侯 宇，王 偉，韋 徵，鄧小君，姬秋華，王 彤

（南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省南京市 211106）

0 引言

輸電線路是高效、快捷的能源輸送通道，是電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，截至2017年底，中國(guó)110 kV及以上的輸電線路長(zhǎng)度已達(dá)9.87×105km。隨著用電需求的急劇增加和可再生能源的大量接入，負(fù)荷集中地區(qū)如長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲以及新能源發(fā)電集中送出地區(qū)電網(wǎng)“卡脖子”問(wèn)題突出，提升輸電系統(tǒng)的傳輸能力已成為亟待解決的重要課題［1-3］?？紤]到負(fù)荷曲線的波動(dòng)性和可再生能源的間歇性，輸電線路增容往往不需要全天候運(yùn)行［4］，通過(guò)新建輸電線路來(lái)提升電網(wǎng)傳輸能力不僅周期長(zhǎng)、投資大，而且會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題。輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)［5-7］可以在保證安全的前提下顯著提高輸電線路的輸送能力，整合可再生能源，有效解決局部電網(wǎng)“卡脖子”問(wèn)題，具有很好的應(yīng)用前景。

輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)采集或預(yù)測(cè)線路的環(huán)境和導(dǎo)線狀態(tài)信息，在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的前提下，根據(jù)增容模型獲取線路最大允許載流量，從而提升輸電系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸容量。目前，輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)已獲得廣泛研究［8-9］，但增容結(jié)果的可靠性受傳感器技術(shù)、通信方式、增容模型以及系統(tǒng)架構(gòu)等諸多因素影響，難以保證動(dòng)態(tài)增容過(guò)程中電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在電網(wǎng)實(shí)際工程中尚未得到廣泛應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文分別從輸電線路數(shù)據(jù)采集技術(shù)、感知分析技術(shù)、系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)和工程實(shí)踐4個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)行了分析，歸納總結(jié)了現(xiàn)有輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)研究的重點(diǎn)及局限性，最后指出了未來(lái)的研究方向。

1 輸電線路數(shù)據(jù)采集技術(shù)

輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依托于輸電線路關(guān)鍵狀態(tài)信息的采集，包括環(huán)境信息和導(dǎo)線狀態(tài)信息，如環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速風(fēng)向、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線弧垂等。通過(guò)在輸電線路上安裝各類(lèi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置來(lái)實(shí)時(shí)采集輸電線路環(huán)境和導(dǎo)線狀態(tài)信息，然后通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理和展示［10-11］。

現(xiàn)有的輸電線路數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究相對(duì)成熟，但仍存在諸多不足限制了輸電線路數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，主要概括為以下幾個(gè)方面。

1）傳感設(shè)備

傳感器作為應(yīng)用最廣泛的感知元件，具有安裝方便、采集精度相對(duì)較高、使用方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輸電線路數(shù)據(jù)采集。但由于輸電線路通常架設(shè)在室外，工作環(huán)境相對(duì)惡劣，同時(shí)高壓輸電線路周邊存在強(qiáng)電磁干擾，嚴(yán)重影響了輸電線路的數(shù)據(jù)采集和傳輸質(zhì)量?，F(xiàn)有輸電線路安裝的設(shè)備產(chǎn)品的在線運(yùn)行效率低于40%［12］，難以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集的可靠性需求。

傳感器的原理和安裝工藝也會(huì)帶來(lái)一定的監(jiān)測(cè)誤差。以溫度傳感器為例，接觸式測(cè)溫傳感器如光纖測(cè)溫傳感器［13］直接安裝在線路表面，測(cè)溫精度相對(duì)較高，但其風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較高，設(shè)備的電池等儲(chǔ)能單元存在安全隱患，線路出現(xiàn)擺動(dòng)時(shí)接觸式傳感器容易對(duì)線路絕緣產(chǎn)生磨損。非接觸式傳感器如紅外測(cè)溫傳感器［14］不與輸電導(dǎo)線直接接觸，使用方便、安全，但其測(cè)量結(jié)果與導(dǎo)線表面清潔程度有關(guān)，易受到環(huán)境因素干擾，測(cè)溫精度不高，只能對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的導(dǎo)線溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通常輸電線路溫度傳感器只能監(jiān)測(cè)導(dǎo)體表面溫度，而導(dǎo)線往往存在4～10℃的徑向溫差，其對(duì)導(dǎo)線允許載流量的影響可達(dá)10%以上［15］，因此，可能導(dǎo)致線路動(dòng)態(tài)增容結(jié)果存在較大的誤差。

