论文部分内容阅读
摘要：近年来，随着电力需求日益增加，电网密度逐渐增大，新建线路日益紧缺，而且由于规划、建设速度等方面的限制，线路输电能力遭遇严重的瓶颈问题。现有电缆线路最大输送容量一般按苛刻的运行环境条件和保守的运行温度限制控制。线路动态增容根据线路运行环境变化实时计算线路的真实最大载流容量并指导电网运行，是我国电网提高输送能力发展方向。本文针对现有输电线路增容技术及系统的不足，论文提出了更加准确、适用范围更广的增容理论计算模型，建立了完整的、准确的、可靠的输电线路动态增容决策支持系统研究，并设计了决策支持系统核心硬件装置，可实现实时、准确、安全、有序的输电线路动态增容。
关键词：动态增容;内置测温;高压电缆
0 引言
运行温度是电缆的一个重要参数。当电缆在额定负荷下运行时，线芯温度达到允许值。电缆一旦过负荷，线芯温度将急剧上升，加速绝缘老，甚至发生热击穿。所以，电力运行部门对电缆的最大载流量进行了严格的控制。在电力电缆的选型和敷设阶段，由于不可能对实际运行环境进行全面的考虑，通常是根据标准环境温度进行的，这样将导致电缆在环境温度高时运行于过热状态，减少运行寿命。实际工作时为了避免出现这种情况，通过适当保留负载能力的方法来解决，但这样却使得电缆的使用不经济。因此，如果能够根据实际运行状态和运行环境，实时地对电缆的负荷进行调度和调整，不仅能够保证电缆的运行安全，使其带负荷能力得到充分发挥，而且在有些情况下还可以解决电力调度中紧急状况下的电力供应问题，这种短时增加输送容量的做法即动态增容。
1 内置电缆导体测温技术
基于电磁感应的无源温度传感技术是一种新型的温度测量技术，其特点是传感器模块电路仅由电感L1、电容C1、热敏电阻Rs等3个无源元件组成（如图1所示），而不需要其它有源集成电路进行控制。无源温度传感技术的基本原理是：读取器通过电磁耦合的方式将能量耦合至传感器电路，并使传感器的RLC电路工作于谐振状态;当传感器谐振电路达到稳态后，读取器快速切断功率输出，并转换至信号接收状态。读取器接收到传感器的信号后，通过滤波、放大、AD采样和数字信号处理等步骤，计算得到当前电缆接头的温度。
图2是无源温度传感器的主电路，其中Uin为输入电源，Q1、D1、D2、Q2构成单向半桥电路;L2和L1分别是读取器电感和传感器谐振电感;C2与L2、C1与L1构成谐振腔;Rb为关断阻尼电阻，RS为热敏电阻，Ul2为电感上的电压。
其工作过程分2个阶段（图3）：第1阶段（t < t0）为供电阶段，半桥电路输出方波，其开关频率接近于L2、C2和L1、C1的谐振频率，此时读取器向传感器模块供电;第2阶段（t > t0）为信号接收阶段，在t0时刻Q1和Q2管同时关断，此时L2、C2上的能量快速释放到Rb，延时一段时间后从L2上测得的波形就是L1、C1、RS阻尼振荡的波形，其方程形式为
其中A为RLC振荡回路中的初始幅度，ωc为阻尼振荡频率，其值约为 ，θ为初始相位，t是时间。因式（1）中电感L1不随温度变化，因此只要计算出阻尼系数，就可得到热敏电阻RS的值，从而计算出相应的温度。
2 建模及软件计算
2.1 规格化建模
在单芯同轴电缆连续并且沿长度方向和电缆表面各个方向上散热条件一致的情况下，电缆内部的温度仅在径向上变化，其传热模型可简化为极坐标下一维的数学问题。根据上文对各个建模思想的优劣分析，为了差分或热路的网格必须足够精细，通常要求网格数量不小于20。建模时应遵从以将较大热阻分解的原则，可将绝缘层切分为更多的层，而金属屏蔽可保留为一层。
在电缆结构上每一层表示一个圆简对象，在热路模型上为一个L型或T型单元。为保证切分正确，应掌握圆筒对象的热阻、热容和热源分配的计算。最终的细分的热路模型应保持规格化，以利于计算机处理。
2.2 短时负荷计算
稳态计算的结果为短时负荷的暂态计算提供了初值和终值条件。程序输入给定的短时增容电流值后，根据规格化模型所確定的热容系统时间常数矩阵，计算25阶差分方程求解得到允许增容持续时间。另外，程序亦可根据所请求的短时增容持续时间，输出为对应当前状态和给定持续时间的允许增容电流值，无论是哪种输入方式，每次计算出的增容时间一增容电流二维坐标都确定了一个可行的增容运行状态点。表1展示了6个增容运行状态点，连接成电缆增容可行状态曲线，其中横坐标为时间（单位小时），纵坐标为电流。可以看到，随着短时增容电流的加大，允许增容的时间呈近似指数水平下降。
