同杆并架双回线功率不平衡分析

王浩远　刘阳升　王高猛　昌柯君

摘 要：城市输电线路受到输电走廊限制，多采用同杆并架双回线甚至四回线不换位架设，导致回线之间的功率差别较大，产生的循环功率直接影响电力系统运行的可靠性。现基于PSCAD搭建同杆并架双回线仿真模型，分析线路长度、电压等级、单位长度电阻、线间水平距离、线间垂直距离、对地高度、大地电阻率以及线路负载等因素对回线之间功率差别的影响规律，以此指导同杆并架多回线的布置设计，降低回线之间的功率差对电力系统运行的影响。

关键词：同杆并架双回线；不换位架设；功率不平衡；影响因素

中图分类号：TM75    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）13-0019-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.005

0    引言

隨着我国城市化快速发展，土地资源越来越紧张，导致城市电网的输电线路走廊受到很大限制，双回、四回甚至多回高压输电线路越来越多。在实际工程中，100 km以下的往往采用不换位方式架设，很容易导致各回线之间的功率相差较大，两回线之间出现循环功率，一方面会导致网损增大，电网运行经济性变差[1]，另一方面将使状态估计结果出现较大误差[2]，影响运行策略的最优决策。

现有对不换位架设同杆并架双回线的研究，集中在分析不平衡电流的产生机理及其对故障诊断和保护动作性能的影响上。文献[3]在排除设备缺陷和量测误差的基础上，采用定性分析得到每回线穿越电流不平衡产生的原因是架空线对地面位置不对称，双回线之间出现循环电流的原因是两回路之间的感应零序和负序电势之和不为零，并分析了电流不平衡对于继电保护动作特性的影响情况。文献[4-8]分别仿真分析了不同电压等级的不换位同杆并架双回线线间不平衡电流及穿越电流的产生机理，均得到了类似结论：双回线中每回线导线的不同排列方式对于循环不平衡电流及穿越电流均有重要影响，该不平衡电流对于保护的动作特性也有重要影响。文献[9-12]基于潮流方程的相分量法，研究了同杆并架双回线故障电流的计算方法。

上述文献对于双回线之间有功传输功率及无功传输功率的差异性及影响因素并未涉及，难以得知传输功率差异小的条件。本文从工程实际场景出发，通过PSCAD搭建同杆并架双回线模型，再现工程实际场景，并分析线路长度、电压等级、单位长度电阻、线间水平距离、线间垂直距离、对地高度、大地电阻率以及线路负载等因素对回线之间功率差别的影响规律，从而确定功率差别的主要影响因素。

1    不换位同杆并架双回线线间功率不平衡现象

为了方便叙述，本文将同杆并架双回线其中一回线的三相总有功（或三相总无功）与另一回线的三相总有功（或三相总无功）不相等的现象称为回线间功率不平衡，并将Ⅱ线的传输有功功率与Ⅰ线的传输有功功率之差称为回线间传输有功功率差，简称为“回线间有功差”，将Ⅱ线的传输无功功率与Ⅰ线的传输无功功率之差称为回线间传输无功功率差，简称为“回线间无功差”。

同杆并架双回线间功率不平衡的现象在多省区电网等实际网络中的500 kV不换位架设短线路普遍存在，尤其以火电厂的500 kV出线最为严重。以我国南部某省区电网的5449线和5450线为例，局部网络如图1所示，该线路为同杆并架双回线，全长65 km，采用不换位方式架设，线路电压等级为500 kV。

该电网某运行断面中各回线的三相有功与三相无功如表1所示，可以看出，回线间无功差比回线间有功差大，电厂侧回线间有功差占双回线总有功负载约0.7%，回线间无功差占双回线总无功负载25.28%，相应变电站3698侧分别约为0.5%和19%，回线间无功差占比要远大于回线间有功差占比，并且该现象长期存在。

图2画出了2015年4月12日至14日5449线和5450线变电站3698侧回线间无功差的日变化曲线，可以看出，不同负荷水平下回线间无功功率存在较大波动，观测时间段内最小无功差约30 Mvar，最大时达到将近100 Mvar。

2    不换位同杆并架双回线仿真模型

通过收集5449线和5450线的架设参数，在PSCAD中搭建该局部网络的等效仿真模型，如图3所示。

不换位同杆并架双回线的基准参数选择如下：

导线半径0.020 345 4 m，分裂间距0.457 2 m，分裂数4，线路单位长度电阻0.001 Ω/km，最底端的一相导线对地垂直高度23 m，导线水平距离14.5 m，线间垂直距离11 m，线路长度30 m，大地电阻率100 Ω·m，线路电压等级500 kV，双回线线路末端三相总有功负荷和总无功负荷分别为1 600 MW和200 Mvar，其他为PSCAD默认参数。

通过PSCAD仿真得到异相序排列与同相序排列下各线的功率和电流不对称度情况，结果如表2、表3、表4所示。

从表2、表3、表4可以得出如下结论：

（1）异相序排列时零负序电流不对称度远大于同相序排列。

（2）同相序排列时双回线之间总的有功功率、无功功率差为零；而异相序双回线之间总的有功功率、无功功率差不为零，首末端双回线间有功差占双回线总有功功率约1%，首末端双回线间无功差占双回线总无功功率约50%，相应要实现其无功的准确估计，必须采用三相状态估计。

