侯 宇，王 偉，韋 徵，鄧小君，姬秋華，王 彤

（南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省南京市 211106）

0 引言

輸電線路是高效、快捷的能源輸送通道，是電網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，截至2017年底，中國110 kV及以上的輸電線路長度已達9.87×105km。隨著用電需求的急劇增加和可再生能源的大量接入，負(fù)荷集中地區(qū)如長江三角洲、珠江三角洲以及新能源發(fā)電集中送出地區(qū)電網(wǎng)“卡脖子”問題突出，提升輸電系統(tǒng)的傳輸能力已成為亟待解決的重要課題［1-3］?？紤]到負(fù)荷曲線的波動性和可再生能源的間歇性，輸電線路增容往往不需要全天候運行［4］，通過新建輸電線路來提升電網(wǎng)傳輸能力不僅周期長、投資大，而且會帶來環(huán)境污染問題。輸電線路動態(tài)增容技術(shù)［5-7］可以在保證安全的前提下顯著提高輸電線路的輸送能力，整合可再生能源，有效解決局部電網(wǎng)“卡脖子”問題，具有很好的應(yīng)用前景。

輸電線路動態(tài)增容技術(shù)通過實時采集或預(yù)測線路的環(huán)境和導(dǎo)線狀態(tài)信息，在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的前提下，根據(jù)增容模型獲取線路最大允許載流量，從而提升輸電系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸容量。目前，輸電線路動態(tài)增容技術(shù)已獲得廣泛研究［8-9］，但增容結(jié)果的可靠性受傳感器技術(shù)、通信方式、增容模型以及系統(tǒng)架構(gòu)等諸多因素影響，難以保證動態(tài)增容過程中電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，在電網(wǎng)實際工程中尚未得到廣泛應(yīng)用。

針對上述問題，本文分別從輸電線路數(shù)據(jù)采集技術(shù)、感知分析技術(shù)、系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)和工程實踐4個方面對國內(nèi)外輸電線路動態(tài)增容技術(shù)研究及應(yīng)用進行了分析，歸納總結(jié)了現(xiàn)有輸電線路動態(tài)增容技術(shù)研究的重點及局限性，最后指出了未來的研究方向。

1 輸電線路數(shù)據(jù)采集技術(shù)

輸電線路動態(tài)增容技術(shù)的實現(xiàn)依托于輸電線路關(guān)鍵狀態(tài)信息的采集，包括環(huán)境信息和導(dǎo)線狀態(tài)信息，如環(huán)境溫度、光照強度、風(fēng)速風(fēng)向、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線弧垂等。通過在輸電線路上安裝各類狀態(tài)監(jiān)測裝置來實時采集輸電線路環(huán)境和導(dǎo)線狀態(tài)信息，然后通過無線通信技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進行處理和展示［10-11］。

現(xiàn)有的輸電線路數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究相對成熟，但仍存在諸多不足限制了輸電線路數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，主要概括為以下幾個方面。

1）傳感設(shè)備

傳感器作為應(yīng)用最廣泛的感知元件，具有安裝方便、采集精度相對較高、使用方法簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于輸電線路數(shù)據(jù)采集。但由于輸電線路通常架設(shè)在室外，工作環(huán)境相對惡劣，同時高壓輸電線路周邊存在強電磁干擾，嚴(yán)重影響了輸電線路的數(shù)據(jù)采集和傳輸質(zhì)量?，F(xiàn)有輸電線路安裝的設(shè)備產(chǎn)品的在線運行效率低于40%［12］，難以滿足數(shù)據(jù)采集的可靠性需求。

傳感器的原理和安裝工藝也會帶來一定的監(jiān)測誤差。以溫度傳感器為例，接觸式測溫傳感器如光纖測溫傳感器［13］直接安裝在線路表面，測溫精度相對較高，但其風(fēng)險也相對較高，設(shè)備的電池等儲能單元存在安全隱患，線路出現(xiàn)擺動時接觸式傳感器容易對線路絕緣產(chǎn)生磨損。非接觸式傳感器如紅外測溫傳感器［14］不與輸電導(dǎo)線直接接觸，使用方便、安全，但其測量結(jié)果與導(dǎo)線表面清潔程度有關(guān)，易受到環(huán)境因素干擾，測溫精度不高，只能對覆蓋范圍內(nèi)的導(dǎo)線溫度進行監(jiān)測。通常輸電線路溫度傳感器只能監(jiān)測導(dǎo)體表面溫度，而導(dǎo)線往往存在4～10℃的徑向溫差，其對導(dǎo)線允許載流量的影響可達10%以上［15］，因此，可能導(dǎo)致線路動態(tài)增容結(jié)果存在較大的誤差。

