基于線路運行參數(shù)的輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)研制

秦嘉南， 劉亞東， 盛戈皞， 江秀臣(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

基于線路運行參數(shù)的輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)研制

秦嘉南， 劉亞東， 盛戈皞， 江秀臣
(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

輸電線路動態(tài)增容技術(shù)可以在不新建線路的前提下，動態(tài)提升現(xiàn)有導(dǎo)線的輸送容量，提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。提出了一種基于導(dǎo)線傾角的動態(tài)增容系統(tǒng)，利用導(dǎo)線懸掛傾角和風(fēng)偏角計算導(dǎo)線溫度，然后基于導(dǎo)線溫度模型，利用導(dǎo)線溫度、環(huán)境溫度、日照輻射和導(dǎo)線負荷計算導(dǎo)線的動態(tài)載流量。詳細闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計與各模塊的功能，并利用現(xiàn)場試驗，驗證了系統(tǒng)的可行性。

輸電線路；載流量；動態(tài)增容技術(shù)；導(dǎo)線溫度模型；懸掛傾角

0 引 言

輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)[1]作為智能電網(wǎng)中智能輸電線路技術(shù)支撐系統(tǒng)的重要部分，能在不新建線路的前提下通過技術(shù)改造和升級，挖潛增效，增加原有線路的輸送能力，提高輸電設(shè)備資產(chǎn)的利用效率和電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

現(xiàn)有的動態(tài)增容系統(tǒng)在測量導(dǎo)線環(huán)境參數(shù)時，多基于導(dǎo)線氣候模型(WM)對風(fēng)速、風(fēng)向的測量準確度較低；在計算導(dǎo)線平均溫度時，多基于導(dǎo)線狀態(tài)方程或張力-溫度擬合曲線，利用張力計算導(dǎo)線溫度[2-3]，而對于電力系統(tǒng),安裝張力傳感器往往很不方便。

基于以上問題，本文提出了一種基于導(dǎo)線溫度模型(CTM)的動態(tài)增容系統(tǒng)，通過測量導(dǎo)線的懸掛傾角、風(fēng)偏角、環(huán)境溫度、日照強度和負荷電流，實時計算導(dǎo)線的最大容量。通過現(xiàn)場測試，本系統(tǒng)準確地在線監(jiān)測了導(dǎo)線的傾角、溫度、負荷信息，在保證線路安全運行的基礎(chǔ)上，有效地提高了線路的實時輸送容量。

1 輸電線路動態(tài)增容原理

架空輸電線路的最大載流量主要與環(huán)境溫度、導(dǎo)線溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、日照強度等環(huán)境因素以及導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線材料尺寸等導(dǎo)線自身因素有關(guān)[4]。其計算主要是根據(jù)導(dǎo)線的穩(wěn)態(tài)熱平衡方程:

Qr+Qf=Qs+I2R′t

(1)

其中Qr為輻射散熱功率，Qf為對流散熱功率，Qs為日照吸熱功率，I2R′t為導(dǎo)線交流電阻的發(fā)熱功率。在確定導(dǎo)線型號即導(dǎo)線各項參數(shù)后，(1)式中四種功率的計算如下。

輻射散熱功率，與環(huán)境溫度Ta和導(dǎo)線溫度Tc有關(guān)：

(2)

日照吸熱功率與日照強度Js有關(guān)：

Qs=αsJsD

(3)

導(dǎo)線溫度為Tc時的交流電阻R(Tc)與導(dǎo)線溫度Tc有關(guān)：

(4)

對流散熱功率Qf的計算有兩種計算方法，在氣候模型中(WM)中，可由環(huán)境溫度、導(dǎo)線溫度、風(fēng)速、風(fēng)向計算得出；在導(dǎo)線溫度模型(CTM)[5]中，可以由導(dǎo)線溫度Tc，環(huán)境溫度Ta和熱傳遞系數(shù)h(t)計算得出:

Qf=h(t)(Tc-Ta)

(5)

其中熱傳遞系數(shù)h(t) 表示了環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向?qū)α魃峁β实木C合影響，在已知導(dǎo)線當(dāng)前負荷電流I0和導(dǎo)線溫度Tc時，可以通過將2-4式帶入(6)式計算得出h(t)。

(6)

取導(dǎo)線溫度為最大允許溫度70 ℃時對應(yīng)的熱傳遞系數(shù)h70(t)≈h(t)，帶入(7)式即可得出導(dǎo)線在最大允許溫度為70 ℃的對應(yīng)的最大載流量I:

(7)

為了消除風(fēng)速測量的不準確而帶來的誤差，本文最終選擇導(dǎo)線溫度模型(CTM)，利用導(dǎo)線溫度、環(huán)境溫度、日照強度以及導(dǎo)線當(dāng)前負荷來計算導(dǎo)線最大載流量。

對于導(dǎo)線溫度的測量，一般采用直接測量或利用張力-溫度擬合曲線得出。直接利用溫度傳感器測量導(dǎo)線外表面溫度，有時與真實值偏差較大；而對于已經(jīng)建好的一次側(cè)線路來說，安裝張力傳感器也非常不便。因此本文采用測量導(dǎo)線垂直投影平面內(nèi)懸掛傾角θA和風(fēng)偏角n的方法來求取導(dǎo)線溫度Tc。

