自然環境災害下配網覆冰輸電線路模擬系統研究

閆佳文，黃幫局，劉 哲，鄒 園，吳 強

(1.國網河北省電力有限公司 培訓中心，河北 石家莊 050000；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 100192)

隨著社會經濟的迅猛發展，各個領域對于電力的需求量持續增加[1-2]。現階段，我國大部分城市中的配網仍然處于發展階段，需要從區域電網向全國互聯電網的過程進行過渡[3]。在大功率遠距離電力傳輸過程中，高壓直流輸電是整個輸電系統的核心部分，大型互聯電網的組成以及電網骨干網架的形成全部離不開它，同時其也是整個區域電網進行相互連接的重要紐帶。然而，受自然環境災害的影響，在寒涼條件下，配網線路易遭遇覆冰災害，被冰包住的線路的機械荷載會隨著覆冰量的增加而增大，且線路覆冰后因受風面積加大而增加了風壓。當冰、風綜合荷載超過線路強度的限值后，會造成線路損壞，從而影響配網的穩定及安全。因此，對配網覆冰輸電線路進行有效模擬，有利于實施線路狀態監測、保障配電系統的安全。為此，針對自然環境災害下配網覆冰輸電線路模擬系統進行設計，并通過仿真實驗結果全面驗證了該系統的有效性以及實用性。

1 理論分析

線路覆冰主要根據天氣及環境條件決定，受到環境溫濕度、風力、空氣溫度的影響。當環境溫度低于0 ℃時，空氣中的水分會因冷卻而在配網線路表面碰撞并凝結為固態，從而產生覆冰。線路覆冰場景如圖1所示。

圖1 配網覆冰場景Fig.1 Map of Ice Scene

1.1 覆冰分類

配網輸電線路覆冰多在冬季和初春季節發生，按照覆冰形成條件，可將配網覆冰分為以下4種類型。

(1)混合凇覆冰。當環境溫度低于0 ℃且風力較大時，易形成混合淞覆冰。混合淞覆冰密度大、覆蓋力強，且擴展速度快，對配網線路危害較大。

(2)雨凇覆冰。混合淞多產生于低海拔地區。當環境溫度接近于0 ℃且風力偏大時，易形成雨凇覆冰。混合淞覆冰存在時間偏短，但覆蓋力強。

(3)軟霧凇覆冰。當環境溫度非常低且風力較小時，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，軟霧凇覆冰的結冰方式是單向的，且分布較為平均，因此對配網線路的損害也相對較低。

(4)白霜覆冰。當環境溫度較低且空氣濕度較大時，空氣中的水分與配網線路接觸時，極易在配網線路表面凝結，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，白霜覆冰對配網線路的危害最小。

1.2 覆冰影響因素

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

1.3 覆冰危害

當配網輸電線路中出現覆冰現象時，易造成線路斷線、輸電塔倒桿的現象，這主要是因覆冰導致輸電塔兩側的張力不均衡，當一端張力超過限值后，將造成輸電塔倒桿。與此同時，覆冰情況越嚴重，配網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 系統設計

2.1 總體設計

主站功能開發總體目標該系統主站主要實現如下功能：

(1)實時收集和顯示數據。對配電網負荷電流進行實時監測，實現負荷電流對地基準、對地絕緣數據的實時采集與顯示，對電纜線路實現電纜端部溫度數據的實時采集與顯示，并以可視化的方式展示整個地區配電網的設備維護、配電網維護及故障判斷等提供直觀的觀測手段，有效地縮小了電纜端部溫度數據的范圍，為事故分析與故障定位提供了有效的依據。

(2)實時數據分析和發現故障。通過設置上界和下界，對系統采集的數據進行實時分析，判斷故障、發現故障、自動記錄故障信息。為了提高故障信息系統信息的準確性和及時性，提升調度人員駕馭電網的能力，需要有效地處理上送信息，引入電網拓撲功能，在發生故障時，可以顯示出影響系統運行的拓撲圖，為故障分析和故障定位提供了有效的手段。

