CN104063811A - 一种架空输电线路载流限值评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空输电线路载流限值评估方法，其包括步骤：(1)采用放置于两座杆塔之间的架空导线最低点的可移动摄像头获取导线弧垂；(2)根据获得的导线弧垂计算导线张力；(3)根据导线张力、导线实时载流量以及环境风速，获得导线的实际温度；(4)利用导线实际温度与获得的环境参数评估导线实时最大载流量。该方法通过获取导线弧垂间接获得导线实际温度，其测温准确度远高于目前的直接由温度传感器读取方法，从而能准确评估线路实时最大载流量，解决作为智能电网中智能输电线路技术支撑系统的重要部分的输电线路动态增容系统的极其重要的数据准确性问题，对于电力输送安全高效和电力市场交易均意义重大。

Description

一种架空输电线路载流限值评估方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路实时最大载流量评估方法，尤其涉及一种架空输电线路实时最大载流量评估方法。

背景技术

我国目前处在一个电力系统高速发展的时期，一方面受到资金、土地、环保等诸多条件的限制使输电走廊征地难度加大，线路走廊越来越成为稀缺资源，新建线路越来越困难，对电网输送能力的充分利用急需进行深入研究；另一方面，在电力市场及转运出现后，输电能力不仅是电网的技术指标，也是反映电网输电容量的市场信号，对电力市场交易的顺利进行至关重要。

输电线路动态增容系统作为智能电网中智能输电线路技术支撑系统的重要部分，能在不新建线路、不突破现行技术规程规定的前提下，对导线运行状态(导线张力、弧垂、温度等)和气象条件(环境温度、日照、风速等)进行实时监测，以实时计算线路载流能力，从而保证输电线路在安全运行的基础上，最大限度地提高现有线路的输送能力。

现有动态增容系统主要通过导线温度传感器测量导线温度，结合风速、风向和环境温度的测量，评估输电线路载流量的大小。由于风速沿导线变化较大，造成导线温度沿线变化较大，所测取导线某一点的温度不能很好的代表导线的均温；另外，由温度传感器测取的温度是导线表面温度，与导线内部钢芯的温度也会有一定误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种架空输电线路载流限值评估方法，其能准确获取线路平均温度，进而准确评估线路实时最大载流量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种架空输电线路载流限值评估方法，其包括步骤：

(1)采用放置于两座杆塔之间的架空导线最低点的可移动摄像头获取导线弧垂；

(2)根据获得的导线弧垂计算导线张力；

(3)根据导线张力、导线实时载流量以及环境风速，获得导线的实际温度；

(4)利用导线实际温度与获得的环境参数评估导线实时最大载流量。

本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法，其利用可移动摄像头获取导线弧垂，进而计算得到导线张力，通过导线张力、导线实时载流量以及环境风速估算导线实际温度，进而利用该估算的导线实际温度与获得的环境参数评估导线实时最大载流量。该方法通过获取导线弧垂间接获得导线实际温度，其测温准确度远高于目前的直接由温度传感器读取方法，从而能准确评估线路实时最大载流量，解决作为智能电网中智能输电线路技术支撑系统的重要部分的输电线路动态增容系统的极其重要的数据准确性问题，对于电力输送安全高效和电力市场交易均意义重大。

进一步地，本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法，其在所述步骤(1)中：在所述可移动摄像头的正下方放置一参照物P，并左右移动可移动摄像头以在两个不同的位置拍摄照片，根据下述公式获得所述导线弧垂f：

f＝h-d；

$d=\frac{b{f}_0}{(m+n)}$

式中，h为导线的悬挂点高度，单位为m；d为导线最低点到地面的距离，单位为m；b为两次拍摄的镜头的光心位置之间的直线距离，单位为m；f₀为焦距，单位为m；m+n为两个参照物投影的视差，单位为m。

上述方法利用小孔成像模型简化测距问题，将三维场景映射为二维图像。由于物距远大于相距，可以用焦距近似等于相距处理；由于导线很长，而摄像头移动距离很短，则可近似认为两次拍摄时摄像头光轴平行，且与地面距离均为距离d。根据相似三角形原理，可以得出导线最低点(即光心所在视平面)到地面的距离用导线的悬挂点高度h减去最低点对地距离d，即可得到导线档距中央的弧垂f，即f＝h-d。

