一种超高压海底电缆过载能力评估方法及系统与流程

本发明涉及电力系统，特别涉及一种超高压海底电缆过载能力评估方法及系统。

背景技术：

1、超高压海底电缆输电工程是我国海岛供电、海上风电新能源并网等跨海域联网工程的关键组成部分，如何保证超高压海底电缆线路经济合理运行是实现海上电气工程稳定运行所亟需解决的关键问题。

2、海底电缆导体温度与载流量是其最重要的两个运行参数，一般而言超高压海缆导体所允许的最高运行温度为90℃。海缆缆芯温度决定了其输送容量的大小，缆芯温度达到90℃时的稳态工作电流称为海缆稳态载流量。实际上，海缆极少长期运行于恒定负载，而是根据实际负载变化动态响应。因此，线路运行过程中不仅需要对海缆稳态载流量进行精确计算，还需要对海缆短时应急载流量进行暂态分析。

3、当海缆线路出现故障或其他线路需要进行负荷转移等情况时，往往需要承受超过海缆稳态载流量的应急负荷电流。因此，对海底电缆过载能力进行计算分析在工程上具有重要意义。已往研究主要针对海底电缆稳态载流量进行计算分析，而缺乏对其过载能力的研究。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种超高压海底电缆过载能力评估方法及系统，以解决现有技术中的上述技术问题。

2、为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

3、根据本发明实施例的第一方面，提供了一种超高压海底电缆过载能力评估方法。

4、在一个实施例中，所述超高压海底电缆过载能力评估方法，包括：

5、对超高压海底电缆进行分析，得到超高压海底电缆的结构参数、材料参数以及海底电缆线路环境参数；

6、根据所述结构参数、材料参数以及海底电缆线路环境参数，构建超高压海底电缆的过载能力评估模型；

7、基于所述过载能力评估模型，对待测超高压海底电缆进行评估计算，确定待测超高压海底电缆的载流量瓶颈段位置以及海底电缆过载能力。

8、在一个实施例中，根据所述结构参数、材料参数以及海底电缆线路环境参数，构建超高压海底电缆的过载能力评估模型包括：

9、根据所述结构参数和材料参数，对超高压海底电缆进行几何建模，得到超高压海底电缆的结构几何模型；

10、根据所述海底电缆线路环境参数，对超高压海底电缆进行几何建模，得到超高压海底电缆的环境几何模型；

11、对所述结构几何模型和环境几何模型施加电磁物理场和热物理场，建立电磁-热物理场耦合仿真模型，将电磁-热物理场耦合仿真模型作为过载能力评估模型。

12、在一个实施例中，在对所述结构几何模型和环境几何模型施加电磁物理场和热物理场，建立电磁-热物理场耦合仿真模型时，基于遗传算法，对所述结构几何模型和环境几何模型中不同材料、不同敷设环境下的传热系数进行反演。

13、在一个实施例中，基于遗传算法，对所述结构几何模型和环境几何模型中不同材料、不同敷设环境下的传热系数进行反演包括：

14、对所述结构几何模型和环境几何模型中不同材料、不同敷设环境下的传热系数随机生成初始解作为算法初始种群；

15、对所述初始种群个体进行编码，使用二进制字符串作为初始种群个体携带基因；

16、对所述初始种群对应的初始解进行适应度函数值计算，得到适应度函数值，并根据所述适应度函数值对初始种群个体进行评价；

17、以适应度函数值和初始种群个体评价为基础，通过选择、交叉和突变生成下一代群体，并对该群体进行求解，得到对应的适应度函数值；

18、当下一代群体的适应度函数值，满足偏离目标函数条件时，得到输出最优解。

19、在一个实施例中，所述电磁-热物理场耦合仿真模型的电磁-热物理场控制方程为：

20、

21、式中，ρv为材料密度，cp为材料比热容，t为温度，t为时间，μf由反演传热系数取值范围确定，μu为反演前传热系数，v为流速，j为电流密度，e为电场强度。

22、在一个实施例中，在对所述结构几何模型和环境几何模型施加电磁物理场和热物理场，建立电磁-热物理场耦合仿真模型时，将边界温度、法向热流密度和对流边界作为所述电磁-热物理场耦合仿真模型的边界条件。

23、在一个实施例中，所述边界温度边界条件公式为：

24、t(x,y)|γ＝f(x,y)|γ＝281.15k；式中，f1(x,y)为指定边界上的温度，为常数或随空间和时间变化的函数，t(x，y)|г指代边界处某一位置某时刻的温度值t，г指代时间t；所述法向热流密度边界条件公式为：式中，f2(x,y)|γ为给定的热流密度函数；k指代导热系数，指边界处某一位置的温度的梯度；所述对流边界条件公式为式中，γ为对流换热系数，tf为外部环境温度，k为导热系数，t指代边界处的温度值，指代热流密度。

25、在一个实施例中，所述超高压海底电缆过载能力评估方法，还包括：基于所述过载能力评估模型和待测超高压海底电缆的结构参数、材料参数以及不同铺设段环境参数，对待测超高压海底电缆的过负荷运行时间定量进行评估；

