作者特稿︱电网运行环境下基于电热耦合潮流的架空线路应力预估
阅读征文通知，请戳上面标题 ▲
联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
架空导线的力学状态（应力、弧垂）是决定其安全运行的关键因素，耐张段水平应力过小将导致耐张段内各线档弧垂增大，严重时会破坏安全净距引发短路故障；反之，应力过大则会导致导线振动频率的增加和疲劳极限的降低，从而加速导线疲劳损伤甚至引发断线。在电网运行环境下，架空导线力学状态与导线的运行温度及所处的气象环境存在着密切关联。
文章提出电网运行环境下架空线路各耐张段温度和应力的预估方法，该方法能够预估任意预想电网预想运行方式下架空线路耐张段的温度及应力，为从热、力学本质上分析架空线路的载荷能力及其安全运行提供支持。
► DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180301 ◀
随着用电需求以及新能源发电占比的不断增长，电网潮流波动加剧，载荷安全面临挑战。架空导线是电网中最为常见的输电元件，其运行环境复杂多变，安全运行问题一直受到电力工作者关注。热、力学状态是决定架空导线安全运行的本质所在，随着智能电网技术的发展，工程上已实现了对架空线路关键线档导线温度、应力及弧垂等热、力学状态的在线监测，对保障架空导线的安全运行发挥了重要作用。
在此基础上，进一步研究伴随电网潮流变化的架空导线热、力学状态预估方法，可以帮助电力系统运行人员预见架空导线的载荷能力及形态的变化趋势，从而更好地协调电力系统的安全经济运行。
文章在电网运行环境下，基于架空导线在线监测及天气预报等数据，解决伴随潮流变化的架空导线温度、应力及弧垂的预估问题。首先通过改进电热耦合潮流算法，使之能够适应对架空线沿线各耐张段导线温度的快速计算，而后结合架空导线温度与应力、弧垂之间的关联关系以及气象环境数据，利用力学状态方程计算伴随导体温度及气象变化的导线应力、弧垂及风偏角的变化轨迹。
论文工作可以帮助电力系统运行人员从架空导线的热、力学状态本质上预见其潜在载荷能力及安全风险，进而制定合理调控决策，对改善电网安全经济运行水平具有理论意义和现实价值。
论文在电热耦合潮流计算基础上，进一步考虑架空导线沿线气象分布以及架空导线热、力学状态之间的关联关系，提出伴随电网潮流变化的架空导线应力预估方法，方法流程如下图所示：
论文主要贡献：
1）改进了电热耦合潮流算法，使之能够适应架空导线沿线各耐张段应力计算的需要。在传统电热耦合潮流计算方法基础上，于待计算的架空线路沿线引入虚拟节点，形成耐张段虚拟支路，并针对由此带来的计算规模增大问题，提出完全解耦的电热耦合潮流算法，有效提高计算效率。
2）抓住运行环境下架空导线电、热、力状态间的关联关系，提出应力预估方法。方法流程如下图1所示，该方法集成了电热耦合潮流计算以及基于代表档距法的应力计算方法，能够预估各种电网预想运行状态下的架空导线各耐张段温度、应力以及各线档的弧垂变化情况。
图1 方法流程
3）结合实例验证了方法的有效性。以某地区电网为例，预估其中某关键架空线路沿线19个耐张段温度及应力在另一输电线路故障退出运行后的变化轨迹如图2。计算沿线88个线档弧垂及对地净距如图3(a)，其中净距最小的第3耐张段第1线档对地净距及导线温度变化轨迹如图3(b)所示。
可见，虽然输电线路载流已超过该耐张段的热定值，且研究时段末导线温度达到72.5℃，而其对地净距约为8.2m（非居民区内220kV输电线路限定的最小净距为6.5m），该输电线路仍可安全运行，其载荷能力尚有利用空间。
图2 各耐张段导线温度及应力变化轨迹
图3 (a) 各线档对地净距变化轨迹；图3 (b) 第1线档温度及对地净距
1）提出了考虑气象分布的快速解耦电热耦合潮流计算方法，该方法具有较高的计算效率，且在传统潮流计算基础上易于扩展，具有工程应用的潜力。
2）方法能够实现任意预想电网运行方式下架空线路沿线温度及应力的预估，为在电网运行环境下从热、力学本质上评估架空线路载荷能力及安全运行提供支持。
王孟夏,韩学山,韦志清,王明强,张强. 电网运行环境下基于电热耦合潮流的架空线路应力预估[J]. 电工技术学报, 2019, 34(5): 1078-1087. Wang Mengxia, Han Xueshan, Wei Zhiqing, Wang Mingqiang, Zhang Qiang. Tension Prediction of Overhead Transmission Line Based on Electrothermal Coupling Power Flow in Operating Power Systems. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 1078-1087.
团队介绍
研究团队依托山东大学“电网智能化调度与控制教育部重点实验室”，主要围绕国家重大工程需求，开展电网在新形势下的安全稳定分析、调度与控制的理论及应用技术研究。团队由韩学山教授、梁军教授、杨明教授带领6位教师、1位博士后研究人员、10余位博士研究生、30余位硕士研究生组成，发表SCI/EI论文400余篇。
作者简介
王孟夏（1983-），博士，讲师，硕士生导师，美国南卫理公会大学公派访问学者，IEEE Member。2007年、2011年分别在东北电力大学和山东大学获工学硕士、博士学位，于2011年至2013年在清华大学电机系进行博士后研究，研究方向为电力系统优化运行与控制。在国内外学术期刊上发表SCI/EI检索论文20余篇，研究成果获河南省科技进步二等奖一项，山东省科技进步三等奖一项。