CN103235226A - Oppc动态增容在线监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了OPPC动态增容在线监测装置，导线温度在线监测装置、微气象在线监测装置都与监控中心主机连接，监控中心主机内有OPPC动态输送容量计算软件，监控中心主机与SCADA数据库连接。本发明还公开了该装置的监测方法，监测导线稳态时的微气象信息和导线稳态时的温度；将稳态时的输电线路微气象和导线温度信息传至监控中心主机，利用OPPC动态输送容量计算软件计算线路的输送容量；计算线路载流量增至I’时，积分步长Δt时间后温度改变量Δt_ct；计算温度为t_c0+Δt_ct时导线的载流量；逐步迭代计算导线半小时后的导线温度t_ct，由t_ct判断动态增容值。本发明的监测装置及监测方法提高了线路载流量的计算准确度，促进OPPC架空线路动态增容系统的准确性和可靠性。

Description

OPPC动态增容在线监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于输电线路在线监测技术领域，涉及一种OPPC动态增容在线监测装置，本发明还涉及上述在线监测装置的监测方法。

背景技术

近年来，随着我国国民经济的持续发展，电力需求增长也屡创新高，很多区域的电网都在靠牺牲电网的安全性和设备的可靠性艰难地维持运行，这种超负荷运行存在着巨大的安全隐患。新建线路走廊具有投资巨大、建设周期长的缺点，特别是在用地紧张的苏南、上海等大中城市附近开辟新的线路走廊难度较大。因此，如何提高现有线路的输送能力成为了当务之急。

动态增容技术作为提高现有输电线路的输送载流量的主要方法，通过实时监测的导线温度、环境温度、风速、风向及日照强度计算在当前环境条件下实际可允许的输送载流量，从而在不改变现行技术规程规定的前提下,提高了输电线路的输送容量。

目前，随着电网的发展延伸,通过复杂地形及恶劣气候条件地区的输电线路日益增多，微地形、微气象条件的影响十分突出，邻近气象台站对环境温度、风速、风向、日照强度这些气象参量的观测记录，不能满足微地形地段线路应用动态增容技术的需求。同时，国内外所研发的动态增容实时监测装置大都采用传统的接触式传感器和红外线探测器等其他探测手段监测导线温度，监测结果易受外部环境影响，准确度较差，从而直接影响了输电线路载流量计算结果的准确度，而且缺乏有效的输电线路载流量计算方法，制约了该技术的推广应用。而OPPC的应用使得利用光纤分布式温度监测装置直接测量导线温度成为可能，大大提高了导线温度监测的准确度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种OPPC动态增容在线监测装置，提高OPPC动态增容系统的准确性和可靠性。

本发明的另一目的在于提供OPPC动态增容在线监测装置的监测方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，OPPC动态增容在线监测装置，包括有导线温度在线监测装置和微气象在线监测装置，导线温度在线监测装置通过RS232与监控中心主机连接，微气象在线监测装置通过GPRS网络与所述监控中心主机连接，监控中心主机内嵌入有OPPC动态输送容量计算软件，监控中心主机通过电力公司局域网或互联网与SCADA数据库连接。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

导线温度实时监测装置，包括有OPPC内置测温光纤和分布式光纤测温主机，分布式光纤测温主机通过RS232与监控中心主机连接。

微气象在线监测装置包括有现场主机，现场主机分别通过RS232连接有风速风向传感器、日照传感器、环境温度传感器，现场主机还通过电源线连接有电源模块，电源模块包括有硅能蓄电池和太阳能电池板。

本发明所采用的另一技术方案是，OPPC动态增容在线监测装置的监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、安装OPPC动态增容在线监测装置，利用微气象在线监测装置监测导线稳态时的微气象信息，利用导线温度在线监测装置监测导线稳态时的温度；

步骤2、将步骤1中监测得到的稳态时的输电线路微气象信息和导线温度信息传输至监控中心主机内，利用监控中心主机中嵌入的OPPC动态输送容量计算软件计算线路在当前条件下的实时载流量I；

