輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

1.     前言

       向可持續(xù)和環(huán)境友好型能源供應(yīng)過渡對(duì)社會(huì)和工業(yè)都是一個(gè)挑戰(zhàn)，而電網(wǎng)正成為一個(gè)瓶頸。同時(shí)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，用電負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，而輸電線路的輸送容量受到熱穩(wěn)定限額的制約，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。然而，擴(kuò)建電網(wǎng)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。但實(shí)際上，已經(jīng)有可能通過依賴天氣的架空線路運(yùn)行來提高現(xiàn)有容量的利用率，簡(jiǎn)而言之：輸電線路動(dòng)態(tài)增容（DLR— Dynamic Line Rating）。

        輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)是在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、設(shè)備安全的前提下，通過對(duì)線路的運(yùn)行狀況和外界環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，實(shí)時(shí)計(jì)算出滿足熱穩(wěn)定限額的最大輸送容量，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整輸送容量，充分利用線路客觀存在的隱性容量，提高輸電線路的輸送能力，同時(shí)減少輸電設(shè)備的投資。動(dòng)態(tài)增容技術(shù)在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程規(guī)定的條件下，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備安全運(yùn)行，因此有很強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)有著積極的作用。

2.   影響輸送容量的因素

       輸送容量由載流量決定。載流量是在規(guī)定條件下，導(dǎo)體能夠連續(xù)承載而不致使其穩(wěn)定溫度超過規(guī)定值的最大電流。導(dǎo)線溫度的變化受發(fā)熱功率和散熱功率決定，發(fā)熱功率包括：太陽光照射吸熱、電流作用熱、磁滯損耗等，散熱功率主要包括有空氣流動(dòng)引起的熱量流失、導(dǎo)線自身向外界輻射的熱量等。綜上，導(dǎo)線實(shí)際輸送容量或載流量主要與 2 個(gè)因素有關(guān)：

?  自然因素

o   風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、太陽總輻射，導(dǎo)線溫度等

?  導(dǎo)線的物理性能。

o   導(dǎo)線的吸收系數(shù)、輻射系數(shù)、最大允許溫度、導(dǎo)線直徑、阻抗等

                                         圖1 影響線路載流量的環(huán)境因素

       導(dǎo)線的物理性能不在本文的討論范疇。導(dǎo)線隨著溫度的升高而膨脹，線路下垂，產(chǎn)生弧垂現(xiàn)象，垂度同時(shí)受到線路的電流負(fù)荷和線路周圍的小氣候的影響。為了更好地監(jiān)控弧垂和凈距控制，需要對(duì)線路周圍的小氣候進(jìn)行智能可靠的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)因素包括：大氣溫度、光輻射、風(fēng)速等。下面展示了幾個(gè)要素對(duì)輸送容量的影響程度：

?  大氣溫度

F 2 ℃的波動(dòng)       –>       約±2% 容量

F 10 ℃的下降     –>       約+11% 容量

?  光輻射

F 云遮擋              –>       比較小

F 日食                  –>       +18% 容量

?  風(fēng)速提高1m/s

F 45゜                  –>      約 18% 容量

F 90゜                  –>      約 23% 容量

圖2風(fēng)速對(duì)等電流線路溫升的影響

圖3風(fēng)對(duì)線路的影響

        從圖2可以看出，風(fēng)速越大，線路的溫升越小；反之，風(fēng)速越小，溫升越大。圖3直觀的展示了受風(fēng)影響的一段線路，溫度較低，線會(huì)更加緊繃；相反，在無風(fēng)或弱風(fēng)狀態(tài)下的線路，溫度更高，線會(huì)變得更松弛，弧垂越嚴(yán)重。

3.     輸電線路動(dòng)態(tài)增容的概念

       在有利的天氣條件下，導(dǎo)體能承受高達(dá)約150%的電流負(fù)荷增加或更高。為了保證極端條件下的安全運(yùn)行，德國(guó)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商根據(jù)所謂的標(biāo)準(zhǔn)仲夏天氣條件計(jì)算了很長(zhǎng)一段時(shí)間，即：在靜態(tài)環(huán)境下，溫度35°C（95°F），風(fēng)速0.6米/秒的弱風(fēng)和900瓦/平方米的強(qiáng)太陽輻射。在中歐地區(qū)，這種情況在一年中的只有幾天而已。因此，在所有其他時(shí)間里，線路可以承受更大的電流負(fù)荷。輸電線路動(dòng)態(tài)增容的目標(biāo)是使用這些以前未使用的容量，在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程規(guī)定的條件下或不超過靜態(tài)容量前提下，來提高傳輸容量，充分利用傳輸線路。

                                                          圖3 輸電線路動(dòng)態(tài)增容的示意圖

        從圖3很清晰地看出，一個(gè)比較長(zhǎng)的時(shí)間段里（如：1年）， 可以利用的未使用的容量是非常巨大的。在使用過程中需要注意以下幾點(diǎn)：一、實(shí)時(shí)地確定可以利用的真實(shí)動(dòng)態(tài)容量；二、提高系統(tǒng)的可靠性；三、優(yōu)化電網(wǎng)的時(shí)效。

4.   動(dòng)態(tài)增容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       輸電線路動(dòng)態(tài)增容實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就是利用傳感器采集這些自然因素，結(jié)合導(dǎo)線的物理性能 計(jì)算出導(dǎo)線的實(shí)時(shí)載流量，分析并計(jì)算出輸電線路的隱性容量。動(dòng)態(tài)增容在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共包括 3部 分：采集終端、動(dòng)態(tài)增容主站和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。其中，采集終端包括：機(jī)箱、供電、數(shù)采、傳輸模塊、各類傳感器和攝像頭。

5.   氣象要素監(jiān)測(cè)解決方案

       導(dǎo)體溫度直接接觸測(cè)量固然是一種方案，但是受外界強(qiáng)電磁干擾等因素，測(cè)量難度大。外界環(huán)境因素測(cè)量是對(duì)導(dǎo)體溫度直接測(cè)量的補(bǔ)充，同時(shí)，優(yōu)化動(dòng)態(tài)容量實(shí)時(shí)調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。OTT Hydromet公司是一家專業(yè)的氣象水文系統(tǒng)解決方案服務(wù)商，以下產(chǎn)品可以很好的服務(wù)于電網(wǎng)動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)里。

?  氣象傳感器Lufft WS501，集成度高，用于測(cè)量溫度、濕度、氣壓、太陽輻射、風(fēng)速和風(fēng)向

?  安裝在桅桿上，盡可能精確地測(cè)量導(dǎo)線上的主要條件；

?  用于可靠數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ)的Sutron XLink 500數(shù)據(jù)記錄器；

?  電源和通信由專門設(shè)計(jì)的OTT 機(jī)柜提供，由太陽能電池板供電；