CN102340139B - 输电线路输送容量动态测算系统及方法 - Google Patents

Abstract

输电线路输送容量动态测算系统及方法，涉及输电技术。本发明包括包括设于输电线路上的数据采集终端、通过通信网络与数据采集终端相连的监控主站、以及与监控主站通信连接的数据采集与监视控制子系统，所述的数据采集终端至少包括导线张力传感器、温度传感器和风力传感器。能比较准确地动态确定线路最大容许输送容量，能提升电网输送能力，提高原有线路的利用率，达到少建或缓建输电线路的目的。

Description

输电线路输送容量动态测算系统及方法

技术领域

本发明涉及输电技术，具体是一种用于110KV及以上架空输电线路的输送容量动态测算系统及方法。

背景技术

由于中国电力对DLR（动态提高输电线路输送容量）技术的迫切要求，2003年美国The Valley Group Inc.的CAT1系统已经在中国设立了代理公司，美国EPRI的DTCR由于技术原因还很难大面积推广。中国也有一些小的私营公司进入这个研究领域，但由于技术水平所限，他们很难开发出电力系统的实用的DLR系统。

经济建设和社会发展需求的要求。我国史无前例的电力持续增长急需DLR技术，社会需求是技术发展的最大因素。我国地域辽阔、气候条件复杂，采用目前的静态输送容量方式存在明显缺陷，在不增加较多投资的情况下，采用DLR技术的动态方式是最经济的提高输送容量方案。

在这种背景下，开发出一种利用实际气象条件和对线路参数进行实时监测来确定线路动态容量的监测系统，允许设备超负荷运行而不会带来危害的技术具有重要理论和现实意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种输电线路输送容量动态测算系统及方法，来提升电网输送能力，提高原有线路的利用率，达到少建或缓建输电线路的目的。

为此，本发明采用以下技术方案：

输电线路输送容量动态测算系统，其特征在于：它包括设于输电线路上的数据采集终端、通过通信网络与数据采集终端相连的监控主站、以及与监控主站通信连接的数据采集与监视控制子系统，所述的数据采集终端至少包括导线张力传感器、温度传感器和风力传感器；

其中，所述的监控主站从数据采集终端获得导线张力和环境温度、风力信息，从数据采集与监视控制子系统获得导线实时负荷信息，然后计算线路的导线平均温度、导线弧垂，进而确定线路的容许输送容量，并将结果返回给数据采集与监视控制子系统数据库，显示实时容许输送容量；

所述容许输送容量的确定包括如下步骤：

1）数据采集终端的导线张力传感器测得导线的张力，温度传感器测得导线的环境温度，风力传感器测得风速和风向，监控主站根据导线的张力、环境温度、风速、风向计算导线的弧垂；

2）建立导线的张力-弧垂-温度曲线图表，从而得到导线的平均温度；

3）当导线的温度高于环境温度5摄氏度以上时，采用导线温度模型根据环境温度、导线温度、导线电流及热平衡方程计算输送容量；当导线的温度高于环境温度5摄氏度或5摄氏度以内时，采用气候模型根据环境温度、风速、风向以及经验表达式来计算输送容量。

作为对上述技术方案的完善和补充，本发明进一步采取如下技术措施或是这些措施的任意组合：

所述的数据采集终端设于输电线路耐张杆塔上。

相应地，本发明还提供一种输电线路输送容量动态测算方法，所述的监控主站从数据采集终端获得导线张力和环境温度、风力信息，从数据采集与监视控制子系统获得导线实时负荷信息，然后计算线路的导线平均温度、导线弧垂，进而确定线路的容许输送容量，并将结果返回给数据采集与监视控制子系统数据库，显示实时容许输送容量。

所述容许输送容量的确定包括如下步骤：

1）数据采集终端的导线张力传感器测得导线的张力，温度传感器测得导线的环境温度，风力传感器测得风速和风向，监控主站根据导线的张力、环境温度、风速、风向计算导线的弧垂；

2）建立导线的张力-弧垂-温度曲线图表，从而得到导线的平均温度；

3）当导线的温度高于环境温度5摄氏度以上时，采用导线温度模型根据环境温度、导线温度、导线电流及热平衡方程计算输送容量；当导线的温度高于环境温度5摄氏度或5摄氏度以内时，采用气候模型根据环境温度、风速、风向以及经验表达式来计算输送容量。

