一种非接触式架空输电线路潮流监测方法及系统与流程

1.本发明涉及一种不受弧垂变化影响的非接触式架空输电线路潮流监测方法，尤其涉及一种基于磁场和弧垂变化逆推输电线路电流的方法。本发明还涉及一种非接触式潮流监测系统。


背景技术：

2.我国于2015年启动了新一轮电力市场改革，并于2018年底在广东、山东等8个省份启动电力现货市场试点。供给和需求是决定市场价格的根本因素。具体到电力市场，发电侧的电力供应情况和用电侧用电需求高低决定了电力市场价格走势。作为电力交易主体的发电厂或售电公司，电力供应和需求信息是其制定交易策略的基础。
3.架空输电线路潮流是指通过架空输电线路的有功功率、无功功率，其包含了丰富的供应和需求信息。对发电侧而言，若知道发电厂送出线路的潮流，则可推断出其开机状态；进一步将潮流和市场出清价格相结合，即可推断其报价行为。对需求侧而言，将向某一地区供电的所有输电线路的潮流相加，即可得到某一地区总的用电需求。因此，参与市场交易的发电厂或售电公司十分重视输电线路的潮流信息。然而，通常情况下，电力交易或调度机构均不会及时公布输电线路潮流信息。
4.一些独立于电网企业的第三方开展了输电线路潮流监测。一种方法是通过监测高压输电线路所产生的电磁场，来反算潮流。受日照强度、风速、气温及通过的电流大小等因素影响，架空输电线路的弧垂时刻发生变化。上述方法未考虑现实环境中的各种运行工况，导致从磁场逆推线路电流的计算中存在较大的误差，对最终得到的潮流值也有着极大的影响。
5.本发明提供一种不受弧垂变化影响的非接触式架空输电线路潮流监测方法。在测量中，测量设备与线路之间不存在直接的电气连接，不影响线路的运行状态且不会对线路造成破坏，因此对测量设备本身没有太高的绝缘要求。此外，测量位置可根据需要确定，操作方便灵活。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种不受弧垂变化影响的非接触式架空输电线路潮流监测方法。
7.本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种专用于上述方法的非接触式架空输电线路潮流监测系统。
8.所述的非接触式测量方法，指通过测距装置采集线路参数，通过弧垂监测单元测量导线实时的弧垂值，通过电磁场监测设备测量输电线路周围的磁场值以及磁场和电压之间的相位差。
9.所述的潮流监测方法指通过测量导线初始的空间位置坐标和输电线路实时的弧垂值，从而修正导线实时的空间位置坐标，再结合测量得到的磁场值推算出输电线路的电
流值，最终通过中央处理设备得到该输电线路的潮流。
10.本发明相较现有系统及方法，大幅减小了因输电线路弧垂的实时变化引起的逆推电流计算的误差。
11.解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案如下。
12.一种非接触式架空输电线路潮流监测方法，其特征包括以下步骤：
13.a.利用线路参数采集单元测量上述架空输电线路的初始空间位置坐标，并将坐标传输至一个中央处理设备；
14.b.利用弧垂监测单元，持续实时地记录上述架空输电线路的弧垂值，并将弧垂值传输至上述中央处理设备，得到导线实时的空间位置坐标；
15.c.在所述架空输电线路下方安装电磁场监测设备，持续实时地记录该架空输电线路潮流所产生的带时间戳的磁场值以及磁场和电压之间的相位差；
16.d.将步骤c所测带时间戳的磁场值传输至上述的中央处理设备，结合上述的导线实时的空间位置坐标，在该中央处理设备中计算所述线路中的电流值；
17.e.在中央处理器设备中通过上述测量的磁场和电压之间的相位差，计算所述线路的功率因数角；
18.f.在中央处理器设备中通过所述线路的电压值、电流值以及功率因数角计算所述线路的潮流，并将结果发送给终端用户。
19.所述步骤a的线路参数采集单元具体指的是测距装置。
20.所述步骤b的弧垂监测单元测量弧垂的方法为直接测量弧垂、利用非接触式红外测温装置基于导线温度间接测量弧垂或通过热平衡方程推算基于导线温度间接测量弧垂。
21.所述的利用非接触式红外测温装置基于导线温度间接测量弧垂，具体是指通过测距装置测量弧垂最低点空间位置坐标，持续实时的监测线路的弧垂变化。
22.所述的基于导线温度间接测量弧垂，其步骤是：
23.1.收集待测架空线路的初始弧垂值；
24.2.基于架空输电线路弧垂方程，得到导线的初始张力，其函数关系式如下：
[0025][0026]
