一种基于离散最优解算法的地线CT取能优化方法及系统与流程

一种基于离散最优解算法的地线ct取能优化方法及系统
技术领域
1.本发明属于高电压领域，涉及一种基于离散最优解算法的地线ct取能优化方法及系统。


背景技术：

2.传统的在线监测装置供电方法，包括小型风机供电、太阳能板供电等，受天气因素影响大，因此供电功率不稳定，并且供电装置体积大，不利于设备的安装与维护，变相增加了线路运维的成本。
3.提出利用导线上的电流在空间中产生的工频磁场和电流互感器(current transformer，ct)进行取能，导地线间存在电磁耦合，因此地线上稳定地存在着由导线电流产生的工频感应电压及感应电流，针对感应电流可以利用地线感应电流和ct进行取能，取能时，不同位置取能功率的差异性较大，如果无法找到最佳的取能位置会造成电流的浪费，现有的方法在取能时，针对不同的地线接地方式无法快速找到最佳的取能位置，容易造成电流的浪费，无法满足输电线路在线监测装置的用电需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中针对不同的地线运行方式，无法确定取能装置最佳的取能位置，取能位置的确定与地线运行方式的适配性低，容易造成电流浪费的问题，提供一种基于离散最优解算法的地线ct取能优化方法及系统。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种基于离散最优解算法的地线ct取能优化方法，包括以下步骤：
7.s1：确定不同地线运行方式下影响取能的基变量，将获取的不同地线运行方式下的基变量汇总，形成若干基变量组；
8.s2：通过等效电路和仿真分析，对各基变量组与感应电流变化规律进行仿真试验，获取试验结果；
9.s3：基于不同基变量组的试验结果构建对应的目标函数，并采集各组基变量对应的数据作为目标函数的输入进行求解；
10.s4：基于求解结果，确定取能装置安装的目标耐张段或取能位置；
11.s5：当求解结果为确定取能装置安装的目标耐张段时，通过仿真试验确定目标耐张段内的取能位置。
12.本发明的进一步改进在于：
13.所述不同地线运行方式包括：
14.普通地线分段绝缘和opgw逐塔接地；
15.双opgw均逐塔接地。
16.当地线运行方式为普通地线分段绝缘和opgw逐塔接地时，所述基变量包括：
17.杆塔接地电阻、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
线平均距离和耐张段内地线间的平均距离。
18.当地线运行方式为双opgw均逐塔接地时，所述基变量包括：
19.各档导地线间的高度差和各档地线间的距离。
20.当地线的接地方式为普通地线分段绝缘和opgw逐塔接地时，构建的目标函数为：
[0021][0022]
其中，r表示平均杆塔接地电阻；x表示平均线路档距；d表示平均地线对地高度；h表示平均导地线间高度差；
[0023]
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。
[0024]
对所述公式(1)进行优化：
[0025][0026]
其中，可行域s由实际输电线路的情况决定。
[0027]
当地线的接地方式为双opgw均逐塔接地时，构建的目标函数为：
[0028][0029]
其中，d表示平均地线对地高度；h表示平均导地线间高度差，
[0030]
基于公式(2)，取值最大的档位处为取能位置。
[0031]
一种基于离散最优解算法的地线ct取能优化系统，包括基变量组获取模块、试验分析模块、函数构建模块、位置获取模块一和位置获取模块二；
[0032]
基变量组获取模块，用于确定不同地线运行方式下影响取能的基变量，将获取的不同地线运行方式下的基变量汇总，形成若干基变量组；
[0033]
试验分析模块，用于通过等效电路和仿真分析，对各基变量组与感应电流变化规律进行仿真试验，获取试验结果；
[0034]
函数构建模块，用于基于不同基变量组的试验结果构建对应的目标函数，并采集各组基变量对应的数据作为目标函数的输入进行求解；
[0035]
位置获取模块一，用于基于求解结果，确定取能装置安装的目标耐张段或取能位置；
[0036]
位置获取模块二，用于当求解结果为确定取能装置安装的目标耐张段时，通过仿真试验确定目标耐张段内的取能位置。
[0037]
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。
[0038]
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，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。
[0039]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0040]
