南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性及影響因素

周巖，程改紅，胡蓉，燕京，朱慶春

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510620；2.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

南方電網(wǎng)“西電東送”工程歷經(jīng)二十多年的跨省區(qū)輸電大發(fā)展，已形成“八交十直”及一個(gè)背靠背換流站的“西電東送”主網(wǎng)架，輸電能力超過47.5 GW，“西電東送”累計(jì)電量達(dá)1.91012kWh左右，為落實(shí)西部大開發(fā)戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)東西部省區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展、互利共贏做出了重要貢獻(xiàn)。

另一方面，由于“西電東送”輸電距離遠(yuǎn)、功率大，“西電東送”通道的輸電損耗不容忽視。如2018年南方電網(wǎng)“西電東送”通道的總損耗電量約1.141010kWh，基本相當(dāng)于貴廣直流工程一年的送電量水平，對電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要影響。關(guān)于南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗的計(jì)算及控制措施已有諸多研究：文獻(xiàn)[1-2]對交流和直流混聯(lián)輸電網(wǎng)的網(wǎng)損優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，并利用電力系統(tǒng)分析軟件對功率調(diào)整的靈敏度及梯度向量等進(jìn)行迭代計(jì)算并得到最優(yōu)解；文獻(xiàn)[3]提出了簡化交流潮流模型用于求解遠(yuǎn)距離交直流并聯(lián)輸電通道聯(lián)絡(luò)線功率優(yōu)化分配模型；文獻(xiàn)[4]基于線性規(guī)劃方法對南方電網(wǎng)交直流輸電優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[5]采用序列二次規(guī)劃法對“西電東送”通道最小損耗模型進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[6-7]主要針對早期“西電東送”通道規(guī)模較小情況開展了交直流通道送電功率的優(yōu)化；文獻(xiàn)[8]對2012年南方電網(wǎng)“西電東送”通道線損率進(jìn)行分析，并測算了2013年“西電東送”通道線損率；文獻(xiàn)[9-12]對多端直流輸電系統(tǒng)的降損措施進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[13]基于對直流輸電工程線損預(yù)測與實(shí)際偏差分析，提出了現(xiàn)有直流工程電能損耗計(jì)算的改進(jìn)方法；針對多端柔性直流系統(tǒng)，文獻(xiàn)[14]提出了一種包括損耗在內(nèi)的多目標(biāo)潮流優(yōu)化模型。

截至目前，相關(guān)研究尚未對南方電網(wǎng)“西電東送”通道的損耗特性形成系統(tǒng)化認(rèn)識，影響了降損工作的高效實(shí)施。南方電網(wǎng)作為世界上最為復(fù)雜的交直流大電網(wǎng)系統(tǒng)，其“西電東送”通道的損耗特性在國內(nèi)外均未見到相關(guān)報(bào)道。為進(jìn)一步提升線損精益化管理水平，深入挖掘電網(wǎng)節(jié)能潛力，本文從時(shí)間、構(gòu)成等維度全面分析南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性，通過關(guān)鍵影響因素的辨識確定降損工作重點(diǎn)。

1 南方電網(wǎng)“西電東送”發(fā)展歷程

1.1 “西電東送”交易規(guī)模及構(gòu)成

南方電網(wǎng)“西電東送”戰(zhàn)略實(shí)施以來，送電規(guī)模實(shí)現(xiàn)了跨越式大發(fā)展。不計(jì)三廣直流通道送電量，2005年“西電東送”電量約3.581010kWh，2017年、2018年增長至1.91011kWh左右。同時(shí)，南方電網(wǎng)“西電東送”交易包括云南送電廣東、貴州送電廣東、云南送電廣西、龍灘和天生橋送電廣東等構(gòu)成，不同階段的交易構(gòu)成也在逐漸發(fā)生變化。

2005年以來南方電網(wǎng)“西電東送”交易構(gòu)成變化趨勢如圖1所示。可以看出：

a)送電距離最遠(yuǎn)的云南—廣東送電規(guī)模在2010年后大幅增加，2015年及以后逐年送電量占南方電網(wǎng)“西電東送”總電量的50%以上，成為“西電東送”的重要組成部分；

b)貴州—廣東年送電量在2010年后變化不大，但其占比逐步下降，由“十一五”期間的40%左右下降至20%左右；

c)龍灘、天生橋送電廣東年電量增幅不明顯，占比由2005年的20%下降至2018年的10%以下；

d)送電距離較近的龍灘、天生橋送電廣西及其他交易方式年送電量增加均不明顯，占比由最高23%逐步下降至10%左右；

e)2013年以來云南—廣西送電規(guī)模逐年增加，2018年送電量占比提升至7%左右。

圖1 南方電網(wǎng)“西電東送”交易構(gòu)成的變化趨勢

1.2 “西電東送”電網(wǎng)發(fā)展

南方電網(wǎng)“西電東送”輸電通道建設(shè)于1993年起步。在發(fā)展初期，各省區(qū)主要通過500 kV交流線路聯(lián)網(wǎng)。隨著各省500 kV交流電網(wǎng)的增強(qiáng)和系統(tǒng)規(guī)模的增大，直流線路以輸送容量大、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，于“十一五”后期開始加速發(fā)展，逐步形成目前“八交十直”和一個(gè)背靠背換流站的“西電東送”主網(wǎng)架。

