基于動態(tài)增容技術(shù)的輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉義，張賢坤,齊軍，蒿峰，楊志國

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.上海海能信息科技有限公司，上海 201315）

輸電導(dǎo)線和變壓器是構(gòu)成輸電網(wǎng)絡(luò)最重要的兩個(gè)部分。隨著我國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，用電需求不斷增加，電網(wǎng)負(fù)荷日益提高。為滿足用電需求，特別是為降低N-1 運(yùn)行方式下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，需要新建或改造大量輸電線路，增加變壓器的輸送容量以適應(yīng)這一現(xiàn)狀。但新建線路、購置新變電設(shè)備成本巨大，所以有必要考慮在不改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高現(xiàn)有設(shè)備的輸送容量，從而提高電網(wǎng)輸送能力。

目前，國家電力公司和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對輸電線路和變壓器的增容技術(shù)研究取得了很大突破，但二者的研究相對獨(dú)立，將輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)和變壓器動態(tài)增容系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合的研究還較少。基于這一現(xiàn)狀，本文提出一種基于動態(tài)增容技術(shù)的輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，通過匯集并展現(xiàn)輸電線路與變壓器動態(tài)增容系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、監(jiān)測分析信息、預(yù)測預(yù)警信息，為負(fù)荷控制和調(diào)度管理提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、直觀的技術(shù)支持；在保障輸變電設(shè)備安全可靠運(yùn)行的前提下，最大限度地提升電網(wǎng)的運(yùn)行能力與運(yùn)行效率，取得顯著的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

1 動態(tài)增容技術(shù)原理簡介

早在20 世紀(jì)70 年代，動態(tài)熱定值的概念與實(shí)現(xiàn)架構(gòu)就被提出，最早主要應(yīng)用于輸電線路。由于輸電線路動態(tài)增容技術(shù)能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，國內(nèi)外許多高校、企業(yè)都展開了大量研究。目前運(yùn)行電網(wǎng)基本采用單一環(huán)境溫度決定輸電線路熱穩(wěn)定電流，導(dǎo)致線路容量管理不能因時(shí)制宜；對于變壓器，規(guī)程規(guī)定其過負(fù)荷倍數(shù)和可持續(xù)運(yùn)行時(shí)間應(yīng)根據(jù)變壓器的運(yùn)行環(huán)境溫度和起始負(fù)荷通過查詢曲線獲得，而現(xiàn)階段調(diào)度部門難以掌握環(huán)境實(shí)時(shí)情況，因此難以確定變壓器的過負(fù)荷倍數(shù)和時(shí)間。需要注意的是，輸電線路運(yùn)用動態(tài)增容技術(shù)容量提升后，變電設(shè)備（變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等）的輸送容量也應(yīng)作出相應(yīng)地調(diào)整，使之能與輸電線路的容量相適配。

1.1 輸電線路動態(tài)增容技術(shù)原理

線路運(yùn)行規(guī)程規(guī)定的輸電線路載流量值是在環(huán)境條件十分嚴(yán)苛的條件（溫度不變，風(fēng)速為0m/s，光照為1kW/m2,不考慮其它有利散熱條件）下計(jì)算而來，導(dǎo)致其實(shí)際運(yùn)行中往往留有較大余量；而且隨著輸電線路運(yùn)行環(huán)境參數(shù)(如環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)力和光照等)變化，這種余量也會改變。輸電線路動態(tài)增容技術(shù)則在綜合考慮實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)和線路運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，對需要擴(kuò)容運(yùn)行的線路進(jìn)行載流量動態(tài)分析、跟蹤與報(bào)警；分析結(jié)果可指導(dǎo)故障處理和合理安排運(yùn)行方式，力爭最大限度地提高輸送容量，達(dá)到輸電線路動態(tài)增容的目的。輸電線路動態(tài)增容技術(shù)的核心是求解線路的熱容方程，它是計(jì)算輸電線路最大允許溫度下載流量的依據(jù)。通過將實(shí)時(shí)監(jiān)測的參數(shù)代入穩(wěn)態(tài)熱容方程與暫態(tài)熱容方程可分別求解出最大穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)載流量；根據(jù)求解出的最大載流量值可以動態(tài)地提升輸電線路的輸送容量。

