陳友慧，劉 然，李冬雪 ，許傲然，谷彩連

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，遼寧 沈陽 110152；2.沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110015)

由于導體的物理特性，架空傳輸線可承載的電流量受氣象環(huán)境條件的限制[1]。通常架空線額定容量是基于低風速和高環(huán)境氣溫這類保守氣象假設而被設定為靜態(tài)值或隨季節(jié)性變化的值[2]。由于這些氣象情況通常只存在很短的一段時間，因此，常規(guī)設定方法通常不能充分利用現(xiàn)有的輸電設備。事實上，當?shù)靥鞖鈼l件下自然冷卻導線可提供額外的載流量。動態(tài)調(diào)整線路容量是一種基于導線中吸收和耗散的總能量間熱能平衡來動態(tài)計算線路容量的技術[3]。實時監(jiān)控電氣和環(huán)境參數(shù)可以幫助最大限度地提高架空線路的容量利用率。而且由于風力發(fā)電以及大風所產(chǎn)生的導體容量增加之間的自然協(xié)同作用，動態(tài)調(diào)整線路容量有助于顯著提高現(xiàn)有架空線路的風能承載能力。

最近，動態(tài)調(diào)整線路容量的研究受到極大關注。IEEE和CIGRE成立了工作組以定義和標準化具有時變天氣條件的架空線路溫度的計算方法[4]。特別是IEEE為動態(tài)調(diào)整線路容量開發(fā)了IEEE 738標準。文獻[5]通過愛爾蘭的案例研究分析了關于動態(tài)調(diào)整線路容量相對于靜態(tài)額定容量的潛在好處；文獻[6]介紹了動態(tài)調(diào)整線路容量在芬蘭的技術調(diào)查和適用性。這些在不同地理區(qū)域進行的研究結果表明，動態(tài)調(diào)整線路容量在提高現(xiàn)有架空線的載流量利用率方面具有巨大潛力；文獻[7-8]詳細研究了環(huán)境條件對線路額定容量的影響；文獻[9-10]介紹了動態(tài)調(diào)整線路容量在改善風能并網(wǎng)方面的潛在應用；文獻[11]給出了動態(tài)調(diào)整線路容量的時間序列建模，文獻[12]對架空線的電動力學和熱動力學進行了分析。

最近的一些文獻也研究了動態(tài)調(diào)整線路容量在電網(wǎng)中的潛在應用。例如：文獻[13]開發(fā)了一種使用動態(tài)調(diào)整線路容量改善架空線運行跳閘的方法；文獻[14]將動態(tài)調(diào)整線路容量應用到機組組合中。盡管在動態(tài)調(diào)整線路容量的理論基礎方面取得了一些進展，但關鍵的挑戰(zhàn)仍然是如何通過在考慮運行數(shù)據(jù)和當?shù)貧庀髼l件的電網(wǎng)中進行試點研究，從而量化動態(tài)調(diào)整線路容量的效益。

本研究在沈陽郊區(qū)的4條架空線上應用了動態(tài)調(diào)整線路容量技術。使用如線路負荷等實際運行數(shù)據(jù)以及風速、風向、環(huán)境溫度和太陽輻照度等氣象數(shù)據(jù)來量化動態(tài)調(diào)整線路容量在提高線路載流量利用率方面的優(yōu)勢[15]。首先，考慮氣象站之間的地理位置、計算復雜性和中點坐標的精度，為測試系統(tǒng)確定氣象站的位置；然后，基于氣象數(shù)據(jù)和中點坐標，使用母線載流量狀態(tài)解算器(bus current carrying state solver,BCCSS)實時計算架空線的載流量；最后，量化動態(tài)調(diào)整線路容量在提高架空線設備利用率方面的優(yōu)勢，并結合實際運行數(shù)據(jù)和當?shù)貧庀髼l件評估動態(tài)調(diào)整線路容量在實際電網(wǎng)上的性能。

