一种考虑电网多元风险的输电断面动态增容调度分配新方案

作者：张毅    

     在确定节点的确定电压水平下，通过计算电流限额来给出容量限额，为调度决策提供通道断面容量变化的大小。具体方法是通过监测量，对单台设备计算电流限额，并根据“木桶原理”，给出负荷通道的电流限额，进而得到通道的容量限额。风险指数的计算为调度决策提供通道负荷水平提高后的风险。

    在完成输电通道综合状态评估后，将其中的风险等级量化成相应的约束条件，并通过输电断面容量提升的目标值，构建目标函数，考虑各通道负载率等因素，给出优化计算模型的初值条件．最终通过优化计算的相关迭代方法，给出一个断面下每个负荷通道的容量分配方案。基于容量裕量限额和风险指数约束进行增容调度容量分配的优化计算，可以在尽可能兼顾安全性与经济性的基础上，为输电断面动态增容调度分配提供支撑。

1  输送容量确定

    本方案中负荷通道输送容量限额评估以三大主要定容设备——输电线路、变压器和开关类设备为主，主要采用各种以热传递、热平衡模型为核心的评估方法。

1.1  输电线路容量裕量限额

    常见的输电线路动态增容技术有：基于气候监测、基于直接温度测量、基于直接弧垂测量以及基于张力测量的动态增容技术。本方案采用基于直接温度测量的动态增容技术。

1.2  变压器容量裕量限额

    变压器运行时，铁芯、绕组和金属结构件产生的损耗转化为热量发散到周围介质中．引起变压器温度升高。随着绕组及铁芯温度的升高．与周围的变压器油产生温度差，一部分热量传给变压器油．使油温升高。变压器油通过散热器将热量传递给外部冷却介质（空气）。通过得到绕组实际的热点温度极限以及当前的环境温度，即可反推出当前情况下可加载的最大的负荷电流，从而计算出变压器的容量限额以及增容空间。

1.3开关容量裕量限额

    根据IEC标准的定义，开关设备的额定电流是在规定的使用和性能条件下，能够持续通过的电流的有效值。其限值条件是设备不超过设计所允许的最高运行温度。在低于最大允许运行温度时，设备的老化、绝缘、寿命等不受任何影响；相反．实际运行条件在绝大多数时间内均好于额定运行条件（环境温度低于40℃，运行电流低于额定电流），因此，环境温度低于40℃时，开关设备可获得一定不影响设备寿命的过载能力旧。

1.4  电流互感器、阻波器的输送容量限额

    电流互感器高压侧通常采用单匝短粗线圈，线圈电阻很小，一般不容易出现长时间过负荷导致发热的问题，因此国内外学术文献中基本未见电流互感器负荷和温度之间关联性分析的相关内容。与电流互感器类似，阻波器基本上也不存在过负荷发热的问题。此外，电流过大可能导致互感器铁芯磁通饱和，影响测量准确度。参照GB1208-2006《电流互感器》，要求电流互感器在额定电流1.2倍条件下精度不下降．而系统实际电流与额定电流之间还有一定余量，即使加上超限运行容量往往也不会达到额定电流的1.2倍。

2多元风险评估

2.1  设备健康风险评估

    设备健康风险评估主要采用各种可用的设备状态监测数据记录予以评估，主要采用打分制和加权综合的方法。对各通流设备进行基于打分制的设备健康水平综合评估后，得到设备健康风险评估的风险指数，通过红、黄、绿三色灯来进行表征。其中，严重状态为红灯，异常和注意状态为黄灯，正常状态为绿灯。红色代表不可进行通道容量提升：黄色代表增容工作可谨慎开展；绿色代表设备健康水平不会制约增容工作。

    如表1所示．对于一个断面下第i条负荷通道的第j个通流设备，设备风险环节得分（扣分）为Aij,设备风险等级为红灯的分数阈值为m，即扣分高于m时，设备风险环节亮红灯；设备风险等级为绿灯的分数阈值为n．即扣分低于n时，设备风险环节亮绿灯：而低于m分但高于n分，设备风险环节亮黄灯。例如，对油浸式变压器来说，m=72, n=24,因此，对扣分高于72分的油浸式变压器来说，其健康风险为红灯，不高于24分的为绿灯，其他情况则为黄灯。

