CN104573245B - 一种特高压输电线路中地线损耗的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种特高压输电线路中地线损耗的计算方法，通过将建立的特高压杆塔仿真模型、特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型搭建成特高压输电线路总仿真模型，并使用电磁暂态计算程序和电磁场理论计算多种的地线布置方案中的特高压输电线路总仿真模型的地线损耗值，调整参数获取最优方案，根据最优方案对地线进行调整。和现有技术相比，本发明提供的特高压输电线路中地线损耗的计算方法，其建立的模型符合实际工程，形式可靠、准确且有效；使得对实际工程中的地线的调整或架设更加可靠且科学有效，避免了大量的能源与金钱的浪费，实现了对特高压输电线路中地线的最佳调整。
Description
技术领域
本发明涉及特高压工程领域，具体讲涉及计算方法一种特高压输电线路中地线损耗的计算方法。
背景技术
一般来说，在电力系统中较低电压等级的总损耗中，地线损耗占的比例不高。但是随着高压输电工程的广泛应用及电压等级的提高，地线损耗日益显著。按国内目前电力总容量来估算，全国每年地线损失的电能损耗达到百亿千瓦时。特别是随着特高压线路的广泛建设，线路输送容量的变大，地线损耗不可忽略。通过计算研究采用，合理的方案布置地线，科学的架设地线及地线绝缘方式，对特高压工程的经济性和能源节约来说都有重要的价值。
现有的特高压输电线路中地线的架设并没有科学有效的依据，而随着高压输电工程越来越广泛的应用，地线的损耗不但浪费了大量的能源和金钱，因此，如何设计一种科学有效的方式来计算并调整架设特高压输电线路中地线的布置方案，是本领域人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种特高压输电线路中地线损耗的计算方法，该方法建立的模型符合实际工程，计算的形式可靠，准确且有效；使得对实际工程中的地线的调整或架设更加可靠且科学有效，避免了大量的能源与金钱的浪费，实现了对特高压输电线路中地线的最佳调整。
一种特高压输电线路中地线损耗的计算方法，所述计算方法包括如下步骤：
I-1.选定需对特高压输电线路中的地线进行调整的特高压输电线路；并收集特高压输电线路中的特高压杆塔和特高压线路的相关参数；
I-2.根据所述特高压杆塔和所述特高压线路的相关参数分别建立特高压杆塔仿真模型、特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型；
I-3.将所述特高压杆塔仿真模型、所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型组合并搭建成特高压输电线路总仿真模型；
I-4.选定适用于所述特高压输电线路的多种地线布置方案；
I-5.调整所述特高压输电线路总仿真模型中的参数并使用电磁暂态计算程序计算多种的所述地线布置方案中的所述特高压输电线路总仿真模型的地线损耗值；并根据电磁场理论计算多种的所述地线布置方案中的所述特高压输电线路总仿真模型的地线损耗理论值；
I-6.重复I-5，直到一种所述地线布置方案中的所述地线损耗值和所述地线损耗理论值均为最小值时，此种所述地线布置方案即为最优方案；
I-7.根据所述最优方案对所述特高压输电线路中的所述地线的种类和接地方式进行调整。
优选的，步骤I-3中所述特高压输电线路总仿真模型的搭建具体过程为：
II-1.将所述特高压工频电源仿真模型和所述特高压线路仿真模型连接，待线路达到稳定状态后，检查所述特高压线路仿真模型与所述特高压工频电源仿真模型是否连通；若否，则重新将工频电源和所述特高压线路仿真模型连接，直到所述特高压线路仿真模型与所述特高压工频电源仿真模型连通；
II-2.改变输送功率检验连通后的所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型，直到所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型相互匹配；
II-3.将所述特高压杆塔仿真模型加入步骤(2)中相互匹配且连通的所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型中，搭建为所述特高压输电线路总仿真模型。