本发明公开了一种基于离散最优解算法的地线ct取能优化方法，针对地线不同的接线模式采集不同的基变量，并基于各模式对应的基变量进行分析，提高了基变量与不同运行方式的适配性，基于此构建的目标函数的计算结果更精确，针对地线不同的运行方式均提供了精确的取能位置，提高了感应电流的利用率，降低了电流的损失，本发明公开的计算过程简单，基于本方法可以快速获取不同接地方式下取能位置。
附图说明
[0041]
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。
[0042]
图1为本发明的流程示意图；
[0043]
图2为本发明的两种地线运行方式下取能示意图(其中a为普通地线分段绝缘、opgw逐塔接地时取能方法示意图，b为双opgw均逐塔接地时取能方法示意图)；
[0044]
图3为本发明的普通地线分段绝缘、opgw逐塔接地的地线运行方式下，用于计算地线感应电流的等效电路图；
[0045]
图4为本发明的取能功率随档距变化情况图；
[0046]
图5为本发明的取能功率随接地电阻变化情况图；
[0047]
图6为本发明的在双opgw均逐塔接地的情况下，计算地线感应电流的等效电路图
[0048]
图7为本发明的双opgw均逐塔接地的情况下，取能功率随杆塔的接地电阻变化图；
[0049]
图8为本发明的耐张段内的地线感应电流沿线分布。
具体实施方式
[0050]
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。
[0051]
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。
[0052]
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。
[0053]
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。
[0054]
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。
[0055]
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。
[0056]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0057]
参见图1，本发明实施例公开了一种基于离散最优解算法的地线ct取能优化方法，基于不同的地线接地方式选构建不同的目标函数进行计算，确定在不同接地方式中的取能位置。
[0058]
所述的接地方式中，opgw一般采用逐塔接地的运行方式，使得在雷击地线时，雷电流能够通过杆塔快速入地，为减小地线上电磁感应带来的损耗，普通地线一般采用分段绝缘的运行方式，但受静电感应的影响，若全线分段绝缘，普通地线上会存在高达数千伏的静电感应电压，因此普通地线会在线路的某处选择单点接地来使静电感应电压降为0。
[0059]
本发明实施例公开的一种基于离散最优解算法的地线ct取能优化方法包括以下步骤：
[0060]
步骤1：确定不同地线运行方式下影响获取感应电流的基变量，将不同地线运行方式下的基变量汇总，形成若干基变量组；
[0061]
本发明实施例公开的方法可应用于上述两种地线运行方式，即：
[0062]
(1)普通地线分段绝缘和opgw逐塔接地；
[0063]
(2)双opgw均逐塔接地；
[0064]
利用地线电磁感应电流取能通过磁路的耦合来实现取能目的，不涉及到对线路地线结构的改造，不影响地线原有的防雷和屏蔽功能，因为ct和地线不直接接触，所以在地线被雷击中时，取能装置受地线上的雷电流和过电压影响较小，两种地线运行方式下的利用地线电磁感应进行取能的两种方法如图2a-图2b所示
[0065]
进一步的，本发明实施例中，当地线运行方式为普通地线分段绝缘和opgw逐塔接地，影响获取感应电流的基变量为：
[0066]
杆塔接地电阻、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和耐张段内地线间的平均距离。
[0067]
进一步的，本发明实施例中，当地线运行方式为双opgw均逐塔接地，影响获取感应电流的基变量为：
[0068]
各档导地线间的高度差和各档地线间的距离。
[0069]
步骤2：通过等效电路和仿真分析，对各基变量组与感应电流变化规律进行仿真试验，获取试验结果；
[0070]
利用ct进行取能时，能量的来源为地线感应电流在空间中产生的工频磁场。
[0071]
地线上装设ct后，ct带来的负荷阻抗远小于地线的沿线自阻抗，所以可以忽略ct对地线上感应电流的影响，认为地线上的感应电流近似保持不变，将ct装在地线上后，ct与地线共同构成了一个原边为1匝的变压器，则取能功率与地线感应电流具体关系为：
[0072][0073]
其中，ω＝2πf，f为工频频率50hz，lm为取能ct的电感值，对于某一固定的取能ct，电感值为一常数。ig为地线上感应电流的大小，因此只要选择地线感应电流最大的位置布置取能装置即可获得最大取能功率。
[0074]
