基于風(fēng)向風(fēng)速氣象參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的方法

陳友慧，劉 然，李冬雪 ，許傲然，谷彩連

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110152；2.沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110015)

由于導(dǎo)體的物理特性，架空傳輸線可承載的電流量受氣象環(huán)境條件的限制[1]。通常架空線額定容量是基于低風(fēng)速和高環(huán)境氣溫這類保守氣象假設(shè)而被設(shè)定為靜態(tài)值或隨季節(jié)性變化的值[2]。由于這些氣象情況通常只存在很短的一段時(shí)間，因此，常規(guī)設(shè)定方法通常不能充分利用現(xiàn)有的輸電設(shè)備。事實(shí)上，當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件下自然冷卻導(dǎo)線可提供額外的載流量。動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量是一種基于導(dǎo)線中吸收和耗散的總能量間熱能平衡來動(dòng)態(tài)計(jì)算線路容量的技術(shù)[3]。實(shí)時(shí)監(jiān)控電氣和環(huán)境參數(shù)可以幫助最大限度地提高架空線路的容量利用率。而且由于風(fēng)力發(fā)電以及大風(fēng)所產(chǎn)生的導(dǎo)體容量增加之間的自然協(xié)同作用，動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量有助于顯著提高現(xiàn)有架空線路的風(fēng)能承載能力。

最近，動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的研究受到極大關(guān)注。IEEE和CIGRE成立了工作組以定義和標(biāo)準(zhǔn)化具有時(shí)變天氣條件的架空線路溫度的計(jì)算方法[4]。特別是IEEE為動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量開發(fā)了IEEE 738標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[5]通過愛爾蘭的案例研究分析了關(guān)于動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量相對于靜態(tài)額定容量的潛在好處；文獻(xiàn)[6]介紹了動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量在芬蘭的技術(shù)調(diào)查和適用性。這些在不同地理區(qū)域進(jìn)行的研究結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量在提高現(xiàn)有架空線的載流量利用率方面具有巨大潛力；文獻(xiàn)[7-8]詳細(xì)研究了環(huán)境條件對線路額定容量的影響；文獻(xiàn)[9-10]介紹了動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量在改善風(fēng)能并網(wǎng)方面的潛在應(yīng)用；文獻(xiàn)[11]給出了動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的時(shí)間序列建模，文獻(xiàn)[12]對架空線的電動(dòng)力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。

最近的一些文獻(xiàn)也研究了動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量在電網(wǎng)中的潛在應(yīng)用。例如：文獻(xiàn)[13]開發(fā)了一種使用動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量改善架空線運(yùn)行跳閘的方法；文獻(xiàn)[14]將動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量應(yīng)用到機(jī)組組合中。盡管在動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的理論基礎(chǔ)方面取得了一些進(jìn)展，但關(guān)鍵的挑戰(zhàn)仍然是如何通過在考慮運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貧庀髼l件的電網(wǎng)中進(jìn)行試點(diǎn)研究，從而量化動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的效益。

本研究在沈陽郊區(qū)的4條架空線上應(yīng)用了動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量技術(shù)。使用如線路負(fù)荷等實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)以及風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度和太陽輻照度等氣象數(shù)據(jù)來量化動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量在提高線路載流量利用率方面的優(yōu)勢[15]。首先，考慮氣象站之間的地理位置、計(jì)算復(fù)雜性和中點(diǎn)坐標(biāo)的精度，為測試系統(tǒng)確定氣象站的位置；然后，基于氣象數(shù)據(jù)和中點(diǎn)坐標(biāo)，使用母線載流量狀態(tài)解算器(bus current carrying state solver,BCCSS)實(shí)時(shí)計(jì)算架空線的載流量；最后，量化動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量在提高架空線設(shè)備利用率方面的優(yōu)勢，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貧庀髼l件評估動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量在實(shí)際電網(wǎng)上的性能。