优选的，步骤I-5中使用电磁暂态计算程序计算多种的所述地线布置方案中的所述特高压输电线路总仿真模型的地线损耗值的具体过程为：
III-1.将调试好的所述特高压输电线路总仿真模型的电源打开；
III-2.等待线路到达稳定状态后，分别尝试在不同的所述地线布置方案下将地线按不同档距和杆塔连接接地，并根据式Wg＝Ig 2Rg计算得到最优的地线损耗值；
式中，Rg为地线单位长度的电阻，Ig为电线上的环流，Wg为地线损耗值。
优选的，所述特高压杆塔的相关参数包括特高压塔杆的主材和横担的结构、形状和长度；所述特高压线路的相关参数包括地线绝缘的长度、导线和地线的排列顺序与相对位置、负荷电流和土壤电阻率。
优选的，所述特高压杆塔仿真模型是将所述特高压杆塔的相关参数带入分段波阻抗计算公式，并与雷电波传播速度结合后得到所述特高压杆塔的多波阻抗仿真模型；所述特高压杆塔仿真模型中的主材与横杆的长度比与特高压杆塔的实际的主材与横杆的长度比相同。
优选的，所述特高压线路仿真模型是根据所述特高压线路的相关参数和所述特高压杆塔的结构建立的线路J-Marti模型；所述特高压线路仿真模型仿真模拟整条所述特高压输电线路每一个档距线路并将每一个档距线路细分为10段。
优选的，所述特高压工频电源仿真模型是根据所述特高压输电线路的工作电压建立；调整所述特高压工频电源仿真模型中的工作电压相位角，以改变线路输送功率。
优选的，多种所述地线布置方案包括方案一、方案二和方案三；所述方案一为普通地线和OPGW光缆均逐塔接地，所述方案二为普通地线分段绝缘且OPGW光缆逐塔接地，所述方案三为普通地线和OPGW均分段绝缘且一点接地。
优选的，所述特高压杆塔仿真模型、所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型在电磁暂态计算程序中搭建。
优选的，所述电磁暂态计算程序为ATP-EMTP程序。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种特高压输电线路中地线损耗的计算方法，通过将建立的特高压杆塔仿真模型、特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型搭建成特高压输电线路总仿真模型，并使用电磁暂态计算程序和电磁场理论计算多种的地线布置方案中的特高压输电线路总仿真模型的地线损耗值，调整参数获取最优方案，根据最优方案对地线进行调整。该方法建立的模型符合实际工程，计算的形式可靠、准确且有效；使得对实际工程中的地线的调整或架设更加可靠且科学有效，避免了大量的能源与金钱的浪费，实现了对特高压输电线路中地线的最佳调整。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1、本发明提供的技术方案，通过使用电磁暂态计算程序和电磁场理论计算多种的地线布置方案中的特高压输电线路总仿真模型的地线损耗值，计算的形式可靠、准确且有效。
2、本发明提供的技术方案，通过将建立的特高压杆塔仿真模型、特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型搭建成特高压输电线路总仿真模型，调整参数获取最优方案，根据最优方案对地线进行调整。使得对实际工程中的地线的调整或架设更加可靠且科学有效，避免了大量的能源与金钱的浪费，实现了对特高压输电线路中地线的最佳调整。
3、本发明提供的技术方案，用ATP-EMTP建立仿真计算模型，将整个输电线路的包括杆塔、地线等全部建立在模型内，精确的针对每一基杆塔每一段线路进行建模，建立的模型符合工程实际，保证了调整数据的真实可靠。
4、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的特高压输电线路中地线损耗的计算方法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的特高压输电线路中地线损耗的计算方法，包括如下步骤：
I-1.选定需对特高压输电线路中的地线进行调整的特高压输电线路；并收集特高压输电线路中的特高压杆塔和特高压线路的相关参数；
I-2.根据特高压杆塔和特高压线路的相关参数分别建立特高压杆塔仿真模型、特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型；
I-3.将特高压杆塔仿真模型、特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型组合并搭建成特高压输电线路总仿真模型；