26、其中，过负荷运行时间定量评估公式为：

27、

28、式中，i0为海底电缆初始载流量，ig为海底电缆过载载流量，q为海底电缆热损耗，a为海缆表面散热面积，α为海缆表面散热系数，λ为导体表面空气热导率，l为载流量瓶颈段海缆敷设长度，θ0为环境温度，t为海缆热时间常数。

29、根据本发明实施例的第二方面，提供了一种超高压海底电缆过载能力评估系统。

30、在一个实施例中，所述超高压海底电缆过载能力评估系统包括：

31、电缆分析模块，用于对超高压海底电缆进行分析，得到超高压海底电缆的结构参数、材料参数以及海底电缆线路环境参数；

32、模型构建模块，用于根据所述结构参数、材料参数以及海底电缆线路环境参数，构建超高压海底电缆的过载能力评估模型；

33、实时评估模块，用于基于所述过载能力评估模型，对待测超高压海底电缆进行评估计算，确定待测超高压海底电缆的载流量瓶颈段位置以及海底电缆过载能力。

34、在一个实施例中，所述模型构建模块包括：结构模型构建模块、环境模型构建模块和耦合仿真模型构建模块，其中，结构模型构建模块，用于根据所述结构参数和材料参数，对超高压海底电缆进行几何建模，得到超高压海底电缆的结构几何模型；环境模型构建模块，用于根据所述海底电缆线路环境参数，对超高压海底电缆进行几何建模，得到超高压海底电缆的环境几何模型；耦合仿真模型构建模块，用于对所述结构几何模型和环境几何模型施加电磁物理场和热物理场，建立电磁-热物理场耦合仿真模型，将电磁-热物理场耦合仿真模型作为过载能力评估模型。

35、在一个实施例中，所述耦合仿真模型构建模块在对所述结构几何模型和环境几何模型施加电磁物理场和热物理场，建立电磁-热物理场耦合仿真模型时，基于遗传算法，对所述结构几何模型和环境几何模型中不同材料、不同敷设环境下的传热系数进行反演。

36、在一个实施例中，所述耦合仿真模型构建模块基于遗传算法，对所述结构几何模型和环境几何模型中不同材料、不同敷设环境下的传热系数进行反演时，通过对所述结构几何模型和环境几何模型中不同材料、不同敷设环境下的传热系数随机生成初始解作为算法初始种群；对所述初始种群个体进行编码，使用二进制字符串作为初始种群个体携带基因；对所述初始种群对应的初始解进行适应度函数值计算，得到适应度函数值，并根据所述适应度函数值对初始种群个体进行评价；以适应度函数值和初始种群个体评价为基础，通过选择、交叉和突变生成下一代群体，并对该群体进行求解，得到对应的适应度函数值；当下一代群体的适应度函数值，满足偏离目标函数条件时，得到输出最优解。

37、在一个实施例中，所述电磁-热物理场耦合仿真模型的电磁-热物理场控制方程为：

38、

39、式中，ρv为材料密度，cp为材料比热容，t为温度，t为时间，μf由反演传热系数取值范围确定，μu为反演前传热系数，v为流速，j为电流密度，e为电场强度。

40、在一个实施例中，所述耦合仿真模型构建模块在对所述结构几何模型和环境几何模型施加电磁物理场和热物理场，建立电磁-热物理场耦合仿真模型时，将边界温度、法向热流密度和对流边界作为所述电磁-热物理场耦合仿真模型的边界条件。

41、在一个实施例中，所述边界温度边界条件公式为：

42、t(x,y)|γ＝f(x,y)|γ＝281.15k；式中，f1(x,y)为指定边界上的温度，为常数或随空间和时间变化的函数，t(x，y)|г指代边界处某一位置某时刻的温度值t，г指代时间t；所述法向热流密度边界条件公式为：式中，f2(x,y)|γ为给定的热流密度函数；k指代导热系数，指边界处某一位置的温度的梯度；所述对流边界条件公式为式中，γ为对流换热系数，tf为外部环境温度，k为导热系数，t指代边界处的温度值，指代热流密度。

43、在一个实施例中，所述实时评估模块还用于基于所述过载能力评估模型和待测超高压海底电缆的结构参数、材料参数以及不同铺设段环境参数，对待测超高压海底电缆的过负荷运行时间定量进行评估；

44、其中，过负荷运行时间定量评估公式为：

45、

46、式中，i0为海底电缆初始载流量，ig为海底电缆过载载流量，q为海底电缆热损耗，a为海缆表面散热面积，α为海缆表面散热系数，λ为导体表面空气热导率，l为载流量瓶颈段海缆敷设长度，θ0为环境温度，t为海缆热时间常数。

47、本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

48、本发明通过构建超高压海底电缆过载能力评估模型，实现对不同结构、不同材料参数以及不同敷设环境下海底电缆过载能力进行定量评估，仅需输入实际工程中海底电缆结构与材料参数，以及敷设环境参数，便可对相应海底电缆线路过载能力进行评估，为超高压海底电缆运维提供有力参考价值。

49、此外，本发明还通过遗传算法对超高压海底电缆仿真模型参数进行优化，从而提高了计算准确性。

50、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。