此外，傳感器數(shù)據(jù)采集精度還受到采集對象、設(shè)備布局布點等因素的影響。例如：微氣象信息通常難以測量，線路風(fēng)速和風(fēng)向變化較快，當(dāng)風(fēng)速小于1 m/s時風(fēng)速和風(fēng)向的測量結(jié)果通常會存在較大誤差。日照強度也會受地形地貌以及障礙物遮擋影響，如云層移動可能會造成日照強度的快速變化。由于地形、線路走向和局部氣象條件的差異，各段線路運行環(huán)境有很大區(qū)別，對線路局部狀態(tài)的測量結(jié)果往往不能反映出輸電線路的整體情況。

通常傳感器功能單一，特定種類的傳感器往往只能實現(xiàn)特定狀態(tài)量的測量，因此需要通過安裝新種類傳感器和相應(yīng)的后臺軟件來獲取新類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)，但這會造成重復(fù)建設(shè)和投資，導(dǎo)致維護工作量增加、系統(tǒng)可靠性降低。不同廠家、不同設(shè)備之間的信息交換存在困難，兼容性差，會極大地限制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性［16］。

2）通信方式

輸電線路數(shù)據(jù)采集需要高可靠性的通信方式來保證采集數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性。根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，輸電線路通信可分為有線通信和無線通信2種。

在有線通信中，電力線載波通過輸電線路進行通信，具有良好的經(jīng)濟性，但易受電暈和電火花干擾，且其通信強烈依賴于輸電線路，而線路故障會導(dǎo)致通信故障，故難以保證通信系統(tǒng)的可靠性。此外，受電網(wǎng)拓?fù)湎拗?，載波通信組網(wǎng)困難?；诠饫w的有線通信方式具有寬頻帶、傳輸速率高、信息傳輸損耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，但其存在傳輸功耗大、鋪設(shè)成本高、維護難度大等問題。

在無線通信中，傳統(tǒng)輸電線路通信多采用無線公網(wǎng)，通信模式主要包括全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communication，GMS）、通用分組無線服務(wù)（general packet radio service，GPRS）、碼分多 址（codedivision multiple access，CDMA）、3G和4G等。無線公網(wǎng)通信技術(shù)較為成熟，且部署簡單、建設(shè)成本低，但其覆蓋范圍有限，無法覆蓋到高壓輸電線路的全程，且通信易受干擾，安全性和可靠性較低，通信系統(tǒng)故障時難以快速修復(fù)，無法保證采集數(shù)據(jù)的可靠傳輸。5G通信技術(shù)的出現(xiàn)，將極大地提升公網(wǎng)通信的傳輸速率和傳輸容量，降低通信時延，但仍無法解決公網(wǎng)通信范圍受限、安全和可靠性低等問題，同時也會造成租用公網(wǎng)的成本顯著增加。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，ZigBee、BlueTooth、LoRa、NB-IoT和微波通信等無線通信技術(shù)在輸電線路通信中獲得了一定的應(yīng)用。通過實驗對幾種常用的無線通信技術(shù)進行了分析，結(jié)果如表1所示。

表1 輸電線路幾種常見通信方式比較Table 1 Comparison of several common communication modes in transmission lines

其中，ZigBee和BlueTooth通信技術(shù)的通信距離受限，難以滿足輸電線路通信需求，LoRa和NBIoT可以實現(xiàn)輸電線路小范圍窄帶寬通信，但是難以滿足圖像視頻信息傳輸?shù)膶崟r性要求。NB-IoT組網(wǎng)需要基于運行商蜂窩網(wǎng)絡(luò)，信號覆蓋范圍受限，需要建立基站。微波通信可以滿足視頻圖像等寬帶寬數(shù)據(jù)傳輸需求，但其通信功耗相對較高，對設(shè)備的可靠供電能力提出了很高的要求。此外，高壓輸電線路的強電磁干擾也會對線路通信設(shè)備和無線通信質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

3）設(shè)備取能

輸電線路數(shù)據(jù)采集裝置和通信設(shè)備都需要穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)以保證系統(tǒng)的正常運行。但由于輸電線路在線監(jiān)測裝置特殊的運行環(huán)境，線路設(shè)備供電可靠性受到極大的挑戰(zhàn)。

