CN110728426A - 基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法及评估系统 - Google Patents

基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法及评估系统 Download PDF

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CN110728426A CN201910850149.1A CN201910850149A CN110728426A CN 110728426 A CN110728426 A CN 110728426A CN 201910850149 A CN201910850149 A CN 201910850149A CN 110728426 A CN110728426 A CN 110728426A
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贺先强
马覃峰
康鹏
刘明顺
孙斌
王永刚
张勇
朱灵子
陈锐
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Abstract

本发明提供一种基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法及评估系统，其中，评估方法通过架空线路首末端有功功率差作为线路热功率上限，与静态载流量、动态载流量对应的极限焦耳热功率进行对比，从功率角度评估线路运行状态，计算架空线路安全裕度，突破单一线路电流角度评估线路状态的局限性。当评估状态为预警或越限时，计算动态电阻，根据动态热平衡原理计算导体温度，监测和验证线路运行情况。本方法从功率角度分析，所需数据易获取，安全裕度易计算，评估状态为预警或越限时对电阻动态特性和温升情况进行验证，提高和保证评估结果的可靠性，对输电线路安全可靠调整输电效率具有重要意义。

Description

基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法及评估系统
技术领域
本发明属于电力系统及其自动化技术领域，具体是涉及一种基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法及评估系统。
背景技术
架空线路安全高效输电是提高供电可靠性、建设坚强电网的基础。针对架空线路安全问题，我国目前架空输电线路的设计输送越限是在最高允许运行线路温度为70℃时，根据线路导体规格和国标规定的气象环境条件，计算出的线路最大电流，即静态载流量。相关研究根据线路运行的实际外部环境，提出动态载流量方法，由于实际环境一般优于保守的国标定值，动态载流量可提高线路输送限值。但是，架空线路安全输电核心是限制线路热功率，单纯从线路电流来评估架空线路输送问题，缺乏对实际动态电阻的测量，缺乏对线路实际温度、热功率的有效监控。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法及评估系统，对输电线路安全可靠调整输电效率具有重要意义。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法，包括以下步骤：
S1、以线路首末两端的有功功率功率损耗Pd作为线路最大焦耳热功率，将有功功率损耗Pd分别与静态极限焦耳热功率Pjs和动态极限焦耳热功率Pjd进行对比，并将线路热功率运行状态分为安全、预警、越限三种状态；
S2、根据线路热功率运行状态，计算线路安全裕度δM；
S3、当线路运行状态处于预警或越限时，进行安全性验证，通过验证则表征线路安全裕度可靠，不通过则将线路安全裕度置0，并告警。
本发明还提供一种架空线路安全裕度评估系统，包括：
运行状态评估模块，用以执行以线路首末两端的有功功率功率损耗Pd作为线路最大焦耳热功率，将有功功率损耗Pd分别与静态极限焦耳热功率Pjs和动态极限焦耳热功率Pjd进行对比，并将线路热功率运行状态评估为安全、预警、越限三种状态；
安全裕度计算模块，用以根据运行状态评估模块的线路热功率运行状态评估结果，计算线路安全裕度；
安全性判断模块，用以执行当线路运行状态处于预警或越限时，进行安全性验证，通过验证则表征线路安全裕度可靠，不通过则将线路安全裕度置0，并告警。
本发明的有益效果至少部分的体现在：
本发明通过架空线路首末端有功功率差(功率损耗)作为线路热功率上限，与静态载流量、动态载流量对应的极限焦耳热功率进行对比，从功率角度评估线路运行状态，计算架空线路安全裕度，突破单一线路电流(载流量)角度评估线路状态的局限性。当评估状态为预警或越限时，计算动态电阻，根据动态热平衡原理计算导体温度，监测和验证线路运行情况。本方法从功率角度分析，所需数据易获取，安全裕度易计算，评估状态为预警或越限时对电阻动态特性和温升情况进行验证，提高和保证评估结果的可靠性，对输电线路安全可靠调整输电效率具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例的架空线路安全裕度评估方法的流程图；
