农配网输电线路带负荷融冰装置及融冰方法与流程

本发明具体涉及一种农配网输电线路负荷融冰装置及融冰方法。

背景技术：

随着经济技术的发展，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，电力系统的可靠稳定运行就成为了电力系统的最重要的任务之一。

但是，随着极端寒冷天气以及冰雪灾害频发，电力线路的覆冰情况日益严重。输电线路覆冰后易引起断线倒杆，严重威胁到电网的安全运行和供电可靠性。线路覆冰危害主要表现在倒塔断线、绝缘子闪络、导线舞动、跳闸等方面，严重时甚至可能导致电网瘫痪。为减轻冰灾对输电线路造成的影响，国内外进行了各种除冰融冰技术研究，已提出的融冰方法有几十种，按其工作原理一般分为四类：热力融冰、机械除冰、自然被动除冰及其他方法。其中热力融冰则具有融冰时间短、操作简单、易于实施等明显优势，是目前唯一获得大规模工程应用的除冰方式，在冰灾严重的加拿大、俄罗斯、中国等地区获得了广泛应用。

热力融冰是将电能转换为热能的融冰技术，通过在输电导线中流过较大的电流来导线发热，达到融冰目的。已有线路融冰方法可分为短路融冰和带负荷融冰两大类：短路融冰，是将线路从主网断开，在线路一端外施融冰电源并在线路另一端设置短路点，再将短路电流控制在所需融冰电流范围内使导线发热融冰。根据外施融冰电源的类型，又可分为交流短路融冰和直流短路融冰两类。其中交流短路融冰一般适用于在110kv及以下电压等级线路，直流融冰则在各等级输电线路获广泛应用。但短路融冰期间需中断该条线路的电力输送，这对不容许停电的骨干输电线路或单电源供电的重要用户线路而言，常常是无法接受的。带负荷融冰，是在线路不停电的情况下，通过增大线路负荷电流来达到融冰目的。最典型的带负荷融冰方式是利用移相变压器增加双回线路间环流，或利用统一潮流控制器(upfc)来增大覆冰线路电流以融冰。此外，还可通过电网调度调整调整改变潮流分布，增加覆冰线路负荷电流，增大线路发热量以实现融冰。这种方法对于截面较小的110kv及以下线路有一定的可行性，但对于220kv及以上电压等级的线路而言，由于导线截面大即融冰电流大、加之系统容量和运行方式的限制，容易引起各电压等级线路的系统稳定问题。前述所有基于改变线路潮流的融冰方法只能应用于双回或网状线路，同时由于融冰电流一般是线路额定负荷电流的2-3倍以上，这种通过改变潮流来融冰的方法对系统稳定性会带来极大的安全隐患。此外，还有针对多分裂导线的电流转移法，通过让多分裂导线彼此绝缘并加装负荷开关，可以通过把线路电流集中在某一分裂导线上，增大发热量而融冰，通过各分裂导线间的切换，使线路覆冰完全融化。这种方法要求线路分裂导线间相互绝缘，故需要对线路进行大范围改造，同时仅适用于电压等级较高的多分裂导线。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种融冰时能够兼顾线路供电质量、融冰效果好、成本低廉且可靠性高的农配网输电线路负荷融冰装置。

本发明的目的之二在于提供一种所述农配网输电线路负荷融冰装置的融冰方法。

本发明提供的这种农配网输电线路负荷融冰装置，包括首端svg(staticvargenerator，静止无功发生器)模块、首端连接模块、首端连接开关、末端svg模块、末端连接模块和末端连接开关；首端svg模块、首端连接模块和首端连接开关依次串联，末端svg模块、末端连接模块和末端连接开关依次串接；首端连接开关连接在待融冰农配网线路的电源侧并接入待融冰农配网线路，末端连接开关连接在待融冰农配网线路的非电源侧并接入待融冰农配网线路；末端svg模块通过末端连接模块和末端连接开关输出融冰所需无功电流并注入待融冰农配网线路，从而对待融冰农配网线路进行融冰；首端svg模块通过首端连接模块和首端连接开关输出无功功率并注入到待融冰农配网线路，从而保证待融冰农配网线路的各点电压在容许范围内。

