CN103176086B - 一种输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法 - Google Patents

一种输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，包括以下步骤：（1）、实时采集稳态时输电线路的气象数据及导线稳态温度参数发送给监控中心；（2）、监控中心根据步骤（1）获取的稳态时气象数据及导线稳态温度参数，通过导线稳态载流量计算公式计算导线稳态载流量；（3）、监控中心根据导线稳态载流量计算公式，建立输电线路摩尔根载流量简化公式，得出输电线路的动态增容摩尔根载流量，从而得到输送线路的输送容量。调度人员可以参考此结果对输电线路的输送容量进行调整，使输电线路在最大负荷状态下安全运行，并可做到早期预警。

Description

一种输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法
技术领域
本发明涉及输变电设备运行与管理技术领域，尤其涉及一种输电线路动态增容在线监测技术，具体涉及一种输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法。
背景技术
目前，近年来，随着我国国民经济的持续快速增长，社会用电需求也迅猛增加。由于一些输电线路的输送容量受到热稳定限额的限制，严重制约了电网的供电能力，而建设新的线路走廊投资大、建设周期长。因此，在现有输电线路的实际情况下，如何科学、安全地实现线路输送容量潜能挖掘，已成为当前电网迫切需要解决的问题。
目前，提高现有输电线路的输送载流量有两种方法:一是静态提温增容技术，但该方法突破现行技术规程的规定，改变了线路运行的安全性；二是动态监测增容技术在不突破现行技术规程规定的条件下，可保证系统稳定和设备安全运行，因此有很强的实用性。但动态监测增容技术作为一种新技术，相关理论的缺乏制约了该技术的推广应用，特别是如何根据线路周围的气象条件和导线温度进行载流量计算是个重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，能够实时监测输电线路载流量。
本发明采用下述技术方案：一种输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，包括以下步骤：（1）、实时采集稳态时输电线路的气象数据及导线稳态温度参数发送给监控中心；
（2）、监控中心根据步骤（1）获取的稳态时气象数据及导线稳态温度参数，通过导线稳态载流量计算公式计算导线稳态载流量；
（3）、监控中心根据导线稳态载流量计算公式，建立输电线路摩尔根载流量简化公式，得出输电线路的动态增容摩尔根载流量，从而得到输电线路的输送容量，进而确定输电线路增容容量。
所述的气象数据包括环境温度、环境风速、环境风向和日照强度。
所述的气象数据和导线稳态温度参数的采集采用动态增容在线监测装置，所述的动态增容在线监测装置包括有监测气象数据的动态增容监测分机和监测导线温度的导线温度监测装置，所述的动态增容监测分机安装在输电线路杆塔上，所述的导线温度监测装置安装在导线侧。
所述的动态增容监测分机包括环境温湿度传感器、环境风速传感器、环境风向传感器、日照强度传感器、主控单元、通信模块、电源模块，所述的各传感器的信号输出端与主控单元的信号输入端连接，主控单元的信号输出端通过通信模块与监控中心通信连接。
所述的通信模块包括ZigBee通信模块及OPGW通信光缆。
所述的主控单元还连接有数据存储单元和时钟单元、键盘显示单元。
所述的电源模块还连接有太阳能充电模块。
所述的导线温度监测装置包括导线温度传感器、主控单元、通信模块，所述的导线温度传感器的信号输出端与主控单元连接，所述的主控单元通过通信模块与监控中心通信连接。
所述步骤（2）的导线稳态载流量计算公式的得出的具体步骤如下所述：
（21）、建立导线发热温度达到稳态时的平衡方程；
根据热平衡原理，导线发热温度达到稳态温度时的平衡方程如式(1)：
                                                                                 (1)
式中：导线的辐射散热，W/m；：导线的对流散热，W/m；：导线的日照吸热，W/m；：工作温度下导线的单位长度交流电阻，Ω/m；I：导线载流量；
（22）、分别计算导线的辐射散热、导线的对流散热和导线的日照吸热；导线表面向周围空间辐射散热的损耗由下式计算：
                              (2)
其中：：斯蒂芬-波尔茨曼常数，，W·m-2·K-4；：导线直径，m；：环境温度的绝对值，K；：导线稳态温度的绝对值，K；：导线表面辐射系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.9～0.95；
由于自然风的存在，导线的对流散热的热损耗由下式计算：
                              (3)
式中，：与导线相接触的空气膜导热系数，假定不变并等于0.02585，W·m-1·K-1；
：欧拉数，由下式给出：
