基于狀態(tài)感知技術(shù)的輸電線路動態(tài)增容研究

葛 翔，吳燁銘，竇亞超，史永強，王 文，查沁鈺

（南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，用電負荷也在快速增長，并且已經(jīng)超出了輸電線路的建設(shè)速度。因此，如何提高已有線路的輸送容量成為當(dāng)前急需解決的問題。由輸電設(shè)備的基本知識可以知道，導(dǎo)線溫度與環(huán)境溫度差額較大時導(dǎo)線的載流量會上升。但由于導(dǎo)線運行溫度的上升會導(dǎo)致導(dǎo)線電阻上升，從而致使載流量下降，兩者不是簡單的線性關(guān)系。動態(tài)增容技術(shù)是我國提高輸電線路容量的一種非常直接的方法，實質(zhì)是通過實時監(jiān)測導(dǎo)線狀態(tài)和各種外部氣象環(huán)境條件，計算導(dǎo)線能提升輸送載流量的空間，在盡量不損耗導(dǎo)線機械強度的情況下提升導(dǎo)線的運行溫度，從而引導(dǎo)增容。

1 動態(tài)增容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

動態(tài)增容系統(tǒng)經(jīng)過在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測導(dǎo)線后可及時反映導(dǎo)線狀態(tài)和氣象條件，同時結(jié)合導(dǎo)線性能，分析計算出輸電線路的容量可以提升的空間。在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由采集終端、SCADA系統(tǒng)以及主站系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其中，采集終端采集實時數(shù)據(jù)，如溫度、濕度以及風(fēng)速等，并將采集到的數(shù)據(jù)傳送給主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)計算出載流量可以提升的空間和此時最大的載流量，與SCADA系統(tǒng)得到的線路載流量形成對比。在線監(jiān)測系統(tǒng)也需要選取恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測點，從而得到更準確的運行參數(shù)來計算增容[1,2]。

2 載流量的計算方法研究

2.1 計算條件

計算輸電線路載流量時通常用到的參數(shù)包括風(fēng)速、環(huán)境溫度、光照強度、吸收系數(shù)、輻射系數(shù)、傳熱系數(shù)以及電阻率等。鋁線電阻率按照標準為2.85×10-8Ωm，導(dǎo)線的最高溫度為70 ℃。我國國土較為寬廣導(dǎo)致氣象條件并不一致。在計算載流量時，一般設(shè)定風(fēng)速為0.5 m/s，環(huán)境溫度為40 ℃，日照強度為1 000 W/m2，輻射吸熱系數(shù)為0.9。

2.2 計算公式

導(dǎo)線載流量計算公式一般考慮使用英國的摩爾根公式，其包含的參數(shù)影響因素比較多而且有一定的實驗基礎(chǔ)[3]。在一定條件下簡化公式后，可得載流量公式為：

式中，θ為導(dǎo)線的載流溫升，單位為℃；V為風(fēng)速，單位為m/s；D為導(dǎo)線外徑，單位為m；ε為導(dǎo)線表面的輻射系數(shù)，一般取0.9；斯特藩常量S=5.67×10-8W/m2K-4；tc為環(huán)境溫度，單位為℃；γ為導(dǎo)線吸熱系數(shù)，一般取0.9；Is為光照強度，單位為W/m2，通常取值為1 000。如果要提高精度，可采用實時光照強度。Rdc(20)為20 ℃時的直流電阻單位為Ω/m，電纜的參數(shù)手冊中給出的參數(shù)單位為Ω/km，所以要除以1 000。α20為溫度20 ℃時電阻的溫度系數(shù)，t為導(dǎo)線實時溫度。此外，交直流電阻比β=μIσ，μ為常系數(shù)，σ為常指數(shù)。

3 動態(tài)增容算法研究

動態(tài)增容系統(tǒng)的顯示界面如圖1所示。

圖1 動態(tài)增容系統(tǒng)顯示界面

系統(tǒng)中包含3部分顯示。第1部分為動態(tài)定額、靜態(tài)定額、實測電流以及隱性載流量的實時顯示曲線，第2部分為動態(tài)定額、靜態(tài)定額、實測電流以及隱性載流量的實時顯示數(shù)值，第3部分為線路參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及導(dǎo)線溫度的實時顯示。圖中曲線可以反映出增容能力。

系統(tǒng)中各載流量的計算算法如下。計算實際載流量If時，根據(jù)實時的外部環(huán)境等參數(shù)，利用簡化后的摩爾根公式計算出線路運行的實時載流量。計算靜態(tài)電流限額Is時，在邊界條件下，可利用簡化的摩爾根公式計算出導(dǎo)線載流量。計算動態(tài)電流限額Id時，根據(jù)實時的導(dǎo)線運行參數(shù)和外部環(huán)境參數(shù)，利用簡化后的摩爾根公式計算出線路運行的最大載流量。隱性載流量Iy等于動態(tài)電流限額減去實際載流量，即

4 動態(tài)增容的計算與驗證

LGJF400/50型鋼芯鉛絞線的標準截面為400/50mm2，常數(shù)μ取0.771 8，σ取0.043 4，外徑D=0.022 62 m，表面輻射系數(shù)ε=0.8，表面吸熱系數(shù)γ=0.8，20 ℃時的導(dǎo)線直流電阻Rde(20)=0.000 072 3 Ω/km，α20為20 ℃時的電阻溫度系數(shù)，取值為0.003 6。式（1）簡化后得公式（2）如下：

利用Matlab進行仿真，其仿真代碼如圖2所示。

以此代入不同時間點的環(huán)境參數(shù)，得到數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

導(dǎo)線運行溫度實際上要比最高允許溫度70 ℃低一些，這說明輸電線路的輸送容量還存在著提升空間。在其他條件參數(shù)不改變的情況下，升高溫度會提升載流量，提升導(dǎo)線可以承擔(dān)運行的電流值上限。但是載流量和溫度之間并不是簡單的線性關(guān)系，電能損耗和載流量的指數(shù)形式相關(guān)，所以需要在一定的溫度內(nèi)保護導(dǎo)線。數(shù)據(jù)表明，在限制溫度內(nèi)，不改變外部環(huán)境參數(shù)只增加溫度，載流量最大可提升30%左右，大大提升了輸電線路的輸送容量。

圖2 仿真代碼與結(jié)果

表1 數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié) 論

隨著國家的進步，電力行業(yè)并不是一成不變的，有許多地方可以改進創(chuàng)新。正是相關(guān)人員的努力，使得我國輸電工程在全世界已經(jīng)達到了領(lǐng)先水平。輸電線路動態(tài)增容的技術(shù)研究，對提升電路實際運行載流量做出了巨大貢獻，為國家創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟利益。