步骤3、计算输电线路载流量增至I'时，积分步长Δt时间后导线温度的改变量Δt_ct；

步骤4、根据步骤3得到的Δt_ct和步骤2中导线载流量的算法计算温度为t_c0+Δt_ct时导线的载流量；

步骤5、重复步骤3，逐步迭代计算导线半小时后的导线温度t_ct，根据t_ct的值判断动态增容值：

若t_ct﹥70℃，表示导线电流不能增加至I'，要减小I'重复计算，直到t_ct﹤70℃，此时电流值I'即为动态增容值。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

步骤1具体按照以下方法实施：

先将微气象在线监测装置安装在杆塔上，利用微气象在线监测装置内的风速风向传感器、日照传感器、环境温度传感器分别监测稳态的环境风速v、环境风向、环境温度t₀及日照强度S_i，并将监测到的环境风速v、环境风向、环境温度t₀及日照强度S_i通过RS232传输至现场主机内；

导线温度在线监测装置中的OPPC内置测温光纤将监测到的稳态时导线温度t_c通过光纤输送至分布式光纤测温主机内。

步骤2中的线路在当前条件下的实时载流量I具体按照以下算法实施：

$I=\sqrt{\frac{P_r+P_c-P_s}{R_T}};$

其中，P_r为导线表面辐射散热功率，W/m；P_c为导线表面对流散热功率，W/m；P_s为导线表面日照吸热功率，W/m；R_T为工作温度下导线的单位长度交流电阻，Ω/m。

步骤2中线路在当前条件下的实时载流量I还能从与监控中心主机连接的SCADA数据库读取，获得当前线路载流量I。

步骤3中导线温度改变量Δt_ct，具体按照以下算法实施：

$t_{\mathrm{ct}}=[(t_{c0}-t_0)-(\frac{W_c+\mathrm{\γ}{\mathrm{DS}}_i}{\mathrm{\πDh}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}-273.15)]e^{-\frac{\mathrm{\πDh}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}{Q}t}$

$+(\frac{W_c+\mathrm{\γ}{\mathrm{DS}}_i}{\mathrm{\πDh}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}-273.15)+t_0;$

式中，W_c=I²·R_T：单位长度导线热损耗；Q：导线热容，J/K·m；h：导线表面散热系数，W/m²·K；t_ct：加电Δt时间的导线温度，℃；t₀：环境温度，℃；t_c0：线路载流量为I时的导线温度，℃；A=πD：单位长度导线表面散热面积，m²/m。

本发明的有益效果在于，

（1）本发明的OPPC动态增容在线监测装置中的导线温度监测装置采用光纤分布式测温法直接测量导线温度，可避免测量结果受外部环境的影响，测量精度更高；

（2）本发明的OPPC动态增容在线监测装置中的温度监测装置具有安装和维护简单方便的优势；

（3）本发明的OPPC动态增容在线监测装置的监测方法实现了对OPPC架空线路微气象区的在线监测，促进了动态增容系统的准确性和可靠性；

（4）本发明的OPPC动态增容在线监测装置的监测方法可根据实时监测温度计算输电线路动态输送容量，使输电线路运行效率更高，并做到早期预警。

附图说明

图1是本发明的OPPC动态增容在线监测装置的结构示意图；

图2是本发明的OPPC动态增容在线监测装置的监测方法中输电线路动态输送容量计算流程图。

图中，1.导线温度在线监测装置，2.微气象在线监测装置，3.GPRS网络，4.监控中心主机，5.分布式光纤测温主机，6.OPPC内置测温光纤，7.现场主机，8.风速风向传感器，9.日照传感器，10.环境温度传感器，11.电源模块，12.SCADA数据库。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的OPPC动态增容在线监测装置，其结构如图1所示，包括有导线温度在线监测装置1和微气象在线监测装置2，导线温度在线监测装置1通过RS232与监控中心主机4连接，微气象在线监测装置2通过GPRS网络3与监控中心主机4连接，监控中心主机4内嵌有OPPC动态输送容量计算软件，监控中心主机4还可通过电力公司局域网或互联网与SCADA数据库12连接。