                            (4)
：雷诺系数，由下式给出：
                     (5)
：风速，m/s；：导线直径，m；
导线吸收的太阳辐射热由下式计算：
                                        (6)
式中，：导线吸收系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.9～0.95；：日照强度，W/m2 ；
交流电阻由下式计算：
                                          (7)
式中：导线的直流电阻，Ω/m；：交直流电阻比；
（23）、根据热平衡方程，推导出导线稳态载流量计算公式；
由式(1)，可推导出导线载流量计算公式，如式(8)：
                                    (8)
工作温度下导线的直流电阻由下式计算：
                              (9)
式中：温度系数，铝取0.00403，1/℃；：导线工作时的温度，℃；：导线在20℃的直流电阻，Ω/m。
当雷诺系数为100～3000时，即环境温度为40℃、风速为0.5m/s、导线温度不超过120℃时，用于直径为4.2～100mm导线的载流量计算，其摩尔根简化公式为：
(15)
式中：摩尔根载流量，A；：导线的温升，℃；：环境温度，℃；：导线稳态温度，℃，导线稳态温度是导线工作时的温度的稳定值；
交直流电阻比与电流成非线性关系，用电流代替交直流电阻比，从而简化计算过程；
将代入摩尔根简化公式（15），得
   (16)
整理，得  (17)。
本发明所述的监测方法可根据实时监测的气象数据和导线温度快捷有效的计算输电线路当前的载流量，从而得到输电线路的输送容量，调度人员可以参考此结果对输电线路的输送容量进行调整，使输电线路在最大负荷状态下安全运行，并可做到早期预警。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的动态增容监测分机的原理框图；
图3为本发明的导线温度监测装置的原理框图；
具体实施方式
如图1所示，本发明一种输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，包括以下步骤：（1）、实时采集稳态时输电线路的气象数据及导线稳态温度参数发送给监控中心；所述的气象数据包括环境温度、环境风速、环境风向和日照强度；
（2）、监控中心根据步骤（1）获取的稳态时气象数据及导线稳态温度参数，通过导线稳态载流量计算公式计算导线稳态载流量；
（3）、监控中心根据导线稳态载流量计算公式，建立输电线路摩尔根载流量简化公式，得出输电线路的动态增容摩尔根载流量，从而得到输电线路的输送容量，进而确定输电线路增容容量。
所述的气象数据和导线稳态温度参数的采集采用动态增容在线监测装置，所述的动态增容在线监测装置包括有监测气象数据的动态增容监测分机和监测导线温度的导线温度监测装置，所述的动态增容监测分机安装在输电线路杆塔上，所述的导线温度监测装置安装在导线侧。如图2所示，所述的动态增容监测分机包括环境温湿度传感器、环境风速传感器、环境风向传感器、日照强度传感器、主控单元、通信模块、电源模块，所述的各传感器的信号输出端与主控单元的信号输入端连接，主控单元的信号输出端通过通信模块与监控中心通信连接。其中通信模块包括ZigBee通信模块及OPGW通信光缆。所述的主控单元还连接有数据存储单元和时钟单元、键盘显示单元。所述的电源模块还连接有太阳能充电模块。
如图3所示，所述的导线温度监测装置包括导线温度传感器、主控单元、通信模块和电源模块，所述的导线温度传感器的信号输出端与主控单元连接，所述的主控单元通过通信模块与监控中心通信连接，通信模块为ZigBee通信模块。
上述步骤（2）的导线稳态载流量计算公式的得出的具体步骤如下所述：
（21）、建立导线发热温度达到稳态时的平衡方程；
根据导线的发热和散热的热平衡知，导线中没有通过电流时，其温度与周围介质温度相等；当通过电流时，其内部产生的热量一部分使导线本身的温度升高，另一部分散失到周围介质中，它们之间呈动态分配，直至导线发热过渡到稳态时，推出导线发热温度达到稳态温度时的平衡方程如式(1)：
                                  (1)
式中：导线的辐射散热，W/m；：导线的对流散热，W/m；：导线的日照吸热，W/m；：工作温度下导线的单位长度交流电阻，Ω/m；I：导线载流量；
（22）、分别计算导线的辐射散热、导线的对流散热和导线的日照吸热；导线表面向周围空间辐射散热的损耗由下式计算：
                              (2)
其中：：斯蒂芬-波尔茨曼常数，，W·m-2·K-4；：导线直径，m；：环境温度的绝对值（监测分机测出的环境温度为），K；：导线稳态温度，K；：导线表面辐射系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.9～0.95；
由于自然风的存在，导线的对流散热的热损耗由下式计算：
                              (3)
