智能输电线路

文/姚晨辉

架空输电线路

架空输电线路能将发电厂发出的电能输送到远方的用户那里。 但是，不要把输电线路简单地看作是电线和线杆的组合，那是老皇历了。 今天的架空输电线路早已与时俱进，蜕变为智能线路，是智能电网家族的重要成员。

虽然名字叫线路，架空输电线路可不只有导线，还有线路杆塔、绝缘子、线路金具、拉线、杆塔基础、接地装置等设施。在由变电、输电和配电三个单元组成的电力网中，输电线路隶属输电单元，它还有一个“兄弟”叫地下线路。地下线路采用电缆，多用于架空线路架设困难的地区（如城市或特殊跨越地段）的输电、通信。与地下线路相比，架空输电线路的建设成本低、施工周期短，易于检修维护，是电力工业发展以来所采用的主要输电方式。因此，人们通常称架空输电线路为输电线路。

输电时，首先要用变压器将发电机发出的电能升压，然后再经断路器等控制设备将电能接入输电线路，送往远方。随着输电技术的发展，输电线路所承受的电压越来越高，一般来说，输送电能的容量越大，线路采用的电压就越高。采用高压输电，可有效地减少线路损耗，降低单位造价，并减少土地占用量。

输电电压一般分高压、超高压和特高压，特高压电网指1 000千伏及以上交流电网或±800千伏以上的直流电网。目前，中国的特高压电网建设在国际上处于领先地位。

智能电网的兴起

2003年8月14日，美国俄亥俄州北部的一条输电线路因为电流过载，温度急剧升高而被烧断。进而发生连锁反应，导致多条输电线路相继发生故障而罢工，造成了美国东北部部分地区以及加拿大东部地区出现大范围停电。这次著名的美加大停电给被波及地区人们的工作和生活带来严重影响，造成了巨大财产损失。自那以后，美国开始利用信息技术对陈旧老化的电力设施进行彻底改造，开展智能电网研究。

同时，欧洲由于大力开发可再生能源、清洁能源，特别是风能、水电、太阳能和生物质能，也开始研发适应分布式电源发展的智能电网。

随着社会的快速发展和科技的不断进步，电力资源在社会发展进程中扮演的角色愈发重要。如何确保电力资源稳定、高效地输送成为影响国家发展的重要环节。在信息时代的大背景下，被称作“电网2.0”的智能电网应运而生。从2007年开始，我国开始进行智能电网的研究和建设。

智能电网以物理电网为基础（我国的智能电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础），将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。

智能电网是可以实现完全自动化运行的现代输配电网络，它主要由智能控制中心、智能变电站、智能线路、智能设备、智能保护系统和智能需求侧管理系统构成。能实现发电、输电、变电、配电、供电等关键设备的实时监测控制。智能电网具有安全可靠、兼容性强、经济高效、自治自愈的特点，可以灵活应对袭击和自然灾害，兼容多种发电和储能方式，支持大规模分布式电源即插即用等。

输电线路的智能进化

输电线路是电网的核心基础环节，在电网中的分布最广。 但是，由于输电线路直接暴露在大气环境中，会受到气温变化、强风暴、冰雪、雷电、雨雾以及洪水等的影响，导致绝缘强度降低，严重时会造成停电事故。

因此，输电线路是智能电网中非常脆弱的一环，它发生的故障约占电力设备总故障数的95%。如何实现输电线路的智能化，就成为智能电网发展的一个技术瓶颈。

为此，上海交通大学的刘亚东团队实施了“架空输电线路智能化关键技术及装置”项目。在该项目中，他们从两个方面入手来提升输电线路的智能化水平：一是在输电线路发生故障后快速定位；二是动态提升输电线路的输送能力，满足用电高峰需求。

刘亚东团队瞄准了反映线路输送电能的一个重要参数——温度，因为温度越高，代表流经输电线路的电流越大，即输送的电能越多。但输电线路所能承受的温度也有一个限值，超出这一限值时，输电线路就会像人发高烧一样，很容易发生故障。

该团队为输电线路建立了热力学模型，发明了基于张力和温度稳态参量的热稳定容量评估模型，使容量评估更为准确，解决了单点温度测量值无法代表整条线路温度的难题。他们还建立了增容运行、N-1故障等不同工况下的运行准则。现场试验表明，该方法可将输电线路的输送容量提高35%。

该项目成功研制了针对输电线路的分布式故障定位装置、动态增容装置、综合监测装置、故障录波装置和状态评估与故障分析系统，大大提升了输电线路的智能化水平，从而荣获2017年度上海市技术发明奖一等奖。

（原载于《科学画报》2021年第9期，本文受到上海科委2019年度“科技创新行动计划”科普领域项目资助。项目名称：“立足科创中心，传播尖端科技——打造上海重大获奖科技成果科普化融媒体专栏”；项目编号：19DZ2332600。）

本文选自《科学画报》

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