在現(xiàn)有輸電線路系統(tǒng)中，安裝在桿塔上的監(jiān)測設(shè)備多采用太陽能與電池供電的方式，線路上的設(shè)備多采用高壓互感器結(jié)合鋰電池［17］和超級電容器［18］的供電方式。這些供電方式可以基本解決輸電線路監(jiān)測設(shè)備的供電問題，但受到外部環(huán)境的影響較大，在連續(xù)陰雨天、太陽能電池板污染、線路負(fù)載小或工作溫度偏低等諸多情況下都會帶來供電可靠性問題，進而影響數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)馁|(zhì)量。

受安裝環(huán)境限制，安裝在線路或桿塔頂端的輸電線路采集和通信設(shè)備體積受限，不具備安全有效的供電方式。普通線路單級桿塔上安裝的單塊太陽能電池板尺寸不能超過0.8 m×0.7 m，電源設(shè)備單體重量不應(yīng)超過35 kg，接觸類導(dǎo)線監(jiān)測設(shè)備重量應(yīng)小于2.5 kg，因此通常只能采用小容量電池供電，極大地限制了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膸捄皖l次。由于電池容量的限制，輸電線路設(shè)備監(jiān)測和通信設(shè)備通常只有6～8年的使用壽命，造成設(shè)備更換和維護困難。

針對上述輸電線路數(shù)據(jù)采集存在的問題，現(xiàn)有研究大多通過采用高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備、提高數(shù)據(jù)采集密度、提升線路通信能力等方法來提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。例如：采用光纖光柵傳感器［19-20］或聲表面波傳感器［21］來解決傳統(tǒng)傳感器取能不可靠、抗干擾能力弱的問題；通過優(yōu)化輸電線路傳感器數(shù)量和布局布點來提高輸電線路數(shù)據(jù)采集能力［22-23］；將各種無線通信技術(shù)，如WiFi、Mesh、ZigBee、LoRa等與光纖有線通信相結(jié)合組成混合通信網(wǎng)絡(luò)［24-28］來提高輸電線路通信能力，并趨向于建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)來取代公共網(wǎng)絡(luò)。這些方法可以在一定程度上提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，但往往會造成采集成本的顯著增加。例如：提高輸電線路傳感器精度和數(shù)量可以降低局部測量帶來的誤差，但會增加采集設(shè)備成本和后期運維工作量，加重通信系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，同時也難以解決傳感器在線率低和誤報警等問題。

無限制地擴大規(guī)模和投資并不能真正解決輸電線路數(shù)據(jù)采集質(zhì)量問題，而應(yīng)針對設(shè)備取能、自組網(wǎng)通信以及設(shè)備在線率等關(guān)鍵問題進行研究，依托現(xiàn)有微功耗設(shè)備和主網(wǎng)通信系統(tǒng)，不斷提高有效數(shù)據(jù)采集效率。

2 輸電線路感知分析技術(shù)

輸電線路感知分析技術(shù)首先需要對數(shù)據(jù)中心獲取的環(huán)境和導(dǎo)線信息進行處理和辨識，以在采集數(shù)據(jù)不全面、質(zhì)量不高的情況下，保證動態(tài)增容系統(tǒng)的正常運行，主要包括缺失數(shù)據(jù)補充、異常數(shù)據(jù)修正以及正常采樣數(shù)據(jù)整合規(guī)約等。經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過輸電線路動態(tài)增容模型獲取輸電線路載流量、導(dǎo)線溫度和導(dǎo)線弧垂等信息。

現(xiàn)有輸電線路動態(tài)增容模型主要分為確定性模型和概率模型，如圖1所示。

圖1 輸電線路動態(tài)增容模型Fig.1 Dynamic rating models of transmission line

確定性模型輸出由一組輸入通過確定性關(guān)系得到，其中沒有任何隨機因素。在最終的確定性模型中，對于一組給定的輸入，其輸出總是相同的［29］。確定性模型根據(jù)分析方法的不同又可分為物理模型、統(tǒng)計學(xué)模型以及機器學(xué)習(xí)模型等。

物理模型的構(gòu)建主要基于輸電線路穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)熱平衡方程［6，30-31］，典型的有IEEE模型［32］、CIGRE模型［33］、IEC模型［34］以及有限元模型［35-37］等。物理模型原理簡單，可以根據(jù)輸入?yún)?shù)對線路限額進行實時的計算或預(yù)測，但是難以涵蓋線路所有影響因素，如降雨對線路冷卻效果的影響。物理模型中的某些參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取，如導(dǎo)線表面輻射系數(shù)和吸熱系數(shù)與導(dǎo)線新舊程度和表面污穢程度有關(guān)，其數(shù)值往往基于經(jīng)驗判斷。改進物理模型的一種方法是通過在模型中考慮被忽略的影響因素進行補充，如考慮了降水冷卻效果的擴展CIGRE模型［3，38］。