I-4.选定适用于特高压输电线路的多种地线布置方案；
I-5.调整特高压输电线路总仿真模型中的参数并使用电磁暂态计算程序计算多种的地线布置方案中的特高压输电线路总仿真模型的地线损耗值；并根据电磁场理论计算多种的地线布置方案中的特高压输电线路总仿真模型的地线损耗理论值；
I-6.重复I-5，直到一种地线布置方案中的地线损耗值和地线损耗理论值均为最小值时，此种地线布置方案即为最优方案；
I-7.根据最优方案对特高压输电线路中的地线的种类和接地方式进行调整。
其中，步骤I-3中特高压输电线路总仿真模型的搭建具体过程为：
II-1.将特高压工频电源仿真模型和特高压线路仿真模型连接，待线路达到稳定状态后，检查特高压线路仿真模型与特高压工频电源仿真模型是否连通；若否，则重新将工频电源和特高压线路仿真模型连接，直到特高压线路仿真模型与特高压工频电源仿真模型连通；
II-2.改变输送功率检验连通后的特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型，直到特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型相互匹配；
II-3.将特高压杆塔仿真模型加入步骤(2)中相互匹配且连通的特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型中，搭建为特高压输电线路总仿真模型。
步骤I-5中使用电磁暂态计算程序计算多种的地线布置方案中的特高压输电线路总仿真模型的地线损耗值的具体过程为：
III-1.将调试好的特高压输电线路总仿真模型的电源打开；
III-2.等待线路到达稳定状态后，分别尝试在不同的地线布置方案下将地线按不同档距和杆塔连接接地，并根据式Wg＝Ig 2Rg计算得到最优的地线损耗值；
式中，Rg为地线单位长度的电阻，Ig为电线上的环流，Wg为地线损耗值。
以地线为OPGW光缆为例，根据电磁场理论计算多种的地线布置方案中的特高压输电线路总仿真模型的地线损耗理论值的过程为：根据电磁场理论，空间内平行导线间存在互感和导线间分布电容，线路的相线与绝缘地线就是这样的平行的导线系统，由于互感的存在，相线中流过电流时在与其平行的绝缘地线中产生电磁感应电压；同时由于导线间分布电容的存在，相线也会通过电容在绝缘地线上产生静电感应电压。由于绝缘地线一点接地，故静电感应电压可以忽略，主要考虑电磁感应电压。
在正常情况下，A、B、C三相电流平衡，即IA＝α2IB＝αIc，故线路有地线电磁感应电压如下式：
上式中dgA、dgB、dgC分别为地线与各相导线之间的距离。
根据上式可以看出，地线绝缘的长度、导线和地线的排列位置，负荷电流、土壤电阻率等都会对绝缘地线上感应电压产生影响。因而仿真计算应考虑这些因素。
根据电磁场理论，空间中通过电流的导体会在其附近构成闭环的导体回路中产生感应电流。对于采用逐塔接地方式的OPGW，与大地在一起，在相线附近形成地线-杆塔-大地-杆塔-地线的闭合回路，当相线中通过电流时，该回路中就会产生感应电流。若忽略杆塔电阻和接地电阻，地线上的环流Ig如下式所示：
式中IA、IB、IC分别为A、B、C三相的相电流；ZgA、ZgB、ZgC分别为A、B、C三相导线对地的互阻抗；Zgg为地线的自阻抗。
因为各相导线与地线之间的距离不同，各相导线对地线的互阻抗不完全相等。即使相导线中三相电流对称时Ig也不为零，这样就在地线，杆塔和大地之间形成了环流。
OPGW采用逐塔接地的方式，这样在地线-杆塔-大地回路中会产生环流。假设理想条件下，所有杆塔电阻及杆塔接地电阻相等，整条线路相线与地线互阻抗值恒定，在线路正常运行时，可认为各档距相电流不变，由于OPGW逐塔接地，则线路中相邻环流在共同的杆塔上相互抵消，相当于流过杆塔电阻及杆塔接地电阻上的电流近似为零，即除了该线路段第一个和最后一个档距外，其他各档距内环流可以应用计算。
特高压输电线路上电能损失(电能损失主要集中在OPGW上，杆塔和接地电阻上的能耗比较小)可以近似估算如下：
Wg＝Ig 2Rg
式中，Rg为OPGW单位长度的电阻，Ω/m。
在正常情况下，由于两根避雷线的电磁感应电动势不等，这是因为电磁感应定律可得，互感阻抗：
其中D0为地中电流的等价深度，它的数值决定于大地电阻和电流的频率。
其中dmn为线间距离，单位为m。