所述的首端svg模块、首端连接模块和首端连接开关布置在第一移动平台上，末端svg模块、末端连接模块和末端连接开关布置在第二移动平台上，从而保证所述农配网输电线路负荷融冰装置的机动性能。

所述的首端连接开关为带电快接线夹，可采用跌落式断路器实现，一端固定连接到输电导线上，另一端连接到svg模块的交流输入端，中间用跌落式断路器来实现接入到线路上或者从线路断开。

所述的末端连接开关为带电快接线夹，可采用跌落式断路器实现，一端固定连接到输电导线上，另一端连接到svg模块的交流输入端，中间用跌落式断路器来实现接入到线路上或者从线路断开。

所述的首端连接模块包括首端进线开关、首端连接电抗和首端软上电单元；首端进线开关、首端连接电抗和首端软上电单元依次串联，且首端进线开关连接首端连接开关，首端软上电单元连接首端svg模块；首端进线开关用于接通或关断首端侧的电源信号；首端连接电抗用于滤除首端侧电源信号中的纹波信号；首端软上电单元用于首端svg模块启动时的软上电启动。

所述的首端连接模块还包括首端滤波电容；首端滤波电容的一端连接在首端软上电单元与首端svg模块之间了，首端滤波电容的另一端接地；首端滤波电容用于滤除首端svg模块输出的电源信号中的高频谐波，从而避免待融冰农配网线路中各点电压中的高频纹波含量超标。

所述的末端连接模块包括末端进线开关、末端连接电抗和末端软上电单元；末端进线开关、末端连接电抗和末端软上电单元依次串联，且末端进线开关连接末端连接开关，末端软上电单元连接末端svg模块；末端进线开关用于接通或关断末端侧的电源信号；末端连接电抗用于滤除末端侧电源信号中的纹波信号；末端软上电单元用于末端svg模块启动时的软上电启动。

所述的末端连接模块还包括末端滤波电容；末端滤波电容的一端连接在末端软上电单元与末端svg模块之间了，末端滤波电容的另一端接地；末端滤波电容用于滤除末端svg模块输出的电源信号中的高频谐波，从而避免待融冰农配网线路中各点电压中的高频纹波含量超标。

本发明还提供了一种所述农配网输电线路负荷融冰装置的融冰方法，包括如下步骤：

s1.将首端svg模块、首端连接模块和首端连接开关串联，将首端连接模块中的首端进线开关断开，并将首端连接开关连接到待融冰农配网线路的电源侧并接入待融冰农配网线路；

s2.将首端svg模块调整为电压控制模式，且电压控制指令按照线路最高电压不超过配网最高容许电压设置；

s3.将末端svg模块、末端连接模块和末端连接开关串联，将末端连接模块中的末端进线开关断开，并将末端连接开关连接到待融冰农配网线路的非电源侧并接入待融冰农配网线路；

s4.将末端svg模块调整为电流控制模式并输出电流为感性电流，且输出电流的幅值按照待融冰农配网线路的线型所需的融冰电流进行设置；

s5.将首端进线开关和末端进线开关闭合，首端svg模块和末端svg模块开始充电，并在充电完成后开始对待融冰农配网线路进行融冰；

s6.融冰完成后，逐渐减少首端svg模块和末端svg模块的输出功率直至完全空载，然后断开各自的进线开关，再取下连接开关，融冰完成。

本发明提供的这种农配网输电线路负荷融冰装置及融冰方法，通过在两个svg模块及两者之间的线路间构成无功电流回路的方式进行融冰，因此本发明能够带负荷融冰，融冰期间可保持线路正常供电而不需要电力传输，同时融冰线路供电电压都在容许范围内；而且本发明不需要改动被融冰线路的结构。融冰前将两台svg模块用连接开关连接到覆冰线路即可开始融冰，融冰结束后取下连接开关即可恢复线路正常状态，融冰不需要事前对被融冰线路做硬件改动，仅需在融冰时即插即用即可，方便快捷、适用性强；最后，本发明设备简单通用且易于实现。

