CN113904336B - 一种基于气象时空分布特征的高压直流线路参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力***高压直流输电线路建模技术领域，具体而言，涉及一种基于气象时空分布特征的高压直流线路参数计算方法。本方法首先分析了直流输电线路的热平衡过程，在此基础上分析了气象时间分布以及气象空间分布对直流输电线路的电阻参数的影响。通过考虑线路附近地区实时气象温度变化以及不同空间地理位置下气象温度差异，将传统固定式直流线路参数模型改进为具有分布式、时变性的高压直流输电线路计算模型。进而基于改进的高压直流线路模型，提出了相应交直流混合***潮流计算方法。本发明有效提升了高压直流输电线路电阻参数的计算精度，有利于准确描述电网运行状态。

Description

一种基于气象时空分布特征的高压直流线路参数计算方法

技术领域

本发明属于电力***高压直流输电线路建模技术领域，具体而言，涉及一种基于气象时空分布特征的高压直流线路参数计算方法。

背景技术

由于我国电力消费主要集中在中部和东部沿海地区，而煤电、风电等大型能源基地主要集中在西部地区，呈现出逆向地域分布。然而，高压直流输电技术由于具有输电容量大、线损小、输电走廊资源占用少等优点，在大规模、远距离输电场景中具有明显的经济优势。此外，直流输电还具有控制方式灵活快速、调节及时吸收可再生能源的技术优势。因此，目前我国已建成了许多高压直流输电线路。

由于直流输电线路传输容量大，直流***计算的准确性对电力***状态评估的准确性有重要影响。在交流输电网络中，由于电压和电流的频率波动，传输线阻抗主要反映在电感和电容参数上，而线路电阻对电量分布的影响往往被忽略。然而，在直流输电线路中，电阻参数占线路阻抗的大部分，成为影响潮流和电压降的主要因素。此外，线路电阻往往与环境温度密切相关，不同线路的环境温度明显受时空特性的影响。因此，考虑输电线路模型的时空分布特性，可以提高线路电阻估计的精度。此外，考虑到线路电阻变化的影响，通过对高压直流输电线路潮流的修正，可以提高对***运行状态的准确估计和控制能力。

目前大多数研究主要考虑电阻变化对交流线路电-热耦合的影响，重点研究线路热负荷容量，进而优化潮流以提高输电能力。然而，在高压直流输电线路中，电阻对线路电量的影响更为显著，影响了线路的实时运行状态。传统的高压直流输电线路模型通常根据工程经验设定为恒阻。然而，高压直流输电线路的输电距离往往是几千公里，不同季节、不同地理位置、不同气象温度对线路参数影响很大。因此，基于输电线路热平衡计算方程，建立气象时空分布特征对高压直流输电线路电阻参数的影响模型具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于气象时空分布特征的高压直流线路参数计算方法，通过建立交直流混合电网模型进行仿真分析，得出考虑气象时空分布影响的直流输电线路模型有利于准确描述电网运行状态。

本发明提出的一种基于气象时空分布特征的高压直流线路参数计算方法，包括以下步骤：

(1)对高压直流线路的热平衡过程进行分析，建立高压直流线路的热平衡方程如下：

式中，m为每根线路长度的重量，C_p为线路的热容量，T为线路的温度；r为线路的电阻，与温度有关，I为线路的电流，q_s为线路接收的太阳辐射热，q_c和q_r为线路对流散热和辐射散热；

电阻与环境温度之间的关系表示为：

r[T(t)]＝r₀[1+α(T(t)-T₀)]

