CN106408210B - 基于输电线路动态增容的等效风速测量方法及其测量装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种基于输电线路动态增容的等效风速测量方法及其测量装置，该测量方法步骤包括：在第一步骤中，通过传感器测量输电线路的历史运行数据和环境数据，所述历史运行数据包括输电线路历史运行的运行时间、运行电流和导线温度，所述环境数据包括环境温度和日照强度；在第二步骤中，固定风向角，建立等效风速的计算式；在第三步骤中，基于计算式计算历史运行时刻的等效风速；在第四步骤中，统计归纳第三步骤中计算所得的等效风速的日变化规律与季节性变化规律；在第五步骤中，根据第四步骤中的等效风速的日变化规律与季节性变化规律，按月早中晚风速的变化范围，确定未来输电线路动态增容中的等效风速。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电线路动态增容技术领域，特别是一种基于输电线路动态增容的等效风速测量方法及其测量装置。
背景技术
随着我国经济的稳定发展，电力需求日益增加。在输电走廊资源紧缺的情况下，大力开展电力建设的同时，提高现有线路的输送容量对于缓解供电压力具有重要意义。一般而言，可以采用静态增容方法和动态增容方法短时提升线路的输送容量，但增容运行容量和允许运行时间的确定是尤为重要和关键的。有学者认为在静态增容运行中将导线最高允许温度提升至80℃～90℃是行之有效的，但是会对导线及金具的机械性能产生危害，缩短其运行寿命，并可能出现弧垂增大的情况影响安全运行。
动态增容技术能在不改变输电线路现有规程的前提下提高线路的输送能力，具有很大的应用前景。动态增容技术的理论基础之一是暂态热平衡方程式，即在导线处于运行稳态过程中，导线吸热与导线散热之差等于导线内能的增加，体现为温度的升高，而导线的对流散热与风速直接关联。风速具有瞬时变化性和不可预测性，并且即使在同一线路的不同地点，风速的变化也很大。研究表明，风速与环境温度存在正相关关系，表现为风速的季节性循环变化特性与日循环变化特性：夏季的平均风速高于冬季；中午高温时的平均风速高于早晚。风速的以上特点给线路动态增容计算中风速的监测与确定带来很大困难，是动态增容技术的瓶颈之一。
动态增容技术在现有的输电网络结构上，通过安装在线监测装置对架空线输电线路运行参数，导线温度、环境温度、日照强度以及风速进行实时监测，在不突破现行技术规程的前提下，根据数学模型计算出导线在短时间内的安全运行电流，从而提高输电线路短时输送能力，充分利用输电线路客观存在的隐形容量。这种方法能最大限度的挖掘线路的输送能力同时避免了导线升温运行时可能出现的弧垂增大等安全隐患，具有一定的优越性且有很大的应用前景。
风速、日照强度、环境温度等气象参数都对动态增容容量有一定的影响，风速的瞬时变化性与小区域差异大的特性给沿线风速的准确测量带来困难，因而在线路动态增容技术的实际应用中通常设定计算风速为0.5m/s。而在输电线路实际运行条件下，风速值往往远高于0.5m/s，对风速的保守设定限制了增容容量的提高。
专利文献CN101644714 A公开的一种基于输电线路远程监测的风速等值测量装置包括远程通讯系统，球型监测装置直接安装在输电线路的导线上，还具有环境温度传感器：测试输电线路导线所处周围环境温度，将环境温度信号θa传输至单片机处理系统；导线表面温度传感器：设置在导线表面，将测试所得的导线表面温度信号传输至单片机处理系统；日照光线强度传感器：设置在导线上，将测试所得的日照强度Js信号传输至单片机处理系统；单片机处理系统：接收环境温度传感器和导线表面温度传感器以及日照光线强度传感器来的信号，完成A/D转换并与所述远程通讯系统连接；检测点等数风速算法模块：a)、根据实测导线表面温度，计算一般时间内导线表面的平均温升θ，单位为℃；b)、根据键盘输入的以下参数值：导线直径D，单位：米；导线表面空气层的运动粘度v，单位：m2/s；导线表面空气层的传热系数λf，单位：W/m2；导线允许截流量I，单位：A；允许温度时导线的交流电阻Rr′，单位：Ω/m；导线表面的吸热系数as，导线表面的辐射散热系数E1，斯特凡-包尔茨曼常数S1，按照以下公式计算得出监测点的等效风速，V＝D/Rev(1)，式(1)中，式(2)中，Ws＝αsJsD(3)，WR＝πDE1S1[(θ+θa+273)4-(θa+273)4]。该专利根据导线的理论温升与实际温升，得到监测点的风速等效值，但该专利测量的等效风速精度还有待提高。