此外，傳感器數(shù)據(jù)采集精度還受到采集對(duì)象、設(shè)備布局布點(diǎn)等因素的影響。例如：微氣象信息通常難以測(cè)量，線路風(fēng)速和風(fēng)向變化較快，當(dāng)風(fēng)速小于1 m/s時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向的測(cè)量結(jié)果通常會(huì)存在較大誤差。日照強(qiáng)度也會(huì)受地形地貌以及障礙物遮擋影響，如云層移動(dòng)可能會(huì)造成日照強(qiáng)度的快速變化。由于地形、線路走向和局部氣象條件的差異，各段線路運(yùn)行環(huán)境有很大區(qū)別，對(duì)線路局部狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果往往不能反映出輸電線路的整體情況。

通常傳感器功能單一，特定種類(lèi)的傳感器往往只能實(shí)現(xiàn)特定狀態(tài)量的測(cè)量，因此需要通過(guò)安裝新種類(lèi)傳感器和相應(yīng)的后臺(tái)軟件來(lái)獲取新類(lèi)型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但這會(huì)造成重復(fù)建設(shè)和投資，導(dǎo)致維護(hù)工作量增加、系統(tǒng)可靠性降低。不同廠家、不同設(shè)備之間的信息交換存在困難，兼容性差，會(huì)極大地限制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性［16］。

2）通信方式

輸電線路數(shù)據(jù)采集需要高可靠性的通信方式來(lái)保證采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，輸電線路通信可分為有線通信和無(wú)線通信2種。

在有線通信中，電力線載波通過(guò)輸電線路進(jìn)行通信，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，但易受電暈和電火花干擾，且其通信強(qiáng)烈依賴(lài)于輸電線路，而線路故障會(huì)導(dǎo)致通信故障，故難以保證通信系統(tǒng)的可靠性。此外，受電網(wǎng)拓?fù)湎拗?，載波通信組網(wǎng)困難?；诠饫w的有線通信方式具有寬頻帶、傳輸速率高、信息傳輸損耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，但其存在傳輸功耗大、鋪設(shè)成本高、維護(hù)難度大等問(wèn)題。

在無(wú)線通信中，傳統(tǒng)輸電線路通信多采用無(wú)線公網(wǎng)，通信模式主要包括全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（global system for mobile communication，GMS）、通用分組無(wú)線服務(wù)（general packet radio service，GPRS）、碼分多 址（codedivision multiple access，CDMA）、3G和4G等。無(wú)線公網(wǎng)通信技術(shù)較為成熟，且部署簡(jiǎn)單、建設(shè)成本低，但其覆蓋范圍有限，無(wú)法覆蓋到高壓輸電線路的全程，且通信易受干擾，安全性和可靠性較低，通信系統(tǒng)故障時(shí)難以快速修復(fù)，無(wú)法保證采集數(shù)據(jù)的可靠傳輸。5G通信技術(shù)的出現(xiàn)，將極大地提升公網(wǎng)通信的傳輸速率和傳輸容量，降低通信時(shí)延，但仍無(wú)法解決公網(wǎng)通信范圍受限、安全和可靠性低等問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)造成租用公網(wǎng)的成本顯著增加。

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，ZigBee、BlueTooth、LoRa、NB-IoT和微波通信等無(wú)線通信技術(shù)在輸電線路通信中獲得了一定的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)幾種常用的無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果如表1所示。

表1 輸電線路幾種常見(jiàn)通信方式比較Table 1 Comparison of several common communication modes in transmission lines

其中，ZigBee和BlueTooth通信技術(shù)的通信距離受限，難以滿(mǎn)足輸電線路通信需求，LoRa和NBIoT可以實(shí)現(xiàn)輸電線路小范圍窄帶寬通信，但是難以滿(mǎn)足圖像視頻信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。NB-IoT組網(wǎng)需要基于運(yùn)行商蜂窩網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)覆蓋范圍受限，需要建立基站。微波通信可以滿(mǎn)足視頻圖像等寬帶寬數(shù)據(jù)傳輸需求，但其通信功耗相對(duì)較高，對(duì)設(shè)備的可靠供電能力提出了很高的要求。此外，高壓輸電線路的強(qiáng)電磁干擾也會(huì)對(duì)線路通信設(shè)備和無(wú)線通信質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

3）設(shè)備取能

輸電線路數(shù)據(jù)采集裝置和通信設(shè)備都需要穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但由于輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置特殊的運(yùn)行環(huán)境，線路設(shè)備供電可靠性受到極大的挑戰(zhàn)。

