基于线路运行参数的输电线路动态增容系统研制

秦嘉南， 刘亚东， 盛戈皞， 江秀臣(上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

基于线路运行参数的输电线路动态增容系统研制

秦嘉南， 刘亚东， 盛戈皞， 江秀臣
(上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

输电线路动态增容技术可以在不新建线路的前提下，动态提升现有导线的输送容量，提高电力系统运行的经济性。提出了一种基于导线倾角的动态增容系统，利用导线悬挂倾角和风偏角计算导线温度，然后基于导线温度模型，利用导线温度、环境温度、日照辐射和导线负荷计算导线的动态载流量。详细阐述了系统的硬件设计与各模块的功能，并利用现场试验，验证了系统的可行性。

输电线路；载流量；动态增容技术；导线温度模型；悬挂倾角

0 引 言

输电线路动态增容系统[1]作为智能电网中智能输电线路技术支撑系统的重要部分，能在不新建线路的前提下通过技术改造和升级，挖潜增效，增加原有线路的输送能力，提高输电设备资产的利用效率和电网运行的经济性。

现有的动态增容系统在测量导线环境参数时，多基于导线气候模型(WM)对风速、风向的测量准确度较低；在计算导线平均温度时，多基于导线状态方程或张力-温度拟合曲线，利用张力计算导线温度[2-3]，而对于电力系统,安装张力传感器往往很不方便。

基于以上问题，本文提出了一种基于导线温度模型(CTM)的动态增容系统，通过测量导线的悬挂倾角、风偏角、环境温度、日照强度和负荷电流，实时计算导线的最大容量。通过现场测试，本系统准确地在线监测了导线的倾角、温度、负荷信息，在保证线路安全运行的基础上，有效地提高了线路的实时输送容量。

1 输电线路动态增容原理

架空输电线路的最大载流量主要与环境温度、导线温度、风速、风向、日照强度等环境因素以及导线温度、导线材料尺寸等导线自身因素有关[4]。其计算主要是根据导线的稳态热平衡方程:

Qr+Qf=Qs+I2R′t

(1)

其中Qr为辐射散热功率，Qf为对流散热功率，Qs为日照吸热功率，I2R′t为导线交流电阻的发热功率。在确定导线型号即导线各项参数后，(1)式中四种功率的计算如下。

辐射散热功率，与环境温度Ta和导线温度Tc有关：

(2)

日照吸热功率与日照强度Js有关：

Qs=αsJsD

(3)

导线温度为Tc时的交流电阻R(Tc)与导线温度Tc有关：

(4)

对流散热功率Qf的计算有两种计算方法，在气候模型中(WM)中，可由环境温度、导线温度、风速、风向计算得出；在导线温度模型(CTM)[5]中，可以由导线温度Tc，环境温度Ta和热传递系数h(t)计算得出:

Qf=h(t)(Tc-Ta)

(5)

其中热传递系数h(t) 表示了环境温度、风速、风向对对流散热功率的综合影响，在已知导线当前负荷电流I0和导线温度Tc时，可以通过将2-4式带入(6)式计算得出h(t)。

(6)

取导线温度为最大允许温度70 ℃时对应的热传递系数h70(t)≈h(t)，带入(7)式即可得出导线在最大允许温度为70 ℃的对应的最大载流量I:

(7)

为了消除风速测量的不准确而带来的误差，本文最终选择导线温度模型(CTM)，利用导线温度、环境温度、日照强度以及导线当前负荷来计算导线最大载流量。

对于导线温度的测量，一般采用直接测量或利用张力-温度拟合曲线得出。直接利用温度传感器测量导线外表面温度，有时与真实值偏差较大；而对于已经建好的一次侧线路来说，安装张力传感器也非常不便。因此本文采用测量导线垂直投影平面内悬挂倾角θA和风偏角n的方法来求取导线温度Tc。

