CN115795600A - 一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法及系统，包括以下步骤：获取取能功率的初步影响因素，并对初步影响因素进行优化，得到优化后的影响因素；分析优化后的影响因素对取能功率的影响规律；基于得到的影响规律和优化后的影响因素构建目标函数，获取能使取能功率最大的耐张段；基于获取的耐张段选择取能装置的布置位置。本发明公开的方法可以快速找到最大取能位置，与现有方法相比，省时省力，根据本方法获取的取能位置可以更好的利用地线上的电磁感应的能量，本方法的适用性和普遍性高，可以应用在不同电压等级的输电线路中。

Description

一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法 及系统

技术领域

本发明属于高电压技术领域，涉及一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法及系统。

背景技术

输电线路在线监测设备由于布置在线路的杆塔或导线上且位置分散，无法像其他设备一样利用电网或配网终端直接进行供电。如何对输电线路上的在线监测设备进行稳定、有效地供电已经成为了在线监测技术发展的重要问题之一。常见的输电线路在线监测设备的供电方式包括采用小型风力发电机、太阳能电池、架设专用供电低压线、无线供电等，但这些供电方式受地理、天气、成本、体积、输出功率以及绝缘等因素的影响，尚且不能较好地满足在线监测设备及相关通讯设备的用电需求。为了解决在线监测设备的供电问题，有学者提出了利用电流互感器(Current Transformer，简称CT)，基于相导线电流为设备进行在线供电，但上述方式无法为低电位处的设备供电(如处于杆塔或地线上的监测装置)。

为避免输电导线遭受雷电直击，110kV及以上架空线路一般全线架设避雷线，即地线。受静电和电磁感应效应的影响，地线上稳定地存在着感应电压及感应电流，进而引入了相关的电能损耗。以一条1000km的750kV输电线路为例，地线上一年的电能损耗高达2×10⁷kWh。有学者提出了对这部分能量加以利用，为在线监测设备进行供电，具体可分为基于静电感应取能和基于电磁感应取能，利用地线感应取电为在线设备供电问题提供了新思路。

基于地线电磁感应进行取能的方法主要有两种，一是基于地线绝缘子两端电压进行取能，二是利用地线感应电流和CT进行取能。基于地线绝缘子两端电压进行取能的方式主要面向分段绝缘的地线，基于地线感应电流和CT进行取能的方式主要面向逐塔接地的地线。目前关于地线取能的研究，主要关注取能功率的计算和取能装置的设计，少有研究关注取能装置的不同布置位置对取能功率的影响，经研究计算发现，即便在输电线路的一个耐张段内，不同的地线取能装置的布置位置下，取能功率差异可达到数倍，而现有方法中，在针对不同的地线运行方式，对地线取能方案以及地线取能装置的布置位置无法快速选择确定，也无法更好地利用地线上的电磁感应的能量。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中缺少针对地线取能装置安装位置的选择方法，在对取能装置进行布置时无法快速找到最优的取能位置，取能位置的选择费时费力，地线上的电磁感应能量的利用率低的问题，提供一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，包括以下步骤：

S1：获取取能功率的初步影响因素，并对初步影响因素进行优化，得到优化后的影响因素；

S2：分析优化后的影响因素对取能功率的影响规律；

S3：基于得到的影响规律和优化后的影响因素构建目标函数，获取能使取能功率最大的耐张段；

S4：基于获取的耐张段选择取能装置的布置位置。

本发明的进一步改进在于：

所述步骤S1中，所述取能功率的初步影响因素包括：

OPGW地线和普通地线的自阻抗、OPGW地线和普通地线上的涡旋感应电势、取能负载的大小以及杆塔接地电阻的大小。

所述步骤S1中，所述优化后的影响因素包括：

杆塔接地电阻、耐张段内线路平均档距、导地线间平均距离、地线间平均距离和耐张段内导线是否换位。

所述步骤S2中，假设输电线路中每个耐张段内包含的杆塔数相等，分析影响因素对取能规律的影响规律：

所述取能功率随杆塔接地电阻的减小而减小；

所述取能功率大小与耐张段内线路平均档距变化成正比；

所述地线间平均距离增加时，取能功率提高；

所述导地线间平均距离增加时，取能功率变弱；

所述耐张段内导线换位时，所述取能功率降低。

所述步骤S3中，构建的目标函数为：

其中，k为导线电流系数；a为地线半径系数；b为地线内阻系数；R表示杆塔接地平均电阻；x表示耐张段内线路平均档距；d表示平均地线间距离；h表示平均导地线间高度差；m表示耐张段内导地线换位情况，耐张段内无导线换位记m＝1，有导线换位记