在現(xiàn)有輸電線路系統(tǒng)中，安裝在桿塔上的監(jiān)測(cè)設(shè)備多采用太陽(yáng)能與電池供電的方式，線路上的設(shè)備多采用高壓互感器結(jié)合鋰電池［17］和超級(jí)電容器［18］的供電方式。這些供電方式可以基本解決輸電線路監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電問(wèn)題，但受到外部環(huán)境的影響較大，在連續(xù)陰雨天、太陽(yáng)能電池板污染、線路負(fù)載小或工作溫度偏低等諸多情況下都會(huì)帶來(lái)供電可靠性問(wèn)題，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)馁|(zhì)量。

受安裝環(huán)境限制，安裝在線路或桿塔頂端的輸電線路采集和通信設(shè)備體積受限，不具備安全有效的供電方式。普通線路單級(jí)桿塔上安裝的單塊太陽(yáng)能電池板尺寸不能超過(guò)0.8 m×0.7 m，電源設(shè)備單體重量不應(yīng)超過(guò)35 kg，接觸類(lèi)導(dǎo)線監(jiān)測(cè)設(shè)備重量應(yīng)小于2.5 kg，因此通常只能采用小容量電池供電，極大地限制了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膸捄皖l次。由于電池容量的限制，輸電線路設(shè)備監(jiān)測(cè)和通信設(shè)備通常只有6～8年的使用壽命，造成設(shè)備更換和維護(hù)困難。

針對(duì)上述輸電線路數(shù)據(jù)采集存在的問(wèn)題，現(xiàn)有研究大多通過(guò)采用高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備、提高數(shù)據(jù)采集密度、提升線路通信能力等方法來(lái)提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。例如：采用光纖光柵傳感器［19-20］或聲表面波傳感器［21］來(lái)解決傳統(tǒng)傳感器取能不可靠、抗干擾能力弱的問(wèn)題；通過(guò)優(yōu)化輸電線路傳感器數(shù)量和布局布點(diǎn)來(lái)提高輸電線路數(shù)據(jù)采集能力［22-23］；將各種無(wú)線通信技術(shù)，如WiFi、Mesh、ZigBee、LoRa等與光纖有線通信相結(jié)合組成混合通信網(wǎng)絡(luò)［24-28］來(lái)提高輸電線路通信能力，并趨向于建設(shè)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)來(lái)取代公共網(wǎng)絡(luò)。這些方法可以在一定程度上提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，但往往會(huì)造成采集成本的顯著增加。例如：提高輸電線路傳感器精度和數(shù)量可以降低局部測(cè)量帶來(lái)的誤差，但會(huì)增加采集設(shè)備成本和后期運(yùn)維工作量，加重通信系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，同時(shí)也難以解決傳感器在線率低和誤報(bào)警等問(wèn)題。

無(wú)限制地?cái)U(kuò)大規(guī)模和投資并不能真正解決輸電線路數(shù)據(jù)采集質(zhì)量問(wèn)題，而應(yīng)針對(duì)設(shè)備取能、自組網(wǎng)通信以及設(shè)備在線率等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，依托現(xiàn)有微功耗設(shè)備和主網(wǎng)通信系統(tǒng)，不斷提高有效數(shù)據(jù)采集效率。

2 輸電線路感知分析技術(shù)

輸電線路感知分析技術(shù)首先需要對(duì)數(shù)據(jù)中心獲取的環(huán)境和導(dǎo)線信息進(jìn)行處理和辨識(shí)，以在采集數(shù)據(jù)不全面、質(zhì)量不高的情況下，保證動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)的正常運(yùn)行，主要包括缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)充、異常數(shù)據(jù)修正以及正常采樣數(shù)據(jù)整合規(guī)約等。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型獲取輸電線路載流量、導(dǎo)線溫度和導(dǎo)線弧垂等信息。

現(xiàn)有輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型主要分為確定性模型和概率模型，如圖1所示。

圖1 輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型Fig.1 Dynamic rating models of transmission line

確定性模型輸出由一組輸入通過(guò)確定性關(guān)系得到，其中沒(méi)有任何隨機(jī)因素。在最終的確定性模型中，對(duì)于一組給定的輸入，其輸出總是相同的［29］。確定性模型根據(jù)分析方法的不同又可分為物理模型、統(tǒng)計(jì)學(xué)模型以及機(jī)器學(xué)習(xí)模型等。

物理模型的構(gòu)建主要基于輸電線路穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)熱平衡方程［6，30-31］，典型的有IEEE模型［32］、CIGRE模型［33］、IEC模型［34］以及有限元模型［35-37］等。物理模型原理簡(jiǎn)單，可以根據(jù)輸入?yún)?shù)對(duì)線路限額進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算或預(yù)測(cè)，但是難以涵蓋線路所有影響因素，如降雨對(duì)線路冷卻效果的影響。物理模型中的某些參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取，如導(dǎo)線表面輻射系數(shù)和吸熱系數(shù)與導(dǎo)線新舊程度和表面污穢程度有關(guān)，其數(shù)值往往基于經(jīng)驗(yàn)判斷。改進(jìn)物理模型的一種方法是通過(guò)在模型中考慮被忽略的影響因素進(jìn)行補(bǔ)充，如考慮了降水冷卻效果的擴(kuò)展CIGRE模型［3，38］。

