需要新建或改造大量輸電線路，增加變壓器的輸送容量以適應這一現狀。但新建線路、購置新變電設備成本巨大，所以有必要考慮在不改變網架結構的基礎上提高現有設備的輸送容量，從而提高電網輸送能力。

目前，國家電力公司和相關研究機構對輸電線路和變壓器的增容技術研究取得了很大突破，但二者的研究相對獨立，將輸電線路動態增容系統和變壓器動態增容系統進行有機整合的研究還較少。基于這一現狀，本文提出一種基于動態增容技術的輸變電調度監控系統，通過匯集并展現輸電線路與變壓器動態增容系統的實時運行信息、監測分析信息、預測預警信息，為負荷控制和調度管理提供實時、準確、直觀的技術支持；在保障輸變電設備安全可靠運行的前提下，最大限度地提升電網的運行能力與運行效率，取得顯著的經濟、社會效益。

1 動態增容技術原理簡介

早在20 世紀70 年代，動態熱定值的概念與實現架構就被提出，最早主要應用于輸電線路。由于輸電線路動態增容技術能夠產生較大的經濟效益，國內外許多高校、企業都展開了大量研究。目前運行電網基本采用單一環境溫度決定輸電線路熱穩定電流，導致線路容量管理不能因時制宜；對于變壓器，規程規定其過負荷倍數和可持續運行時間應根據變壓器的運行環境溫度和起始負荷通過查詢曲線獲得，而現階段調度部門難以掌握環境實時情況，因此難以確定變壓器的過負荷倍數和時間。需要注意的是，輸電線路運用動態增容技術容量提升后，變電設備（變壓器、斷路器、隔離開關等）的輸送容量也應作出相應地調整，使之能與輸電線路的容量相適配。

1.1 輸電線路動態增容技術原理

線路運行規程規定的輸電線路載流量值是在環境條件十分嚴苛的條件（溫度不變，風速為0m/s，光照為1kW/m2,不考慮其它有利散熱條件）下計算而來，導致其實際運行中往往留有較大余量；而且隨著輸電線路運行環境參數(如環境溫度、濕度、風力和光照等)變化，這種余量也會改變。輸電線路動態增容技術則在綜合考慮實時環境參數和線路運行參數的基礎上，對需要擴容運行的線路進行載流量動態分析、跟蹤與報警；分析結果可指導故障處理和合理安排運行方式，力爭最大限度地提高輸送容量，達到輸電線路動態增容的目的。輸電線路動態增容技術的核心是求解線路的熱容方程，它是計算輸電線路最大允許溫度下載流量的依據。通過將實時監測的參數代入穩態熱容方程與暫態熱容方程可分別求解出最大穩態與暫態載流量；根據求解出的最大載流量值可以動態地提升輸電線路的輸送容量。

1.2 變壓器動態增容技術原理

電網目前的變壓器負荷管理是依據GB/T1094.7-2008《油浸式電力變壓器負載導則》。由于調度部門難以掌握環境實時情況，無法根據運行導則給出的曲線確定變壓器的過負荷的倍數和時間。因此通用負荷運行管理方式是按1.3 ～1.5 倍的額定電流可持續運行30min 執行；此外為滿足N-1運行的要求，變電站內兩臺主變壓器（主變）運行容量低于50%額定容量。變壓器的動態增容技術是基于變壓器等效熱場計算模型通過實時監測和分析變壓器當前環境條件和變壓器運行參數，計算出變壓器在當前環境和負荷情況下的繞組及熱點溫度，在確保變壓器使用壽命和安全運行的前提下，實時給出當前環境和負荷情況下變壓器的長期安全運行時間、短時安全運行時間以及N-1 運行方式下安全運行時間，實現變壓器運行負荷的精細化、智能化管理，達到動態增容的目的。

2 輸變電調度監控系統設計

輸變電調度監控系統的架構如圖1 所示。輸電線路和變壓器上分別安裝有輸電線路數據采集裝置和變壓器數據采集裝置，二者將采集并處理過的數據各自上傳到輸電線路負荷管理系統和變壓器負荷管理系統這兩個子系統。子系統將分析后的數據上傳到輸變電調度監控平臺（下稱平臺）。平臺基于調控一體化系統實時大數據信息的支撐，將傳輸回來的實時數據進行整合，實現數據在電力系統分析軟件、繼電保護在線整定仿真系統、電力氣象信息管理系統、動態負荷智能管理系統間傳輸。