在統(tǒng)計學(xué)模型中，偏最小二乘回歸技術(shù)因其較好的預(yù)測能力通常被用于輸電線路動態(tài)增容建模［39-40］。通常用偏最小二乘回歸方法擬合輸電線路導(dǎo)線溫度與環(huán)境因素和導(dǎo)線電流的關(guān)系。在統(tǒng)計學(xué)模型中，可以根據(jù)物理關(guān)系對擬合函數(shù)進行優(yōu)化，如導(dǎo)體溫度更直接地與電流平方相關(guān)，而強迫對流的影響是風(fēng)速和風(fēng)向角正弦的乘積的函數(shù)［41］。統(tǒng)計學(xué)模型在一定程度上緩解了物理模型考慮因素不全面以及參數(shù)不準(zhǔn)確的問題，但需要大量的停電實驗數(shù)據(jù)進行擬合，同時擬合的關(guān)系只能用于線路特定的位置，其他線路則需要重新進行擬合分析。

機器學(xué)習(xí)模型同樣需要大量實驗數(shù)據(jù)進行模型訓(xùn)練，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。所有可用的數(shù)據(jù)將分為3組，即用于模型的培訓(xùn)、驗證和測試。與統(tǒng)計學(xué)模型中的偏最小二乘方法不同，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不再使用線性關(guān)系擬合，而是為每個輸入?yún)?shù)生成權(quán)值，并將每個輸入的所有響應(yīng)收集到隱藏層中，然后產(chǎn)生模型輸出。機器學(xué)習(xí)模型不依賴于系統(tǒng)特定參數(shù)，避免了被忽略因素的影響，但其模型的通用性需要線路來自多個采樣點的大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的支撐，這樣大量的實驗訓(xùn)練數(shù)據(jù)在實際工程中通常難以得到。

在夏季和冬季2種典型實驗場景下，某輸電線路導(dǎo)線溫度實測值和3種確定性模型感知結(jié)果的比較［42］如附錄A圖A1所示。可以看出，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和偏最小二乘回歸模型可以更好地反映線路實際情況。

概率模型以概率函數(shù)為基礎(chǔ)，其輸入和輸出不是一組特定的數(shù)值，而是一組數(shù)據(jù)分布，以此來提供關(guān)于環(huán)境和負(fù)荷條件更確切的信息［43-44］。概率模型中可以引入風(fēng)險因子來表征每種情況下的潛在風(fēng)險因素，從而為調(diào)度人員的決策提供參考［45-46］?；诟怕实妮旊娋€路動態(tài)增容模型主要有2種類型：混合概率模型和絕對概率模型。混合概率模型結(jié)合了物理模型和概率模型的特點，其離散的輸入和分布函數(shù)是混合的，其風(fēng)險系數(shù)往往不包括各種外部因素變化，因此只能代表相對風(fēng)險。絕對概率模型則考慮了諸如雷擊風(fēng)險等外部因素，其風(fēng)險系數(shù)通常代表絕對風(fēng)險［29］。

表2給出了上述幾類模型的比較。其中物理模型實現(xiàn)簡單、通用性強，但其模型精度相對較低；統(tǒng)計學(xué)模型和機器學(xué)習(xí)模型輸出精度較高，但都需要大量停電實驗數(shù)據(jù)對模型進行擬合或訓(xùn)練，模型通用性受限；概率模型可以通過引入風(fēng)險因子來表征每種情況的風(fēng)險，但是需要大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)支撐，且模型穩(wěn)定性較差。因此，輸電線路動態(tài)增容模型的可靠性需要綜合考慮模型精度、適用性以及穩(wěn)定性等因素影響。

表2 輸電線路動態(tài)增容模型比較Table 2 Comparison of dynamic rating models of transmission line

