自然环境灾害下配网覆冰输电线路模拟系统研究

闫佳文，黄帮局，刘 哲，邹 园，吴 强

(1.国网河北省电力有限公司 培训中心，河北 石家庄 050000；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192)

随着社会经济的迅猛发展，各个领域对于电力的需求量持续增加[1-2]。现阶段，我国大部分城市中的配网仍然处于发展阶段，需要从区域电网向全国互联电网的过程进行过渡[3]。在大功率远距离电力传输过程中，高压直流输电是整个输电系统的核心部分，大型互联电网的组成以及电网骨干网架的形成全部离不开它，同时其也是整个区域电网进行相互连接的重要纽带。然而，受自然环境灾害的影响，在寒凉条件下，配网线路易遭遇覆冰灾害，被冰包住的线路的机械荷载会随着覆冰量的增加而增大，且线路覆冰后因受风面积加大而增加了风压。当冰、风综合荷载超过线路强度的限值后，会造成线路损坏，从而影响配网的稳定及安全。因此，对配网覆冰输电线路进行有效模拟，有利于实施线路状态监测、保障配电系统的安全。为此，针对自然环境灾害下配网覆冰输电线路模拟系统进行设计，并通过仿真实验结果全面验证了该系统的有效性以及实用性。

1 理论分析

线路覆冰主要根据天气及环境条件决定，受到环境温湿度、风力、空气温度的影响。当环境温度低于0 ℃时，空气中的水分会因冷却而在配网线路表面碰撞并凝结为固态，从而产生覆冰。线路覆冰场景如图1所示。

图1 配网覆冰场景Fig.1 Map of Ice Scene

1.1 覆冰分类

配网输电线路覆冰多在冬季和初春季节发生，按照覆冰形成条件，可将配网覆冰分为以下4种类型。

(1)混合凇覆冰。当环境温度低于0 ℃且风力较大时，易形成混合淞覆冰。混合淞覆冰密度大、覆盖力强，且扩展速度快，对配网线路危害较大。

(2)雨凇覆冰。混合淞多产生于低海拔地区。当环境温度接近于0 ℃且风力偏大时，易形成雨凇覆冰。混合淞覆冰存在时间偏短，但覆盖力强。

(3)软雾凇覆冰。当环境温度非常低且风力较小时，易形成软雾凇覆冰。软雾凇覆冰密度较小，因此覆盖力较弱。一般情况下，软雾凇覆冰的结冰方式是单向的，且分布较为平均，因此对配网线路的损害也相对较低。

(4)白霜覆冰。当环境温度较低且空气湿度较大时，空气中的水分与配网线路接触时，极易在配网线路表面凝结，从而形成白霜覆冰。白霜覆冰覆盖力较弱，且极易从线路上脱落。因此，白霜覆冰对配网线路的危害最小。

1.2 覆冰影响因素

除了环境温度和湿度这两个主要的影响因素外，风力也是一个主要因素。较大的风力可将冷却水输向配网输电线路，使其附着于导线上而形成覆冰。除了风力因素外，输电线路走向和高度以及线路本身的粗细也影响覆冰的生成结果。线路高度越高、直径越大，覆冰情况越严重。且呈东西走向的线路覆冰也较为严重。

1.3 覆冰危害

当配网输电线路中出现覆冰现象时，易造成线路断线、输电塔倒杆的现象，这主要是因覆冰导致输电塔两侧的张力不均衡，当一端张力超过限值后，将造成输电塔倒杆。与此同时，覆冰情况越严重，配网线路电压分布的畸变就越大，高压引线端绝缘子承受的电压将明显增大，极易造成冰闪事故。

2 系统设计

2.1 总体设计

主站功能开发总体目标该系统主站主要实现如下功能：

(1)实时收集和显示数据。对配电网负荷电流进行实时监测，实现负荷电流对地基准、对地绝缘数据的实时采集与显示，对电缆线路实现电缆端部温度数据的实时采集与显示，并以可视化的方式展示整个地区配电网的设备维护、配电网维护及故障判断等提供直观的观测手段，有效地缩小了电缆端部温度数据的范围，为事故分析与故障定位提供了有效的依据。