在統(tǒng)計(jì)學(xué)模型中，偏最小二乘回歸技術(shù)因其較好的預(yù)測(cè)能力通常被用于輸電線路動(dòng)態(tài)增容建模［39-40］。通常用偏最小二乘回歸方法擬合輸電線路導(dǎo)線溫度與環(huán)境因素和導(dǎo)線電流的關(guān)系。在統(tǒng)計(jì)學(xué)模型中，可以根據(jù)物理關(guān)系對(duì)擬合函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如導(dǎo)體溫度更直接地與電流平方相關(guān)，而強(qiáng)迫對(duì)流的影響是風(fēng)速和風(fēng)向角正弦的乘積的函數(shù)［41］。統(tǒng)計(jì)學(xué)模型在一定程度上緩解了物理模型考慮因素不全面以及參數(shù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，但需要大量的停電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，同時(shí)擬合的關(guān)系只能用于線路特定的位置，其他線路則需要重新進(jìn)行擬合分析。

機(jī)器學(xué)習(xí)模型同樣需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。所有可用的數(shù)據(jù)將分為3組，即用于模型的培訓(xùn)、驗(yàn)證和測(cè)試。與統(tǒng)計(jì)學(xué)模型中的偏最小二乘方法不同，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不再使用線性關(guān)系擬合，而是為每個(gè)輸入?yún)?shù)生成權(quán)值，并將每個(gè)輸入的所有響應(yīng)收集到隱藏層中，然后產(chǎn)生模型輸出。機(jī)器學(xué)習(xí)模型不依賴(lài)于系統(tǒng)特定參數(shù)，避免了被忽略因素的影響，但其模型的通用性需要線路來(lái)自多個(gè)采樣點(diǎn)的大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的支撐，這樣大量的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)在實(shí)際工程中通常難以得到。

在夏季和冬季2種典型實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，某輸電線路導(dǎo)線溫度實(shí)測(cè)值和3種確定性模型感知結(jié)果的比較［42］如附錄A圖A1所示?？梢钥闯?，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和偏最小二乘回歸模型可以更好地反映線路實(shí)際情況。

概率模型以概率函數(shù)為基礎(chǔ)，其輸入和輸出不是一組特定的數(shù)值，而是一組數(shù)據(jù)分布，以此來(lái)提供關(guān)于環(huán)境和負(fù)荷條件更確切的信息［43-44］。概率模型中可以引入風(fēng)險(xiǎn)因子來(lái)表征每種情況下的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，從而為調(diào)度人員的決策提供參考［45-46］。基于概率的輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型主要有2種類(lèi)型：混合概率模型和絕對(duì)概率模型?；旌细怕誓Ｐ徒Y(jié)合了物理模型和概率模型的特點(diǎn)，其離散的輸入和分布函數(shù)是混合的，其風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)往往不包括各種外部因素變化，因此只能代表相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)。絕對(duì)概率模型則考慮了諸如雷擊風(fēng)險(xiǎn)等外部因素，其風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)通常代表絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)［29］。

表2給出了上述幾類(lèi)模型的比較。其中物理模型實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)，但其模型精度相對(duì)較低；統(tǒng)計(jì)學(xué)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)模型輸出精度較高，但都需要大量停電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行擬合或訓(xùn)練，模型通用性受限；概率模型可以通過(guò)引入風(fēng)險(xiǎn)因子來(lái)表征每種情況的風(fēng)險(xiǎn)，但是需要大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)支撐，且模型穩(wěn)定性較差。因此，輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型的可靠性需要綜合考慮模型精度、適用性以及穩(wěn)定性等因素影響。

表2 輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型比較Table 2 Comparison of dynamic rating models of transmission line