附图说明

图1为本发明的融冰装置功能模块示意图。

图2为本发明的融冰装置的等效电路示意图。

图3为本发明的融冰装置的融冰段的电压电流矢量示意图。

图4为本发明的融冰装置的实施例的仿真结果示意图。

图5为本发明的融冰方法的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的融冰装置的功能模块示意图：本发明提供的这种农配网输电线路负荷融冰装置，包括首端svg模块、首端连接模块、首端连接开关、末端svg模块、末端连接模块和末端连接开关；首端svg模块、首端连接模块和首端连接开关依次串联，末端svg模块、末端连接模块和末端连接开关依次串接；首端连接开关连接在待融冰农配网线路的电源侧并接入待融冰农配网线路，末端连接开关连接在待融冰农配网线路的非电源侧并接入待融冰农配网线路；末端svg模块通过末端连接模块和末端连接开关输出融冰所需无功电流并注入待融冰农配网线路，从而对待融冰农配网线路进行融冰；首端svg模块通过首端连接模块和首端连接开关输出无功功率并注入到待融冰农配网线路，从而保证待融冰农配网线路的各点电压在容许范围内。

其中，首端连接模块包括首端进线开关、首端连接电抗、首端滤波电容和首端软上电单元；首端进线开关、首端连接电抗和首端软上电单元依次串联，且首端进线开关连接首端连接开关，首端软上电单元连接首端svg模块；首端进线开关用于接通或关断首端侧的电源信号；首端连接电抗用于滤除首端侧电源信号中的纹波信号；首端软上电单元用于首端svg模块启动时的软上电启动；首端滤波电容的一端连接在首端软上电单元与首端svg模块之间了，首端滤波电容的另一端接地；首端滤波电容用于滤除首端svg模块输出的电源信号中的高频谐波，从而避免待融冰农配网线路中各点电压中的高频纹波含量超标。末端连接模块包括末端进线开关、末端连接电抗、末端连接电容和末端软上电单元；末端进线开关、末端连接电抗和末端软上电单元依次串联，且末端进线开关连接末端连接开关，末端软上电单元连接末端svg模块；末端进线开关用于接通或关断末端侧的电源信号；末端连接电抗用于滤除末端侧电源信号中的纹波信号；末端软上电单元用于末端svg模块启动时的软上电启动；末端滤波电容的一端连接在末端软上电单元与末端svg模块之间了，末端滤波电容的另一端接地；末端滤波电容用于滤除末端svg模块输出的电源信号中的高频谐波，从而避免待融冰农配网线路中各点电压中的高频纹波含量超标。

因此，本发明的融冰装置的等效电路示意图如图2所示。

在具体实施时，首端svg模块、首端连接模块和首端连接开关布置在第一移动平台上，末端svg模块、末端连接模块和末端连接开关布置在第二移动平台上，从而保证所述农配网输电线路负荷融冰装置的机动性能。

在具体应用时，首端连接开关为带电快接线夹，可采用跌落式断路器实现，一端固定连接到输电导线上，另一端连接到svg模块的交流输入端，中间用跌落式断路器来实现接入到线路上或者从线路断开；末端连接开关为带电快接线夹，其结构与前述相同。

在发明的融冰装置在具体应用时，基本步骤如下：

在启动融冰前，先将两台svg分别连接到配网线路并充电，具体步骤为：

先保持进线开关断开；然后用绝缘工器具将快接线夹连接到带电的农配网线路上，并使快接线夹与导线紧密且牢靠接触(必要时可先清除接线处的覆冰)；再合上进线开关为svg充电，按照svg的典型上电方法充电至额定电压并保持空载运行。