图1中，倾角θA与水平应力σ0之间的关系[6]为：

图1 悬挂点不等高架空输电线路风偏受力图

(8)

得到水平应力σ0后，可以通过下式，求得导线温度Tc

(9)

其中σ01为已知状态的水平应力，σ02为待求状态的水平应力，可通过(8)式求出；γ1、γ2为已知和待求状态下的综合比载，γ1=γv/cosη1，γ2=γv/cosη2，γv为垂直比载；η1、η2为已知和待求状态下的线路风偏角；t1，t2为已知和待求状态下的温度；α为导线温度线膨胀系数；E为弹性系数；l为线路档距；β为高角差。

根据以上分析，本文采用倾角传感器测量导线悬挂倾角及风偏角，通过温度传感器测量环境温度及日照温度，通过电流互感器测量导线负荷电流，利用采集到的信息计算导线的实时最大载流量，为系统的调度及超负荷运行提供建议。

2 输电线路动态增容系统的总设计方案

输电线路动态增容系统由许多个安装在高压线路杆塔上的数据采集终端和位于调度中心的一个监控平台构成，之间的数据传输通过公用GSM/GPRS网络完成。系统总体结构如图2。

图2 输电线路动态增容系统总体结构图

图3 硬件结构示意图

数据采集终端的硬件结构示意图如图3，主要包括传感器及其调理电路，CT取电供电模块，CPU主控单元及其数字外设，无线数据传输模块四个部分。数据采集终端通过传感器实时检测导线倾角、环境温度、日照辐射和导线负荷等信息，通过信号调理电路进行滤波放大等处理，在主控单元的控制下，信号经A/D转换、缓存、打包后通过GSM/GPRS网络发送到监控管理平台以计算实时最大载流量。

3 数据采集终端硬件设计

3.1 传感器及其调理电路

3.1.1 倾角传感器

倾角传感器用于测量导线垂直投影平面内的悬挂倾角和风偏角。悬挂倾角仅在垂直以下的范围内变化，风偏角会在两个方向内变化，但变化范围一般较小。

图4 倾角传感器

本系统选用V61-QXJ-BZ-V系列二维倾角传感器，如图4所示。该款传感器具有标准化的输出电压(1 V～5 V)，供电电压9 VDC～24 VDC。可以同时测量二维的倾角，考虑给测量留有一定的裕量，选择的每一个维数的倾角的测量范围都为±60°(当倾角为-60°时，传感器输出1 V；+60°时输出5 V)，分辨率为0.015°。

由于倾角传感器的输出为标准电压信号，因此其调理电路仅需要进行电平转换，即可将信号输入A/D转换器采样。

3.1.2 温度传感器

图5 日照辐射传感器

本系统中温度传感器可分为三类，直接测量导线温度用于校验的温度传感器，测量环境温度的传感器，和测量导线日照辐射温度的传感器。其中，日照辐射传感器需要将装有温度传感器的金属壳体通过铝的卡环固定在与架空导线相同型号和表面条件的导线表面，并涂以导热硅胶，如图5所示。

温度传感器芯片采用Analog Devices公司的TMP36，供电电压低，可测温度范围为-40 ℃～125 ℃，输出电压与测量温度比例呈线性的关系，比例系数为10 mV/℃。在整个测量温度范围内的具有±0.5 ℃的线性度。温度传感器无须外接电路即可送至A/D转换器。

3.1.3 电流互感器

电流互感器测取一次侧电流后，经图6，图7中的放大，抬压电路，将输出的0～3 V信号送至A/D转换器。

图6 放大电路

图7 抬压电路

3.2 CT取电供电模块

本装置安装在杆塔上，因此供电是一个十分突出的问题。一般输电线路监测装置多采用的太阳能电池系统存在设备间绝缘问题。因此本系统选择电流互感器直接从高压输电线路上耦合取电。由于高压侧的电力电子电路功耗极小，不会对电网的电能质量产生影响，而且此装置悬浮地安装在线路上工作，为系统提供电源。