1 測試點(diǎn)概述

測試地點(diǎn)位于沈陽市郊區(qū)，由2條輸電通道組成，每條通道都有東西和南北向各2條線路。氣象站位置、導(dǎo)線類型如圖1所示，測試線路的導(dǎo)體類型和夏/冬季額定容量如表1所示。此外，在測試電網(wǎng)的北側(cè)有擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電場的潛力。由于風(fēng)能在所考慮的架空線上傳輸?shù)碾娔苤姓急容^大，而風(fēng)力發(fā)電和并行冷卻之間存在天然的協(xié)同作用，因此，試驗(yàn)場是評估動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量方法性能的理想之選。

圖1 試點(diǎn)區(qū)架空線結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of overhead lines in test area

表1 架空線路數(shù)據(jù)Table 1 The data of overhead lines

1.1 數(shù)據(jù)采集

由于如風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境空氣溫度和太陽輻照度水平等氣象條件的時(shí)空變化顯著影響線路額定容量設(shè)定，因此，氣象站的正確配置和數(shù)據(jù)收集對于準(zhǔn)確計(jì)算現(xiàn)有架空線中可用的額外容量至關(guān)重要。綜合考慮地理因素、氣象站的成本以及中點(diǎn)坐標(biāo)的精度，確定4個(gè)氣象站的安裝位置。從這些氣象站獲得的氣象數(shù)據(jù)被用來完成對整個(gè)架空線附近的天氣狀況和溫度的準(zhǔn)確描述。每隔3 min從氣象站數(shù)據(jù)記錄器中檢索天氣數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。除天氣數(shù)據(jù)外，每3 min采集一次線路的負(fù)荷數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

對2018年6月5日至2018年12月9日的天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析周期包括夏、冬季天氣狀況。將來自氣象站的觀測氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)公司用于設(shè)定靜態(tài)額定容量的保守氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

線路的靜態(tài)額定容量見表1。對Ⅰ型線路應(yīng)用全年性靜態(tài)額定容量，對Ⅱ型線路應(yīng)用季節(jié)性靜態(tài)額定容量。Ⅰ型東西和南北向線路全年額定容量的差異是由于使用了不同的導(dǎo)線。平均強(qiáng)度在4.5 m/s以上的主要風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖2(a)所示，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值大于保守假設(shè)，并且其風(fēng)向有利于南北向線路的冷卻。平均日風(fēng)速曲線如圖2(b)所示，可以觀察到白天風(fēng)速較高。風(fēng)力發(fā)電量較高可能導(dǎo)致電網(wǎng)公司需要進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，從而保持電力平衡。在發(fā)電機(jī)聯(lián)絡(luò)線上使用動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的情況下，若電能大部分來自風(fēng)力發(fā)電，則并行冷卻可避免大風(fēng)時(shí)風(fēng)力發(fā)電廠的發(fā)電量超過架空線的靜態(tài)額定容量。

圖2 主要風(fēng)向和風(fēng)速曲線Figure 2 Wind direction and wind speed curves

氣象站收集的太陽輻照度數(shù)據(jù)如圖3所示，與電網(wǎng)公司1 004.8 W/m2的太陽輻照度假設(shè)相比，統(tǒng)計(jì)的平均太陽輻照度為600 W/m2。電網(wǎng)公司的假設(shè)溫度和氣象站實(shí)際觀測溫度如圖4所示，假設(shè)溫度遠(yuǎn)高于整個(gè)夏季的實(shí)測環(huán)境溫度。因此，動(dòng)態(tài)調(diào)整線路額定容量可以顯著提高夏季的載流量利用率。從對收集的氣象數(shù)據(jù)的分析來看，電網(wǎng)公司對風(fēng)速、太陽輻照度和環(huán)境溫度的假設(shè)是保守的。

圖3 太陽輻照度數(shù)據(jù)Figure 3 Solar irradiance data

圖4 氣溫?cái)?shù)據(jù)對比Figure 4 Comparison of temperature data

2 動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量方法

基于天氣的動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量方法核心要素如圖5所示。云容器引擎(cloud container engine,CCE)是動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的主要計(jì)算引擎，WindSim是計(jì)算流體力學(xué)模型的仿真軟件，BGHT是組織和預(yù)處理歷史天氣數(shù)據(jù)以使其與CCE可以使用的格式兼容工具包，MMR是組織預(yù)測天氣數(shù)據(jù)以驅(qū)動(dòng)CCE計(jì)算的工具包。由于MMR和BGHT是使外部輸入輸出與CCE或WindSim兼容的支持工具，因此本研究主要集中在CCE和WindSim上。