根据上式得到的结果在正常情况下，由于两根避雷线的电磁感应电动势不等，而它们在塔上又是相互联通的。所以它们之间会出现环流。另外还会有以大地为回路的电流。根据对称分量的概率可知，两个分量可以分开计算，并将分量所产生的电能损失相加，即可得到总的电能损失。
线间环流分量：
式中EM为两条地线的感应电动势之差；Z11为避雷线的自阻抗；Zm为两避雷线之间的互阻抗。
则每公里功率损失为：
ΔPm＝2|IM|2Re(Z11)＝2|IM|2Rg
式中，Rg为OPGW单位长度的电阻。
从而年电能损失
ΔAm＝ΔPMLτ＝2|Im|2RiLτ
式中L为线路总长，τ为年运行小时数，单位为h。
将数据带入上式中，即可得到折算单回线的年电能损失为
式中I＝|Ia|；d12为两根避雷线间距离，r为避雷线有效半径；xi为OPGW每公里电抗。地中分量：
地中分量IL,即所谓的纵分量，类似三相系统的零序分量，具体计算为：
式中Zm为避雷线与三相导线的之间的互阻抗。
每公里的功率损失(包括两避雷线)为
ΔPL＝2|IL|2Re(ZL)
则年电能损失为
ΔAm＝ΔPMLτ＝2|Im|2(Ri+010)Lτ
将相关数据代入即可得地中电流分量折算到单回线年度电能损失，
特高压杆塔的相关参数包括特高压塔杆的主材和横担的结构、形状和长度；特高压线路的相关参数包括地线绝缘的长度、导线和地线的排列顺序与相对位置、负荷电流和土壤电阻率。
特高压杆塔仿真模型是将特高压杆塔的相关参数带入分段波阻抗计算公式，并与雷电波传播速度结合后得到特高压杆塔的多波阻抗仿真模型；特高压杆塔仿真模型中的主材与横杆的长度比与特高压杆塔的实际的主材与横杆的长度比相同；其中，针对特高压杆塔高度很高的特点，将杆塔各部分、各段的不同波阻抗进行细分，提高地线跟杆塔连接时在工频电压作用下的环流电流仿真计算精度。
特高压线路仿真模型是根据特高压线路的相关参数和特高压杆塔的结构建立的线路J-Marti型；特高压线路仿真模型将其中的每一段档距线路都细分为多段；由于特高压线路档距较大，导地线弧垂较低电压等级大，越是细分越，细分段中的导地线相对高度更加接近实际，通过杆塔处导地线位置，对整条输电线路每一个档距线路进行建模，仿真模拟了整条线路，并在档距内细分为10段，每一段取平均对地高度使得每一档距内导地线对地高度更精确，所建模型更加符合工程实际,其中,J-Marti型是一种用于电力系统暂态仿真的模型，以发明人的名字J.马蒂命名；档距是在线路中杆塔和杆塔之间的间距。
特高压工频电源仿真模型根据特高压输电线路的工作电压建立；调整特高压工频电源仿真模型中的工作电压相位角，以改变线路输送功率；其中，工作电压模型的调节和调整工作电压相位角来改变线路输送功率来计算每不同功率下的地线损耗值，使计算结果更适用于指导工程的科学设计。
多种地线布置方案包括方案一、方案二和方案三；方案一为普通地线和OPGW光缆均逐塔接地，方案二为普通地线分段绝缘且OPGW光缆逐塔接地，方案三为普通地线和OPGW均分段绝缘且一点接地,其中,一点接地是指线路首端或末端接地。
特高压杆塔仿真模型、特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型在电磁暂态计算程序中搭建。
电磁暂态计算程序为ATP-EMTP程序；ATP-EMTP程序是国际通用的先进的图形化的电磁暂态计算程序。该程序由世界各国参与研发，程序的准确性得到世界公认，并由IEC71-4导则予以推荐和确认，国内外研究机构均采用该程序进行电磁暂态的仿真计算。ATP-EMTP的基本算法：根据元件的不同特性，建立相应的代数方程，常微分方程和偏微分方程，利用梯形积分法将电感、电容、电源等集中参数元件化成电阻性网络，对于传输线等分布性参数利用其上的波过程的特征线方程，经过一定的转换，把分布参数的线段也等效为电阻性网络，则其相应的方程也变为代数方程，进一步形成节点导纳矩阵；然后采用优化结点编号技术和稀疏矩阵算法，以节点电压为未知量，利用矩阵三角分解求解，最后求得各支路的电流、电压和所有消耗的功率、能量。在稳态计算中应将非线性元件线性化，包括利用简单的迭代进行潮流计算。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种特高压输电线路中地线损耗的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：
I-1.选定需对特高压输电线路中的地线进行调整的特高压输电线路；并收集特高压输电线路中的特高压杆塔和特高压线路的相关参数；
