14）S D 刘丽平

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债韩
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1 第 38 卷增刊 1 电网技术 Vol. 38 Supplement 年 8 月 Power System Technology Aug 文章编号 : (2014)S 中图分类号 :TM 711 文献标志码 :A 学科代码 : 特高压交流示范工程实际运行线损评估刘丽平 1, 王琦 1, 杨昆 2, 张健 1, 张文朝 3, 王晓刚 (1. 中国电力科学研究院, 北京市海淀区 ;2. 上海电力学院, 上海市杨浦区 ; 3. 南京南瑞集团公司, 北京市昌平区 ;4. 国家电网公司, 北京市西城区 ) 4 Practical Operation Line Losses Evaluation on UHV AC Demonstration Project LIU Liping 1, WANG Qi 1, YANG Kun 2, ZHANG Jian 1, ZHANG Wenchao 3, WANG Xiaogang 4 (1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing , China; 2. Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai , China; 3. NARI Group Cooperation, Changping District, Beijing , China; 4. State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing , China) 摘要 : 提出了基于复杂网络潮流且全面考虑特高压相关元件及电晕损失进行交流特高压线损计算的理论计算方法, 可为交流特高压电网的线损评估与预测提供理论工具首先比较了单位长度 kv 电压等级和 500 kv 电压等级线路在不同运行工况下的理论线损, 从理论上得出, 单位长度的 kv 线路比 500 kv 线路在输送相同功率 (1 000 ) 时的线损率约可降低 50, 且相同长度的 kv 线路在输送正常潮流时的线损率仍比 500 kv 线路输送正常潮流时的线损率约可降低 10 其次将特高压示范工程的理论线损计算结果与 WAMS 的实测结果和关口电量表的统计结果进行了对比, 计算结果与实测结果相比基本一致, 从而验证了所提出的交流特高压线损理论计算方法的正确性与合理性可为交流特高压工程的规划设计与经济运行提供一定的参考依据关键词 : 特高压交流试验示范工程 ; 统计线损 ; 理论线损 ; 线损率 0 引言我国能源资源开发主要集中在西部和北部地区, 而东部地区经济持续快速发展, 能源基地和能源消费地区之间的距离越来越远, 决定了我国能源和电力流动具有远距离跨区域大规模的特点, 电力输送呈现西电东送北电南送的特点 kv 交流特高压线路具有输送容量大建设费用省有利于长距离输电等优点, 采用特高压输电尤其适合我国能源资源和负荷中心分布不平衡的特点, 使资源达到最优化配置早在 2004 年, 国家电网公司就提出发展特高压输电, 建设坚强的国家电网, 在更大范围内实现资源优化配置, 从而实现电力工业的跨越发展和能源节约的战略方针在 2009 年, 晋东南南阳荆门 kv 特高压交流试验示范工程正式投入运行我国 kv 特高压交流试验示范工程全长 640 km 特高压交流输电工程具有输送功率大输送距离长输电损耗低的特点特高压交流输电工程的输电损耗包括输电线路损耗和变电站损耗两部分 : 输电线路损耗主要包括电阻损耗电晕损耗和线路高抗损耗 ; 变电站损耗包括变压器并联电抗器电容器等电力设备损耗及站用电等交流特高压输电线损及线损率的大小与线路输送的功率密切相关为评估和预测特高压示范工程的线损及线损率, 本文首先针对单位长度线路不同的输送功率, 对 kv 和 500 kv 线路的损耗进行理论分析和比较 ; 然后, 采用对交流特高压示范工程进行以复杂电网潮流计算为基础的线损理论计算, 