南方电网“西电东送”通道损耗特性及影响因素

周岩，程改红，胡蓉，燕京，朱庆春

(1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，广东 广州 510620；2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

南方电网“西电东送”工程历经二十多年的跨省区输电大发展，已形成“八交十直”及一个背靠背换流站的“西电东送”主网架，输电能力超过47.5 GW，“西电东送”累计电量达1.91012kWh左右，为落实西部大开发战略，实现东西部省区协调发展、互利共赢做出了重要贡献。

另一方面，由于“西电东送”输电距离远、功率大，“西电东送”通道的输电损耗不容忽视。如2018年南方电网“西电东送”通道的总损耗电量约1.141010kWh，基本相当于贵广直流工程一年的送电量水平，对电网的经济运行具有重要影响。关于南方电网“西电东送”通道损耗的计算及控制措施已有诸多研究：文献[1-2]对交流和直流混联输电网的网损优化数学模型进行了研究，并利用电力系统分析软件对功率调整的灵敏度及梯度向量等进行迭代计算并得到最优解；文献[3]提出了简化交流潮流模型用于求解远距离交直流并联输电通道联络线功率优化分配模型；文献[4]基于线性规划方法对南方电网交直流输电优化的数学模型进行求解；文献[5]采用序列二次规划法对“西电东送”通道最小损耗模型进行求解；文献[6-7]主要针对早期“西电东送”通道规模较小情况开展了交直流通道送电功率的优化；文献[8]对2012年南方电网“西电东送”通道线损率进行分析，并测算了2013年“西电东送”通道线损率；文献[9-12]对多端直流输电系统的降损措施进行了研究；文献[13]基于对直流输电工程线损预测与实际偏差分析，提出了现有直流工程电能损耗计算的改进方法；针对多端柔性直流系统，文献[14]提出了一种包括损耗在内的多目标潮流优化模型。

截至目前，相关研究尚未对南方电网“西电东送”通道的损耗特性形成系统化认识，影响了降损工作的高效实施。南方电网作为世界上最为复杂的交直流大电网系统，其“西电东送”通道的损耗特性在国内外均未见到相关报道。为进一步提升线损精益化管理水平，深入挖掘电网节能潜力，本文从时间、构成等维度全面分析南方电网“西电东送”通道损耗特性，通过关键影响因素的辨识确定降损工作重点。

1 南方电网“西电东送”发展历程

1.1 “西电东送”交易规模及构成

南方电网“西电东送”战略实施以来，送电规模实现了跨越式大发展。不计三广直流通道送电量，2005年“西电东送”电量约3.581010kWh，2017年、2018年增长至1.91011kWh左右。同时，南方电网“西电东送”交易包括云南送电广东、贵州送电广东、云南送电广西、龙滩和天生桥送电广东等构成，不同阶段的交易构成也在逐渐发生变化。

2005年以来南方电网“西电东送”交易构成变化趋势如图1所示。可以看出：

a)送电距离最远的云南—广东送电规模在2010年后大幅增加，2015年及以后逐年送电量占南方电网“西电东送”总电量的50%以上，成为“西电东送”的重要组成部分；

b)贵州—广东年送电量在2010年后变化不大，但其占比逐步下降，由“十一五”期间的40%左右下降至20%左右；

c)龙滩、天生桥送电广东年电量增幅不明显，占比由2005年的20%下降至2018年的10%以下；

d)送电距离较近的龙滩、天生桥送电广西及其他交易方式年送电量增加均不明显，占比由最高23%逐步下降至10%左右；

e)2013年以来云南—广西送电规模逐年增加，2018年送电量占比提升至7%左右。

图1 南方电网“西电东送”交易构成的变化趋势

1.2 “西电东送”电网发展

南方电网“西电东送”输电通道建设于1993年起步。在发展初期，各省区主要通过500 kV交流线路联网。随着各省500 kV交流电网的增强和系统规模的增大，直流线路以输送容量大、距离远等优点，于“十一五”后期开始加速发展，逐步形成目前“八交十直”和一个背靠背换流站的“西电东送”主网架。

