CN102768029A - 通过弧垂监测进行工业控制的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过弧垂监测进行工业控制的方法，包括：根据影响输电线路温度场的各个参数，建立输电线路的温度场模型；获取各个参数的数值；计算输电线路的温度值；计算所述输电线路的弧垂值；根据计算的所述输电线路的弧垂值进行工业控制。此外，还公开了一种通过弧垂监测进行工业控制的装置。本发明通过影响输电线路温度场的各个参数，建立了输电线路的温度场模型。计算输电线路温度值时不需要额外在输电线路上安装设备。根据计算得到的温度值，可进一步计算输电线路的弧垂值以及进行工业控制。通过本发明进行弧垂监测和工业控制时，由于节省了在输电线路上安装监测设备的成本，可以实现输电线路的全线监测和控制。

Description

通过弧垂监测进行工业控制的方法及其装置

技术领域

本发明涉及输电线路的弧垂监测技术领域，尤其涉及一种通过弧垂监测进行工业控制的方法和一种通过弧垂监测进行工业控制的装置。

背景技术

弧垂是线路输电设备运行维护的重要指标之一，它的大小直接关系到输电线路的安全稳定运行。输电线路由于长时间经受着自然界中覆冰、温升和风吹等气候条件的影响，使得其弧垂会相应地发生较大变化。并且，由于近年来由于用电负荷增长的需要，许多已有的输电线路为了提高输送能力，将输电线路最高运行允许温度从70℃提高到了80℃。在这种情况下，输电线路的弧垂就成为了主要的制约因素。综上所述，需要对输电线路的弧垂进行实时监测，将其用于工业控制，以确保电网运行安全。

近年来经常使用的对弧垂进行在线监测的方法主要有：通过监测导线温度计算弧垂的方法、通过测量悬挂点倾角估算弧垂的方法以及通过拍摄观测档图像计算弧垂的方法等。这些做法需要在输电线路上安装相应的测量元件或者拍摄相机等设备，由于这些设备的投入往往较大，无法实现全线监测。也即只能做到对输电线路的弧垂进行选择性地监测，工业控制的有效范围受到限制，不利于电网安全运行的全面监测和控制。

发明内容

基于此，本发明提供了一种通过弧垂监测进行工业控制的方法和一种通过弧垂监测进行工业控制的装置。

一种通过弧垂监测进行工业控制的方法，包括以下步骤：

根据影响输电线路温度场的各个参数，建立输电线路的温度场模型；

获取所述影响输电线路温度场的各个参数的数值；

根据获取的所述各个参数的数值和建立的所述温度场模型，计算输电线路的温度值；

根据计算的所述温度值，计算所述输电线路的弧垂值；

根据计算的所述输电线路的弧垂值进行工业控制。

与一般技术相比，本发明通过弧垂监测进行工业控制的方法，通过影响输电线路温度场的各个参数，建立了输电线路的温度场模型。由于影响输电线路温度场的各个参数的数值可通过已有的电网运行控制系统获得，因此在计算输电线路温度值时不需要额外在输电线路上安装设备。根据计算得到的温度值，可进一步计算输电线路的弧垂值以及利用弧垂值进行工业控制。通过本发明进行弧垂监测和工业控制时，由于节省了在输电线路上安装监测设备的成本，可以实现输电线路的全线监测和控制。

一种通过弧垂监测进行工业控制的装置，包括模型建立模块、参数数值获取模块、温度值计算模块、弧垂值监测模块和工业控制模块；

所述模型建立模块，用于根据影响输电线路温度场的各个参数，建立输电线路的温度场模型；

所述参数数值获取模块，用于获取所述影响输电线路温度场的各个参数的数值；

所述温度值计算模块，用于根据获取的所述各个参数的数值和建立的所述温度场模型，计算输电线路的温度值；

所述弧垂值监测模块，用于根据计算的所述温度值，计算所述输电线路的弧垂值；

所述工业控制模块，用于根据计算的所述输电线路的弧垂值进行工业控制。

与一般技术相比，本发明通过弧垂监测进行工业控制的装置，通过影响输电线路温度场的各个参数，建立了输电线路的温度场模型。由于影响输电线路温度场的各个参数的数值可通过已有的电网运行控制系统获得，因此在计算输电线路温度值时不需要额外在输电线路上安装设备。根据计算得到的温度值，可进一步计算输电线路的弧垂值以及利用弧垂值进行工业控制。通过本发明进行弧垂监测和工业控制时，由于节省了在输电线路上安装监测设备的成本，可以实现输电线路的全线监测和控制。

附图说明

图1是本发明通过弧垂监测进行工业控制的方法的流程示意图；

图2是本发明通过弧垂监测进行工业控制的装置的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

请参阅图1，为本发明通过弧垂监测进行工业控制的方法的流程示意图。本发明通过弧垂监测进行工业控制的方法包括以下步骤：

S101根据影响输电线路温度场的各个参数，建立输电线路的温度场模型；

所述影响输电线路温度场的各个参数可包括输电线路的电流、电压、负荷、型号、设计弧垂、输电线路材料的比热容数值、输电线路对应的环境温度、太阳辐射强度以及风速中的一个或者多个。