专利文献CN103558768 A公开的一种基于风电场内风速分布特性的等值建模方法包括以下步骤：步骤S10，采集目标风电场的拓扑结构；步骤S20，根据地形状况对场内的风机进行分组，每个组内包含多个机群；步骤S30，对每个机群建立简化的机械模型；步骤S40，建立整个风场的等效单机电气模型，包括绕线转子异步发电机状态空间模型，定子侧直接连接等效的单元变压器，转子侧接等效的背靠背变流器；以及步骤S50，设定直流母线电压的设定值与单台机相同，电网侧与转子侧的脉冲宽度调制控制策略以等效的受控电压源代替，建立等效变流器模型。该专利风电场内风速分布特性的等值建模方法，根据地形状况首先对风机进行分组，同时将直流母线电压的设定值设定为与单台机相同，从而简化了电气模型，但该专利测量的等效风速精度还有待提高且无法应用到输电线路的动态增容中。
专利文献CN101034806 A公开的输电线路动态监测增容系统包括：调度EMS系统、增容系统主站、输电线路以及多个在线监测装置；所述的调度EMS系统的输出端与系统主站的输入端连接；所述的多个在线监测装置分别间隔设置在所需增容的输电线路沿线，各在线监测装置与系统主站之间通过无线通信网络传输连接。该专利使在某一区域电网所有的线路上应用动态监测增容技术，但该专利没有考虑等效风速的影响，导致效果还有待提高。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
鉴于上述问题，提出一种输电线路动态增容中等效风速的测量方法，解决了线路动态增容技术中风速难以确定的问题，进一步挖掘输电线路的输送潜能，缓解供电压力。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
本发明的一个方面，一种基于输电线路动态增容的等效风速测量方法的步骤包括：
在第一步骤中，通过传感器测量输电线路的历史运行数据和环境数据，所述历史运行数据包括输电线路历史运行的运行时间、运行电流和导线温度，所述环境数据包括环境温度和日照强度。
在第二步骤中，固定风向角，建立等效风速(vw′)的计算式F1，
其中，qg为导线运行过程中单位长度上产生的焦耳热，单位为J；qs为导线单位长度上的日照吸热，单位为J；qr为导线单位长度上的辐射散热，单位为J，其中，qg＝I2R(Tc)(F2)，F2中：R(Tc)为导线温度为Tc时的交流电阻值，单位为Ω，I为导线的运行电流，单位为A，qs＝αDb(F3)，F3式中：α为导体表面的吸热系数；D为导线直径，单位为m；b为日照强度，单位为W/m2；
qr＝πDεσ[(Tc+273)4-(Ta+273)4](F4)，F4中：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，单位为W·m-2·K-4；Tc为导线温度，单位为T；Ta为环境温度，单位为T；为导线单位长度上等效的质量与比热容乘积，单位为J/℃；dT/dt为导线的温度梯度；Δt＝Tc-Ta。
在第三步骤中，基于计算式F1计算历史运行时刻的等效风速。
在第四步骤中，统计归纳第三步骤中计算所得的等效风速的日变化规律与季节性变化规律。
在第五步骤中，根据第四步骤中的等效风速的日变化规律与季节性变化规律，按月早中晚风速的变化范围，确定未来输电线路动态增容中的等效风速。
优选地，在第一步骤中，所述传感器包括设在导线上的第一温度传感器、测量环境温度的第二温度传感器、和测量导线吸热的光线强度传感器。
优选地，在第二步骤中，所述风向角为90度。
优选地，在第二步骤中，导线温度为Tc时的交流电阻值R(Tc)通过计算式(F5)计算，R(Tc)＝(1+k)R20[1+α20(Tc-20)]，F5其中，α20为20℃的导线材料温度系数；k为集肤效应系数，导体截面小于或等于400mm2时，k取值为0.0025；大于400mm2时，k取值为0.01。
优选地，在第三步骤中，利用MATLAB计算模块基于计算式F1计算历史运行时刻的等效风速。
本发明的另一个方面，一种用于所述的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法的测量装置包括设在导线上的第一温度传感器、测量环境温度的第二温度传感器、测量导线吸热的光线强度传感器和连接所述第一温度传感器、第二温度传感器和光线强度传感器的处理器。
优选地，所述处理器设有计算单元。
优选地，所述处理器设有计算单元和MATLAB计算模块。
