自然環(huán)境災(zāi)害下配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬系統(tǒng)研究

閆佳文，黃幫局，劉 哲，鄒 園，吳 強(qiáng)

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司 培訓(xùn)中心，河北 石家莊 050000；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)τ陔娏Φ男枨罅砍掷m(xù)增加[1-2]?，F(xiàn)階段，我國(guó)大部分城市中的配網(wǎng)仍然處于發(fā)展階段，需要從區(qū)域電網(wǎng)向全國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)的過(guò)程進(jìn)行過(guò)渡[3]。在大功率遠(yuǎn)距離電力傳輸過(guò)程中，高壓直流輸電是整個(gè)輸電系統(tǒng)的核心部分，大型互聯(lián)電網(wǎng)的組成以及電網(wǎng)骨干網(wǎng)架的形成全部離不開(kāi)它，同時(shí)其也是整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行相互連接的重要紐帶。然而，受自然環(huán)境災(zāi)害的影響，在寒涼條件下，配網(wǎng)線路易遭遇覆冰災(zāi)害，被冰包住的線路的機(jī)械荷載會(huì)隨著覆冰量的增加而增大，且線路覆冰后因受風(fēng)面積加大而增加了風(fēng)壓。當(dāng)冰、風(fēng)綜合荷載超過(guò)線路強(qiáng)度的限值后，會(huì)造成線路損壞，從而影響配網(wǎng)的穩(wěn)定及安全。因此，對(duì)配網(wǎng)覆冰輸電線路進(jìn)行有效模擬，有利于實(shí)施線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)、保障配電系統(tǒng)的安全。為此，針對(duì)自然環(huán)境災(zāi)害下配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果全面驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性以及實(shí)用性。

1 理論分析

線路覆冰主要根據(jù)天氣及環(huán)境條件決定，受到環(huán)境溫濕度、風(fēng)力、空氣溫度的影響。當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，空氣中的水分會(huì)因冷卻而在配網(wǎng)線路表面碰撞并凝結(jié)為固態(tài)，從而產(chǎn)生覆冰。線路覆冰場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)覆冰場(chǎng)景Fig.1 Map of Ice Scene

1.1 覆冰分類(lèi)

配網(wǎng)輸電線路覆冰多在冬季和初春季節(jié)發(fā)生，按照覆冰形成條件，可將配網(wǎng)覆冰分為以下4種類(lèi)型。

(1)混合凇覆冰。當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃且風(fēng)力較大時(shí)，易形成混合淞覆冰。混合淞覆冰密度大、覆蓋力強(qiáng)，且擴(kuò)展速度快，對(duì)配網(wǎng)線路危害較大。

(2)雨凇覆冰?；旌箱炼喈a(chǎn)生于低海拔地區(qū)。當(dāng)環(huán)境溫度接近于0 ℃且風(fēng)力偏大時(shí)，易形成雨凇覆冰?；旌箱粮脖嬖跁r(shí)間偏短，但覆蓋力強(qiáng)。

(3)軟霧凇覆冰。當(dāng)環(huán)境溫度非常低且風(fēng)力較小時(shí)，易形成軟霧凇覆冰。軟霧凇覆冰密度較小，因此覆蓋力較弱。一般情況下，軟霧凇覆冰的結(jié)冰方式是單向的，且分布較為平均，因此對(duì)配網(wǎng)線路的損害也相對(duì)較低。

(4)白霜覆冰。當(dāng)環(huán)境溫度較低且空氣濕度較大時(shí)，空氣中的水分與配網(wǎng)線路接觸時(shí)，極易在配網(wǎng)線路表面凝結(jié)，從而形成白霜覆冰。白霜覆冰覆蓋力較弱，且極易從線路上脫落。因此，白霜覆冰對(duì)配網(wǎng)線路的危害最小。

1.2 覆冰影響因素

除了環(huán)境溫度和濕度這兩個(gè)主要的影響因素外，風(fēng)力也是一個(gè)主要因素。較大的風(fēng)力可將冷卻水輸向配網(wǎng)輸電線路，使其附著于導(dǎo)線上而形成覆冰。除了風(fēng)力因素外，輸電線路走向和高度以及線路本身的粗細(xì)也影響覆冰的生成結(jié)果。線路高度越高、直徑越大，覆冰情況越嚴(yán)重。且呈東西走向的線路覆冰也較為嚴(yán)重。

