王　亮，王啟龍，吳衍達(dá)，曹建梅

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南　250001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東　菏澤　274012；3.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南　250002）

220 kV交流輸電線路的利用率分析

王亮1，王啟龍2，吳衍達(dá)2，曹建梅3

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南250001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274012；3.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南250002）

輸電線路的利用率是評(píng)價(jià)電網(wǎng)運(yùn)行效率、指導(dǎo)電網(wǎng)規(guī)劃的重要指標(biāo)。提出基于時(shí)序分析法的輸電線路利用率綜合評(píng)估方法，通過輸電線路利用率的概率分布特征評(píng)估輸電線路的利用率。以4條典型220 kV輸電線路為例，利用其SCADA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析了輸電線路的利用率。算例分析表明，該方法能夠較為全面地分析電網(wǎng)輸電線路的利用率，對(duì)于完善電網(wǎng)規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。

輸電線路；利用率；統(tǒng)計(jì)分析；SCADA

0　引言

輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，是電力傳輸?shù)闹饕ǖ溃?］。按照傳輸電流形式的差異，輸電線路可以分為直流輸電線路和交流輸電線路兩類。直流輸電線路可以通過換流站實(shí)現(xiàn)對(duì)直流傳輸功率的精確控制，其運(yùn)行功率一般都運(yùn)行在額定設(shè)計(jì)功率附近，具有較高的線路利用率［2］。但是，對(duì)于交流輸電線路，由于電網(wǎng)中交流線路呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，各交流輸電線路所傳輸?shù)墓β驶诨鶢柣舴螂娏鞫勺杂煞植迹y以對(duì)特定交流輸電線路傳輸功率進(jìn)行精確控制，交流輸電的利用率往往隨著運(yùn)行方式的改變而變化。因此，為保證交流輸電線路的正常運(yùn)行，其設(shè)計(jì)傳輸容量需要考慮當(dāng)前和未來一定時(shí)期內(nèi)線路的負(fù)荷變化情況，并參考一定的規(guī)程進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)［3-4］。

輸電線路的傳輸容量主要由線路自身的熱穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定［5-6］。對(duì)于孤立的輸電線路，其熱穩(wěn)定性主要是校核線路長(zhǎng)時(shí)間過載導(dǎo)致的設(shè)備損壞，反映為線路最大傳輸電流，與線路的材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)等相關(guān)，并決定額定外部環(huán)境下輸電線路的額定傳輸容量［7］。由于輸電線路總是作為電力系統(tǒng)的一部分連接系統(tǒng)中的不同元件，線路的電氣參數(shù)（長(zhǎng)短）與其實(shí)際傳輸功率會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如電壓穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定等［8］。因此，受系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的約束，輸電線路的實(shí)際傳輸容量通常低于其熱穩(wěn)定約束下的額定傳輸容量，如高電壓等級(jí)的遠(yuǎn)距離輸電線路。對(duì)于電壓等級(jí)較低的短線路，其安全穩(wěn)定約束下的容量極限甚至?xí)^其熱穩(wěn)定極限，此時(shí)線路的熱穩(wěn)定最大傳輸容量是限制輸電線路最大輸送功率的主要因素［9］。

理論上，在設(shè)定的規(guī)劃時(shí)段內(nèi)線路負(fù)荷達(dá)到設(shè)定運(yùn)行功率，才能充分利用線路的輸電容量，提高投資效益。但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于系統(tǒng)負(fù)荷不會(huì)完全按照預(yù)想發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)輸電線路利用率較低的情況，導(dǎo)致輸電線路投資無(wú)法實(shí)現(xiàn)最大化。

針對(duì)輸電線路的利用率評(píng)估問題，首先提出輸電線路利用率的時(shí)序分析方法，定義了輸電線路利用率的分析指標(biāo)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)某電網(wǎng)的220 kV線路進(jìn)行了利用率分析，最后討論了輸電線路利用率分析結(jié)果對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃的指導(dǎo)作用。

1　輸電線路利用率綜合分析指標(biāo)

考慮到220 kV線路往往長(zhǎng)度較短，其容量主要受限于熱穩(wěn)定性，因此從線路自身的熱穩(wěn)定性入手，使用電流對(duì)輸電線路的利用率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

1.1電流概率分布統(tǒng)計(jì)

