架空线路热稳传输能力提升方法研究

李宏强,魏亚威,马晶,周雷,鲁广明,顾雨嘉

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院,宁夏 银川 750011;2.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192)

0 引 言

随着中国国家碳排放政策的进一步明确,以风电、光伏为主体的新能源将得到进一步发展[1]。新能源出力受光照、风力等自然影响因素较大,具有较高的波动性,此外,光伏和风电的出力峰值也和日常电网的负荷曲线峰值不匹配,影响了新能源的本地消纳水平[2]。中国目前采用了特高压交直流电网跨区域长距离异地输送的方式,作为新能源全额消纳的解决方案[2]。该方案在设计时对输电线路最大输送能力的规定留有较大裕量,如风速、温度和光照等影响线路传输能力关键参数均是采用实验室的理论组合(弱风、高温和强光照)。根据西北地区线路实际运行环境气象数据分析,弱风、低温和强光组合为主导气象的情况出现较少,因此,如果综合考虑西北地区实际气象条件情况,输电线路有一定的增容潜力[3-4]。目前,线路增容能力分析方法较常采用新增微气象装置监测单条线路的数据[5],能提供的方案仅针对单一线路,覆盖面有限,无法解决大规模新能源大范围转移消纳的挑战。

现有输电线路传输能力动态挖掘提升方法,主要依据通用计算模型开展研究。通常,通用计算模型所需的数据普遍要求较高精度,因此,根据采集数据方式的不同,传输能力动态挖掘方法可大致区分为直接在导线加装接触式量测装置和不主要依靠本地接触式量测数据两大类方法[5-9]。接触式量测数据精度高,针对选定架空输电线路,通过增设传感设备实现对环境信息的有效收集并计算线路增容空间是此类方法的主要特点[6-8]。对于明确需要提升传输能力的线路,建设和应用实施见效快,但同样也存在后期维护复杂,重复建设内容多,投资花费高的问题。

非接触式监测随着高空气象遥感技术的逐步成熟,已逐步成为热门的技术方案。该方法通过对架空线路杆塔等位置架设监测周围气象环境设备完成计算[5,9],能实现气象数据采集装置架设与输电线路正常运行隔离。该方法实施不影响输电线路运行状态,但线路微气象随环境变化(风速、风向、环境温度等)较快,并且对于低风速结果误差相对较大。此外,受输电线路走向、地形和区域气象条件的变化,线路在不同位置运行环境会有变化,存在固有误差。

以上方法都基于电力系统架空线路的热稳定传输能力通用计算模型开展。IEEE Std 73—2012[10],CIGRE标准[11]以及我国提出的《架空输电线路运行规程》[12]均提出了电力系统架空线路的热稳定传输能力计算模型。在通用模型基础上,研究人员进一步结合本地区预设环境参数来形成输电线路载流量工程计算模型。随着对架空线路动态增容领域研究的深入,通用模型计算精细度不足的问题引起了学术界关注并提出了多种针对性模型改进方法[13-15]。

通过考虑我国送端电力系统普遍存在“大风-沙尘”情况,针对新能源汇集区送端电网实际气象条件和特点,提出考虑沙尘影响的改进型热稳定传输容量计算模型。考虑区域气象变化条件,提出一种输电线路热稳定传输容量关键线路筛选方法。通过宁夏电网实际线路热稳受限场景验证,可实现对现有受限线路在新能源出力大发场景下的输电能力提升。

1 考虑电晕效应的线路热稳计算模型

1.1 架空线路热稳定传输容量计算模型分析

目前,架空线路载流量的计算标准主要有IEEE标准[10]、CIGRE标准[11]以及Morgan公式[12],其中大多数国家普遍采用的是IEEE标准,我国架空输电线路运行规程中采用的是Morgan公式。以上四种标准均考虑了对流散热、辐射散热、日照吸热和电流焦耳热的影响,只是各标准对每种因素的计算方法有所差异。CIGRE标准在考虑以上几种因素的同时,还考虑了磁滞损耗加热、电晕加热和蒸发散热的影响,相比之下,CIGRE标准对于线路载流量的计算考虑的因素更为全面、细致。目前所给出的CIGRE标准中并未给出关于磁滞损耗加热、电晕加热和蒸发散热的工作温度的计算方法。由于IEEE标准对参数的计算进行了简化,更适合于实际的工程应用。本文以IEEE标准中关于架空线路载流量的计算模型进行分析研究,并在此基础上建立适用于我国新能源规模化接入的送端电网区域载流量计算模型。