计算弧垂时，根据公式弧垂

其中，RS为耐张段架空线的代表档距，综合比载

gθ为作用在电线单位长度上的风荷比载，g_h为导线的自重比载，σ₀为与比载作用线相垂直的纵向应力分量，β为耐张段各档架空线悬挂点高差角。

有益效果：本发明能比较准确地动态确定线路最大容许输送容量，能提升电网输送能力，提高原有线路的利用率，达到少建或缓建输电线路的目的。

附图说明

图1为本发明系统的示意图；

图2为本发明容许输送容量的确定流程图；

图3为本发明一个例子的实时输电容量图。

具体实施方式

如图1所示的输电线路输送容量动态测算系统，由多个装设在架空输电线路耐张杆塔上的DLR数据采集终端（DTU）和设在调度中心的一个DLR监控主站（DMS）构成。DTU与DMS之间通过公共移动通信网利用GSM短消息或GPRS网络实现数据传输。系统架构如图所示。

系统正常运行时，DMS从DTU获得导线张力和环境气候状态实时数据，从SCADA系统（数据采集与监视控制子系统）获得实时负荷信息，然后计算线路的导线平均温度、导线弧垂，进而确定线路的容许输送容量，可以将结果返回给SCADA系统数据库，并将实时容量显示在操作员控制平台上。

如图2所示，本发明测算流程主要包括：

1）通过测量导线的张力得出导线的弧垂

线路动态容量监测系统带有张力监视，张力传感器测量导线的张力，根据测得的气候条件（如环温、风速、风向等）来计算导线的弧垂。建立导线的力学数学模型，在风偏平面内计算导线的弧垂。

2）求导线温度

根据测得的张力建立导线的张力-弧垂-温度曲线图表，从而得到导线的平均温度。

3）根据热平衡方程来计算导线容量

采用气候模型(WM)、导线温度模型（CTM）相结合的方法，来求出输电线路容量。

计算弧垂时，根据公式弧垂

其中，RS为耐张段架空线的代表档距，综合比载

gθ为作用在电线单位长度上的风荷比载，g_h为导线的自重比载，σ₀为与比载作用线相垂直的纵向应力分量，β为耐张段各档架空线悬挂点高差角。

导线温度的计算也可采用下述方法：

起始条件下，一定气候条件下的水平应力可知。然后根据测得的张力，得出水平应力，代入状态方程，即可得出导线的温度。

架空线路导线的状态方程式（无高差状态）：

${\mathrm{\σ}}_n-\frac{l^2{g_n}^{2}E}{24{{\mathrm{\σ}}_n}^2}={\mathrm{\σ}}_m-\frac{l^2{g_m}^{2}E}{24{{\mathrm{\σ}}_m}^2}-\mathrm{\αE}(t_n-t_m)$

式中，α——架空线的温度膨胀系数，1/°C；

E——架空线的弹性系数，kg/mm²；

σ_n——比载为g_n、气温为t_n时，架空线的水平应力，kg/m*mm²；

σ_m——比载为g_m、气温为t_m时，架空线的水平应力，kg/m*mm²；

这里α和E均按国标取定，参照《高压架空输电线路施工技术手册》中附录6，P338，这里取α=18.93*10^-6（1/°C），E=8000（kg/mm²）。

在有高差连续档正常运行情况下，当两种状态均为无风或低风速的气象条件时，上式变为如下形式：

$\mathrm{RS}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{l_i}^3\cos {\mathrm{\β}}_i}{\mathrm{\Σ}{l}_i/\cos {\mathrm{\β}}_i}}$

为耐张段的代表高差角。

（或者

${\mathrm{\σ}}_n-\frac{{\mathrm{RS}}^2{g_n}^2{E}_{\mathrm{RS}}}{24{{\mathrm{\σ}}_n}^2}={\mathrm{\σ}}_m-\frac{{\mathrm{RS}}^2{g_m}^2{E}_{\mathrm{RS}}}{24{{\mathrm{\σ}}_m}^2}-{\mathrm{\αE}}_{\mathrm{RS}}(t_n-t_m)$