并与采用广域相量测量系统 (wide area measurement system,wams) 和关口电能表的实测数据进行比较的方式, 从理论计算和实测统计等两方面对交流特高压示范工程的线损情况进行对比分析 [1-7] 1 输电网损构成电网中各元件的的功率损耗和电能损耗一般都可以分解为空载损耗和负载损耗 2 部分, 总损耗为各部分损耗之和空载损耗由变压器铁损线路电晕损耗高抗损耗等构成, 可近似认为是固定损耗, 与输送功率无关 ; 而由变压器铜损线路电阻损耗等构成的负载损耗与电压平方成反比, 与输送功率平方成正比 [8-11]

2 44 刘丽平等 : 特高压交流示范工程实际运行线损评估 Vol. 38 Supplement 输电线路损耗输电线路损耗主要包括线路电阻损耗和电晕损耗两部分输电线路的电阻损耗与线路输送有功功率母线电压功率因数和导线截面等有关, 主要与线路输送功率的平方成正比, 与电压的平方成反比因此, 在输送相同功率下, 提高输电线路的电压等级能大幅降低线路的电阻损耗线路损耗的计算公式为 ΔP=3I 2 R 10-3 (1) 或 DP=3[P/(Ucosφ)] 2 R 10-3 (2) 式中 :DP 为三相输电线路的有功功率损耗,kW;I 为线电流,A;R 为线路每相电阻,Ω;P 为线路输送的有功功率,kW;U 为线路首端的电压,kV; cosφ 为功率因数 1.2 电晕损耗当输电线路导线周围电场强度超过空气击穿场强时, 临近导线附近的空气产生电离形成电晕放电, 因电晕放电而产生的带电离子在交变电压作用下, 在导线周围往返运动, 伴随着空气电离还会产生电光和无线电干扰等, 这些效应消耗的能量统称为电晕损失对电晕损耗的计算目前尚无精确公式, 只有经验公式可用该损耗与相电压的平方成正比, 并与导线的等效直径表面光洁度等几何物理特征和空气压力密度湿度等气象条件有关, 一般表达为 Δ P = K LU/U ( ) (3) 式中 : K Y Y 为在额定电压和标准气象条件下单位长度线路的电晕损耗, 由设计手册查得 ; L 为导线长度,km;U 为实际运行电压,kV; U 为系统额定电压,kV 晴天电能损失小, 雾天雨天雪天电能损失大特高压输电电晕控制要求特高压输电线路的电晕可听噪声和无线电干扰与超高压输电一样, 应限制在线路周围环境允许的限值之内 [12-14] 根据特高压交流试验基地单回试验线段电晕损失监测结果, 晴天下电晕损失为 7~9 kw/km 1.3 变压器损耗变压器的有功损耗 ΔP 分为空载损耗和负载损耗两部分空载损耗又称铁损, 与负荷大小无关它主要由主磁通在铁芯中产生, 因为主磁通只与外加电压 N N 和频率有关, 当外加电压 U 和频率 f 为恒定时, 铁损也为常数变压器在运行时, 绕组内通过电流就会产生负载损耗, 它主要由绕组和引线的电阻损耗构成 ( 铜损 ), 与负载电流平方成正比变压器有功损耗 : ΔP t =P 0 +β 2 P K (4) 式中 :P 0 为变压器空载损耗,kW;P K 为变压器额定负载损耗,kW;β 为变压器平均负载系数特高压变压器的空载损耗和额定负载损耗值 [12-13] 也分别按照生产厂家出厂试验报告确定 1.4 线路高抗损耗线路并联高压电抗器的损耗, 包括线圈损耗铁芯损耗和杂散损耗 3 部分组成由于系统运行的需要, 电抗器的电抗值须在一定范围内恒定, 即电压与电流的关系是线性的 ; 在正常运行时, 电抗器电压基本保持在额定电压的 ±5 的范围内变化, 电流变化也不大, 工程上可以认为有功损耗基本不变在我国 500 kv 及以上交流输变电工程中, 高抗一般装设在线路上且不会退出高抗运行, 因此本文中, 线路损耗 ( 简称线损 ) 包括线路电阻损耗电晕损失和高抗损耗 1.5 特高压示范工程线损综合评估线损理论计算采用 PSD-BPA 潮流计算程序, 输入特高压电网线路变压器高压并联电抗器等设备的参数, 输入 WAMS 系统的实测有功功率线路送端实测电压功率因数, 进行特高压电网线损的理论计算对于已知关口表电量, 线路送端功率根据月用电量计算每月每小时平均输送功率, 考虑线路电压变化比较小, 线路送端选取平均电压 kv, 假定功率因数为 0.99 将理论计算结果与 WAMS 实测结果和关口电量表统计结果进行多方面的对比, 对特高压电网实际运行线损进行评估和预测 [5] kv 与 500 kv 系统损耗理论分析对特高压交流试验示范工程与 500 kv 工程不同输送容量时的线路电阻损耗变压器和高抗的损耗进行计算比较和分析 kv 与 500 kv 线路电阻损耗及损耗率理论计算分析和比较 [5] kv 与 500 kv 线路电阻损耗率比较输电线路上的电阻损耗与流过输电线路的电

