CN113295961A - 一种架空输电线路线夹发热预警和动态增容边缘计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于配电网通信技术领域的一种架空输电线路线夹发热预警和动态增容边缘计算方法。包括1、基于超高频传感的输电线路线夹发热信息采集；2、基于分层贝叶斯处理的线夹发热边缘计算；3、架空输电线路的多维传感器信息采集与发热计算；4、基于回声状态网络模型的动态增容边缘计算。提出在线夹发热预警中引入分层贝叶斯边缘计算算法，能够协同调和各类资源，与边缘侧和中心侧都有关联，能够将线夹发热预警中的信息在边缘进行计算处理；利用输电线路动态增容边缘计算方法，对多因子实时动态监测并进行动态增容，计算出导线的实际最大允许载流量，可以简化边缘计算复杂度，从而为输电线路的安全运行提供保障。

Description

一种架空输电线路线夹发热预警和动态增容边缘计算方法

技术领域

本发明涉及配电网通信技术领域，尤其涉及一种架空输电线路线夹发热预警和动态增容边缘计算方法。

背景技术

在架空线路中，线路线夹作为重要组成金具，不仅要承担导线的拉力，还要承受线路负荷电流，其机械性能和电气性能时刻经受外界环境与高强度电磁场的考验，其运行状态关乎架空线路的安全可靠运行，由于部分输电线路已投运较长时间，架空线路线夹过热的问题频发，大大制约了线路的载流能力，当发热严重时，还会引起线夹的变形甚至熔断，影响电能输送的质量，导致输电线路的停运。

国内外常见的测量输电线路导线和金具温度的方法主要包括非接触式和接触式两大类。接触式是测量物体内部的热能流动的情况，非接触式是以辐射形式传输能量的情况。其中，非接触式测量又包括红外测温、基于彩色CCD三基色的测温、激光测温等；而接触式测量主要是采用接触式温度传感器，包括热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和集成温度传感器等。

现有技术主要存在如下问题：

1、红外测温仪由于辐射测温的原理复杂和温度计结构复杂，使得红外线测温仪价格较贵且操作过程复杂；

2、超声波测温仪测量精度较低且可靠性不足，并且还存在着自动化程度低、在线监测困难以及整体测温水平不高等缺点；

3、目前针对单一线路上的动态增容监测装置不能考虑统一电网的综合情况，无法正确判断是否可以增容的缺陷。对导线本身的带负荷能力关注较少。实际上导线的允许载流量不仅受气象、环境因素影响，还受自身的健康状态、失效风险等众多因素制约。

此外，用电需求大幅增加对电能的输送容量提出了更高的要求，动态增容技术是一种提高现有输电线路容量的有效方法，可通过在线监测系统实时监测线路物理特性和环境参数，充分挖掘线路的输送潜力，以导线的实际运行状况为依据适时提高输送容量。运用通过收集气象预测信息和导线相关测量装置信息实时核算导线的动态容量，如动态热定值影响因素分析、架空导线动态增容的暂态热路模型、融合静态增容和动态增容的线路载流量动态修正法、基于阻塞分析的输电线路动态增容方法等。

架空输电线路线夹发热预警和动态增容不仅能提高电网运行安全与可靠性，而且可以帮助电网进一步挖掘线路输送容量，提高电网运行经济性。以线路为单位，研究线夹发热模型，结合气象模型，应用边缘计算研究线夹发热预警智能算法，指导开展精准运维。利用线路模型计算导线最大负荷状况，研究线路导线温度变化及弧垂变化，利用边缘计算研究线路动态增容的算法，指导调度部门合理调配线路输送容量。

发明内容

本发明的目的是提出一种架空输电线路线夹发热预警和动态增容边缘计算方法。

架空输电线路线夹发热预警边缘计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1：采集架空输电线路线夹发热信息；首先通过超高频无线信号传输温度数据的温度传感器，根据实时测量的线夹温度、微气候数据和输电线路参数计算线夹温度是否越限；然后根据线路负荷电流数据，计算线夹热量裕度并发布预警信号；