(2)实时数据分析和发现故障。通过设置上界和下界，对系统采集的数据进行实时分析，判断故障、发现故障、自动记录故障信息。为了提高故障信息系统信息的准确性和及时性，提升调度人员驾驭电网的能力，需要有效地处理上送信息，引入电网拓扑功能，在发生故障时，可以显示出影响系统运行的拓扑图，为故障分析和故障定位提供了有效的手段。

(3)失灵短信报警。除了系统自动报警外，还应增加故障报警方式，通过短信及时报警，使专业维修人员能及时得知故障信息，从而有效缩短抢修时间，提高配电网运行的可靠性。

(4)显示配变用户信息。在出现故障时，可以有效地统计影响的用户、用户数和分布情况。对断电影响进行统计分析，当出现断电时，将断电的两个开关放置，系统自动将断电两个开关区之间的用户信息显示出来。

(5)历史故障统计。通过对不同时段变电所、配电网线路、采集设备下故障的直观描述，绘制柱状图，为分析故障源、频率提供了有效的方法。

(6)北斗卫星系统的校验功能。为了系统的安全和符合国家政策要求，该系统采用北斗卫星定位系统进行时钟校验和对时。

(7)无线联机监测设备。具有“二遥”功能的无线配网在线监测装置：遥测线路正常负荷电流和故障突变电流；遥信线安装点故障信号和开关状态量；同时还具有遥控感应装置。

2.2 硬件设计

配网覆冰输电线路模拟系统需全面模拟电网中交流场、直流场、启动电阻等设备，结合实际情况对线路中的不同设备的运行状态进行有效分析。在设计时，主要利用背靠背原则，不同站之间主要通过阻抗就进行连接，根据系统中阻抗的具体变化情况反映线路电流的变化情况[4-5]。其中，整流站以及逆变站的有功功率之差代表2个站在运行过程中产生的损耗，同时2个站的无功功率在运行的过程中能够实时进行调整。结合以上分析，组建覆冰状态下输电线路动态模型，通过该模型准确描述输电线路中各设备的重要特征模型。

图2 硬件模块示意Fig.2 Schematic diagram of hardware module

在此基础上，通过标幺值相等的设计原则完成系统硬件部分的设计，并利用该原则对系统中重要参数的取值进行设定，以达到准确模拟配网覆冰输电线路状态的目的。这一过程中，利用标幺值相等方法能够缩短计算时间，从而提高系统工作效率。此模块集成了射频收发芯片、功率放大芯片、基带处理模块等，可完整地实现卫星无线电检测业务的收发信号功能、调制解调、定位、短消息通信等功能。该系统已被广泛应用于许多领域，其模块稳定可靠，用户评价良好。

首先计算不同子模块的额定电压，具体过程如下：

(1)

式中，∂为能够表示电压状态变量的相关因子；uk为第个子模块的电压值。假设要完成线路模拟系统以及工程现场一致的无功功率出力范围比例，需要设计模拟系统和工程现场相同的功率圆图[6-7]。根据相关的设计准则，能够确定模拟系统的设计容量，该容量也是整流侧以及逆变侧的换流变容量。

为了确保输电线路模拟系统中的无功功率出力范围和工程现场相同，需要设计两者之间的功率圆图[8-15]。利用相关的设计准则，准确计算配网覆冰输电线路模拟系统的设计通量，以下给出具体的计算式：

(2)

将实际的工程现场作为研究对象，同时利用相关理论的设计原则，分别对交流系统以及直流系统中的模拟参数设计进行了对应的介绍。利用表1给出直流系统中不同参数的取值。

表1 直流系统相关参数的取值Tab.1 Value of parameters related to DC system

分析实际工程中相关参数的设定，为后续模拟系统中参数的设定提供一定的依据。

输电系统中最为核心的设备就是换流阀，通过换流阀能够完成系统中不同直流的变换[16-21]。通过MMC拓扑结构中换流阀的桥臂全部是由不同的子模块串联形成的。系统的各个子模块中含有不同的器件，通过这些器件能够进一步实现配网覆冰输电线路模拟。

基于自然环境灾害下配网覆冰输电线路模拟系统中子模块的额定工作电压为40 V；通过对应的计算式能够分别计算桥臂的额定工作流、交流分量以及直流偏置。

整个配网覆冰输电线路模拟系统中含有两个流换站的换流阀，通过多个桥臂组成换流阀，通过换流阀能够有效完成系统中阶梯波的输出。同时系统中的各个子模块能够灵活地进行插播，为后续系统的故障检测奠定基础。结合相关计算方法，换流阀中相关参数的取值见表2。