動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量方法的詳細(xì)框架及其與不同構(gòu)件之間的交互如圖6所示，WindSim負(fù)責(zé)接收配置數(shù)據(jù)，例如氣象站的位置、來自地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及本地歷史氣象數(shù)據(jù)。此外，WindSim使用地形數(shù)據(jù)來計(jì)算架空線所在區(qū)域的地形和拓?fù)?。在接收到這些信息之后，WindSim在線路的中點(diǎn)處計(jì)算更精確的天氣數(shù)據(jù)。流體力學(xué)模型計(jì)算不是直接使用氣象站的天氣數(shù)據(jù)，而是將天氣數(shù)據(jù)換算至到中點(diǎn)，以提供更精確的當(dāng)?shù)貧庀髼l件。在計(jì)算中點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，這些數(shù)據(jù)連同實(shí)時(shí)和歷史天氣數(shù)據(jù)一起送至CCE處理。此外還向CCE提供線路導(dǎo)體類型，并從導(dǎo)體目錄中獲得實(shí)際的導(dǎo)體特性。根據(jù)這些信息，CCE計(jì)算每條線路的溫度和可用容量。

圖5 動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量方法的核心要素Figure 5 Core elements of dynamically adjusting line capacity

圖6 動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量方法的詳細(xì)框架Figure 6 Detailed framework of dynamically adjusting line capacity

2.1 計(jì)算流體力學(xué)模型

WindSim是一個(gè)計(jì)算流體力學(xué)模型的仿真軟件，使用來自氣象站的數(shù)據(jù)精確估計(jì)試驗(yàn)區(qū)中心的風(fēng)場情況。WindSim使用地形拓?fù)涞鹊乩硇畔韯?chuàng)建模擬風(fēng)場，然后將模擬風(fēng)場數(shù)據(jù)與氣象站的位置、架空線結(jié)構(gòu)和位置、環(huán)境溫度和太陽輻照度等數(shù)據(jù)結(jié)合使用，以估計(jì)試驗(yàn)區(qū)中心的風(fēng)速和風(fēng)向。WindSim使用氣象站歷史數(shù)據(jù)來驗(yàn)證和改進(jìn)模型，建立高效率的查找表，以將氣象站數(shù)據(jù)映射到試驗(yàn)區(qū)中心位置。為更好地模擬近地面區(qū)域，繪制基于植被、農(nóng)田和居民區(qū)的地形模擬圖，如圖7所示。

圖7 試點(diǎn)區(qū)地形模擬Figure 7 Topographic simulation map of test area

為有效地模擬風(fēng)湍流，WindSim使用雷諾平均Navier-Stokes方程，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型用于模擬湍流動(dòng)能k和動(dòng)能耗散率ε：

(1)

其中湍流粘度為

(2)

湍流產(chǎn)生項(xiàng)為

(3)

其中，Ui為速率，Cμ、cε1、cε2、σk和σε為k-ε模型的固定常數(shù)，分別設(shè)置為0.09、1.55、2.0、1.0和1.3[16]。將經(jīng)緯度的x-y空間分解為一個(gè)恒定的30 m網(wǎng)格，該網(wǎng)格與地理信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)中描述的特征具有相同的分辨率。在垂直方向上，距地面50 m的范圍內(nèi)使用5 m分辨率，以便更精確地求解輸電線路和氣象站附近的風(fēng)場。在距地面50 m的范圍外，使用對數(shù)間距，最大為3 500 m，共有40個(gè)網(wǎng)格，流體力學(xué)計(jì)算共模擬950萬個(gè)單元。

