同桿并架雙回線功率不平衡分析

王浩遠(yuǎn)　劉陽升　王高猛　昌柯君

摘 要：城市輸電線路受到輸電走廊限制，多采用同桿并架雙回線甚至四回線不換位架設(shè)，導(dǎo)致回線之間的功率差別較大，產(chǎn)生的循環(huán)功率直接影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性?，F(xiàn)基于PSCAD搭建同桿并架雙回線仿真模型，分析線路長度、電壓等級(jí)、單位長度電阻、線間水平距離、線間垂直距離、對(duì)地高度、大地電阻率以及線路負(fù)載等因素對(duì)回線之間功率差別的影響規(guī)律，以此指導(dǎo)同桿并架多回線的布置設(shè)計(jì)，降低回線之間的功率差對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

關(guān)鍵詞：同桿并架雙回線；不換位架設(shè)；功率不平衡；影響因素

中圖分類號(hào)：TM75? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）13-0019-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.005

0? ? 引言

隨著我國城市化快速發(fā)展，土地資源越來越緊張，導(dǎo)致城市電網(wǎng)的輸電線路走廊受到很大限制，雙回、四回甚至多回高壓輸電線路越來越多。在實(shí)際工程中，100 km以下的往往采用不換位方式架設(shè)，很容易導(dǎo)致各回線之間的功率相差較大，兩回線之間出現(xiàn)循環(huán)功率，一方面會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)損增大，電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性變差[1]，另一方面將使?fàn)顟B(tài)估計(jì)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差[2]，影響運(yùn)行策略的最優(yōu)決策。

現(xiàn)有對(duì)不換位架設(shè)同桿并架雙回線的研究，集中在分析不平衡電流的產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)故障診斷和保護(hù)動(dòng)作性能的影響上。文獻(xiàn)[3]在排除設(shè)備缺陷和量測(cè)誤差的基礎(chǔ)上，采用定性分析得到每回線穿越電流不平衡產(chǎn)生的原因是架空線對(duì)地面位置不對(duì)稱，雙回線之間出現(xiàn)循環(huán)電流的原因是兩回路之間的感應(yīng)零序和負(fù)序電勢(shì)之和不為零，并分析了電流不平衡對(duì)于繼電保護(hù)動(dòng)作特性的影響情況。文獻(xiàn)[4-8]分別仿真分析了不同電壓等級(jí)的不換位同桿并架雙回線線間不平衡電流及穿越電流的產(chǎn)生機(jī)理，均得到了類似結(jié)論：雙回線中每回線導(dǎo)線的不同排列方式對(duì)于循環(huán)不平衡電流及穿越電流均有重要影響，該不平衡電流對(duì)于保護(hù)的動(dòng)作特性也有重要影響。文獻(xiàn)[9-12]基于潮流方程的相分量法，研究了同桿并架雙回線故障電流的計(jì)算方法。

上述文獻(xiàn)對(duì)于雙回線之間有功傳輸功率及無功傳輸功率的差異性及影響因素并未涉及，難以得知傳輸功率差異小的條件。本文從工程實(shí)際場(chǎng)景出發(fā)，通過PSCAD搭建同桿并架雙回線模型，再現(xiàn)工程實(shí)際場(chǎng)景，并分析線路長度、電壓等級(jí)、單位長度電阻、線間水平距離、線間垂直距離、對(duì)地高度、大地電阻率以及線路負(fù)載等因素對(duì)回線之間功率差別的影響規(guī)律，從而確定功率差別的主要影響因素。

1? ? 不換位同桿并架雙回線線間功率不平衡現(xiàn)象

為了方便敘述，本文將同桿并架雙回線其中一回線的三相總有功（或三相總無功）與另一回線的三相總有功（或三相總無功）不相等的現(xiàn)象稱為回線間功率不平衡，并將Ⅱ線的傳輸有功功率與Ⅰ線的傳輸有功功率之差稱為回線間傳輸有功功率差，簡(jiǎn)稱為“回線間有功差”，將Ⅱ線的傳輸無功功率與Ⅰ線的傳輸無功功率之差稱為回線間傳輸無功功率差，簡(jiǎn)稱為“回線間無功差”。

同桿并架雙回線間功率不平衡的現(xiàn)象在多省區(qū)電網(wǎng)等實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的500 kV不換位架設(shè)短線路普遍存在，尤其以火電廠的500 kV出線最為嚴(yán)重。以我國南部某省區(qū)電網(wǎng)的5449線和5450線為例，局部網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，該線路為同桿并架雙回線，全長65 km，采用不換位方式架設(shè)，線路電壓等級(jí)為500 kV。