式中r₀为线路额定电阻，a为温度系数，T₀为线路额定温度，参数q_c、q_r和q_s的表达式如下：

q_c[T(t)]＝A_c[T(t)-T_a(t)]

q_r[T(t)]＝A_r[(T(t)+273)⁴-(T_a(t)+273)⁴]

q_s＝E_sA_sD

式中，A_c、A_r和A_s分别为对流传热系数、辐射传热系数和吸热系数，T_a是环境温度，E_s是太阳辐射密度，D是线路直径；

(2)基于步骤(1)建立的输电线路热平衡方程，根据高压直流输电线路实际所处的气象条件时空分布情况，计算高压直流输电线路电阻参数。线路不同区段之间通常存在不同的气象条件，使得整条线路的电阻分布不均匀。为了准确计算线路电阻，将直流输电线路模型按空间分布划分为若干个电阻，这些电阻都与局部温度有关。计算高压直流线路的总电阻R如下：

式中，r_i为根据空间分布划分的第i段线路的电阻值，根据实际气象测点，将线路划分为若干段，每个区间的环境温度假定为线性单调变化。因此，可以用某段设定线路相邻节点的温度平均值为线路的温度，计算如下：

式中，T_i表示为第i段线路的温度，T_i,s是第i段线路的首节点温度，T_i,m是第i段线路的末节点温度，则第i段线路的电阻为：

r_i(t)＝r₀{1+α[T_i(t)-T₀]}

式中，T_i(t)为第i段线路在t时刻的温度值，当线路温度达到热稳定时，线路温度T满足以下方程：

I²r_i(t)＝-q_s(t)+q_c[T_i(t)]+q_r[T_i(t)]

其中，线路温度T与环境温度T_a有关，得到高压直流线路电阻参数模型如下：

其中，变量t表示直流输电线路电阻模型与时间分布特征之间的关系，r_i表示直流输电线路电阻模型与空间分布特征之间的关系；

(3)基于上述步骤(1)和步骤(2)的所述热平衡方程以及高压直流线路电阻参数模型，采用迭代计算方法，建立计及直流线路气象时空分布特征的交直流电网潮流计算方法为：

设定换流器参数和高压直流线路电流I_d，利用换流器交流侧电压V_i、V_r的估计值，利用下式，计算得到直流***与交流***之间的有功功率P_i、P_r和无功功率Q_i、Q_r，其中，直流线路潮流计算方程如下：

根据得到的交直流***交换功率，将交直流***交换功率作为PQ节点，计算交流***潮流，得到换流器交流侧电压V_i、V_r。

最后，交替求解交流电网以及直流线路潮流方程，不断更新直流线路电阻等参数，直到交直流电网均满足收敛条件。

本发明提出的基于气象时空分布特征的高压直流输电线路模型计算方法，其优点是：

本发明方法首先分析了直流输电线路的热平衡过程，在此基础上分析了气象时间分布以及气象空间分布对直流输电线路的电阻参数的影响。通过考虑线路附近地区实时气象温度变化以及不同空间地理位置下气象温度差异，将传统固定式直流线路参数模型改进为具有分布式、时变性的高压直流输电线路计算模型，提高了其电阻参数的计算精度。本发明方法基于所提高压直流输电线路模型，提出相应的交直流混联电网潮流计算方法，能够提高交直流电网潮流计算结果的准确度。

附图说明

图1为本发明方法涉及的高压直流输电线路模型示意图。

图2为本发明一个实施例中交直流混联电网模型示意图。

图3为本发明一个实施例中交直流混联电网潮流计算流程图。

图4本发明一个实施例中交直流混联电网仿真拓扑结构。

图5本发明一个实施例中某地区全年最高与最低气温走势图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于气象时空分布特征的高压直流线路参数计算方法，其流程包括以下步骤：

(1)首先对传输线导体的热平衡过程进行分析，并根据实际参数建立输电线路热平衡方程。假设线的材料是均匀的，忽略了磁滞和涡流引起的热量，导线的热平衡方程为：

式中，m为每根线路长度的重量；C_p为线路的热容量；T为线路的温度；r为线路的电阻，与温度有关；I为线路的电流；q_s为线路接收的太阳辐射热；q_c和q_r为对流散热和辐射散热。

电阻与环境温度之间的关系表示为：

r[T(t)]＝r₀[1+α(T(t)-T₀)]