进一步的，本发明实施例中，当地线运行方式为普通地线分段绝缘和opgw逐塔接地，对各基变量进行分析：
[0075]
普通地线分段绝缘和opgw逐塔接地的运行方式，取能ct安装在opgw上，相线中工频电流产生的空间磁场作用在“大地-opgw-大地”回路上而产生感应电动势进而产生感应电流，感应电流再在周围的空间中产生磁场，进一步可以利用ct进行取能。
[0076]
在普通地线分段绝缘、opgw逐塔接地的地线运行方式下，用于计算地线感应电流的等效如图3所示。图中eg2表示导线在opgw地线上产生的感应电压，zg2代表opgw地线的内阻抗，r代表杆塔的接地电阻，这三者影响了地线上感应电流的大小，进一步的，对于opgw上的感应电压：同一条线路导线的工频电流在各位置处大小相等，因此对于不同的耐张段，影响取能功率的因素包括：杆塔接地电阻、线路档距、杆塔结构、耐张段内导线是否换位。
[0077]
进一步的，对耐张段内导线是否换位进行分析：
[0078]
若取能装置所在的耐张段内导线在耐张段的中间位置进行换位，换位前后的导线产生的电磁感应分流会相互抵消，则地线感应电流会降至未换位的一半左右，因此在布置取能装置时要尽可能避免导线换位的耐张段。
[0079]
进一步的，对耐张段内杆塔结构进行分析：
[0080]
结合电磁场计算分析，杆塔结构中有两部分可以影响地线中的感应电流进而影响取能功率，这两部分分别为地线对地高度以及导地线间的距离。
[0081]
其中导地线间的距离主要由导地线间的高度差决定，以单回输电线路为例，其具体表达式参见公式(4)，基于公式(4)得到取能功率与地线高度的对数的平方成正比，与导地线高度差的对数的平方成反比。
[0082][0083]
其中ig为地线上的感应电流，f为导线电流频率，ia、ib、ic分别为三相导线上的电流，dg为opgw的镜像高度，d
ag
、d
bg
、d
cg
分别为opgw与三相导线间的距离。
[0084]
进一步的，对耐张段内线路的平均档距进行分析：
[0085]
档距越长，构成的取能回路面积越大，因此地线上的感应电动势与档距成正比，取能功率随档距的变化如图4所示。因为回路中的内阻主要由杆塔接地电阻决定，故地线中的感应电流近似随档距呈线性增加，进而取能功率与档距的平方成正比。
[0086]
进一步的，对杆塔接地电阻进行分析：
[0087]
取能功率随杆塔接地电阻的变化情况如图5所示，其他条件一定时，杆塔的接地电阻越大，回路中的电流越小，所以取能功率也越小，取能功率近似与杆塔接地电阻的平方成反比。
[0088]
进一步的，本发明实施例中，当地线运行方式为双opgw均逐塔接地，对各基变量进
行分析：
[0089]
此种地线运行方式下，与前述地线运行方式相比，取能回路由“杆塔-opgw地线-杆塔-大地”变为了“opgw地线1-opgw地线2，因此寻找最佳取能位点时，要对每档输电线路都做分析评估。
[0090]
取能功率的大小由地线上感应电流大小决定，在双opgw均逐塔接地的情况下，计算地线感应电流的等效电路如图6所示：
[0091]eg1
、e
g2
分别为相导线在两根地线上产生的感应电动势，z
g1
和z
g2
分别为两根地线的自阻抗，r为对应杆塔的接地电阻，根据电路拓扑结构易得，基于次地线运行方式计算电磁感应时，耐张段内的某档线路上的地线感应电流基本不受同耐张段内其他档的影响，因此无需考虑耐张段内导线换位的情况。
[0092]
对于杆塔接地电阻：双opgw均逐塔接地的情况下，因为杆塔的接地电阻远大于地线的内阻，所以感应电流主要回路为两根地线，入地分量很小，所以当接地电阻变化时两根opgw地线构成的回路中的感应电流基本保持不变，所以取能功率基本不发生变化，经过仿真得到的具体结果如图7所示，因此杆塔接地电阻不作为双opgw均逐塔接地的情况下影响取能效率的基变量。
[0093]
基于次，得到当地线运行方式为双opgw均逐塔接地时，影响取能功率的基变量为：各档导地线间的高度差和各档地线间的距离
[0094]
进一步的，各档导地线间的高度差和各档地线间的距离对取能功率的影响规律与普通地线分段绝缘和opgw逐塔接地时，对杆塔结构的分析规律相同。
[0095]
步骤3：基于不同基变量组的试验结果构建对应的目标函数，并采集各组基变量对应的数据作为目标函数的输入进行求解；
[0096]
当地线运行方式为普通地线分段绝缘和opgw逐塔接地，目标函数的构建：
[0097]
在实际运行线路中，每个耐张段内上述参数的平均值都各不相同，应用理论或仿真计算来寻求最佳取能位置效率较低，可以利用优化理论的相关知识，将地线感应电流大小作为目标函数，将上述影响因素作为变量，当变量在一定范围内时寻找最优解。
[0098]
设平均杆塔接地电阻为r，平均线路档距为x，平均地线对地高度为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，目标函数可写为：
[0099][0100]
故问题可转化为求最大值的优化问题：
[0101]