导线温度在线监测装置1，其结构如图1所示，包括有OPPC内置测温光纤6和分布式光纤测温主机5，分布式光纤测温主机5通过RS232与监控中心主机4连接。

微气象在线监测装置2，包括有现场主机7，现场主机7分别通过RS232连接有风速风向传感器8、日照传感器9、环境温度传感器10，现场主机7内包括有微处理器和GPRS通讯模块，现场主机7还通过电源线连接有电源模块11，电源模块11包括有硅能蓄电池和太阳能电池板，电源模块11采用太阳能+蓄电池的供电方式。

本发明的OPPC动态增容在线监测装置的监测方法，其流程如图2所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、安装OPPC动态增容在线监测装置，利用微气象在线监测装置2监测导线稳态时的微气象信息，利用导线温度在线监测装置1监测导线稳态时的温度：

先将微气象在线监测装置2安装在杆塔上，利用微气象在线监测装置2内的风速风向传感器8、日照传感器9、环境温度传感器10分别监测稳态的环境风速v、环境风向、环境温度t₀及日照强度S_i，并将监测到的环境风速v、环境风向、环境温度t₀及日照强度S_i通过RS232传输至现场主机7内；

导线温度在线监测装置1中的OPPC内置测温光纤6将监测到的稳态时导线温度t_c通过光纤输送至分布式光纤测温主机5内。

步骤2、将步骤1中监测得到的稳态时的输电线路微气象信息和导线温度信息传输至监控中心主机4内，利用监控中心主机4中嵌入的OPPC动态输送容量计算软件计算线路在当前条件下的输送容量（即实时载流量）I（或从SCADA数据库读取当前线路载流量I），具体按照以下算法实施：

根据导线发热温度达到稳态时的平衡方程：

P_r+P_c=P_s+I²R_T    （1）；

即得到导线载流量计算公式：

$I=\sqrt{\frac{P_r+P_c-P_s}{R_T}}\left(2\right);$

式（2）中，P_r为导线表面辐射散热功率，W/m，按以下算法计算，即得到：

P_r=πsDk_e[(t_c+273.15)⁴-(t₀+273.15)⁴]   （3）；

式（3）中，s为斯蒂芬-波尔茨曼常数（即辐射常数），s=5.67×10^-8，W·m^-2·K^-4；k_e为导线表面辐射系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.9～0.95；D为导线外径，m；t₀为环境温度，℃；t_c为导体稳态温度，℃；

式（2）中，P_c为导线表面对流散热功率，W/m，具体以下算法计算：

P_c=λ×N_u×π(t_c-t₀)    （4）；

式（4）中，λ为与导体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；N_u：欧拉数，具体按照以下算法计算：

N_u=0.65R_e ^0.2+0.23R_e ^0.61    （5）；

式（5）中，R_e为雷诺数，具体按照以下算法计算：

R_e=1.644×10⁹vD[(t₀+273.15)+0.5(t_c-t₀)]^-1.78    （6）；

式（6）中，v为风速，m/s。

式（2）中P_s为导线表面日照吸热功率，W/m，按照以下算法计算：

P_s=γ·D·S_i    （7）；

式（7）中，γ为导线表面吸收系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.9～0.95；s_i为日照强度，W/m²。

式（2）中，R_T为工作温度下导线的单位长度交流电阻，Ω/m。

步骤3、计算输电线路载流量增至I’时，积分步长Δt时间后导线的温度改变量Δt_ct，具体按照以下算法实施：

在系统输送负荷变化时，线路从一个稳态跃迁到另一个稳态，线路上导线的温度是一个变化的过程，有一个暂态的模式，其变化规律可描述如下：

$W_c+P_s=Q\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{ct}}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{Ah}(T_{\mathrm{ct}}-T_0)+P_c;$

将P_s=γ·D·S_i，P_c=λ×N_u×π(T_c-T₀)代入上式，经移项整理即可得到如下算法：

$\frac{{\mathrm{dt}}_{\mathrm{ct}}}{d_t}=\frac{1}{Q}[W_c+P_s-P_c-\mathrm{Ah}(t_{\mathrm{ct}}-t_0)]---\left(8\right);$

