李宏強(qiáng),魏亞威,馬晶,周雷,魯廣明,顧雨嘉

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011;2.中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192)

0 引 言

隨著中國國家碳排放政策的進(jìn)一步明確,以風(fēng)電、光伏為主體的新能源將得到進(jìn)一步發(fā)展[1]。新能源出力受光照、風(fēng)力等自然影響因素較大,具有較高的波動性,此外,光伏和風(fēng)電的出力峰值也和日常電網(wǎng)的負(fù)荷曲線峰值不匹配,影響了新能源的本地消納水平[2]。中國目前采用了特高壓交直流電網(wǎng)跨區(qū)域長距離異地輸送的方式,作為新能源全額消納的解決方案[2]。該方案在設(shè)計(jì)時(shí)對輸電線路最大輸送能力的規(guī)定留有較大裕量,如風(fēng)速、溫度和光照等影響線路傳輸能力關(guān)鍵參數(shù)均是采用實(shí)驗(yàn)室的理論組合(弱風(fēng)、高溫和強(qiáng)光照)。根據(jù)西北地區(qū)線路實(shí)際運(yùn)行環(huán)境氣象數(shù)據(jù)分析,弱風(fēng)、低溫和強(qiáng)光組合為主導(dǎo)氣象的情況出現(xiàn)較少,因此,如果綜合考慮西北地區(qū)實(shí)際氣象條件情況,輸電線路有一定的增容潛力[3-4]。目前,線路增容能力分析方法較常采用新增微氣象裝置監(jiān)測單條線路的數(shù)據(jù)[5],能提供的方案僅針對單一線路,覆蓋面有限,無法解決大規(guī)模新能源大范圍轉(zhuǎn)移消納的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有輸電線路傳輸能力動態(tài)挖掘提升方法,主要依據(jù)通用計(jì)算模型開展研究。通常,通用計(jì)算模型所需的數(shù)據(jù)普遍要求較高精度,因此,根據(jù)采集數(shù)據(jù)方式的不同,傳輸能力動態(tài)挖掘方法可大致區(qū)分為直接在導(dǎo)線加裝接觸式量測裝置和不主要依靠本地接觸式量測數(shù)據(jù)兩大類方法[5-9]。接觸式量測數(shù)據(jù)精度高,針對選定架空輸電線路,通過增設(shè)傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)對環(huán)境信息的有效收集并計(jì)算線路增容空間是此類方法的主要特點(diǎn)[6-8]。對于明確需要提升傳輸能力的線路,建設(shè)和應(yīng)用實(shí)施見效快,但同樣也存在后期維護(hù)復(fù)雜,重復(fù)建設(shè)內(nèi)容多,投資花費(fèi)高的問題。

非接觸式監(jiān)測隨著高空氣象遙感技術(shù)的逐步成熟,已逐步成為熱門的技術(shù)方案。該方法通過對架空線路桿塔等位置架設(shè)監(jiān)測周圍氣象環(huán)境設(shè)備完成計(jì)算[5,9],能實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)采集裝置架設(shè)與輸電線路正常運(yùn)行隔離。該方法實(shí)施不影響輸電線路運(yùn)行狀態(tài),但線路微氣象隨環(huán)境變化(風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等)較快,并且對于低風(fēng)速結(jié)果誤差相對較大。此外,受輸電線路走向、地形和區(qū)域氣象條件的變化,線路在不同位置運(yùn)行環(huán)境會有變化,存在固有誤差。

以上方法都基于電力系統(tǒng)架空線路的熱穩(wěn)定傳輸能力通用計(jì)算模型開展。IEEE Std 73—2012[10],CIGRE標(biāo)準(zhǔn)[11]以及我國提出的《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》[12]均提出了電力系統(tǒng)架空線路的熱穩(wěn)定傳輸能力計(jì)算模型。在通用模型基礎(chǔ)上,研究人員進(jìn)一步結(jié)合本地區(qū)預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)來形成輸電線路載流量工程計(jì)算模型。隨著對架空線路動態(tài)增容領(lǐng)域研究的深入,通用模型計(jì)算精細(xì)度不足的問題引起了學(xué)術(shù)界關(guān)注并提出了多種針對性模型改進(jìn)方法[13-15]。

通過考慮我國送端電力系統(tǒng)普遍存在“大風(fēng)-沙塵”情況,針對新能源匯集區(qū)送端電網(wǎng)實(shí)際氣象條件和特點(diǎn),提出考慮沙塵影響的改進(jìn)型熱穩(wěn)定傳輸容量計(jì)算模型?？紤]區(qū)域氣象變化條件,提出一種輸電線路熱穩(wěn)定傳輸容量關(guān)鍵線路篩選方法。通過寧夏電網(wǎng)實(shí)際線路熱穩(wěn)受限場景驗(yàn)證,可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有受限線路在新能源出力大發(fā)場景下的輸電能力提升。

