導(dǎo)語

架空導(dǎo)線的力學(xué)狀態(tài)（應(yīng)力、弧垂）是決定其安全運行的關(guān)鍵因素，耐張段水平應(yīng)力過小將導(dǎo)致耐張段內(nèi)各線檔弧垂增大，嚴重時會破壞安全凈距引發(fā)短路故障；反之，應(yīng)力過大則會導(dǎo)致導(dǎo)線振動頻率的增加和疲勞極限的降低，從而加速導(dǎo)線疲勞損傷甚至引發(fā)斷線。在電網(wǎng)運行環(huán)境下，架空導(dǎo)線力學(xué)狀態(tài)與導(dǎo)線的運行溫度及所處的氣象環(huán)境存在著密切關(guān)聯(lián)。

文章提出電網(wǎng)運行環(huán)境下架空線路各耐張段溫度和應(yīng)力的預(yù)估方法，該方法能夠預(yù)估任意預(yù)想電網(wǎng)預(yù)想運行方式下架空線路耐張段的溫度及應(yīng)力，為從熱、力學(xué)本質(zhì)上分析架空線路的載荷能力及其安全運行提供支持。

? DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180301 ?

研究背景

隨著用電需求以及新能源發(fā)電占比的不斷增長，電網(wǎng)潮流波動加劇，載荷安全面臨挑戰(zhàn)。架空導(dǎo)線是電網(wǎng)中最為常見的輸電元件，其運行環(huán)境復(fù)雜多變，安全運行問題一直受到電力工作者關(guān)注。熱、力學(xué)狀態(tài)是決定架空導(dǎo)線安全運行的本質(zhì)所在，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，工程上已實現(xiàn)了對架空線路關(guān)鍵線檔導(dǎo)線溫度、應(yīng)力及弧垂等熱、力學(xué)狀態(tài)的在線監(jiān)測，對保障架空導(dǎo)線的安全運行發(fā)揮了重要作用。

在此基礎(chǔ)上，進一步研究伴隨電網(wǎng)潮流變化的架空導(dǎo)線熱、力學(xué)狀態(tài)預(yù)估方法，可以幫助電力系統(tǒng)運行人員預(yù)見架空導(dǎo)線的載荷能力及形態(tài)的變化趨勢，從而更好地協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。

論文所解決的問題及意義

文章在電網(wǎng)運行環(huán)境下，基于架空導(dǎo)線在線監(jiān)測及天氣預(yù)報等數(shù)據(jù)，解決伴隨潮流變化的架空導(dǎo)線溫度、應(yīng)力及弧垂的預(yù)估問題。首先通過改進電熱耦合潮流算法，使之能夠適應(yīng)對架空線沿線各耐張段導(dǎo)線溫度的快速計算，而后結(jié)合架空導(dǎo)線溫度與應(yīng)力、弧垂之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，利用力學(xué)狀態(tài)方程計算伴隨導(dǎo)體溫度及氣象變化的導(dǎo)線應(yīng)力、弧垂及風(fēng)偏角的變化軌跡。

論文工作可以幫助電力系統(tǒng)運行人員從架空導(dǎo)線的熱、力學(xué)狀態(tài)本質(zhì)上預(yù)見其潛在載荷能力及安全風(fēng)險，進而制定合理調(diào)控決策，對改善電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行水平具有理論意義和現(xiàn)實價值。

論文方法及創(chuàng)新點

論文在電熱耦合潮流計算基礎(chǔ)上，進一步考慮架空導(dǎo)線沿線氣象分布以及架空導(dǎo)線熱、力學(xué)狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出伴隨電網(wǎng)潮流變化的架空導(dǎo)線應(yīng)力預(yù)估方法，方法流程如下圖所示：