1.3 覆冰危害

當(dāng)配網(wǎng)輸電線路中出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象時(shí)，易造成線路斷線、輸電塔倒桿的現(xiàn)象，這主要是因覆冰導(dǎo)致輸電塔兩側(cè)的張力不均衡，當(dāng)一端張力超過(guò)限值后，將造成輸電塔倒桿。與此同時(shí)，覆冰情況越嚴(yán)重，配網(wǎng)線路電壓分布的畸變就越大，高壓引線端絕緣子承受的電壓將明顯增大，極易造成冰閃事故。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

主站功能開(kāi)發(fā)總體目標(biāo)該系統(tǒng)主站主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)實(shí)時(shí)收集和顯示數(shù)據(jù)。對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電流對(duì)地基準(zhǔn)、對(duì)地絕緣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與顯示，對(duì)電纜線路實(shí)現(xiàn)電纜端部溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與顯示，并以可視化的方式展示整個(gè)地區(qū)配電網(wǎng)的設(shè)備維護(hù)、配電網(wǎng)維護(hù)及故障判斷等提供直觀的觀測(cè)手段，有效地縮小了電纜端部溫度數(shù)據(jù)的范圍，為事故分析與故障定位提供了有效的依據(jù)。

(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和發(fā)現(xiàn)故障。通過(guò)設(shè)置上界和下界，對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，判斷故障、發(fā)現(xiàn)故障、自動(dòng)記錄故障信息。為了提高故障信息系統(tǒng)信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，提升調(diào)度人員駕馭電網(wǎng)的能力，需要有效地處理上送信息，引入電網(wǎng)拓?fù)涔δ?，在發(fā)生故障時(shí)，可以顯示出影響系統(tǒng)運(yùn)行的拓?fù)鋱D，為故障分析和故障定位提供了有效的手段。

(3)失靈短信報(bào)警。除了系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警外，還應(yīng)增加故障報(bào)警方式，通過(guò)短信及時(shí)報(bào)警，使專(zhuān)業(yè)維修人員能及時(shí)得知故障信息，從而有效縮短搶修時(shí)間，提高配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

(4)顯示配變用戶(hù)信息。在出現(xiàn)故障時(shí)，可以有效地統(tǒng)計(jì)影響的用戶(hù)、用戶(hù)數(shù)和分布情況。對(duì)斷電影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)出現(xiàn)斷電時(shí)，將斷電的兩個(gè)開(kāi)關(guān)放置，系統(tǒng)自動(dòng)將斷電兩個(gè)開(kāi)關(guān)區(qū)之間的用戶(hù)信息顯示出來(lái)。

(5)歷史故障統(tǒng)計(jì)。通過(guò)對(duì)不同時(shí)段變電所、配電網(wǎng)線路、采集設(shè)備下故障的直觀描述，繪制柱狀圖，為分析故障源、頻率提供了有效的方法。

(6)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的校驗(yàn)功能。為了系統(tǒng)的安全和符合國(guó)家政策要求，該系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘校驗(yàn)和對(duì)時(shí)。

(7)無(wú)線聯(lián)機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)備。具有“二遙”功能的無(wú)線配網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)裝置：遙測(cè)線路正常負(fù)荷電流和故障突變電流；遙信線安裝點(diǎn)故障信號(hào)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)量；同時(shí)還具有遙控感應(yīng)裝置。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬系統(tǒng)需全面模擬電網(wǎng)中交流場(chǎng)、直流場(chǎng)、啟動(dòng)電阻等設(shè)備，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)線路中的不同設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效分析。在設(shè)計(jì)時(shí)，主要利用背靠背原則，不同站之間主要通過(guò)阻抗就進(jìn)行連接，根據(jù)系統(tǒng)中阻抗的具體變化情況反映線路電流的變化情況[4-5]。其中，整流站以及逆變站的有功功率之差代表2個(gè)站在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的損耗，同時(shí)2個(gè)站的無(wú)功功率在運(yùn)行的過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合以上分析，組建覆冰狀態(tài)下輸電線路動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)該模型準(zhǔn)確描述輸電線路中各設(shè)備的重要特征模型。