式中r₀为线路额定电阻；a为温度系数；T₀为线路额定温度。参数q_c、q_r和q_s的表达式如下：

q_c[T(t)]＝A_c[T(t)-T_a(t)]

q_r[T(t)]＝A_r[(T(t)+273)⁴-(T_a(t)+273)⁴]

q_s＝E_sA_sD

式中，A_c、A_r和A_s分别为对流传热系数、辐射传热系数和吸热系数。T_a是环境温度。E_s是太阳辐射密度，通常取1000W/m²。D是导线的直径。

(2)基于(1)建立的输电线路热平衡方程，根据高压直流输电线路实际所处的气象条件时空分布情况，计算高压直流输电线路电阻参数。

线路不同区段之间通常存在不同的气象条件，使得整条线路的电阻分布不均匀。为了准确计算线路电阻，提出了分段平均计算方法：

如图1所示，传统的高压直流输电线路模型通常相当于一个不受温度影响的恒定电阻。为了完善高压直流输电线路模型，考虑输电走廊不同区域温度的影响，将直流输电线路模型按空间分布划分为若干个电阻，这些电阻都与局部温度有关。传输线R的总电阻可计算为：

式中，r_i为根据空间分布划分的第i段线路电阻值。根据实际气象测点，将输电线路划分为若干段，每个区间的环境温度假定为线性单调变化。因此，可以用某段线路相邻节点的温度平均值来表示该段线路的温度，计算如下：

式中，T_i表示为第i段线路的温度，T_i,s是第i段线路的首节点温度，T_i,m是第i段线路的末节点温度。则第i段线路的电阻可计算为：

r_i(t)＝r₀{1+α[T_i(t)-T₀]}

式中，综上所述，T_i(t)为第i段线路在t时刻的温度值。当传输线温度达到热稳定时，导体温度T满足以下方程：

I²r_i(t)＝-q_s(t)+q_c[T_i(t)]+q_r[T_i(t)]

其中导体温度T与环境温度T_a有关。那么，高压直流输电线路电阻参数模型可以表示为：

其中，变量t表示直流输电线路电阻模型与时间分布特征之间的关系，r_i表示直流输电线路电阻模型与空间分布特征之间的关系。

(3)基于上述高压直流输电线路模型，如图3所示，采用迭代计算方法，可建立计及直流线路气象时空分布特征的交直流电网潮流计算方法为：

1)在给定换流器参数和直流输电线路电流I_d的情况下，利用换流器交流侧电压V_i、V_r的估计值，计算出直流***与交流***之间的有功功率P_i、P_r和无功功率Q_i、Q_r。对于双端直流***，直流线路方程的计算方法如下：

2)根据得到的交直流***交换功率，将其作为PQ节点，计算交流***潮流，得到换流器交流侧电压V_i、V_r。

3)交替求解AC/DC方程，直到满足收敛条件。交直流交互模型计算公式如下，相关参数如图2所示。

P_i＝V_d,iI_d

P_r＝V_d,rI_d

式中，K_i和K_r分别为逆变侧和整流侧换流变压器的变比。X_T，r，X_T，i分别为整流侧换流变压器和逆变侧换流变压器的漏抗。α_r和γ_i为整流侧触发角和逆变侧关断角。

(4)如图4所示，基于PSASP仿真软件对交直流混合***进行了分析，其中B4-B7是一条长1000km的500kV高压直流输电线路。由于只考虑稳态潮流，高压直流输电***采用1型准稳态模型，其中整流侧采用恒功率(600MW)控制，逆变侧采用恒压(±500kV)控制。本文将高压直流线路的总额定电阻设为10Ω，温度变化系数为0.004/℃，常温为20℃。

1)空间特征的影响

由于不同空间区域温度的差异，电网电阻的变化也会有所不同。如图4所示，假设直流输电线路500km线路处于寒潮范围，温度会突然下降20℃。根据公式，直流线路的总电阻可计算为9.6Ω。将正常和寒潮条件下的结果进行比较，如表所示。