对此一阶线性微分方程求解，得线路跃迁时的温度暂态方程为：

$T_{\mathrm{ct}}=[(T_{c0}-T_0)-\frac{W_c+\mathrm{\γ}{\mathrm{DS}}_i}{\mathrm{Ah}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}]e^{-\frac{\mathrm{Ah}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}{Q}t}+\frac{W_c+\mathrm{\γ}{\mathrm{DS}}_i}{\mathrm{Ah}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}+T_0---\left(9\right);$

在摄氏温度下将线路跃迁时的温度暂态方程转化为：

$t_{\mathrm{ct}}=[(t_{c0}-t_0)-(\frac{W_c+\mathrm{\γ}{\mathrm{DS}}_i}{\mathrm{\πDh}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}-273.15)]e^{-\frac{\mathrm{\πDh}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}{Q}t}$

$+(\frac{W_c+\mathrm{\γ}{\mathrm{DS}}_i}{\mathrm{\πDh}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}-273.15)+t_0---\left(10\right);$

式（10）中，W_c=I²·R_T：单位长度导线热损耗；Q为导线热容，J/K·m；h为导线表面散热系数，W/m²·K；t_ct为加电Δt时间的导线温度，℃；t₀为环境温度，℃；t_c0为线路载流量为I时的导线温度，℃；A=πD：单位长度导线表面散热面积，m²/m；

取积分步长为Δt，按照式（10）计算Δt时间后温度改变量Δt_ct。

步骤4、根据步骤3得到的Δt_ct和步骤2中导线载流量的算法计算温度为t_c0+Δt_ct时导线的载流量；

步骤5、重复步骤3，逐步迭代计算导线半小时后的导线温度t_ct，根据t_ct的值判断动态增容值：

若t_ct﹥70℃，表示导线电流不能增加至I’，要减小I’重复计算，直到t_ct﹤70℃，此时电流值I’即为动态增容值。

本发明的OPPC动态增容在线监测装置中的导线温度在线监测装置1包括有OPPC内置测温光纤6、分布式光纤测温主机5，可用于实时监测导线的温度，OPPC内置测温光纤6将监测到的数据通过光纤传送到分布式光纤测温主机5，分布式光纤测温主机5通过RS232将数据传回电力相关部门的监测中心主机4。监测中心主机4中的软件处理后显示各检测点的温度值，同时提供界面给用户预先设定各点预警、报警温度，一旦满足触发条件，监测中心主机4将出现报警信息。另外，如果用户需要，所有的温度数据可实现远程传输，传输到用户总控制室后，有利于用户实现全范围内的有效控制。

本发明的OPPC动态增容在线监测装置中的微气象在线监测装置2安装在线路杆塔上，包括有现场主机7，风速风向传感器8，日照传感器9，环境温度传感器10及电源模块11，其中风速风向传感器8用于实时监测输电线路所处微气象区的风速和风向，日照传感器9用于监测日照强度，环境温度传感器10用于监测环境温度，传感器采集到的微气象信息通过RS232传输给现场主机7，现场主机7将接收到的微气象信息通过GPRS网络3传回到监测中心主机4。

监测中心主机4中的嵌入的OPPC动态输送容量计算软件将对这些监测数据进行分析处理，计算出此时输电线路在不改变现行技术规程规定的前提下可以输送的最大载流量。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。

本发明的OPPC动态增容在线监测装置，针对OPPC架空线路的特点设计的OPPC动态增容监测装置，可以对输电线路的运行参数，如：环境风速、环境风向、环境温度、日照强度和导线温度进行实时监测，并可利用光纤或GPRS网络进行实时数据传输，从而及时准确的提供动态增容系所必须的各种实时参数。特别是利用光纤分布式温度监测装置，实现了对OPPC导线温度的直接测量，并给出了OPPC动态增容算法，提高了载流量的计算准确度，促进动态增容装置的准确性和可靠性，有效解决动态增容技术推广应用难题。

Claims (8)

1.OPPC动态增容在线监测装置，其特征在于，包括有导线温度在线监测装置（1）和微气象在线监测装置（2），所述导线温度在线监测装置（1）通过RS232与监控中心主机（4）连接，所述微气象在线监测装置（2）通过GPRS网络（3）与所述监控中心主机（4）连接，所述监控中心主机（4）内嵌入有OPPC动态输送容量计算软件，所述监控中心主机（4）通过电力公司局域网或互联网与SCADA数据库（12）连接。