通過對輸電線路實時數(shù)據(jù)采集和感知分析，可以獲取輸電線路實時動態(tài)限額。但僅根據(jù)線路實時動態(tài)限額對電網(wǎng)進行控制時，當(dāng)系統(tǒng)運行或氣候條件惡化時，不可避免地會出現(xiàn)線路過載的情況。因此，還需要對未來短期輸電線路動態(tài)限額進行預(yù)測分析。通常，將動態(tài)增容模型與環(huán)境預(yù)測模型相結(jié)合來對未來短期輸電線路動態(tài)限額進行預(yù)測［46］。現(xiàn)有輸電線路環(huán)境預(yù)測主要采用時間序列分析［45］或數(shù)值天氣預(yù)報［47-48］的方法。文獻［45］將貝葉斯時間序列技術(shù)用于輸電線路動態(tài)限額預(yù)測，但這種方法預(yù)測誤差隨預(yù)報時長的增加而增大，只適用于幾個小時內(nèi)的預(yù)測結(jié)果。文獻［47］利用數(shù)值天氣預(yù)報和機器學(xué)習(xí)提出了新的輸電線路動態(tài)限額預(yù)報方法，可實現(xiàn)1～2d的動態(tài)限額預(yù)測，但其龐大的計算量需要依托于大型計算機進行。此外，文獻［49］采用分位數(shù)回歸森林的方法實現(xiàn)對2d內(nèi)線路動態(tài)限額的精確預(yù)測；文獻［50］提出了基于回波狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)線路限額預(yù)測模型；文獻［51］則在動態(tài)線路限額預(yù)測過程中引入了模糊分析方法。

3 輸電線路動態(tài)增容應(yīng)用架構(gòu)

除了輸電線路數(shù)據(jù)采集技術(shù)和感知分析技術(shù)外，輸電線路動態(tài)增容技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計的不足也會間接影響輸電線路動態(tài)增容的可靠性。輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)通常包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置（condition monitoringdevice，CMD）、狀態(tài)監(jiān)測代理（condition monitoring agent，CMA）以 及 主 站 系 統(tǒng)等，根據(jù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、通信方式、系統(tǒng)功能以及具體實現(xiàn)方式的不同而存在多種應(yīng)用架構(gòu)［8，52-54］。

文獻［52］針對輸電線路動態(tài)增容技術(shù)進行研究，開發(fā)了基于無線溫度傳感器的輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)，如附錄A圖A2所示。桿塔上的氣象傳感器和線路上的無線溫度傳感器定時/實時地采集線路和環(huán)境信息，通過ZigBee通信模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至桿塔上的匯聚節(jié)點進行打包后，采用GSM/GPRS/CDMA/3G/WiFi/光纖等方式傳輸?shù)紺MA，并通過CMA發(fā)送至狀態(tài)信息接入網(wǎng)關(guān)機（condition information acquisition gateway，CAG），實現(xiàn)與主站控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互［53］。主站系統(tǒng)專家軟件利用動態(tài)增容模型計算線路實時動態(tài)限額，結(jié)合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control anddata acquisition，SCADA）系統(tǒng)數(shù)據(jù)和溫度/弧垂安全判據(jù)指導(dǎo)線路動態(tài)增容。

文獻［54］開發(fā)了基于3G/GSM的輸電線路動態(tài)增容在線監(jiān)測系統(tǒng)，如附錄A圖A3所示。采集終端將環(huán)境和導(dǎo)線信息通過GPRS/3G通信網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送給CMA，由CMA對采集終端數(shù)據(jù)協(xié)議進行轉(zhuǎn)換，并發(fā)送給主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)調(diào)用增容計算模塊獲取線路實時動態(tài)限額，結(jié)合SCADA系統(tǒng)計算線路隱性容量，通過實時監(jiān)測線路弧垂來保證增容系統(tǒng)的安全運行。目前，該系統(tǒng)已在哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程中獲得應(yīng)用，運行效果良好。

上述輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)針對單條輸電線路進行分析，缺乏對增容過程中電網(wǎng)整體的調(diào)度規(guī)劃，難以分析單條或多條線路增容對其他輸電線路運行的影響。單條線路安全可靠的動態(tài)增容，可能會造成其他關(guān)聯(lián)線路過載的情況。

針對電網(wǎng)調(diào)控的特點和需求，文獻［8］從電網(wǎng)層面對動態(tài)增容技術(shù)進行分析，提出了考慮電網(wǎng)靜態(tài)安全的動態(tài)增容系統(tǒng)，如附錄A圖A4所示。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)處理、實時計算、增容分析和圖形可視化展示4個部分。數(shù)據(jù)處理模塊對采集/預(yù)測的數(shù)據(jù)進行處理和辨識，在整合可用數(shù)據(jù)的同時識別并修正錯誤數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。實時計算模塊利用線路熱穩(wěn)定方程計算輸電線路載流量信息和動態(tài)功率限額，用于增容分析模塊對增容過程電網(wǎng)靜態(tài)安全進行評估。圖形可視化展示模塊對增容實時/預(yù)測結(jié)果進行展示，并將地調(diào)動態(tài)增容數(shù)據(jù)上傳至省調(diào)系統(tǒng)，進行省地協(xié)調(diào)的動態(tài)增容協(xié)調(diào)控制。該系統(tǒng)已在南京地區(qū)D5000系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