3 第 38 卷增刊 1 电网技术 45 流平方成正比, 与线路电阻成正比当输送功率一定时, 提高线路输电电压, 可以减小线路电流, 从而能显著减少输电线路的电阻损耗 ; 增加导线截面和导线材料的电导率, 也可以减少输电线路的电阻损耗 kv 线路选择 8 LGJ-500 mm 2 和 500 kv 线路选择导线型号 4 LGJ-400 mm 2, 前者导线截面是后者的 2.5 倍单位长度 kv 线路电阻近似地是单位长度 500 kv 线路电阻的 0.4 倍,1 000 kv 是 500 kv 电压的 2 倍比较输送功率相同输送电流相等和电流密度相等 3 种情况下,1 000 kv 线路与 500 kv 线路的电阻线损及线损率 1) 在 kv 线路和 500 kv 线路输送相同的有功功率的条件下,1 000 kv 线路流过的电流是 500 kv 线路的 1/2, 电阻损耗和损耗率均是 500 kv 线路的 10 2) 在 kv 线路和 500 kv 线路流过的电流相同的条件下,1 000 kv 线路输送的功率是 500 kv 的 2 倍, 电阻损耗和损耗率分别为 500 kv 线路的 40 和 20 3) 在 kv 线路和 500 kv 线路的电流密度相同的条件下,1 000 kv 线路流过的电流约为 500 kv 线路的 2.5 倍, 因此输送的功率约为 500 kv 的 5 倍, 电阻损耗分别为 500 kv 线路的 2.5 倍, 但损耗率仅为 500 kv 的 50 由以上分析可见,1 000 kv 线路的线损率比 500 kv 线路的线损率降低大约在 10~50 之间特高压示范工程线路和 500 kv 线路电阻损耗计算比较假设这 2 个电压等级的线路长度均为 100 km, kv 始端运行电压为 kv, 始端功率因数为 0.99;500 kv 线路的电压为 525 kv, 始端功率因数为 kv 试验示范工程导线型号为 8 LGJ- 500 mm 2, 每公里线路的电阻为 W [15-16], 500 kv 线路的导线型号选择 4 LGJ-400 mm 2, 每公里线路的电阻分别为 W, 特高压示范工程导线电阻为 500 kv 线路的倍表 1 列出 100 km kv 线路输送功率 400~ 范围内的线路电阻损耗和损耗率由表 1 可以看出, 在输送功率为时, 线路电阻损耗为 0.86, 损耗率为 0.09; 输送功率为时, 损耗为 3.43, 损耗率为表 km kv 线路输送不同功率的线路电阻损耗线路送端有功 / 线路电阻损耗 / 损耗率 / ; 在输送功率为时, 线路电阻损耗为 7.72, 损耗率为 0.26 表 2 给出输送功率在 500~3 000 范围内对应的单回 500 kv 100 km 线路电阻损耗和损耗率表 kv 单回线路的线路电阻损耗线路送端有功 / 线路电阻损耗 / 损耗率 / 由表 2 可以看出, 在输送功率为时, 线路电阻损耗为 8.07, 损耗率为 0.81; 输送功率为时, 损耗为 32.28, 损耗率为 1.61; 在输送功率为时, 线路电阻损耗为 72.63, 损耗率为 2.42 但实际上单回 500 kv 线路受到热稳定极限的限制, 不可能输送的功率双回线输送时, 损耗为 36.32, 损耗率为 kv 线路按 3 回线输送时, 损耗为 24.21, 损耗率为 0.81 通过以上计算, 比较电阻损耗和损耗率输送有功功率为时,1 000 kv 线路的电阻损耗是 500 kv 线路的 10.7, 损耗率为 11.1 当 kv 线路输送 2 000,500 kv 线路输送时,1 000 kv 线路的电阻损耗是 500 kv 线路的 42.5, 损耗率为 21.0 当 kv 线路输送 3 000,500 kv 线路输送时,1 000 kv 线路的电阻损耗是 500 kv 线路的 95.7, 损耗率为 32.1 由此可见,1 000 kv 线路的线损率比 500 kv 线路的线损率降低 10~50