2.2环境气象风险评估

    环境气象风险评估重点关注恶劣环境气象条件给负荷通道设备带来的风险，包括雷暴、台风、山火、覆冰等，所依据的参数既包括输电线路杆塔上安装的微气象、风偏／振动／舞动、污秽、覆冰、杆塔倾斜、图像／视频等在线监测装置获取的监测数据，也包括外部气象预报信息

    根据落雷密度、雷电流幅值以及输电杆塔的具体结构参数分析，可以得到线路的雷击跳闸率。通过风速、风向等气象参数，结合弧垂等线路参数进行导线风偏／舞动分析。山火路径分析是通过对山火路径的判断，解决山火会不会向输送通道烧来，或者多长时间才会烧至负荷通道等间题

    环境气象风险评估亦通过红、黄、绿三色灯来进行表征。当该设备所在区域出现较为恶劣的天气灾害，如台风、黄色以上预警的暴雨、对负荷通道有威胁的山火等，气象风险为红灯；一般不对电力系统造成威胁的天气情况下，气象风险为绿灯：其余情况为黄灯。

2.3  系统异常风险评估

    系统异常风险评估环节重点考察系统发生短路电流故障时，设备的承受能力，应该考虑负荷通道内所有通流设备的承受能力。对于断路器容量，一般大于输电线路，因此，开关容量在实际运行中通常作为校核短路电流故障断路器是否超过断路器开断能为使用。

    系统异常风险评估亦通过红、黄、绿三色灯来进行表征。对于一个断面下第i条负荷通道的第j个设备，当计算表明该设备不能承受增容后的系统异常情况（主要指短路电流）时，设定为红灯．代表不能进行增容工作：否则，设定为绿灯．

3考虑多元风险的输电断面动态增容调度模型

3.1  优化计算模型

    根据导线温度、弧垂等参量的检测于计算分析，考虑线路上通流设备（主要为变压器、输电线路、开关等）的串联关系，确定负荷通道内每条输电线路在某一时刻的输送容量限额，再依据整个通道整体的增容目标．通过考虑多元风险的输电断面动态增容调度方法模型，计算出整个负荷通道所有线路的增容限额分配调度方案，使整个负荷通道的经济性和安全性达到平衡。对于考虑多元风险的输电断面动态增容调度方法，具体的建模过程如下。

    一个输电断面内有Ⅳ条输电负荷通道，第i条负荷通道的最大增容限额为ΔXinmx，定义第i条负荷通道实际的增容系数为ki，其中i=1,2…，N。因此，断面增容总量△y为

    对于输电断面内第i条负荷通道，定义考虑设备风险的增容系数上限为ai，考虑环境气象风险的增容系数上限为bi，考虑系统异常风险的增容系数上限为ci。因此，对于式(1)所示的方程转化为利用线性规划求解方程的最小二乘解的问题。该优化问题的模型可表示为

3.2  单个设备风险约束条件

    对于一个断面下第i条负荷通道的第j个设备，设备健康风险、环境气象风险、系统异常风险的具体约束建模方法如表2所示。

    上述黄灯情况下的约束值aij的计算参数来源于表1；约束值bij是根据该输电通道实际运行经验和历史记录，计算得到的特定气候情况与该线路发生缺陷、故障的相关性系数，满足bij∈[0，1]。

3.3负荷通道风险约束条件

    对于一个断面下第i条负荷通道，设该负荷通道共有z个输变电主设备，对于该负荷通道设备健康总风险ai，应取各设备中约束最强的作为该通道的设备健康风险约束，即a= min(ai1，ai2,…，aiz)；对于该负荷通道环境气象总风险bi，应取各设备中约束最强的作为该通道的环境气象风险约束，即bi=min(bi1，bi2，…，biz)；对于该负荷通道系统异常总风险ci，应取各设备中约束最强的作为该通道的通流设备健康风险约束，即Ci=min(ci1，ci2，…，Ciz)。

3.4优化初始条件

    对于考虑多元风险的输电断面动态增容调度模型，初值的给定尤为关键。考虑到各条线路增容负荷率的平衡，应通过式(3)给出。

    本模型采用序列二次规划法( sequential quadratic programming，SQP)求解。SQP方法的基本思想为：在某个近似解处将原非线性规划问题简化为处理一个二次规划问题，求取最优解，如果有，则认为是原非线性规划问题的最优解；否则．用近似解代替构成一个新的二次规划问题，继续迭代。通过对如上所述的方法描述，其计算给出的优化结果．即为基于输变电设备状态多维度综合评估的电网动态增容决策方法的结果。

