一种考虑交联聚乙烯绝缘电缆热特性的电网潮流计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种考虑交联聚乙烯绝缘电缆热特性的电网潮流计算方法。
【背景技术】
[0002] 与架空输电线路相比，电缆输电具有环保、美观，供电可靠性高的特点，已成为城 市电网及跨海输电的主要方式之一。其中，交联聚乙烯（XLPE)绝缘高压电缆以其重量轻、 制造及附件结构相对简单，允许运行温度高等优势得到广泛应用。
[0003] 电缆载荷能力本质在于热限制，温度是表征其载荷状况的重要状态量，为了能够 准确把握电缆运行温度，电缆在线监测技术自上世纪90年代以来得到了快速发展及应用， 目前较为新式的分布式光纤温度测量系统（DTS)能够对电缆进行实时、长距离，分布式的 温度监测，为发现电缆安全隐患、把握其实时载荷能力，实施动态增容提供了技术支撑。然 而，作为元件级的在线监测技术，DTS尚未实现与电网潮流的有机结合，无法给出电网预想 运行场景（如节点注入功率的变化、预想故障等）下的电缆温度变化轨迹，从而在电网运行 分析中体现电缆的热载荷能力本质以及电缆载流与温度变化的不同步（热惯性），难免导 致电网分析结果的保守性。现有的文献中多以架空输电线路为对象，将架空输电线路热特 性方程与电网潮流方程有机结合，围绕电热耦合潮流模型及算法方面展开研究。其中包括 在忽略载流与温度不同步性的基础上，讨论电热耦合规律对潮流计算精度的影响问题，以 及电热親合潮流对温度动态轨迹的计算方法。
[0004] 在电缆线路方面，现有文献主要围绕电缆热特性展开研究，建立了 XLPE电缆热平 衡方程，并有文献通过简单算例说明了在电网运行分析及调度控制中充分利用电缆热惯性 所能带来的显著收效，但就计及电缆热特性的潮流计算技术尚未见于报道。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种考虑XLPE电缆热特性的电网潮 流计算模型及计算方法，本发明以YJV型XLPE绝缘高压电缆为对象，将电缆的热特性模型 与潮流方程相结合，引入电缆导体、金属护套及外护套温度作为状态量，提出考虑XLPE电 缆热特性的电网潮流计算模型及算法。作为电热协调理论研究的扩展，本申请能够实现预 想电网运行场景下对电缆温度轨迹的计算，为在电网运行分析与调度控制中科学评价并充 分利用电缆载荷能力奠定基础。
[0006] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0007] -种考虑交联聚乙烯绝缘电缆热特性的电网潮流计算方法，包括：
[0008] 步骤一：建立所选电缆对应的电缆等值热路；
[0009] 步骤二：在等值热路基础上，由微分方程组描述电缆的热平衡规律；微分方程组 中状态量包含有电缆导体、金属护套及外护套温度；
[0010] 步骤三：在电热耦合潮流模型的基础上，进一步引入步骤二中的微分方程组构成 考虑电缆热特性的电热耦合潮流模型；
[0011] 步骤四：考虑电缆热特性的电网潮流算法，对步骤二中的微分方程组，先通过数 值差分方法将其中的微分方程转化为代数方程，而后采用牛顿法求解得到隐式梯形差分结 果；
[0012] 步骤五：结合对架空输电线路热平衡方程的差分结果即可形成微分方程组在一个 时间断面上的代数形式，在此基础上，得到考虑电缆热特性的电网潮流模型代数化后的牛 顿法修正方程；
[0013] 步骤六：求解牛顿法修正方程，得到包括电缆温度在内的电网运行状态变化轨迹。
[0014] 所述步骤一中，电缆等值热路中，分为导体层、绝缘介质层、金属屏蔽层、外护套层 及土壤，其中，导体层等效热路包括相并联的导体损耗W。及导体热容C。，绝缘介质层等效电 路包括相并联的wdl、Cdl、Cd2及Wd2, C dl、Cd2还连接有T i，所述金属屏蔽等效电路包括相并联 的(；及W s，外护套等效电路包括Cj，土壤等效电路包括Cscil^ T 4, C# C SMl相并联且之间 还连接有T3 ;
[0015] 其中，C。、Cd、Cs、Cj, CsmAv别为导体、绝缘、金属护套、外护套及土壤的体积热容， Cdl= C d2= C d/2,此处是将绝缘热容分解为2部分，Cd为绝缘热容；T i、T3, T4分别对应绝缘 介质、外护套及土壤热阻；