2.3 软件计算
通过远程登录上位机，可使用长期负荷和短时负荷（动态增容）软件。长期负荷软件为WEB应用程序，可实现多回路计算。系统建立电缆数据库，记录包括电缆表，回路表，关键场景表等，根据用户输人给定的各回路额定电流，系统将进行关联的迭代计算，并最终输出全部相关回路的电缆导体温度和电缆表面温度，直接指示该组额定负荷的安全性和可用性。
在主界面，通过点击具体回路的动态载流量标签，可以访问短时负荷计算动态增容）界面，打开后直接显示当前状态下的增容可行状态曲线：现有的电缆短时负荷计算界面提供三种计算功能：给定持续时间，计算短时许用电流;给定固定电流，计算短时许用时间;给定电流时序曲线，计算导体温度和表面温度响应曲线。
3 动态增容策略
有了短时负荷计算软件，可以快速地为调度提供包括30 min、1h、2h、4h等可调整的动态增容方案。若同时有多回线路可供增容时，情况就有了更多变化。根据现场要求，可以全程启用多回路增容以分担大电流;也可先由一回路全部承担大电流，一定时间后结束增容，再由另一回路接手增容的任务，保证每回线参与全程一半的时间。于是，选择多线同时增容还是单线轮流增容产生了一个博弈问题。观察增容可行状态曲线发现，在前几个小时的增容需求范围内，随着需求时间的加长，增容电流迅速衰减，增容边际效益大打折扣;当需求加长到10小时以上时，增容电流下降变得不明显。因此，单线轮流增容方案相对更适合长时间需求。
3 结语
本文提出了基于内置电缆导体测温技术的电缆动态增容方案，结合稳态、暂态温度变化，从而绘制出了暂态增容运行可行状态曲线，为调度提供了短时增容参考。本文的创新点在于提出并分析了多回路暂态增容两种方案的博弈问题。通过算例定量地指出了双线同时增容方案和单线轮流增容方案的优势区间，为暂态增容的优化提供了可靠的依据。另外此方法不限于电流抑或时间作为先决条件;亦可方便地扩展至两回不同的线路，具有较好的通用性。
参 考 文 献
[1]花欢欢;输电线路动态增容决策支持技术研究[D];长沙理工大学;2014年.
[2]刘洋;输电线路动态增容在线监测装置的研究[D];华北电力大学（北京）;2017年.
[3]宗伟;孙才华;隋吉生;谢瑞宽;;多路供电系统高压输电线考虑弧垂的场强计算模型[J];现代电力;2005年06期.
[4]陈展，詹清华，胡聪，丁玉琴，高萌，刘轩东. 大跨越输电线路动态增容研究进展[C]. 中国电机工程学会高电压专业委员会，2015：1-1.
关键词：动态增容;内置测温;高压电缆
0 引言
运行温度是电缆的一个重要参数。当电缆在额定负荷下运行时，线芯温度达到允许值。电缆一旦过负荷，线芯温度将急剧上升，加速绝缘老，甚至发生热击穿。所以，电力运行部门对电缆的最大载流量进行了严格的控制。在电力电缆的选型和敷设阶段，由于不可能对实际运行环境进行全面的考虑，通常是根据标准环境温度进行的，这样将导致电缆在环境温度高时运行于过热状态，减少运行寿命。实际工作时为了避免出现这种情况，通过适当保留负载能力的方法来解决，但这样却使得电缆的使用不经济。因此，如果能够根据实际运行状态和运行环境，实时地对电缆的负荷进行调度和调整，不仅能够保证电缆的运行安全，使其带负荷能力得到充分发挥，而且在有些情况下还可以解决电力调度中紧急状况下的电力供应问题，这种短时增加输送容量的做法即动态增容。
1 内置电缆导体测温技术
基于电磁感应的无源温度传感技术是一种新型的温度测量技术，其特点是传感器模块电路仅由电感L1、电容C1、热敏电阻Rs等3个无源元件组成（如图1所示），而不需要其它有源集成电路进行控制。无源温度传感技术的基本原理是：读取器通过电磁耦合的方式将能量耦合至传感器电路，并使传感器的RLC电路工作于谐振状态;当传感器谐振电路达到稳态后，读取器快速切断功率输出，并转换至信号接收状态。读取器接收到传感器的信号后，通过滤波、放大、AD采样和数字信号处理等步骤，计算得到当前电缆接头的温度。
图2是无源温度传感器的主电路，其中Uin为输入电源，Q1、D1、D2、Q2构成单向半桥电路;L2和L1分别是读取器电感和传感器谐振电感;C2与L2、C1与L1构成谐振腔;Rb为关断阻尼电阻，RS为热敏电阻，Ul2为电感上的电压。