图2为本发明实施例的热功率分布情况；
图3为本发明实施的载流量分布情况；
图4为本发明实施例的实测电阻R随时间的变化曲线；
图5为本发明实施例的电阻温升情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参阅如图1所示，本发明实施例提供的一种基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法，包括以下步骤：
S1、以线路首末两端的有功功率功率损耗Pd作为线路最大焦耳热功率，将有功功率损耗Pd分别与静态极限焦耳热功率Pjs和动态极限焦耳热功率Pjd进行对比，并将线路热功率运行状态分为安全、预警、越限三种状态；
S2、根据线路热功率运行状态，计算线路安全裕度δM；
S3、当线路运行状态处于预警或越限时，进行安全性验证，通过验证则表征线路安全裕度可靠，不通过则将线路安全裕度置0，并告警。
可以理解的是，所述线路首末两端的有功功率功率损耗Pd是指线路首末两端的有功功率差。具体的，可通过分别设置在线路首末两端的功率测量装置测量出线路首末端的有功功率P1和P2，进一步得出有功功率损耗Pd＝|P1-P2|。
作为一种优选的实施例：所述步骤S1中，根据静态、动态载流量理论中热功率平衡原理，分别计算出静态极限焦耳热功率Pjs和动态极限焦耳热功率Pjd。
作为具体的：根据热功率平衡原理，焦耳热功率Pj与日照吸热Ps之和等于对流散热Pc与辐射散热Pr之和，功率单位为W/m，热平衡公式与变量的函数关系如下式：
Pj＝Pc(TC,T0,D,v)+Pr(TC,T0,D,e)-Ps(α,D,S)
其中，TC为线路导体温度，T0为环境温度，D为导线直径，v为等效垂直风速(风向90°垂直于导线)，e为导体散热系数，α为导体吸热系数，S为光照强度。进一步的，上述公式中，辐射散热Pr＝πsDe((TC+273)4-(T0+273)4)，其中，s＝5.67×10-8，导体散热系数e根据新旧线情况决进行取值，光亮新线建议取值为0.23-0.46，污损氧化旧线建议取值为0.9-0.95。对流散热Pc＝λNμπ(TC-T0)，式中，λ为空气膜导热系数，为λ＝0.02585；欧拉数
Figure BDA0002196618350000041
雷诺数Re＝1.644×109vD[T0+0.5(TC-T0)]-1.78。日照吸热Ps＝αDS，式中，α为导线的吸收系数，根据新旧线情况进行取值，光亮新线建议取值为0.23-0.46，污损氧化旧线建议取值为0.9-0.95。
进一步的，当TC取值为70℃，T0取值为20℃，v取值为0.5m/s，光照强度S取值为1000W/m2时，焦耳热功率Pj等效为静态极限焦耳热功率Pjs；若T0，v，S根据实际气象数据取值，则焦耳热功率Pj等效为动态极限焦耳热功率Pjd。
作为一种优选的实施例：所述步骤S1中，以Pjs≤Pjd为条件，
当Pd<Pjs，运行状态为安全；当Pjs≤Pd<Pjd，运行状态为预警；当Pjd≤Pd，运行状态为越限。
作为一种优选的实施例：所述步骤S2中，根据线路热功率运行状态的不同，分别计算对应运行状态的安全裕度：
当运行状态为安全时，安全裕度为
Figure BDA0002196618350000051
表示当前线路热功率距离静态极限焦耳热功率剩余裕度；
当运行状态为预警时，安全裕度为
Figure BDA0002196618350000052
表示当前线路热功率距离动态极限焦耳热功率的剩余功率占动态极限焦耳热功率相对静态提升功率的比重；
当运行状态为越限时，安全裕度为
Figure BDA0002196618350000053
表示当前线路超出的热功率占动态极限焦耳热功率的比重，为负值；
作为一种优选的实施例：进行区间多点采样时，计总采样点数为N，安全、预警和越限的采样点数分别为N0、N1和N2，则安全裕度
Figure BDA0002196618350000054
Figure BDA0002196618350000055
分别取对应运行状态下的安全裕度平均值，即将对应运行状态下的各单点安全裕度叠加后求均值；以运行状态为安全为例，
Figure BDA0002196618350000056
式中i为运行状态为安全的采样点下标；
总体安全裕度
Figure BDA0002196618350000057
则表征为：
Figure BDA0002196618350000058
作为一种优选的实施例：所述步骤S3中，进行安全性验证包括：结合线路导体实际温度以及动态电阻(实际电阻)进行对比验证，当线路导体实际温度低于设定温度且动态电阻小于10倍经验电阻时，验证通过，否则，验证不通过，将安全裕度置0，进行告警。