1 考慮電暈效應(yīng)的線路熱穩(wěn)計(jì)算模型

1.1 架空線路熱穩(wěn)定傳輸容量計(jì)算模型分析

目前,架空線路載流量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE標(biāo)準(zhǔn)[10]、CIGRE標(biāo)準(zhǔn)[11]以及Morgan公式[12],其中大多數(shù)國家普遍采用的是IEEE標(biāo)準(zhǔn),我國架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程中采用的是Morgan公式。以上四種標(biāo)準(zhǔn)均考慮了對流散熱、輻射散熱、日照吸熱和電流焦耳熱的影響,只是各標(biāo)準(zhǔn)對每種因素的計(jì)算方法有所差異。CIGRE標(biāo)準(zhǔn)在考慮以上幾種因素的同時(shí),還考慮了磁滯損耗加熱、電暈加熱和蒸發(fā)散熱的影響,相比之下,CIGRE標(biāo)準(zhǔn)對于線路載流量的計(jì)算考慮的因素更為全面、細(xì)致。目前所給出的CIGRE標(biāo)準(zhǔn)中并未給出關(guān)于磁滯損耗加熱、電暈加熱和蒸發(fā)散熱的工作溫度的計(jì)算方法。由于IEEE標(biāo)準(zhǔn)對參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了簡化,更適合于實(shí)際的工程應(yīng)用。本文以IEEE標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于架空線路載流量的計(jì)算模型進(jìn)行分析研究,并在此基礎(chǔ)上建立適用于我國新能源規(guī)?；尤氲乃投穗娋W(wǎng)區(qū)域載流量計(jì)算模型。

架空線路的熱狀態(tài)取決于當(dāng)時(shí)的環(huán)境氣象參數(shù),如風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度或日照強(qiáng)度,以及流過導(dǎo)線的電流。假設(shè)上述所有參數(shù)隨時(shí)間保持相對恒定狀態(tài),則導(dǎo)線可以被認(rèn)為處于電流和溫度都恒定的“穩(wěn)態(tài)”,即:導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱和太陽輻射提供的熱量等于對流和輻射向環(huán)境中散發(fā)的熱量。假設(shè)輸電線路為實(shí)心的圓柱體結(jié)構(gòu),如圖1所示,忽略子導(dǎo)線之間的空氣間隙,其穩(wěn)態(tài)熱平衡方程為

qc+qr=qs+I2R(Tc)

(1)

圖1 架空線路熱平衡。

載流量計(jì)算模型為

(2)

式中:qc為對流散熱,W/m;qr為輻射散熱,W/m;qs為日照吸熱,W/m;I為導(dǎo)線載流量,A;R(Tc)為導(dǎo)線溫度為Tc時(shí)的交流電阻,Ω/m。

1.2 架空輸電線路電暈效應(yīng)分析

電暈放電是發(fā)生在高壓輸電線路上的一種現(xiàn)象。當(dāng)輸電線路運(yùn)行時(shí),導(dǎo)線附近會產(chǎn)生強(qiáng)度較大的電場,空氣中游離的電子會在電場的作用下發(fā)生碰撞或電離等一系列的反應(yīng),導(dǎo)線就會產(chǎn)生電暈放電。隨著輸電線路電壓等級的不斷提高,電暈放電現(xiàn)象會更加突出。此外,輸電線路的電暈放電強(qiáng)度還與導(dǎo)線表面狀況、天氣情況和空氣濕度等因素有關(guān)。針對我國實(shí)際情況分析,新能源規(guī)?；尤氲碾娏ο到y(tǒng)通常位于西北無人、少人等區(qū)域,新能源大發(fā)時(shí),通常也是大風(fēng)或強(qiáng)光等易誘發(fā)風(fēng)沙的時(shí)段。

輸電線路的運(yùn)行溫度影響輸電線路的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能,但是影響導(dǎo)線運(yùn)行溫度升高的因素除了流過導(dǎo)線的電流以及吸收的太陽熱能外,架空裸導(dǎo)線周圍電暈引起的功率損耗也會引起導(dǎo)線的運(yùn)行溫度升高。通常新能源所處的送端電網(wǎng)地區(qū)多為干旱、大風(fēng)、沙塵暴等災(zāi)害性天氣發(fā)生頻率較高地區(qū),而沙塵天氣會導(dǎo)致電暈放電強(qiáng)度增大;因此,為了提高在實(shí)際條件下計(jì)算導(dǎo)線運(yùn)行溫度的準(zhǔn)確性,必須考慮電暈加熱效應(yīng)的影響。

