同桿并架雙回線功率不平衡分析

王浩遠　劉陽升　王高猛　昌柯君

摘 要：城市輸電線路受到輸電走廊限制，多采用同桿并架雙回線甚至四回線不換位架設，導致回線之間的功率差別較大，產生的循環功率直接影響電力系統運行的可靠性?，F基于PSCAD搭建同桿并架雙回線仿真模型，分析線路長度、電壓等級、單位長度電阻、線間水平距離、線間垂直距離、對地高度、大地電阻率以及線路負載等因素對回線之間功率差別的影響規律，以此指導同桿并架多回線的布置設計，降低回線之間的功率差對電力系統運行的影響。

關鍵詞：同桿并架雙回線；不換位架設；功率不平衡；影響因素

中圖分類號：TM75? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0019-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.005

0? ? 引言

隨著我國城市化快速發展，土地資源越來越緊張，導致城市電網的輸電線路走廊受到很大限制，雙回、四回甚至多回高壓輸電線路越來越多。在實際工程中，100 km以下的往往采用不換位方式架設，很容易導致各回線之間的功率相差較大，兩回線之間出現循環功率，一方面會導致網損增大，電網運行經濟性變差[1]，另一方面將使狀態估計結果出現較大誤差[2]，影響運行策略的最優決策。

現有對不換位架設同桿并架雙回線的研究，集中在分析不平衡電流的產生機理及其對故障診斷和保護動作性能的影響上。文獻[3]在排除設備缺陷和量測誤差的基礎上，采用定性分析得到每回線穿越電流不平衡產生的原因是架空線對地面位置不對稱，雙回線之間出現循環電流的原因是兩回路之間的感應零序和負序電勢之和不為零，并分析了電流不平衡對于繼電保護動作特性的影響情況。文獻[4-8]分別仿真分析了不同電壓等級的不換位同桿并架雙回線線間不平衡電流及穿越電流的產生機理，均得到了類似結論：雙回線中每回線導線的不同排列方式對于循環不平衡電流及穿越電流均有重要影響，該不平衡電流對于保護的動作特性也有重要影響。文獻[9-12]基于潮流方程的相分量法，研究了同桿并架雙回線故障電流的計算方法。

上述文獻對于雙回線之間有功傳輸功率及無功傳輸功率的差異性及影響因素并未涉及，難以得知傳輸功率差異小的條件。本文從工程實際場景出發，通過PSCAD搭建同桿并架雙回線模型，再現工程實際場景，并分析線路長度、電壓等級、單位長度電阻、線間水平距離、線間垂直距離、對地高度、大地電阻率以及線路負載等因素對回線之間功率差別的影響規律，從而確定功率差別的主要影響因素。

1? ? 不換位同桿并架雙回線線間功率不平衡現象

為了方便敘述，本文將同桿并架雙回線其中一回線的三相總有功（或三相總無功）與另一回線的三相總有功（或三相總無功）不相等的現象稱為回線間功率不平衡，并將Ⅱ線的傳輸有功功率與Ⅰ線的傳輸有功功率之差稱為回線間傳輸有功功率差，簡稱為“回線間有功差”，將Ⅱ線的傳輸無功功率與Ⅰ線的傳輸無功功率之差稱為回線間傳輸無功功率差，簡稱為“回線間無功差”。

同桿并架雙回線間功率不平衡的現象在多省區電網等實際網絡中的500 kV不換位架設短線路普遍存在，尤其以火電廠的500 kV出線最為嚴重。以我國南部某省區電網的5449線和5450線為例，局部網絡如圖1所示，該線路為同桿并架雙回線，全長65 km，采用不換位方式架設，線路電壓等級為500 kV。

該電網某運行斷面中各回線的三相有功與三相無功如表1所示，可以看出，回線間無功差比回線間有功差大，電廠側回線間有功差占雙回線總有功負載約0.7%，回線間無功差占雙回線總無功負載25.28%，相應變電站3698側分別約為0.5%和19%，回線間無功差占比要遠大于回線間有功差占比，并且該現象長期存在。

圖2畫出了2015年4月12日至14日5449線和5450線變電站3698側回線間無功差的日變化曲線，可以看出，不同負荷水平下回線間無功功率存在較大波動，觀測時間段內最小無功差約30 Mvar，最大時達到將近100 Mvar。

2? ? 不換位同桿并架雙回線仿真模型

通過收集5449線和5450線的架設參數，在PSCAD中搭建該局部網絡的等效仿真模型，如圖3所示。

不換位同桿并架雙回線的基準參數選擇如下：

導線半徑0.020 345 4 m，分裂間距0.457 2 m，分裂數4，線路單位長度電阻0.001 Ω/km，最底端的一相導線對地垂直高度23 m，導線水平距離14.5 m，線間垂直距離11 m，線路長度30 m，大地電阻率100 Ω·m，線路電壓等級500 kV，雙回線線路末端三相總有功負荷和總無功負荷分別為1 600 MW和200 Mvar，其他為PSCAD默認參數。

通過PSCAD仿真得到異相序排列與同相序排列下各線的功率和電流不對稱度情況，結果如表2、表3、表4所示。

從表2、表3、表4可以得出如下結論：

（1）異相序排列時零負序電流不對稱度遠大于同相序排列。

（2）同相序排列時雙回線之間總的有功功率、無功功率差為零；而異相序雙回線之間總的有功功率、無功功率差不為零，首末端雙回線間有功差占雙回線總有功功率約1%，首末端雙回線間無功差占雙回線總無功功率約50%，相應要實現其無功的準確估計，必須采用三相狀態估計。