表1正常和寒潮情景的比较仿真结果

如表1所示，可以看出，受寒潮影响，线路电阻值降低了4％，导致***潮流发生变化。高压直流线路两侧交流电压变化不大，直流线损降低约1.15MW，占4％。另外，直流线路参数的变化对交流侧***的潮流分布也有一定的影响。因此，考虑空间环境分布对直流线路参数的影响，有助于提高计算精度。

2)时间特征的影响

以我国实际地区为例，气象环境温度一年内的变化曲线如图5所示。由图5可以看出，该地区年最大和最小温差为47℃，根据热平衡方程计算的导线最大温差可达45.6℃。假设直流线路沿线的空气温度相同，根据公式，线路最高温度时的电阻值为10.82Ω，最低温度时的电阻值为8.99Ω。

表2最高气温与最低气温情景的比较仿真结果

如表2所示，***全年最高气温和最低气温情景下的模拟结果存在一定差异。例如，与最低温度方案相比，高压直流输电线路损耗相差5.27Mw，高出约20.4％。B4侧B3-B4线无功功率增加7.5Mvar，提高约6.9％。因此，不同季节的气象条件对直流线路参数有显著影响。

Claims (1)

1.一种基于气象时空分布特征的高压直流线路参数计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)根据高压直流线路的热平衡过程，建立高压直流线路的热平衡方程如下：

式中，m为每根线路长度的重量，C_p为线路的热容量，T为线路的温度；r为线路的电阻，与温度有关，I为线路的电流，q_s为线路接收的太阳辐射热，q_c和q_r为线路对流散热和辐射散热；

电阻与环境温度之间的关系表示为：

r[T(t)]＝r₀[1+α(T(t)-T₀)]

式中r₀为线路额定电阻，a为温度系数，T₀为线路额定温度，参数q_c、q_r和q_s的表达式如下：

q_c[T(t)]＝A_c[T(t)-T_a(t)]

q_r[T(t)]＝A_r[(T(t)+273)⁴-(T_a(t)+273)⁴]

q_s＝E_sA_sD

式中，A_c、A_r和A_s分别为对流传热系数、辐射传热系数和吸热系数，T_a是环境温度，E_s是太阳辐射密度，D是线路直径；

(2)计算高压直流线路的总电阻R如下：

式中，r_i为根据空间分布划分的第i段线路的电阻值，设定线路相邻节点的温度平均值为线路的温度，计算如下：

式中，T_i表示为第i段线路的温度，T_i,s是第i段线路的首节点温度，T_i,m是第i段线路的末节点温度，则第i段线路的电阻为：

r_i(t)＝r₀{1+α[T_i(t)-T₀]}

式中，T_i(t)为第i段线路在t时刻的温度值，当线路温度达到热稳定时，线路温度T满足以下方程：

I²r_i(t)＝-q_s(t)+q_c[T_i(t)]+q_r[T_i(t)]

其中，线路温度T与环境温度T_a有关，得到高压直流线路电阻参数模型如下：

其中，变量t表示直流输电线路电阻模型与时间分布特征之间的关系，r_i表示直流输电线路电阻模型与空间分布特征之间的关系；

(3)基于上述步骤(1)和步骤(2)的所述热平衡方程以及高压直流线路电阻参数模型，采用迭代计算方法，建立计及直流线路气象时空分布特征的交直流电网潮流计算方法为：

设定换流器参数和高压直流线路电流I_d，利用换流器交流侧电压V_i、V_r的估计值，利用下式，计算得到直流***与交流***之间的有功功率P_i、P_r和无功功率Q_i、Q_r，其中，直流线路潮流计算方程如下：

根据得到的交直流***交换功率，将交直流***交换功率作为PQ节点，计算交流***潮流，得到换流器交流侧电压V_i、V_r。

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