隨著研究的不斷深入，輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)不斷完善，系統(tǒng)功能不斷健全。已有學(xué)者對閉環(huán)動態(tài)增容系統(tǒng)進行了初步研究，通過引入自適應(yīng)校正、模型預(yù)測控制等方式來校正模型輸出結(jié)果，從而提高動態(tài)增容技術(shù)的可靠性［55-56］。此外，不少研究在系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計時也綜合考慮了動態(tài)增容對電網(wǎng)運行經(jīng)濟性和安全性的影響。

在電網(wǎng)經(jīng)濟運行方面，文獻［57］將輸電線路動態(tài)增容技術(shù)與考慮電力系統(tǒng)安全約束的機組組合問題相結(jié)合，將交流最優(yōu)潮流線性化并納入機組組合問題中，提高了電力系統(tǒng)的整體安全性和技術(shù)經(jīng)濟性。文獻［58］在動態(tài)增容和電熱協(xié)調(diào)概念［59-61］基礎(chǔ)上引入導(dǎo)線動態(tài)電熱特征量作為線路安全約束，通過調(diào)節(jié)直流輸送功率，調(diào)整機組有功功率以及切負(fù)荷等方式，實現(xiàn)了與時間關(guān)聯(lián)的潮流動態(tài)優(yōu)化控制。文獻［62］提出了一種考慮輸電線路動態(tài)增容的增強型安全約束最優(yōu)潮流模型，利用輸電線路的短時增容特性應(yīng)對事故后的潮流越限風(fēng)險，從而擴大電網(wǎng)安全運行范圍，提升系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

在電網(wǎng)安全性方面，一些學(xué)者對輸電線路動態(tài)增容技術(shù)的風(fēng)險評估方法進行了研究，以評估輸送容量變化對電網(wǎng)運行可靠性的影響。例如：文獻［63］提出了一種日前線路限額預(yù)測模型，并開發(fā)了一種基于預(yù)測的突發(fā)事件后驗風(fēng)險評估方法；文獻［64-65］基于馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法對輸電線路增容運行后的風(fēng)險進行評估，并給出了線路增容運行的風(fēng)險指標(biāo)［64］；文獻［66］提出了一種計及參數(shù)脈動特性的線路增容熱路模型，并以概率形式對載流量進行有效估計，將增容風(fēng)險控制在合理范圍內(nèi)。

在輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)中，增容分析不應(yīng)基于對采集數(shù)據(jù)的完全相信，應(yīng)用也不應(yīng)完全基于感知分析的結(jié)果，而應(yīng)進行多次冗余和多維度容錯判斷，構(gòu)建閉環(huán)的增容體系架構(gòu)。增容過程中，需要從電網(wǎng)層面綜合考慮發(fā)電計劃、檢修計劃、負(fù)荷預(yù)測等多方面因素的影響，同時考慮整體電網(wǎng)安全對增容線路進行風(fēng)險評估，從而保證輸電線路動態(tài)增容結(jié)果的安全和可靠。

4 輸電線路動態(tài)增容工程實踐

近年來，由于輸電走廊緊缺以及風(fēng)電、光伏等新能源接入需求的增加，支撐輸電線路高效運行的動態(tài)增容技術(shù)已在國內(nèi)外獲得了一定的工程應(yīng)用。

英國Areva T&D公司在斯凱格內(nèi)斯和波士頓之間的132 kV雙回線路上應(yīng)用動態(tài)增容技術(shù)，提高了電力系統(tǒng)運行的靈活性，增加了20%～50%的電網(wǎng)接入風(fēng)力發(fā)電量［67］。美國SRP公司通過在2條輸電線路上使用動態(tài)增容技術(shù)，在運行線路負(fù)荷高峰時期短時超出線路靜態(tài)額定容量，從而緩建了輸電線路，減少約900萬美元投資成本［68］。意大利電力系統(tǒng)運營商在西西里島使用耐熱導(dǎo)線并應(yīng)用動態(tài)增容系統(tǒng)，在增加電網(wǎng)傳輸容量的同時實現(xiàn)了輸電線路維護和管理的優(yōu)化［69］。國外機構(gòu)統(tǒng)計結(jié)果顯示：安裝實時動態(tài)增容系統(tǒng)的輸電線路在一年中有90～120d可增加10%～30%的輸送容量，具有極高的經(jīng)濟效益［70］。