步骤A2：进行架空输电线路线夹发热边缘计算；在线夹发热预警中，引入基于分层贝叶斯处理的线夹发热边缘计算模型，将通过超高频无线信号传输的温度数据进行处理后，再送往监控主站，直接将架空输电线路线夹的温度数据送往监控主站进行预警判断。

所述基于分层贝叶斯处理的线夹发热边缘计算模型由计算层和预知层组成；贝叶斯计算模块从训练模块输入大量的微气象信息样本集进行统一的贝叶斯训练，直到形成完备的贝叶斯分类器；形成贝叶斯分类器之后，主控模块将贝叶斯分类器的参数信息分发给代理层以保证各代理模块在进行业务流分类感知时的一致性；各代理模块都从主控层获得相同的贝叶斯分类器，并使用相同的分类器进行业务流分类感知。

架空输电线路动态增容边缘计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤B1：对架空输电线路动态增容的多节点传感器进行信息采集；首先根据气象传感器传回的当前实测气象条件数据构建气候测量模型，其输入量包括：环境温度、日照辐射强度、风向因子、风速因子、空气密度、空气导热率；采用边缘计算技术将实时测量的导线张力、微气候数据、输电线路参数的庞大数据进行就地处理，并计算标准的导线稳态热平衡方程，包括导线的对流散热、热辐射散热、太阳辐射吸热、导线的焦耳热构建导线温度模型，从系统中获取线路负荷电流数据，计算线路稳定热容量值，对供电网络进行整体动态增容计算提供信息；

步骤B2：进行基于回声状态网络模型的动态增容边缘计算；采用回声状态网络模型对输电线路周围的环境温度、日照和风速进行实时动态监测，利用具体气象条件计算出导线实际的最大允许载流量。

所述步骤B1中的标准的导线稳态热平衡方程为：

q_c+q_r＝q_s+q_j

式中，q_c为对流散热，q_r为热辐射散热，q_s为太阳辐射吸热，q_j为电流作用下导线的焦耳热；其中，导线的焦耳热为：

q_j＝I²R(T_C)

式中，I为预设载流量，R(Tc)为温度Tc时导线的交流电阻，单位为Ω/m；

导线的太阳辐射吸热为：

q_S＝Q_SAε

式中，Qs为太阳辐射强度，单位为W/m²；A为单位长度导线横向投影面积，单位为m²；ε为导线对太阳辐射的吸收系数。

所述步骤B2中回声状态网络的节点简化部分为储备池结构，为降低回声状态网络的复杂度，将储备池结构简化为N个单元节点所构成的环形拓扑；其中，生成储备池内节点的动力学方程为

式中，x(t)为传感器的时变信息，P为节点平均生成速率，取值19.8，τ为动态增容计划时长，δ为节点消亡率，α为激励系数，取值为1。

所述步骤B2中最大允许载流量的计算公式如下：

T_c＝T_allowed+(T₀-T_allowed)e^-t/τ

式中，θ为导线允许的载流温升；V为风向风速；A为单位长度导线横向投影面积；α为导线表面辐射系数，光亮新线为0.23-0.46，发黑旧线为0.90-0.95；S为史蒂芬-玻尔茨曼常数5.67×10^-8W/m2；T_c为导线表面温度；T_allowed为导线允许最大温度；T₀为导线初始状态量；τ为动态增容计划时长；T_a为环境温度；Q_s为太阳辐射强度；ε为太阳辐射吸收系数；k为肌肤效应系数；R_dc为T_c时导线的直流电阻。

本发明的有益效果在于：

1、通过超高频无线信号传输温度数据的温度传感器，实时测量线夹温度、微气候数据和输电线路参数来计算线夹温度是否越限，作为监测线夹发热预警的重要依据；

2、提出在线夹发热预警中引入分层贝叶斯边缘计算算法，能够协同调和各类资源，与边缘侧和中心侧都有关联，能够将线夹发热预警中的信息在边缘进行计算处理；通过对变电设备进行安全计算，实现了变电站数据信息的集成与收集，能够为电网的上一级安全运行提供更为丰富的信息量，诸如报警信息这样的信息的准确性和及时性能够对电网安全运行带来质的提升，另一方面可以提高设备和变电站维护及运行效率；