論文主要貢獻：

1）改進了電熱耦合潮流算法，使之能夠適應(yīng)架空導(dǎo)線沿線各耐張段應(yīng)力計算的需要。在傳統(tǒng)電熱耦合潮流計算方法基礎(chǔ)上，于待計算的架空線路沿線引入虛擬節(jié)點，形成耐張段虛擬支路，并針對由此帶來的計算規(guī)模增大問題，提出完全解耦的電熱耦合潮流算法，有效提高計算效率。

2）抓住運行環(huán)境下架空導(dǎo)線電、熱、力狀態(tài)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出應(yīng)力預(yù)估方法。方法流程如下圖1所示，該方法集成了電熱耦合潮流計算以及基于代表檔距法的應(yīng)力計算方法，能夠預(yù)估各種電網(wǎng)預(yù)想運行狀態(tài)下的架空導(dǎo)線各耐張段溫度、應(yīng)力以及各線檔的弧垂變化情況。

圖1 方法流程

3）結(jié)合實例驗證了方法的有效性。以某地區(qū)電網(wǎng)為例，預(yù)估其中某關(guān)鍵架空線路沿線19個耐張段溫度及應(yīng)力在另一輸電線路故障退出運行后的變化軌跡如圖2。計算沿線88個線檔弧垂及對地凈距如圖3(a)，其中凈距最小的第3耐張段第1線檔對地凈距及導(dǎo)線溫度變化軌跡如圖3(b)所示。

可見，雖然輸電線路載流已超過該耐張段的熱定值，且研究時段末導(dǎo)線溫度達到72.5℃，而其對地凈距約為8.2m（非居民區(qū)內(nèi)220kV輸電線路限定的最小凈距為6.5m），該輸電線路仍可安全運行，其載荷能力尚有利用空間。

圖2 各耐張段導(dǎo)線溫度及應(yīng)力變化軌跡

圖3 (a) 各線檔對地凈距變化軌跡；圖3 (b) 第1線檔溫度及對地凈距

結(jié)論

• 1）提出了考慮氣象分布的快速解耦電熱耦合潮流計算方法，該方法具有較高的計算效率，且在傳統(tǒng)潮流計算基礎(chǔ)上易于擴展，具有工程應(yīng)用的潛力。
• 2）方法能夠?qū)崿F(xiàn)任意預(yù)想電網(wǎng)運行方式下架空線路沿線溫度及應(yīng)力的預(yù)估，為在電網(wǎng)運行環(huán)境下從熱、力學(xué)本質(zhì)上評估架空線路載荷能力及安全運行提供支持。

引用本文

王孟夏,韓學(xué)山,韋志清,王明強,張強. 電網(wǎng)運行環(huán)境下基于電熱耦合潮流的架空線路應(yīng)力預(yù)估[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(5): 1078-1087. Wang Mengxia, Han Xueshan, Wei Zhiqing, Wang Mingqiang, Zhang Qiang. Tension Prediction of Overhead Transmission Line Based on Electrothermal Coupling Power Flow in Operating Power Systems. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 1078-1087.

團隊介紹

研究團隊依托山東大學(xué)“電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點實驗室”，主要圍繞國家重大工程需求，開展電網(wǎng)在新形勢下的安全穩(wěn)定分析、調(diào)度與控制的理論及應(yīng)用技術(shù)研究。團隊由韓學(xué)山教授、梁軍教授、楊明教授帶領(lǐng)6位教師、1位博士后研究人員、10余位博士研究生、30余位碩士研究生組成，發(fā)表SCI/EI論文400余篇。

作者簡介

王孟夏（1983-），博士，講師，碩士生導(dǎo)師，美國南衛(wèi)理公會大學(xué)公派訪問學(xué)者，IEEE Member。2007年、2011年分別在東北電力大學(xué)和山東大學(xué)獲工學(xué)碩士、博士學(xué)位，于2011年至2013年在清華大學(xué)電機系進行博士后研究，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與控制。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI/EI檢索論文20余篇，研究成果獲河南省科技進步二等獎一項，山東省科技進步三等獎一項。