（3）对于异相序排列，双回线间无功差远大于有功差，双回线间无功差占双回线总无功功率的比例远大于双回线间有功差占双回线总有功功率的比例。

以上说明搭建的仿真模型基本与5449线和5450线一致，可以利用该模型进行进一步分析。

3    功率不平衡的影响因素分析

线路参数是影响回线间功率不平衡的根本原因，而线路参数的主要影响因素包括单位长度电阻、线路长度、电压等级、大地电阻率、线路对地高度、相邻线路垂直间距、相邻线路水平间距、线路有功负载和无功负载，考虑到影响因素比较多，限于篇幅，本文选择线路长度、相邻线路水平间距对回线间功率不平衡的影响进行PSCAD仿真分析。

3.1    线路长度和线路三相总负载对回线间传输功率差的影响

在基准参数的基础上，当线路长度在区间10～110 km内变化时，分别仿真得出不同的线路三相总有功负载、三相总无功负载下电源侧的回线间传输有功差百分比、电源侧的回线间传输无功差百分比，如图4、图5所示。

可以看出，线路长度对有功差百分比和无功差百分比几乎没有影响。回线间有功差百分比不受线路三相总有功负载和无功负载大小影响，回线间无功差百分比受线路三相总有功负载和总无功负载影响较大：三相总有功越大，回线间无功差百分比越大；三相总无功的绝对值越小，回线间无功差百分比越大。在不同的线路长度、线路三相总有功负载和总无功负载下，回线间无功差百分比均远大于回线间有功差百分比。

3.2    相邻线路的水平间距和线路三相总负载对回线间传输功率差的影响

在基准参数的基础上，当线路水平间距在区间5～15 m内变化时，分别仿真得出不同的线路三相总有功负载、三相总无功负载下电源侧的回线间传输有功差百分比、电源侧的回线间传输无功差百分比，如图6、图7所示。

可以看出，线路水平间距对有功差百分比没有影响，而对无功差百分比影响较大：水平间距越大，无功差越小。回线间有功差百分比不受线路三相总有功负载和总无功负载大小影响，回线间无功差百分比受线路三相总有功负载和总无功负载影响较大：三相总有功越大，回线间无功差百分比越大；三相总无功的绝对值越小，回线间无功差百分比越大。在不同的线路水平间距、线路三相总有功负载和总无功负载下，回线间无功差百分比均远大于回线间有功差百分比。

同理对其他因素进行分析，从仿真结果不难得出，单位长度电阻、线路长度、电压等级、大地电阻率、线路对地高度、相邻线路的垂直间距、相邻线路的水平间距、线路三相总有功传输功率和总无功传输功率各影响因素对回线间功率差百分比的影响规律如下：

（1）回线间有功差百分比受线路三相总有功负载和总无功负载大小影响极小，回线间无功差百分比受线路三相总有功负载和总无功负载影响较大：三相总有功越大，回线间无功差百分比越大；三相总无功的绝对值越小，回线间无功差百分比越大。

（2）线路垂直间距对有功差百分比几乎没有影响，而对无功差百分比影响较大：垂直间距越大，无功差越大；在不同的线路垂直间距、线路三相总有功负载和总无功负载下，回线间无功差百分比均远大于回线间有功差百分比。

（3）线路水平间距对有功差百分比几乎没有影响，而对无功差百分比影响较大：水平间距越大，无功差越小；在不同的线路水平间距、线路三相总有功负载和总无功负载下，回线间无功差百分比均远大于回线间有功差百分比。

（4）其他因素，包括单位长度电阻、线路对地高度、线路长度、电压等级和大地电阻率则可以忽略其对回线间功率差的影响。通过对其他垂直型非同相序排列的功率分布和电流不平衡度进行分析，也同样得出与上述3个结论相同的分析结果。

采用与垂直型布置短线路不换位同杆并架双回线的线路阻抗矩阵特点分析和双回线间功率差机理分析相同的分析思路，可以分析水平型、鼓型和三角型布置方式下线路阻抗矩阵和双回线间功率差的特点，也可以得出类似的结果。因此，在垂直型、水平型、鼓型和三角型布置方式下，同相序排列时可以用单相状态估计实现准确的无功估计，但其他排列方式下必须采用三相状态估计模型及算法才能实现准确的状态估计。

4    结束语

本文基于PSCAD仿真分析了线路长度、电压等级、单位长度电阻、线间水平距离、线间垂直距离、对地高度、大地电阻率以及线路负载等不同影响因素对回线间功率差的影响规律，并得到了主要影响因素是线间水平距离、线间垂直距离和线路有功负载、无功负载。

基于本文的仿真结论，对于已建成的不换位同杆并架双回线，可以根据其布置方式选择最佳的状态估计模型对输电网进行状态估计计算，以提高状态估计的精度，而不是延续经验均按单相模型进行计算。

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收稿日期：2023-03-13

作者简介：王浩远（1990—），男，河南许昌人，硕士，研究方向：电力系统调度。

刘阳升（1987—），男，广西来宾人，博士，硕士生导师，研究方向：智能配电网。