3、利用输电线路动态增容边缘计算方法，对多因子实时动态监测并进行动态增容，计算出导线的实际最大允许载流量，可以简化边缘计算复杂度，从而为输电线路的安全运行提供保障；还可以准确快速地监测环境实时变化，提高运算处理速度，最大限度地利用线路的潜力，有效提高动态增容的时效性与准确性。

附图说明

图1为基于分层贝叶斯处理的线夹发热边缘计算模型；

图2为基于回声状态网络模型的动态增容边缘计算模型；

图3为基于S-ESN算法动态增容边缘计算的参数示意图。

具体实施方式

本发明提出一种架空输电线路线夹发热预警和动态增容边缘计算方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

1、输电线路线夹发热信息采集

温度传感器可以良好地反应导线线夹的温度情况，在发热预警方面，为及早避免由于线夹温度升高所带来的隐患，当温度升高到警戒值时，使用磁体小球接入发热预警电路，提示工作人员处理。当温度升高到危险值时，触发检测电路报警，工作人员必须立刻处理，以保障电力的正常输送。

本发明选取超高频无线信号传输温度数据的温度传感器。首先通过温度传感器，根据实时测量的线夹温度、微气候数据和输电线路参数计算线夹温度是否越限，作为监测线夹发热预警的重要依据。然后结合气候模型和线夹温度模型两种模型，从系统中获取线路负荷电流数据，计算线夹热量裕度并发布预警信号。

2、输电线路线夹发热边缘计算

线夹发热预警在使用传感器采集数据后，都需要将所得数据送往监控主站进行进一步计算和处理，但由于装置间通信和数据处理的问题，虽然联网设备数据处理现在主要是在云端进行，但在中央服务器之间来回传送数据可能需要几秒钟的时间，时间跨度较长。使得电网对于设备和变电站的感知程度较低，不利于电力系统的智能化运行。而边缘计算算法使得联网设备能够处理在“边缘”形成的数据，他们位于设备内部或者与设备本身要近得多的地方，提高了计算过程整体的运行效率。

本发明在线夹发热预警中引入分层贝叶斯边缘计算算法。分层贝叶斯边缘计算能够协同调和各类资源，与边缘侧和中心侧都有关联，能够将线夹发热预警中的信息在边缘进行计算处理。在线夹发热预警中，边缘计算负责将通过超高频无线信号传输的温度数据进行处理后，再送往监控主站，直接将架空输电线路线夹的温度数据送往监控主站进行预警判断。分层贝叶斯模型如图1所示。

基于分层贝叶斯处理的线夹发热边缘计算模型由计算层和预知层组成。计算模块从训练模块输入大量的微气象信息样本集进行统一的贝叶斯训练，直到形成完备的贝叶斯分类器，形成贝叶斯分类器之后，主控模块将分贝叶斯分类器的参数信息分发给代理层保证各代理模块在进行业务流分类感知时的一致性。各代理模块都从主控层获得相同的贝叶斯分类器，并使用相同的分类器进行业务流分类感知。

通过对变电设备进行安全计算，实现了变电站数据信息的集成与收集，能够为电网的上一级安全运行提供更为丰富的信息量。诸如报警信息这样的信息的准确性和及时性能够对电网安全运行带来质的提升，另一方面可以提高设备和变电站维护及运行效率。

3、动态增容的多节点传感器信息采集算法计算

输电线路导线实时处于吸热与散热的平衡之中。架空导线通过大电流时，导线产生焦耳热，对于交流电会存在集肤效应，对于钢芯绞线还会产生磁滞损耗，若导线表面电场强度过大还有可能存在电晕损耗。架空导线直接暴露在太阳辐射下，导线会吸收太阳辐射。导线的散热形式有对流散热、热辐射散热，在淋湿的情况下还存在蒸发散热。

用电需求大幅增加对电能的输送容量提出了更高的要求，要获取架空输电线路稳定热容量需要对架空输电线路动态增容的多节点传感器进行信息采集。针对此，本发明基于边缘计算技术提出一种动态增容的多节点传感器信息采集算法，构建相关计算模型，结合边缘计算技术，进行数据采集与处理，最终可以计算出线路动态热容量。准确快速地监测环境实时变化，提高运算处理速度，最大限度地利用线路的潜力，有效提高动态增容的时效性与准确性。

