基于三层结构降温增容算法的架空导线动态增容方法与流程

本发明涉及架空导线动态增容，特别是一种基于三层结构降温增容算法的架空导线动态增容方法。

背景技术：

1、架空输电导线在传输电流时，由于电阻的存在，会产生热量。随着负载电流的增加，导线温度逐渐升高。当导线温度超过其最大允许工作温度时，可能会导致过热、绝缘损坏，甚至引发断路器跳闸。因此，在不影响电网运行安全的前提下，如何科学合理地挖掘现有输电线路的潜在输电能力，提升线路的输电容量，成为解决部分地区输电高峰供需不平衡的关键问题。

2、目前，国内外常用的提高架空输电线路载流量的方法主要分为两类：静态增容和动态增容。

3、静态增容技术通过对现有导线材料、规格及其配套设备进行改进，并更新电力行业的技术标准，将架空输电线的最大允许工作温度从70℃提高到80℃，从而提升约20％的输电容量。然而，这种方法存在以下局限性：(1)是否符合现行设计规范；(2)是否会影响导线及其配套设备的使用寿命和机械强度；(3)导线温度升高会导致弧垂增大，可能引发对地安全距离不足的风险，降低输电线路的安全系数。因此，采用静态计算方法时，各地区统一的标准和单一的全年温度设定无法充分体现架空线路的真实输电能力，导致大量电网资源被浪费。

4、动态增容技术则通过改进计算和测量方法，在线监测导线状态及其周围环境因素，如风速、日照、温度等，以精确计算线路的最大载流量。该技术不改变原有线路布局，且不影响电网运行安全，理论上可提高线路载流量10％～30％。目前，国内外学者普遍使用动态热定值系统(dtr系统)进行动态增容，该系统依赖scada提供的实时环境数据，计算导体的实时最大允许载流值。然而，dtr系统的设备成本较高，维护复杂，可靠性难以保证，限制了其在电网中的广泛应用，未能充分发挥其潜力。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于三层结构降温增容算法的架空导线动态增容方法，该方法利用架空输电线路监测装置上的分布式温度传感技术对架空线路周围环境温度进行分布式测量，通过热传导模型推导出导线温度，并将导线实时温度瓶颈点带入新的热平衡公式，从而计算出实时载流量，实现架空线路的在线动态增容。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供的基于三层结构降温增容算法的架空导线动态增容方法，包括以下步骤：

4、步骤1：对整条输电线路各点进行环境温度的连续测量，获得输电线路沿线各点的环境温度-时间序列；

5、步骤2：将测得的环境温度换算成导线温度，记录并保存导线温度最大值处的温度-时间序列；

6、步骤3：从导线温度最大值处的温度-时间序列中，选取连续若干温度采样值带入热传导模型，计算一组环境隐性容量系数向量；

7、步骤4：计算架空线路实时最大载流量，并不断实时更新。

8、进一步，所述步骤1中的按照以下方式获得输电线路沿线各点的环境温度-时间序列，具体包括：

9、步骤1.1：通过botdr设备产生脉冲光，经opgw光缆光纤的一端定向射入光纤通道；光脉冲在光纤中传播时，当受到突变的声波场作用时会产生布里渊散射，其中一部分背向布里渊散射光携带光纤的温度和应变信息返回到botdr设备；

10、步骤1.2：通过对背向布里渊散射光频率漂移的分析，得到整条测温光缆沿线的环境温度分布，即测得架空线路的环境温度。

11、进一步，所述步骤2中的按照以下方式获得导线温度最大值处的温度-时间序列，具体包括：

12、步骤2.1：运用导线电流与交直流电阻之间的非线性关系，确定处于同一空间位置的opgw和输电线的热传导方程，通过引入热传导模型，建立导线温度与环境温度的关系；

13、步骤2.2：通过牛顿迭代法对导线温度进行求解，得到导线在不同环境条件下的温度变化。

14、进一步，所述步骤3中按照以下方式获得环境隐性容量系数向量：根据测得的环境温度计算出导线温度，得到导线温度随时间变化的序列，将温度信息带入简化后的热传导模型中。

15、进一步，所述步骤4中按照以下方式计算架空线路实时最大载流量：

16、

17、式中，sk＝[θ1,θ2,θ3]t为已知当前一组系数向量；tk为初始温度；

18、tmax根据我国电力设计规程规定输电线的导线允许最大温度限额取值；ta为环境温度；θ1、θ2、θ3是系数向量sk＝[θ1,θ2,θ3]t中的元素。

19、进一步，所述步骤2.1中导线温度与环境温度的关系的具体方法是：

20、按照以下公式确定在架空输电线上处于同一空间位置的opgw和输电线的热传导方程：

21、opgw：

22、qco+qro―qso＝0

23、架空输电线：

24、i2r(tc)―qcc―qrc+qsc＝0

25、上式中，i是输电线载流量；

26、rtc是温度tc时导线每千米的交流电阻；

27、qsun,opgw和qsun,cond分别为opgw和导线的日照吸热，均为未知量；

28、qrad,opgw和qrad,cond分别是opgw和导线的辐射散热；

29、qconv,opgw和qconv,cond分别是opgw和导线的对流散热；表达式分别为：

30、辐射散热：

31、qro＝16.03do×10―8[(to+273)4―(ta+273)4]

