CN103926484A - 基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于输电线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法：在输电线路导线上分布式安装行波检测装置，实时记录行波到达时间，利用行波传输时间-弧垂的关系实时测量弧垂；同时在行波检测装置周围配置微型气象站，实时采集环境温度参数；然后在监控中心对上述弧垂及环境温度数据进行计算，得到输电线路动态增容容量，并提供给调度人员作为动态增容依据。本发明可以实时测量线路弧垂，无需对日照、风速、风向等环境因素进行监测，具有经济性好、可靠性高等优点，有助于进一步提高输电线路动态增容的实用性。

Description

基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路的动态增容方法，尤其是涉及一种基于输电线路弧垂实时测量的动态增容方法。

背景技术

随着我国用电量的持续快速增长，线路输电能力方面遭遇严重的瓶颈问题，特别是故障或者紧急检修情况下易产生线路互通容量不足，大幅降低了电网运行的经济性和可靠性。新增输电线路架设困难，现有运行线路的扩容改造又受限于现有技术条件及经济性等。而运用动态增容技术能够充分利用现有输电线路过量的安全裕度，提高线路的输送容量。

目前国内外动态增容技术多以导线的热平衡方程为核心计算输电线路载流量，主要采用以下几种方法：（1）监测导线的温度和环境条件（包括环境温度、日照、风速、风向），直接计算导线容量，监测参数偏多，动态增容监测系统偏复杂；（2）监测导线的温度、日照及周围环境温度，可消除风速影响，但基于一点或多点的导线温度监测无法反应长线路的整体性能；（3）监测导线的张力，反应导线的平均温度及弧垂，解决监测导线温度的局限性。

在方法（3）中，由于张力-导线平均温度的关系获取困难（尤其在线路增容时处于高温情况下），且对于动态增容过程中的弧垂监测，目前多根据导线的状态方程建立导线弧垂与温度的关系，通过求解状态方程，根据当前的状态预测下一状态参数，因而适用范围和准确度有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种适用范围广及准确度较高的基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法，其特征是包括以下步骤：

S1在输电线路导线上分布安装行波检测装置；

S2利用行波检测装置实时测量贯穿线路的行波信号，并实时记录行波到达时刻；

S3根据弧垂计算模型，在监控中心利用记录的行波传输时间在线计算线路弧垂；

S4在行波检测装置周围配置微型气象站，实时采集输电线路的环境温度参数；

S5根据载流量计算模型，在现有导线弧垂及温度安全限额下，在监控中心实时计算导线允许的最大载流量，并提供给调度人员实施动态增容。

所述的步骤S3中的弧垂计算模型为：

$f=\sqrt{\mathrm{k\Δt}+{f_0}^2}---\left(1\right);$

式中：f为弧垂；k为常数因子；Δt为行波传输时间；f₀为导线稳态弧垂；常数因子k由下式给出：

k=(8cos³β)/3l   （2）；

式中：l为架空导线档距；β为悬挂点连线与水平线的夹角(高差角)；

所述的行波检测装置及微型气象站使用GSM/GPRS通讯技术，将检测到的数据传送给位于电站的监控中心。

所述的行波检测装置每隔15-20公里安装，且至少线路的两端安装有。

所述的微型气象站的测量准确度不低于1℃，分辨度不低于0.1℃。

所述的步骤S5中的计算载流量的具体步骤如下：

（51）建立导线温度-应力关系

根据导线状态方程建立线路温度变化与应力变化的关系式如下：

${\mathrm{\σ}}_n-\frac{{\mathrm{\γ}}_n^2{l}^{2}E}{24{\mathrm{\σ}}_n^2}+\mathrm{\α}{\mathrm{Et}}_n={\mathrm{\σ}}_m-\frac{{\mathrm{\γ}}_m^2{l}^{2}E}{24{\mathrm{\σ}}_m^2}+\mathrm{\α}{\mathrm{Et}}_m---\left(7\right)$

式中：σ_n、γ_n和t_n分别为已知工作条件n下的水平应力、比载和温度；σ_m、γ_m和t_m分别为待求工作条件m下的水平应力、比载和温度；l为架空线档距；E为导线的总弹性模量；α导线的热膨胀系数。

将公式(7)进行简化得：

${\mathrm{\σ}}_n^3+[\mathrm{\αE}(t_n-t_m)-A]{\mathrm{\σ}}_n^2-B=0---\left(8\right)$

式中：A=σ_m-(γ_m ²l²E)/(24σ_m ²)；B=(γ_n ²l²E)/24。其中σ_m、γ_m、t_m和γ_n、t_n已知，根据现场实验数据确定常数A和B的值即可建立温度—应力关系。