表2 换流阀相关参数的取值Tab.2 Value of relevant parameters of converter valve

柔性直流输电工程的换流主要是通过常规的变压器完成的，该工程最为主要的功能就是获取最佳电压范围，同时设定符合相关需求的调制比。

结合相关计算理论，以下分别给出换流变模拟参数的取值(表3)。

表3 换流变模拟参数Tab.3 Change rheological simulation parameters

配网覆冰输电线路模拟系统的不同站全部配置了网侧交流电压、阀侧交流电压等模拟量的测量单元，它的配置和实际工程现场是一致的。

2.3 线路模拟

高压直流输电系统主要由整流站、逆变站和直流输电线路3部分组成。高压直流输电系统的六脉动换流桥基本模块为三相式全控整流电路。其中电流从一个阀臂转移到另外一个阀臂的过程称为换向。由于换向回路中存在电感，电流如果无法发生突变，则换向无法瞬时完成。将换向过程所持续时间对应的角度称为换向角，具体计算公式为：

(3)

式中，α为触发角；Lr为换向电；idc为直流电流；E为交流系统中等值线电压的有效值。

在不考虑换向的过程中，当μ=0时则直流电压的平均值能够表示为以下的形式：

(4)

(5)

在实现换向操作以后，6脉动换流器输出的电压平均值计算式能够表示为：

(6)

(7)

为了满足设计工程的相关需求，需要设定对应的参数，分别为直流感性压降dx以及直流阻性压降dr，以下给出标幺值的具体计算式：

(8)

高压直流输电系统能够快速、准确地进行调节控制，控制系统不仅能调节高压直流输电系统本身的运行特征，甚至能对交流系统进行调节，从而改善交流电网的运行特性。

结合以上分析，能够获取稳态运行时的直流电流：

(9)

整流侧以及逆变侧的直流功率计算式为：

(10)

换流变压器是高压直流输电主回路的关键设备之一，高压直流输电系统的核心设计就是换流变压器参数的设计，参数设计的好坏会直接影响到整个系统的稳定运行。

针对不同的脉动换流器，选用三相双绕组换流变压器的额定容量计算式为：

(11)

由于环流变压器的漏抗在换流变压器压降中占据十分重要的地位，由于能够将其近似地表示为：

(12)

在配网覆冰灾害下，实际工程裕度会有一定程度的增加，所以短路阻抗比的取值要稍大一些。逆变侧相关参数的计算式如下：

(13)

其中：

(14)

针对不同脉动的换流器，设定平波电阻器电感值的计算式为：

(15)

考虑不同的外界干扰因素，能够获取平波电抗器的电感计算式，即：

Ld=max{Ld1，Ld2-3.5Lr}

(16)

2.4 软件组成

电压状态变量界面显示故障指示终端的实际分布，数据采集、监视数据实时采集并进行数据库存储，并及时发出故障告警、发送短信通知，故障录波数据会以图形界面方式显示。遥控功能可进行远方遥控，具有防误操作功能；定值设置实现定值的上传、下载和修改等功能。

3 仿真实验

为验证基于自然环境灾害下配网覆冰输电线路模拟系统的综合有效性，需要进行仿真实验，分别与不同的模拟系统进行实验对比，根据稳态以及响应时间实验，对等效性以及动态特性进行验证，同时将实验结果和实际工程的波形进行对比。对比结果如图3所示。

图3 额定运行波形Fig.3 Rated operation waveform chart

综合分析图1相关实验数据可知，所设计系统模拟的波形和实际工程现场的波形基本一致，这充分验证了所设计系统的模拟精度。

为了更进一步验证所设计系统的有效性，以下分别对比不同模拟系统的响应时间变化情况，对比结果见表4。综合分析上述实验数据可知，所设计系统的响应时间在3种模拟系统中为最低，这说明所设计系统具有较高的运行效率。

表4 所设计系统的响应时间变化情况Tab.4 Changes in response time of the designed system

4 结论

针对传统的输电线路模拟系统存在的不足，设计并提出了基于自然环境灾害下配网覆冰输电线路模拟系统。仿真实验结果表明，该系统能够有效缩短系统响应时间，同时有效提升系统模拟精度，具有很强的应用价值。