通過(guò)對(duì)輸電線路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和感知分析，可以獲取輸電線路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)限額。但僅根據(jù)線路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)限額對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行或氣候條件惡化時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)線路過(guò)載的情況。因此，還需要對(duì)未來(lái)短期輸電線路動(dòng)態(tài)限額進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。通常，將動(dòng)態(tài)增容模型與環(huán)境預(yù)測(cè)模型相結(jié)合來(lái)對(duì)未來(lái)短期輸電線路動(dòng)態(tài)限額進(jìn)行預(yù)測(cè)［46］?，F(xiàn)有輸電線路環(huán)境預(yù)測(cè)主要采用時(shí)間序列分析［45］或數(shù)值天氣預(yù)報(bào)［47-48］的方法。文獻(xiàn)［45］將貝葉斯時(shí)間序列技術(shù)用于輸電線路動(dòng)態(tài)限額預(yù)測(cè)，但這種方法預(yù)測(cè)誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)的增加而增大，只適用于幾個(gè)小時(shí)內(nèi)的預(yù)測(cè)結(jié)果。文獻(xiàn)［47］利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和機(jī)器學(xué)習(xí)提出了新的輸電線路動(dòng)態(tài)限額預(yù)報(bào)方法，可實(shí)現(xiàn)1～2d的動(dòng)態(tài)限額預(yù)測(cè)，但其龐大的計(jì)算量需要依托于大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行。此外，文獻(xiàn)［49］采用分位數(shù)回歸森林的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)2d內(nèi)線路動(dòng)態(tài)限額的精確預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)［50］提出了基于回波狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)線路限額預(yù)測(cè)模型；文獻(xiàn)［51］則在動(dòng)態(tài)線路限額預(yù)測(cè)過(guò)程中引入了模糊分析方法。

3 輸電線路動(dòng)態(tài)增容應(yīng)用架構(gòu)

除了輸電線路數(shù)據(jù)采集技術(shù)和感知分析技術(shù)外，輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)的不足也會(huì)間接影響輸電線路動(dòng)態(tài)增容的可靠性。輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)通常包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置（condition monitoringdevice，CMD）、狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理（condition monitoring agent，CMA）以 及 主 站 系 統(tǒng)等，根據(jù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、通信方式、系統(tǒng)功能以及具體實(shí)現(xiàn)方式的不同而存在多種應(yīng)用架構(gòu)［8，52-54］。

文獻(xiàn)［52］針對(duì)輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線溫度傳感器的輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)，如附錄A圖A2所示。桿塔上的氣象傳感器和線路上的無(wú)線溫度傳感器定時(shí)/實(shí)時(shí)地采集線路和環(huán)境信息，通過(guò)ZigBee通信模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至桿塔上的匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行打包后，采用GSM/GPRS/CDMA/3G/WiFi/光纖等方式傳輸?shù)紺MA，并通過(guò)CMA發(fā)送至狀態(tài)信息接入網(wǎng)關(guān)機(jī)（condition information acquisition gateway，CAG），實(shí)現(xiàn)與主站控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互［53］。主站系統(tǒng)專(zhuān)家軟件利用動(dòng)態(tài)增容模型計(jì)算線路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)限額，結(jié)合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control anddata acquisition，SCADA）系統(tǒng)數(shù)據(jù)和溫度/弧垂安全判據(jù)指導(dǎo)線路動(dòng)態(tài)增容。

文獻(xiàn)［54］開(kāi)發(fā)了基于3G/GSM的輸電線路動(dòng)態(tài)增容在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如附錄A圖A3所示。采集終端將環(huán)境和導(dǎo)線信息通過(guò)GPRS/3G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給CMA，由CMA對(duì)采集終端數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并發(fā)送給主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)調(diào)用增容計(jì)算模塊獲取線路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)限額，結(jié)合SCADA系統(tǒng)計(jì)算線路隱性容量，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路弧垂來(lái)保證增容系統(tǒng)的安全運(yùn)行。目前，該系統(tǒng)已在哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程中獲得應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。

上述輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)針對(duì)單條輸電線路進(jìn)行分析，缺乏對(duì)增容過(guò)程中電網(wǎng)整體的調(diào)度規(guī)劃，難以分析單條或多條線路增容對(duì)其他輸電線路運(yùn)行的影響。單條線路安全可靠的動(dòng)態(tài)增容，可能會(huì)造成其他關(guān)聯(lián)線路過(guò)載的情況。

針對(duì)電網(wǎng)調(diào)控的特點(diǎn)和需求，文獻(xiàn)［8］從電網(wǎng)層面對(duì)動(dòng)態(tài)增容技術(shù)進(jìn)行分析，提出了考慮電網(wǎng)靜態(tài)安全的動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)，如附錄A圖A4所示。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)計(jì)算、增容分析和圖形可視化展示4個(gè)部分。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集/預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和辨識(shí)，在整合可用數(shù)據(jù)的同時(shí)識(shí)別并修正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。實(shí)時(shí)計(jì)算模塊利用線路熱穩(wěn)定方程計(jì)算輸電線路載流量信息和動(dòng)態(tài)功率限額，用于增容分析模塊對(duì)增容過(guò)程電網(wǎng)靜態(tài)安全進(jìn)行評(píng)估。圖形可視化展示模塊對(duì)增容實(shí)時(shí)/預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行展示，并將地調(diào)動(dòng)態(tài)增容數(shù)據(jù)上傳至省調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行省地協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)增容協(xié)調(diào)控制。該系統(tǒng)已在南京地區(qū)D5000系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