(3)失靈短信報警。除了系統自動報警外，還應增加故障報警方式，通過短信及時報警，使專業維修人員能及時得知故障信息，從而有效縮短搶修時間，提高配電網運行的可靠性。

(4)顯示配變用戶信息。在出現故障時，可以有效地統計影響的用戶、用戶數和分布情況。對斷電影響進行統計分析，當出現斷電時，將斷電的兩個開關放置，系統自動將斷電兩個開關區之間的用戶信息顯示出來。

(5)歷史故障統計。通過對不同時段變電所、配電網線路、采集設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)北斗衛星系統的校驗功能。為了系統的安全和符合國家政策要求，該系統采用北斗衛星定位系統進行時鐘校驗和對時。

(7)無線聯機監測設備。具有“二遙”功能的無線配網在線監測裝置：遙測線路正常負荷電流和故障突變電流；遙信線安裝點故障信號和開關狀態量；同時還具有遙控感應裝置。

2.2 硬件設計

配網覆冰輸電線路模擬系統需全面模擬電網中交流場、直流場、啟動電阻等設備，結合實際情況對線路中的不同設備的運行狀態進行有效分析。在設計時，主要利用背靠背原則，不同站之間主要通過阻抗就進行連接，根據系統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個站在運行過程中產生的損耗，同時2個站的無功功率在運行的過程中能夠實時進行調整。結合以上分析，組建覆冰狀態下輸電線路動態模型，通過該模型準確描述輸電線路中各設備的重要特征模型。

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

在此基礎上，通過標幺值相等的設計原則完成系統硬件部分的設計，并利用該原則對系統中重要參數的取值進行設定，以達到準確模擬配網覆冰輸電線路狀態的目的。這一過程中，利用標幺值相等方法能夠縮短計算時間，從而提高系統工作效率。此模塊集成了射頻收發芯片、功率放大芯片、基帶處理模塊等，可完整地實現衛星無線電檢測業務的收發信號功能、調制解調、定位、短消息通信等功能。該系統已被廣泛應用于許多領域，其模塊穩定可靠，用戶評價良好。

首先計算不同子模塊的額定電壓，具體過程如下：

(1)

式中，?為能夠表示電壓狀態變量的相關因子；uk為第個子模塊的電壓值。假設要完成線路模擬系統以及工程現場一致的無功功率出力范圍比例，需要設計模擬系統和工程現場相同的功率圓圖[6-7]。根據相關的設計準則，能夠確定模擬系統的設計容量，該容量也是整流側以及逆變側的換流變容量。

為了確保輸電線路模擬系統中的無功功率出力范圍和工程現場相同，需要設計兩者之間的功率圓圖[8-15]。利用相關的設計準則，準確計算配網覆冰輸電線路模擬系統的設計通量，以下給出具體的計算式：

(2)

將實際的工程現場作為研究對象，同時利用相關理論的設計原則，分別對交流系統以及直流系統中的模擬參數設計進行了對應的介紹。利用表1給出直流系統中不同參數的取值。

表1 直流系統相關參數的取值Tab.1 Value of parameters related to DC system

分析實際工程中相關參數的設定，為后續模擬系統中參數的設定提供一定的依據。

輸電系統中最為核心的設備就是換流閥，通過換流閥能夠完成系統中不同直流的變換[16-21]。通過MMC拓撲結構中換流閥的橋臂全部是由不同的子模塊串聯形成的。系統的各個子模塊中含有不同的器件，通過這些器件能夠進一步實現配網覆冰輸電線路模擬。

基于自然環境災害下配網覆冰輸電線路模擬系統中子模塊的額定工作電壓為40 V；通過對應的計算式能夠分別計算橋臂的額定工作流、交流分量以及直流偏置。

整個配網覆冰輸電線路模擬系統中含有兩個流換站的換流閥，通過多個橋臂組成換流閥，通過換流閥能夠有效完成系統中階梯波的輸出。同時系統中的各個子模塊能夠靈活地進行插播，為后續系統的故障檢測奠定基礎。結合相關計算方法，換流閥中相關參數的取值見表2。