南方電網(wǎng)“西電東送”輸電通道的建設(shè)歷程見表1。

2 南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗的變化趨勢

2.1 直流輸電通道線損率

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，2003—2018年南方電網(wǎng)“西電東送”直流通道年送電量及線損率變化趨勢見圖2。

2003年以來，南方電網(wǎng)“西電東送”直流通道送電量呈大幅增長，直流通道線損率在4.8%～6.9%范圍內(nèi)波動(dòng)。由圖2可以看出，在直流工程的投運(yùn)年份，受單極調(diào)試等不正常運(yùn)行方式的影響，直流通道線損率均有不同程度上浮。其中以興安直流投運(yùn)的2007年、楚穗直流投運(yùn)的2009年線損率最高，近6.9%。受楚穗直流恢復(fù)正常運(yùn)行及送電量減少雙重因素影響，2011年線損率最低，約4.8%。隨著2012年送電量的逐步增加，線損率呈上升趨勢。2013年、2014年牛從直流和普僑直流工程投運(yùn)期間，直流輸電通道線損率居高不下，2016年逐步回落，2017年下降到5.4%左右。2018年，受滇西北直流工程投運(yùn)初期的影響，直流輸電通道的線損率有所上揚(yáng)。

圖2 南方電網(wǎng)“西電東送”直流通道年送電量及線損率的變化趨勢

表1 南方電網(wǎng)“西電東送”通道的建設(shè)歷程

2.2 交流輸電通道線損率

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，2003—2018年南方電網(wǎng)“西電東送”交流通道年送電量及線損率變化趨勢如圖3所示。與直流輸電通道相比，交流通道線損率相對較低，在3.8%～5%范圍內(nèi)波動(dòng)。同時(shí)，自“十一五”后期，交流通道送電量未有大幅增長，基本維持在5.01010kWh左右。

2.3 南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體線損率

2003—2018年南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體線損率變化趨勢如圖4所示?？梢钥闯?，南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體線損率水平介于直流通道和交流通道之間，為4.3%～6.0%。同時(shí)，在電網(wǎng)發(fā)展的不同階段，交流通道和直流通道對南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體線損率的影響呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)。

圖3 南方電網(wǎng)“西電東送”交流通道年送電量及線損率的變化趨勢

a)2005年以前，由于“西電東送”以交流送電為主，南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體線損率與交流通道線損率更為靠近，即受交流通道線損特性的影響更大。

b)2005—2012年，直流通道年送電量逐漸增加，達(dá)到和交流通道基本相當(dāng)?shù)乃?，該階段南方電網(wǎng) “西電東送”通道的整體線損率基本介于直流通道和交流通道線損率的正中間位置，說明交流通道和直流通道線損特性的影響勢均力敵。

c)2012年開始，直流輸電規(guī)模開始大幅增長，年送電量大幅高于交流輸電，南方電網(wǎng)“西電東送”通道的整體線損率變化趨勢和直流通道的線損率更為靠近，特別是2017年、2018年直流通道的線損率基本逼近南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體線損率，該階段交流通道線損率的影響明顯減弱，直流通道的線損率基本起到了主導(dǎo)作用。

圖4 南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體線損率的變化趨勢

3 南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性分析

3.1 直流輸電通道損耗特性逐步占據(jù)主導(dǎo)

從南方電網(wǎng)“西電東送”不同發(fā)展階段看，隨著“十二五”后期直流輸電規(guī)模的大幅增長，直流通道的輸電損耗也相應(yīng)增加。對2003—2018年南方電網(wǎng)“西電東送”直流通道和交流通道的損耗電量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，直流通道損耗電量在整個(gè)南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗電量的占比逐年加大，由2003年的36%增長至最高79%左右，而交流通道損耗電量占比由2003年的64%下降至近年的22%～24%；因此，直流輸電規(guī)模的增長，使得直流通道的損耗特性在整個(gè)南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性中逐步占據(jù)主導(dǎo)，交流通道損耗特性影響作用明顯減弱。

圖5 南方電網(wǎng)“西電東送”交流通道與直流通道損耗電量占比

3.2 云電外送對損耗特性影響日益加大

在計(jì)算時(shí)段t∈[0,T]內(nèi)，輸電通道輸送功率為P(t)、損耗功率為ΔP(t)時(shí)，考慮到線路電阻R基本不變，則總送電量A和電量損耗ΔA分別表示為：