其工作过程分2个阶段（图3）：第1阶段（t < t0）为供电阶段，半桥电路输出方波，其开关频率接近于L2、C2和L1、C1的谐振频率，此时读取器向传感器模块供电;第2阶段（t > t0）为信号接收阶段，在t0时刻Q1和Q2管同时关断，此时L2、C2上的能量快速释放到Rb，延时一段时间后从L2上测得的波形就是L1、C1、RS阻尼振荡的波形，其方程形式为
其中A为RLC振荡回路中的初始幅度，ωc为阻尼振荡频率，其值约为 ，θ为初始相位，t是时间。因式（1）中电感L1不随温度变化，因此只要计算出阻尼系数，就可得到热敏电阻RS的值，从而计算出相应的温度。
2 建模及软件计算
2.1 规格化建模
在单芯同轴电缆连续并且沿长度方向和电缆表面各个方向上散热条件一致的情况下，电缆内部的温度仅在径向上变化，其传热模型可简化为极坐标下一维的数学问题。根据上文对各个建模思想的优劣分析，为了差分或热路的网格必须足够精细，通常要求网格数量不小于20。建模时应遵从以将较大热阻分解的原则，可将绝缘层切分为更多的层，而金属屏蔽可保留为一层。
在电缆结构上每一层表示一个圆简对象，在热路模型上为一个L型或T型单元。为保证切分正确，应掌握圆筒对象的热阻、热容和热源分配的计算。最终的细分的热路模型应保持规格化，以利于计算机处理。
2.2 短时负荷计算
稳态计算的结果为短时负荷的暂态计算提供了初值和终值条件。程序输入给定的短时增容电流值后，根据规格化模型所確定的热容系统时间常数矩阵，计算25阶差分方程求解得到允许增容持续时间。另外，程序亦可根据所请求的短时增容持续时间，输出为对应当前状态和给定持续时间的允许增容电流值，无论是哪种输入方式，每次计算出的增容时间一增容电流二维坐标都确定了一个可行的增容运行状态点。表1展示了6个增容运行状态点，连接成电缆增容可行状态曲线，其中横坐标为时间（单位小时），纵坐标为电流。可以看到，随着短时增容电流的加大，允许增容的时间呈近似指数水平下降。
2.3 软件计算
通过远程登录上位机，可使用长期负荷和短时负荷（动态增容）软件。长期负荷软件为WEB应用程序，可实现多回路计算。系统建立电缆数据库，记录包括电缆表，回路表，关键场景表等，根据用户输人给定的各回路额定电流，系统将进行关联的迭代计算，并最终输出全部相关回路的电缆导体温度和电缆表面温度，直接指示该组额定负荷的安全性和可用性。
在主界面，通过点击具体回路的动态载流量标签，可以访问短时负荷计算动态增容）界面，打开后直接显示当前状态下的增容可行状态曲线：现有的电缆短时负荷计算界面提供三种计算功能：给定持续时间，计算短时许用电流;给定固定电流，计算短时许用时间;给定电流时序曲线，计算导体温度和表面温度响应曲线。
3 动态增容策略
有了短时负荷计算软件，可以快速地为调度提供包括30 min、1h、2h、4h等可调整的动态增容方案。若同时有多回线路可供增容时，情况就有了更多变化。根据现场要求，可以全程启用多回路增容以分担大电流;也可先由一回路全部承担大电流，一定时间后结束增容，再由另一回路接手增容的任务，保证每回线参与全程一半的时间。于是，选择多线同时增容还是单线轮流增容产生了一个博弈问题。观察增容可行状态曲线发现，在前几个小时的增容需求范围内，随着需求时间的加长，增容电流迅速衰减，增容边际效益大打折扣;当需求加长到10小时以上时，增容电流下降变得不明显。因此，单线轮流增容方案相对更适合长时间需求。
3 结语
本文提出了基于内置电缆导体测温技术的电缆动态增容方案，结合稳态、暂态温度变化，从而绘制出了暂态增容运行可行状态曲线，为调度提供了短时增容参考。本文的创新点在于提出并分析了多回路暂态增容两种方案的博弈问题。通过算例定量地指出了双线同时增容方案和单线轮流增容方案的优势区间，为暂态增容的优化提供了可靠的依据。另外此方法不限于电流抑或时间作为先决条件;亦可方便地扩展至两回不同的线路，具有较好的通用性。
参 考 文 献
[1]花欢欢;输电线路动态增容决策支持技术研究[D];长沙理工大学;2014年.
[2]刘洋;输电线路动态增容在线监测装置的研究[D];华北电力大学（北京）;2017年.
[3]宗伟;孙才华;隋吉生;谢瑞宽;;多路供电系统高压输电线考虑弧垂的场强计算模型[J];现代电力;2005年06期.
[4]陈展，詹清华，胡聪，丁玉琴，高萌，刘轩东. 大跨越输电线路动态增容研究进展[C]. 中国电机工程学会高电压专业委员会，2015：1-1.