南方电网“西电东送”输电通道的建设历程见表1。

2 南方电网“西电东送”通道损耗的变化趋势

2.1 直流输电通道线损率

根据电网运行统计，2003—2018年南方电网“西电东送”直流通道年送电量及线损率变化趋势见图2。

2003年以来，南方电网“西电东送”直流通道送电量呈大幅增长，直流通道线损率在4.8%～6.9%范围内波动。由图2可以看出，在直流工程的投运年份，受单极调试等不正常运行方式的影响，直流通道线损率均有不同程度上浮。其中以兴安直流投运的2007年、楚穗直流投运的2009年线损率最高，近6.9%。受楚穗直流恢复正常运行及送电量减少双重因素影响，2011年线损率最低，约4.8%。随着2012年送电量的逐步增加，线损率呈上升趋势。2013年、2014年牛从直流和普侨直流工程投运期间，直流输电通道线损率居高不下，2016年逐步回落，2017年下降到5.4%左右。2018年，受滇西北直流工程投运初期的影响，直流输电通道的线损率有所上扬。

图2 南方电网“西电东送”直流通道年送电量及线损率的变化趋势

表1 南方电网“西电东送”通道的建设历程

2.2 交流输电通道线损率

根据电网运行统计，2003—2018年南方电网“西电东送”交流通道年送电量及线损率变化趋势如图3所示。与直流输电通道相比，交流通道线损率相对较低，在3.8%～5%范围内波动。同时，自“十一五”后期，交流通道送电量未有大幅增长，基本维持在5.01010kWh左右。

2.3 南方电网“西电东送”通道整体线损率

2003—2018年南方电网“西电东送”通道整体线损率变化趋势如图4所示。可以看出，南方电网“西电东送”通道整体线损率水平介于直流通道和交流通道之间，为4.3%～6.0%。同时，在电网发展的不同阶段，交流通道和直流通道对南方电网“西电东送”通道整体线损率的影响呈现出不同特点。

图3 南方电网“西电东送”交流通道年送电量及线损率的变化趋势

a)2005年以前，由于“西电东送”以交流送电为主，南方电网“西电东送”通道整体线损率与交流通道线损率更为靠近，即受交流通道线损特性的影响更大。

b)2005—2012年，直流通道年送电量逐渐增加，达到和交流通道基本相当的水平，该阶段南方电网 “西电东送”通道的整体线损率基本介于直流通道和交流通道线损率的正中间位置，说明交流通道和直流通道线损特性的影响势均力敌。

c)2012年开始，直流输电规模开始大幅增长，年送电量大幅高于交流输电，南方电网“西电东送”通道的整体线损率变化趋势和直流通道的线损率更为靠近，特别是2017年、2018年直流通道的线损率基本逼近南方电网“西电东送”通道整体线损率，该阶段交流通道线损率的影响明显减弱，直流通道的线损率基本起到了主导作用。

图4 南方电网“西电东送”通道整体线损率的变化趋势

3 南方电网“西电东送”通道损耗特性分析

3.1 直流输电通道损耗特性逐步占据主导

从南方电网“西电东送”不同发展阶段看，随着“十二五”后期直流输电规模的大幅增长，直流通道的输电损耗也相应增加。对2003—2018年南方电网“西电东送”直流通道和交流通道的损耗电量分别进行统计对比，结果如图5所示。可以看出，直流通道损耗电量在整个南方电网“西电东送”通道损耗电量的占比逐年加大，由2003年的36%增长至最高79%左右，而交流通道损耗电量占比由2003年的64%下降至近年的22%～24%；因此，直流输电规模的增长，使得直流通道的损耗特性在整个南方电网“西电东送”通道损耗特性中逐步占据主导，交流通道损耗特性影响作用明显减弱。