圖2 硬件模塊示意Fig.2 Schematic diagram of hardware module

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)標(biāo)幺值相等的設(shè)計(jì)原則完成系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，并利用該原則對(duì)系統(tǒng)中重要參數(shù)的取值進(jìn)行設(shè)定，以達(dá)到準(zhǔn)確模擬配網(wǎng)覆冰輸電線路狀態(tài)的目的。這一過(guò)程中，利用標(biāo)幺值相等方法能夠縮短計(jì)算時(shí)間，從而提高系統(tǒng)工作效率。此模塊集成了射頻收發(fā)芯片、功率放大芯片、基帶處理模塊等，可完整地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星無(wú)線電檢測(cè)業(yè)務(wù)的收發(fā)信號(hào)功能、調(diào)制解調(diào)、定位、短消息通信等功能。該系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，其模塊穩(wěn)定可靠，用戶(hù)評(píng)價(jià)良好。

首先計(jì)算不同子模塊的額定電壓，具體過(guò)程如下：

(1)

式中，?為能夠表示電壓狀態(tài)變量的相關(guān)因子；uk為第個(gè)子模塊的電壓值。假設(shè)要完成線路模擬系統(tǒng)以及工程現(xiàn)場(chǎng)一致的無(wú)功功率出力范圍比例，需要設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)和工程現(xiàn)場(chǎng)相同的功率圓圖[6-7]。根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，能夠確定模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，該容量也是整流側(cè)以及逆變側(cè)的換流變?nèi)萘俊?/p>

為了確保輸電線路模擬系統(tǒng)中的無(wú)功功率出力范圍和工程現(xiàn)場(chǎng)相同，需要設(shè)計(jì)兩者之間的功率圓圖[8-15]。利用相關(guān)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，準(zhǔn)確計(jì)算配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通量，以下給出具體的計(jì)算式：

(2)

將實(shí)際的工程現(xiàn)場(chǎng)作為研究對(duì)象，同時(shí)利用相關(guān)理論的設(shè)計(jì)原則，分別對(duì)交流系統(tǒng)以及直流系統(tǒng)中的模擬參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的介紹。利用表1給出直流系統(tǒng)中不同參數(shù)的取值。

表1 直流系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的取值Tab.1 Value of parameters related to DC system

分析實(shí)際工程中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，為后續(xù)模擬系統(tǒng)中參數(shù)的設(shè)定提供一定的依據(jù)。

輸電系統(tǒng)中最為核心的設(shè)備就是換流閥，通過(guò)換流閥能夠完成系統(tǒng)中不同直流的變換[16-21]。通過(guò)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中換流閥的橋臂全部是由不同的子模塊串聯(lián)形成的。系統(tǒng)的各個(gè)子模塊中含有不同的器件，通過(guò)這些器件能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬。

基于自然環(huán)境災(zāi)害下配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬系統(tǒng)中子模塊的額定工作電壓為40 V；通過(guò)對(duì)應(yīng)的計(jì)算式能夠分別計(jì)算橋臂的額定工作流、交流分量以及直流偏置。

整個(gè)配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬系統(tǒng)中含有兩個(gè)流換站的換流閥，通過(guò)多個(gè)橋臂組成換流閥，通過(guò)換流閥能夠有效完成系統(tǒng)中階梯波的輸出。同時(shí)系統(tǒng)中的各個(gè)子模塊能夠靈活地進(jìn)行插播，為后續(xù)系統(tǒng)的故障檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。結(jié)合相關(guān)計(jì)算方法，換流閥中相關(guān)參數(shù)的取值見(jiàn)表2。

表2 換流閥相關(guān)參數(shù)的取值Tab.2 Value of relevant parameters of converter valve

柔性直流輸電工程的換流主要是通過(guò)常規(guī)的變壓器完成的，該工程最為主要的功能就是獲取最佳電壓范圍，同時(shí)設(shè)定符合相關(guān)需求的調(diào)制比。