式中，：与导线相接触的空气膜导热系数，假定不变并等于0.02585，W·m-1·K-1；
：欧拉数，由下式给出：
                            (4)
：雷诺系数，由下式给出：
                     (5)
：风速，m/s（风速传感器测出）；：导线直径，m；
导线吸收的太阳辐射热由下式计算：
                                        (6)
式中，：导线吸收系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.9～0.95；：日照强度，W/m2（日照强度传感器测出）；
交流电阻由下式计算：
                                          (7)
式中：导线的直流电阻，Ω/m；：交直流电阻比；
（23）、根据热平衡方程，推导出导线稳态载流量计算公式；
由式(1)，可推导出导线载流量计算公式，如式(8)：
                                    (8)
工作温度下导线的直流电阻由下式计算：
                              (9)
式中：温度系数，铝取0.00403，1/℃；：导线工作时的温度，℃；：导线在20℃的直流电阻，Ω/m，忽略钢芯的导电性，则铝导线20℃的直流电阻的计算式如下：
                                   (10)
式中：铝单线直径，mm；：铝单线的电阻率，取2.8264×10-8（20℃），Ω·m；：铝线总根数；：铝线平均绞入率按各层铝线平均节距比计算。
交直流电阻比由下式计算：
                                   (11)
式中：涡流和磁滞引起的电阻增量，由下式计算：
                           (12)
其中：钢芯截面，mm2；：电流频率，Hz；：铝线层数；：第m层铝线总匝数，；：第m层铝线根数；：第m层铝线节距长，mm；：导线中铝线总根数；：钢芯复合导磁率；：磁损耗角正切。
由相应的磁场强度测量数据决定。忽略导线轴向电流并假设铝线中电流分配均匀，由m层铝线引起的总磁场强度为：
                                   (13)
对公式(13)，首先设定电流为一个近似数值再计算，然后根据表1中钢丝直径和值求取数值。当计算值不同于表中数值时用二次曲线插值法求出。
表1数值
注a：：奥斯特，磁场强度单位，
式(11)中，：集肤和邻近效应引起的电阻增量。忽略钢芯导电性，其集肤和邻近效应引起的相对电阻增量可由下式计算：
                   (14)
式中：由集肤效应引起的相对电阻增量，由下式计算：
：由邻近效应引起的相对电阻增量，由下式计算：
  （0<<5）
     （0<<5）
式中：导线直径，mm；：最高温度下导线单位长度的交流电阻，；：钢芯直径，mm；：导线之间距离，mm。
上述导线载流量计算公式考虑比较全面，但计算过程较为繁琐，如果将其在一定条件下简化，则可缩短计算过程，当雷诺系数为100～3000时，即环境温度为40℃、风速为0.5m/s、导线温度不超过120℃时，用于直径为4.2～100mm导线的载流量计算，其摩尔根简化公式为：
(15)
式中：摩尔根载流量，A；：导线的温升，，℃；：环境温度，℃；：导线稳态温度，℃，导线稳态温度是导线工作时的温度的稳定值；
计算导线载流量时，由上述公式(11)可知交直流电阻比的运算比较麻烦，摩尔根公式不仅考虑因素比较多，而且有实验基础，应用它的一个实验结论，即交直流电阻比与电流成非线性关系，即，用电流代替交直流电阻比，从而简化计算过程。当导线标准截面确定后，和都是常量。将代入摩尔根简化公式（15），得
   (16)
整理，得   (17)
架空导线一般采用钢芯铝铰线和铝绞线，钢芯铝绞线和铝绞线在不同标准截面下的、以及导线20℃的直流电阻的取值可查相关资料获得。应用摩尔根载流量简化公式（17）可快捷有效的计算输电线路当前的输送容量，调度人员可以参考此结果对输电线路的输送容量进行调整，使输电线路在最大负荷状态下安全运行，并可做到早期预警。

Claims (9)

1.一种输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）、实时采集稳态时输电线路的气象数据及导线稳态温度参数发送给监控中心；
（2）、监控中心根据步骤（1）获取的稳态时气象数据及导线稳态温度参数，通过导线稳态载流量计算公式计算导线稳态载流量；
（3）、监控中心根据导线稳态载流量计算公式，建立输电线路摩尔根载流量简化公式，得出输电线路的动态增容摩尔根载流量，进而确定输电线路增容容量；
所述步骤（2）的导线稳态载流量计算公式的得出的具体步骤如下所述：
（21）、建立导线发热温度达到稳态时的平衡方程；
根据热平衡原理，导线发热温度达到稳态温度时的平衡方程如式(1)：
                                                                                 (1)
