CN110567520A - 一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，所述系统包括数据监测装置、数据采集装置、无线通讯装置、终端处理器，所述终端处理器包括计算模块和预估模块，其中，所述计算模块用于根据实时接收的电压数字量信号和电流数字量信号计算得到当前输电线路的输电容量；所述预估模块用于基于所述当前输电线路的输电容量，根据实时接收的导线弧垂数字量信号、导线温度数字量信号、环境风速数字量信号和环境温度数字量信号预估计算输电线路能够扩充的输电容量余量。本发明无需使用英国摩尔根公式，根据测得的电流和电压可以直接计算得到输电容量，因此，该方法的准确度更好，算法更简单，计算的时间短，实时性更好。

Description

一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统及方法

技术领域

本发明属于供电技术领域，特别涉及一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统及方法。

背景技术

输电线路随着输电容量的增加，输电线路的温度和输电线路的弧垂随之增加。在不同的环境中，例如严寒的冬天和炎热的夏天，受环境温度的影响，输电线路允许输送的容量有较大差别：例如无风的天气和狂风大作的天气，受风的影响，输电线路允许输送的容量有较大差别；例如暴风雪的天气和晴朗的天气，受覆冰的影响，输电线路允许输送的容量亦有较大差别。

现有技术中，根据环境温度、日照能量、风速和导线温度等利用热模型计算导线载流量，从而确定导线的限额，主要用到的算法是IEEE Std738-1993中《计算裸架空导线电流和温度关系的标准》、CIGRE ELT 144线路工作组报告《架空导线的热性能》以及英国摩尔根公式，另有根据导线弧垂与导线温度的关系来提高输送容量的方法。这些都是间接的方法，需要配合环境温度、环境风速等参量进行修正，存在一定的误差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，所述系统包括数据监测装置、数据采集装置、无线通讯装置、终端处理器，所述数据监测装置与数据采集装置相连接，所述数据采集装置通过所述无线通讯装置与所述终端处理器相连接：

所述数据监测装置能够监测输电线路的导线弧垂、输电线路的导线温度、输电杆塔或输电线路附近的环境风速、输电线路的电压、输电线路的电流、输电杆塔或输电线路附近的环境温度；

所述数据采集装置能够将数据监测装置监测到的导线弧垂、导线温度、环境风速、电压、电流以及环境温度的模拟量信号转化为数字量信号，并将所述数字量信号传输至所述终端处理器；

所述终端处理器包括计算模块和预估模块，其中，

所述计算模块用于根据实时接收的电压数字量信号和电流数字量信号计算得到当前输电线路的输电容量；

所述预估模块用于基于所述当前输电线路的输电容量，根据实时接收的导线弧垂数字量信号、导线温度数字量信号、环境风速数字量信号和环境温度数字量信号预估计算输电线路能够扩充的输电容量余量。

进一步地，所述数据监测装置包括倾角传感器、第一温度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器和第二温度传感器，其中，

所述倾角传感器用于监测输电线路的导线弧垂；

所述第一温度传感器用于监测输电线路的导线温度；

所述风速传感器用于监测输电杆塔或输电线路附近的环境风速；

所述电压传感器用于监测输电线路的电压；

所述电流传感器用于监测输电线路的电流；

所述第二温度传感器用于监测输电杆塔或输电线路附近的环境温度。

进一步地，所述倾角传感器、第一温度传感器、电压传感器和电流传感器均布置在输电线路的表面，所述风速传感器和第二温度传感器均布置在输电杆塔的表面。

进一步地，所述系统还包括供能系统，所述供能系统包括太阳能板、蓄电池、风力发电设备以及电压转换模块。

进一步地，所述太阳能板和风力发电设备分别与蓄电池连接，所述太阳能板、蓄电池以及风力发电设备分别与电压转换模块连接。

进一步地，所述电压转换模块分别与倾角传感器、第一温度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器、第二温度传感器、数据采集装置以及无线通讯装置连接，用于对倾角传感器、第一温度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器、第二温度传感器、数据采集装置以及无线通讯装置提供电能。

进一步地，所述无线通讯装置为3G、4G、GPRS、Zigbee、北斗通信模块中的任一或组合。

本发明还提供了一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容方法，所述方法包括：

通过数据监测装置监测得到输电线路的导线弧垂、输电线路的导线温度、输电杆塔或输电线路附近的环境风速、输电线路的电压、输电线路的电流、输电杆塔或输电线路附近的环境温度；