1.2 變壓器動態(tài)增容技術(shù)原理

電網(wǎng)目前的變壓器負(fù)荷管理是依據(jù)GB/T1094.7-2008《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》。由于調(diào)度部門難以掌握環(huán)境實(shí)時(shí)情況，無法根據(jù)運(yùn)行導(dǎo)則給出的曲線確定變壓器的過負(fù)荷的倍數(shù)和時(shí)間。因此通用負(fù)荷運(yùn)行管理方式是按1.3 ～1.5 倍的額定電流可持續(xù)運(yùn)行30min 執(zhí)行；此外為滿足N-1運(yùn)行的要求，變電站內(nèi)兩臺主變壓器（主變）運(yùn)行容量低于50%額定容量。變壓器的動態(tài)增容技術(shù)是基于變壓器等效熱場計(jì)算模型通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析變壓器當(dāng)前環(huán)境條件和變壓器運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算出變壓器在當(dāng)前環(huán)境和負(fù)荷情況下的繞組及熱點(diǎn)溫度，在確保變壓器使用壽命和安全運(yùn)行的前提下，實(shí)時(shí)給出當(dāng)前環(huán)境和負(fù)荷情況下變壓器的長期安全運(yùn)行時(shí)間、短時(shí)安全運(yùn)行時(shí)間以及N-1 運(yùn)行方式下安全運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)變壓器運(yùn)行負(fù)荷的精細(xì)化、智能化管理，達(dá)到動態(tài)增容的目的。

2 輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。輸電線路和變壓器上分別安裝有輸電線路數(shù)據(jù)采集裝置和變壓器數(shù)據(jù)采集裝置，二者將采集并處理過的數(shù)據(jù)各自上傳到輸電線路負(fù)荷管理系統(tǒng)和變壓器負(fù)荷管理系統(tǒng)這兩個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)將分析后的數(shù)據(jù)上傳到輸變電調(diào)度監(jiān)控平臺（下稱平臺）。平臺基于調(diào)控一體化系統(tǒng)實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)信息的支撐，將傳輸回來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力系統(tǒng)分析軟件、繼電保護(hù)在線整定仿真系統(tǒng)、電力氣象信息管理系統(tǒng)、動態(tài)負(fù)荷智能管理系統(tǒng)間傳輸。

2.1 輸電線路負(fù)荷管理系統(tǒng)

圖1 輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

在每條輸電線路的三相線路上沿線（比如每隔20km）安裝輸電線路數(shù)據(jù)采集裝置，采集每個(gè)安裝點(diǎn)的線路實(shí)時(shí)環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、導(dǎo)線溫度、線路電流等參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)(如GPRS)將數(shù)據(jù)傳輸給安裝在后臺主站的輸電線路負(fù)荷管理系統(tǒng)，從而掌握電網(wǎng)每一條線路的實(shí)時(shí)狀況。后臺系統(tǒng)通過求解熱容方程可計(jì)算出輸電線路的穩(wěn)態(tài)允許載流量、30min 允許載流量、給定載流量下的安全運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)線路輸送容量的動態(tài)管理、高溫預(yù)警和數(shù)據(jù)積累。

2.2 變壓器負(fù)荷管理系統(tǒng)

在電網(wǎng)每個(gè)變電站的主變安裝變壓器數(shù)據(jù)采集裝置，采集每臺主變實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度、變壓器頂油溫度以及每相電壓電流等參數(shù)，通過RS485 接口和信號傳輸電纜將數(shù)據(jù)傳輸給變壓器負(fù)荷管理系統(tǒng)，從而掌握電網(wǎng)每一節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀況。后臺系統(tǒng)通過變壓器等效熱場計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)對變壓器過負(fù)荷能力的動態(tài)評估。