（52）建立导线弧垂-应力关系

根据导线悬挂曲线方程，线路档距中央的最大弧垂f为：

$f=\left(\frac{l^2\mathrm{\γ}}{{8\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}\right)---\left(9\right)$

式中：l为架空导线档距；γ为架空线导线单位长度重量(比载)；σ₀为档距内导线最低点的水平应力；β为悬挂点连线与水平线的夹角(高差角)。

（53）建立导线弧垂-载流量计算公式

将公式（9）代入公式（7）并整理，可根据实时测量得到的弧垂f得到导线平均温度T如下：

$T=\frac{a_3{f}^3+a_{2}f+a_0}{a_{1}f}---\left(10\right)$

式中：a₃、a₂、a₁和a₀为相关固定系数，可根据现场数据拟合获得。

对摩尔根载流量简化公式进行整理，根据导线温度T计算线路的载流量I的公式如下：

$I=\sqrt{\frac{b_4{T}^4+b_3{T}^3+b_2{T}^2+b_{1}T+b_0}{b_{5}T}}---\left(11\right)$

式中：b₄、b₃、b₂、b₁、b₀为相关固定系数，可根据现场数据拟合获得，其过程中需要的环境温度参数可通过微型气象站采集获得。

本发明的工作原理：

由于在输电线路中行波传输时间与线路长度具有一定的线性关系，根据线路的状态方程，线路长度变化与弧垂变化直接相关，因此，可利用行波传输时间-弧垂的关系实时测量弧垂。

本发明在输电线路导线上分布式安装行波检测装置，实时记录行波到达时间，利用行波传输时间-弧垂的关系实时测量弧垂；同时在行波检测装置周围配置微型气象站，实时采集环境温度参数；然后在监控中心对上述弧垂及环境温度数据进行计算，得到输电线路动态增容容量，并提供给调度人员作为动态增容依据。

本发明的技术效果在于：利用行波检测装置实时监测弧垂变化，基于弧垂实时测量实现线路的在线动态增容，可克服传统计算模型参数过多、受环境影响较大、基于一点或多点的数据监测不能够反应线路整体特性等缺点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的方法中用到的动态增容系统示意图；

图2是本发明中区外故障时线路的行波传输特性说明图；

图3是本发明中动态增容系统线路载流量计算流程图。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便本领域的学者及技术人员进一步理解本发明。

本发明的基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法用到的系统如图1所示，最大允许载流量计算流程图如图3所示。

本发明的基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法实施例，包括以下步骤：

S1在输电线路导线上每隔15-20公里安装一个安装行波检测装置，且至少在线路两端安装有；

S2行波检测装置实时测量贯穿线路的行波信号，并实时记录行波到达时刻，且使用GSM/GPRS通讯技术将检测到的数据传送给位于电站的监控中心；

S3根据弧垂计算模型，在监控中心利用记录的行波传输时间在线计算线路弧垂；

参见图2，弧垂计算模型为：

$f=\sqrt{\mathrm{k\Δt}+{f_0}^2}---\left(1\right);$

式中：f为弧垂；k为常数因子；Δt为行波传输时间；f₀为导线稳态弧垂；常数因子k由下式给出：

k=(8cos³β)/3l   （2）；

式中：l为架空导线档距；β为悬挂点连线与水平线的夹角(高差角)；

S4在行波检测装置周围配置微型气象站，实时采集输电线路的环境温度参数，且使用GSM/GPRS通讯技术，将检测到的数据传送给位于电站的监控中心；

要求微型气象站的测量准确度不低于1℃，分辨度不低于0.1℃；

S5根据载流量计算模型，在现有导线弧垂及温度安全限额下，在监控中心实时计算导线允许的最大载流量，并提供给调度人员实施动态增容。

本发明每隔15-20公里，在输电线路导线上分布式安装行波检测装置，且至少线路的两端安装有，记录行波传输时间，同时在上述行波采集装置附近增设微型气象站，实时监测增容线路的环境参数，采用GSM/GPRS技术通讯，将上述行波采集装置和微型气象站监测到的参数上传主电站监控中心，上述监控中心同时与数据采集与监视控制系统（SCADA）交互，然后，利用弧垂计算模型和载流量计算模型，对所有数据进行处理，最后，得到实时最大允许载流量提供给调度人员，实现输电线路动态增容。