（3）對于異相序排列，雙回線間無功差遠大于有功差，雙回線間無功差占雙回線總無功功率的比例遠大于雙回線間有功差占雙回線總有功功率的比例。

以上說明搭建的仿真模型基本與5449線和5450線一致，可以利用該模型進行進一步分析。

3? ? 功率不平衡的影響因素分析

線路參數是影響回線間功率不平衡的根本原因，而線路參數的主要影響因素包括單位長度電阻、線路長度、電壓等級、大地電阻率、線路對地高度、相鄰線路垂直間距、相鄰線路水平間距、線路有功負載和無功負載，考慮到影響因素比較多，限于篇幅，本文選擇線路長度、相鄰線路水平間距對回線間功率不平衡的影響進行PSCAD仿真分析。

3.1? ? 線路長度和線路三相總負載對回線間傳輸功率差的影響

在基準參數的基礎上，當線路長度在區間10～110 km內變化時，分別仿真得出不同的線路三相總有功負載、三相總無功負載下電源側的回線間傳輸有功差百分比、電源側的回線間傳輸無功差百分比，如圖4、圖5所示。

可以看出，線路長度對有功差百分比和無功差百分比幾乎沒有影響?；鼐€間有功差百分比不受線路三相總有功負載和無功負載大小影響，回線間無功差百分比受線路三相總有功負載和總無功負載影響較大：三相總有功越大，回線間無功差百分比越大；三相總無功的絕對值越小，回線間無功差百分比越大。在不同的線路長度、線路三相總有功負載和總無功負載下，回線間無功差百分比均遠大于回線間有功差百分比。

3.2? ? 相鄰線路的水平間距和線路三相總負載對回線間傳輸功率差的影響

在基準參數的基礎上，當線路水平間距在區間5～15 m內變化時，分別仿真得出不同的線路三相總有功負載、三相總無功負載下電源側的回線間傳輸有功差百分比、電源側的回線間傳輸無功差百分比，如圖6、圖7所示。

可以看出，線路水平間距對有功差百分比沒有影響，而對無功差百分比影響較大：水平間距越大，無功差越小?；鼐€間有功差百分比不受線路三相總有功負載和總無功負載大小影響，回線間無功差百分比受線路三相總有功負載和總無功負載影響較大：三相總有功越大，回線間無功差百分比越大；三相總無功的絕對值越小，回線間無功差百分比越大。在不同的線路水平間距、線路三相總有功負載和總無功負載下，回線間無功差百分比均遠大于回線間有功差百分比。

同理對其他因素進行分析，從仿真結果不難得出，單位長度電阻、線路長度、電壓等級、大地電阻率、線路對地高度、相鄰線路的垂直間距、相鄰線路的水平間距、線路三相總有功傳輸功率和總無功傳輸功率各影響因素對回線間功率差百分比的影響規律如下：

（1）回線間有功差百分比受線路三相總有功負載和總無功負載大小影響極小，回線間無功差百分比受線路三相總有功負載和總無功負載影響較大：三相總有功越大，回線間無功差百分比越大；三相總無功的絕對值越小，回線間無功差百分比越大。

（2）線路垂直間距對有功差百分比幾乎沒有影響，而對無功差百分比影響較大：垂直間距越大，無功差越大；在不同的線路垂直間距、線路三相總有功負載和總無功負載下，回線間無功差百分比均遠大于回線間有功差百分比。

（3）線路水平間距對有功差百分比幾乎沒有影響，而對無功差百分比影響較大：水平間距越大，無功差越??；在不同的線路水平間距、線路三相總有功負載和總無功負載下，回線間無功差百分比均遠大于回線間有功差百分比。

（4）其他因素，包括單位長度電阻、線路對地高度、線路長度、電壓等級和大地電阻率則可以忽略其對回線間功率差的影響。通過對其他垂直型非同相序排列的功率分布和電流不平衡度進行分析，也同樣得出與上述3個結論相同的分析結果。

采用與垂直型布置短線路不換位同桿并架雙回線的線路阻抗矩陣特點分析和雙回線間功率差機理分析相同的分析思路，可以分析水平型、鼓型和三角型布置方式下線路阻抗矩陣和雙回線間功率差的特點，也可以得出類似的結果。因此，在垂直型、水平型、鼓型和三角型布置方式下，同相序排列時可以用單相狀態估計實現準確的無功估計，但其他排列方式下必須采用三相狀態估計模型及算法才能實現準確的狀態估計。

4? ? 結束語

本文基于PSCAD仿真分析了線路長度、電壓等級、單位長度電阻、線間水平距離、線間垂直距離、對地高度、大地電阻率以及線路負載等不同影響因素對回線間功率差的影響規律，并得到了主要影響因素是線間水平距離、線間垂直距離和線路有功負載、無功負載。

基于本文的仿真結論，對于已建成的不換位同桿并架雙回線，可以根據其布置方式選擇最佳的狀態估計模型對輸電網進行狀態估計計算，以提高狀態估計的精度，而不是延續經驗均按單相模型進行計算。

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收稿日期：2023-03-13

作者簡介：王浩遠（1990—），男，河南許昌人，碩士，研究方向：電力系統調度。

劉陽升（1987—），男，廣西來賓人，博士，碩士生導師，研究方向：智能配電網。