在实施融冰时，控制两个svg的输出无功电流对两者之间的线路通流融冰并调控线路各点电压不超过容许电压范围，具体步骤包括：

对尾端svg，首先通过查阅《融冰技术导则》等技术手册或经典数学公式得到给定线型及其环境温度下的导线融冰电流需求，然后控制尾端svg输出前述所需幅值的基波无功电流，通常尾端svg输出无功电流可设为感性。

对首端svg，选择其工作在以接入点电压为控制目标的定电压模式。该电压指令值可设置为略低于线路最高容许电压或约等于基准工作电压，然后控制接入点电压闭环跟踪该指令值。

为了保证方案上可行，在配置两个svg的位置时需要考虑一些约束条件：

根据国标gb12325-2008《电能质量供电电压偏差》规定：20kv及以下三相供电电压偏差为标准值的±7％。这意味着对于常见的10kv农配网线路，电压只能在9.3kv-10.7kv之间变化，在对10kv线路实施融冰时，考虑到电压控制误差及负荷波动，可设置首端svg的电压指令为10.5-10.6kv之间，且对应的尾端svg接入点电压理论值不低于9.4kv、用户侧电压理论值不低于9.3kv。如果各点电压的理论计算值超过前述范围，表明当前两个svg的接入位置不恰当，此时应缩短两个svg间的接入距离。

在这种融冰方式下，线路各点的电压电流满足以下数量关系：

iga＝iab+ia

iab＝ibu+ib

式中iga、iab和ibu分别在图2中有标示；ia和ib为两个svg注入到线路的电流，电流方向参见图2。

ua＝ug-igazga

ub＝ua-iabzab

uu＝ub-ibuzbu

式中ug、ua、ub和uu分别在图2中有标示；zga、zab和zbu分别为图2各段线路的阻抗；

以ub＝ua-iabzab为例，2个svg接入点间的电压电流矢量关系如图3所示，其电压关系可展开为：

式中为电流矢量iab滞后于电压矢量ua的相位角，ua表示电压矢量ua的幅值，iab表示电流矢量iab的幅值，rab和xab分别表示线路ab之间的电阻和电抗参数。

在典型线路参数和电压电流数值下，上式中的实部远小于虚部，即其实部和虚部间满足如下关系：

此时，式中虚部部分虽然会影响b点电压的相位，但对b点电压幅值的影响很小(不超过1.5％)，故简化计算时可忽略虚部对b点电压幅值的影响。由此得到b点电压幅值的解析表达式：

因svg输出电流主要为无功分量，同时线路负荷电流远小于融冰电流(配网线路的融冰需求电流通常为线路正常负荷电流3倍以上)，故融冰期间线路ab间电流以无功分量为主导，即功率因数较小，上式中一般远小于其他两项，故而可认为ab两点的电压幅值满足以下近似关系：

ub≈ua+xabiab

根据上式，可以计算利用svg融冰方法时的ab两点间最大线路长度即单次融冰距离上限，可表示为：

由此可以计算集中典型10kv农配网输电线路的最大融冰距离，如下表1所示。当线路覆冰段长度超过最大融冰距离时，不能直接将svg布置在覆冰段两端进行融冰，而需要缩短两个svg之间的接入距离，即分多次融冰。

表1集中典型10kv农配网输电线路的最大融冰距离示意表

以下结合一个具体实施例，对本发明方法进行进一步说明：

设定该10kv配网线路总长9.8km，线型lgj-95，其中严重覆冰段长3.6km，其一端距离主网变电站4.2km，另一端距离末端用户侧2.0km，线路沿线装有多个10kv/380v的配网变压器。

针对该覆冰线路，因线路沿线配置有配网变压器，为了保证供电电能质量，则融冰期间该线路不仅末端而且线路中间各处电压都必须在9.3kv-10.7kv之间变化。根据前表的计算数据，该线路线型所需的融冰电流为440a，理论最大单次融冰距离为4.5km，超过覆冰段长度，因此可以将两台svg分别布置在覆冰端的首尾两端。