上述计算弧垂的具体步骤如下：

如图2所示，在输电线路A、B、C处配置行波检测装置。

对正常运行电网，断路器操作、电容投切、非故障性雷击、绝缘闪络及局部放电等都会在电网中产生暂态干扰行波信号，根据现场统计数据，通常上述干扰信号每小时有数百次，贯穿通过线路可以用于测量线路长度的信号有数十次。

当区段AB外f处产生行波，行波将以图示箭头方向沿线路传输，则启动区段AB两端的行波采集装置，并分别记录初始行波到达A、B的时间t_A和t_B，其区段AB的行波传输时间与线路长度存在一元线性关系如下：

L=vt_AB   （3）

式中：L为线路AB的长度；t_AB=t_A-t_B为行波在区段AB上的传输时间；v为行波传输速度，取值3×10⁸m/_s。

当线路长度增加△L，行波传输时间则变化△t，如下所示：

△L=v△t   (4)

此外，根据导线的状态方程，输电线路线长L的计算公式为：

$L=\frac{l}{\cos \mathrm{\β}}+\frac{{\mathrm{\γ}}^2{l}^3\cos \mathrm{\β}}{24{\mathrm{\σ}}_0^2}---\left(5\right)$

因此，根据公式（4）和公式（5）可得输电线路行波传输时间-弧垂的关系为：

$\frac{8{\mathrm{\σ}}_0{\cos }^3\mathrm{\β}}{3l}(f^2-{f_0}^2)=\mathrm{v\Δt}---\left(6\right);$

式中：f₀为线路增容前稳态时的导线弧垂，可用全站仪进行测量获得。

最后，简化公式(6)得到弧垂计算模型为：

$f=\sqrt{\mathrm{k\Δt}+{f_0}^2}---\left(1\right)$

式中：f为导线弧垂；k=(8cos³β)/3l为常数因子；Δt为行波传输时差变化量；f₀为初始状态下的导线弧垂。

上述的基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法中，步骤（3）中微型气象站的测量准确度不低于1℃，分辨度不低于0.1℃。

上述计算载流量的具体步骤如下：

（51）建立导线温度-应力关系

根据导线状态方程建立线路温度变化与应力变化的关系式如下：

${\mathrm{\σ}}_n-\frac{{\mathrm{\γ}}_n^2{l}^{2}E}{24{\mathrm{\σ}}_n^2}+\mathrm{\α}{\mathrm{Et}}_n={\mathrm{\σ}}_m-\frac{{\mathrm{\γ}}_m^2{l}^{2}E}{24{\mathrm{\σ}}_m^2}+\mathrm{\α}{\mathrm{Et}}_m---\left(7\right)$

式中：σ_n、γ_n和t_n分别为已知工作条件n下的水平应力、比载和温度；σ_m、γ_m和t_m分别为待求工作条件m下的水平应力、比载和温度；l为架空线档距；E为导线的总弹性模量；α导线的热膨胀系数。

将公式(7)进行简化得：

${\mathrm{\σ}}_n^3+[\mathrm{\αE}(t_n-t_m)-A]{\mathrm{\σ}}_n^2-B=0---\left(8\right)$

式中：A=σ_m-(γ_m ²l²E)/(24σ_m ²)；B=(γ_n ²l²E)/24。其中σ_m、γ_m、t_m和γ_n、t_n已知，根据现场实验数据确定常数A和B的值即可建立温度—应力关系。

（52）建立导线弧垂-应力关系

根据导线悬挂曲线方程，线路档距中央的最大弧垂f为：

$f=\left(\frac{l^2\mathrm{\γ}}{{8\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}\right)---\left(9\right)$

式中：l为架空导线档距；γ为架空线导线单位长度重量(比载)；σ₀为档距内导线最低点的水平应力；β为悬挂点连线与水平线的夹角(高差角)。

（53）建立导线弧垂-载流量计算公式

将公式（9）代入公式（7）并整理，可根据实时测量得到的弧垂f得到导线平均温度T如下：

$T=\frac{a_3{f}^3+a_{2}f+a_0}{a_{1}f}---\left(10\right)$

式中：a₃、a₂、a₁和a₀为相关固定系数，可根据现场数据拟合获得。

对摩尔根载流量简化公式进行整理，根据导线温度T计算线路的载流量I的公式如下：

$I=\sqrt{\frac{b_4{T}^4+b_3{T}^3+b_2{T}^2+b_{1}T+b_0}{b_{5}T}}---\left(11\right);$