优选地，所述处理器是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC，现场可编程门阵列FPGA、模拟电路、或数字电路。
优选地，所述处理器设有存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
优选地，所述存储器为易失性存储器或非易失性存储器。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法的步骤示意图；
图2是根据本发明一个实施例的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法的流程框图；
图3是根据本发明一个实施例的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法的新疆地区的等效风速日分布图；
图4是根据本发明一个实施例的测量装置的结构示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1为基于输电线路动态增容的等效风速测量方法的步骤示意图，如图1所示，基于输电线路动态增容的等效风速测量方法的步骤包括，.一种基于输电线路动态增容的等效风速测量方法，其步骤包括。
在第一步骤S1中，通过传感器测量输电线路的历史运行数据和环境数据，所述历史运行数据包括输电线路历史运行的运行时间t、运行电流I和导线温度Tc，所述环境数据包括环境温度Ta和日照强度b。
在第二步骤S2中，固定风向角，建立等效风速vw′的计算式F1，
其中，qg为导线运行过程中单位长度上产生的焦耳热，单位为J；qs为导线单位长度上的日照吸热，单位为J；qr为导线单位长度上的辐射散热，单位为J，其中，qg＝I2R(Tc)(F2)，F2中：R(Tc)为导线温度为Tc时的交流电阻值，单位为Ω，I为导线的运行电流，单位为A，qs＝αDb(F3)，F3式中：α为导体表面的吸热系数；D为导线直径，单位为m；b为日照强度，单位为W/m2；
qr＝πDεσ[(Tc+273)4-(Ta+273)4](F4)，F4中：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，单位为W·m-2·K-4；Tc为导线温度，单位为T；Ta为环境温度，单位为T；为导线单位长度上等效的质量与比热容乘积，单位为J/℃；dT/dt为导线的温度梯度；Δt＝Tc-Ta。
在第三步骤S3中，基于计算式F1计算历史运行时刻的等效风速vw′。
在第四步骤S4中，统计归纳第三步骤S3中计算所得的等效风速vw′的日变化规律与季节性变化规律。
在第五步骤S5中，根据第四步骤S4中的等效风速vw′的日变化规律与季节性变化规律，按月早中晚风速的变化范围，确定未来输电线路动态增容中的等效风速vw′。
为了更好地理解本发明，如图2所示的根据本发明一个实施例的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法的流程框图。
1通过测量装置，该测量装置可以是在线监测装置与通信系统，采集线路的历史运行数据与气象数据，主要包括：时间、运行电流、导线温度、环境温度、日照强度。并判断导线的新旧程度以确定导线的吸收系数与辐射系数，光亮新线的表面吸收系数为0.23～0.46，旧线或涂黑色防腐剂的导线为0.90～0.95；光亮新线的表面辐射系数为0.23～0.43，旧线或涂黑色防腐剂的导线为0.90～0.95。
2输电线路运行过程中，随着负荷的变化和环境参数的变化，导线的温度也是实时变化的，导线处于一种动态稳定的状态，相应地用暂态平衡方程描述：式中：为例如钢芯铝绞线的导线单位长度上等效的质量与比热容乘积J/℃，当导线为钢芯铝绞线，其可以通过等式F7确定，dT/dt为导线的温度梯度；qg为导线运行过程中单位长度上产生的焦耳热J；qs为导线单位长度上的日照吸热J；qc为导线单位长度上的对流散热包括自然对流散热和强制对流散热J；qr为导线单位长度上的辐射散热J。
对流散热分为自然对流散热与强制对流散热。由密度差引起的散热为自然对流散热，运行中的导线温度高于环境温度，加热其周围的空气，空气间的温度差意味着密度差，即使在无风的情况下也会有对流散热发生。在有风的情况下不仅会发生自然对流散热还会在风力的作用下发生强制对流散热。考虑到自然对流散热的散热强度较小且出现频率较低，本发明在对流散热的计算中以中国标准中的计算方法为准，忽略了自然对流散热，即公式