E_RS——耐张段架空线的代表弹性系数，kg/mm²；

各档悬挂点不等高时， $E_{\mathrm{RS}}=E*\frac{\mathrm{\Σ}{l}_i/\cos {\mathrm{\β}}_i}{\mathrm{\Σ}{l}_i/{\cos }^2{\mathrm{\β}}_i};$

采用此法，最终计算公式与前公式相同。）

有风情况下：

其中，l'、l——分别为有风和无风状态下耐张段的代表档距，m；

$l\′=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i/{\cos }^2{\mathrm{\β}}_i}{\mathrm{\Σ}{l}_i/\cos {\mathrm{\β}}_i}\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{l_i}^3\cos {\mathrm{\β}}_i(1+{\mathrm{tg}}^2{\mathrm{\β}}_i{\sin }^2\mathrm{\η})}{\mathrm{\Σ}{l}_i/\cos {\mathrm{\β}}_i}}=\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{l_i}^3\cos {\mathrm{\β}}_i(1+{\mathrm{tg}}^2{\mathrm{\β}}_i{\sin }^2\mathrm{\η})}{\mathrm{\Σ}{l}_i/\cos {\mathrm{\β}}_i}}$

当考虑到两端都联有耐张绝缘子串，且不等高的情况下时（孤立档）：

对于连续档，

式中，K_2m——气象条件为gm，tm时，悬挂点不等高的架空线，两端都联有绝缘子串的比载增大系数；

g_0m——气象条件为gm，tm时,耐张绝缘子串的比载，kg/m*mm²；

$g_{0m}=\frac{\mathrm{Gm}}{\mathrm{\λS}}$

λ——耐张绝缘子串的长度，m；

Gm——气象条件为gm，tm时，耐张绝缘子串的重量，kg；

S——架空线的截面积，mm²；

K_2n同理。

采用气候模型(WM)计算输电线路容量的方法可参照《电力工程电气设计手册》。

采用导线温度模型计算输电线路容量时，根据热平衡方程来计算：

稳态热平衡：

I²*R(Tc)+q_s=q_c+q_r

即 $I=\sqrt{\frac{\mathrm{qc}+\mathrm{qr}-\mathrm{qs}}{R\left(\mathrm{Tc}\right)}}$

暂态热平衡：

I²*R(Tc)+q_s=M·Cp·dTc/dt+q_c+q_r

$I=\sqrt{\frac{M*\mathrm{Cp}*\mathrm{dTc}/\mathrm{dt}+\mathrm{qc}+\mathrm{qr}-\mathrm{qs}}{R\left(\mathrm{Tc}\right)}}$

其中，q_c————对流热散热；

q_r——辐射散热；

q_s——日照的热增益；

Cp——导体的比热；

Tc——导体的温度；

R(Tc)为导线在当时温度时的电阻；

Tc为导线温度，I为导线电流。

其中，对流散热(q_c)，辐射散热（q_r），日照的热增益（q_s）的计算可根据IEEE738标准进行。

图3是系统典型24小时内的实时输电容量图。紫线是负载值，蓝线是基于CTM的容量曲线。当线路有足够的负载时，用基于张力的CTM算法计算容量，当负载引起的导线温度不高或风速较高时，可根据WM来计算线容量。

在白天（除去凌晨）尤其是在中午线路负载比较大的情况下，CTM模型计算的热传递系数精确度比较高。通过两个热传递系数的不确定因素的建立，可建立两种模型的选取方法：即当导线温度高于环温5度以上时，宜选用CTM（温度）模型，其他情况下选用WM（气候）模型。

传感器的输出要经过合理的检测。当传感器测得的数据与理论上相差很大，或者是超过定义的合理范围之外时，就不计此传感器及与其有关的数据，包括容量。而整条线路的容量就取决于其他段的最小容量值，并且软件平台上提示“缺省容量”，如果所有的传感器都失效，则报告“容量错误”，此时容量取最初的静态容量。