式中：b₄、b₃、b₂、b₁、b₀为相关固定系数，可根据现场数据拟合获得，其过程中需要的环境温度参数可通过微型气象站采集获得。

借助行波传输时间的高精度实时检测实现线路弧垂的实时测量，利用弧垂反应导线的平均温度，最后建立弧垂-载流量计算模型，在现有弧垂及温度安全限额指导下，根据数学模型计算出导线允许的最大载流量。本发明提出的基于弧垂测量的输电线路动态增容方法，简单、经济，有助于进一步提高输电线路动态增容的实用性。

Claims (4)

1.一种基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法，其特征是包括以下步骤：

S1在输电线路上分布安装行波检测装置；

S2利用行波检测装置实时测量贯穿线路的行波信号，并实时记录行波到达时刻；

S3根据弧垂计算模型，在监控中心利用记录的行波传输时间在线计算线路弧垂；

S4在行波检测装置周围配置微型气象站，实时采集输电线路的环境温度参数；

S5根据载流量计算模型，在现有导线弧垂及温度安全限额下，在监控中心实时计算导线允许的最大载流量，并提供给调度人员实施动态增容。

2.根据权利要求1所述的基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法，其特征是：所述的步骤S3中的弧垂计算模型为：

$f=\sqrt{\mathrm{k\Δt}+{f_0}^2}---\left(1\right);$

式中：f为弧垂；k为常数因子；Δt为行波传输时间；f₀为导线稳态弧垂；常数因子k由下式给出：

k=(8cos³β)/3l   （2）；

式中：l为架空导线档距；β为悬挂点连线与水平线的夹角。

3.根据权利要求2所述的基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法，其特征是：所述的行波检测装置及微型气象站使用GSM/GPRS通讯技术将检测到的数据传送给位于电站的监控中心；所述的微型气象站的测量准确度不低于1℃，分辨度不低于0.1℃。

4.根据权利要求3所述的基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法，其特征是：所述的行波检测装置每隔15-20公里安装，且至少线路的两端安装有。5.根据权利要求4所述的基于线路弧垂实时测量的输电线路动态增容方法，其特征是：所述的步骤S5-中的计算载流量的具体步骤如下：

S5-1建立导线温度-应力关系

根据导线状态方程建立线路温度变化与应力变化的关系式如下：

${\mathrm{\σ}}_n-\frac{{\mathrm{\γ}}_n^2{l}^{2}E}{24{\mathrm{\σ}}_n^2}+\mathrm{\α}{\mathrm{Et}}_n={\mathrm{\σ}}_m-\frac{{\mathrm{\γ}}_m^2{l}^{2}E}{24{\mathrm{\σ}}_m^2}+\mathrm{\α}{\mathrm{Et}}_m---\left(7\right);$

式中：σ_n、γ_n和t_n分别为已知工作条件n下的导线的水平应力、比载和温度；σm、γm和tm分别为待求工作条件m下的导线的水平应力、比载和温度；l为架空线档距；E为导线的总弹性模量；α导线的热膨胀系数；

将公式(7)进行简化得：

${\mathrm{\σ}}_n^3+[\mathrm{\αE}(t_n-t_m)-A]{\mathrm{\σ}}_n^2-B=0---\left(8\right);$

式中：A=σ_m-(γ_m ²l²E)/(24σ_m ²)；B=(γ_n ²l²E)/24；

其中σ_m、γ_m、t_m和γ_n、t_n已知，根据现场实验数据确定常数A和B的值建立温度—应力关系；

S5-2建立导线弧垂-应力关系

根据导线悬挂曲线方程，线路档距中央的最大弧垂f为：

$f=\left(\frac{l^2\mathrm{\γ}}{{8\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}\right)---\left(9\right);$

式中：l为架空导线档距；γ为架空线导线单位长度重量；σ₀为档距内导线最低点的水平应力；β为悬挂点连线与水平线的夹角；

S5-3建立导线弧垂-载流量计算公式

将公式（9）代入公式（7）并整理，根据实时测量得到的弧垂f得到导线平均温度T如下：

$T=\frac{a_3{f}^3+a_{2}f+a_0}{a_{1}f}---\left(10\right);$

式中：a₃、a₂、a₁和a₀为相关固定系数，根据现场数据拟合获得；

对摩尔根载流量简化公式进行整理，根据导线温度T计算线路的载流量I的公式如下：

$I=\sqrt{\frac{b_4{T}^4+b_3{T}^3+b_2{T}^2+b_{1}T+b_0}{b_{5}T}}---\left(11\right);$

式中：b₄、b₃、b₂、b₁、b₀为相关固定系数，根据现场数据拟合获得，其过程中需要的环境温度参数通过微型气象站采集获得。