一种考虑安全性校核和经济性分析的输电线路增容方法与流程

本发明属于输变电设备可载性评估领域，具体涉及了一种考虑安全性校核和经济性分析的输电线路增容方法。

背景技术：

输电线路增容运行是缓和电网建设滞后和负荷需求快速增长之间矛盾的有效方法。同时提高现有输电线路的输电能力，对于节约土地资源和金属资源，提高现有电网企业的经济效益具有重大意义。在增容运行过程中，输电线路的安全性和经济性一直是需要关注和解决的问题。目前对于输电线路可载性分析的模型和分析方法很多。但是对于输电线路增容运行的安全性和经济性的讨论，目前尚少有文献讨论。

传统的关于输电线路的可载性的研究方法主要基于输电线路热平衡方程，通过测量或预测得到的天气环境参数和设定的输电线路最高允许工作温度，带入输电线路热平衡方程计算线路最高载流量，从而得到输电下路负载率。该方法没有考虑输电线路工作温度升高对于线路短期故障率的影响，更没有从经济性的角度讨论输电线路增容运行方法的合理性。

输电线路的增容运行将导致线路运行温度升高，一方面有可能超过输电线路的最高允许温度，导致其短期故障率的快速上升，另一方面将造成输电线路的抗拉强度损失，减短输电线路正常服役时间，造成长期故障率的上升和设备寿命损失。

技术实现要素：

针对传统的输电线路可载性分析所存在的上述问题，本发明提出一种考虑温度约束、故障率约束和经济性分析的输电线路增容方法。根据热平衡方程计算线路实时温度，建立基于PHM的输电线路短期故障率模型计算线路短期故障率，通过输电收益、线路损失成本和寿命损失成本三个指标评估输电线路增容运行收益。

为解决上述问题，拟采用这样一种考虑安全性校核和经济性分析的输电线路增容方法，包括如下步骤：

步骤1.确定输电线路增容需求，包括增容的负载率和增容运行时间；

步骤2.温度约束校核，得到满足温度约束的最大负载率；

步骤3.故障率约束校核，得到满足故障率约束的最大负载率；

步骤4.选取同时满足温度约束和故障率约束的输电线路负载率；

步骤5.进行经济性校验；

步骤6.得到最终输电线路增容方案。

前述方法中，步骤2中温度约束校核的具体方法如下：

步骤2-1.计算导体电流产生的焦耳热功率Q_j

Q_j＝(I₀k)²R

I₀为线路满载时的导体电流，k为线路负载率，R为线路的交流电阻；

步骤2-2.计算输电线路吸收太阳辐射功率Q_s

Q_s＝E_sA_sD

E_s为单位面积的太阳辐射功率，A_s为输电线路的吸收率，D为导线外直径；

步骤2-3.计算输电线路热辐射功率Q_r

Q_r＝πDεσ_B[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]

ε为辐射率，由导体表面状况决定，σ_B为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T_a为环境温度；

步骤2-4.计算输电线路对流散热功率Q_c

ρ位空气密度，V风速，为空气粘滞系数，K_angle为风向角因子；

步骤2-5.利用暂态热平衡方程计算导体实时温度

m为输电线路质量，C_p为输电线路比热容，T_c为输电线路实时温度，t为时间，d为微分算子；

步骤2-6.如果步骤2-5计算得到的线路实时温度低于设定的最高线路温度T_c,design，即满足温度约束，否则下调输电线路负载率重新计算线路实时温度，直至得到满足线路温度约束的最高负载率。

前述方法中，步骤3中故障率约束校核的具体方法如下：

步骤3-1.计算总等效服役时间T_e

将总服役时间T划分为n个区间t₁,t₂,…,t_n，假定每个区间内输电线路的温度保持恒定，若输电线路在温度θ(t_i)下运行t_i时间抗拉强度的损失与参考温度θ₀下运行t_ei抗拉强度的损失相同，则称t_ei为其等效运行时间；

t_ei为等效运行时间，t_i为实际运行时间，B、m为与输电线路有关的常数，θ_i为输电线路实际运行温度，θ₀为参考温度。

总运行时间的等效服役时间

步骤3-2，将等效服役时间T_e和线路实时温度T_c带入输电线路短期故障率模型，计算输电线路增容运行短期故障率；

h为输电线路短期故障率，β、P、Q、γ为与输电线路有关的常数，e为自然常数，T_e为总等效运行时间，T_c为输电线路实际运行温度，T_c,design为输电线路设计运行温度。

步骤3-3，如果计算得到的线路短期故障率低于设定的最高线路短期故障率h_max，即满足故障率约束，否则下调输电线路负载率重新计算输电线路短期故障率，直至得到满足输电线路短期故障率约束的最高负载率。

前述方法中，步骤5中经济性校验的具体方法如下：

步骤5-1，计算输电线路增容运行带来的单位时间内的电费收益；

r为输电线路增容运行电费收益，K为输电线路负载率，S_N为输电线路设计运行容量，为功率因数角，P_out为售电电价，P_in为发电电价。

步骤5-2，计算单位时间内的线路损耗成本；

c_p＝I²R·P_out

C_p为线路损耗成本，I为电流，R为电阻。

步骤5-3，计算单位时间寿命损耗成本；

C_life为输电线路寿命损耗，v为输电线路相对老化速率，L₀为输电线路设计服役寿命，P_line为输电线路造价。

其中v为输电线路相对老化速率

B、m为与输电线路有关的常数，θ_i为输电线路实际运行温度，θ₀为参考温度。

步骤5-4，综合三个经济性指标得到输电线路单位时间运行利润；

b_profit＝r-c_life-c_p。

b_profit为输电线路单位时间运行利润，r为输电线路增容运行电费收益，C_life为输电线路寿命损耗，C_p为线路损耗成本。

本发明基于暂态热平衡方程求解输电下路实时温度，建立输电线路短期可靠性模型表征线路温度对短期可靠性的影响，同时选取了三个经济性指标：输电收益、线路损失成本和寿命损失成本，量化评估输电线路增容运行方案的收益。