本发明能实现：

1）导线张力、导线弧垂和导线平均温度监测。通过张力传感器测量导线的张力，结合气候条件（如环境温度、日照辐射、风速、风向等）来计算导线的弧垂和导线平均温度。

2）动态确定线路输送容量。结合实时监测信息和负荷条件采用气候模型(WM)和导线温度模型（CTM）相结合的方法确定输电线路最大容许输送容量。

3）微气候监测。监测环境温度、日照辐射温度、风速和风向等微气候条件。

4）容量预测。长期（1－3天）和短期（如4小时）的容量预测。

5）可与电网调度SCADA系统实现数据交换，可通过Web网页或短消息发布和查询数据。

6）导线覆冰在线监测。通过导线张力测量结合气候条件可以在线监测导线覆冰状况。

7）系统具有很好开放性，可灵活配置系统参数和运行参数，方便维护、使用和升级。

8）自动对各类数据进行综合分析和计算，得出运行线路的弧垂、平均温度、实时容量等分析结果；

9）采用图形画面、表格和曲线等方式显示实测数据和结果数据，便于分析实时运行情况和发展趋势。

10）通过Web网络和手机实现信息发布和查询。

对于电力公司：以长度32公里的线路为例，采用此技术的典型投资为约350万元；能提高到20%的输电容量，电力公司1年左右收回成本。而与此相比，采用加装FACTS设备或其他装置的方式提高线路容量，获得同样效益的费用约为3－4倍；重建新线路费用约为￥1.3亿元，线路升级费用约￥0.52亿元，远远大于此系统的投资。采用此装置，我国电力公司每年可节约资金数十亿元，比如西电东送、南北互供、全国联网要求电网采用新技术，若把每回500千伏线路的输送能力提高到130万千瓦，只需新增500千伏交流线路33回，可节约500千伏交流线路约17回，节约投资53.8亿元。

应当指出，本实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.输电线路输送容量动态测算系统，其特征在于：它包括设于输电线路上的数据采集终端、通过通信网络与数据采集终端相连的监控主站、以及与监控主站通信连接的数据采集与监视控制子系统，所述的数据采集终端至少包括导线张力传感器、温度传感器和风力传感器；

其中，所述的监控主站从数据采集终端获得导线张力和环境温度、风力信息，从数据采集与监视控制子系统获得导线实时负荷信息，然后计算线路的导线平均温度、导线弧垂，进而确定线路的容许输送容量，并将结果返回给数据采集与监视控制子系统数据库，显示实时容许输送容量；

所述容许输送容量的确定包括如下步骤：

1）数据采集终端的导线张力传感器测得导线的张力，温度传感器测得导线的环境温度，风力传感器测得风速和风向，监控主站根据导线的张力、环境温度、风速、风向计算导线的弧垂；

2）建立导线的张力-弧垂-温度曲线图表，从而得到导线的平均温度；

3）当导线的温度高于环境温度超过5摄氏度时，采用导线温度模型根据环境温度、导线温度、导线电流及热平衡方程计算输送容量；当导线的温度高于环境温度5摄氏度以内时，采用气候模型根据环境温度、风速、风向以及经验表达式来计算输送容量。

2.根据权利要求1所述的输电线路输送容量动态测算系统，其特征在于：所述的数据采集终端设于输电线路耐张杆塔上。

3.根据权利要求1所述的输电线路输送容量动态测算系统的测算方法，其特征在于：所述的监控主站从数据采集终端获得导线张力和环境温度、风力信息，从数据采集与监视控制子系统获得导线实时负荷信息，然后计算线路的导线平均温度、导线弧垂，进而确定线路的容许输送容量，并将结果返回给数据采集与监视控制子系统数据库，显示实时容许输送容量；

所述容许输送容量的确定包括如下步骤：

1）数据采集终端的导线张力传感器测得导线的张力，温度传感器测得导线的环境温度，风力传感器测得风速和风向，监控主站根据导线的张力、环境温度、风速、风向计算导线的弧垂；

2）建立导线的张力-弧垂-温度曲线图表，从而得到导线的平均温度；

3）当导线的温度高于环境温度超过5摄氏度时，采用导线温度模型根据环境温度、导线温度、导线电流及热平衡方程计算输送容量；当导线的温度高于环境温度5摄氏度以内时，采用气候模型根据环境温度、风速、风向以及经验表达式来计算输送容量。

4.根据权利要求3所述的测算方法，其特征在于：计算弧垂时，根据公式弧垂其中，RS为耐张段架空线的代表档距，综合比载gθ为作用在电线单位长度上的风荷比载，g_h为导线的自重比载，σ₀为与比载作用线相垂直的纵向应力分量，β为耐张段各档架空线悬挂点高差角。

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