其中n为换位点所在的位置，N为耐张段内的总档数。

所述步骤S4包括以下步骤：

基于获取的最大耐张段，仿真计算在同一耐张段内、不同取能位点的取能功率，根据取能功率的对比结果获取取能装置最终的布置位置。

所述选择的取能装置的布置位置为距离分段绝缘子最远的杆塔处。

一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择系统，包括影响因素获取模块、影响因素分析模块、目标函数构建模块和布置位置确定模块；

影响因素获取模块，用于获取取能功率的初步影响因素，并对初步影响因素进行优化，得到优化后的影响因素；

影响因素分析模块，用于分析优化后的影响因素对取能功率的影响规律；

目标函数构建模块，用于基于得到的影响规律和优化后的影响因素构建目标函数，获取能使取能功率最大的耐张段；

布置位置确定模块，用于基于获取的耐张段选择取能装置的布置位置。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，对获取的取能因素进行优化，并对优化后的取能因素进行分析，可以更好的抽象各影响因素与取能功率的关系，并基于此构建目标函数得到能使取能功率最大的耐张段，在最大的耐张段内获取取能位置，本发明公开的方法可以快速找到最大取能位置，与现有方法相比，省时省力，根据本方法获取的取能位置可以更好的利用地线上的电磁感应的能量，本方法的适用性和普遍性高，可以应用在不同电压等级的输电线路中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明的普通地线分段绝缘、OPGW逐塔接地俯视示意图；

图3为本发明的当地线运行方式为普通地线分段绝缘，OPGW地线逐塔接地时的等效电路图；

图4为本发明的绝缘子两端电压取能功率随接地电阻变化情况；

图5为本发明的绝缘子两端电压取能功率随档距变化情况图；

图6为本发明的地线间距离对取能功率的影响变化图；

图7为本发明的导地线间高度差对取能功率的影响变化图；

图8为本发明的同一耐张段内、不同取能位点的取能功率变化图。

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、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，本发明实施例公开的方法应用于地线绝缘子两端电压进行取能时装置的，OPGW逐塔接地的地线运行方式，如图2所述，将取能负载并联在分段绝缘地线与杆塔相连的绝缘子两端，进而构成“分段绝缘地线-负载-OPGW”的回路，导线电流产生的磁场作用在该回路上感应产生涡旋的电动势进而产生感应电流，感应电流流过取能负载，实现取能目的。

本发明实施例的具体实施步骤包括：

步骤1：获取取能功率的初步影响因素，并对初步影响因素进行优化，得到优化后的影响因素；

基变量为地线取能功率的影响因素，若要确定有哪些因素会对地线取能产生影响，应基于电磁场理论分析基于地线绝缘子两端电压的取能等效电路。

当地线运行方式为普通地线分段绝缘，OPGW地线逐塔接地时，等效电路如图3所示：

取能回路为第i个杆塔与第m个杆塔之间地线构成的回路，取能负载装在编号为m的杆塔上，记OPGW地线的下标为1，普通地线的下标为2；图中的i、m等下标表示杆塔编号，第i档(第i-1号杆塔与第i号杆塔之间，记为S_i)，Z_i-1(1)、E_i-1(1)和Z_i-1(2)、E_i-1(2)分别表示该档OPGW和普通地线的自阻抗和涡旋感应电势；E_i-m(1e)、E_i-m(2e)对应两个地线在节点i和节点m之间的涡旋感应电势；Z_i-m(1e)、Z_i-m(2e)分别表示两根地线在节点i和节点m之间的自阻抗；R_i表示杆塔接地电阻，Z₁代表取能负载。