输电线路增容运行受到其安全性和经济性的约束。安全性是输电线路增容运行方案必须满足的约束，在本发明中安全性约束包括线路温度约束和线路故障率约束，经济性指标作为输电线路增容运行方案的辅助性指标，评估增容运行方案的经济性，为运行调度和检修计划人员提供参考信息。

与现有技术相比，本发明利用暂态热平衡方程计算输电线路实时温度，考虑环境和线路负载变化，动态计算线路温度；利用基于PHM的输电线路短期可靠性计算模型，量化线路实时温度对输电线路短期可靠性的影响；利用单位时间输电收益、单位时间线路损耗成本和单位时间线路寿命损失成本量化输电线路增容运行的经济效益；计及温度约束、故障率约束和经济性校验的输电线路增容方法能够同时考虑输电线路增容运行的安全性和经济性。

附图说明

图1是本发明的考虑安全性校核和经济性分析的输电线路增容方法的流程图；

图2是本发明的输电线路增容运行温度约束校核计算流程图；

图3是本发明的输电线路增容运行故障率约束校核计算流程图；

图4是本发明的输电线路增容运行经济性分析流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将通过附图对发明作进一步地详细描述。

实施例：

如图1所示，本实施例的考虑安全性校核和经济性分析的输电线路增容方法，包括如下步骤：

步骤1、确定输电线路增容需求，包括增容的负载率和增容运行时间。

如图2所示，本发明的输电线路增容运行温度约束校核计算，包括如下步骤。

步骤2、温度约束校核。

步骤2-1.计算导体电流产生的焦耳热功率Q_j

Q_j＝(I₀k)²R

I₀为线路满载时的导体电流，k为线路负载率，R为线路的交流电阻。

步骤2-2.计算输电线路吸收太阳辐射功率Q_s

Q_s＝E_sA_sD

E_s为单位面积的太阳辐射功率，A_s为输电线路的吸收率，D为导线外直径。

步骤2-3.计算输电线路热辐射功率Q_r

Q_r＝πDεσ_B[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]

ε为辐射率，由导体表面状况决定，σ_B为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T_a为环境温度。

步骤2-4.计算输电线路对流散热功率Q_c

ρ位空气密度，V风速，μ为空气粘滞系数，K_angle为风向角因子。

步骤2-5.利用暂态热平衡方程计算导体实时温度：

m为输电线路质量，C_p为输电线路比热容，T_c为输电线路实时温度，t为时间，d为微分算子

步骤2-6，如果步骤2-5计算得到的线路实时温度低于设定的最高线路温度T_c,design，即满足温度约束，否则下调输电线路负载率重新计算线路实时温度，直至得到满足线路温度约束的最高负载率。

如图3所示，本发明的输电线路增容运行故障率约束校核计算，包括如下步骤。

步骤3，故障率约束校核。

步骤3-1.计算总等效服役时间。T_e为总等效服役时间。将总服役时间T划分为n个区间t₁,t₂,…,t_n，假定每个区间内输电线路的温度保持恒定。若输电线路在温度θ(t_i)下运行t_i时间抗拉强度的损失与参考温度θ₀下运行t_ei抗拉强度的损失相同，则称t_ei为其等效运行时间：

t_ei为等效运行时间，t_i为实际运行时间，B、m为与输电线路有关的常数，θ_i为输电线路实际运行温度，θ₀为参考温度。

总运行时间的等效服役时间：

步骤3-2，将等效服役时间T_e和线路实时温度T_c带入输电线路短期故障率模型，计算输电线路增容运行短期故障率：

h为输电线路短期故障率，β、P、Q、γ为与输电线路有关的常数，e为自然常数，T_e为总等效运行时间，T_c为输电线路实际运行温度，T_c,design为输电线路设计运行温度。

步骤3-3，如果计算得到的线路短期故障率低于设定的最高线路短期故障率h_max，即满足故障率约束，否则下调输电线路负载率重新计算输电线路短期故障率，直至得到满足输电线路短期故障率约束的最高负载率。

步骤4，选取同时满足温度约束和故障率约束的输电线路负载率。

如图4所示，本发明的输电线路增容运行经济性分析，包括如下步骤。

步骤5，经济性分析。

步骤5-1，计算输电线路增容运行带来的单位时间内的电费收益：

r为输电线路增容运行电费收益，K为输电线路负载率，S_N为输电线路设计运行容量，为功率因数角，P_out为售电电价，P_in为发电电价。

步骤5-2，计算单位时间内的线路损耗成本：

c_p＝I²R·P_out

C_p为线路损耗成本，I为电流，R为电阻。

步骤5-3，计算单位时间寿命损耗成本：

C_life为输电线路寿命损耗，v为输电线路相对老化速率，L₀为输电线路设计服役寿命，P_line为输电线路造价。

其中v为输电线路相对老化速率：

B、m为与输电线路有关的常数，θ_i为输电线路实际运行温度，θ₀为参考温度。

步骤5-4，综合三个经济性指标得到输电线路单位时间运行利润：

b_profit＝r-c_life-c_p

b_profit为输电线路单位时间运行利润，r为输电线路增容运行电费收益，C_life为输电线路寿命损耗，C_p为线路损耗成本。

步骤6，得到最终的输电线路增容运行方案，包括增容运行负载率和增容运行时间，以及单位时间增容运行利润。输电线路在该负载率下满足温度约束和故障率约束，其增容运行的经济性由输电线路增容运行单位时间净收益指标给出。