电力施工技术方面的110kV及以下设备和线路研究

王 超

（中铁二十局集团电气化工程有限公司）

0 引言

电力系统作为当今现代社会不可或缺的基础设施之一，在支持各行各业的运作中发挥着至关重要的作用［1］。然而，随着能源需求的快速增长和环境可持续性的关切，电力系统的构建和管理面临着前所未有的挑战。特别是在110kV 及以下的电力设备和线路领域，面临着如何提高线路传输效率、确保安全性和实现系统协同的复杂任务［2］。

本文旨在深入研究电力施工技术的前沿问题，探讨如何通过创新性的方法来应对电力系统面临的挑战。本研究将关注电力线路的优化、绝缘和保护技术，以及电力系统集成的关键方面。通过深入分析这些问题，旨在为未来的电力系统提供更可靠、高效和可持续的解决方案，以满足不断增长的电力需求。

1 电力线路的优化

电力线路的优化是电力系统建设的基础，在110kV 及以下电力系统中，优化电力线路的主要目的为提高电能传输效率以减少电能的损失。本研究通过使用梯度下降优化算法提高电能传输效率［3］。

1.1 基于梯度下降法的电能传输效率优化原理

Step1 定义目标函数： 电能传输效率（η(I，U，Z)）由以下公式表示。

式中，η(I，U，Z)代表电能传输效率。Puseful代表线路的实际有用功率（单位：瓦特，W）。Ptotal代表线路的总输入功率，包括损耗（单位：瓦特，W）。Ploss代表电流通过线路的热损耗功率（单位：瓦特，W）。I代表线路电流。Z代表线路阻抗。U代表电力设备输入电压。

由式（1）可知，要使电能传输效率η(I，U，Z)最高，则需达到最小值，因此可定义目标函数：

Step2 初始化变量：初始化电流I、线路阻抗Z以及电力设备输入电压U的初始值。

Step3 计算目标函数的梯度：梯度表示了目标函数f(I，U，Z)关于变量I，U，Z的变化率，表示在当前电流值I，电力设备输入电压U以及线路阻抗值Z下，应朝哪个方向更新这三个变量使目标函数f(I，U，Z)达到最小值，以提高线路电能传输效率η(I，U，Z)。f(I，U，Z)的梯度分别对I，U，Z计算如下：

式中，∇η(I，U，Z)代表目标函数η(I，U，Z)的梯度。I代表当前电流值（初始值或上一次迭代的值）。U代表当前电力设备输入电压（初始值或上一次迭代的值）。Z代表当前线路阻抗值（初始值或上一次迭代的值）。代表目标函数f(I，U，Z)关于电流I的偏导数。代表目标函数f(I，U，Z)关于电力设备输入电压U的偏导数。代表目标函数f(I，U，Z)关于线路阻抗Z的偏导数。

Step4更新变量：通过梯度下降法更新电流I，电力设备输入电压U以及线路阻抗Z的值，以使目标函数f(I，U，Z)达到最小值。更新的规则如下：

式中，Inew，Unew和Znew分别代表更新后的电流、电力设备输入电压和线路阻抗值。Inew，Unew和Znew分别代表当前电流、当前电力设备输入电压和当前线路阻抗值。α为学习率，它控制了每次迭代中变量值的更新幅度。

Step5 迭代：重复Step3 和步骤Step4，直到满足停止条件。在迭代结束后，最终的电流值I，电力设备输入电压值U和线路阻抗值Z将是使目标函数f(I，U，Z)达到最小值的电流、电力设备输入电压和线路阻抗。 由此可得到最高电能传输效率η(I，U，Z)。

1.2 基于梯度下降法的电能传输效率优化实验结果分析

如图1，本实验设置学习率α= 0.01，模拟了对初始电力设备输入电压U= 220V，初始线路电流I=1A，初始线路阻抗Z= 10Ω 的电力线路基于梯度下降法的电能传输效率的优化。结果表明，进行1000 次迭代后可显著提高电能传输效率η，且根据图1 可观察到经过每次迭代后电能传输效率η均有提高。由此可证明梯度下降法对提高电能传输效率η的有效性。

图1 基于梯度下降法的电能传输效率优化实验结果

2 绝缘和保护技术的研究

绝缘和保护技术在电力施工中具有至关重要的作用，它们旨在确保电力系统的可靠性和安全性。绝缘技术通过隔离电流，预防电击事故，提高设备和线路的稳定性；保护技术通过监测和响应电流和电压异常，迅速切断电路，以防止设备过载或故障，从而保护电力设备和人员安全。这些技术不仅有助于延长设备寿命，减少维护成本，还对电力系统的可持续性和电力质量起到关键作用，为满足不断增长的电力需求提供了坚实的基础。

针对110kV及以下设备，本文进一步研究绝缘材料的性能以便制造高绝缘性能的材料，以保障电力施工的安全性；进一步研究过电压和过电流保护技术，以防止设备受到损害［4］。

2.1 绝缘材料性能研究

2.1.1 绝缘材料性能参数

绝缘材料的性能取决于介电强度Emax、介电损耗D、体积电阻率ρv三个参数，这些参数的表达式如下。

介电强度：

式中，Emax代表介电强度，Vmax代表最大耐受电压，d代表材料的厚度。

介电损耗：

式中，D代表介电损耗，Ploss代表材料中的损耗功率。

体积电阻率：

式中，ρv代表体积电阻率，Vin代表材料两端的电压，Iin代表通过材料的电流，A代表电极间的横截面积，d代表电极之间的距离。

2.1.2 绝缘材料性能提升

a. 增加介电强度（Emax）：根据式（7）可知，通过增加材料的最大耐受电压（Vmax）和减小材料的厚度（d）可增加材料的介电强度。因此，选择更耐压的绝缘材料或优化绝缘材料的结构可增加材料的介电强度。

b. 减小介电损耗（D.）：根据式（8）可知，降低绝缘材料的介电损耗可通过优化材料的制备工艺，以降低材料中的损耗功率（Ploss），或选择更耐压的绝缘材料。

c. 增加体积电阻率（ρv）：根据式（9）可知，提高绝缘材料的体积电阻率可通过增加电极间的横截面积（A）或增加电极之间的距离（d）来实现。体积电阻率的提升可减小材料的电导率，降低电流通过材料的速率，从而提高绝缘性能。