對24個(gè)間距為15°的不同進(jìn)風(fēng)區(qū)進(jìn)行仿真。WindSim在24個(gè)中央處理器上并行求解，每個(gè)處理器運(yùn)行12 h，然后在所有中點(diǎn)和氣象站的位置輸出仿真結(jié)果，這些結(jié)果用于為每個(gè)中點(diǎn)創(chuàng)建相對風(fēng)向變化和風(fēng)速加減的查找表。若假定邊界層為自相似流動(dòng)，則在任意風(fēng)速和風(fēng)向的情況下，可以在每個(gè)中點(diǎn)位置進(jìn)行給定方向求解，東、西2個(gè)基本方向的求解結(jié)果如圖8所示。

查找表包含了給定位置的風(fēng)場數(shù)據(jù)。中心的太陽輻照度、風(fēng)速風(fēng)向和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)從距離最近的氣象站獲取。從動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的角度來看，這些是WindSim的關(guān)鍵輸出，CCE使用這些輸出計(jì)算線路可用容量。

圖8 風(fēng)場求解結(jié)果Figure 8 Wind field results

2.2 可用容量計(jì)算

CCE是動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的核心，通過考慮當(dāng)?shù)厝缣栞椛?、?dāng)前溫度和輻射熱損失等天氣數(shù)據(jù)來支撐計(jì)算架空線可用容量。CCE采用IEEE 738標(biāo)準(zhǔn)，并利用熱能平衡方程計(jì)算實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)電流容量：

(4)

式中qr、qc、qs分別為輻射熱損失、對流熱損失和通過太陽輻射獲得的熱增益；R為導(dǎo)體電阻，是關(guān)于導(dǎo)體溫度Tc的函數(shù)；I為流過導(dǎo)體的電流。

單位長度輻射熱損失(W/m)：

qr=0.013 8Dε·

(5)

式中ε為發(fā)射率；D為導(dǎo)體直徑；Tc為導(dǎo)體溫度；Ta為環(huán)境空氣溫度。

單位長度的熱傳導(dǎo)損失(W/m)：

kfKangle(Tc-Ta)

(6)

或者

(7)

式中Vw為空氣的速度；μf為粘度；ρf為流體參數(shù)密度；kf為環(huán)境溫度下計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)；Kangle為風(fēng)向系數(shù)。風(fēng)速小于1.34 m/s時(shí)采用式(6)計(jì)算qc，風(fēng)速大于1.34 m/s時(shí)采用式(7)計(jì)算qc。

Kangle=

1.194-cosφ+0.194cosφ+0.368sin 2φ

(8)

其中φ為線路方位和傳入風(fēng)向量之間的角度。風(fēng)向系數(shù)可以顯著改變冷卻效果，因?yàn)樵诒容^直接平行和直接垂直風(fēng)流時(shí)，風(fēng)向系數(shù)可以變化3倍。導(dǎo)體還從太陽輻射中獲得熱能，根據(jù)IEEE 738標(biāo)準(zhǔn)，太陽輻射產(chǎn)生的熱增益為

qs=αQseA′sinθ

(9)

式中α為太陽吸收率；Qse為經(jīng)海拔校正的太陽和天空總輻射熱通量；θ為太陽光的有效入射角；A′為單位長度導(dǎo)體的投影面積。

CCE通過將實(shí)時(shí)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與現(xiàn)場部署的氣象站測量數(shù)據(jù)和計(jì)算的流體力學(xué)模型相結(jié)合，計(jì)算具有少量氣象站的線路可用容量。CCE還能夠通過靈活的系統(tǒng)架構(gòu)集成傳感器、通信通道、數(shù)據(jù)管理和實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，從而向電網(wǎng)公司提供架空線熱限制的信息，支持電網(wǎng)公司系統(tǒng)進(jìn)行更好的運(yùn)營規(guī)劃。CCE在計(jì)算中使用架空線特定的導(dǎo)體熱物理和幾何特性。CCE還可以使用在本研究期間收集的天氣數(shù)據(jù)，以計(jì)算歷史載流量與負(fù)荷的關(guān)系。