1 測試點概述

測試地點位于沈陽市郊區(qū)，由2條輸電通道組成，每條通道都有東西和南北向各2條線路。氣象站位置、導線類型如圖1所示，測試線路的導體類型和夏/冬季額定容量如表1所示。此外，在測試電網(wǎng)的北側有擴大風力發(fā)電場的潛力。由于風能在所考慮的架空線上傳輸?shù)碾娔苤姓急容^大，而風力發(fā)電和并行冷卻之間存在天然的協(xié)同作用，因此，試驗場是評估動態(tài)調(diào)整線路容量方法性能的理想之選。

圖1 試點區(qū)架空線結構Figure 1 Structure of overhead lines in test area

表1 架空線路數(shù)據(jù)Table 1 The data of overhead lines

1.1 數(shù)據(jù)采集

由于如風速、風向、環(huán)境空氣溫度和太陽輻照度水平等氣象條件的時空變化顯著影響線路額定容量設定，因此，氣象站的正確配置和數(shù)據(jù)收集對于準確計算現(xiàn)有架空線中可用的額外容量至關重要。綜合考慮地理因素、氣象站的成本以及中點坐標的精度，確定4個氣象站的安裝位置。從這些氣象站獲得的氣象數(shù)據(jù)被用來完成對整個架空線附近的天氣狀況和溫度的準確描述。每隔3 min從氣象站數(shù)據(jù)記錄器中檢索天氣數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。除天氣數(shù)據(jù)外，每3 min采集一次線路的負荷數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

對2018年6月5日至2018年12月9日的天氣數(shù)據(jù)進行分析，分析周期包括夏、冬季天氣狀況。將來自氣象站的觀測氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)公司用于設定靜態(tài)額定容量的保守氣象數(shù)據(jù)進行比較。

線路的靜態(tài)額定容量見表1。對Ⅰ型線路應用全年性靜態(tài)額定容量，對Ⅱ型線路應用季節(jié)性靜態(tài)額定容量。Ⅰ型東西和南北向線路全年額定容量的差異是由于使用了不同的導線。平均強度在4.5 m/s以上的主要風向的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖2(a)所示，統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平均值大于保守假設，并且其風向有利于南北向線路的冷卻。平均日風速曲線如圖2(b)所示，可以觀察到白天風速較高。風力發(fā)電量較高可能導致電網(wǎng)公司需要進行調(diào)度優(yōu)化，從而保持電力平衡。在發(fā)電機聯(lián)絡線上使用動態(tài)調(diào)整線路容量的情況下，若電能大部分來自風力發(fā)電，則并行冷卻可避免大風時風力發(fā)電廠的發(fā)電量超過架空線的靜態(tài)額定容量。

圖2 主要風向和風速曲線Figure 2 Wind direction and wind speed curves

氣象站收集的太陽輻照度數(shù)據(jù)如圖3所示，與電網(wǎng)公司1 004.8 W/m2的太陽輻照度假設相比，統(tǒng)計的平均太陽輻照度為600 W/m2。電網(wǎng)公司的假設溫度和氣象站實際觀測溫度如圖4所示，假設溫度遠高于整個夏季的實測環(huán)境溫度。因此，動態(tài)調(diào)整線路額定容量可以顯著提高夏季的載流量利用率。從對收集的氣象數(shù)據(jù)的分析來看，電網(wǎng)公司對風速、太陽輻照度和環(huán)境溫度的假設是保守的。

圖3 太陽輻照度數(shù)據(jù)Figure 3 Solar irradiance data

圖4 氣溫數(shù)據(jù)對比Figure 4 Comparison of temperature data

2 動態(tài)調(diào)整線路容量方法

基于天氣的動態(tài)調(diào)整線路容量方法核心要素如圖5所示。云容器引擎(cloud container engine,CCE)是動態(tài)調(diào)整線路容量的主要計算引擎，WindSim是計算流體力學模型的仿真軟件，BGHT是組織和預處理歷史天氣數(shù)據(jù)以使其與CCE可以使用的格式兼容工具包，MMR是組織預測天氣數(shù)據(jù)以驅動CCE計算的工具包。由于MMR和BGHT是使外部輸入輸出與CCE或WindSim兼容的支持工具，因此本研究主要集中在CCE和WindSim上。