(1)

(2)

式中：U為通道電壓水平；φ為功率因數(shù)角。

對于直流輸電通道，功率因數(shù)為1；對于超高壓交流輸電線路，按照無功分層分區(qū)平衡原則，線路上無功流動(dòng)小，功率因數(shù)一般穩(wěn)定在0.98～1.0之間，變化范圍很小。此外，電網(wǎng)運(yùn)行過程中對母線電壓偏差有明確規(guī)定，為簡化起見，考慮系統(tǒng)電壓水平也基本不變，式(2)可近似表示為

(3)

由式(3)可見，隨著輸電通道年送電量A的增加，相應(yīng)的損耗電量ΔA也將上升。

從南方電網(wǎng)“西電東送”交易構(gòu)成發(fā)展趨勢看，由于“十三五”及以后云南送電廣東的交易規(guī)模占比最大(超過50%)，云南送電廣東的交易對南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性的影響相對最大。

3.3 云電外送直流通道對損耗特性影響明顯

隨著“十一五”后期云南送電廣東輸電規(guī)模的大幅增加，新增輸電通道以直流輸電為主，在交流通道年送電量水平增幅不大的情況下，“十二五”中后期直流通道年送電量開始大幅超過交流通道，如圖6所示?？梢?，由于送電規(guī)模占比最大的云電送出以直流輸電為主，結(jié)合直流通道線損特性及云南送電廣東交易對南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體損耗特性的影響，可進(jìn)一步推斷出云南送電廣東直流輸電通道是整個(gè)南方電網(wǎng)“西電東送”通道線損特性的關(guān)鍵影響因素。

圖6 云南送電廣東交流、直流通道年送電量

不同送電主體直流通道線損率與南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體線損率變化趨勢如圖7所示。可以看出，2016年及以后云南送電廣東直流通道的線損率變化趨勢幾乎和整個(gè)南方電網(wǎng)“西電東送”通道的線損率完全重疊，進(jìn)一步證實(shí)了云南送電廣東直流通道損耗特性在整個(gè)南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性中的決定性作用。

圖7 不同送電主體直流通道線損率與南方電網(wǎng)“西電東送”通道線損率變化趨勢比較

4 南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗影響因素及降損工作重點(diǎn)

4.1 相關(guān)影響因素

4.1.1 南方電網(wǎng)“西電東送”交易構(gòu)成

由于南方電網(wǎng)“西電東送”不同交易構(gòu)成的送電量、輸電方式、送電距離等的不同，線損率存在不同特點(diǎn)，從而對南方電網(wǎng)“西電東送”整體線損率的影響各不相同。

南方電網(wǎng)“西電東送”交易構(gòu)成中，以云南送電廣東輸電距離最遠(yuǎn)，主要以直流輸電為主；貴州送電廣東輸電距離在1 000 km左右，2004年以來通過交直流并列通道實(shí)施送電，且直流通道送電量占比也相對較大，如圖8所示；龍灘、天生橋電站以及廣西送電廣東距離相對較近，直流通道年送電量與交流通道基本相當(dāng)，如圖9所示。

圖8 貴州送電廣東交流、直流通道年送電量

圖9 龍灘、天生橋送電廣東交流、直流通道年送電量

總體來看，目前云南送電廣東的送電規(guī)模最大，且送電距離最遠(yuǎn)，對南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性的影響相對最大。

4.1.2 南方電網(wǎng)“西電東送”交易規(guī)模影響

理論分析表明，隨著年送電量的增加，損耗電量和線損率也會(huì)相應(yīng)上升。圖10為2017年普僑直流工程逐月?lián)p耗電量與送電量的關(guān)系曲線。可以看出，逐月?lián)p耗電量與送電量的走勢完全一致，月送電量越大，該月的損耗電量也相應(yīng)越大。

圖10 2017年普僑直流工程逐月?lián)p耗電量與送電量關(guān)系

4.1.3 南方電網(wǎng)“西電東送”通道構(gòu)成影響

南方電網(wǎng)作為典型的長距離、大容量交直流混合輸電系統(tǒng)，其“西電東送”線損率受交流通道和直流通道的綜合影響。受輸電距離、送電量等因素影響，直流輸電通道線損率普遍高于交流輸電通道，且“十二五”以來逐步在南方電網(wǎng)“西電東送”通道線損特性中占據(jù)主導(dǎo)作用。

從圖7所示不同送電主體直流通道的線損率統(tǒng)計(jì)情況看，盡管云南送電廣東直流工程的年送電量要大幅高于貴廣、天廣直流通道，且送電距離相對最遠(yuǎn)，但因電壓等級高、導(dǎo)線電流密度低，總體線損率仍要低于其他直流通道。