首先根据气象传感器传回的当前实测气象条件数据构建气候测量模型，其输入量主要包括：环境温度、日照辐射强度、风向因子、风速因子、空气密度、空气导热率等参数；采用边缘计算技术将实时测量的导线张力、微气候数据、输电线路参数等庞大数据进行就地处理，并根据IEEE Std 738TM-2006计算标准的稳态热平衡方程，包括导线的对流散热、热辐射散热、太阳辐射吸热、导线的焦耳热等构建导线温度模型，从系统中获取线路负荷电流数据，计算线路稳定热容量值，对供电网络进行整体动态增容计算提供信息。具体过程如下：

根据IEEE Std 738TM-2006计算标准的导线稳态热平衡方程：

q_c+q_r＝q_s+q_j (5-1)

其中q_c为对流散热，q_r为热辐射散热，q_s为太阳辐射吸热，q_j为电流作用下的焦耳热，可以看出导线的散热与吸热处在实时平衡的状态。

其中，导线的焦耳吸热：

q_j＝I²R(T_C) (5-2)

式中，I为预设载流量，R(Tc)为温度Tc时导线的交流电阻，单位为Ω/m。

导线的太阳辐射吸热：

q_S＝Q_SAε (5-3)

式中，Qs为太阳辐射强度(W/m2)；A为单位长度导线横向投影面积(m2)；ε为导线对太阳辐射的吸收系数。

根据气象传感器传回的当前实测气象条件数据结合导线的参数，将导线温度设为国家标准规定的最高允许温度(70℃)，求得导线的对流散热、日照吸热和热辐射散热，代入导线热平衡稳态方程求得焦耳热，最终可以得到热稳定容量值：

在动态增容中引入边缘计算算法，边缘计算负责将实时测量的导线张力、微气候数据、输电线路参数等庞大数据进行就地处理，将加工过的数据上传到云终端进行云边协同计算。提高了运算处理速度，最大限度地利用线路的潜力，有效提高动态增容的时效性与准确性。

4、基于回声状态网络模型的动态增容边缘计算

针对输变电线路边缘节点设备受到功耗、环境等因素制约，造成电网线路输送容量不足的问题，本发明结合回声状态网络模型，提出了一种输电线路动态增容边缘计算方法，对多因子实时动态监测，并进行动态增容计算出导线的实际最大允许载流量，可以简化边缘计算复杂度，从而为电网的安全运行提供保障。

针对动态增容，设计了一种简化回声状态网络(Simplified Echo-State-Network，S-ESN)模型。采用该模型对输电线路周围的气象条件(环境温度、日照、风速等)进行实时动态监测，利用具体气象条件计算出导线的实际最大允许载流量，为降低回声状态网络的复杂度，将储备池结构简化为N个单元节点所构成的环形拓扑，S-ESN模型如图2所示。

在简化原有回声状态网络模型的同时，为了保持储备池运算准确度，本项目引入了具有丰富的动态特征的动力学方程来生成储备池内的节点。公式(5-5)为所采用的方程，x(t)为温度、风速等传感器的时变信息。

式中，P为节点平均生成速率(取值19.8)，τ为动态增容计划时长，δ为节点消亡率，α为激励系数(取值为1)。

计算最大载流量公式为：

T_c＝T_allowed+(T₀-T_allowed)e^-t/τ

其中：θ为导线允许的载流温升；V为风向风速；A为单位长度导线横向投影面积；α为导线表面辐射系数(光亮新线为0.23-0.46,发黑旧线为0.90-0.95)；S为史蒂芬-玻尔茨曼常数5.67×10^-8W/m2；T_c为导线表面温度；T_allowed为导线允许最大温度；T₀为导线初始状态量；τ为动态增容计划时长；T_a为环境温度；Q_s为太阳辐射强度；ε为太阳辐射吸收系数；k为肌肤效应系数；R_dc为T_c时导线的直流电阻。