隨著研究的不斷深入，輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)不斷完善，系統(tǒng)功能不斷健全。已有學(xué)者對(duì)閉環(huán)動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，通過(guò)引入自適應(yīng)校正、模型預(yù)測(cè)控制等方式來(lái)校正模型輸出結(jié)果，從而提高動(dòng)態(tài)增容技術(shù)的可靠性［55-56］。此外，不少研究在系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也綜合考慮了動(dòng)態(tài)增容對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的影響。

在電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面，文獻(xiàn)［57］將輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)與考慮電力系統(tǒng)安全約束的機(jī)組組合問(wèn)題相結(jié)合，將交流最優(yōu)潮流線性化并納入機(jī)組組合問(wèn)題中，提高了電力系統(tǒng)的整體安全性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［58］在動(dòng)態(tài)增容和電熱協(xié)調(diào)概念［59-61］基礎(chǔ)上引入導(dǎo)線動(dòng)態(tài)電熱特征量作為線路安全約束，通過(guò)調(diào)節(jié)直流輸送功率，調(diào)整機(jī)組有功功率以及切負(fù)荷等方式，實(shí)現(xiàn)了與時(shí)間關(guān)聯(lián)的潮流動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制。文獻(xiàn)［62］提出了一種考慮輸電線路動(dòng)態(tài)增容的增強(qiáng)型安全約束最優(yōu)潮流模型，利用輸電線路的短時(shí)增容特性應(yīng)對(duì)事故后的潮流越限風(fēng)險(xiǎn)，從而擴(kuò)大電網(wǎng)安全運(yùn)行范圍，提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

在電網(wǎng)安全性方面，一些學(xué)者對(duì)輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行了研究，以評(píng)估輸送容量變化對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的影響。例如：文獻(xiàn)［63］提出了一種日前線路限額預(yù)測(cè)模型，并開(kāi)發(fā)了一種基于預(yù)測(cè)的突發(fā)事件后驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法；文獻(xiàn)［64-65］基于馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法對(duì)輸電線路增容運(yùn)行后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并給出了線路增容運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)［64］；文獻(xiàn)［66］提出了一種計(jì)及參數(shù)脈動(dòng)特性的線路增容熱路模型，并以概率形式對(duì)載流量進(jìn)行有效估計(jì)，將增容風(fēng)險(xiǎn)控制在合理范圍內(nèi)。

在輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)中，增容分析不應(yīng)基于對(duì)采集數(shù)據(jù)的完全相信，應(yīng)用也不應(yīng)完全基于感知分析的結(jié)果，而應(yīng)進(jìn)行多次冗余和多維度容錯(cuò)判斷，構(gòu)建閉環(huán)的增容體系架構(gòu)。增容過(guò)程中，需要從電網(wǎng)層面綜合考慮發(fā)電計(jì)劃、檢修計(jì)劃、負(fù)荷預(yù)測(cè)等多方面因素的影響，同時(shí)考慮整體電網(wǎng)安全對(duì)增容線路進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而保證輸電線路動(dòng)態(tài)增容結(jié)果的安全和可靠。

4 輸電線路動(dòng)態(tài)增容工程實(shí)踐

近年來(lái)，由于輸電走廊緊缺以及風(fēng)電、光伏等新能源接入需求的增加，支撐輸電線路高效運(yùn)行的動(dòng)態(tài)增容技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外獲得了一定的工程應(yīng)用。

英國(guó)Areva T&D公司在斯凱格內(nèi)斯和波士頓之間的132 kV雙回線路上應(yīng)用動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，增加了20%～50%的電網(wǎng)接入風(fēng)力發(fā)電量［67］。美國(guó)SRP公司通過(guò)在2條輸電線路上使用動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，在運(yùn)行線路負(fù)荷高峰時(shí)期短時(shí)超出線路靜態(tài)額定容量，從而緩建了輸電線路，減少約900萬(wàn)美元投資成本［68］。意大利電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商在西西里島使用耐熱導(dǎo)線并應(yīng)用動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)，在增加電網(wǎng)傳輸容量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸電線路維護(hù)和管理的優(yōu)化［69］。國(guó)外機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：安裝實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)的輸電線路在一年中有90～120d可增加10%～30%的輸送容量，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益［70］。