作为具体的：线路的动态电阻(实际电阻)值R由功率损耗Pd和线路的实际电流I按照公式Pd＝I2R进行计算，其中，实际电流I可由测装置获取，动态电阻值R可根据线路长度单位换算为Ω/m。进一步的，根据经验公式计算经验电阻R(TC)，经验公式是根据下式：
Figure BDA0002196618350000061
将经验电阻R(TC)近似为温升直流电阻RDC(TC)，β为导线的交直流电阻比，根据线路导体材质决定电阻温度变化系数α20，根据线路规格型号决定ζ,τ等参数，RDC,20为20℃时直流电阻，由线路规格型号决定。
可按热功率公式
Figure BDA0002196618350000062
和
Figure BDA0002196618350000063
分别计算静态载流量Ijs和动态载流量Ijd。
根据动态热平衡原理计算导体实际温度，动态热平衡是将热平衡公式解方程：
F＝Pc(TC，T0，D，v)+Pr(TC，T0，D，e)-Ps(α，D，S)-Pj(TC，T0，I)＝0
其中，T C为自变量，其他均为已知量，进行解方程，求得实际温度。
进行安全性验证时，对比实际电阻值R和经验公式计算的电阻R(TC)；以及对比线路导体的实际温度与设定温度。若实际温度小于或等于设定温度，且R≤10R(TC)，则验证通过，可认为线路状态运行安全可靠，步骤S2中的安全裕度计算有效，若不通过则将安全裕度置0，进行告警。
本发明的实施例还提供一种架空线路安全裕度评估系统，包括：
运行状态评估模块，用以执行以线路首末两端的有功功率功率损耗Pd作为线路最大焦耳热功率，将有功功率损耗Pd分别与静态极限焦耳热功率Pjs和动态极限焦耳热功率Pjd进行对比，并将线路热功率运行状态评估为安全、预警、越限三种状态；
安全裕度计算模块，用以根据运行状态评估模块的线路热功率运行状态评估结果，计算线路安全裕度；
安全性判断模块，用以执行当线路运行状态处于预警或越限时，进行安全性验证，通过验证则表征线路安全裕度可靠，不通过则将线路安全裕度置0，并告警。
作为一种优选的实施例：所述运行状态评估模块中，执行以Pjs≤Pjd为条件，当Pd<Pjs，运行状态评估为安全，当Pjs≤Pd<Pjd，运行状态评估为预警；当Pjd≤Pd，运行状态评估为越限；
所述安全裕度计算模块中，执行：
当运行状态为安全时，安全裕度计算为
Figure BDA0002196618350000071
当运行状态为预警时，安全裕度计算为
Figure BDA0002196618350000072
当运行状态为越限时，安全裕度计算为
Figure BDA0002196618350000073
作为一种优选的实施例：安全性判断模块中，执行以线路导体实际温度以及动态电阻进行对比验证，当线路导体实际温度低于设定温度且动态电阻小于10倍经验电阻时，验证通过，否则，验证不通过，将安全裕度置0，进行告警。
下面给出一个通过本发明的架空线路安全裕度评估方法对实际架空线路进行的示例：
测试评估对象是已投运的220kV架空输电线路，线型为LGJQ-400/35(直流电阻约0.0748Ω/km)，材质为铝，长度为36.301km。根据所采用的线型可得相关参数：α20＝0.00403，ζ＝0.8042，τ＝0.0363，旧线取散热、吸热系数均为0.9(e＝0.9α＝0.9)。
采样区间为1天288点，计算静态极限焦耳热功率Pjs时，线路导体温度TC为70℃，温度T0为20℃，风速v为0.5m/s，光照强度S为1000W/m2。动态输入数据为实际运行电流、首末端有功功率和实际气象数据(环境温度T0，风速v，风向和光照强度S)，由于数据较多，选列部分数据和结果如下：表1本发明实施例部分实际气象数据和越限功率结果。
表1
Figure BDA0002196618350000081
全天对比Pd与Pjs、Pjd，如图2所示：0至17点左右，热功率运行状态保持在安全区域(Pd<Pjs)，17点时发生一次预警(Pjs≤Pd<Pjd)情况，并在晚上7点以后处于长时间预警状态，没有越限情况。
裕度计算：共288点，217点为安全，平均裕度为73.3483％，71点为预警，平均裕度为76.9648％，加权后本次采样区间总体裕度为74.2399％。
安全性验证载流量，如图3所示：实际电流虽在17点至23点有明显上升，但距离静态载流量仍有距离，从载流量角度线路运行状态是安全的，且有200A的裕度。
安全性验证动态电阻，如图4所示，动态电阻(实际电阻)R与经验电阻R(TC)存在误差，且在17点至23点有明显上升，上升倍数约2.5倍，需进一步验证电阻温度。
如图5所示，电阻温升低于70℃，因此虽实测电阻有升高，但线路运行于安全状态，安全裕度计算有效。则当日共288点，217点为安全，裕度为73.3483％，71点为预警，裕度为76.9648％，加权后本次采样区间总体裕度为74.2399％。