图8 CT取电原理图

CT取电模块设计原理如图8所示。根据电磁感应原理，当输电线路中流过交流电时，取能线圈两端产生感应电势，经冲击保护电路、整流滤波、稳压后供给一次侧系统终端。

当一次侧电流过大或过小时，通过对锂电池的充放电解决供电过剩或不足的温度。当一次侧发生短路故障产生巨大的暂态电流时，经冲击保护电路可将输出电压控制在允许电压范围内。

3.3 CPU主控单元及其数字外设

考虑到系统的综合需要，本系统中选用Silicon Lab公司的C8051F040，其具有内部256字节+外部4K的RAM。集成的12位A/D转换器可以用于采样传感器经调理的模拟信号，并监测电源模块的电压。通过I2C接口连接到外部更为准确的实时时钟芯片，定期判断由服务器设定的倾角、温度、负荷信息的采集条件；若满足则打开相应的数据采集回路采集信号，把所测信息按照规定格式存放到SPI接口所连接的外部flash储存器内；最后通过无线传输模块，将倾角、温度、负荷信息按照规定格式传回给服务器。

3.4 无线数据传输模块

无线数据传输模块担任着整个监测终端数据传输和数据交互的重要任务。本系统选用Motorola G24作为主要的数据通信模块，如图9所示。G24工作外接SIM卡后可实现GPRS网络传输数据和向手机用户发送短消息功能，CPU通过UART口向G24发送AT命令和数据。

图9 G24与主控单元的主要接口

4 系统测试

通过监测终端现场的运行，我们得到了相关的运行数据如下。

图10 二维倾角测量值

图11 环境温度和日照辐射温度测量值

图12 线路现有负荷和增容后容量对比

图10为倾角传感器所测得的二维倾角值，两图中上方曲线为导线垂直投影平面内的悬挂倾角，下方曲线为风偏角。通过在多个耐张段内的测试发现倾角传感器的测量误差在1%以内。

图11为环境温度和日照辐射温度的测量值。其中上方曲线为日照辐射温度值，下方曲线为环境温度值。从图中可以看出，两者的变化趋势基本相同。

图12为动态增容系统效果图。下方曲线为线路实时负荷，上方曲线为动态增容系统计算得出的导线最大载流量。可以看出，基于线路运行参数和环境条件的动态增容系统有效增加了导线容量。

5 结束语

本文提出了一种架空输电线路的动态增容系统，在南方电网某条110 kV的架空输电线路上安装并运行。本系统避免了风速风向测量的不准确性和导线张力计安装的不便性。通过测量导线悬挂倾角、风偏角、环境温度、日照辐射和导线负荷流量，来动态确定线路的输送容量。

[1] 杨国庆. 基于在线监测系统的输电线路动态增容研究[D].上海：上海电力学院,2012.

[2] 陆鑫淼,任丽佳,盛戈皞,等. 基于张力的输电线路动态增容系统[J]. 华东电力,2008,37(12):30-33.

[3] 刘亚东. 动态提高输电线路容量系统硬件平台的设计与实现[D].上海:上海交通大学,2007.

[4] DL/T 5092-1999P, 110 kV～500 kV架空送电线路设计技术规程[S].

[5] MONSEU M. Determination of thermal line ratings from a probabilistic approach[C]. Probabilistic Methods Applied to Electric Power Systems, 1991., Third International Conference on. IET, 1991: 180-184.

[6] 邵天晓，架空送电线路的电线力学计算[M]. 2版.北京：中国电力出版社，2003.

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

上海市科委资助项目(13dz1201300),国家科技部国际合作项目(2013DFG71630)，国家自然科学基金项目(51477100)

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.016

TM76

A

1000-3886(2015)05-0050-03

秦嘉南(1990-)，男，陕西西安人，硕士生，主要研究方向为输电线路增容技术。

定稿日期: 2014-11-10