動態(tài)調(diào)整線路容量方法的詳細框架及其與不同構件之間的交互如圖6所示，WindSim負責接收配置數(shù)據(jù)，例如氣象站的位置、來自地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及本地歷史氣象數(shù)據(jù)。此外，WindSim使用地形數(shù)據(jù)來計算架空線所在區(qū)域的地形和拓撲。在接收到這些信息之后，WindSim在線路的中點處計算更精確的天氣數(shù)據(jù)。流體力學模型計算不是直接使用氣象站的天氣數(shù)據(jù)，而是將天氣數(shù)據(jù)換算至到中點，以提供更精確的當?shù)貧庀髼l件。在計算中點數(shù)據(jù)之后，這些數(shù)據(jù)連同實時和歷史天氣數(shù)據(jù)一起送至CCE處理。此外還向CCE提供線路導體類型，并從導體目錄中獲得實際的導體特性。根據(jù)這些信息，CCE計算每條線路的溫度和可用容量。

圖5 動態(tài)調(diào)整線路容量方法的核心要素Figure 5 Core elements of dynamically adjusting line capacity

圖6 動態(tài)調(diào)整線路容量方法的詳細框架Figure 6 Detailed framework of dynamically adjusting line capacity

2.1 計算流體力學模型

WindSim是一個計算流體力學模型的仿真軟件，使用來自氣象站的數(shù)據(jù)精確估計試驗區(qū)中心的風場情況。WindSim使用地形拓撲等地理信息來創(chuàng)建模擬風場，然后將模擬風場數(shù)據(jù)與氣象站的位置、架空線結構和位置、環(huán)境溫度和太陽輻照度等數(shù)據(jù)結合使用，以估計試驗區(qū)中心的風速和風向。WindSim使用氣象站歷史數(shù)據(jù)來驗證和改進模型，建立高效率的查找表，以將氣象站數(shù)據(jù)映射到試驗區(qū)中心位置。為更好地模擬近地面區(qū)域，繪制基于植被、農(nóng)田和居民區(qū)的地形模擬圖，如圖7所示。

圖7 試點區(qū)地形模擬Figure 7 Topographic simulation map of test area

為有效地模擬風湍流，WindSim使用雷諾平均Navier-Stokes方程，標準k-ε模型用于模擬湍流動能k和動能耗散率ε：

(1)

其中湍流粘度為

(2)

湍流產(chǎn)生項為

(3)

其中，Ui為速率，Cμ、cε1、cε2、σk和σε為k-ε模型的固定常數(shù)，分別設置為0.09、1.55、2.0、1.0和1.3[16]。將經(jīng)緯度的x-y空間分解為一個恒定的30 m網(wǎng)格，該網(wǎng)格與地理信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)中描述的特征具有相同的分辨率。在垂直方向上，距地面50 m的范圍內(nèi)使用5 m分辨率，以便更精確地求解輸電線路和氣象站附近的風場。在距地面50 m的范圍外，使用對數(shù)間距，最大為3 500 m，共有40個網(wǎng)格，流體力學計算共模擬950萬個單元。

對24個間距為15°的不同進風區(qū)進行仿真。WindSim在24個中央處理器上并行求解，每個處理器運行12 h，然后在所有中點和氣象站的位置輸出仿真結果，這些結果用于為每個中點創(chuàng)建相對風向變化和風速加減的查找表。若假定邊界層為自相似流動，則在任意風速和風向的情況下，可以在每個中點位置進行給定方向求解，東、西2個基本方向的求解結果如圖8所示。

查找表包含了給定位置的風場數(shù)據(jù)。中心的太陽輻照度、風速風向和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)從距離最近的氣象站獲取。從動態(tài)調(diào)整線路容量的角度來看，這些是WindSim的關鍵輸出，CCE使用這些輸出計算線路可用容量。

圖8 風場求解結果Figure 8 Wind field results

2.2 可用容量計算

CCE是動態(tài)調(diào)整線路容量的核心，通過考慮當?shù)厝缣栞椛?、當前溫度和輻射熱損失等天氣數(shù)據(jù)來支撐計算架空線可用容量。CCE采用IEEE 738標準，并利用熱能平衡方程計算實時穩(wěn)態(tài)電流容量：

(4)