式中，h0为导线的初始张力，l为档距，ω为导线单位长度的自重力，为悬挂点高差角，f0为导线的初始弧垂值；
[0027]
3.通过测量出初始时刻和任意时刻的导线温度，再根据步骤b所得的导线初始张力，结合架空线路导线张力与温度的对应关系，求出任意时刻的导线张力，其函数关系式如下：
[0028][0029]
其中，
[0030][0031]
[0032]
式中，h0、hn为架空线在初始时刻和n时刻的张力，ω0、ωn为初始时刻和n时刻的架空线单位长度自重力，t0、tn为初始时刻和n时刻的架空线温度，α为架空线的温度线膨胀系数，s为架空线的截面积，e为架空线的最终线弹性系数，l为档距，为悬挂点高差角。
[0033]
4.根据式(3)所得的架空线在n时刻的张力，代入到式(2)中便可求得n时刻的导线弧垂值。
[0034]
所述的基于热平衡方程推算导线温度，其步骤是：
[0035]
1.查表收集输电线路相关参数；
[0036]
2.通过环境监测设备测量环境温度、光照强度和通过风速传感器测量垂直于导线的风速；
[0037]
3.通过由磁场值逆推初始电流值，基于热平衡方程，求解出导线温度，具体公式如下：
[0038]
qc+qr＝qs+i2r(tc)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0039]
式中，qc为导线单位长度的对流散热功率(w/m)，qr为导线单位长度的辐射散热功率(w/m)，qs为导线单位长度的日照吸热功率(w/m)，i为导线电流(a)，r(tc)为温度为tc时导线单位长度的交流电阻(ω/m)。
[0040]
其中
[0041]
qr＝πεsd[(θ+ta+273)
4-(ta+273)4]
ꢀꢀꢀ
(8)
[0042]qs
＝a
sisdꢀꢀꢀ
(9)
[0043]
t＝θ+taꢀꢀꢀ
(10)
[0044]
式中，λf为空气表面空气层传热系数，re为雷诺数，θ为导线表面平均温升，ε为辐射系数，s为斯蒂芬-波尔茨曼常数，s＝5.67
×
10-8w·
m-2
·
k-4
，v为垂直于导线的风速(m/s)，d为导线外径，ta为导线周围环境温度(℃)，t为导线温度(℃)，as为导线表面的吸热系数，is为日照强度(w/m2)。
[0045]
所述步骤c的磁场监测设备指的是包含了用于测量围绕传输线的磁场的各种矢量分量的传感器、电源、滤波放大器、数模转换电路、微处理器(如单片机、dsp、arm)、存储器、对时模块和通信模块的设备。
[0046]
所述步骤d的导线实时空间位置坐标，具体是指是利用所述步骤b得到的弧垂变化值，结合导线的初始空间位置坐标修正导线y1、y2、y3的值，从而计算出磁场监测设备与导线之间的距离和倾角，其定义如下：
[0047][0048]
其中，(x
p
，y
p
)为磁场监测设备的空间位置坐标，(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)分别为架空输电线路a、b、c三相弧垂最低点的空间位置坐标；
[0049]
所述步骤d的计算输电线路中的电流值，其定义如下：
[0050]
[0051][0052]
其中，bh为磁通密度的水平分量(相量)，bv为磁通密度的垂直分量(相量)，单位为wb/m2；复常数ah和av定义如下：
[0053][0054][0055]
将式(6)所得结果代入式(9)、(10)便可求出a
ii
和av，再代入式(7)、(8)最终求出输电线路的电流值。
[0056]
所述步骤e的功率因数角的计算，具体定义如下：
[0057]
θ＝θ
bii-θ
ii
+θuꢀꢀꢀ
(11)
[0058]
θ＝θ
bv-θv+θuꢀꢀꢀ
(12)
[0059]
其中，θ
bii
为水平分量b
ii
与输出电压u0之间的相位差，θ
bv
为垂直分量bv与输出电压u0之间的相位差。
[0060]
所述输电线路潮流监测结果，通过互联网传送给终端客户，并通过互联网浏览器或微信企业号等移动端应用程序传输和显示。
[0061]
解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案如下。
[0062]
一种非接触式架空输电线路潮流监测系统，其特征包括：
[0063]
至少一个具备通信网络接口的电磁场监测设备，放置于所述架空输电线路附近，用于测量线路潮流产生的磁场值和磁场与电压之间的相位差；
[0064]