进一步地，本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法，其在所述步骤(2)中：根据下述公式获得导线张力F(忽略导线的风偏效应)：

$F=\frac{\mathrm{\γ}{l}^{2}A}{8f}$

式中，l是两座杆塔之间的档距，单位为m；A为导线截面积，单位为mm²；γ是导线无冰有风时的综合比载。

更进一步地，上述架空输电线路载流限值评估方法中，导线无冰有风时的综合比载γ由下述模型公式获得：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{{{\mathrm{\γ}}_1}^2+{{\mathrm{\γ}}_2}^2}$

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{9.80665q}{A}$

${\mathrm{\γ}}_2=\frac{{\mathrm{\υ}}^2\mathrm{Da}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{sc}}{\mathrm{\μ}}_z{\sin }^2\mathrm{\θ}\×{10}^{-3}}{1.6A}$

式中，γ₁是导线本身重量所造成的自重比载；q为单位导线质量，单位为kg/m；A为导线截面积，单位为mm²；γ₂是作用在单位长度导线上每平方毫米的风压荷载；v为设计基准高度下的基准风速，单位为m/s；D为导线直径，单位为mm；a为风压不均匀系数，其可通过查表获得(表1显示了同风速对应的风压不均匀系数a)；μ_sc为电线体形系数(覆冰电线及外径小于17mm无冰电线的体形系数μ_sc＝1.2；外径等于或大于17mm无冰电线μ_sc＝1.1)；μ_z为风压高度变化系数；θ为风向与电线轴线之间的夹角，单位为°。

表1风压不均匀系数表

风速(m/s)	20以下	20-30	30-35	35以上
					a	1.0	0.85	0.75	0.7

电线体形系数μ_sc可按下式计算：

${\mathrm{\μ}}_z={\left(\frac{Z}{15}\right)}^{2a}$

式中，Z为基准风速对应的基准高度，单位为m；a为地面粗糙度，分为A、B、C三类，A类包括近海海面、海岛、海岸、湖岸以及沙漠地区，a＝0.12；B类包括田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀少的中小城镇及大城市郊区，a＝0.16；C类包括密集建筑群和大城市市区，a＝0.2。

进一步地，本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法，其在所述步骤(3)中，根据下述模型公式获得导线的实际温度Tc：

T_C＝AI²+BI+CF+Dv+E

式中，I为读取到的导线实时载流量，单位为A；F为导线张力，单位为N；v为环境风速，单位为m/s；A、B、C、D、E为通过现场试验数据统计分析按照多元线性回归的回归方法来得到的参数。

上述方法中，导线实时载流量I可通过SCADA(数据采集与监视控制系统)读取；环境风速v可通过气象监测获取。

进一步地，本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法，其在所述步骤(4)中，所述获得的环境参数包括导线的辐射散热功率Qr，导线的日照吸热功率Qs，导线的交流电阻R(Tc)。

更进一步地，上述架空输电线路载流限值评估方法中，导线的辐射散热功率Qr根据下述公式获得：

Q_r＝πDεσ[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]

式中，Tc为导线的实际温度，单位为℃；T_a为环境温度，单位为℃；D为导线直径，单位为mm；ε为导体表面的辐射系数；σ为斯蒂芬-包尔兹曼常数，σ＝5.67*10^-8(W·m^-2·K^-4)。

上述方法中，导体表面的辐射系数ε取决于导线金属的型号及其老化和氧化的程度，光亮新线可取0.23～0.43，旧线或涂黑色防腐剂的导线可取0.90～0.95。

更进一步地，上述架空输电线路载流限值评估方法中，导线的日照吸热功率Qs根据下述公式获得：

Q_s=a_sI_sD

式中，a_s为导线表面的吸热系数；I_s为日光对导线的日照强度，单位为W/m²。

上述方法中，导线表面的吸热系数a_s对于光亮的新线可取0.35～0.46，对于旧线或涂黑色防腐剂的线可取0.9～0.95；导线的日照强度I_s在天晴、日光直射导线时，可取1000W/m²。

更进一步地，上述架空输电线路载流限值评估方法中，导线的交流电阻R(Tc)根据下述模型公式获得；

R_d＝R₂₀[1+α₂₀(T_c-20)]