式中qr、qc、qs分別為輻射熱損失、對流熱損失和通過太陽輻射獲得的熱增益；R為導體電阻，是關于導體溫度Tc的函數(shù)；I為流過導體的電流。

單位長度輻射熱損失(W/m)：

qr=0.013 8Dε·

(5)

式中ε為發(fā)射率；D為導體直徑；Tc為導體溫度；Ta為環(huán)境空氣溫度。

單位長度的熱傳導損失(W/m)：

kfKangle(Tc-Ta)

(6)

或者

(7)

式中Vw為空氣的速度；μf為粘度；ρf為流體參數(shù)密度；kf為環(huán)境溫度下計算的導熱系數(shù)；Kangle為風向系數(shù)。風速小于1.34 m/s時采用式(6)計算qc，風速大于1.34 m/s時采用式(7)計算qc。

Kangle=

1.194-cosφ+0.194cosφ+0.368sin 2φ

(8)

其中φ為線路方位和傳入風向量之間的角度。風向系數(shù)可以顯著改變冷卻效果，因為在比較直接平行和直接垂直風流時，風向系數(shù)可以變化3倍。導體還從太陽輻射中獲得熱能，根據(jù)IEEE 738標準，太陽輻射產(chǎn)生的熱增益為

qs=αQseA′sinθ

(9)

式中α為太陽吸收率；Qse為經(jīng)海拔校正的太陽和天空總輻射熱通量；θ為太陽光的有效入射角；A′為單位長度導體的投影面積。

CCE通過將實時電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)與現(xiàn)場部署的氣象站測量數(shù)據(jù)和計算的流體力學模型相結合，計算具有少量氣象站的線路可用容量。CCE還能夠通過靈活的系統(tǒng)架構集成傳感器、通信通道、數(shù)據(jù)管理和實時處理系統(tǒng)，從而向電網(wǎng)公司提供架空線熱限制的信息，支持電網(wǎng)公司系統(tǒng)進行更好的運營規(guī)劃。CCE在計算中使用架空線特定的導體熱物理和幾何特性。CCE還可以使用在本研究期間收集的天氣數(shù)據(jù)，以計算歷史載流量與負荷的關系。

3 案例分析

電網(wǎng)公司收集氣象站數(shù)據(jù)，并將負荷數(shù)據(jù)加載到CCE中。在收到來自電網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)后，CCE利用這些處理后的數(shù)據(jù)來計算出每條線路段的可用容量。由于在所有氣象站數(shù)據(jù)中，基于WS32氣象站的數(shù)據(jù)通常計算出的可用容量最低，本文主要考慮來自WS32氣象站的數(shù)據(jù)(除非特別說明，否則均以WS32氣象站數(shù)據(jù)為基礎)。

3.1 計算出的可用容量和現(xiàn)有靜態(tài)額定容量

將4個線路的當前靜態(tài)額定容量與計算出的可用容量進行比較，主要說明每條線路容量的增加潛能以及在該地區(qū)承載額外風能的可行性。

Ⅱ型線路的計算可用容量和當前靜態(tài)額定容量之間的比較如圖9所示，靜態(tài)額定基準被設置為零，計算時間序列中每個數(shù)據(jù)點的計算可用容量和靜態(tài)額定容量之間以及負荷和靜態(tài)額定容量之間的差值，按降序對這些數(shù)據(jù)進行排序，這是為了將載流量裕量顯示為負值，以直觀分析所提出方法的性能。橫坐標時間百分比指的是大于對應數(shù)據(jù)值的時間段與整個試驗周期的比值，這是為了在時間層面上對計算可用容量與靜態(tài)額定容量進行比較。對于Ⅱ型東西和南北向線路，在整個試驗周期內(nèi)，計算可用容量有95%的時間高于應用季節(jié)性靜態(tài)額定容量的情況，平均比季節(jié)性靜態(tài)額定容量增加72%。

圖9 Ⅱ型線路的計算可用容量與靜態(tài)額定容量Figure 9 Calculated available capacity and static rated capacity of type Ⅱ lines