2.2 过电压和过电流保护技术

过电压和过电流保护技术主要对电力系统中的异常电压和电流事件进行检测和处理，以确保设备和线路的安全运行。

2.2.1 过电流保护技术

过电流保护为基于电流的幅值和时间关系来触发保护装置。保护装置会监测电流的瞬时值，如下所示。

式中，I(t)代表时变电流，为随时间变化的电流值。Irms代表额定电流，即电流的均方根值。fi代表电流频率。t代表时间。

过电流保护装置会监测电流是否超过了额定电流Irms，若超过Irms并持续一定时间，保护装置将触发并切断电路，以防止设备受过电流损害。

2.2.2 过电压保护技术

过电压保护技术主要对电压的监测和处理。保护装置通常会监测电压的瞬时值和频率，以确保电压在安全范围内，公式如下。

式中，V(t) 代表时变电压，为随时间变化的电压值。Vmax代表最大耐受电压。fv代表电压频率。ϕ代表电压的相位。

过电压保护装置会监测电压是否超过了最大耐受电压Vmax，若超过Vmax并持续一定时间，保护装置将触发并切断电路，以防止设备受过电压损害。

3 电力系统集成

电力系统集成旨在确保110kV及以下设备和线路与整个电力系统内各个设备和子系统之间以协同和高效的方式进行通信、数据交换，并实现电力系统的稳定性和可靠性。此过程包括通信协议的定义、控制系统的设计，以及设备之间的协同工作。

3.1 通信协议的定义

通信协议是电力系统集成的核心。它定义了数据的格式、传输方式以及通信的规则。通信协议包括以下关键参数：

a. 数据格式：数据在传输中的组织方式，本研究使用二进制编码。

b. 传输协议：数据的传输方式，如Modbus、DNP3、IEC 61850等，本研究使用Modbus协议。

c. 数据采样频率：数据采集的频率，以满足实时监测和控制的需求。

通信协议的定义过程如下所示：

其中，Binary 代表二进制编码。Modbus 代表Modbus协议。100代表以Hz为单位的数据采样频率，表示每秒采集100次数据。

3.2 控制系统的设计

本研究设计一个PID（比例-积分-微分）控制器用于控制电力系统电压维持在110kV。

3.2.1 PID控制器基本原理

PID 控制器是一种常用于控制系统的控制算法，它包括三个部分：比例项（P）、积分项（I）和微分项（D）。PID控制器的输出（控制信号）可表示为：

式中，CO(t) 代表在时间t时的控制输出。kp是比例增益，用于调整比例项的影响。e(t)是误差信号，定义为期望输出与实际输出之差。e(τ)是在时刻τ的误差信号。Ti是积分时间，用于调整积分项的影响。Td是微分时间，用于调整微分项的影响。

3.2.2 PID控制器在110kV电力系统电压维持中的应用

如图2 所示，本研究模拟了PID 控制器的电压控制过程，用以衡量PID 控制器在110kV 电力系统电压维持中的重要性。首先输入150kV的初始电压，随后PID 控制器在2 分钟内将电压控制在110kV 并保持不变，说明PID 控制器在110kV 电力系统电压维持中效果良好［5］。

图2 PID控制器电压控制过程中的电压变化

3.3 设备之间的协同工作

设备之间的协同工作确保了各个设备能够协调操作，以实现整个系统的稳定性和可靠性。使各个设备协调操作的过程如下：

Step1定义变量：

a. 设备状态变量：每个设备可以有不同的状态，例如开、关、正常运行、故障等。本研究用Si表示第i个设备的状态，其中i是设备的编号。

b. 操作信号：用于控制设备状态的信号，本研究用Ui表示第i个设备的操作信号。这些信号可以是开关控制、调节参数等。

c. 设备之间的通信信号：设备之间需进行信息交流，以共享状态信息、操作指令等。本研究用Cij表示从设备i到设备j的通信信号。

Step2协同工作策略：

a. 设备状态更新：在每个时刻τ，设备根据操作信号Ui和通信信号Cij来更新其状态Si。

b. 协调控制：设备之间通过通信信号Cij共享状态信息，以协调操作。例如，如果设备i检测到自身状态异常，它可以向设备j发送通信信号Cij，以请求协助或建议。

c. 决策规则：设备可以根据一组决策规则来选择操作信号Ui，以确保系统的稳定性和性能。这些规则可以是基于反馈控制、优化算法等。

Step3协同更新：

a. 设备状态更新：

b. 通信信号更新：

式中，fi和gij是设备状态更新和通信信号更新的函数，它们根据操作信号和状态信息来计算下一个时刻的状态和通信信号。

4 结束语

110kV 及以下电力设备和线路的研究是电力领域的一个重要方向，它直接关系到电力系统的可靠性、效率和可持续性。通过深入研究电力线路的优化、绝缘和保护技术以及电力系统集成，不断改进电力施工技术，以满足日益增长的电力需求。本文的研究分析将为未来的电力系统提供更加可靠且可持续的参考。