综上，本发明通过架空线路首末端有功功率差(功率损耗)作为线路热功率上限，与静态载流量、动态载流量对应的极限焦耳热功率进行对比，从功率角度评估线路运行状态，由图2热功率分布可以发现图3载流量分布中存在的局限性；对存在风险的情况进一步计算动态电阻和电阻温度，监测和验证线路运行情况，有效计算架空线路安全裕度，量化线路运行情况。本发明实际揭示了一种潜在的风险和运行情况，即实际电流在静态载流量限值内运行时，其热功率可能高于越限静态热功率(即实际散热情况已进入动态载流量范围)，此时再参考动态载流量理论对线路增容，提高电流，可能会造成安全隐患。本方法从功率角度分析，数据易获取，裕度易计算，提高和保证评估结果的可靠性，对输电线路安全可靠调整输电效率具有重要意义。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以线路首末两端的有功功率损耗Pd作为线路最大焦耳热功率，将有功功率损耗Pd分别与静态极限焦耳热功率Pjs和动态极限焦耳热功率Pjd进行对比，并将线路热功率运行状态分为安全、预警、越限三种状态；
S2、根据线路热功率运行状态，计算线路安全裕度δM；
S3、当线路运行状态处于预警或越限时，进行安全性验证，通过验证则表征线路安全裕度可靠，不通过则将线路安全裕度置0，并告警。
2.根据权利要求1所述的基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法，其特征在于：所述步骤S1中，根据静态、动态载流量理论中热功率平衡原理，分别计算出静态极限焦耳热功率Pjs和动态极限焦耳热功率Pjd。
3.根据权利要求1所述的基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法，其特征在于：所述步骤S1中，以Pjs≤Pjd为条件，
当Pd<Pjs，运行状态为安全；
当Pjs≤Pd<Pjd，运行状态为预警；
当Pjd≤Pd，运行状态为越限。
4.根据权利要求1或3所述的基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据线路热功率运行状态，分别计算安全裕度
Figure FDA0002196618340000011
当运行状态为安全时，
Figure FDA0002196618340000012
当运行状态为预警时，
Figure FDA0002196618340000021
当运行状态为越限时，
Figure FDA0002196618340000022
5.根据权利要求4所述的基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法，其特征在于：进行多点采样时，计总采样点数为N，安全、预警和越限的采样点数分别为N0、N1和N2，则安全裕度分别取对应状态下的安全裕度平均值；
总体安全裕度
Figure FDA0002196618340000024
表征为：
Figure FDA0002196618340000025
6.根据权利要求1所述的基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法，其特征在于：所述步骤S3中，进行安全性验证包括：结合线路导体实际温度以及动态电阻进行对比验证，当线路导体实际温度低于设定温度且动态电阻小于10倍经验电阻时，验证通过，否则，验证不通过，将安全裕度置0，进行告警。
7.根据权利要求6所述的基于极限热功率的架空线路安全裕度评估方法，其特征在于：所述设定温度的取值范围为60℃-70℃。
8.一种架空线路安全裕度评估系统，其特征在于，包括：
运行状态评估模块，用以执行以线路首末两端的有功功率功率损耗Pd作为线路最大焦耳热功率，将有功功率损耗Pd分别与静态极限焦耳热功率Pjs和动态极限焦耳热功率Pjd进行对比，并将线路热功率运行状态评估为安全、预警、越限三种状态；
安全裕度计算模块，用以根据运行状态评估模块的线路热功率运行状态评估结果，计算线路安全裕度；
安全性判断模块，用以执行当线路运行状态处于预警或越限时，进行安全性验证，通过验证则表征线路安全裕度可靠，不通过则将线路安全裕度置0，并告警。
9.根据权利要求8所述的架空线路安全裕度评估系统，其特征在于，所述运行状态评估模块中，执行以Pjs≤Pjd为条件，当Pd<Pjs，运行状态评估为安全，当Pjs≤Pd<Pjd，运行状态评估为预警；当Pjd≤Pd，运行状态评估为越限；
所述安全裕度计算模块中，执行：
当运行状态为安全时，安全裕度计算为
Figure FDA0002196618340000031
当运行状态为预警时，安全裕度计算为
Figure FDA0002196618340000032
当运行状态为越限时，安全裕度计算为
Figure FDA0002196618340000033
10.根据权利要求8所述的架空线路安全裕度评估系统，其特征在于，安全性判断模块中，执行以线路导体实际温度以及动态电阻进行对比验证，当线路导体实际温度低于设定温度且动态电阻小于10倍经验电阻时，验证通过，否则，验证不通过，将安全裕度置0，进行告警。
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