該電網(wǎng)某運(yùn)行斷面中各回線的三相有功與三相無功如表1所示，可以看出，回線間無功差比回線間有功差大，電廠側(cè)回線間有功差占雙回線總有功負(fù)載約0.7%，回線間無功差占雙回線總無功負(fù)載25.28%，相應(yīng)變電站3698側(cè)分別約為0.5%和19%，回線間無功差占比要遠(yuǎn)大于回線間有功差占比，并且該現(xiàn)象長期存在。

圖2畫出了2015年4月12日至14日5449線和5450線變電站3698側(cè)回線間無功差的日變化曲線，可以看出，不同負(fù)荷水平下回線間無功功率存在較大波動(dòng)，觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)最小無功差約30 Mvar，最大時(shí)達(dá)到將近100 Mvar。

2? ? 不換位同桿并架雙回線仿真模型

通過收集5449線和5450線的架設(shè)參數(shù)，在PSCAD中搭建該局部網(wǎng)絡(luò)的等效仿真模型，如圖3所示。

不換位同桿并架雙回線的基準(zhǔn)參數(shù)選擇如下：

導(dǎo)線半徑0.020 345 4 m，分裂間距0.457 2 m，分裂數(shù)4，線路單位長度電阻0.001 Ω/km，最底端的一相導(dǎo)線對(duì)地垂直高度23 m，導(dǎo)線水平距離14.5 m，線間垂直距離11 m，線路長度30 m，大地電阻率100 Ω·m，線路電壓等級(jí)500 kV，雙回線線路末端三相總有功負(fù)荷和總無功負(fù)荷分別為1 600 MW和200 Mvar，其他為PSCAD默認(rèn)參數(shù)。

通過PSCAD仿真得到異相序排列與同相序排列下各線的功率和電流不對(duì)稱度情況，結(jié)果如表2、表3、表4所示。

從表2、表3、表4可以得出如下結(jié)論：

（1）異相序排列時(shí)零負(fù)序電流不對(duì)稱度遠(yuǎn)大于同相序排列。

（2）同相序排列時(shí)雙回線之間總的有功功率、無功功率差為零；而異相序雙回線之間總的有功功率、無功功率差不為零，首末端雙回線間有功差占雙回線總有功功率約1%，首末端雙回線間無功差占雙回線總無功功率約50%，相應(yīng)要實(shí)現(xiàn)其無功的準(zhǔn)確估計(jì)，必須采用三相狀態(tài)估計(jì)。

（3）對(duì)于異相序排列，雙回線間無功差遠(yuǎn)大于有功差，雙回線間無功差占雙回線總無功功率的比例遠(yuǎn)大于雙回線間有功差占雙回線總有功功率的比例。

以上說明搭建的仿真模型基本與5449線和5450線一致，可以利用該模型進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3? ? 功率不平衡的影響因素分析

線路參數(shù)是影響回線間功率不平衡的根本原因，而線路參數(shù)的主要影響因素包括單位長度電阻、線路長度、電壓等級(jí)、大地電阻率、線路對(duì)地高度、相鄰線路垂直間距、相鄰線路水平間距、線路有功負(fù)載和無功負(fù)載，考慮到影響因素比較多，限于篇幅，本文選擇線路長度、相鄰線路水平間距對(duì)回線間功率不平衡的影響進(jìn)行PSCAD仿真分析。

3.1? ? 線路長度和線路三相總負(fù)載對(duì)回線間傳輸功率差的影響

在基準(zhǔn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，當(dāng)線路長度在區(qū)間10～110 km內(nèi)變化時(shí)，分別仿真得出不同的線路三相總有功負(fù)載、三相總無功負(fù)載下電源側(cè)的回線間傳輸有功差百分比、電源側(cè)的回線間傳輸無功差百分比，如圖4、圖5所示。

可以看出，線路長度對(duì)有功差百分比和無功差百分比幾乎沒有影響。回線間有功差百分比不受線路三相總有功負(fù)載和無功負(fù)載大小影響，回線間無功差百分比受線路三相總有功負(fù)載和總無功負(fù)載影響較大：三相總有功越大，回線間無功差百分比越大；三相總無功的絕對(duì)值越小，回線間無功差百分比越大。在不同的線路長度、線路三相總有功負(fù)載和總無功負(fù)載下，回線間無功差百分比均遠(yuǎn)大于回線間有功差百分比。