数据采集装置获取并将所述导线弧垂、导线温度、环境风速、电压、电流以及环境温度的模拟量信号转化为数字量信号，并将所述数字量信号传输至终端处理器；

所述终端处理器根据电压数字量信号和电流数字量信号计算得到当前输电线路的输电容量；

基于所述当前输电线路的输电容量，所述终端处理器根据导线弧垂数字量信号、导线温度数字量信号、环境风速数字量信号和环境温度数字量信号预估计算输电线路能够扩充的输电容量余量。

本发明无需使用英国摩尔根公式，根据测得的电流和电压可以直接计算得到输电容量，因此，该方法的准确度更好，算法更简单，计算的时间短，实时性更好。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1示出了本发明实施例的一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统示意图；

图2示出了本发明实施例的一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统结构布置示意图；

图3示出了本发明实施例的终端处理器处理流程示意图；

图4示出了本发明实施例的一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容方法流程图。

图中：1、输电杆塔；2、输电线路；3、倾角传感器；4、第一温度传感器；5、风速传感器；6、电压传感器；7、电流传感器；8、第二温度传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，如图1所示，所述系统包括数据监测装置、数据采集装置、无线通讯装置、终端处理器、供能系统。其中，所述数据监测装置与数据采集装置相连接，示例性的，数据监测装置与数据采集装置之间连接有光纤或电缆，通过光纤或电缆实现信号的传输，但不限于光纤或电缆，也可以是其他的信号传输设备；所述数据采集装置用于将数据监测装置监测到的模拟量信号转化为数字量信号，所述数据采集装置通过所述无线通讯装置与所述终端处理器相连接，所述终端处理器包括计算模块和预估模块，所述终端处理器用于根据接收的数字量信号预估计算输电线路能够扩充的输电容量余量；所述供能系统分别与数据监测装置、数据采集装置、无线通讯装置连接，用于给数据监测装置、数据采集装置、无线通讯装置提供电能。

本实施例中，所述数据监测装置包括倾角传感器、第一温度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器和第二温度传感器，其中，

所述倾角传感器、第一温度传感器、电压传感器和电流传感器均布置在输电线路的表面，所述倾角传感器用于监测输电线路的导线弧垂，所述第一温度传感器用于监测输电线路的导线温度，所述电压传感器用于监测输电线路的电压，所述电流传感器用于监测输电线路的电流；

所述风速传感器和第二温度传感器均布置在输电杆塔的表面，所述风速传感器用于监测输电杆塔或输电线路附近的环境风速，所述第二温度传感器用于监测输电杆塔或输电线路附近的环境温度。

示例性的，图2示出了本发明实施例的一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统结构布置示意图，如图2所示，本实施例以输电线路2为交流线路为例进行示例性说明，但并不限于交流线路，直流线路等均可适用于本发明。图2中包括输电杆塔1与输电线路2，在两个输电杆塔1之间架设有三条输电线路2，但不限于此，每条输电线路2表面均布置有倾角传感器3、第一温度传感器4、电压传感器6和电流传感器7，其中，倾角传感器3和电流传感器7分别布置在靠近输电线路2两端的位置上，第一温度传感器4和电压传感器6均位于倾角传感器3与电流传感器7之间的输电线路2上，并且第一温度传感器4靠近倾角传感器3，电压传感器6靠近电流传感器7。

本实施例中，每个电压传感器6只测量、输出所在输电线路2的电压信息，各输电线路2均设置有电压传感器6，从而可以实现各输电线路2的测量，可以获取各输电线路2的电压信息。

本实施例中，每个电流传感器7只测量、输出所在输电线路2的电流信息，各输电线路2均设置有电流传感器7，从而可以实现各输电线路2的测量，可以获取各输电线路2的电流信息。

本实施例中，每个倾角传感器3只测量、输出所在输电线路2的导线弧垂信息，各输电线路2均设置有倾角传感器3，从而可以实现各输电线路2的测量，可以获取各输电线路2的导线弧垂信息。

本实施例中，每个第一温度传感器4只测量、输出所在输电线路2的导线温度信息，各输电线路2均设置有第一温度传感器4，从而可以实现各输电线路2的测量，可以获取各输电线路2的导线温度信息。

本实施例中，所述输电杆塔1的顶部设置有风速传感器5，用于测量输电杆塔1或输电线路2附近的环境风速，所述输电杆塔1的表面设置有第二温度传感器8，用于测量输电杆塔1或输电线路2附近的环境温度。