其中：D为导线外径，单位为mm；Tc为导线温度，单位为℃；Ta为环境温度，单位为℃；n、A、B为常数，φ为风向角；当0＜φ＜24°时，A＝0.42，B＝0.68，n＝1.08；当24°≤φ≤90°，A＝0.42，B＝0.58，n＝0.9；vw为风速，单位为m/s；kf为空气的热传导率W/m·℃；μf为空气的动态粘度kg/m·s；(F8)简化为qc＝9.92(Tc-Ta)(VwD)0.485(F9)，F9代入F6得F1，
其中qg，qs，qr的计算方法如下：
qg＝I2R(Tc) (F2)
式中：R(Tc)为导线温度为Tc时的交流电阻值Ω。
qs＝αDb (F3)
式中：
α为导体表面的吸热系数；D为导线直径m；b为日照强度W/m2。
qr＝πDεσ[(Tc+273)4-(Ta+273)4] (F4)
式中：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。将固定风向角后计算得出的vw′定义为等效风速。
3根据2中所述风速计算方法，利用MATLAB软件建立风速计算模型，对历史运行数据展开计算。
4研究表明风速大小与统环境温度呈现正相关关系，表现为风速的日循环特性和季节性循环特性，本发明的方法中虽然把风向角固定为90°，但是风速的日循环特性和季节性循环特性仍然存在。统计归纳3计算所得的风速的日变化规律与季节性变化规律。风速的瞬时变化特性与小区域差异大的特性对输电线路沿线风速的准确测量造成了困难，然而研究表明风速的变化是遵从一定规律的。风是由空气的密度差产生的，日照辐射越强、环境温度越高，空气间温差的大小和存在范围都会变大，空气的密度差变大，风速随之增大。因此，对于同一区域风速与环境温度成正相关关系，表现为风速的季节性循环变化特性与日循环变化特性。
5根据4中的风速的变化规律，按每个月早中晚风速的变化范围，确定未来增容计算中的等效风速。如规定在计算中1月份早上的等效风速为1m/s，中午的等效风速为5m/s，晚上的等效风速为2m/s；而6月份早上的等效风速为2m/s，中午的等效风速为8m/s，晚上的等效风速为3m/s。
在一个实施例中，本发明新疆地区某220kV线路为例计算等效风速并进行了数据的分析处理。图3是本发明的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法测量的新疆地区的等效风速日分布图，图3为2011年夏季等效风速日分布情况，风速的日循环特性显著。12：00～15：00时间段内等效风速的分布较为集中，即图中灰线区域。在进行动态增容计算中，可将这段时间内的风速设定为6m/s。为了更加准确的对等效风速进行预测，本文运用统计学的方法对数据进行了分析。研究表明在较短时间间隔内的风速服从正态分布。
在一个实施例中，在第一步骤S1中，所述传感器包括设在导线上的第一温度传感器1、测量环境温度的第二温度传感器2、和测量导线吸热的光线强度传感器3。
在一个实施例中，在第二步骤S2中，所述风向角为90度，所述导线为钢芯铝绞线。
在一个实施例中，在第二步骤S2中，导线温度为Tc时的交流电阻值R(Tc)通过计算式F5计算，R(Tc)＝(1+k)R20[1+α20(Tc-20)](F5)，其中，α20为20℃的导线材料温度系数；k为集肤效应系数，导体截面小于或等于400mm2时，k取值为0.0025；大于400mm2时，k取值为0.01。
在一个实施例中，在第三步骤S3中，利用MATLAB计算模块基于计算式F1计算历史运行时刻的等效风速。
图4为本发明的一个实施例的测量装置示意图，本发明实施例将结合图4进行具体说明。
如图4所示，本发明的一个实施例提供了一种测量位装置，测量装置包括设在导线上的第一温度传感器1、测量环境温度的第二温度传感器2、测量导线吸热的光线强度传感器3和连接所述第一温度传感器1、第二温度传感器2和光线强度传感器3的处理器4。
在一个实施例中，所述处理器4设有计算单元。
在一个实施例中，所述处理器4设有计算单元和MATLAB计算模块。
在一个实施例中，所述处理器4是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC，现场可编程门阵列FPGA、模拟电路、或数字电路。
在一个实施例中，所述处理器4设有存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
在一个实施例中，所述存储器为易失性存储器或非易失性存储器。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (10)