中國(guó)的電力研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作和工程試點(diǎn)應(yīng)用。文獻(xiàn)［71］提出由溫度監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)和計(jì)算分析3個(gè)部分組成的輸電線路動(dòng)態(tài)增容監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)，提高了輸電線路輸送容量和線路運(yùn)行的安全可靠性，避免了緊急情況下過(guò)度切負(fù)荷。文獻(xiàn)［11］提出的輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)，采用雙無(wú)線通信模式采集環(huán)境信息和導(dǎo)線溫度，利用摩爾根載流量計(jì)算公式獲取輸電線路隱性載流容量。文獻(xiàn)［72］提出的基于導(dǎo)線張力和實(shí)時(shí)氣象條件的輸電線路輸送容量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)氣象條件的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)計(jì)算線路傳輸容量限額，在國(guó)內(nèi)多條110 kV和220 kV線路上投入運(yùn)行。

現(xiàn)有的輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)主要應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)、電網(wǎng)迎峰度夏，以及故障情況下線路輸送能力提升等場(chǎng)景，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有良好的運(yùn)行效果。

1）在新能源發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用方面，使用動(dòng)態(tài)增容技術(shù)為光伏、風(fēng)電等新能源的大量接入提供支撐，緩解了新能源集中送出通道的容量限制，促進(jìn)了可再生能源的發(fā)展。

西班牙現(xiàn)有可再生風(fēng)能總裝機(jī)容量占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的20%以上，使得風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)、傳輸和分配都面臨著巨大的挑戰(zhàn)［73］。西班牙北部某輸電線路利用動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，分析線路動(dòng)態(tài)限額情況，并對(duì)多種不同運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行研究。附錄A圖A5給出了2015年2月該線路的實(shí)際電流IPQA、線路靜態(tài)限額ISR以及線路動(dòng)態(tài)限額IDR的比較［73］。由于該線路在記錄時(shí)段內(nèi)線路負(fù)荷較少，因此，線路在實(shí)際運(yùn)行中只在短時(shí)間超出線路靜態(tài)限額容量。但從全年運(yùn)行情況來(lái)看，該線路在實(shí)際運(yùn)行中有424 h以超出線路靜態(tài)限額的實(shí)際電流運(yùn)行，額外增加了3.89 GW·h的風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電送出容量，相當(dāng)于增加了超過(guò)24萬(wàn)歐元的額外收入，同時(shí)減少了約1 100 t的CO2排放。

2）在負(fù)荷高峰期間如迎峰度夏場(chǎng)景下，利用動(dòng)態(tài)增容技術(shù)提升線路輸送能力，提高輸電線路的利用率和傳輸效率，降低電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，保證電力的可靠供應(yīng)。

隨著上海市崇明區(qū)負(fù)荷水平的增長(zhǎng)，在夏季高峰時(shí)需要依靠本地電源和外來(lái)電源共同維持電力供求平衡，且當(dāng)?shù)赜幸欢ǖ呢?fù)荷調(diào)節(jié)能力，具備增容運(yùn)行的條件。崇明電力公司采用靜態(tài)增容和動(dòng)態(tài)增容相結(jié)合的方式，將220 kV輸電線路的溫度限額由70℃提高到80℃，并在靜態(tài)增容的基礎(chǔ)上采用動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，在海中4633/4634線投入實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)［74］。附錄A圖A6給出了2009年7月20日海中4633/4634線的線路潮流及線路靜態(tài)和動(dòng)態(tài)限額情況，可以看出，雖然線路潮流部分時(shí)間超過(guò)了線路原限額和靜態(tài)限額，但始終處在動(dòng)態(tài)限額范圍內(nèi)，不會(huì)造成輸電線路溫度越限的情況。海中4633/4634線當(dāng)日累計(jì)增容時(shí)間約13.5 h，額外增加輸送容量511 MW·h，在迎峰度夏時(shí)期有效保證了崇明三島的正常電力供應(yīng)。

3）在線路故障情況下，通過(guò)合理采用動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，可充分利用現(xiàn)有輸電設(shè)備的輸送能力，減少電網(wǎng)對(duì)用戶(hù)的強(qiáng)迫停電率，緩解拉電和限電，提高供電可靠性。