图5 南方电网“西电东送”交流通道与直流通道损耗电量占比

3.2 云电外送对损耗特性影响日益加大

在计算时段t∈[0,T]内，输电通道输送功率为P(t)、损耗功率为ΔP(t)时，考虑到线路电阻R基本不变，则总送电量A和电量损耗ΔA分别表示为：

(1)

(2)

式中：U为通道电压水平；φ为功率因数角。

对于直流输电通道，功率因数为1；对于超高压交流输电线路，按照无功分层分区平衡原则，线路上无功流动小，功率因数一般稳定在0.98～1.0之间，变化范围很小。此外，电网运行过程中对母线电压偏差有明确规定，为简化起见，考虑系统电压水平也基本不变，式(2)可近似表示为

(3)

由式(3)可见，随着输电通道年送电量A的增加，相应的损耗电量ΔA也将上升。

从南方电网“西电东送”交易构成发展趋势看，由于“十三五”及以后云南送电广东的交易规模占比最大(超过50%)，云南送电广东的交易对南方电网“西电东送”通道损耗特性的影响相对最大。

3.3 云电外送直流通道对损耗特性影响明显

随着“十一五”后期云南送电广东输电规模的大幅增加，新增输电通道以直流输电为主，在交流通道年送电量水平增幅不大的情况下，“十二五”中后期直流通道年送电量开始大幅超过交流通道，如图6所示。可见，由于送电规模占比最大的云电送出以直流输电为主，结合直流通道线损特性及云南送电广东交易对南方电网“西电东送”通道整体损耗特性的影响，可进一步推断出云南送电广东直流输电通道是整个南方电网“西电东送”通道线损特性的关键影响因素。

图6 云南送电广东交流、直流通道年送电量

不同送电主体直流通道线损率与南方电网“西电东送”通道整体线损率变化趋势如图7所示。可以看出，2016年及以后云南送电广东直流通道的线损率变化趋势几乎和整个南方电网“西电东送”通道的线损率完全重叠，进一步证实了云南送电广东直流通道损耗特性在整个南方电网“西电东送”通道损耗特性中的决定性作用。

图7 不同送电主体直流通道线损率与南方电网“西电东送”通道线损率变化趋势比较

4 南方电网“西电东送”通道损耗影响因素及降损工作重点

4.1 相关影响因素

4.1.1 南方电网“西电东送”交易构成

由于南方电网“西电东送”不同交易构成的送电量、输电方式、送电距离等的不同，线损率存在不同特点，从而对南方电网“西电东送”整体线损率的影响各不相同。

南方电网“西电东送”交易构成中，以云南送电广东输电距离最远，主要以直流输电为主；贵州送电广东输电距离在1 000 km左右，2004年以来通过交直流并列通道实施送电，且直流通道送电量占比也相对较大，如图8所示；龙滩、天生桥电站以及广西送电广东距离相对较近，直流通道年送电量与交流通道基本相当，如图9所示。

图8 贵州送电广东交流、直流通道年送电量

图9 龙滩、天生桥送电广东交流、直流通道年送电量

总体来看，目前云南送电广东的送电规模最大，且送电距离最远，对南方电网“西电东送”通道损耗特性的影响相对最大。

4.1.2 南方电网“西电东送”交易规模影响

理论分析表明，随着年送电量的增加，损耗电量和线损率也会相应上升。图10为2017年普侨直流工程逐月损耗电量与送电量的关系曲线。可以看出，逐月损耗电量与送电量的走势完全一致，月送电量越大，该月的损耗电量也相应越大。

图10 2017年普侨直流工程逐月损耗电量与送电量关系

4.1.3 南方电网“西电东送”通道构成影响

南方电网作为典型的长距离、大容量交直流混合输电系统，其“西电东送”线损率受交流通道和直流通道的综合影响。受输电距离、送电量等因素影响，直流输电通道线损率普遍高于交流输电通道，且“十二五”以来逐步在南方电网“西电东送”通道线损特性中占据主导作用。