4.1.4 電網(wǎng)運(yùn)行方式影響

電網(wǎng)運(yùn)行過程中采取的送電曲線、直流系統(tǒng)運(yùn)行方式、交流和直流通道送電功率的分配、電壓運(yùn)行水平等對輸電損耗均有影響。

送電量相同的情況下，送電曲線越平緩，通道的線損率越低，反之越高；直流系統(tǒng)因設(shè)備故障等原因出現(xiàn)單極金屬回線或降壓運(yùn)行時(shí)，線損將大幅增加；交流通道與直流通道、不同直流通道的線損特性有較大差異，不同輸電通道的功率分配方式也會(huì)影響通道整體損耗；輸電線路的電能損耗與電壓的平方基本成反比關(guān)系，電壓水平較低時(shí)將一定程度上增加電網(wǎng)輸電損耗。

4.2 關(guān)鍵影響因素分析

南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性復(fù)雜，采用成功關(guān)鍵分析法對其關(guān)鍵要點(diǎn)(key performance indicator，KPI)進(jìn)行分析，以確定主要影響因素和電網(wǎng)降損措施的工作重點(diǎn)。

通過魚骨圖分析南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性的關(guān)鍵因素，結(jié)果如圖11所示。對各類影響因素進(jìn)行分析：

a)南方電網(wǎng)“西電東送”交易規(guī)模和交易構(gòu)成主要由送、受端電力供需平衡情況以及“西電東送”電網(wǎng)發(fā)展需要決定，不應(yīng)為降低輸電損耗進(jìn)行調(diào)整，從而不應(yīng)是影響南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗的關(guān)鍵因素。

b)送電曲線、直流系統(tǒng)運(yùn)行方式、輸電通道功率分配、電壓運(yùn)行水平等的優(yōu)化調(diào)整對電網(wǎng)輸電損耗的措施有明顯作用，是運(yùn)行環(huán)節(jié)電網(wǎng)損耗特性的關(guān)鍵影響因素。

c)輸電通道構(gòu)成影響因素中，由圖2、圖3及圖5可見，近年來直流輸電通道年送電量大幅高于交流通道，送電量規(guī)模超出南方電網(wǎng)“西電東送”總電量的72%，且直流通道輸電距離遠(yuǎn)、線損率相對較高，其損耗電量占到整個(gè)南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗電量的76%～79%，已經(jīng)成為南方電網(wǎng)“西電東送”通道整體損耗的主導(dǎo)性因素。同時(shí)，根據(jù)南方電網(wǎng)“西電東送”發(fā)展技術(shù)路線，未來“西電東送”電網(wǎng)建設(shè)將以直流輸電通道為主，交流通道不再進(jìn)一步加強(qiáng)[15-20]，因此今后直流輸電通道線損率的控制應(yīng)是重點(diǎn)。

綜合各類影響因素的相關(guān)性、可操作性等原則，除了運(yùn)行管理環(huán)節(jié)的運(yùn)行方式以外，直流通道的線損特性應(yīng)是整個(gè)南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗的關(guān)鍵影響因素。

4.3 降損工作重點(diǎn)

根據(jù)南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性分析結(jié)論，結(jié)合南方電網(wǎng)“西電東送”發(fā)展技術(shù)路線，今后的降損工作重點(diǎn)應(yīng)是：

a)在運(yùn)行管理環(huán)節(jié)，加強(qiáng)已建成交流、直流輸電通道的輸電損耗控制。例如：盡可能減少直流單極和降壓運(yùn)行等運(yùn)行方式；送電曲線盡可能平緩；合理安排各輸電通道的送電功率分配。

b)在規(guī)劃或工程前期研究階段，優(yōu)化選取直流工程的電壓等級和直流線路導(dǎo)線截面等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，促進(jìn)電網(wǎng)節(jié)能降損。

圖11 南方電網(wǎng)“西電東送”通道損耗特性關(guān)鍵影響因素分析

5 結(jié)束語

南方電網(wǎng)“西電東送”戰(zhàn)略實(shí)施以來，送電規(guī)模、交易主體、通道建設(shè)等發(fā)生了巨大變化，“西電東送”主網(wǎng)架的損耗特性也相應(yīng)發(fā)生變化。隨著“十二五”后期直流輸電規(guī)模的大幅增長，直流輸電通道逐步主導(dǎo)南方電網(wǎng)“西電東送”通道的整體損耗特性，其中以云南送電廣東直流通道的影響作用最大。

通過多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，南方電網(wǎng)“西電東送”通道的降損潛力已基本得到充分挖掘，結(jié)合關(guān)鍵影響因素分析和“西電東送”電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)路線，今后應(yīng)特別注重規(guī)劃或工程前期研究階段對直流工程關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)化選取。