2.3 輸變電調(diào)度監(jiān)控平臺

輸變電調(diào)度監(jiān)控平臺根據(jù)子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，可將電網(wǎng)以拓?fù)鋱D展示，方便調(diào)度人員及時(shí)了解電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)，和具體被監(jiān)測設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)；結(jié)合電網(wǎng)中所有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，給出整個(gè)電網(wǎng)的過負(fù)荷能力預(yù)測，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)輸變電設(shè)備容量的動態(tài)管理。

3 輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的功能

輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖2 所示，子系統(tǒng)根據(jù)采集終端傳回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析出輸變電設(shè)備的動態(tài)熱穩(wěn)定限值、變壓器熱點(diǎn)溫度、最大安全過負(fù)荷倍數(shù)及最長安全運(yùn)行時(shí)間、高溫預(yù)警預(yù)報(bào)等信息，并將分析結(jié)果在平臺進(jìn)行展示；平臺將監(jiān)測范圍內(nèi)的每臺主變和每條輸電線路的詳細(xì)數(shù)據(jù)（包括實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、過負(fù)荷能力）展示在電網(wǎng)拓?fù)鋱D中；結(jié)合電網(wǎng)拓?fù)鋱D中所有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)展示的過負(fù)荷能力信息，給出整個(gè)電網(wǎng)的過負(fù)荷能力預(yù)測。此外，根據(jù)電力氣象預(yù)報(bào)信息，可以預(yù)測電網(wǎng)輸變電設(shè)備未來3 天、1 周乃至1 個(gè)月的動態(tài)熱穩(wěn)定電流限值It；根據(jù)地區(qū)調(diào)度數(shù)據(jù)庫收集的實(shí)時(shí)電力氣象信息和輸變電設(shè)備運(yùn)行方式，通過電力系統(tǒng)分析軟件系統(tǒng)可計(jì)算出輸變電設(shè)備動態(tài)動穩(wěn)定限值Id；It與Id中較小值將作為輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的主要依據(jù)，為電網(wǎng)運(yùn)行方式的制定和優(yōu)化提供技術(shù)支撐。平臺還建立與系統(tǒng)保護(hù)及安全自動裝置整定系統(tǒng)的信息貫通交互，探索電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)定值自適應(yīng)策略。通過本平臺提供的輸變電設(shè)備動態(tài)熱穩(wěn)定極限預(yù)測值，可以直觀反映在確保電網(wǎng)安全運(yùn)行的條件下變壓器變送容量與輸電線路輸送容量是否匹配。

圖2 輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

4 結(jié)語

本文提出基于動態(tài)增容技術(shù)的輸變電調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，旨在解決部分地區(qū)輸變電設(shè)備容量難以滿足用電負(fù)荷增長這一問題。本系統(tǒng)通過匯集子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息，并與調(diào)控一體化系統(tǒng)、電力氣象信息管理系統(tǒng)、電力系統(tǒng)分析軟件、繼電保護(hù)在線整定仿真系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，將監(jiān)測范圍內(nèi)的每臺主變和每條輸電線路的詳細(xì)數(shù)據(jù)（包括實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、過負(fù)荷能力）展示在電網(wǎng)拓?fù)鋱D中，并能根據(jù)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息，給出整個(gè)電網(wǎng)的過負(fù)荷能力預(yù)測，實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備的負(fù)荷智能管理控制，達(dá)到動態(tài)調(diào)控目的。本系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用能發(fā)掘現(xiàn)有輸變電設(shè)備的潛在容量，較好解決輸變電設(shè)備輸送能力的瓶頸問題；不僅能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也能為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行安排負(fù)荷限額提供有力的輔助決策支持，在確保電網(wǎng)安全、高效運(yùn)行方面發(fā)揮積極作用。