[0016] W。为电缆每相线芯的导体损耗;W d为电缆每相绝缘介质损耗，将W d分为2部分分 别作用在电缆绝缘层和金属屏蔽层，有Wdl= Wd2= W d/2 ;WS为电缆每相金属套损耗，W ^Wd、 Ws表达式如下：
[0017] ffc= I 2Rref [l+α (9c-0ref)] (I)
[0018] Wti=Iwf-C.e.-V^-tgS (2)
[0019] Ws= λ (3)
[0020] 式⑴中I为电缆载流、Rraf为导体在参考温度θ 下的电阻，θ。为电缆导体温 度，α为电缆导体的电阻温度系数；式⑵中f为系统频率，(；为电缆每相电容，Vp为电缆 相电压，tg δ为介质损耗角正切值；式（3)中A1为金属套损耗的环流损失系数。
[0021] 本申请假设三相电缆等距平面敷设并进行换位，λ i可根据工程手册中对应情况 下的计算公式计算得到。
[0022] 所述步骤二中，微分方程组的描述：
[0023]
[0024] 其中，C1= Cc+Cdl，C3= Cs+C^+Cj，C4= Csoll，Θ。、Θ s，θ，Θ 3分别表示电缆导 体、金属套、外护套及地表温度，C。、Cd、Cs、C j, Cscill分别为导体、绝缘、金属护套、外护套及土 壤的体积热容，Cdl= C d2= C d/2,此处是将绝缘热容分解为2部分，Cd为绝缘热容；T i、T3, T4 分别对应绝缘介质、外护套及土壤热阻。
[0025] 电缆各层温度均与其相邻层温度相关，电缆结构层之间的热耦联关系，其中的W。 与^分别与导体载流和相电压相关，随电网运行状态变化而变化，因此式（4)也体现了电 缆运行过程中的电热耦合规律。
[0026] 所述步骤三中，考虑电缆热特性的电热耦合潮流模型表达如下：
[0027]
[0028] 上式中，Ps，Qs分别为节点注入有功、无功功率向量，下标（i)表示第i个节点，V、 S、ΘΛ、θ。。、θ & 分别为节点电压幅值、相角、架空输电线路导体温度、电缆导体、金属 护套及外护层温度向量，θ3为土壤温度，I为输电线路载流向量，上述变量下标（i)和（1) 分别表示第i个节点和第1个架空线路或电缆线路，s 为i节点与j节点相角差，G V Blj 分别为节点i与j间支路导纳相反数的实部和虚部（即网络节点导纳阵的实部和虚部）； ηιω、Cp⑴分别为架空输电线路单位长度质量和热容，q:为架空输电线路1电阻发热量、q s 为架空输电线路1日照吸热量、q。为架空输电线路1对流散热量、q 架空输电线路1热 福射散热M ;ClW = C c⑴+Cdl⑴，C3⑴=C S(1)+Cd2(1)+Cj⑴，C4⑴=C SC]il⑴，Cc⑴、Cd⑴、Cs⑴、C j⑴， Csciliw分别为电缆线路1导体、绝缘、金属护套、外护套及土壤的体积热容，其中，Cdiw = C_= CdU)/2 ;Tia)、T3U)，T4U)分别对应绝缘介质、外护套及土壤热阻;W.为电缆线路1每 相线芯的导体损耗;W dU)为电缆线路1每相绝缘介质损耗，其中将W dU)分为2部分，有W dlU) =Wd2⑴=W d⑴/2 ;WS⑴为电缆线路1每相金属护套损耗；SB为电网节点集合，Soh为架空输 电线路集合，SC为电缆输电线路集合。
[0029] 式（5)中，第1、2式联立为电网潮流方程，其与输电线路温度的关联体现在电阻参 数随温度变化，导致潮流方程中节点导纳矩阵元素成为温度的函数。第3式为架空线路热 平衡方程，与其载流及温度有关；第4~6式即为式（4)描述的电缆线路电热耦合模型。可 见，由于考虑了电缆的电热耦合关系，使式（5)微分方程个数增加，这在一定程度上增加了 计算的复杂度。基于模型（5)，若在SCADA基础上进一步实现了对架空线路和电缆的在线监 测，即可获得该模型计算所需的温度起始点，计算伴随电网运行模式变化的电缆温度变化 轨迹。
[0030] 所述步骤四中，对式（4)进行隐式梯形差分将其转化为如下代数方程组： CN 105095657 A 说明干ι 4/14 页
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