根据等效电路可看出，取能功率的初步影响因素包括：

OPGW地线和普通地线的自阻抗、OPGW地线和普通地线上的涡旋感应电势、取能负载的大小以及杆塔接地电阻的大小。

进一步，可根据理论分析得到这些影响因素的影响因素，进一步将问题细化：

对于地线自阻抗：OPGW地线和普通地线的型号为线路固定参数，对于某一条输电线路，地线的半径、内阻等相同，因此地线阻抗只受取能档档距的影响。

对于地线的涡旋感应电势：同一条线路导线的工频电流在各位置处大小相等，因此影响地线涡旋感应电势的因素包括耐张段内导线是否换位、耐张段内线路的平均档距、耐张段内导地线平均距离、耐张段内地线间的平均距离。

综上所述，得到优化后的影响因素，即优化问题选择的基变量为：

杆塔接地电阻、耐张段内线路平均档距、导地线间平均距离、地线间平均距离和耐张段内导线是否换位。

步骤2：分析优化后的影响因素对取能功率的影响规律；

在同一个耐张段内，取能装置距离耐张段内的单点接地处越远，构成的取能回路就越大，回路中的电磁感应也就越大，因此会获得更大的取能功率。所以取能装置位置选择的难点在于选择输电线路中的哪个耐张段进行取能。在分析问题时假设输电线路中每个耐张段内包含的杆塔数相等，下面讨论耐张段内线路参数平均值对取能功率的影响。

所述杆塔接地电阻对取能功率的影响：

杆塔接地电阻的大小会通过影响电路中入地电流的大小来影响取能功率，其具体仿真结果如图4所示，杆塔接地电阻减小时，感应电流经杆塔入地的分量就会增加，流经取能负载的感应电流就会相应减小，故取能功率随接地电阻的减小而减小。

所述耐张段内线路平均档距对取能功率的影响：

参见图5，基于绝缘子两端电压取能功率随线路档距的变化情况，根据仿真情况可以看出，取能功率大小近似与档距成正比。因为当其他条件一定时，增大取能段的档距相当于增大了取能回路的面积，在相同磁场作用下会产生更大的感应电压，但增大取能回路档距也会成比例地增加线路的总内阻，但受取能负载和杆塔接地电阻的影响，取能回路的总电阻并不严格随档距的变化而线性变化，所以取能功率随档距变化只是近似呈线性关系。

所述地线间平均距离对取能功率的影响：

参见图6，当地线间距离增加时，相当于增大了取能回路的面积，相导线产生的磁场作用在更大的回路上会产生更高的感应电压，故取能功率明显提高。

所述导地线间平均距离对取能功率的影响：

参见图7，当导地线间高度增加时，取能回路与导线的距离变远，作用在取能回路上的磁场变弱，故回路上的感应电压减小、取能功率降低。

所述耐张段内导线换位对取能功率的影响：

导线换位对取能功率也会有明显影响，若取能装置所在的耐张段内导线进行换位，则取能功率会降至未换位的一半左右，故在布置取能装置时也要尽可能避免导线换位的耐张段。

步骤3：基于得到的影响规律和优化后的影响因素构建目标函数，获取能使取能功率最大的耐张段

设平均杆塔接地电阻为R，平均线路档距为x，平均地线间距离为d，平均导地线间高度差为h，并用m来代表耐张段内导地线换位情况，耐张段内无导线换位记m＝1，有导线换位记

其中n为换位点所在的位置，N为耐张段内的总档数。

则根据仿真规律和理论分析，得到目标函数为：

其中k、a、b分别为与导线电流、地线半径以及地线内阻相关的系数。

对于某个输电线路的某个时刻，沿线的导线电流和地线参数不变，因此上述系数在分析取能问题时为常数。故问题可转化为求最大值的优化问题：

其中问题的可行域S由实际输电线路的情况决定，且基变量的取值是离散的，故可利用相关算法进行快速求解。

步骤4：基于获取的耐张段选择取能装置的布置位置。

根据等效电路和电磁理论，取能装置布置得距离耐张段内的地线分段绝缘子越远，构成的有效取能回路面积越大，在其他条件一定时，导线工频电流在空间中产生的工频磁场作用在回路上的磁通也就越大，因此地线电磁感应就越强烈。

以地线分段绝缘子位于耐张段中点处的情况为例，仿真计算在同一耐张段内、不同取能位点的取能功率，如图8所示，根据结果可以看出，取能位点距离分段绝缘子越远，取能功率越大。故最佳取能位点应选择为耐张段内距离分段绝缘子最远的杆塔处。