架空线路的热状态取决于当时的环境气象参数,如风速、风向、环境温度或日照强度,以及流过导线的电流。假设上述所有参数随时间保持相对恒定状态,则导线可以被认为处于电流和温度都恒定的“稳态”,即:导线产生的焦耳热和太阳辐射提供的热量等于对流和辐射向环境中散发的热量。假设输电线路为实心的圆柱体结构,如图1所示,忽略子导线之间的空气间隙,其稳态热平衡方程为

qc+qr=qs+I2R(Tc)

(1)

图1 架空线路热平衡。

载流量计算模型为

(2)

式中:qc为对流散热,W/m;qr为辐射散热,W/m;qs为日照吸热,W/m;I为导线载流量,A;R(Tc)为导线温度为Tc时的交流电阻,Ω/m。

1.2 架空输电线路电晕效应分析

电晕放电是发生在高压输电线路上的一种现象。当输电线路运行时,导线附近会产生强度较大的电场,空气中游离的电子会在电场的作用下发生碰撞或电离等一系列的反应,导线就会产生电晕放电。随着输电线路电压等级的不断提高,电晕放电现象会更加突出。此外,输电线路的电晕放电强度还与导线表面状况、天气情况和空气湿度等因素有关。针对我国实际情况分析,新能源规模化接入的电力系统通常位于西北无人、少人等区域,新能源大发时,通常也是大风或强光等易诱发风沙的时段。

输电线路的运行温度影响输电线路的技术和经济性能,但是影响导线运行温度升高的因素除了流过导线的电流以及吸收的太阳热能外,架空裸导线周围电晕引起的功率损耗也会引起导线的运行温度升高。通常新能源所处的送端电网地区多为干旱、大风、沙尘暴等灾害性天气发生频率较高地区,而沙尘天气会导致电晕放电强度增大;因此,为了提高在实际条件下计算导线运行温度的准确性,必须考虑电晕加热效应的影响。

以钢芯铝绞线为例,利用有限元仿真软件对沙尘环境下输电线路进行简单的建模。本研究主要是针对各因素下的电晕放电热效应对导线内部温度的分析,因此,该分析可以利用导线的平均温度得出导线温度随各影响因素的变化关系。为了简化计算,建立忽略钢芯铝绞线内部的空气间隙、材料具有各向同性的均质化导线模型。为了研究空气中悬浮的沙尘浓度和沙尘粒径对电晕放电的影响,因此,在建模时在空气域中绘制了与沙粒同等大小的圆,并将其设置为沙粒的同等属性,根据空气中悬浮的沙尘浓度来确定在空气域中的沙粒数量。利用有限元多物理场分析软件建立的沙尘环境下均质化导线模型如图2所示。

图2 均质化导线和沙尘环境模型。

电晕放电过程中参与等离子体化学反应的粒子较多且反应方程式较为复杂,因此,针对送端电网主要分析空气中N2、O2和H2O对电晕放电的影响。等离子体的放电反应主要考虑了e、N2、N2+、N4+、N2O2+、O2、O、O-、O2+、O4-、O4+、O3、H2O、H2、OH、H-、OH-、H2O+等18种粒子。