4 46 刘丽平等 : 特高压交流示范工程实际运行线损评估 Vol. 38 Supplement kv 与 500 kv 变压器损耗理论计算和比较计算比较特高压超高压三绕组变压器线损高中压绕组的损耗时,1 000 kv 变压器考虑到 500 kv 侧,500 kv 变压器考虑到 220 kv 侧, 并假设空载损耗不变通常以变压器自身容量为基准的损耗百分数来比较不同容量不同电压等级的变压器损耗即变压器损耗百分数 =( 负载损耗 + 空载损耗 )/ 变压器额定容量 S n 根据文献 [12-13] 提供的变压器短路损耗空载损耗等出厂参数计算,1 000 kv 变压器损耗百分数在负载率小于 80, 比 500 kv 变压器的略小, 在负载率大于等于 80, 比 500 kv 变压器的略大 kv 与 500 kv 并联电抗器损耗理论计算和比较 500 kv 国产线路并联高压电抗器的损耗一般为自身容量的 kv 国产线路并联高压电抗器有西变生产的 BKDF /1000, 以自身容量为基准的损耗为 0.178, 安装在长南线长治侧 [14] ; 西变生产的 BKDF-24000/1000, 其实测损耗为自身容量的 0.191, 安装在南阳开关站线路两侧 [17] ; 特变电工衡阳变压器有限公司制造的 BKD /1100, 实测损耗为自身容量的 0.187, 安装在南荆线荆门侧 [18] kv 高抗损耗百分数比 500 kv 高抗损耗百分数略小 3 特高压交流试验示范工程损耗的实测和理论计算比较 3.1 WAMS 实测数据与理论分析比较依据国家电网调控中心提供的 WAMS 测量数据, 可以计算出实测损耗表 3 是长治 - 南阳 - 荆门 kv 特高压示范工程的实际测量损耗 ; 根据实测的电压和功率进行理论计算, 表 4 是理论损耗计算结果和 12:03 荆门变侧 / WAMS 采集的数据为 2009 年 5 月 23 日 12:01 2 个时刻 ( 天气晴朗 ), 送端荆门变 500 kv 表 3 特高压示范工程 WAMS 实测线损结果荆门变侧 / 长治变侧 / 长治变侧 / 变压器 500 kv 1000 kv1 000 kv 500 kv 总损耗 / 线路和高抗 / 系统总损耗率 / 损耗 / 表 4 特高压示范工程线损理论计算结果输送功率 / 线路电阻高抗损耗 / 损耗 / 变压器损耗 / 系统总损耗 / 损耗率 / / / / /1.66 侧的有功功率分别为和在输送功率为条件下, 试验示范工程总损耗为 29.5, 其中长治荆门变压器总损耗为 4, 线路电阻电晕和高抗等损耗为 25.5, 总损耗率为 1.7 按照设备和线路的实测参数及实际的运行工况, 在输送功率为的条件下, 理论计算主变损耗为 3.95, 线路电阻损耗和高抗损耗为 21.2 实测损耗 29.5 和理论计算损耗 ( 不包括电晕损耗 )25.2 的差值 4.3 可认为是试验示范工程电晕损失, 折算工程电晕损失约为 6.7 kw/km 根据国网电科院在特高压交流试验基地的电晕损失实时测试结果 ( 晴天下特高压试验线段的电晕损失约为 7~9 kw/km), 据此推算试验示范工程 640 km 线路的总电晕损失约为 4.5~5.8 理论计算总损耗约为 29.7~31.0 根据上述比较可见,WAMS 实测数据与理论计算分析结果一致 3.2 关口电度表实测数据与理论分析比较 2009 年 1 4 月 kv 特高压示范工程系统 ( 包括高抗和变压器 ) 总统计损耗总损耗率在 1.58~1.80 之间详见表 5 根据表 5 给出的 1-4 月关口电量, 按月每小时平均输送功率进行折算, 并假定高抗损耗不变, 计算长治 - 南阳 - 荆门 kv 线路线损及线损率不考虑电晕损耗时, 特高压电网线损率在 1.26~1.28 之间 ; 当考虑电晕损耗时, 总损耗率在 1.64~1.76 之间表 5 特高压示范工程关口电度表统计线损长治中压侧 / 长治高压侧 / 月份 ( h) ( h) 荆门高压侧 / ( h) 荆门中压侧 / ( h) 损耗率 / 通过对 kv 特高压示范工程的月损耗和损耗率的统计值和理论计算值进行比较, 统计线损率与理论线损率吻合特高压变压器损耗线路损耗 ( 含线路电阻损耗高抗损耗和电晕损失 ) 的计算方