為評(píng)估輸電線路電流水平的分布情況，對(duì)電流總體分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體指標(biāo)定義為每百安培電流出現(xiàn)累積時(shí)間占總統(tǒng)計(jì)時(shí)間的比例，即

式中：Imin為統(tǒng)計(jì)區(qū)段內(nèi)的電流最小值；Imax為統(tǒng)計(jì)區(qū)段內(nèi)的電流最大值；Ttotal為總統(tǒng)計(jì)時(shí)間。

通過對(duì)電流統(tǒng)計(jì)時(shí)間的概率分析，可以通過直方圖直觀地找出線路運(yùn)行過程中最經(jīng)常出現(xiàn)的電流水平，以及最高負(fù)載電流水平和最低負(fù)載電流水平。

1.2線路利用率的基本指標(biāo)

對(duì)于特定時(shí)刻輸電線路的利用率η，可以由其實(shí)時(shí)電流I與線路最大允許運(yùn)行電流之比進(jìn)行定義。由于220 kV線路普遍較短，影響其輸電能力的主要是線路的熱穩(wěn)定性水平，因此，可以使用I與線路熱穩(wěn)定極限最大允許電流之比定義線路在電流為I時(shí)的利用率，即

式中：Ithermal為線路的最大允許運(yùn)行電流，可以通過查閱典型220 kV線路手冊(cè)獲得。

1.3線路日最大利用率和最小利用率

輸電線路在規(guī)劃時(shí)需要考慮線路在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷，因此需要分析線路的日最大利用率［10-11］，以評(píng)估線路是否能夠滿足用戶供電需求。同時(shí)，本文還進(jìn)一步定義了輸電線路的最小利用率指標(biāo)，以反映線路運(yùn)行過程中的最低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。輸電線路的日最大、最小利用率分別為

式中：ηmax為日maxmin日最小利用率；I′min為最小電流。

1.4線路日負(fù)載峰谷差

對(duì)不同事件段內(nèi)的日最大利用率和最小利用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到輸電線路在不同時(shí)間段內(nèi)的負(fù)載波動(dòng)情況。為更進(jìn)一步衡量這種日負(fù)載波動(dòng)情況，可以用每日的最大和最小利用率之差定義輸電線路負(fù)載的波動(dòng)峰谷差，以分析日峰谷差變化情況。線路日負(fù)載峰谷差的具體指標(biāo)為

1.5線路日平均利用率

為分析單一線路一天內(nèi)的負(fù)載變化，可進(jìn)一步分析線路日負(fù)載均值的變化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)線路利用率的代數(shù)平均值和均方差為

式中：n為一天內(nèi)的電流量測(cè)值數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。當(dāng)1 min一個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)，n=1 440。

線路日平均利用率越高，說明該線路的日平均負(fù)載普遍較高；均方差越小，說明該線路日負(fù)載量比較穩(wěn)定，接近平均值，離散性小。

2　算例分析

根據(jù)輸電線路利用率的綜合指標(biāo)，以某電網(wǎng)同型號(hào)的4條電壓等級(jí)為220 kV的線路為例，進(jìn)行輸電線路利用率的綜合分析。該4條輸電線路的型號(hào)為JL/G1A-2400，長(zhǎng)期允許的載流量為2 798 A，線路1～4長(zhǎng)度分別為39.2km、12.74km、7.03km和43.5km。4條線路的量測(cè)數(shù)據(jù)取自SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min。

2.1電流概率分布統(tǒng)計(jì)

選取4條線路2015-01-10至2015-02-10的電流量測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。假設(shè)線路兩端電流的最大值為線路電流，4條線路電流分布直方圖如圖1所示，圖中電流量測(cè)值采樣區(qū)間間隔為80 A。

由圖1可知，不同線路的負(fù)載狀態(tài)差異明顯。線路1有80%的電流量測(cè)值為240～400 A；線路2的負(fù)載量較小，電流集中于80～160 A；線路3有50%負(fù)載電流為80～160 A，30%負(fù)載電流為160～240 A；線路4負(fù)載變化較大，電流分布比較分散，大多為80～240 A。

圖1　電流統(tǒng)計(jì)直方圖

2.2線路日最大和最小利用率統(tǒng)計(jì)

