半波长交流输电技术在泛在电力物联网中的应用

吴昊天，马春霖

（国网上海市电力公司市北供电公司，上海 200040）

1 概述

泛在电力物联网是应用互联网、人工智能等技术，实现电力系统各环节互联、人机交互的智慧服务系统。随着构建泛在电力物联网，长距离的特高压输电线路逐步成为构成我国智能电网的主要线路。目前，半波长输电线路具有十分显著的技术与经济优势，主要体现在：①线路中的电感可以正好抵消掉线路中的电容所发出的无功功率，从而解决无功补偿的问题；②因为没有无功补偿的需要，所以半波长输电线路具有更强输送能力，如3 000 km 左右半波长输电的最大传输容量可以达到1～1.2倍的自然功率。普通线路与半波长交流输电线路特性对比如图1所示。

图1 PF=1时，不同传输功率下的半波长沿线电压

图1 普通线路与半波长交流输电线路特性对比

2 半波长交流输电技术

半波长交流输电线路是指线路的距离为一整个工频半波，即当线路为50 Hz 时长度为3 000 km 或线路为60 Hz 时长度为2 600 km 的特长线路的交流输电线路。苏联科学家于20世纪40年代提出了这一构想，后来由于这一工程所涉及的技术要求比较高，所以当时并未引起人们的重视。半波长交流输电线路的优势在于功率因数较大，而当其传输线路等于或大于半波长线路时，其构造相对于很多超远距离交流和直流输电系统会比较简易。与此同时，半波长交流输电的制造和维护比传统线路更为经济和适用。我国的特高压和长距离传输线路已经逐渐普及，因此半波长输电技术也随之在我国大力发展。在泛在电力物联网不断取得创新成果的过程中，半波长交流输电技术（HWACT technology）是解决泛在电力物联网中特高压在超长距离输电问题的最佳方案，对建设“坚强智能电网”有着重要的现实意义。

半波长交流输电整条线路无需进行无功补偿。对于一般的特高压输电方式，对线路进行无功调节是特别重要的一个步骤。无论线路在有负荷还是无负荷的情况下，线路两边的电压大小都要保持一致，而沿线的电压可随着电路负载的变化而变化。半波长交流输电无需进行无功补偿的原因是线路中的电感可以正好抵消掉线路中的电容所发出的无功功率。

3 半波长输电线路电压特性分析

3.1 一般输电线路的电压特性

输电线路的两端电压和电流的关系用两端口网络的通用方程式表示如下：

式中，U1为线路的首端电压，U2为线路的末端电压，I1为线路的首端电流，I2为线路的末端电流。

线路首、末两端的功率方程为：

令A=A∠θA，B=B∠θB，C=C∠θC，D=D∠θD，U1=U1∠δ，U2=U2∠0°，则式（2）可写成：

由式（3）可知，当θB+δ=π 时，向量ρ1与水平轴平行，首端的有功功率达到Pmax；当θB=δ时，末端的有功功率达到Pmax。这就是输电线路在给定的首、末端电压下所能传送的最大功率，称为功率极限。

对于长距离的交流输电线路而言，考虑线路参数的分布性，可得距末端x处的沿线电压和电流方程如下：

线路两端的功率方程可写成：

3.2 半波长输电线路电压特性

同样，沿线电流方程式可表达为：

式（7）和式（8）可用来分析无损线路输送不同功率时的沿线电压和电流分布及其相位变化时的情况。

与此同时，如果考虑实际系统的等值阻抗，改变输电线路半波长的特性，就会对线路电压及电流的分布情况产生影响，其中影响最大的是线路功率最值的大小及其出现的位置。

半波长输电线路的传输功率及其相对的沿线电压分布规律与普通短线路有较大的不同。半波长输电线路的极限输送功率如下所示：

式中，U1为线路的首端电压，U2为线路的末端电压，ZC为线路波阻抗，α为相位的常数，l为线路的长度，Pn为自然功率。当αl=时，自然功率即为线路功率的极限值；而当αl=π 时，在理论情况下输送功率的极限值可为无限大。

在实际应用中，半波长输电线路中点附近的电压值会随着传输功率的增加而增加，与此同时线路上的电晕损耗也会随之加大，而这两者都将对半波长输电线路的传输功率值起到限制的作用。