钢芯铝绞线和沙粒的各项性质如表1所示。

表1 钢芯铝绞线和沙粒的性质

2 沙尘因素影响分析

利用有限元分析软件建立钢芯铝绞线二维均质化导线模型,其中绘制的钢芯铝绞线外径为9.66 mm,钢芯直径为7.2 mm,空气域为半径为70 mm的圆。电晕放电过程中参与等离子体化学反应的粒子较多且反应方程式较为复杂,因此主要分析空气中N2、O2和H2O对电晕放电的影响,设定空气中初始电子数密度Ne为1×1 013 m-3,环境温度T0为40 ℃,压力p0为88.35 kPa,忽略空气流动对电晕放电的影响。由于电晕放电的速度一般为十几纳秒,相对于电晕放电电压几乎恒定,可以近似为直流放电,所以放电时间设置为20 ns,导线电压V0为220 kV,为了使计算能在较短时间内收敛,施加电压为Vapp=V0·tan h(1×104t) 。为了研究空气中悬浮的沙尘浓度和沙粒粒径对电晕放电的影响,因此在仿真时在空气域中绘制与沙粒同等大小的圆,其密度设置为沙粒的密度2 200 kg/m3,导热系数设置为0.136 0 W/(m·K),根据空气中悬浮的沙尘浓度来确定在空气域中的沙粒数量。

2.1 无沙尘环境

图3为无沙尘环境下,空气相对湿度为80%时的电晕放电对周围空气和导线温度的影响。

由图3(a)中可以看出,电晕放电对导线附近的空气温度影响最大,在t=20 ns时,导线附近空气温度最高达到了135 ℃;由图3(b)可以看出导线内的平均温度随着放电时间的增大逐渐升高,到t=20 ns时导线内温度升高。

(a)无沙尘影响的电晕放电对周围空气温度影响。

(b)无沙尘影响的电晕放电对导线温度影响图3 无沙尘环境下空气和导线的温度变化。

2.2 有沙尘环境

当沙尘粒径为0.2 mm,沙尘浓度为1 150 mg/m3,相对湿度为80%时的仿真结果如图4所示。

(a)沙尘条件下电晕放电对周围空气温度影响。

(b)沙尘条件下电晕放电对导线温度影响图4 有沙尘环境下空气和导线的温度变化。

由图4中(a)可以看出,在t=20 ns时,导线附近空气温度最高达到230 ℃;由图4(b)可以看出导线内的平均温度随着放电时间的增大逐渐升高,到t=20 ns时导线内温度升高了0.001 ℃。

通过对比有无沙尘环境可知,在同等条件下,沙尘环境中导线电晕放电明显增强,产生的热量较多,对导线的加热功率较大。

由仿真结果得到导线内温度的变化量ΔT=0.001 ℃,然后通过式(3)计算电晕放电对导线的加热功率:

qf=SLCvΔT

(3)

式中:S为导线的横截面积,m2;L为导线的长度,m;Cv为导线的体积比热容,[J/(m3·℃)];T为导线内温度的变化量。

因此,新的输电线路热稳定传输平衡方程变为

qc+qr=qs+qf+I2R(Tc)

(4)

载流量计算模型变为

(5)

3 考虑区域气象的受限关键线路筛选

综合考虑新能源汇集区域信息、送出线路的电压等级以及区域气象因素,提出考虑热稳定传输容量影响的关键线路筛选方法。该方法主要包括五个主要过程:

1)考虑省级电网调度运行管理范围(330 kV和220 kV电压等级为主),并结合输电线路的线路材质(重点筛选没有绝缘皮的LGJ系列钢芯铝绞线),开展第一步筛选;

2)在输电线路第一步筛选基础上,进一步考虑输电线路使用年限和跨越区域,选取使用年限较短,跨越区域较多的线路;

3)考虑电网所在地区的地理气象信息,在步骤2)的基础上,进一步选取和本地区风速风向呈垂直角度的输电线路,这种情况下线路受风影响程度均匀,动态增容潜力较大;

4)在初步筛选基础上,进一步考虑区域新能源汇集区情况,选取新能源汇集区集中线路;

5)考虑线路在调度计划方式下受限程度,选取受限程度高的线路形成热稳定传输容量提升的关键输电线路集。

4 仿真算例分析

选取宁夏电网的新能源汇集区传输容量受限场景,构建分析算例,验证所提出的考虑区域气象信息的非侵入式架空输电线路热稳定传输容量提升空间计算方法的适用性。

宁夏地区新能源基础资源非常丰富(风、光资源较好),新能源可供开发位置较多,但普遍位于宁夏西北和西南区域。具体而言,主要集中在A、B及C等地区,其中A地区风力资源丰富,开发较早,已经形成连片风电基地。风光新能源基地所处位置相似,使得其高发、大发时间点相近,并网消纳集中化、规模化特征极为明显。