maxi(xi,hi,di,ri,mi)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0102]
s.t.(xi,hi,di,ri,mi)∈s，s＝(x,h,d,r,m)
[0103]
其中问题的可行域s由实际输电线路的情况决定，上述最优化问题的约束极为简单，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。
[0104]
当地线运行方式为双opgw均逐塔接地，目标函数的构建
[0105]
在双opgw均逐塔接地的地线运行方式下，由于接地电阻远大于地线内阻，所以此
时感应电流回路主要为两个杆塔间的两根opgw构成的回路，回路中的电阻为两根地线的内阻，此时增加线路档距同比例增大了回路中的感应电动势和内阻，故地线上的感应电流近似不发生变化(实际此时地线上的感应电流会随着档距的增加小幅增大)。
[0106]
基于此，地线中感应电流的影响因素主要包括导地线间的高度差以及地线间的距离，两个影响因素通过影响两根opgw地线间感应电动势的矢量差值来影响取能功率的大小，构建目标函数：
[0107][0108]
此时只需要寻找使得取值最大的档位处进行取能即可。
[0109]
步骤4：基于求解的结果，确定取能装置安装的取能位置；
[0110]
假设同一耐张段内线路的参数相近，普通地线在耐张段的某一段接地，以某包含10档的耐张段进行取能功率的分析，在同一耐张段内，地线感应电流的沿线分布如图8所示。根据结果可以看出，当取能装置位于耐张段中间位置时，可以获得最大的取能功率。获得的取能功率约为电流最小处的6倍。
[0111]
利用ct进行取能时，能量的来源为地线感应电流在空间中产生的工频磁场。
[0112]
地线上装设ct后，ct带来的负荷阻抗远小于地线的沿线自阻抗，所以可以忽略ct对地线上感应电流的影响，认为地线上的感应电流近似保持不变。将ct装在地线上后，ct与地线共同构成了一个原边为1匝的变压器，此取能方法下取能功率与地线感应电流具体关系为：
[0113][0114]
其中，ω＝2πf，f为工频频率50hz，lm为取能ct的电感值，对于某一固定的取能ct，电感值为一常数。ig为地线上感应电流的大小，故只要选择地线感应电流最大的位置布置取能装置即可获得最大取能功率。
[0115]
本发明公开了一具体实施例：
[0116]
当双opgw均逐塔接地时，取能装置的布置位置选择方法较为简单。但当opgw逐塔接地、普通地线分段绝缘时，取能装置的布置位置选择较为复杂，下面以某一情况进行说明。
[0117]
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：
[0118][0119]
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ct布置在各耐张段处的取能功率，计算时满足取能ct位于耐张段中间位置处的条件，最终对比各段的取能功率计算结果可以得到，在编号为1的耐张段的中间位置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。
[0120]
本发明实施例公开了一种基于离散最优解算法的地线ct取能优化系统，包括基变量组获取模块、试验分析模块、函数构建模块、位置获取模块一和位置获取模块二；
[0121]
基变量组获取模块，用于确定不同地线运行方式下影响取能的基变量，将获取的不同地线运行方式下的基变量汇总，形成若干基变量组；
[0122]
试验分析模块，用于通过等效电路和仿真分析，对各基变量组与感应电流变化规律进行仿真试验，获取试验结果；
[0123]
函数构建模块，用于基于不同基变量组的试验结果构建对应的目标函数，并采集各组基变量对应的数据作为目标函数的输入进行求解；
[0124]
位置获取模块一，用于基于求解结果，确定取能装置安装的目标耐张段或取能位置；
[0125]
位置获取模块二，用于当求解结果为确定取能装置安装的目标耐张段时，通过仿真试验确定目标耐张段内的取能位置。
[0126]
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。
[0127]
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。
[0128]
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。
[0129]
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。
[0130]
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。
[0131]
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。
[0132]
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。