本发明公开一具体的实施例：

假设某500kV单回输电线路共有五个耐张段，且每个耐张段均包含10档线路，各耐张段相关参数平均值如下所示：

将上述参数带入优化问题，可以得到编号为1的耐张段对应的基变量为最优解，使得目标函数值最大。利用仿真电路计算取能负载布置在各耐张段处的取能功率，计算时满足取能负载位于距离接地点最远的绝缘子两侧的条件，最终对比各段的取能功率计算结果可以得到，在耐张段编号为1处可以获得最大的取能功率。上述结果证明了本发明所提出的优化算法中的目标函数很好的抽象了各影响因素与取能功率的关系，也证明了发明提出的方案的可行性。

利用仿真电路确定最大取能功率位置在操作时参数输入较为繁琐，且需要依次计算各耐张段处的取能功率，与本发明所提方法相比费时费力。虽然本发明提出的方法不能准确得到取能功率值，但是可以快速准确地找到最大取能位置，可以用于实际生产中对地线取能装置的布置位置的指导。并且本发明提出的方法可以推广至不同电压等级的输电线路，具有普遍性和适用性。

本发明实施例还公开了一种基于地线的取能装置布置位置选择系统，包括：

影响因素获取模块，用于获取取能功率的初步影响因素，并对初步影响因素进行优化，得到优化后的影响因素；

影响因素分析模块，用于分析优化后的影响因素对取能功率的影响规律；

目标函数构建模块，用于基于得到的影响规律和优化后的影响因素构建目标函数，获取能使取能功率最大的耐张段；

布置位置确定模块，用于基于获取的耐张段选择取能装置的布置位置。

本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。

所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取取能功率的初步影响因素，并对初步影响因素进行优化，得到优化后的影响因素；

S2：分析优化后的影响因素对取能功率的影响规律；

S3：基于得到的影响规律和优化后的影响因素构建目标函数，获取能使取能功率最大的耐张段；

S4：基于获取的耐张段选择取能装置的布置位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述取能功率的初步影响因素包括：

OPGW地线和普通地线的自阻抗、OPGW地线和普通地线上的涡旋感应电势、取能负载的大小以及杆塔接地电阻的大小。

3.根据权利要求2所述的一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述优化后的影响因素包括：

杆塔接地电阻、耐张段内线路平均档距、导地线间平均距离、地线间平均距离和耐张段内导线是否换位。

4.根据权利要求3所述的一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，其特征在于，所述步骤S2中，假设输电线路中每个耐张段内包含的杆塔数相等，分析影响因素对取能规律的影响规律：

所述取能功率随杆塔接地电阻的减小而减小；

所述取能功率大小与耐张段内线路平均档距变化成正比；

所述地线间平均距离增加时，取能功率提高；

所述导地线间平均距离增加时，取能功率变弱；

所述耐张段内导线换位时，所述取能功率降低。

5.根据权利要求1所述的一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，其特征在于，所述步骤S3中，构建的目标函数为：

其中，k为导线电流系数；a为地线半径系数；b为地线内阻系数；R表示杆塔接地平均电阻；x表示耐张段内线路平均档距；d表示平均地线间距离；h表示平均导地线间高度差；m表示耐张段内导地线换位情况，耐张段内无导线换位记m＝1，有导线换位记

其中n为换位点所在的位置，N为耐张段内的总档数。

6.根据权利要求1所述的一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

基于获取的最大耐张段，仿真计算在同一耐张段内、不同取能位点的取能功率，根据取能功率的对比结果获取取能装置最终的布置位置。

7.根据权利要求6所述的一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择方法，其特征在于，所述选择的取能装置的布置位置为距离分段绝缘子最远的杆塔处。

8.根据权利要求1所述的一种基于地线绝缘子两端电压的取能装置布置位置选择系统，其特征在于，包括影响因素获取模块、影响因素分析模块、目标函数构建模块和布置位置确定模块；

影响因素获取模块，用于获取取能功率的初步影响因素，并对初步影响因素进行优化，得到优化后的影响因素；

影响因素分析模块，用于分析优化后的影响因素对取能功率的影响规律；

目标函数构建模块，用于基于得到的影响规律和优化后的影响因素构建目标函数，获取能使取能功率最大的耐张段；

布置位置确定模块，用于基于获取的耐张段选择取能装置的布置位置。

9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

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