R(T_c)＝(1+k)R_d

式中，R_d为导线温度为T_c时导线的直流电阻，单位为Ω/m；Tc为导线的实际温度，单位为℃；α₂₀为20℃的导线材料温度系数(对铝取0.00403，单位为l/℃)；k为集肤效应系数(集肤效应系数k在导体截面积小于或等于400mm²时取0.0025，导体截面积大于400mm²时取0.01)；R₂₀表示导线在20℃时的直流电阻，单位为Ω/m。

更进一步地，上述架空输电线路载流限值评估方法中，所述步骤(4)采用下述模型公式评估导线实时最大载流量：

$h\left(t\right)=\frac{I^{2}R\left(T_c\right)+Q_s-Q_r}{T_c-T_a}$

h(t)≈h₇₀(t)

$I_{70}=\sqrt{\frac{h_{70}\left(t\right)(70-T_a)+Q_r-Q_s}{R_{70}}}$

式中，h(t)为导线热容量，h₇₀(t)为导线70℃时的热容量，两者可认为近似相等；I为读取到的导线实时载流量，单位为A；R(Tc)为导线的交流电阻，单位为Ω/m；Qs为导线的日照吸热功率，单位为W/m；Qr为导线的辐射散热功率，单位为W/s；Ta为环境温度，单位为℃；I₇₀表示导线允许最高温度70℃的最大载流量；R₇₀表示导线在70℃时的交流电阻，单位为Ω/m。

本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法，其具有下述优点：

(1)能准确获取线路实际均温，进而准确评估线路实时最大载流量，从而解决了作为智能电网中智能输电线路技术支撑系统的重要部分的输电线路动态增容系统的极其重要的数据准确性问题，对于电力输送安全高效和电力市场交易均意义重大；

(2)本发明所述方法应用时硬件只需增加一个可移动摄像头，成本低廉，但其测温准确度却远高于目前的直接由温度传感器读取方法。

附图说明

图1为本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法在一种实施方式下的摄像头与架空输电线的位置示意图。

图2为本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法在一种实施方式下的摄像头在两个不同位置获取的图像。

图3为本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法在一种实施方式下的测距原理示意图。

具体实施方式

以下将根据具体实施例及说明书附图对本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法做进一步说明，但是该说明并不构成对本发明的不当限定。

图1显示了本发明所述的架空输电线路载流限值评估方法在一种实施方式下的摄像头与架空输电线的位置关系；图2显示了本实施例的摄像头在两个不同位置获取的图像；图3示意了本实施例的测距原理。

如图1所示，本实施例的方法选取某110kV线中的一段导线2作为评估对象，该导线2两端的两个杆塔1高度为15m，档距l为150m，导线2型号为LGJX-300/40，导线2直径D为23.94mm，截面积A为338.99mm²，单位长度质量q为1.131kg/m。

本实施例的方法具体分为以下四个步骤：

步骤(1)，采用放置于两座杆塔1之间的架空导线2最低点的可移动摄像头3获取导线弧垂f：

如图1所示，在导线2最低点附近安装一个可移动摄像头3，其焦距f₀为60mm，并在地面上放置一个参照物P，左右移动可移动摄像头，在距离b为1m的两个镜头光心位置O₁、O₂上拍取两张照片，如图2和图3所示，p₁、p_r为P在像平面上的两个投影，视平面O₁O₂与像平面p₁p_r之间距离为焦距f₀，m+n为两个参照物投影的视差，测得其长度为523个像素点，在安装摄像头3之前，通过标定得到每个像素点对应长度为0.009mm，因此其实际距离为：

m+n＝523×0.009＝4.7(mm)；

计算摄像头3到地面的距离，即导线2最低点到地面的距离d：

$d=\frac{b{f}_0}{(m+n)}=\frac{1\×60}{4.7}=12.76\left(m\right);$

得到导线弧垂f：

f＝15-12.76＝2.24(m)；

步骤(2)，根据获得的导线弧垂f计算导线2张力F：

计算导线2自重比载γ₁：

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{9.80665q}{A}=\frac{9.80665\×1.131}{338.99}=0.03272(N/m\·{\mathrm{mm}}^2);$