I-2.根据所述特高压杆塔和所述特高压线路的相关参数分别建立特高压杆塔仿真模型、特高压线路仿真模型和特高压工频电源仿真模型；
I-3.将所述特高压杆塔仿真模型、所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型组合并搭建成特高压输电线路总仿真模型；
I-4.选定适用于所述特高压输电线路的多种地线布置方案；
I-5.调整所述特高压输电线路总仿真模型中的参数并使用电磁暂态计算程序计算多种的所述地线布置方案中的所述特高压输电线路总仿真模型的地线损耗值；并根据电磁场理论计算多种的所述地线布置方案中的所述特高压输电线路总仿真模型的地线损耗理论值；
I-6.重复I-5，直到一种所述地线布置方案中的所述地线损耗值和所述地线损耗理论值均为最小值时，此种所述地线布置方案即为最优方案；
I-7.根据所述最优方案对所述特高压输电线路中的所述地线的种类和接地方式进行调整；
所述步骤I-3中所述特高压输电线路总仿真模型的搭建具体过程为：
II-1.将所述特高压工频电源仿真模型和所述特高压线路仿真模型连接，待线路达到稳定状态后，检查所述特高压线路仿真模型与所述特高压工频电源仿真模型是否连通；若否，则重新将工频电源和所述特高压线路仿真模型连接，直到所述特高压线路仿真模型与所述特高压工频电源仿真模型连通；
II-2.改变输送功率检验连通后的所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型，直到所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型相互匹配；
II-3.将所述特高压杆塔仿真模型加入步骤II-2中相互匹配且连通的所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型中，搭建为所述特高压输电线路总仿真模型；
所述步骤I-5中使用电磁暂态计算程序计算多种的所述地线布置方案中的所述特高压输电线路总仿真模型的地线损耗值的具体过程为：
III-1.将调试好的所述特高压输电线路总仿真模型的电源打开；
III-2.等待线路到达稳定状态后，分别尝试在不同的所述地线布置方案下将地线按不同档距和杆塔连接接地，并根据式Wg＝Ig 2Rg计算得到最优的地线损耗值；
式中，Rg为地线单位长度的电阻，Ig为电线上的环流，Wg为地线损耗值；
所述特高压线路仿真模型是根据所述特高压线路的相关参数和所述特高压杆塔的结构建立的线路J-Marti模型；所述特高压线路仿真模型仿真模拟整条所述特高压输电线路每一个档距线路并将每一个档距线路细分为10段；
所述特高压工频电源仿真模型是根据所述特高压输电线路的工作电压建立；调整所述特高压工频电源仿真模型中的工作电压相位角，以改变线路输送功率。
2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述特高压杆塔的相关参数包括特高压塔杆的主材和横担的结构、形状和长度；所述特高压线路的相关参数包括地线绝缘的长度、导线和地线的排列顺序与相对位置、负荷电流和土壤电阻率。
3.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述特高压杆塔仿真模型是将所述特高压杆塔的相关参数带入分段波阻抗计算公式，并与雷电波传播速度结合后得到所述特高压杆塔的多波阻抗仿真模型；所述特高压杆塔仿真模型中的主材与横杆的长度比与特高压杆塔的实际的主材与横杆的长度比相同。
4.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，多种所述地线布置方案包括方案一、方案二和方案三；所述方案一为普通地线和OPGW光缆均逐塔接地，所述方案二为普通地线分段绝缘且OPGW光缆逐塔接地，所述方案三为普通地线和OPGW均分段绝缘且一点接地。
5.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述特高压杆塔仿真模型、所述特高压线路仿真模型和所述特高压工频电源仿真模型在电磁暂态计算程序中搭建。
6.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述电磁暂态计算程序为ATP-EMTP程序。
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