Ⅰ型線路的計算可用容量和當前靜態(tài)額定容量之間的比較如圖10所示，對Ⅰ型線路使用的分析方法與在Ⅱ型線路中使用的分析方法相同。對于Ⅰ型東西向和南北向線路，在整個試驗周期內(nèi)，計算可用容量有76%以上的時間高于使用全年靜態(tài)額定容量的情況，平均比全年靜態(tài)額定容量增加22%。

圖10 Ⅰ型線路的計算可用容量與靜態(tài)額定容量Figure 10 Calculated available capacity and static rated capacity of type Ⅰ lines

線路計算可用容量、線路負荷、靜態(tài)額定容量之間的差異如圖11、12所示，可以看出，即使在額定負荷情況下，Ⅱ型線路也有很大的負荷提升空間，而Ⅰ型線路更接近靜態(tài)限制。事實上，Ⅰ型東西向線路負荷(圖12(a))在一段時間內(nèi)非常接近靜態(tài)極限，即使所有線路在地理上距離都不是很遠，但可用容量提升空間差別很大。Ⅱ型南北向線路的提升空間最大(圖11(b))，而Ⅰ型東西向線路(圖12(a))的提升空間最小。

圖11 Ⅱ型線路的計算容量與線路負荷Figure 11 Calculated capacity and load of type Ⅱ lines

圖12 Ⅰ型線路的計算容量與線路負荷Figure 12 Calculated capacity and load of type Ⅰ lines

3.2 線路容量與負荷對比分析

使用WS32氣象站作為參考來計算每條線路的可用容量?？紤]到環(huán)境溫度的差異，Ⅱ型線路是季節(jié)型靜態(tài)額定容量，而Ⅰ型線路使用全年靜態(tài)額定容量。從圖11可以看出，Ⅱ型線路在整個測試周期內(nèi)，負荷從未超過靜態(tài)額定容量。然而在特定時間段內(nèi)，計算出的容量在風速較低或環(huán)境溫度高于設定靜態(tài)額定容量時，計算容量可能會低于靜態(tài)額定容量。從圖11(a)、(b)可以看出，2條線路的負荷和靜態(tài)額定容量變化趨勢一致。

類似地，Ⅰ型線路計算容量、負荷和靜態(tài)額定容量對比見圖12。與Ⅱ型線路情況不同，Ⅰ型線路在容量上具有更高的擁堵性。觀察到有幾個時間段的負荷非常接近靜態(tài)額定容量，線路存在擁堵的跡象。此外，即使計算的可用容量在大多數(shù)時間高于靜態(tài)額定容量，但在某些情況下，計算的額定容量也低于靜態(tài)額定容量。在靜態(tài)額定容量高于計算的可用容量期間，導體溫度可能達到較高水平。

整個研究期間出現(xiàn)了計算可用容量在短時間內(nèi)低于線路負荷的情況。在7個實例中，負荷大于計算可用容量的情況如表2所示，總時間為21 min。負荷高于計算可用容量的實際情況如圖13所示，2018年12月8日觀測到的最長一段持續(xù)時間為9 min，在此期間負荷迅速增加，負荷回升后不久氣象站處的風力增加。負荷超過計算可用容量的主要原因是天氣條件，即風在到達架空線之前就已到達風電廠。這種情況下動態(tài)調(diào)整線路容量提供了更好的實時態(tài)勢感知。

表2 線路負荷高于計算容量的情況Table 2 Cases where the line load is higher than the calculated capacity

圖13 Ⅰ型南北向線路負荷高于計算容量的情況Figure 13 Case where the type Ⅰ north-south line load is higher than the calculated capacity

3.3 流體力學模擬精度評估

為了評估流體力學模擬的準確性，將相鄰氣象站的流體力學模擬值進行比較，并與通過研究收集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行比較。通過流體力學模擬計算風速預測值，然后將該預測值與實際測量值進行比較以評估誤差。計算總熱損失時取風速的平方根，則氣象站之間風速預測的13%的平均誤差轉化為熱量損失的6%的平均誤差。中心氣象站W(wǎng)S3和3個外部氣象站結果對比如表3所示，氣象站之間的最大誤差為13%。以30 m的地形分辨率進行精度分析，如果使用10 m甚至1 m的分辨率來解析流體力學模型中的地形特征，則模型精度可獲得提升。