从图7所示不同送电主体直流通道的线损率统计情况看，尽管云南送电广东直流工程的年送电量要大幅高于贵广、天广直流通道，且送电距离相对最远，但因电压等级高、导线电流密度低，总体线损率仍要低于其他直流通道。

4.1.4 电网运行方式影响

电网运行过程中采取的送电曲线、直流系统运行方式、交流和直流通道送电功率的分配、电压运行水平等对输电损耗均有影响。

送电量相同的情况下，送电曲线越平缓，通道的线损率越低，反之越高；直流系统因设备故障等原因出现单极金属回线或降压运行时，线损将大幅增加；交流通道与直流通道、不同直流通道的线损特性有较大差异，不同输电通道的功率分配方式也会影响通道整体损耗；输电线路的电能损耗与电压的平方基本成反比关系，电压水平较低时将一定程度上增加电网输电损耗。

4.2 关键影响因素分析

南方电网“西电东送”通道损耗特性复杂，采用成功关键分析法对其关键要点(key performance indicator，KPI)进行分析，以确定主要影响因素和电网降损措施的工作重点。

通过鱼骨图分析南方电网“西电东送”通道损耗特性的关键因素，结果如图11所示。对各类影响因素进行分析：

a)南方电网“西电东送”交易规模和交易构成主要由送、受端电力供需平衡情况以及“西电东送”电网发展需要决定，不应为降低输电损耗进行调整，从而不应是影响南方电网“西电东送”通道损耗的关键因素。

b)送电曲线、直流系统运行方式、输电通道功率分配、电压运行水平等的优化调整对电网输电损耗的措施有明显作用，是运行环节电网损耗特性的关键影响因素。

c)输电通道构成影响因素中，由图2、图3及图5可见，近年来直流输电通道年送电量大幅高于交流通道，送电量规模超出南方电网“西电东送”总电量的72%，且直流通道输电距离远、线损率相对较高，其损耗电量占到整个南方电网“西电东送”通道损耗电量的76%～79%，已经成为南方电网“西电东送”通道整体损耗的主导性因素。同时，根据南方电网“西电东送”发展技术路线，未来“西电东送”电网建设将以直流输电通道为主，交流通道不再进一步加强[15-20]，因此今后直流输电通道线损率的控制应是重点。

综合各类影响因素的相关性、可操作性等原则，除了运行管理环节的运行方式以外，直流通道的线损特性应是整个南方电网“西电东送”通道损耗的关键影响因素。

4.3 降损工作重点

根据南方电网“西电东送”通道损耗特性分析结论，结合南方电网“西电东送”发展技术路线，今后的降损工作重点应是：

a)在运行管理环节，加强已建成交流、直流输电通道的输电损耗控制。例如：尽可能减少直流单极和降压运行等运行方式；送电曲线尽可能平缓；合理安排各输电通道的送电功率分配。

b)在规划或工程前期研究阶段，优化选取直流工程的电压等级和直流线路导线截面等关键技术指标，促进电网节能降损。

图11 南方电网“西电东送”通道损耗特性关键影响因素分析

5 结束语

南方电网“西电东送”战略实施以来，送电规模、交易主体、通道建设等发生了巨大变化，“西电东送”主网架的损耗特性也相应发生变化。随着“十二五”后期直流输电规模的大幅增长，直流输电通道逐步主导南方电网“西电东送”通道的整体损耗特性，其中以云南送电广东直流通道的影响作用最大。

通过多年运行经验积累，南方电网“西电东送”通道的降损潜力已基本得到充分挖掘，结合关键影响因素分析和“西电东送”电网发展技术路线，今后应特别注重规划或工程前期研究阶段对直流工程关键技术指标的优化选取。