以鋼芯鋁絞線為例,利用有限元仿真軟件對沙塵環(huán)境下輸電線路進(jìn)行簡單的建模。本研究主要是針對各因素下的電暈放電熱效應(yīng)對導(dǎo)線內(nèi)部溫度的分析,因此,該分析可以利用導(dǎo)線的平均溫度得出導(dǎo)線溫度隨各影響因素的變化關(guān)系。為了簡化計(jì)算,建立忽略鋼芯鋁絞線內(nèi)部的空氣間隙、材料具有各向同性的均質(zhì)化導(dǎo)線模型。為了研究空氣中懸浮的沙塵濃度和沙塵粒徑對電暈放電的影響,因此,在建模時(shí)在空氣域中繪制了與沙粒同等大小的圓,并將其設(shè)置為沙粒的同等屬性,根據(jù)空氣中懸浮的沙塵濃度來確定在空氣域中的沙粒數(shù)量。利用有限元多物理場分析軟件建立的沙塵環(huán)境下均質(zhì)化導(dǎo)線模型如圖2所示。

圖2 均質(zhì)化導(dǎo)線和沙塵環(huán)境模型。

電暈放電過程中參與等離子體化學(xué)反應(yīng)的粒子較多且反應(yīng)方程式較為復(fù)雜,因此,針對送端電網(wǎng)主要分析空氣中N2、O2和H2O對電暈放電的影響。等離子體的放電反應(yīng)主要考慮了e、N2、N2+、N4+、N2O2+、O2、O、O-、O2+、O4-、O4+、O3、H2O、H2、OH、H-、OH-、H2O+等18種粒子。

鋼芯鋁絞線和沙粒的各項(xiàng)性質(zhì)如表1所示。

表1 鋼芯鋁絞線和沙粒的性質(zhì)

2 沙塵因素影響分析

利用有限元分析軟件建立鋼芯鋁絞線二維均質(zhì)化導(dǎo)線模型,其中繪制的鋼芯鋁絞線外徑為9.66 mm,鋼芯直徑為7.2 mm,空氣域?yàn)榘霃綖?0 mm的圓。電暈放電過程中參與等離子體化學(xué)反應(yīng)的粒子較多且反應(yīng)方程式較為復(fù)雜,因此主要分析空氣中N2、O2和H2O對電暈放電的影響,設(shè)定空氣中初始電子數(shù)密度Ne為1×1 013 m-3,環(huán)境溫度T0為40 ℃,壓力p0為88.35 kPa,忽略空氣流動對電暈放電的影響。由于電暈放電的速度一般為十幾納秒,相對于電暈放電電壓幾乎恒定,可以近似為直流放電,所以放電時(shí)間設(shè)置為20 ns,導(dǎo)線電壓V0為220 kV,為了使計(jì)算能在較短時(shí)間內(nèi)收斂,施加電壓為Vapp=V0·tan h(1×104t) 。為了研究空氣中懸浮的沙塵濃度和沙粒粒徑對電暈放電的影響,因此在仿真時(shí)在空氣域中繪制與沙粒同等大小的圓,其密度設(shè)置為沙粒的密度2 200 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為0.136 0 W/(m·K),根據(jù)空氣中懸浮的沙塵濃度來確定在空氣域中的沙粒數(shù)量。

2.1 無沙塵環(huán)境

圖3為無沙塵環(huán)境下,空氣相對濕度為80%時(shí)的電暈放電對周圍空氣和導(dǎo)線溫度的影響。

由圖3(a)中可以看出,電暈放電對導(dǎo)線附近的空氣溫度影響最大,在t=20 ns時(shí),導(dǎo)線附近空氣溫度最高達(dá)到了135 ℃;由圖3(b)可以看出導(dǎo)線內(nèi)的平均溫度隨著放電時(shí)間的增大逐漸升高,到t=20 ns時(shí)導(dǎo)線內(nèi)溫度升高。

(a)無沙塵影響的電暈放電對周圍空氣溫度影響。

(b)無沙塵影響的電暈放電對導(dǎo)線溫度影響圖3 無沙塵環(huán)境下空氣和導(dǎo)線的溫度變化。

2.2 有沙塵環(huán)境

當(dāng)沙塵粒徑為0.2 mm,沙塵濃度為1 150 mg/m3,相對濕度為80%時(shí)的仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)沙塵條件下電暈放電對周圍空氣溫度影響。