本实施例中，所述输电杆塔1上安装有数据采集装置、无线通讯装置、供能系统，其中，数据采集装置用于采集倾角传感器3、第一温度传感器4、风速传感器5、电压传感器6、电流传感器7以及第二温度传感器8监测的模拟量信号，并将采集到的模拟量信号转化为数字量信号；无线通讯装置，用于数据采集装置与终端处理器之间进行无线通讯；供能系统，用于向倾角传感器3、第一温度传感器4、风速传感器5、电压传感器6、电流传感器7、第二温度传感器8、数据采集装置以及无线通讯装置提供电能。

本实施例中，倾角传感器3、第一温度传感器4、风速传感器5、电压传感器6、电流传感器7以及第二温度传感器8分别通过电缆或光纤连接数据采集装置，数据采集装置通过所述无线通讯装置与终端处理器相连接。

本实施例中，所述无线通讯装置为3G、4G、GPRS、Zigbee、北斗通信模块中的任一或组合，但并非仅仅限于上述所述的通信模块，其他通讯模块均可适用于本发明。优选的，无线通讯装置同时包含3G、4G、GPRS、Zigbee和北斗通信模块，在传统的公网通讯模块中，添加了北斗通信模块，可有效的避免公网通讯故障影响信息传输的情况发生，提高了系统的可靠性。

本实施例中，所述供能系统包括太阳能板、蓄电池、风力发电设备以及电压转换模块，所述太阳能板和风力发电设备分别与蓄电池连接，用于存储电能；所述太阳能板、蓄电池以及风力发电设备分别与电压转换模块连接，用于供电。

本实施例中，如图3所示，介绍了终端处理器对输电线路进行动态扩容余量的计算，其中终端处理器包括计算模块和预估模块，具体包括以下步骤：

1、终端处理器实时接收电压数字量信号、电流数字量信号、导线温度数字量信号、环境风速数字量信号以及环境温度数字量信号；

2、计算模块根据实时接收的电压数字量信号和电流数字量信号计算得到当前输电线路的输电容量，计算公式如下：

其中，P为当前输电线路的输电容量，U为终端处理器实时接收的电压值，I为终端处理器实时接收的电流值，k为与线路相关的参数，对于交流三相输电线路而言，对于直流输电线路而言，k＝1，为输电功率因数，其中为电流与电压之间的相角差。

3、预估模块预估计算出输电线路的最大载流量，根据计算公式：

Q_c+Q_r＝Q_s+I²R(T_c)

可得：

式中，I_t为输电线路允许的最大载流量；

T_c为输电线路的导线温度，T_c由第一温度传感器测得；

Q_c为输电线路的对流散热，单位为W/m²；

Q_r为输电线路的辐射散热，单位为W/m²；

Q_s为日照吸热，单位为W/m²；

R(T_c)为导线温度T_c时输电线路的交流电阻，单位为Ω/m。

其中，

Q_c＝0.57θλ_fR_e ^0.485

式中，λ_f为导线表面空气层传热系数，λ_f＝2.42*10^-2+7*(t_a+0.5θ)*10^-5，t_a为输电线路周围环境温度，θ为输电线路表面平均温升；

Re＝VD/v，V为输电线路周围的环境风速，由风速传感器测得，D为输电线路的外径；

v＝1.32*10^-5+9.6*(t_a+0.5θ)*10^-8；

Re为雷诺数。

Q_r＝∈Aσ(T_c ⁴-t_a ⁴)

式中，∈为物体的发射率；

A为物体的表面积；

σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，其值为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；

T_c为输电线路的导线温度，由第一温度传感器测得；

t_a为输电线路周围的环境温度，由第二温度传感器测得。

Q_s＝α_sI_sD

α_s为输电线路的吸热系数，光亮新线为0.23～0.46，发黑旧线为0.90～0.95；

I_s为日光对输电线路的日照强度，取1kW/m²；

D为输电线路的外径。

基于上述公式可知通过第一温度传感器测得的输电线路的导线温度，第二温度传感器测得的输电线路周围的环境温度，计算得到输电线路的最大载流量。

终端处理器根据最大输电容量计算公式预估计算出输电线路的最大输电容量，公式如下：

式中，P_m为输电线路的最大输电容量；U为电压；I_t为最大载流量；k为与线路相关的参数，对于交流三相输电线路而言，对于直流输电线路而言，k＝1；为输电功率因数。

将输电线路的最大输电容量减去当前的输电容量即为能够扩充的输电容量余量，即

ΔP＝P_m-P

式中，ΔP为能够扩充的输电容量余量，P_m为输电线路的最大输电容量，P为输电线路当前的输电容量。

本发明还提供了一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容方法，如图4所示，所述方法包括以下步骤：