結(jié)合相關(guān)計(jì)算理論，以下分別給出換流變模擬參數(shù)的取值(表3)。

表3 換流變模擬參數(shù)Tab.3 Change rheological simulation parameters

配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬系統(tǒng)的不同站全部配置了網(wǎng)側(cè)交流電壓、閥側(cè)交流電壓等模擬量的測(cè)量單元，它的配置和實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)是一致的。

2.3 線路模擬

高壓直流輸電系統(tǒng)主要由整流站、逆變站和直流輸電線路3部分組成。高壓直流輸電系統(tǒng)的六脈動(dòng)換流橋基本模塊為三相式全控整流電路。其中電流從一個(gè)閥臂轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)閥臂的過(guò)程稱(chēng)為換向。由于換向回路中存在電感，電流如果無(wú)法發(fā)生突變，則換向無(wú)法瞬時(shí)完成。將換向過(guò)程所持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的角度稱(chēng)為換向角，具體計(jì)算公式為：

(3)

式中，α為觸發(fā)角；Lr為換向電；idc為直流電流；E為交流系統(tǒng)中等值線電壓的有效值。

在不考慮換向的過(guò)程中，當(dāng)μ=0時(shí)則直流電壓的平均值能夠表示為以下的形式：

(4)

(5)

在實(shí)現(xiàn)換向操作以后，6脈動(dòng)換流器輸出的電壓平均值計(jì)算式能夠表示為：

(6)

(7)

為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工程的相關(guān)需求，需要設(shè)定對(duì)應(yīng)的參數(shù)，分別為直流感性壓降dx以及直流阻性壓降dr，以下給出標(biāo)幺值的具體計(jì)算式：

(8)

高壓直流輸電系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，控制系統(tǒng)不僅能調(diào)節(jié)高壓直流輸電系統(tǒng)本身的運(yùn)行特征，甚至能對(duì)交流系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改善交流電網(wǎng)的運(yùn)行特性。

結(jié)合以上分析，能夠獲取穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的直流電流：

(9)

整流側(cè)以及逆變側(cè)的直流功率計(jì)算式為：

(10)

換流變壓器是高壓直流輸電主回路的關(guān)鍵設(shè)備之一，高壓直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)就是換流變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)不同的脈動(dòng)換流器，選用三相雙繞組換流變壓器的額定容量計(jì)算式為：

(11)

由于環(huán)流變壓器的漏抗在換流變壓器壓降中占據(jù)十分重要的地位，由于能夠?qū)⑵浣频乇硎緸椋?/p>

(12)

在配網(wǎng)覆冰災(zāi)害下，實(shí)際工程裕度會(huì)有一定程度的增加，所以短路阻抗比的取值要稍大一些。逆變側(cè)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算式如下：

(13)

其中：

(14)

針對(duì)不同脈動(dòng)的換流器，設(shè)定平波電阻器電感值的計(jì)算式為：

(15)

考慮不同的外界干擾因素，能夠獲取平波電抗器的電感計(jì)算式，即：

Ld=max{Ld1，Ld2-3.5Lr}

(16)

2.4 軟件組成

電壓狀態(tài)變量界面顯示故障指示終端的實(shí)際分布，數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，并及時(shí)發(fā)出故障告警、發(fā)送短信通知，故障錄波數(shù)據(jù)會(huì)以圖形界面方式顯示。遙控功能可進(jìn)行遠(yuǎn)方遙控，具有防誤操作功能；定值設(shè)置實(shí)現(xiàn)定值的上傳、下載和修改等功能。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證基于自然環(huán)境災(zāi)害下配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬系統(tǒng)的綜合有效性，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別與不同的模擬系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，根據(jù)穩(wěn)態(tài)以及響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，對(duì)等效性以及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際工程的波形進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 額定運(yùn)行波形Fig.3 Rated operation waveform chart

綜合分析圖1相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)模擬的波形和實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)的波形基本一致，這充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模擬精度。

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，以下分別對(duì)比不同模擬系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變化情況，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。綜合分析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在3種模擬系統(tǒng)中為最低，這說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行效率。

表4 所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變化情況Tab.4 Changes in response time of the designed system

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的輸電線路模擬系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)并提出了基于自然環(huán)境災(zāi)害下配網(wǎng)覆冰輸電線路模擬系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)有效提升系統(tǒng)模擬精度，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。