3 案例分析

電網(wǎng)公司收集氣象站數(shù)據(jù)，并將負(fù)荷數(shù)據(jù)加載到CCE中。在收到來自電網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)后，CCE利用這些處理后的數(shù)據(jù)來計(jì)算出每條線路段的可用容量。由于在所有氣象站數(shù)據(jù)中，基于WS32氣象站的數(shù)據(jù)通常計(jì)算出的可用容量最低，本文主要考慮來自WS32氣象站的數(shù)據(jù)(除非特別說明，否則均以WS32氣象站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ))。

3.1 計(jì)算出的可用容量和現(xiàn)有靜態(tài)額定容量

將4個(gè)線路的當(dāng)前靜態(tài)額定容量與計(jì)算出的可用容量進(jìn)行比較，主要說明每條線路容量的增加潛能以及在該地區(qū)承載額外風(fēng)能的可行性。

Ⅱ型線路的計(jì)算可用容量和當(dāng)前靜態(tài)額定容量之間的比較如圖9所示，靜態(tài)額定基準(zhǔn)被設(shè)置為零，計(jì)算時(shí)間序列中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的計(jì)算可用容量和靜態(tài)額定容量之間以及負(fù)荷和靜態(tài)額定容量之間的差值，按降序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，這是為了將載流量裕量顯示為負(fù)值，以直觀分析所提出方法的性能。橫坐標(biāo)時(shí)間百分比指的是大于對應(yīng)數(shù)據(jù)值的時(shí)間段與整個(gè)試驗(yàn)周期的比值，這是為了在時(shí)間層面上對計(jì)算可用容量與靜態(tài)額定容量進(jìn)行比較。對于Ⅱ型東西和南北向線路，在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，計(jì)算可用容量有95%的時(shí)間高于應(yīng)用季節(jié)性靜態(tài)額定容量的情況，平均比季節(jié)性靜態(tài)額定容量增加72%。

圖9 Ⅱ型線路的計(jì)算可用容量與靜態(tài)額定容量Figure 9 Calculated available capacity and static rated capacity of type Ⅱ lines

Ⅰ型線路的計(jì)算可用容量和當(dāng)前靜態(tài)額定容量之間的比較如圖10所示，對Ⅰ型線路使用的分析方法與在Ⅱ型線路中使用的分析方法相同。對于Ⅰ型東西向和南北向線路，在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，計(jì)算可用容量有76%以上的時(shí)間高于使用全年靜態(tài)額定容量的情況，平均比全年靜態(tài)額定容量增加22%。

圖10 Ⅰ型線路的計(jì)算可用容量與靜態(tài)額定容量Figure 10 Calculated available capacity and static rated capacity of type Ⅰ lines

線路計(jì)算可用容量、線路負(fù)荷、靜態(tài)額定容量之間的差異如圖11、12所示，可以看出，即使在額定負(fù)荷情況下，Ⅱ型線路也有很大的負(fù)荷提升空間，而Ⅰ型線路更接近靜態(tài)限制。事實(shí)上，Ⅰ型東西向線路負(fù)荷(圖12(a))在一段時(shí)間內(nèi)非常接近靜態(tài)極限，即使所有線路在地理上距離都不是很遠(yuǎn)，但可用容量提升空間差別很大。Ⅱ型南北向線路的提升空間最大(圖11(b))，而Ⅰ型東西向線路(圖12(a))的提升空間最小。

圖11 Ⅱ型線路的計(jì)算容量與線路負(fù)荷Figure 11 Calculated capacity and load of type Ⅱ lines

圖12 Ⅰ型線路的計(jì)算容量與線路負(fù)荷Figure 12 Calculated capacity and load of type Ⅰ lines

3.2 線路容量與負(fù)荷對比分析

使用WS32氣象站作為參考來計(jì)算每條線路的可用容量?？紤]到環(huán)境溫度的差異，Ⅱ型線路是季節(jié)型靜態(tài)額定容量，而Ⅰ型線路使用全年靜態(tài)額定容量。從圖11可以看出，Ⅱ型線路在整個(gè)測試周期內(nèi)，負(fù)荷從未超過靜態(tài)額定容量。然而在特定時(shí)間段內(nèi)，計(jì)算出的容量在風(fēng)速較低或環(huán)境溫度高于設(shè)定靜態(tài)額定容量時(shí)，計(jì)算容量可能會(huì)低于靜態(tài)額定容量。從圖11(a)、(b)可以看出，2條線路的負(fù)荷和靜態(tài)額定容量變化趨勢一致。