5 第 38 卷增刊 1 电网技术 47 法可实现对损耗水平的准确评估和预测 4 结论当 kv 导线截面约为 500 kv 导线截面的 2.5 倍时, 在不同的运行工况下,1 000 kv 线路的线损率比 500 kv 线路的线损率降低在 10~50 之间通过采用广域测量系统和关口电度表对特高压交流试验示范工程损耗进行了实时测量, 得出统计线损及线损率, 并与理论分析和仿真计算结果进行了多方面的比较, 线损及线损率基本一致研究结果表明 : 特高压交流试验示范工程输电损耗的实测结果与理论分析吻合, 损耗率仅为 1.7, 其中线路电阻损耗占到 86.4 工程的电晕控制措施有效, 线路电晕损耗与设计预期一致通过深入开展不同运行工况下的损耗机理研究, 可为特高压电网的科学规划设计与经济运行提供依据参考文献 [1] 刘振亚. 加快建设坚强国家电网促进中国能源可持续发展 [J]. 中国电力,2006,39(9):l-3. [2] 舒印彪. 我国特高压输电的发展与实施 [J]. 中国电力,2005,38(11): l-8. [3] 舒印彪 kv 交流特高压输电技术的研究与应用 [J]. 电网技术, 2005,29(19):l-6. [4] 曾庆禹 kv 特高压输电系统输电能力研究 [J]. 电网技术, 2012,36(2):1-6. [5] 刘振亚. 特高压电网 [M]. 北京 : 中国经济出版社,2005: [6] 梁涵卿. 特高压交流和高压直流输电系统运行损耗及经济性分析 [J]. 高电压技术,2013,39(3): [7] 丁伟, 胡兆光. 特高压输电经济性比较研究 [J]. 电网技术,2006, 30(19):7-13. [8] 杨秀台. 电力网线损的理论计算和分析 [M]. 北京 : 水利电力出版社,1985. [9] 刘云鹏. 中国 kv 特高压交流示范工程输电线路电晕损失研究 [C]//2009 年特高压输电技术国际会议, 北京 : 国家电网公式, 2009:1-6. [10] 刘振亚. 特高压交流输电工程电磁环境 [M]. 北京 : 中国电力出版社,2008: [11] 曾庆禹. 特高压输电线路电气和电晕特性研究 [J]. 电网技术,2007, 31(19):1-8. [12] 特变电工沈阳变压器集团有限公司. 变压器试验报告 [R]. 沈阳 : 特变电工沈阳变压器集团有限公司,2008. [13] 中国保定天威保变电气股份有限公司. 变压器试验报告 [R]. 保定 : 中国保定天威保变电气股份有限公司,2008. [14] 西安西电变压器有限责任公司试验中心.BKDF /1000 试验报告 [R]. 西安 : 西安西电变压器有限责任公司试验中心,2008. [15] 河南电力试验研究院 kv 长治南阳线 ( 长南 I 线 ) 工频参数测量试验报告 [R]. 郑州 : 河南电力试验研究院,2008. [16] 河南电力试验研究院 kv 南阳荆门线 ( 南荆 I 线 ) 工频参数测量试验报告 [R]. 郑州 : 河南电力试验研究院,2008. [17] 西安西电变压器有限责任公司试验中心.BKDF-24000/1000 试验报告 [R]. 西安 : 西安西电变压器有限责任公司试验中心,2008. [18] 特变电工沈阳变压器集团有限公司. 电抗器试验报告 [R]. 沈阳 : 特变电工衡阳变压器有限公司,2008. 收稿日期 : 作者简介 : 刘丽平 (1964), 女, 硕士, 高级工程师, 研究方向为电力系统及其自动化, liulp@epri.sgcc.com.cn.com; 杨昆 (1982), 女, 博士, 讲师, 研究方向为电力系统及其自动化, kyang@shiep.edu.cn ( 责任编辑马晓华 )

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