對(duì)4條線路在不同自然日內(nèi)的最大利用率和最小利用率進(jìn)行分析，可得如圖2和圖3所示的統(tǒng)計(jì)曲線。

圖2　線路日最大利用率

圖3　線路日最小利用率

由圖2和圖3可知，線路1和線路3的日最大利用率和日最小利用率的變化規(guī)律基本一致，即日最大利用率較高的日子里，日最小利用率也較高；線路4的日最大利用率和日最小利用率的變化趨勢(shì)不相同，在1月份線路最大利用率變化較小的情況下，線路最小利用率在1月18日出現(xiàn)了一個(gè)高峰；線路2的日最大利用率和最小利用率波動(dòng)較小，基本維持在8%和5%左右，表明該線路的負(fù)載狀態(tài)較為穩(wěn)定。

分析線路1和線路3部分時(shí)間內(nèi)日最大利用率和最小利用率發(fā)生的時(shí)刻，如表1和表2所示。

表1　線路最大利用率發(fā)生時(shí)刻統(tǒng)計(jì)

表2　線路最小利用率發(fā)生時(shí)刻統(tǒng)計(jì)

由表1和表2可知，從總體來看，兩線路的最高利用率多出現(xiàn)于11時(shí)至12時(shí)、18時(shí)、22時(shí)至23時(shí)；而最小利用率則多出現(xiàn)于凌晨0時(shí)至4時(shí)。由此可知，輸電線路的利用率與居民日常用電較為密切。

2.3線路平均利用率統(tǒng)計(jì)分析

為整體了解線路利用率及變化情況，對(duì)4條典型線路的日利用率平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4　線路日平均利用率均值

圖5　線路利用率日利用率標(biāo)準(zhǔn)差

由圖4～5可知，線路1電流日平均利用率最高，為20%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3條線路，線路2、線路3的利用率不足10%，線路4的利用率在10%左右。線路3的利用率在2015-01-27至2015-02-05之間出現(xiàn)了下降，表明該線路的利用率隨系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行方式的變化而出現(xiàn)了顯著降低。線路2的利用率均值在所考察的時(shí)間段內(nèi)一直保持為6%～7%，且利用率的標(biāo)準(zhǔn)差也一直維持在1%。這表明在這段時(shí)間內(nèi)，線路2的總體利用水平一直較為平穩(wěn)。

3　結(jié)語(yǔ)

提出了基于時(shí)間序列的輸電線路利用率綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)4條典型線路利用率進(jìn)行了分析。

在同一時(shí)間段內(nèi)，不同輸電線路的利用率不同，統(tǒng)計(jì)特征差別明顯。因此，電網(wǎng)同一電壓等級(jí)的不同輸電線路的利用率呈現(xiàn)顯著的不平整性。為綜合評(píng)估某一電壓等級(jí)電網(wǎng)的總體利用率，需要綜合分析所有線路的負(fù)載情況。

所分析220 kV線路的利用率較低，實(shí)測(cè)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最大傳輸功率，容量裕度大，這表明目前這些線路尚未達(dá)到其最優(yōu)的運(yùn)行點(diǎn)，設(shè)備投資效率有待進(jìn)一步提升。因此，需根據(jù)線路負(fù)載的變化情況適當(dāng)調(diào)整電網(wǎng)的規(guī)劃方案，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

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Utilization Rate Analysis of 220 kV AC Transmission Lines

WANG Liang1，WANG Qilong2，WU Yanda2，CAO Jianmei3
（1.Dispatch and Control Center of Shandong Electric Power Corporation，Jinan 250001，China；2.State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274012，China；3.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China）

The utilization rate of transmission lines is an important index to evaluate the operation efficiency of power grid，and guide the plan of future power systems.A time serial method is proposed in this paper to evaluate the utilization rate of transmission lines.The statistical distribution of the utilization rate is adopted to analyze the utilization of transmission lines. Four transmission lines are examined with field SCADA data to check their utilization rates.Examples show that the proposed method can evaluate the utilization of transmission lines efficiently，and results obtained are useful for plan.

transmission lines；utilization rate；statistical analysis；SCADA

TM732

A

1007－9904（2016）08－0011－04

2016-05-31

王亮（1979），男，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)分析計(jì)算工作；

王啟龍（1971），男，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化控制工作；吳衍達(dá)（1989），男，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與分析工作。