類似地，Ⅰ型線路計(jì)算容量、負(fù)荷和靜態(tài)額定容量對比見圖12。與Ⅱ型線路情況不同，Ⅰ型線路在容量上具有更高的擁堵性。觀察到有幾個(gè)時(shí)間段的負(fù)荷非常接近靜態(tài)額定容量，線路存在擁堵的跡象。此外，即使計(jì)算的可用容量在大多數(shù)時(shí)間高于靜態(tài)額定容量，但在某些情況下，計(jì)算的額定容量也低于靜態(tài)額定容量。在靜態(tài)額定容量高于計(jì)算的可用容量期間，導(dǎo)體溫度可能達(dá)到較高水平。

整個(gè)研究期間出現(xiàn)了計(jì)算可用容量在短時(shí)間內(nèi)低于線路負(fù)荷的情況。在7個(gè)實(shí)例中，負(fù)荷大于計(jì)算可用容量的情況如表2所示，總時(shí)間為21 min。負(fù)荷高于計(jì)算可用容量的實(shí)際情況如圖13所示，2018年12月8日觀測到的最長一段持續(xù)時(shí)間為9 min，在此期間負(fù)荷迅速增加，負(fù)荷回升后不久氣象站處的風(fēng)力增加。負(fù)荷超過計(jì)算可用容量的主要原因是天氣條件，即風(fēng)在到達(dá)架空線之前就已到達(dá)風(fēng)電廠。這種情況下動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量提供了更好的實(shí)時(shí)態(tài)勢感知。

表2 線路負(fù)荷高于計(jì)算容量的情況Table 2 Cases where the line load is higher than the calculated capacity

圖13 Ⅰ型南北向線路負(fù)荷高于計(jì)算容量的情況Figure 13 Case where the type Ⅰ north-south line load is higher than the calculated capacity

3.3 流體力學(xué)模擬精度評估

為了評估流體力學(xué)模擬的準(zhǔn)確性，將相鄰氣象站的流體力學(xué)模擬值進(jìn)行比較，并與通過研究收集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。通過流體力學(xué)模擬計(jì)算風(fēng)速預(yù)測值，然后將該預(yù)測值與實(shí)際測量值進(jìn)行比較以評估誤差。計(jì)算總熱損失時(shí)取風(fēng)速的平方根，則氣象站之間風(fēng)速預(yù)測的13%的平均誤差轉(zhuǎn)化為熱量損失的6%的平均誤差。中心氣象站W(wǎng)S3和3個(gè)外部氣象站結(jié)果對比如表3所示，氣象站之間的最大誤差為13%。以30 m的地形分辨率進(jìn)行精度分析，如果使用10 m甚至1 m的分辨率來解析流體力學(xué)模型中的地形特征，則模型精度可獲得提升。

表3 中心氣象站和3個(gè)外部氣象站結(jié)果對比Table 3 Comparison of results between the central weather station and three external weather stations

3.4 增加風(fēng)能負(fù)荷的影響

為了研究風(fēng)能負(fù)荷增加對線路容量的影響，假設(shè)：在測試區(qū)新建風(fēng)電場，并對I型南北向線路進(jìn)行分析；風(fēng)力發(fā)電廠位于WS14氣象站以北5 km、以西1.6 km處?？紤]WS32、WS14這2個(gè)氣象站的天氣資料進(jìn)行分析。

1)WS32氣象站數(shù)據(jù)分析。

使用WS32氣象站數(shù)據(jù)模擬保守天氣場景進(jìn)行分析。整個(gè)研究期間計(jì)算可用容量與負(fù)荷的關(guān)系如圖14、15所示，觀察到有5次負(fù)荷大于計(jì)算可用容量的情況，負(fù)荷超過可用容量總持續(xù)時(shí)間為102 min，占總研究周期的0.04%。最長的一次長達(dá)36 min，這需要減少風(fēng)力發(fā)電量來保護(hù)輸電線路。