至少一个具备通信网络接口的非接触式弧垂测量装置，放置于所述架空输电线路附近，用于测量输电线路导线的实时弧垂值；
[0065]
中央处理设备，用于召测、接收、存储、分析磁场值、弧垂值，通过程序生成显示架空输电线路潮流的人机交互界面；
[0066]
所述的非接触式弧垂测量装置指两种组成不同的装置，第一种是直接测量弧垂的装置，第二种是基于导线温度间接测量弧垂的装置。其中，由于测量导线温度有两种方法，故基于导线温度间接测量弧垂的装置也有两种不同的组成。
[0067]
所述的直接测量弧垂的装置指的是测距装置，放置于输电线路的正下方，持续实时的监测弧垂最低点的空间位置坐标。
[0068]
所述的基于导线温度间接测量弧垂的装置，第一种是由非接触式红外测温装置和中央处理设备组成。
[0069]
所述的基于导线温度间接测量弧垂的装置，第二种是由用于测量环境温度、光照强度的环境监测设备和测量风速的风速传感器,以及中央处理设备组成。
[0070]
所述的中央处理设备分别与电磁场监测设备和非接触式弧垂测量装置通过通信网络连接。
[0071]
所述的中央处理设备还通过通信网络连接若干终端用户。
[0072]
所述的通信网络指局域网、internet或其他已知的方式。
[0073]
所述的电磁场监测设备放置于输电线路两个相邻杆塔之间、垂直于输电线路且通
过该档线路弧垂最低点的二维平面内。
[0074]
所述的非接触式弧垂测量装置放置于输电线路的正下方。
[0075]
所述的电磁场监测设备、非接触式弧垂测量装置均由蓄电池为其供电，并由光伏板阵列为蓄电池连续充电。
[0076]
本发明的优点及有益效果如下：
[0077]
本发明提供的非接触式架空输电线路潮流监测方法及系统需要收集的数据和设备较少，避免了数据过多造成的累积误差，并且本发明还通过监测输电线路弧垂的实时变化值减小了逆推电流计算的误差，提高了监测输电线路潮流分布的准确性和可靠性，对电力市场参与方的报价具有重要意义。
附图说明
[0078]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0079]
图1为本发明实施例提供的非接触式架空输电线路潮流监测系统框图；
[0080]
图2为本发明实施例提供的非接触式架空输电线路潮流监测方法中弧垂计算的流程图；
[0081]
图3为电磁场监测设备和非接触式弧垂测量装置的安装位置示意图；
[0082]
图4是用于演示架空输电线路电磁场的计算方法；
[0083]
图5是用于说明基于磁场和弧垂进行非接触式架空输电线路潮流监测方法的总体流程图。
[0084]
图中附图标记指代：101-测距装置，102-电磁场监测设备，103-非接触式弧垂测量装置，104-中央处理设备，105-终端用户，301-电磁场监测设备，302-非接触式弧垂测量装置，303、304-第一第二杆塔，401、402、403-分别为算例中架空输电线路的a相、b相、c相，404-算例中电磁场监测设备。
具体实施方式
[0085]
本发明实施例提供了一种非接触式架空输电线路潮流监测方法及系统，用于解决现有的潮流监测模型因弧垂变化引起的潮流监测误差的问题。
[0086]
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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详细的说明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
[0087]
图1是本发明提出的非接触式架空输电线路潮流监测系统的一个实施例框图。
[0088]
本实施例的非接触式架空输电线路潮流监测系统包括：
[0089]
测距装置101，用于测量架空输电线路的初始空间位置参数；
[0090]
具备网络通信接口的电磁场监测设备102，用于测量架空输电线路潮流产生的磁场值以及磁场与电压之间的相位差；
[0091]
具备网络通信接口的非接触式弧垂测量装置103，放置于待测架空输电线路的正下方，用于测量并记录导线的实时弧垂值；
[0092]
中央处理设备104，用于接收、存储、分析磁场值和弧垂值，通过程序生成显示可实时监测架空输电线路潮流信息的人机交互界面，通过互联网传输、展示给终端用户105；
[0093]
中央处理设备分别与电磁场监测设备、非接触式弧垂测量装置和终端用户通过通信网络连接，通信网络指局域网、internet或其他已知的方式。