其中尾端svg静输出电流按照该440a设计，其出口高频滤波电容设计为10uf，该电容流过的工频相电流19a，另外再考虑一定的裕量，该svg额定出口电流可以按照1.1倍*(440a+19a)＝505a，该svg额定容量按照1.732×10kv×505a＝8.7mvar。

首端svg不仅要抵消尾端svg输出的感性无功电流，同时还要支撑接入点线路电压。为了将a点接入点线路电压支撑到10kv*(1+7％)附近，根据式(3)并参照ab两点之间电压关系，可以得到线路段ag中流过的电流为：

由于a点电压超过电网电压，所以前述ag中电流为容性电流。

由此可以计算出a点svg输出电流为：

ia≈iga-iab≈-234a-440a＝-674a

其中首端svg净输出电流按照容性674a设计，其出口高频滤波电容设计为10uf，该电容流过的工频相电流19a，另外再考虑一定的安全裕量，该svg额定出口电流可以按照1.1倍*(674a-19a)＝720a，该svg额定容量按照1.732×10kv×720a＝12.4mvar。

综合前述计算可知，尾端svg额定输出电流按照略大于该农配网线路线型对应线路融冰电流设计，而首端svg额定输出电流则还需要考虑首端svg支撑该点电压所需的无功电流，因此首端svg额定输出电流相对偏大一些。同理，对其他配网工况也可以进行类似设计。对典型的10kv农配网线路而言，参考前述计算可知，两台svg的额定容量都在10mvar左右，其中尾端svg容量不超过10mvar，首端svg容量不超过15mvar，其容量、造价和可移动性都在可接受的范围内。

根据前述实施实例，在仿真系统中建立了一个农配网带负荷融冰系统的仿真模型，线路参数按照前述数值给定，所得仿真结果如图4所示。

图中在0.26s时，a点svg开始稳压；0.4s时，b点svg开始注入感性电流并缓慢增加，0.8s时b点svg电流达到额定值，之后进入稳态工作模式。可以看到，在0.8s之后的稳态融冰工况，线路段ab间相电流的有效值为440a左右，达到lgj-95导线正常融冰所需电流；与此同时，线路上a、b、y各点电压都在9.3-10.7kv范围内，具体而言a点电压率低于10.7kv、b点电压约为10.4kv、用户侧y点电压虽然低于b点但也略高于10.3kv，即线路各点电压都在容许范围内，再结合对各电压的fft分析可知，各电压thd均在1.5％以内，即使考虑正式融冰前的启动阶段，各点电压也在9.3-10.7kv范围内，由此说明该线路融冰期间可以正常供电且电能合格。

如图5所示为本发明的融冰方法的方法流程图：本发明提供的这种所述农配网输电线路负荷融冰装置的融冰方法，包括如下步骤：

s1.将首端svg模块、首端连接模块和首端连接开关串联，将首端连接模块中的首端进线开关断开，并将首端连接开关连接到待融冰农配网线路的电源侧并接入待融冰农配网线路；

s2.将首端svg模块调整为电压控制模式，且电压控制指令按照线路最高电压不超过配网最高容许电压设置；

s3.将末端svg模块、末端连接模块和末端连接开关串联，将末端连接模块中的末端进线开关断开，并将末端连接开关连接到待融冰农配网线路的非电源侧并接入待融冰农配网线路；

s4.将末端svg模块调整为电流控制模式并输出电流为感性电流，且输出电流的幅值按照待融冰农配网线路的线型所需的融冰电流进行设置；

s5.将首端进线开关和末端进线开关闭合，首端svg模块和末端svg模块开始充电，并在充电完成后开始对待融冰农配网线路进行融冰；

s6.融冰完成后，逐渐减少首端svg模块和末端svg模块的输出功率直至完全空载，然后断开各自的进线开关，再取下连接开关，融冰完成。