计算导线2风压荷载γ₂(设计基准高度下的基准风速v为15m/s，风压不均匀系数a根据表1取1.0，电线体形系数μ_sc取1.1，风压高度变化系数μ_z经计算为1，风向与电线轴线之间的夹角为90°)：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_2=\frac{{\mathrm{\υ}}^2\mathrm{Da}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{sc}}{\mathrm{\μ}}_z{\sin }^2\mathrm{\θ}\×{10}^{-3}}{1.6A}=\frac{{15}^2\×23.94\×1.0\×1.1\×1\×{\sin }^{2}90\×{10}^{-3}}{1.6\×333.98}\\ =0.03260(N/m\·{\mathrm{mm}}^2);\end{array}$

将上述参数计算结果代入下式得到导线2的综合比载γ：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{{{\mathrm{\γ}}_1}^2+{{\mathrm{\γ}}_2}^2}=0.04619(N/m\·{\mathrm{mm}}^2);$

将上述参数计算结果代入下式得到导线2张力F：

$F=\frac{\mathrm{\γ}{l}^{2}A}{8f}=\frac{0.04619\×{150}^2\×338.99}{8\×2.24}=16680N;$

步骤(3)根据获得的导线2张力F、导线2实时载流量以及环境风速，获得导线2的实际温度Tc：

利用式T_C＝AI²+BI+CF+Dv+E计算导线2的实际温度Tc，其中A、B、C、D、E为通过现场试验数据统计分析按照多元线性回归的回归方法来得到的参数，本实施例中取A＝3.57×10^-5，B＝0.011727，C＝0.003705，D＝0.135156，E＝85.74814；由电网SCADA读取的导线2实时载流量为259.17A，由气象监测获取的环境风速为3.5m/s，将上述参数代入式T_C＝AI²+BI+CF+Dv+E得到导线2的实际温度Tc：

T_c＝3.57×10^-5I²-0.0117271-0.003705F+0.135156υ+85.74814＝31.2℃；

步骤(4)利用获得的导线2实际温度Tc与获得的环境参数评估导线2的实时最大载流量(本实施例取导线2允许最高温度70℃时的最大载流量I₇₀)：

计算导线2的日照吸热功率Qs(导线表面的吸热系数a_s取0.5，导线的日照强度I_s取1000W/m²)：

Q_s＝a_sI_sD＝0.5×1000×23.94×10^-3＝11.97W/m；

计算导线2的辐射散热功率Qr(导体表面的辐射系数ε取0.5，斯蒂芬-包尔兹曼常数σ为5.67*10^-8，环境温度T_a为25℃)：

Q_r＝πDεσ[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]

＝π×23.94×10^-3×0.5×5.67×10^-8×[(31.2+273)⁴-(25+273)⁴]

＝1.443w/m；

利用式R_d＝R₂₀[1+α₂₀(T_c-20)]计算31.2度时导线2的直流电阻R_d(LGJX-300/40型号导线20度时直流电阻为0.0961，20℃的导线材料铝的温度系数α₂₀取0.00403)：

R_d＝0.0961×[1+0.00403×(31.2-20)]＝0.1004Ω/m；

利用式R(T_c)＝(1+k)R_d计算导线2的交流电阻R(Tc)(集肤效应系数k取0.0025)：

R(T_c)＝(1+0.0025)×0.1004＝0.1007Ω/m；

根据上述计算得到的参数结果代入下式计算导线2的热容量h(t)：

由于导线2的热容量h(t)近似等于导线在70℃时的热容量h₇₀(t)，取两者相等，得到导线2允许最高温度70℃时的最大载流量I₇₀：

R₇₀＝(1+k)R₂₀(1+α₂₀(70-20))

由＝(1+0.0025)×0.0961×[1+0.00403(70-20)]

＝0.1157Ω/m

$I_{70}=\sqrt{\frac{h_{70}\left(t\right)(70-T_a)+Q_r-Q_s}{R_{70}}}=698.69A.$

由该评估结果可以看出，本实施例评估对象即导线2的实时最大载流量(I₇₀＝698.69A)与实时载流量(I＝259.17A)相比高出约170％。

需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，包括步骤：

(1)采用放置于两座杆塔之间的架空导线最低点的可移动摄像头获取导线弧垂；

(2)根据获得的导线弧垂计算导线张力；

(3)根据导线张力、导线实时载流量以及环境风速，获得导线的实际温度；

(4)利用导线实际温度与获得的环境参数评估导线实时最大载流量。

2.如权利要求1所述的架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，在所述步骤(1)中：在所述可移动摄像头的正下方放置一参照物P，并左右移动可移动摄像头以在两个不同的位置拍摄照片，根据下述公式获得所述导线弧垂f：

f＝h-d；

$d=\frac{b{f}_0}{(m+n)}$

式中，h为导线的悬挂点高度，单位为m；d为导线最低点到地面的距离，单位为m；b为两次拍摄的镜头的光心位置之间的直线距离，单位为m；f₀为焦距，单位为m；m+n为两个参照物投影的视差，单位为m。