圖1中，傾角θA與水平應(yīng)力σ0之間的關(guān)系[6]為：

圖1 懸掛點不等高架空輸電線路風(fēng)偏受力圖

(8)

得到水平應(yīng)力σ0后，可以通過下式，求得導(dǎo)線溫度Tc

(9)

其中σ01為已知狀態(tài)的水平應(yīng)力，σ02為待求狀態(tài)的水平應(yīng)力，可通過(8)式求出；γ1、γ2為已知和待求狀態(tài)下的綜合比載，γ1=γv/cosη1，γ2=γv/cosη2，γv為垂直比載；η1、η2為已知和待求狀態(tài)下的線路風(fēng)偏角；t1，t2為已知和待求狀態(tài)下的溫度；α為導(dǎo)線溫度線膨脹系數(shù)；E為彈性系數(shù)；l為線路檔距；β為高角差。

根據(jù)以上分析，本文采用傾角傳感器測量導(dǎo)線懸掛傾角及風(fēng)偏角，通過溫度傳感器測量環(huán)境溫度及日照溫度，通過電流互感器測量導(dǎo)線負荷電流，利用采集到的信息計算導(dǎo)線的實時最大載流量，為系統(tǒng)的調(diào)度及超負荷運行提供建議。

2 輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)的總設(shè)計方案

輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)由許多個安裝在高壓線路桿塔上的數(shù)據(jù)采集終端和位于調(diào)度中心的一個監(jiān)控平臺構(gòu)成，之間的數(shù)據(jù)傳輸通過公用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)完成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖3 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集終端的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3，主要包括傳感器及其調(diào)理電路，CT取電供電模塊，CPU主控單元及其數(shù)字外設(shè)，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊四個部分。數(shù)據(jù)采集終端通過傳感器實時檢測導(dǎo)線傾角、環(huán)境溫度、日照輻射和導(dǎo)線負荷等信息，通過信號調(diào)理電路進行濾波放大等處理，在主控單元的控制下，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、緩存、打包后通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控管理平臺以計算實時最大載流量。

3 數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計

3.1 傳感器及其調(diào)理電路

3.1.1 傾角傳感器

傾角傳感器用于測量導(dǎo)線垂直投影平面內(nèi)的懸掛傾角和風(fēng)偏角。懸掛傾角僅在垂直以下的范圍內(nèi)變化，風(fēng)偏角會在兩個方向內(nèi)變化，但變化范圍一般較小。

圖4 傾角傳感器

本系統(tǒng)選用V61-QXJ-BZ-V系列二維傾角傳感器，如圖4所示。該款傳感器具有標準化的輸出電壓(1 V～5 V)，供電電壓9 VDC～24 VDC?？梢酝瑫r測量二維的傾角，考慮給測量留有一定的裕量，選擇的每一個維數(shù)的傾角的測量范圍都為±60°(當(dāng)傾角為-60°時，傳感器輸出1 V；+60°時輸出5 V)，分辨率為0.015°。

由于傾角傳感器的輸出為標準電壓信號，因此其調(diào)理電路僅需要進行電平轉(zhuǎn)換，即可將信號輸入A/D轉(zhuǎn)換器采樣。

3.1.2 溫度傳感器

圖5 日照輻射傳感器

本系統(tǒng)中溫度傳感器可分為三類，直接測量導(dǎo)線溫度用于校驗的溫度傳感器，測量環(huán)境溫度的傳感器，和測量導(dǎo)線日照輻射溫度的傳感器。其中，日照輻射傳感器需要將裝有溫度傳感器的金屬殼體通過鋁的卡環(huán)固定在與架空導(dǎo)線相同型號和表面條件的導(dǎo)線表面，并涂以導(dǎo)熱硅膠，如圖5所示。

溫度傳感器芯片采用Analog Devices公司的TMP36，供電電壓低，可測溫度范圍為-40 ℃～125 ℃，輸出電壓與測量溫度比例呈線性的關(guān)系，比例系數(shù)為10 mV/℃。在整個測量溫度范圍內(nèi)的具有±0.5 ℃的線性度。溫度傳感器無須外接電路即可送至A/D轉(zhuǎn)換器。

3.1.3 電流互感器

電流互感器測取一次側(cè)電流后，經(jīng)圖6，圖7中的放大，抬壓電路，將輸出的0～3 V信號送至A/D轉(zhuǎn)換器。

圖6 放大電路

圖7 抬壓電路

3.2 CT取電供電模塊

本裝置安裝在桿塔上，因此供電是一個十分突出的問題。一般輸電線路監(jiān)測裝置多采用的太陽能電池系統(tǒng)存在設(shè)備間絕緣問題。因此本系統(tǒng)選擇電流互感器直接從高壓輸電線路上耦合取電。由于高壓側(cè)的電力電子電路功耗極小，不會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，而且此裝置懸浮地安裝在線路上工作，為系統(tǒng)提供電源。