1.一种基于输电线路动态增容的等效风速测量方法，其步骤包括：
在第一步骤(S1)中，通过传感器测量输电线路的历史运行数据和环境数据，所述历史运行数据包括输电线路历史运行的运行时间t、运行电流I和导线温度Tc，所述环境数据包括环境温度Ta和日照强度b；
在第二步骤(S2)中，固定风向角，建立等效风速VW’的计算式F1，其中，qg为导线运行过程中单位长度上产生的焦耳热，单位为J；qs为导线单位长度上的日照吸热，单位为J；qr为导线单位长度上的辐射散热，单位为J，其中，qg＝I2R(Tc) (F2)，F2中：R(Tc)为导线温度为Tc时的交流电阻值，单位为Ω，I为导线的运行电流，单位为A，qs＝αDb (F3)，F3式中：α为导体表面的吸热系数；D为导线直径，单位为m；b为日照强度，单位为W/m2；
qr＝πDεσ[(Tc+273)4-(Ta+273)4] (F4)，F4中：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，单位为W·m-2·K-4；Tc为导线温度，单位为T；Ta为环境温度，单位为T；m′cp为导线单位长度上等效的质量与比热容乘积，单位为J/℃；dT/dt为导线的温度梯度；Δt＝Tc-Ta；
在第三步骤(S3)中，基于计算式F1计算历史运行时刻的等效风速VW’；
在第四步骤(S4)中，统计归纳第三步骤(S3)中计算所得的等效风速VW’的日变化规律与季节性变化规律；
在第五步骤(S5)中，根据第四步骤(S4)中的等效风速VW’的日变化规律与季节性变化规律，按月早中晚风速的变化范围，确定未来输电线路动态增容中的等效风速VW’。
2.根据权利要求1所述的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法，其特征在于：
在第一步骤(S1)中，所述传感器包括设在导线上的第一温度传感器(1)、测量环境温度的第二温度传感器(2)、和测量导线吸热的光线强度传感器(3)。
3.根据权利要求1所述的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法，其特征在于：在第二步骤(S2)中，所述风向角为90度。
4.根据权利要求1所述的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法，其特征在于：在第二步骤(S2)中，导线温度为Tc时的交流电阻值R(Tc)通过计算式F5计算，R(Tc)＝(1+k)R20[1+α20(Tc-20)] (F5)，其中，α20为20℃的导线材料温度系数，R20为20℃的交流电阻值；k为集肤效应系数，导体截面小于或等于400mm2时，k取值为0.0025；大于400mm2时，k取值为0.01。
5.根据权利要求1所述的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法，其特征在于：在第三步骤(S3)中，利用MATLAB计算模块基于计算式F1计算历史运行时刻的等效风速。
6.一种实施权利要求1-5任一项所述的基于输电线路动态增容的等效风速测量方法的测量装置，其包括设在导线上的第一温度传感器(1)、测量环境温度的第二温度传感器(2)、测量导线吸热的光线强度传感器(3)和连接所述第一温度传感器(1)、第二温度传感器(2)和光线强度传感器(3)的处理器(4)。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：所述处理器(4)设有计算单元。
8.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：所述处理器(4)设有MATLAB计算模块。
9.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：所述处理器(4)是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC，现场可编程门阵列FPGA或模拟电路。
10.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：所述处理器(4)设有存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM或快闪存储器。
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