通过数据监测装置监测得到输电线路的导线弧垂、输电线路的导线温度、输电杆塔或输电线路附近的环境风速、输电线路的电压、输电线路的电流、输电杆塔或输电线路附近的环境温度；

数据采集装置获取并将所述导线弧垂、导线温度、环境风速、电压、电流以及环境温度的模拟量信号转化为数字量信号，并将所述数字量信号传输至终端处理器；

所述终端处理器根据电压数字量信号和电流数字量信号计算得到当前输电线路的输电容量；

基于所述当前输电线路的输电容量，所述终端处理器根据导线弧垂数字量信号、导线温度数字量信号、环境风速数字量信号和环境温度数字量信号预估计算输电线路能够扩充的输电容量余量。

本发明无需使用英国摩尔根公式，根据测得的电流和电压可以直接计算得到输电容量，因此，该方法的准确度更好，算法更简单，计算的时间短，实时性更好。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，所述系统包括数据监测装置、数据采集装置、无线通讯装置、终端处理器，所述数据监测装置与数据采集装置相连接，所述数据采集装置通过所述无线通讯装置与所述终端处理器相连接，其特征在于：

所述数据监测装置能够监测输电线路的导线弧垂、输电线路的导线温度、输电杆塔或输电线路附近的环境风速、输电线路的电压、输电线路的电流、输电杆塔或输电线路附近的环境温度；

所述数据采集装置能够将数据监测装置监测到的导线弧垂、导线温度、环境风速、电压、电流以及环境温度的模拟量信号转化为数字量信号，并将所述数字量信号传输至所述终端处理器；

所述终端处理器包括计算模块和预估模块，其中，

所述计算模块用于根据实时接收的电压数字量信号和电流数字量信号计算得到当前输电线路的输电容量；

所述预估模块用于基于所述当前输电线路的输电容量，根据实时接收的导线弧垂数字量信号、导线温度数字量信号、环境风速数字量信号和环境温度数字量信号预估计算输电线路能够扩充的输电容量余量。

2.根据权利要求1所述的基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，其特征在于：所述数据监测装置包括倾角传感器、第一温度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器和第二温度传感器，其中，

所述倾角传感器用于监测输电线路的导线弧垂；

所述第一温度传感器用于监测输电线路的导线温度；

所述风速传感器用于监测输电杆塔或输电线路附近的环境风速；

所述电压传感器用于监测输电线路的电压；

所述电流传感器用于监测输电线路的电流；

所述第二温度传感器用于监测输电杆塔或输电线路附近的环境温度。

3.根据权利要求2所述的基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，其特征在于：所述倾角传感器、第一温度传感器、电压传感器和电流传感器均布置在输电线路的表面，所述风速传感器和第二温度传感器均布置在输电杆塔的表面。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，其特征在于：所述系统还包括供能系统，所述供能系统包括太阳能板、蓄电池、风力发电设备以及电压转换模块。

5.根据权利要求4所述的基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，其特征在于：所述太阳能板和风力发电设备分别与蓄电池连接，所述太阳能板、蓄电池以及风力发电设备分别与电压转换模块连接。

6.根据权利要求4所述的基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，其特征在于：所述电压转换模块分别与倾角传感器、第一温度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器、第二温度传感器、数据采集装置以及无线通讯装置连接，用于对倾角传感器、第一温度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器、第二温度传感器、数据采集装置以及无线通讯装置提供电能。

7.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的基于输电线路电压电流测量的动态扩容系统，其特征在于：所述无线通讯装置为3G、4G、GPRS、Zigbee、北斗通信模块中的任一或组合。

8.一种基于输电线路电压电流测量的动态扩容方法，其特征在于，所述方法包括：

通过数据监测装置监测得到输电线路的导线弧垂、输电线路的导线温度、输电杆塔或输电线路附近的环境风速、输电线路的电压、输电线路的电流、输电杆塔或输电线路附近的环境温度；

数据采集装置获取并将所述导线弧垂、导线温度、环境风速、电压、电流以及环境温度的模拟量信号转化为数字量信号，并将所述数字量信号传输至终端处理器；

所述终端处理器根据电压数字量信号和电流数字量信号计算得到当前输电线路的输电容量；

基于所述当前输电线路的输电容量，所述终端处理器根据导线弧垂数字量信号、导线温度数字量信号、环境风速数字量信号和环境温度数字量信号预估计算输电线路能够扩充的输电容量余量。