中國(guó)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程根據(jù)設(shè)定的環(huán)境溫度、風(fēng)速、日照強(qiáng)度和導(dǎo)線的允許溫度計(jì)算導(dǎo)線載流量限額，其中沒(méi)有考慮導(dǎo)線溫升的暫態(tài)過(guò)程［75］。而由于導(dǎo)線溫升暫態(tài)過(guò)程的時(shí)間特性，即使在N-1故障情況下，導(dǎo)線達(dá)到其工作允許溫度也需要較長(zhǎng)的時(shí)間。安徽電網(wǎng)基于文獻(xiàn)［9］提出的基于阻塞分析的輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)，在線路故障情況下考慮輸電線路暫態(tài)溫升特性，以短時(shí)間內(nèi)保證線路溫度在安全范圍內(nèi)為邊界條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)限額的調(diào)整，從而在事故情況下進(jìn)一步提高系統(tǒng)輸電能力。以安徽宿州匯源區(qū)域電網(wǎng)為例，2015年4月17日某時(shí)段，谷南單回線因關(guān)聯(lián)線路故障存在過(guò)載情況。谷南線增容前長(zhǎng)期允許載流量靜態(tài)限額為600 A，事故后允許載流量靜態(tài)限額為720 A。系統(tǒng)基于故障后1 h內(nèi)的氣象預(yù)測(cè)信息，獲得線路長(zhǎng)期允許載流量限額為890 A，30 min時(shí)段內(nèi)導(dǎo)線溫度不超過(guò)70℃的暫態(tài)載流量限額為940 A。通過(guò)使谷南線短時(shí)以暫態(tài)載流量限額運(yùn)行，并調(diào)整發(fā)電機(jī)組出力，極大地降低了線路故障對(duì)用戶(hù)用電的影響。

目前，輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)獲得了一定的實(shí)際工程應(yīng)用。但是國(guó)內(nèi)輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)尚處在系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)估及增容調(diào)度的安全性驗(yàn)證階段。因此，輸電線路負(fù)載能力的準(zhǔn)確評(píng)估及預(yù)測(cè)、增容運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、調(diào)度輔助決策優(yōu)化等技術(shù)將會(huì)成為未來(lái)輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)用電需求和可再生能源滲透率的不斷增加，輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)作為一種有效提升輸電線路輸送能力和整合可再生能源的手段而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和感知分析等方向的研究已經(jīng)較為成熟，但仍存在數(shù)據(jù)采集精度不高、模型不精確、模型通用性受限等問(wèn)題。在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)增容技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)將增容模型與環(huán)境預(yù)測(cè)模型相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)短期線路動(dòng)態(tài)限額的預(yù)測(cè)，增加動(dòng)態(tài)增容技術(shù)的實(shí)用性，但仍需進(jìn)一步研究。動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)架構(gòu)研究開(kāi)始從單條輸電線路增容向電網(wǎng)層面的增容過(guò)渡，動(dòng)態(tài)增容對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的影響也獲得一定研究。在實(shí)際工程中，動(dòng)態(tài)增容技術(shù)已在新能源發(fā)電并網(wǎng)、電網(wǎng)迎峰度夏以及故障情況下線路輸送能力提升等場(chǎng)景下獲得一定應(yīng)用，但由于增容的諸多不確定性，尚未在電力系統(tǒng)中獲得推廣運(yùn)行。

針對(duì)現(xiàn)有輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)的局限性，未來(lái)的研究可能包括以下幾個(gè)方面。

1）提高有效數(shù)據(jù)采集效率。通過(guò)優(yōu)化布局布點(diǎn)，可提高裝置在線率、實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的有效采集、減少在線監(jiān)測(cè)裝置的種類(lèi)和數(shù)量、降低對(duì)通信系統(tǒng)要求。依托現(xiàn)有的微功耗和主網(wǎng)通信系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

2）改進(jìn)感知分析方法。完善輸電線路數(shù)據(jù)處理與辨識(shí)方法，增強(qiáng)對(duì)質(zhì)量不高的采集數(shù)據(jù)的處理能力；改進(jìn)現(xiàn)有動(dòng)態(tài)增容模型的不足，增強(qiáng)模型精度和適用性；構(gòu)建輸電線路載流量實(shí)時(shí)限額與預(yù)測(cè)限額相結(jié)合的分析方法，為調(diào)度系統(tǒng)實(shí)際操作提供參考依據(jù)。

3）構(gòu)建閉環(huán)的動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)架構(gòu)。引入現(xiàn)代控制邏輯，構(gòu)建閉環(huán)的增容系統(tǒng)架構(gòu)。在分析計(jì)算模型中引入迭代校正環(huán)節(jié)，分析不完全依賴(lài)外部的參數(shù)，降低導(dǎo)線參數(shù)的時(shí)變特征對(duì)分析結(jié)果的影響。

4）考慮整體電網(wǎng)安全的輸電線路動(dòng)態(tài)增容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。綜合考慮負(fù)荷、發(fā)電檢修計(jì)劃，研究應(yīng)用于整體電網(wǎng)調(diào)度規(guī)劃的動(dòng)態(tài)增容方法。結(jié)合動(dòng)態(tài)增容技術(shù)和電網(wǎng)的在線安全穩(wěn)定分析技術(shù)，在增容過(guò)程中考慮電網(wǎng)安全判據(jù)約束，對(duì)電網(wǎng)層面的輸電線路動(dòng)態(tài)增容風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

本文得到國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司科技項(xiàng)目（524608200202）的資助，特此致謝！

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