特高压交流电力线路仿真模型的创建

王语园 惠亮亮 王江彬

摘   要：特高压电力线路运行特性不同于一般高压电力线路，进行特高压交流电力线路特性研究需要创建电力线路仿真模型。文章以均匀传输线理论为基础，对特高压电力线路4个参数进行分析，得出特高压交流电力线路单位长度电导G0表达式，推导得出特高压交流电力线路考虑分布参数特性的数学模型，并在Matlab仿真软件平台创建仿真模型，为特高压长距离电力线路运行特性研究奠定基础。

关键词：特高压;交流输电;参数计算;仿真模型

特高压电力线路可以有效提高输电能力，实现远距离大功率输电，同时可以实现电力系统互联。特高压电力线路和一般高压电力线路不同，深入研究特高压电力线路运行时状态，可以为特高壓电力线路设计建设及运行检修提供理论基础。而研究特高压交流电力线路运行状态首先需要建立特高压交流电力线路仿真模型。

1    电路模型参数计算

特高压交流输电线路电阻R0、电纳B0、电抗XL0等参数，刘振亚等[1-2]进行计算，计算方法成熟。在电压等级不高的高压、超高压电力线路中忽略电晕现象对分析讨论影响不大，然而在特高压电力线路中电晕现象影响较大不能忽略。推导单位长度特高压电力线路分裂输电线电导G0，电晕现象引起的损耗是一定要考虑的因素。目前电晕现象引起的损耗计算还不成熟，以下采用实验数值法进行计算，得出G0的表达式。推导过程如下：

（1）由陈维贤[2]的研究可知导线表面最大场强Em为：

（1）

Q=U/l （2）

式中，Qi为等效输电线所带电荷;N为分裂导线数;R为分裂圆半径;r'为分裂导线半径;r为电线半径;ε0为介电常数;Q为列向量，是电力线路上各导线的等效电荷;U为列向量，是电力线路对地电压;l为n阶矩阵。

（2）电晕损耗计算。由杜斌祥等[3-5]可知单位长度特高压电力线路电晕现象引起的损耗计算式子如下：

（3）

式中，Pf是天气晴朗时电力线路单位长度电晕损耗;Pr是下雨及大雾天气时电力线路单位长度电晕损耗;Req是电力线路等效半径;Ps为下雪天气时单位长度电力线路电晕损耗。

（3）特高压交流输电线路单位长度电导G0。考虑特高压交流输电线路运行环境，主要是晴天、下雨、下雪天气平均比例，可以得到一年中线路运行平均电晕损耗ΔPc，进而可以得出分裂导线单位长度电导G0：

（4）

（5）

式中，U为线电压，ΔPc为平均电晕损耗值，n1为当地晴天的平均天数，n2为当地雨天及雾天平均天数，n3为当地雪天平均天数。

2    特高压交流输电线路单位长度电路模型

交流输电线路通常采用三相对称布置的输电方式，为分析特高压交流输电线路运行特性，将三相交流线路等效为单相电路来考虑。

通过分析可以得出等值电路对应的方程，如式（6）所示，是分析特高压交流输电线路运行时沿线路电流、电压分布参数特性的依据：

（6）

3    输电线路仿真模型的建立

3.1  输电线路等效模型的参数

特高压交流输电线路等效模型如图1所示。特高压交流输电线路首端电压电流为·U1，·I1，末端为·U2，·I2，输电线路导线电阻为R，电导为G，电抗为XL，电纳为B，阻抗为Z，Z=R+jXL，导纳为Y，Y=G+jB。

特性阻抗为：

（7）

通过计算推导可知特高压交流输电线路等效模型参数计算式子如下：

（8）

3.2  输电线路仿真模型建立

仿真模型利用Matlab/ SimPower Systems平台建立，特高压交流电力线路仿真模型参数以式（6）为基础，结合式（8）来编写仿真平台M文件程序。然后将生成的特高压交流电力线路仿真模块进行封装，封装好的仿真模块符合输电线路运行实际，使用和Matlab仿真模块中自带封装模块相同，在用户使用时直接调用即可。为便于使用，针对创建的特高压交流电力线路仿真模块建立对话窗，使用者可以通过对话窗输入实际导线各种参数，对不同的电力输电线路只需修改参数即可，不再需要修改原程序，方便运行线路特性分析。完成封装的特高压交流电力线路仿真模型如图2所示。

针对图2仿真模型建立特高压交流输电线路仿真模型对话窗口。在开展实际电力线路运行状态分析时，鼠标左键双击模块，对话框就会自动弹出，根据分析的电力线路实际参数输入到对应的对话窗中即可。需要输入的参数有频率f，单位长度输电线路的电容C0、电阻R0、电导G0、电感L0，输电线路长度l。

4    结语

以均匀传输线理论为依据，创建了特高压电力线路涉及分布参数影响的数学模型，对分布参数进行分析，推导得出电力线路单位长度电导G0表达式，进而得出电力线路详细考虑分布参数影响的数学模型，并在Matlab软件平台建立了仿真模型，并对仿真模型设置了对话窗。此仿真模型可以便于特高压交流电力线路运行状态分析计算，为进一步研究奠定了基础。

[参考文献]

[1]刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2005.

[2]陈维贤，陈禾.并联电抗器的可控调节[J].高电压技术，2000（5）：11-15.

[3]杜斌祥，张友鹏，田铭兴，等.特高压可控并联电抗器补偿度的研究[J].高压电器，2010（11）：5-8.

[4]王田戈，田铭兴，龚岩.变压器式可控电抗器的损耗与温升计算[J].电力电容器与无功补偿，2018（2）：64-71.

[5]柳轶彬.变压器式可控电抗器的调节模式及其控制策略研究[D].兰州：兰州交通大学，2015.

Establishment of simulation model for UHV AC transmission line

Wang Yuyuan1， Hui Liangliang1， Wang Jiangbin2

（1.Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China; 2.Xian Jiaotong University， Xian 710049， China）

Abstract：The operation characteristics of UHV transmission lines are different from those of ordinary high-voltage lines. The simulation model of UHV AC transmission lines is established to study the characteristics of UHV AC transmission lines. This paper based on the theory of uniform transmission line， this paper analyzes four parameters of UHV transmission line， obtains the expression of unit length conductivity of UHV AC transmission line， deduces the mathematical model of UHV AC transmission line considering the characteristics of distribution parameters， and establishes the simulation model in Matlab simulation platform， which lays the foundation for the study of UHV AC transmission line operation characteristics.

Key words：ultra-high voltage; AC transmission; parameter calculation; simulation model