3.如权利要求1所述的架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，在所述步骤(2)中：根据下述公式获得导线张力F：

$F=\frac{\mathrm{\γ}{l}^{2}A}{8f}$

式中，l是两座杆塔之间的档距，单位为m；A为导线截面积，单位为mm²；γ是导线无冰有风时的综合比载。

4.如权利要求3所述的架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，导线无冰有风时的综合比载γ由下述模型公式获得：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{{{\mathrm{\γ}}_1}^2+{{\mathrm{\γ}}_2}^2}$

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{9.80665q}{A}$

${\mathrm{\γ}}_2=\frac{{\mathrm{\υ}}^2\mathrm{Da}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{sc}}{\mathrm{\μ}}_z{\sin }^2\mathrm{\θ}\×{10}^{-3}}{1.6A}$

式中，γ₁是导线本身重量所造成的自重比载；q为单位导线质量，单位为kg/m；A为导线截面积，单位为mm²；γ₂是作用在单位长度导线上每平方毫米的风压荷载；v为设计基准高度下的基准风速，单位为m/s；D为导线直径，单位为mm；a为风压不均匀系数；μ_sc为电线体形系数；μ_z为风压高度变化系数；θ为风向与电线轴线之间的夹角，单位为°。

5.如权利要求1所述的架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，根据下述模型公式获得导线的实际温度Tc：

T_C＝AI²+BI+CF+Dv+E

式中，I为读取到的导线实时载流量，单位为A；F为导线张力，单位为N；v为环境风速，单位为m/s；A、B、C、D、E为通过现场试验数据统计分析按照多元线性回归的回归方法来得到的参数。

6.如权利要求1所述的架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，所述获得的环境参数包括导线的辐射散热功率Qr，导线的日照吸热功率Qs，导线的交流电阻R(Tc)。

7.如权利要求6所述的架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，采用下述模型公式评估导线实时最大载流量：

$h\left(t\right)=\frac{I^{2}R\left(T_c\right)+Q_s-Q_r}{T_c-T_a}$

h(t)≈h₇₀(t)

$I_{70}=\sqrt{\frac{h_{70}\left(t\right)(70-T_a)+Q_r-Q_s}{R_{70}}}$

其中，h(t)为导线热容量，h₇₀(t)为导线70℃时的热容量，两者近似相等；I₇₀表示导线允许最高温度70℃的最大载流量；I为读取到的导线实时载流量，单位为A；R(Tc)为导线的交流电阻，单位为Ω/m；Qs为导线的日照吸热功率，单位为W/m；Qr为导线的辐射散热功率，单位为W/s；Ta为环境温度，单位为℃；R₇₀为导线在70℃时的交流电阻，单位为Ω/m。

8.如权利要求6所述的架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，导线的辐射散热功率Qr根据下述公式获得：

Q_r＝πDεσ[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]

式中，Tc为导线的实际温度，单位为℃；T_a为环境温度，单位为℃；D为导线直径，单位为mm；ε为导体表面的辐射系数；σ为斯蒂芬-包尔兹曼常数，σ＝5.67*10^-8。

9.如权利要求6所述的架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，导线的日照吸热功率Qs根据下述公式获得：

Q_s＝a_sI_sD

式中，a_s为导线表面的吸热系数；I_s为日光对导线的日照强度，单位为W/m²。

10.如权利要求6所述的架空输电线路载流限值评估方法，其特征在于，导线的交流电阻R(Tc)根据下述模型公式获得；

R_d＝R₂₀[1+α₂₀(T_c-20)]

R(T_c)＝(1+k)R_d

式中，R_d为导线温度为T_c时导线的直流电阻，单位为Ω/m；Tc为导线的实际温度，单位为℃；α₂₀为20℃的导线材料温度系数；k为集肤效应系数；R₂₀表示导线在20℃时的直流电阻，单位为Ω/m。