3.2? ? 相鄰線路的水平間距和線路三相總負(fù)載對(duì)回線間傳輸功率差的影響

在基準(zhǔn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，當(dāng)線路水平間距在區(qū)間5～15 m內(nèi)變化時(shí)，分別仿真得出不同的線路三相總有功負(fù)載、三相總無功負(fù)載下電源側(cè)的回線間傳輸有功差百分比、電源側(cè)的回線間傳輸無功差百分比，如圖6、圖7所示。

可以看出，線路水平間距對(duì)有功差百分比沒有影響，而對(duì)無功差百分比影響較大：水平間距越大，無功差越小?；鼐€間有功差百分比不受線路三相總有功負(fù)載和總無功負(fù)載大小影響，回線間無功差百分比受線路三相總有功負(fù)載和總無功負(fù)載影響較大：三相總有功越大，回線間無功差百分比越大；三相總無功的絕對(duì)值越小，回線間無功差百分比越大。在不同的線路水平間距、線路三相總有功負(fù)載和總無功負(fù)載下，回線間無功差百分比均遠(yuǎn)大于回線間有功差百分比。

同理對(duì)其他因素進(jìn)行分析，從仿真結(jié)果不難得出，單位長度電阻、線路長度、電壓等級(jí)、大地電阻率、線路對(duì)地高度、相鄰線路的垂直間距、相鄰線路的水平間距、線路三相總有功傳輸功率和總無功傳輸功率各影響因素對(duì)回線間功率差百分比的影響規(guī)律如下：

（1）回線間有功差百分比受線路三相總有功負(fù)載和總無功負(fù)載大小影響極小，回線間無功差百分比受線路三相總有功負(fù)載和總無功負(fù)載影響較大：三相總有功越大，回線間無功差百分比越大；三相總無功的絕對(duì)值越小，回線間無功差百分比越大。

（2）線路垂直間距對(duì)有功差百分比幾乎沒有影響，而對(duì)無功差百分比影響較大：垂直間距越大，無功差越大；在不同的線路垂直間距、線路三相總有功負(fù)載和總無功負(fù)載下，回線間無功差百分比均遠(yuǎn)大于回線間有功差百分比。

（3）線路水平間距對(duì)有功差百分比幾乎沒有影響，而對(duì)無功差百分比影響較大：水平間距越大，無功差越小；在不同的線路水平間距、線路三相總有功負(fù)載和總無功負(fù)載下，回線間無功差百分比均遠(yuǎn)大于回線間有功差百分比。

（4）其他因素，包括單位長度電阻、線路對(duì)地高度、線路長度、電壓等級(jí)和大地電阻率則可以忽略其對(duì)回線間功率差的影響。通過對(duì)其他垂直型非同相序排列的功率分布和電流不平衡度進(jìn)行分析，也同樣得出與上述3個(gè)結(jié)論相同的分析結(jié)果。

采用與垂直型布置短線路不換位同桿并架雙回線的線路阻抗矩陣特點(diǎn)分析和雙回線間功率差機(jī)理分析相同的分析思路，可以分析水平型、鼓型和三角型布置方式下線路阻抗矩陣和雙回線間功率差的特點(diǎn)，也可以得出類似的結(jié)果。因此，在垂直型、水平型、鼓型和三角型布置方式下，同相序排列時(shí)可以用單相狀態(tài)估計(jì)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的無功估計(jì)，但其他排列方式下必須采用三相狀態(tài)估計(jì)模型及算法才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的狀態(tài)估計(jì)。

4? ? 結(jié)束語

本文基于PSCAD仿真分析了線路長度、電壓等級(jí)、單位長度電阻、線間水平距離、線間垂直距離、對(duì)地高度、大地電阻率以及線路負(fù)載等不同影響因素對(duì)回線間功率差的影響規(guī)律，并得到了主要影響因素是線間水平距離、線間垂直距離和線路有功負(fù)載、無功負(fù)載。

基于本文的仿真結(jié)論，對(duì)于已建成的不換位同桿并架雙回線，可以根據(jù)其布置方式選擇最佳的狀態(tài)估計(jì)模型對(duì)輸電網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)計(jì)算，以提高狀態(tài)估計(jì)的精度，而不是延續(xù)經(jīng)驗(yàn)均按單相模型進(jìn)行計(jì)算。

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收稿日期：2023-03-13

作者簡(jiǎn)介：王浩遠(yuǎn)（1990—），男，河南許昌人，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)度。

劉陽升（1987—），男，廣西來賓人，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向：智能配電網(wǎng)。