(b)沙塵條件下電暈放電對導(dǎo)線溫度影響圖4 有沙塵環(huán)境下空氣和導(dǎo)線的溫度變化。

由圖4中(a)可以看出,在t=20 ns時(shí),導(dǎo)線附近空氣溫度最高達(dá)到230 ℃;由圖4(b)可以看出導(dǎo)線內(nèi)的平均溫度隨著放電時(shí)間的增大逐漸升高,到t=20 ns時(shí)導(dǎo)線內(nèi)溫度升高了0.001 ℃。

通過對比有無沙塵環(huán)境可知,在同等條件下,沙塵環(huán)境中導(dǎo)線電暈放電明顯增強(qiáng),產(chǎn)生的熱量較多,對導(dǎo)線的加熱功率較大。

由仿真結(jié)果得到導(dǎo)線內(nèi)溫度的變化量ΔT=0.001 ℃,然后通過式(3)計(jì)算電暈放電對導(dǎo)線的加熱功率:

qf=SLCvΔT

(3)

式中:S為導(dǎo)線的橫截面積,m2;L為導(dǎo)線的長度,m;Cv為導(dǎo)線的體積比熱容,[J/(m3·℃)];T為導(dǎo)線內(nèi)溫度的變化量。

因此,新的輸電線路熱穩(wěn)定傳輸平衡方程變?yōu)?/p>

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

(4)

載流量計(jì)算模型變?yōu)?/p>

(5)

3 考慮區(qū)域氣象的受限關(guān)鍵線路篩選

綜合考慮新能源匯集區(qū)域信息、送出線路的電壓等級以及區(qū)域氣象因素,提出考慮熱穩(wěn)定傳輸容量影響的關(guān)鍵線路篩選方法。該方法主要包括五個(gè)主要過程:

1)考慮省級電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理范圍(330 kV和220 kV電壓等級為主),并結(jié)合輸電線路的線路材質(zhì)(重點(diǎn)篩選沒有絕緣皮的LGJ系列鋼芯鋁絞線),開展第一步篩選;

2)在輸電線路第一步篩選基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮輸電線路使用年限和跨越區(qū)域,選取使用年限較短,跨越區(qū)域較多的線路;

3)考慮電網(wǎng)所在地區(qū)的地理氣象信息,在步驟2)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步選取和本地區(qū)風(fēng)速風(fēng)向呈垂直角度的輸電線路,這種情況下線路受風(fēng)影響程度均勻,動態(tài)增容潛力較大;

4)在初步篩選基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮區(qū)域新能源匯集區(qū)情況,選取新能源匯集區(qū)集中線路;

5)考慮線路在調(diào)度計(jì)劃方式下受限程度,選取受限程度高的線路形成熱穩(wěn)定傳輸容量提升的關(guān)鍵輸電線路集。

4 仿真算例分析

選取寧夏電網(wǎng)的新能源匯集區(qū)傳輸容量受限場景,構(gòu)建分析算例,驗(yàn)證所提出的考慮區(qū)域氣象信息的非侵入式架空輸電線路熱穩(wěn)定傳輸容量提升空間計(jì)算方法的適用性。

寧夏地區(qū)新能源基礎(chǔ)資源非常豐富(風(fēng)、光資源較好),新能源可供開發(fā)位置較多,但普遍位于寧夏西北和西南區(qū)域。具體而言,主要集中在A、B及C等地區(qū),其中A地區(qū)風(fēng)力資源豐富,開發(fā)較早,已經(jīng)形成連片風(fēng)電基地。風(fēng)光新能源基地所處位置相似,使得其高發(fā)、大發(fā)時(shí)間點(diǎn)相近,并網(wǎng)消納集中化、規(guī)?；卣鳂O為明顯。

分析寧夏地區(qū)2020年風(fēng)電和光伏全年出力數(shù)據(jù),如圖5和圖6所示。

圖5 2020年光伏全年出力數(shù)據(jù)。

圖6 2020年風(fēng)電全年出力數(shù)據(jù)。

可以看出,寧夏風(fēng)電不超過出力60%的占比約98.13%。根據(jù)光伏出力特性,寧夏光伏出力不超過60%的占比約96.5%。風(fēng)電出力和風(fēng)速正相關(guān),光伏出力和太陽輻照度和溫度正相關(guān)。光伏和風(fēng)電變化特性匯總?cè)绫?所示。綜合考慮寧夏地區(qū)的沙塵天氣對風(fēng)電和光伏出力的影響,如表3所示。