中國的電力研究機構(gòu)也開展了輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)的開發(fā)工作和工程試點應(yīng)用。文獻［71］提出由溫度監(jiān)測、氣象監(jiān)測和計算分析3個部分組成的輸電線路動態(tài)增容監(jiān)測分析系統(tǒng)，通過實時參數(shù)監(jiān)測，提高了輸電線路輸送容量和線路運行的安全可靠性，避免了緊急情況下過度切負(fù)荷。文獻［11］提出的輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)，采用雙無線通信模式采集環(huán)境信息和導(dǎo)線溫度，利用摩爾根載流量計算公式獲取輸電線路隱性載流容量。文獻［72］提出的基于導(dǎo)線張力和實時氣象條件的輸電線路輸送容量監(jiān)測系統(tǒng)，通過對氣象條件的準(zhǔn)確、實時監(jiān)測，動態(tài)計算線路傳輸容量限額，在國內(nèi)多條110 kV和220 kV線路上投入運行。

現(xiàn)有的輸電線路動態(tài)增容技術(shù)主要應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)、電網(wǎng)迎峰度夏，以及故障情況下線路輸送能力提升等場景，在實際工程應(yīng)用中具有良好的運行效果。

1）在新能源發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用方面，使用動態(tài)增容技術(shù)為光伏、風(fēng)電等新能源的大量接入提供支撐，緩解了新能源集中送出通道的容量限制，促進了可再生能源的發(fā)展。

西班牙現(xiàn)有可再生風(fēng)能總裝機容量占系統(tǒng)總裝機容量的20%以上，使得風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)、傳輸和分配都面臨著巨大的挑戰(zhàn)［73］。西班牙北部某輸電線路利用動態(tài)增容技術(shù)，分析線路動態(tài)限額情況，并對多種不同運行場景進行研究。附錄A圖A5給出了2015年2月該線路的實際電流IPQA、線路靜態(tài)限額ISR以及線路動態(tài)限額IDR的比較［73］。由于該線路在記錄時段內(nèi)線路負(fù)荷較少，因此，線路在實際運行中只在短時間超出線路靜態(tài)限額容量。但從全年運行情況來看，該線路在實際運行中有424 h以超出線路靜態(tài)限額的實際電流運行，額外增加了3.89 GW·h的風(fēng)電場發(fā)電送出容量，相當(dāng)于增加了超過24萬歐元的額外收入，同時減少了約1 100 t的CO2排放。

2）在負(fù)荷高峰期間如迎峰度夏場景下，利用動態(tài)增容技術(shù)提升線路輸送能力，提高輸電線路的利用率和傳輸效率，降低電網(wǎng)企業(yè)運營成本，保證電力的可靠供應(yīng)。

隨著上海市崇明區(qū)負(fù)荷水平的增長，在夏季高峰時需要依靠本地電源和外來電源共同維持電力供求平衡，且當(dāng)?shù)赜幸欢ǖ呢?fù)荷調(diào)節(jié)能力，具備增容運行的條件。崇明電力公司采用靜態(tài)增容和動態(tài)增容相結(jié)合的方式，將220 kV輸電線路的溫度限額由70℃提高到80℃，并在靜態(tài)增容的基礎(chǔ)上采用動態(tài)增容技術(shù)，在海中4633/4634線投入實時動態(tài)增容系統(tǒng)［74］。附錄A圖A6給出了2009年7月20日海中4633/4634線的線路潮流及線路靜態(tài)和動態(tài)限額情況，可以看出，雖然線路潮流部分時間超過了線路原限額和靜態(tài)限額，但始終處在動態(tài)限額范圍內(nèi)，不會造成輸電線路溫度越限的情況。海中4633/4634線當(dāng)日累計增容時間約13.5 h，額外增加輸送容量511 MW·h，在迎峰度夏時期有效保證了崇明三島的正常電力供應(yīng)。

3）在線路故障情況下，通過合理采用動態(tài)增容技術(shù)，可充分利用現(xiàn)有輸電設(shè)備的輸送能力，減少電網(wǎng)對用戶的強迫停電率，緩解拉電和限電，提高供電可靠性。