分析宁夏地区2020年风电和光伏全年出力数据,如图5和图6所示。

图5 2020年光伏全年出力数据。

图6 2020年风电全年出力数据。

可以看出,宁夏风电不超过出力60%的占比约98.13%。根据光伏出力特性,宁夏光伏出力不超过60%的占比约96.5%。风电出力和风速正相关,光伏出力和太阳辐照度和温度正相关。光伏和风电变化特性汇总如表2所示。综合考虑宁夏地区的沙尘天气对风电和光伏出力的影响,如表3所示。

表2 宁夏风电和光伏年出力统计特性

表3 宁夏新能源、沙尘及负荷变化特性

新能源出力和负荷出力最大、最小时间不同时出现。对于宁夏地区考虑新能源接入,其本地电源出力远大于本地负荷的消纳能力,为保证新能源消纳,必须将规模化的电能通过特高压进行大规模的外送。在本地负荷未有明显增长,而新能源快速增长的夏季会出现消纳问题,其中宁夏电网A地区新能源消纳受限情况较严重。

针对宁夏电网的新能源消纳受限的A地区,进一步结合A区域电网拓扑与区域气象环境开展综合分析。其中区域历史气象数据,综合采用中国电力科学研究院有限公司新能源研究中心的电网气象数据与宁夏电网本地新能源历史数据进行分析(2019—2020年)。中国电科院电力气象数据采用通用的环境网络公用数据格式(NetCDF),气象NetCDF数据包括了网格点经度、纬度、时间、70 m高处风速、70 m高处风向、2 m高处湿度、2 m高处温度、积累雨量等8大类基础数据。

宁夏A地区新能源送出局部拓扑如图7所示。其中,新能源基地由绿色圆点表示,例如A地区的X风电基地,T风电基地等。宁夏电网所属330 kV母线节点由黑色圆点代表,如Y、Z变电站等。外送节点由蓝色圆点表示,如S变电站。新能源消纳跨区域外送线路由黄色表示。本文所选A地区受限线路330 kV Z-S双回线,则采用红色加粗线路表示。330 kV Z-S双回线是A地区新能源送出的重要通道,受制于线路额定输送容量不足,严重制约A地区新能源送出。

图7 宁夏A地区新能源送出局部网架拓扑。

330 kV Z-S双回线,按照常规的25 ℃基准环境温度,温升上限40 ℃,风速校核值0.5 m/s,其最大可传输电流是690 A,单线路最大传输容量为788 MW。

根据表4所示2019年A地区春季与夏季的日间、夜间风速变化情况,A地区所处线路330 kV Z-S双回线所处地区春季(4月17日)风速夜间在3～6m/s浮动,日间风速则可达到7～10 m/s高值;夏季(8月8日)夜间可达10～12 m/s高值,日间风速则在2～5 m/s低值波动。

表4 2019年宁夏A地区春季与夏季的日间、夜间风速变化情况

将A所在区域风速、温度、光辐照强度与沙尘气象因素综合考虑,依据公式(5)开展计算,计算结果显示Z-S双回线单线线路热稳传输能力短时可最大提升22%(春季日间或夏季夜间),最大可由788 MW提升至961 MW。

5 结 论

本文在分析架空线路传输能力通用计算模型的基础上,首先考虑我国送端电力系统普遍存在“大风-沙尘”情况,针对新能源汇集区送端电网实际气象条件和特点,提出了考虑沙尘影响的改进型热稳定传输容量计算模型。考虑区域气象变化条件,提出了输电线路热稳定传输容量关键线路筛选方法。通过宁夏电网实际线路热稳受限场景验证,结果显示,可实现对现有受限线路在新能源出力大发场景下的输电能力提升。本文所提出的方法可以实现对电力系统热稳定传输能力提升潜力有效挖掘,为调度中心决策提升新能源消纳能力提供辅助支撑。