2.1 輸電線路負荷管理系統

圖1 輸變電調度監控系統的架構

在每條輸電線路的三相線路上沿線（比如每隔20km）安裝輸電線路數據采集裝置，采集每個安裝點的線路實時環境溫度、光照強度、風速、導線溫度、線路電流等參數，通過無線網絡(如GPRS)將數據傳輸給安裝在后臺主站的輸電線路負荷管理系統，從而掌握電網每一條線路的實時狀況。后臺系統通過求解熱容方程可計算出輸電線路的穩態允許載流量、30min 允許載流量、給定載流量下的安全運行時間，實現線路輸送容量的動態管理、高溫預警和數據積累。

2.2 變壓器負荷管理系統

在電網每個變電站的主變安裝變壓器數據采集裝置，采集每臺主變實時的環境溫度、風速、光照強度、變壓器頂油溫度以及每相電壓電流等參數，通過RS485 接口和信號傳輸電纜將數據傳輸給變壓器負荷管理系統，從而掌握電網每一節點的實時狀況。后臺系統通過變壓器等效熱場計算模型實現對變壓器過負荷能力的動態評估。

2.3 輸變電調度監控平臺

輸變電調度監控平臺根據子系統上傳的數據，可將電網以拓撲圖展示，方便調度人員及時了解電網整體結構，和具體被監測設備的實時狀態；結合電網中所有監測節點，給出整個電網的過負荷能力預測，實現整個電網輸變電設備容量的動態管理。

3 輸變電調度監控系統的功能

輸變電調度監控系統工作流程如圖2 所示，子系統根據采集終端傳回的實時數據分析出輸變電設備的動態熱穩定限值、變壓器熱點溫度、最大安全過負荷倍數及最長安全運行時間、高溫預警預報等信息，并將分析結果在平臺進行展示；平臺將監測范圍內的每臺主變和每條輸電線路的詳細數據（包括實時運行數據、環境數據、過負荷能力）展示在電網拓撲圖中；結合電網拓撲圖中所有監測節點展示的過負荷能力信息，給出整個電網的過負荷能力預測。此外，根據電力氣象預報信息，可以預測電網輸變電設備未來3 天、1 周乃至1 個月的動態熱穩定電流限值It；根據地區調度數據庫收集的實時電力氣象信息和輸變電設備運行方式，通過電力系統分析軟件系統可計算出輸變電設備動態動穩定限值Id；It與Id中較小值將作為輸變電調度監控系統的主要依據，為電網運行方式的制定和優化提供技術支撐。平臺還建立與系統保護及安全自動裝置整定系統的信息貫通交互，探索電網系統保護定值自適應策略。通過本平臺提供的輸變電設備動態熱穩定極限預測值，可以直觀反映在確保電網安全運行的條件下變壓器變送容量與輸電線路輸送容量是否匹配。

圖2 輸變電調度監控系統工作流程

4 結語

本文提出基于動態增容技術的輸變電調度監控系統，旨在解決部分地區輸變電設備容量難以滿足用電負荷增長這一問題。本系統通過匯集子系統的實時信息，并與調控一體化系統、電力氣象信息管理系統、電力系統分析軟件、繼電保護在線整定仿真系統進行信息交互，將監測范圍內的每臺主變和每條輸電線路的詳細數據（包括實時運行數據、環境數據、過負荷能力）展示在電網拓撲圖中，并能根據電網節點信息，給出整個電網的過負荷能力預測，實現輸變電設備的負荷智能管理控制，達到動態調控目的。本系統的研發應用能發掘現有輸變電設備的潛在容量，較好解決輸變電設備輸送能力的瓶頸問題；不僅能帶來可觀的經濟效益，也能為電網調度運行安排負荷限額提供有力的輔助決策支持，在確保電網安全、高效運行方面發揮積極作用。