中國現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程根據(jù)設(shè)定的環(huán)境溫度、風(fēng)速、日照強度和導(dǎo)線的允許溫度計算導(dǎo)線載流量限額，其中沒有考慮導(dǎo)線溫升的暫態(tài)過程［75］。而由于導(dǎo)線溫升暫態(tài)過程的時間特性，即使在N-1故障情況下，導(dǎo)線達到其工作允許溫度也需要較長的時間。安徽電網(wǎng)基于文獻［9］提出的基于阻塞分析的輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)，在線路故障情況下考慮輸電線路暫態(tài)溫升特性，以短時間內(nèi)保證線路溫度在安全范圍內(nèi)為邊界條件進行動態(tài)限額的調(diào)整，從而在事故情況下進一步提高系統(tǒng)輸電能力。以安徽宿州匯源區(qū)域電網(wǎng)為例，2015年4月17日某時段，谷南單回線因關(guān)聯(lián)線路故障存在過載情況。谷南線增容前長期允許載流量靜態(tài)限額為600 A，事故后允許載流量靜態(tài)限額為720 A。系統(tǒng)基于故障后1 h內(nèi)的氣象預(yù)測信息，獲得線路長期允許載流量限額為890 A，30 min時段內(nèi)導(dǎo)線溫度不超過70℃的暫態(tài)載流量限額為940 A。通過使谷南線短時以暫態(tài)載流量限額運行，并調(diào)整發(fā)電機組出力，極大地降低了線路故障對用戶用電的影響。

目前，輸電線路動態(tài)增容技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)獲得了一定的實際工程應(yīng)用。但是國內(nèi)輸電線路動態(tài)增容技術(shù)尚處在系統(tǒng)運行效果評估及增容調(diào)度的安全性驗證階段。因此，輸電線路負(fù)載能力的準(zhǔn)確評估及預(yù)測、增容運行風(fēng)險評估、調(diào)度輔助決策優(yōu)化等技術(shù)將會成為未來輸電線路動態(tài)增容技術(shù)的重點研究方向。

5 結(jié)語

隨著社會用電需求和可再生能源滲透率的不斷增加，輸電線路動態(tài)增容技術(shù)作為一種有效提升輸電線路輸送能力和整合可再生能源的手段而受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

輸電線路動態(tài)增容技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和感知分析等方向的研究已經(jīng)較為成熟，但仍存在數(shù)據(jù)采集精度不高、模型不精確、模型通用性受限等問題。在實時動態(tài)增容技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過將增容模型與環(huán)境預(yù)測模型相結(jié)合可以實現(xiàn)對未來短期線路動態(tài)限額的預(yù)測，增加動態(tài)增容技術(shù)的實用性，但仍需進一步研究。動態(tài)增容系統(tǒng)架構(gòu)研究開始從單條輸電線路增容向電網(wǎng)層面的增容過渡，動態(tài)增容對電網(wǎng)運行經(jīng)濟性和安全性的影響也獲得一定研究。在實際工程中，動態(tài)增容技術(shù)已在新能源發(fā)電并網(wǎng)、電網(wǎng)迎峰度夏以及故障情況下線路輸送能力提升等場景下獲得一定應(yīng)用，但由于增容的諸多不確定性，尚未在電力系統(tǒng)中獲得推廣運行。

針對現(xiàn)有輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)的局限性，未來的研究可能包括以下幾個方面。

1）提高有效數(shù)據(jù)采集效率。通過優(yōu)化布局布點，可提高裝置在線率、實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的有效采集、減少在線監(jiān)測裝置的種類和數(shù)量、降低對通信系統(tǒng)要求。依托現(xiàn)有的微功耗和主網(wǎng)通信系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

2）改進感知分析方法。完善輸電線路數(shù)據(jù)處理與辨識方法，增強對質(zhì)量不高的采集數(shù)據(jù)的處理能力；改進現(xiàn)有動態(tài)增容模型的不足，增強模型精度和適用性；構(gòu)建輸電線路載流量實時限額與預(yù)測限額相結(jié)合的分析方法，為調(diào)度系統(tǒng)實際操作提供參考依據(jù)。

3）構(gòu)建閉環(huán)的動態(tài)增容系統(tǒng)架構(gòu)。引入現(xiàn)代控制邏輯，構(gòu)建閉環(huán)的增容系統(tǒng)架構(gòu)。在分析計算模型中引入迭代校正環(huán)節(jié)，分析不完全依賴外部的參數(shù)，降低導(dǎo)線參數(shù)的時變特征對分析結(jié)果的影響。

4）考慮整體電網(wǎng)安全的輸電線路動態(tài)增容風(fēng)險評估。綜合考慮負(fù)荷、發(fā)電檢修計劃，研究應(yīng)用于整體電網(wǎng)調(diào)度規(guī)劃的動態(tài)增容方法。結(jié)合動態(tài)增容技術(shù)和電網(wǎng)的在線安全穩(wěn)定分析技術(shù)，在增容過程中考慮電網(wǎng)安全判據(jù)約束，對電網(wǎng)層面的輸電線路動態(tài)增容風(fēng)險進行評估。

本文得到國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司科技項目（524608200202）的資助，特此致謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。