2.根据权利要求1所述的OPPC动态增容在线监测装置，其特征在于，所述导线温度实时监测装置（1），包括有OPPC内置测温光纤（6）和分布式光纤测温主机（5），所述分布式光纤测温主机（5）通过RS232与所述监控中心主机（4）连接。

3.根据权利要求1所述的OPPC动态增容在线监测装置，其特征在于，所述微气象在线监测装置（2）包括有现场主机（7），所述现场主机（7）分别通过RS232连接有风速风向传感器（8）、日照传感器（9）、环境温度传感器（10），所述现场主机（7）还通过电源线连接有电源模块（11），所述电源模块（11）包括有硅能蓄电池和太阳能电池板。

4.OPPC动态增容在线监测装置的监测方法，该方法是基于本发明的OPPC动态增容在线监测装置，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、安装OPPC动态增容在线监测装置，利用微气象在线监测装置（2）监测导线稳态时的微气象信息，利用导线温度在线监测装置（1）监测导线稳态时的温度；

步骤2、将步骤1中监测得到的稳态时的输电线路微气象信息和导线温度信息传输至监控中心主机（4）内，利用监控中心主机（4）中嵌入的OPPC动态输送容量计算软件计算线路在当前条件下的实时载流量I；

步骤3、计算输电线路载流量增至I’时，积分步长Δt时间后导线温度的改变量Δt_ct；

步骤4、根据步骤3得到的Δt_ct和步骤2中导线载流量的算法计算温度为t_c0+Δt_ct时导线的载流量；

步骤5、重复步骤3，逐步迭代计算导线半小时后的导线温度t_ct，根据t_ct的值判断动态增容值：

若t_ct﹥70℃，表示导线电流不能增加至I’，要减小I’重复计算，直到t_ct﹤70℃，此时电流值I’即为动态增容值。

5.根据权利要求4所述的OPPC动态增容在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下方法实施：

先将微气象在线监测装置（2）安装在杆塔上，利用微气象在线监测装置（2）内的风速风向传感器（8）、日照传感器（9）、环境温度传感器（10）分别监测稳态的环境风速v、环境风向、环境温度t₀及日照强度S_i，并将监测到的环境风速v、环境风向、环境温度t₀及日照强度S_i通过RS232传输至现场主机（7）内；

导线温度在线监测装置（1）中的OPPC内置测温光纤（6）将监测到的稳态时导线温度t_c通过光纤输送至分布式光纤测温主机（5）内。

6.根据权利要求4所述的OPPC动态增容在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤2中的线路在当前条件下的实时载流量I具体按照以下算法实施：

$I=\sqrt{\frac{P_r+P_c-P_s}{R_T}};$

其中，P_r为导线表面辐射散热功率，W/m；P_c为导线表面对流散热功率，W/m；P_s为导线表面日照吸热功率，W/m；R_T为工作温度下导线的单位长度交流电阻，Ω/m。

7.根据权利要求4或6所述的OPPC动态增容在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤2中线路在当前条件下的实时载流量I还能从与监控中心主机连接的SCADA数据库读取，获得当前线路载流量I。

8.根据权利要求4所述的OPPC动态增容在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤3中导线温度改变量Δt_ct，具体按照以下算法实施：

$t_{\mathrm{ct}}=[(t_{c0}-t_0)-(\frac{W_c+\mathrm{\γ}{\mathrm{DS}}_i}{\mathrm{\πDh}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}-273.15)]e^{-\frac{\mathrm{\πDh}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}{Q}t}$

$+(\frac{W_c+\mathrm{\γ}{\mathrm{DS}}_i}{\mathrm{\πDh}+\mathrm{\λ}{N}_u\mathrm{\π}}-273.15)+t_0;$

式中，W_c=I²·R_T：单位长度导线热损耗；Q：导线热容，J/K·m；h：导线表面散热系数，W/m²·K；t_ct：加电Δt时间的导线温度，℃；t₀：环境温度，℃；t_c0：线路载流量为I时的导线温度，℃；A=πD：单位长度导线表面散热面积，m²/m。

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