表2 寧夏風(fēng)電和光伏年出力統(tǒng)計(jì)特性

表3 寧夏新能源、沙塵及負(fù)荷變化特性

新能源出力和負(fù)荷出力最大、最小時(shí)間不同時(shí)出現(xiàn)。對于寧夏地區(qū)考慮新能源接入,其本地電源出力遠(yuǎn)大于本地負(fù)荷的消納能力,為保證新能源消納,必須將規(guī)?；碾娔芡ㄟ^特高壓進(jìn)行大規(guī)模的外送。在本地負(fù)荷未有明顯增長,而新能源快速增長的夏季會出現(xiàn)消納問題,其中寧夏電網(wǎng)A地區(qū)新能源消納受限情況較嚴(yán)重。

針對寧夏電網(wǎng)的新能源消納受限的A地區(qū),進(jìn)一步結(jié)合A區(qū)域電網(wǎng)拓?fù)渑c區(qū)域氣象環(huán)境開展綜合分析。其中區(qū)域歷史氣象數(shù)據(jù),綜合采用中國電力科學(xué)研究院有限公司新能源研究中心的電網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)與寧夏電網(wǎng)本地新能源歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(2019—2020年)。中國電科院電力氣象數(shù)據(jù)采用通用的環(huán)境網(wǎng)絡(luò)公用數(shù)據(jù)格式(NetCDF),氣象NetCDF數(shù)據(jù)包括了網(wǎng)格點(diǎn)經(jīng)度、緯度、時(shí)間、70 m高處風(fēng)速、70 m高處風(fēng)向、2 m高處濕度、2 m高處溫度、積累雨量等8大類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

寧夏A地區(qū)新能源送出局部拓?fù)淙鐖D7所示。其中,新能源基地由綠色圓點(diǎn)表示,例如A地區(qū)的X風(fēng)電基地,T風(fēng)電基地等。寧夏電網(wǎng)所屬330 kV母線節(jié)點(diǎn)由黑色圓點(diǎn)代表,如Y、Z變電站等。外送節(jié)點(diǎn)由藍(lán)色圓點(diǎn)表示,如S變電站。新能源消納跨區(qū)域外送線路由黃色表示。本文所選A地區(qū)受限線路330 kV Z-S雙回線,則采用紅色加粗線路表示。330 kV Z-S雙回線是A地區(qū)新能源送出的重要通道,受制于線路額定輸送容量不足,嚴(yán)重制約A地區(qū)新能源送出。

圖7 寧夏A地區(qū)新能源送出局部網(wǎng)架拓?fù)洹?/p>

330 kV Z-S雙回線,按照常規(guī)的25 ℃基準(zhǔn)環(huán)境溫度,溫升上限40 ℃,風(fēng)速校核值0.5 m/s,其最大可傳輸電流是690 A,單線路最大傳輸容量為788 MW。

根據(jù)表4所示2019年A地區(qū)春季與夏季的日間、夜間風(fēng)速變化情況,A地區(qū)所處線路330 kV Z-S雙回線所處地區(qū)春季(4月17日)風(fēng)速夜間在3～6m/s浮動,日間風(fēng)速則可達(dá)到7～10 m/s高值;夏季(8月8日)夜間可達(dá)10～12 m/s高值,日間風(fēng)速則在2～5 m/s低值波動。

表4 2019年寧夏A地區(qū)春季與夏季的日間、夜間風(fēng)速變化情況

將A所在區(qū)域風(fēng)速、溫度、光輻照強(qiáng)度與沙塵氣象因素綜合考慮,依據(jù)公式(5)開展計(jì)算,計(jì)算結(jié)果顯示Z-S雙回線單線線路熱穩(wěn)傳輸能力短時(shí)可最大提升22%(春季日間或夏季夜間),最大可由788 MW提升至961 MW。

5 結(jié) 論

本文在分析架空線路傳輸能力通用計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,首先考慮我國送端電力系統(tǒng)普遍存在“大風(fēng)-沙塵”情況,針對新能源匯集區(qū)送端電網(wǎng)實(shí)際氣象條件和特點(diǎn),提出了考慮沙塵影響的改進(jìn)型熱穩(wěn)定傳輸容量計(jì)算模型?？紤]區(qū)域氣象變化條件,提出了輸電線路熱穩(wěn)定傳輸容量關(guān)鍵線路篩選方法。通過寧夏電網(wǎng)實(shí)際線路熱穩(wěn)受限場景驗(yàn)證,結(jié)果顯示,可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有受限線路在新能源出力大發(fā)場景下的輸電能力提升。本文所提出的方法可以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)熱穩(wěn)定傳輸能力提升潛力有效挖掘,為調(diào)度中心決策提升新能源消納能力提供輔助支撐。