圖14 增加風(fēng)能負(fù)荷情況下I型南北向線路負(fù)荷與計(jì)算容量對比Figure 14 Comparison of load and calculation capacity of Type I north-south line under the condition of increasing wind power load

圖15 增加風(fēng)能負(fù)荷情況下計(jì)算可用容量低于負(fù)荷實(shí)例Figure 15 Case of calculating available capacity lower than load under the condition of increasing wind power load

2)WS14氣象站數(shù)據(jù)分析。

WS14氣象站位于I型線路的起點(diǎn)，并且距離風(fēng)能聚集點(diǎn)的位置最近。對比計(jì)算可用容量和負(fù)荷，如圖16所示，共發(fā)生3個(gè)負(fù)荷超過計(jì)算可用容量事件，3個(gè)事件總持續(xù)時(shí)間為45 min，只占研究周期的0.017%左右。而負(fù)荷多次超過靜態(tài)額定容量，總計(jì)為375 h，占研究周期的8%左右，線路可能被迫減少負(fù)荷以保持合規(guī)性。

圖16 增加風(fēng)能負(fù)荷情況下I型南北向線路負(fù)荷與計(jì)算容量對比Figure 16 Comparison of load and calculation capacity of type I north-south line under the condition of increasing wind power load

負(fù)荷超過計(jì)算可用容量的實(shí)例如圖17所示，負(fù)荷超過計(jì)算可用容量的每個(gè)事件信息如表4所示。盡管3個(gè)事件發(fā)生時(shí)負(fù)荷超過計(jì)算出的載流量，但與WS32相比持續(xù)時(shí)間較短，并且在這些事件前、后有數(shù)百安培左右容量的提升空間。這意味著所有情況下導(dǎo)體過載后都很容易冷卻。

圖17 增加風(fēng)能負(fù)荷情況下計(jì)算可用容量低于負(fù)荷實(shí)例Figure 17 Case of calculating available capacity lower than load under the condition of increasing wind power load

表4 線路負(fù)荷高于計(jì)算容量的情況Table 4 Cases where the line load is higher than the calculated capacity

以上結(jié)果分析基于文2中介紹的試點(diǎn)區(qū)研究。全球氣候變化可能會(huì)顯著改變輸電線路運(yùn)行的環(huán)境，從而影響導(dǎo)線的耐久性。由于傳統(tǒng)靜態(tài)線路額定容量假定載流量恒定，而不考慮實(shí)時(shí)天氣情況，因此，傳統(tǒng)靜態(tài)額定容量不能考慮全球氣候變化引起的環(huán)境變化。這種情況最終會(huì)增大線路超過最高溫度限制的風(fēng)險(xiǎn)。然而，動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量的實(shí)施會(huì)根據(jù)測量到的當(dāng)?shù)貧庀髼l件動(dòng)態(tài)計(jì)算線路可用容量，從而降低線路電流超過限值的風(fēng)險(xiǎn)，并在不斷變化的環(huán)境中提供態(tài)勢感知。

4 結(jié)語

本文對基于風(fēng)向風(fēng)速等氣象參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整線路容量方法的價(jià)值進(jìn)行了量化，以提高現(xiàn)有架空線的容量利用率。對于所研究的架空線系統(tǒng)，在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)計(jì)算可用容量有76%以上的時(shí)間高于使用全年靜態(tài)額定容量的情況，計(jì)算可用容量平均比全年靜態(tài)額定容量增加22%以上。此外，假設(shè)在測試區(qū)新建風(fēng)電場，研究風(fēng)能負(fù)荷增加對線路容量的影響，以證明所提出方法的可擴(kuò)展性。

在下一步工作中，將結(jié)合流體力學(xué)模擬數(shù)據(jù)和政府天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，以精準(zhǔn)預(yù)測線路可用容量。此外，還將對人為因素和預(yù)測不確定性進(jìn)行討論，并探討將其整合到電網(wǎng)調(diào)度決策中的可行性。