圖8 CT取電原理圖

CT取電模塊設(shè)計原理如圖8所示。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)輸電線路中流過交流電時，取能線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢，經(jīng)沖擊保護電路、整流濾波、穩(wěn)壓后供給一次側(cè)系統(tǒng)終端。

當(dāng)一次側(cè)電流過大或過小時，通過對鋰電池的充放電解決供電過?；虿蛔愕臏囟取．?dāng)一次側(cè)發(fā)生短路故障產(chǎn)生巨大的暫態(tài)電流時，經(jīng)沖擊保護電路可將輸出電壓控制在允許電壓范圍內(nèi)。

3.3 CPU主控單元及其數(shù)字外設(shè)

考慮到系統(tǒng)的綜合需要，本系統(tǒng)中選用Silicon Lab公司的C8051F040，其具有內(nèi)部256字節(jié)+外部4K的RAM。集成的12位A/D轉(zhuǎn)換器可以用于采樣傳感器經(jīng)調(diào)理的模擬信號，并監(jiān)測電源模塊的電壓。通過I2C接口連接到外部更為準確的實時時鐘芯片，定期判斷由服務(wù)器設(shè)定的傾角、溫度、負荷信息的采集條件；若滿足則打開相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集回路采集信號，把所測信息按照規(guī)定格式存放到SPI接口所連接的外部flash儲存器內(nèi)；最后通過無線傳輸模塊，將傾角、溫度、負荷信息按照規(guī)定格式傳回給服務(wù)器。

3.4 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊擔(dān)任著整個監(jiān)測終端數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交互的重要任務(wù)。本系統(tǒng)選用Motorola G24作為主要的數(shù)據(jù)通信模塊，如圖9所示。G24工作外接SIM卡后可實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)和向手機用戶發(fā)送短消息功能，CPU通過UART口向G24發(fā)送AT命令和數(shù)據(jù)。

圖9 G24與主控單元的主要接口

4 系統(tǒng)測試

通過監(jiān)測終端現(xiàn)場的運行，我們得到了相關(guān)的運行數(shù)據(jù)如下。

圖10 二維傾角測量值

圖11 環(huán)境溫度和日照輻射溫度測量值

圖12 線路現(xiàn)有負荷和增容后容量對比

圖10為傾角傳感器所測得的二維傾角值，兩圖中上方曲線為導(dǎo)線垂直投影平面內(nèi)的懸掛傾角，下方曲線為風(fēng)偏角。通過在多個耐張段內(nèi)的測試發(fā)現(xiàn)傾角傳感器的測量誤差在1%以內(nèi)。

圖11為環(huán)境溫度和日照輻射溫度的測量值。其中上方曲線為日照輻射溫度值，下方曲線為環(huán)境溫度值。從圖中可以看出，兩者的變化趨勢基本相同。

圖12為動態(tài)增容系統(tǒng)效果圖。下方曲線為線路實時負荷，上方曲線為動態(tài)增容系統(tǒng)計算得出的導(dǎo)線最大載流量。可以看出，基于線路運行參數(shù)和環(huán)境條件的動態(tài)增容系統(tǒng)有效增加了導(dǎo)線容量。

5 結(jié)束語

本文提出了一種架空輸電線路的動態(tài)增容系統(tǒng)，在南方電網(wǎng)某條110 kV的架空輸電線路上安裝并運行。本系統(tǒng)避免了風(fēng)速風(fēng)向測量的不準確性和導(dǎo)線張力計安裝的不便性。通過測量導(dǎo)線懸掛傾角、風(fēng)偏角、環(huán)境溫度、日照輻射和導(dǎo)線負荷流量，來動態(tài)確定線路的輸送容量。

[1] 楊國慶. 基于在線監(jiān)測系統(tǒng)的輸電線路動態(tài)增容研究[D].上海：上海電力學(xué)院,2012.

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Development of a Dynamic Line Rating System for the Transmission Line Based on Line Operating Parameters

QIN Jia-nan, LIU Ya-dong, SHENG Ge-hao, JIANG Xiu-chen
(Department of Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Dynamic line rating (DLR) technology of the power transmission line can dynamically raise the transmission capacity of existing conductors and improve the economical efficiency of the operation of the electric power system without constructing new lines. This paper presents a dynamic line rating (DLR) system based on the conductor catenary angle, whereby the conductor temperature is calculated by using conductor catenary angle and wind deflection angle. Then, based on conductor temperature model (CTM), dynamic current-carrying capacity of the conductor is calculated by using conductor temperature, ambient temperature, solar radiation and conductor load. The system hardware design and functions of the modules are elaborated in detail. The feasibility of the system is verified through field tests.

power transmission line;current-carrying capacity;dynamic line rating; conductor temperature model; catenary angle

上海市科委資助項目(13dz1201300),國家科技部國際合作項目(2013DFG71630)，國家自然科學(xué)基金項目(51477100)

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.016

TM76

A

1000-3886(2015)05-0050-03

秦嘉南(1990-)，男，陜西西安人，碩士生，主要研究方向為輸電線路增容技術(shù)。

定稿日期: 2014-11-10