基于S-ESN算法动态增容边缘计算算法，本质上根据温度、风速等气象条件属性确定业务类型，将气象条件参数输入训练后的S-ESN，通过动态增容边缘计算算法，得出导线的实际最大允许载流量，如图3所示。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种架空输电线路线夹发热预警边缘计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1：采集架空输电线路线夹发热信息；首先通过超高频无线信号传输温度数据的温度传感器，根据实时测量的线夹温度、微气候数据和输电线路参数计算线夹温度是否越限；然后根据线路负荷电流数据，计算线夹热量裕度并发布预警信号；

步骤A2：进行架空输电线路线夹发热边缘计算；在线夹发热预警中，引入基于分层贝叶斯处理的线夹发热边缘计算模型，将通过超高频无线信号传输的温度数据进行处理后，再送往监控主站，直接将架空输电线路线夹的温度数据送往监控主站进行预警判断。

2.根据权利要求1所述的架空输电线路线夹发热预警边缘计算方法，其特征在于，所述基于分层贝叶斯处理的线夹发热边缘计算模型由计算层和预知层组成；贝叶斯计算模块从训练模块输入大量的微气象信息样本集进行统一的贝叶斯训练，直到形成完备的贝叶斯分类器；形成贝叶斯分类器之后，主控模块将贝叶斯分类器的参数信息分发给代理层以保证各代理模块在进行业务流分类感知时的一致性；各代理模块都从主控层获得相同的贝叶斯分类器，并使用相同的分类器进行业务流分类感知。

3.一种架空输电线路动态增容边缘计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤B1：对架空输电线路动态增容的多节点传感器进行信息采集；首先根据气象传感器传回的当前实测气象条件数据构建气候测量模型，其输入量包括：环境温度、日照辐射强度、风向因子、风速因子、空气密度、空气导热率；采用边缘计算技术将实时测量的导线张力、微气候数据、输电线路参数的庞大数据进行就地处理，并计算标准的导线稳态热平衡方程，包括导线的对流散热、热辐射散热、太阳辐射吸热、导线的焦耳热构建导线温度模型，从系统中获取线路负荷电流数据，计算线路稳定热容量值，对供电网络进行整体动态增容计算提供信息；

步骤B2：进行基于回声状态网络模型的动态增容边缘计算；采用回声状态网络模型对输电线路周围的环境温度、日照和风速进行实时动态监测，利用具体气象条件计算出导线实际的最大允许载流量。

4.根据权利要求3所述的架空输电线路动态增容边缘计算方法，其特征在于，所述步骤B1中的标准的导线稳态热平衡方程为：

q_c+q_r＝q_s+q_j

式中，q_c为对流散热，q_r为热辐射散热，q_s为太阳辐射吸热，q_j为电流作用下导线的焦耳热；

其中，导线的焦耳热为：

q_j＝I²R(T_C)

式中，I为预设载流量，R(Tc)为温度Tc时导线的交流电阻，单位为Ω/m；

导线的太阳辐射吸热为：

q_S＝Q_SAε

式中，Qs为太阳辐射强度，单位为W/m²；A为单位长度导线横向投影面积，单位为m²；ε为导线对太阳辐射的吸收系数。

5.根据权利要求3所述的架空输电线路动态增容边缘计算方法，其特征在于，所述步骤B2中回声状态网络的节点简化部分为储备池结构，为降低回声状态网络的复杂度，将储备池结构简化为N个单元节点所构成的环形拓扑；其中，生成储备池内节点的动力学方程为

式中，x(t)为传感器的时变信息，P为节点平均生成速率，取值19.8，τ为动态增容计划时长，δ为节点消亡率，α为激励系数，取值为1。

6.根据权利要求3所述的架空输电线路动态增容边缘计算方法，其特征在于，所述步骤B2中最大允许载流量的计算公式如下：

T_c＝T_allowed+(T₀-T_allowed)e^-t/τ

式中，θ为导线允许的载流温升；V为风向风速；A为单位长度导线横向投影面积；α为导线表面辐射系数，光亮新线为0.23-0.46，发黑旧线为0.90-0.95；S为史蒂芬-玻尔茨曼常数5.67×10^-8W/m2；T_c为导线表面温度；T_allowed为导线允许最大温度；T₀为导线初始状态量；τ为动态增容计划时长；T_a为环境温度；Q_s为太阳辐射强度；ε为太阳辐射吸收系数；k为肌肤效应系数；R_dc为T_c时导线的直流电阻。

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