式中：导线的辐射散热，W/m；：导线的对流散热，W/m；：导线的日照吸热，W/m；：工作温度下导线的单位长度交流电阻，Ω/m；I：导线载流量；
（22）、分别计算导线的辐射散热、导线的对流散热和导线的日照吸热；导线表面向周围空间辐射散热的损耗由下式计算：
                              (2)
其中：：斯蒂芬-波尔茨曼常数，，W·m-2·K-4；：导线直径，m；：环境温度的绝对值，K；：导线稳态温度的绝对值，K；：导线表面辐射系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.9～0.95；
由于自然风的存在，导线的对流散热的热损耗由下式计算：
                              (3)
式中，：与导线相接触的空气膜导热系数，假定不变并等于0.02585，W·m-1·K-1；
：欧拉数，由下式给出：
                            (4)
：雷诺系数，由下式给出：
                    (5)
：风速，m/s；：导线直径，m；
导线吸收的太阳辐射热由下式计算：
                                        (6)
式中，：导线吸收系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.9～0.95；：日照强度，W/m2 ；
交流电阻由下式计算：
                                          (7)
式中：导线的直流电阻，Ω/m；：交直流电阻比；
（23）、根据热平衡方程，推导出导线稳态载流量计算公式；
由式(1)，可推导出导线载流量计算公式，如式(8)：
                                    (8)
工作温度下导线的直流电阻由下式计算：
                              (9)
式中：温度系数，铝取0.00403，1/℃；：导线工作时的温度，℃；：导线在20℃的直流电阻，Ω/m。
2.根据权利要求1所述的输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，其特征在于：所述的气象数据包括环境温度、环境风速、环境风向和日照强度。
3.根据权利要求2所述的输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，其特征在于：所述的气象数据和导线稳态温度参数的采集采用动态增容在线监测装置，所述的动态增容在线监测装置包括有监测气象数据的动态增容监测分机和监测导线温度的导线温度监测装置，所述的动态增容监测分机安装在输电线路杆塔上，所述的导线温度监测装置安装在导线侧。
4.根据权利要求3所述的输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，其特征在于：所述的动态增容监测分机包括环境温湿度传感器、环境风速传感器、环境风向传感器、日照强度传感器、主控单元、通信模块、电源模块，所述的环境温湿度传感器、环境风速传感器、环境风向传感器、日照强度传感器的信号输出端与主控单元的信号输入端连接，主控单元的信号输出端通过通信模块与监控中心通信连接。
5.根据权利要求4所述的输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，其特征在于：所述的通信模块包括ZigBee通信模块及OPGW通信光缆。
6.根据权利要5所述的输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，其特征在于：所述的主控单元还连接有数据存储单元和时钟单元、键盘显示单元。
7.根据权利要求4所述的输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，其特征在于：所述的电源模块还连接有太阳能充电模块。
8.根据权利要求3所述的输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，其特征在于：所述的导线温度监测装置包括导线温度传感器、导线温度主控单元、导线温度通信模块，所述的导线温度传感器的信号输出端与主控单元连接，所述的主控单元通过通信模块与监控中心通信连接。
9.根据权利要求8所述的输电线路动态增容摩尔根载流量的监测方法，其特征在于：当雷诺系数为100～3000时，即环境温度为40℃、风速为0.5m/s、导线温度不超过120℃时，用于直径为4.2～100mm导线的载流量计算，其摩尔根简化公式为：
(15)
式中：摩尔根载流量，A；：导线的温升，℃；：环境温度，℃；：导线稳态温度，℃，导线稳态温度是导线工作时的温度的稳定值；
交直流电阻比与电流成非线性关系，当导线标准截面确定后，和都是常量；用电流代替交直流电阻比，从而简化计算过程；
将代入摩尔根简化公式（15），得
  (16)
整理，得
(17)。
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