3.3 电压电流特性曲线

当线路中只存在有功但不存在无功功率时，也就是说cosφ=1，

即令r0=0.095，x0=0.352，b0=3.32592×10-6，g=0，则单位阻抗Z0=（0.095+j0.352）Ω/km；单位长导纳Y0=j5.43626×10-6。

利用Matlab 仿真，半波长交流输电的沿线电压及电流分布如图1、图2所示。

图2 PF=1时，不同传输功率下的半波长沿线电流

由图1可以看出，当0＜P2*＜1时，0～1 500 km，越接近线路中点，则电压越低；当到达中点位置1 500 km，此时P2*=0，Q2*=0，线路处于空载状态，中点位置电压为零。P2*＞1 时，0～1 500 km，越接近线路中点，则电压越高；当到达中点位置1 500 km时，中点位置电压最高。由此可见，半波长线路上距离中点越近，则电压受传输功率的影响越大。而半波长线路中点电压与传输功率的标幺值P2*成正比，即时，k=P2*。同时也可看到传输功率几乎不对半波长线路首、末端电压产生影响，即αx=0或π 时，k=1。

由图2可以看出，电流的变化趋势与电压相反，离半波长线路两端越近，线路电流受传输功率的影响越大，且首、末端电流与传输功率成正比例关系，但线路中点电流几乎不受功率传输的影响。

当线路处于空载状态，若输电线路的长度为l，线路首端对线路末端的传递系数k为：

图3 空载线路末端电压与线路长度L之间的关系

3.4 特高压半波长输电线路的过电压特性

3.4.1 工频过电压

对于长距离无损耗传输线路的波动方程进行分析：当线路处于空载时，，则：

在式（11）中，若θ为线路电气长度，且用弧度表示，则式（10）用的表示如下：

电源阻抗对空载输电线路沿线电压分布产生的影响如图4所示。

对于均匀无损耗线路沿线的电压电流方程，也就是式（5），当x=l时可得：

由式（3）至式（8）可知，对于短距离的线路而言，电源电抗等同于增加线路的长度，Xs会使线路末端电压的升高，当αl+φ=90°时，K02趋向于无穷大，对应线路长度l＜1 500 km 时，回路处于谐振状态；对于长距离的输电线路，当αl=180°-2φ或αl=180°时，线路的末端电压与电源电动势幅值相等，相位相反；而当αl=180°-φ时，线路末端电压的幅值最小，此时K02=-cosφ。

假设φ=30°时，当线路长度不同时，空载线路末端电压与电源电动势E的比值情况如图5所示。

当φ=30° 时，αl=60°，由此输 电线路 发生谐振，这样线路的末端电压就达到无穷大的值；而当αl=120°或180°时，K02=-1，线路首端与末端电压的幅值相等，相位相反，而此时线路为半波长输电线路；当αl=150°时，线路末端电压的值为无穷小。

3.4.2 单相接地过电压

当输电线路发生单相接地故障，其电路图如图6所示。

图6 单相接地故障过电压分析模型

图中，F为故障的位置，If为流过故障点的所有电流之和，If1为发电机端向故障点注入的电流，If2为系统向故障点注入的电流，E1为发出端的电源电动势，Xt为发出端系统的等值阻抗，L1为故障点F与线路首端之间的距离，L2为观察点与故障点之间的距离。

其中：

4 结束语

综上，文章基于长距离的交流输电线路特性方程的公式，总结出了半波长输电线路中电压的最大值以及电压最大值出现的地方，并通过PSCAD 仿真实验以此应证最大过电压出现的位置。半波长交流输电具有很好的应用前景，在建设由1 000 kV 交流和±800 kV 直流构成的特高压电网的背景下，半波长交流输电技术将是解决超长距离输电问题的最好方案。

展望未来，在“半波长交流输电技术”应用下，就能建成承载电力流的坚强智能电网；有了承载电力流的坚强智能电网与承载数据流的泛在电力物联网相辅相成、融合发展，等到2024年，就能形成强大的价值创造平台，共同构成能源流、业务流、数据流“三流合一”的能源互联网。