32、qrc＝16.03dc×10―8[(tc+273)4―(ta+273)4]

33、对流散热：

34、

35、

36、式中，opgw光缆和架空输电线有相同表层材料特性，opgw和输电线处于同一自然空间位置，两者受到的日照辐射相同；

37、按照以下公式计算日照吸热：

38、

39、带入上式可以得到：

40、

41、式中，rtc为交直流电阻；

42、导线电流i与交直流电阻的比值β之间按照以下公式计算：

43、β＝ζiτ

44、在计算导线载流量时，交直流电阻rtc按照以下公式计算：

45、r(tc)＝βrd

46、当导线标准截面确定后，ζ和τ均为常量，因此：

47、rd＝r20[1+α(tc-20)]

48、其中，rd为工作温度下的直流电阻，r20是20℃时的直流电阻，计算公式为：

49、

50、其中，d为铝单线直径；ρ20为铝单线在20℃时的电阻率；n为铝线总根数；λam为铝线平均绞入率，按各层铝线平均节距比计算；a为温度系数。

51、进一步，所述步骤2.2按照以下公式计算出架空输电线的导线温度：

52、通过牛顿迭代法求解导线温度tc，定义函数：

53、f(tc)＝i2rd(tc)―qsun+qrad(tc)+qconv(tc)

54、求导得：

55、f’(tc)＝4dc(tc+273)3+h(t)dc―i2r’(tc)

56、牛顿迭代公式为：

57、

58、其中，n＝1,2,3,dots表示迭代次数。通过该方法可以逐步逼近并。

59、进一步，所述步骤3中具体按照以下方式进行计算环境隐性容量系数向量：

60、根据测得的环境温度计算出导线温度，按照以下公式计算得到导线温度随时间变化的序列：将温度信息带入热平衡公式中，

61、

62、连续采样若干确定方程的系数，解出一组环境隐性容量系数向量，如下：

63、

64、其中，tk是第k时刻的导线温度，ik是第k时刻的电流，δt是采样周期，θ1,k、θ2,k和θ3,k是环境隐性容量系数。

65、进一步，所述步骤4按照以下公式计算实时最大载流量：

66、

67、根据输电线导线的最高允许温度，按照以下公式计算连续多个采样周期的温度变化均值：

68、

69、其中，imax表示实时最大载流量；sk为已知当前的系数向量；tk为初始温度。

70、本发明的有益效果在于：

71、本发明提供的一种基于三层结构降温增容算法的架空导线动态增容方法，该方法通过实时监测架空导线的温度分布，利用分布式光纤测温技术(botdr)对导线沿线的环境温度进行精确测量。结合热传导模型和牛顿冷却定律，推导出导线各点的实际温度，并识别出温度瓶颈位置。基于此，算法动态调整导线载流量，确保导线在安全温度范围内运行，从而实现增容。仿真结果表明，该方法能够在不影响线路安全的前提下，显著提升导线的传输容量，优化设计载流量。此外，该方法无需额外安装温度传感器，降低了传统dts系统的成本，简化了维护工作，提高了系统的可靠性和实用性，适用于各类电网环境，充分发挥输电线路的潜在容量。

72、本方法提供的基于三层结构的三层结构降温增容算法的在线动态增容新方法。该方法通过引入三层结构模型(里层铁芯，内层铝线，外层涂用2/3的环涂结构)。此类结构降温模型，结合环境温度、风速、日照等因素，动态调整导线的散热效率，进而优化导线的载流量。具体而言，该算法利用分布式温度传感技术，实时监测导线沿线的温度分布，结合牛顿冷却定律，推导出导线的实际温度变化情况。通过三层结构降温增容算法，将导线的实时温度瓶颈点带入新的热平衡公式，计算出导线的实时最大允许载流量。

73、研究表明，该方法能够有效提高线路的载流量，优化线路的输电设计，并具有以下优势：

74、本技术方案通过高效利用现有架空输电线路监测装置进行分布式温度测量，有效降低了设备成本并简化了维护流程。其简化的硬件结构减少了维护难度和成本，同时，通过精确的温度监测和动态调整散热效率，显著提高了电网的可靠性，避免了过热引发的故障。此外，该方案具有广泛的适用性，能够适应各种环境，充分发挥输电线路的潜力，为电力行业提供了一种经济、高效、可靠的新型解决方案

75、综上所述，基于三层结构降温增容算法的动态增容方法不仅能够显著提升架空输电线路的输电能力，还具有较低的成本和较高的可靠性，为电网的安全稳定运行提供了有力保障。

76、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。