4应用实例

    本实例基于云广断面内500 kV马百线、罗百I线和Ⅱ线，其中具体示例主要基于500 kV马百线，包括马窝换流站、百色变电站以及连接2个变电站的500 kV输电线路．应用时间为2014 -11-11T12:00-21:00，评估间隔为30 min。

4.1  容量限额评估

    500 kV线路马百线广西段，额定输送容量为700 MW，所用导线为4xLGJ -400/50,最高允许导线温升为70℃。在评估时限内，该通道所属关键设备的最低容量限额评估结果如图1所示。其中，杆塔线路为马百线190号杆塔监测点．在当天上午12:00时的温度23.1℃，日照强度685 W/m2,每相输送电流是612.2 A，导线温度为54.0 ℃。变压器为百色站SIB主变压器，高压侧额定电流为824.8 A，冷却方式为ODAF。断路器为百色站5041断路器，型号为HPL55082,高压侧额定电流为4 000 A。百色站当天上午12:00时的环境温度为24.7 ℃。

    在后续优化分析算例中，选取12:00时输送容量限额为增容容量分配决策的输送容量裕量。此时，马百输电通道输送电流为612.2 A,容量限额评估值853.40 A，相应的可提升容量裕量为853.4-612.2=241.2 A,即208.9 MW。类似地，可以得到罗百I线和罗百Ⅱ线所能够提升的容量限额分别为168.2 MW、181.7 MW。

4.2  风险评估约束

    对于多元风险评估环节，整个马百输电通道中．百色站500 kV 1号主变压器A相（扣分为48分）以及百色站5041断路器C相（扣分42分）是风险等级最高的设备，均为黄灯警报等级。百色站500 kV SIB主变压器A相的约束取值为a11=0.5，百色站5041断路器C相的约束取值为a12=0.55；马百负荷通道的设备健康风险约束为ai=0.5。

    在评估时段内，由于百色变电站所在区域有蓝色暴雨预警，由环境气象风险定级可知马百线的环境气象风险等级为黄灯，根据历史数据相关性分析，约束取b1=0.85。

    在评估时段内，预期三相短路电流由调度人员在使用过程中进行设置，该预期短路电流为16.1 kA,杆塔／输电线路运行几乎不受短时短路电流的影响．且该短路电流远低于所有断路器的额定短路开断电流和其他主设备的短时短路电流承受能力。因此，马百线在评估时段内异常风险为绿灯，约束取c1=1。综合马百输电通道在评估时段内的设备健康风险、环境气象风险、系统异常风险的约束条件，马百输电通道综合的容量分配约束取上述最强约束条件为0.5。类似地，可以得到罗百I线与罗百Ⅱ线的风险约束条件分别为a2=0.61和a3=0.74。

4.3动态增容优化分配

    将上述的容量限额及风险约束代人式(2)所述的优化模型，经过优化计算，可以得到云广断面本次动态增容优化决策的结果，如表3所示

5结语

本文提出一种考虑电网多元风险的输电断面动态增容调度分配方案的优化模型。该模型考虑了电网面临的多元风险约束，包括设备健康风险、气象风险和系统异常风险。其中，断面内通道的容量限额是通过三大定容设备——变压器、断路器以及输电线路的动态增容计算模型得到的，并通过应用实例证明了本方案的可行性和实用性。目前．本系统已在南方电网超高压输电公司的应用．并通过融入其运维一体化平台下的“大电网负荷通道状态综合评估及辅助调度子系统”得到了进一步的检验。在未来的丁作中，还将对各多元风险的约束量化工作，展开进一步的研究。

6摘要：针对目前电网输电断面增容容量分配决策的相关问题，提出一种考虑电网多元风险的输电断面动态增容调度分配方案优化模型。该模型考虑了电网面临的多元风险约束，包括设备健康风险、气象风险和系统异常风险．其中，断面内通道的容量裕量限额是通过三大定容设备——变压器、断路器以及输电线路的动态增容计算模型得到的。所提出的考虑电网多元风险的输电断面动态增容调度分配方案，可以较好地平衡大电网电能输送中的经济性和安全性问题，为解决输电断面内动态增容分配提出了一个新的解决思路和技术方案。