表2 換流閥相關參數的取值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常規的變壓器完成的，該工程最為主要的功能就是獲取最佳電壓范圍，同時設定符合相關需求的調制比。

結合相關計算理論，以下分別給出換流變模擬參數的取值(表3)。

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

配網覆冰輸電線路模擬系統的不同站全部配置了網側交流電壓、閥側交流電壓等模擬量的測量單元，它的配置和實際工程現場是一致的。

2.3 線路模擬

高壓直流輸電系統主要由整流站、逆變站和直流輸電線路3部分組成。高壓直流輸電系統的六脈動換流橋基本模塊為三相式全控整流電路。其中電流從一個閥臂轉移到另外一個閥臂的過程稱為換向。由于換向回路中存在電感，電流如果無法發生突變，則換向無法瞬時完成。將換向過程所持續時間對應的角度稱為換向角，具體計算公式為：

(3)

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

在不考慮換向的過程中，當μ=0時則直流電壓的平均值能夠表示為以下的形式：

(4)

(5)

在實現換向操作以后，6脈動換流器輸出的電壓平均值計算式能夠表示為：

(6)

(7)

為了滿足設計工程的相關需求，需要設定對應的參數，分別為直流感性壓降dx以及直流阻性壓降dr，以下給出標幺值的具體計算式：

(8)

高壓直流輸電系統能夠快速、準確地進行調節控制，控制系統不僅能調節高壓直流輸電系統本身的運行特征，甚至能對交流系統進行調節，從而改善交流電網的運行特性。

結合以上分析，能夠獲取穩態運行時的直流電流：

(9)

整流側以及逆變側的直流功率計算式為：

(10)

換流變壓器是高壓直流輸電主回路的關鍵設備之一，高壓直流輸電系統的核心設計就是換流變壓器參數的設計，參數設計的好壞會直接影響到整個系統的穩定運行。

針對不同的脈動換流器，選用三相雙繞組換流變壓器的額定容量計算式為：

(11)

由于環流變壓器的漏抗在換流變壓器壓降中占據十分重要的地位，由于能夠將其近似地表示為：

(12)

在配網覆冰災害下，實際工程裕度會有一定程度的增加，所以短路阻抗比的取值要稍大一些。逆變側相關參數的計算式如下：

(13)

其中：

(14)

針對不同脈動的換流器，設定平波電阻器電感值的計算式為：

(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算式，即：

Ld=max{Ld1，Ld2-3.5Lr}

(16)

2.4 軟件組成

電壓狀態變量界面顯示故障指示終端的實際分布，數據采集、監視數據實時采集并進行數據庫存儲，并及時發出故障告警、發送短信通知，故障錄波數據會以圖形界面方式顯示。遙控功能可進行遠方遙控，具有防誤操作功能；定值設置實現定值的上傳、下載和修改等功能。

3 仿真實驗

為驗證基于自然環境災害下配網覆冰輸電線路模擬系統的綜合有效性，需要進行仿真實驗，分別與不同的模擬系統進行實驗對比，根據穩態以及響應時間實驗，對等效性以及動態特性進行驗證，同時將實驗結果和實際工程的波形進行對比。對比結果如圖3所示。

圖3 額定運行波形Fig.3 Rated operation waveform chart

綜合分析圖1相關實驗數據可知，所設計系統模擬的波形和實際工程現場的波形基本一致，這充分驗證了所設計系統的模擬精度。

為了更進一步驗證所設計系統的有效性，以下分別對比不同模擬系統的響應時間變化情況，對比結果見表4。綜合分析上述實驗數據可知，所設計系統的響應時間在3種模擬系統中為最低，這說明所設計系統具有較高的運行效率。

表4 所設計系統的響應時間變化情況Tab.4 Changes in response time of the designed system

4 結論

針對傳統的輸電線路模擬系統存在的不足，設計并提出了基于自然環境災害下配網覆冰輸電線路模擬系統。仿真實驗結果表明，該系統能夠有效縮短系統響應時間，同時有效提升系統模擬精度，具有很強的應用價值。