表3 中心氣象站和3個外部氣象站結果對比Table 3 Comparison of results between the central weather station and three external weather stations

3.4 增加風能負荷的影響

為了研究風能負荷增加對線路容量的影響，假設：在測試區(qū)新建風電場，并對I型南北向線路進行分析；風力發(fā)電廠位于WS14氣象站以北5 km、以西1.6 km處?？紤]WS32、WS14這2個氣象站的天氣資料進行分析。

1)WS32氣象站數(shù)據(jù)分析。

使用WS32氣象站數(shù)據(jù)模擬保守天氣場景進行分析。整個研究期間計算可用容量與負荷的關系如圖14、15所示，觀察到有5次負荷大于計算可用容量的情況，負荷超過可用容量總持續(xù)時間為102 min，占總研究周期的0.04%。最長的一次長達36 min，這需要減少風力發(fā)電量來保護輸電線路。

圖14 增加風能負荷情況下I型南北向線路負荷與計算容量對比Figure 14 Comparison of load and calculation capacity of Type I north-south line under the condition of increasing wind power load

圖15 增加風能負荷情況下計算可用容量低于負荷實例Figure 15 Case of calculating available capacity lower than load under the condition of increasing wind power load

2)WS14氣象站數(shù)據(jù)分析。

WS14氣象站位于I型線路的起點，并且距離風能聚集點的位置最近。對比計算可用容量和負荷，如圖16所示，共發(fā)生3個負荷超過計算可用容量事件，3個事件總持續(xù)時間為45 min，只占研究周期的0.017%左右。而負荷多次超過靜態(tài)額定容量，總計為375 h，占研究周期的8%左右，線路可能被迫減少負荷以保持合規(guī)性。

圖16 增加風能負荷情況下I型南北向線路負荷與計算容量對比Figure 16 Comparison of load and calculation capacity of type I north-south line under the condition of increasing wind power load

負荷超過計算可用容量的實例如圖17所示，負荷超過計算可用容量的每個事件信息如表4所示。盡管3個事件發(fā)生時負荷超過計算出的載流量，但與WS32相比持續(xù)時間較短，并且在這些事件前、后有數(shù)百安培左右容量的提升空間。這意味著所有情況下導體過載后都很容易冷卻。

圖17 增加風能負荷情況下計算可用容量低于負荷實例Figure 17 Case of calculating available capacity lower than load under the condition of increasing wind power load

表4 線路負荷高于計算容量的情況Table 4 Cases where the line load is higher than the calculated capacity

以上結果分析基于文2中介紹的試點區(qū)研究。全球氣候變化可能會顯著改變輸電線路運行的環(huán)境，從而影響導線的耐久性。由于傳統(tǒng)靜態(tài)線路額定容量假定載流量恒定，而不考慮實時天氣情況，因此，傳統(tǒng)靜態(tài)額定容量不能考慮全球氣候變化引起的環(huán)境變化。這種情況最終會增大線路超過最高溫度限制的風險。然而，動態(tài)調(diào)整線路容量的實施會根據(jù)測量到的當?shù)貧庀髼l件動態(tài)計算線路可用容量，從而降低線路電流超過限值的風險，并在不斷變化的環(huán)境中提供態(tài)勢感知。

4 結語

本文對基于風向風速等氣象參數(shù)動態(tài)調(diào)整線路容量方法的價值進行了量化，以提高現(xiàn)有架空線的容量利用率。對于所研究的架空線系統(tǒng)，在整個試驗周期內(nèi)計算可用容量有76%以上的時間高于使用全年靜態(tài)額定容量的情況，計算可用容量平均比全年靜態(tài)額定容量增加22%以上。此外，假設在測試區(qū)新建風電場，研究風能負荷增加對線路容量的影響，以證明所提出方法的可擴展性。

在下一步工作中，將結合流體力學模擬數(shù)據(jù)和政府天氣預報數(shù)據(jù)，以精準預測線路可用容量。此外，還將對人為因素和預測不確定性進行討論，并探討將其整合到電網(wǎng)調(diào)度決策中的可行性。