[0094]
图2是本发明实施例提供的非接触式架空输电线路潮流监测方法中基于导线温度间接测量弧垂的流程图。
[0095]
步骤201是基于目标输电线路类型，通过查询导线参数表收集待测架空导线的单位长度自重力、温度线膨胀系数、截面积和最终线弹性系数。
[0096]
步骤202是通过测距装置收集待测架空导线的初始空间位置坐标、初始弧垂值、档距及悬挂点的高差角。
[0097]
步骤203通过非接触式红外测温装置或基于热平衡方程，得到任意时刻的导线温度。其中，基于热平衡方程推算导线温度，其步骤是：
[0098]
a.查表收集输电线路相关参数；
[0099]
b.通过环境监测设备测量环境温度、光照强度和通过风速传感器测量垂直于导线的风速；
[0100]
c.通过由磁场值逆推初始电流值，基于热平衡方程，求解出导线温度，具体公式如下：
[0101]
qc+qr＝qs+i2r(tc)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0102]
式中，qc为导线单位长度的对流散热功率(w/m)，qr为导线单位长度的辐射散热功率(w/m)，qs为导线单位长度的日照吸热功率(w/m)，i为导线电流(a)，r(tc)为温度为tc时导线单位长度的交流电阻(ω/m)。
[0103]
其中，
[0104]
qr＝πεsd[(θ+ta+273)
4-(ta+273)4]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0105]qs
＝a
sisdꢀꢀꢀ
(4)
[0106]
t＝θ+taꢀꢀꢀ
(5)
[0107]
式中，λf为空气表面空气层传热系数，re为雷诺数，θ为导线表面平均温升，ε为辐射系数，s为斯蒂芬-波尔茨曼常数，s＝5.67
×
10-8w·
m-2
·
k-4
，v为垂直于导线的风速(m/s)，d为导线外径，ta为导线周围环境温度(℃)，t为导线温度(℃)，as为导线表面的吸热系数，is为日照强度(w/m2)。
[0108]
步骤204是基于架空输电线路弧垂方程，得到导线的初始张力，其计算公式可表示为：
[0109][0110]
式中，h0为导线的初始张力，l为档距，ω为导线单位长度的自重力，为悬挂点高差角，f0为导线的初始弧垂值。
[0111]
步骤205是基于架空线路导线张力与温度的对应关系，得到任意时刻的导线张力，
其计算公式可表示为：
[0112][0113]
其中，
[0114][0115][0116]
式中，h0、hn为架空线在初始时刻和n时刻的张力，ω0、ωn为初始时刻和n时刻的架空线单位长度自重力，t0、tn为初始时刻和n时刻的架空线温度，α为架空线的温度线膨胀系数，s为架空线的截面积，e为架空线的最终线弹性系数，l为档距，为悬挂点高差角。
[0117]
进一步地，步骤206是将步骤205所得n时刻的导线张力代入步骤204中的公式，从而求得该时刻的导线弧垂值。
[0118]
本实施例采用一条500kv的输电线路为算例，假设由磁场值推算的初始导线电流i为450a，其它具体导线参数如下表所示：
[0119]
根据弧垂测量的流程，首先求得导线的初始张力2218.47n，再由热平衡方程qc+qr＝qs+i2r(tc)推算得到此时的导线温度为62.37℃，接着由导线张力与温度的关系，便可求得该时刻的导线张力5878.25n，进而求得该时刻的弧垂值1.22m，即在测量时刻与初始时刻对比，导线的最低点上升了2.02m。基于测量时刻的弧垂值，结合所测量的导线初始空间位置坐标，便可修正得到导线此时空间坐标里的y值。
[0120]
为了更好的说明本发明的优势，引入磁场对电流的影响系数k，即i＝kb。在上述实施例中，由初始时刻的弧垂值计算得到k1＝540.99，由计算的测量时刻的弧垂值得到k2＝632.05。若不考虑弧垂变化对结果的影响，则最终电流推算误差达到了17％。因此本发明通过监测输电线路实时的弧垂值，可以大幅减小因输电线路弧垂的实时变化引起的逆推电流计算的误差。
[0121]
电磁场监测设备一般放置在架空输电线路两个相邻杆塔之间，垂直于该档线路、且穿过弧垂最低点的二维平面内。非接触式弧垂测量装置一般放置在导线的正下方。图3即为电磁场监测设备和非接触式弧垂测量装置放置的示意图。图中电磁场监测设备301位于两座杆塔303、304之间，非接触式弧垂测量装置302放置于线路的正下方。
[0122]
进一步地，本实施例中由测量的磁场值，结合又导线初始空间位置坐标和计算得到的弧垂实时值修正的导线实时空间位置坐标，逆推输电线路的电流，其实现的主要原理是，根据安培环路定理可知，平行于地面的无限长通电直导线在与其相距r处产生的磁场强度h为：
[0123][0124]
在周围介质为空气时，磁通密度b为：
[0125][0126]
μ0为真空磁导率，r为测量点到直导线距离。
[0127]
当磁通密度b的单位选为微特斯拉时，
[0128][0129]
b为具有方向的矢量，在垂直于导线的二维平面内，可分解为水平、垂直两个方向的分量b
ii
、bv。如图4所示的二维平面内，直导线坐标为(x0，y0)，其在坐标原点o点产生的磁通密度b垂直于o点与(x0，y0)连成的直线。设该直线与x轴的夹角为则其水平、垂直方向的分量分别为：
[0130][0131][0132]
当计算三相交流线路产生的磁场时，定义三相因子：
[0133][0134]
由三相电流产生的磁场叠加，得到磁通密度的计算公式如下：
[0135][0136]
本发明第二条实施例是某一架空输电线路产生的磁场，结合该实施例说明线路产生磁场的计算方法。图4中的线路为500kv交流架空线路，图中401、402、403分别为线路的a相、b相、c相，算例中线路的具体坐标见405。设a相电流幅值为ia，则线路在图4中坐标零点，
即电磁场监测设备404所处位置产生的磁通密度在水平、垂直方向的幅值分别为：
[0137]bh
＝0.000337i0(μt)
ꢀꢀꢀ
(18)
[0138]
bv＝0.000656i0(μt)
ꢀꢀꢀ
(19)
[0139]
进一步地，根据导线的初始空间位置坐标和计算得到的弧垂变化值，修正得到此时y1、y2、y3的值，从而计算出磁场强度距导线的距离和倾角，具体公式如下：
[0140][0141]
其中，(x
p
，y
p
)为电磁场监测设备的空间位置坐标，(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)分别为架空输电线路a、b、c三相弧垂最低点的空间位置坐标。
[0142]
进一步地，计算输电线路中的电流值，其公式如下：
[0143][0144][0145]
其中，bh为磁通密度的水平分量，bv为磁通密度的垂直分量，单位为wb/m2。
[0146]
复常数ah和av定义如下：
[0147][0148][0149]
基于上述公式，确定了架空输电线路的电流值。进一步地，确定功率因数角，其计算公式如下：
[0150]
θ＝θ
bh-θh+θuꢀꢀꢀ
(25)
[0151]
θ＝θ
bv-θv+θuꢀꢀꢀ
(26)
[0152]
其中，θ
bh
为水平分量bh与输出电压u0之间的相位差，θ
bv
为垂直分量bv与输出电压u0之间的相位差。
[0153]
进一步地，基于所得的电流值和功率因数角，再结合已知电压值，便可计算架空输电线路的潮流分布，具体定义为：
[0154][0155]
利用上述系统进行非接触式架空输电线路潮流监测的方法如图5所示，具体步骤如下：
[0156]
a.利用线路参数采集单元测量上述架空输电线路的初始空间位置坐标、弧垂值、档距及悬挂点的高差角；
[0157]
b.至少一个具备通信网络接口的非接触式弧垂测量装置，放置于所述架空输电线路附近，用于测量输电线路导线的实时弧垂值；
[0158]
c.在所述架空输电线路下方安装电磁场监测设备，持续实时地记录该架空输电线路潮流所产生的带时间戳的磁场值以及磁场和电压之间的相位差；
[0159]
d.将上述测量的线路参数和得到的实时导线温度传输至一个中央处理设备，在该中央处理设备中计算所述线路实时的弧垂值；
[0160]
e.将所述输电线路的初始空间位置坐标传输至上述的中央处理设备，结合上述计算得到的实时弧垂值，得到导线实时的空间位置坐标；
[0161]
f.将所测带时间戳的磁场值传输至上述的中央处理设备，结合上述的导线实时的空间位置坐标，在该中央处理设备中计算所述线路中的电流值；
[0162]
7.将上述测量的磁场和电压之间的相位差传输至上述中央处理设备，在该中央处理设备中计算所述线路的功率因数角；
[0163]
8.将所述线路的电压值、电流值以及功率因数角传输至上述中央处理设备，在该中央处理设备中计算所述线路的潮流，并将结果发送给终端用户。以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。