电气设备通过电流时产生的损耗，包括：载流架空线（即输电线路）的电阻损耗、绝缘材料内部的介质损耗和金属构件中的磁滞和涡流损耗等，这些损耗使得电气设备的温度升高。

架空线电阻损耗的热量有：

$Q_R=I_W^2{R}_{\mathrm{ac}}$

其中， $R_{\mathrm{ac}}=\frac{\mathrm{\ρ}[1+{\mathrm{\α}}_t({\mathrm{\θ}}_W-20)]}{S}{K}_f.$

架空线吸收太阳辐射的热量有：

Q_t＝E_tA_tD

架空线对流散热量有：

Q_d＝a_t(θ_W-θ_O)F₁

其中，F₁＝πD。

架空线辐射散热量有：

$Q_f=5.73\mathrm{\λ}[{\left(\frac{273+{\mathrm{\θ}}_W}{100}\right)}^4-{\left(\frac{273+{\mathrm{\θ}}_0}{100}\right)}^4]F_1$

导体导热散热量有：

$Q_h=\mathrm{\λ}{F}_1\frac{{\mathrm{\θ}}_W-{\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\δ}}$

上述公式中，K_f为架空线的集肤效应系数，与电流的频率、架空线的形状和尺寸有关；I_W为架空线通过的电流；R_ac为架空线的交流电阻；θ_W为架空线温度；θ₀为周围空气（环境）温度；a_t为自然对流散热系数，其中a_t＝1.5(θ_W-θ₀)^0.35；E_t为太阳辐射功率密度；A_t为架空线的吸收率；D为架空线的直径；F₁为单位长度导线散热面积，与导线尺寸、布置方式等因素有关；λ为架空线比热容系数；δ为架空线子导线厚度。

根据能量守恒原理，稳定状态时：Q_R+Q_t＝Q_d+Q_f+Q_h。通过上述各参数的变化计算出导线的热量变化，从而计算出导线的温升。根据导线温升即可根据线路力学的应力状态方程得出导线的弧垂值。

可通过对常用型号的架空导线（即输电线路）在各种自然环境及负荷条件下温度场进行分析，利用计算机数值模拟与现场试验，找出常用结构的导线材料的比热容数值，从而对架空导线的温度进行准确计算。

S102获取所述影响输电线路温度场的各个参数的数值；

可以通过建立软件系统的方式来获取影响输电线路温度场的各个参数的数值。例如建立包括基础信息系统、能量信息采集系统、外界信息采集系统以及综合管理系统四个部分的软件系统。前三个系统进行低层信息采集工作，由综合计算管理系统做数据的综合计算并提供各种应用层服务。

基础信息系统，可提供基础数据保障。该部分可涵盖了设备台账和运行信息，例如：导线型号、设计弧垂、安全系数、档距、测量弧垂等基础信息。此部分还可同时允许用户进行相关的编辑维护工作，提供有效的维护接口，可以方便运维人员快捷方便进行更新维护。

能量信息采集系统，该部分可通过采集接口与能量管理系统（已有系统）相结合的方式获取电网的实时监测信息，获取的参数可包括：架空线路实时电流、架空线路实时电压及负荷信息。同时为保证信息的安全可靠，可设计专门的SSL加密体系，即将获取到的信息进行加密处理，传输后再进行解密处理的方式。

外界信息采集系统，该部分可采用软件接口的方式与气象局气象预报实时进行联系，获取部分实时的气象数据。当存在气象部门没有进行检测或发布的数据时，该系统也可提供接口由各分布点巡视站进行气象数据的获取，例如太阳辐射、覆冰厚度等气象参数。

S103根据获取的所述各个参数的数值和建立的所述温度场模型，计算输电线路的温度值；

通过在实验室、数值模拟、外界环境中模拟真实架空线路运行条件，对导线温度场进行了全面分析，通过试验得出不同型号钢芯铝绞线的比热容数据，例如分析和得出钢芯铝绞线这种复合结构材料的比热容数值规律。根据建立的温度场模型，可通过计算机编程的方式将温度场模型进行数值模拟计算。对架空导线温度场进行三维模拟，获得温度环境的各个数据参数，对系统模型进行模拟分析，通过有限元的方法获得架空导线任意点的准确温度数据。在获得准确的导线温度数据后即可根据架空输电导线的状态方程计算出架空导线的弧垂。

S104根据计算的所述温度值，计算所述输电线路的弧垂值；

作为其中一个实施例，可通过输电线路状态方程计算所述输电线路的弧垂值。

输电线路上任一点弧垂f_x可采用如下斜抛物线公式计算：

$f_x=\frac{x(l-x)\mathrm{\γ}}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}$

其中，l为输电线路中各档的档距；γ为线路单位水平投影长度上综合比载，包含自重比载，风压比载和覆冰比载；σ₀为与比载作用线相垂直的纵向应力分量，也称水平应力，其值在电线各个点处处相同，其中σ₀的计算与步骤S103中得出的温度值有关；h为导线悬挂点高差；β为输电线路中各档架空线悬挂点高差角，其中β＝arctan(h/l)。

例如，根据上述建立的包括基础信息系统、能量信息采集系统、外界信息采集系统以及综合管理系统四个部分的软件系统。综合管理系统，可联系其它三个模块工作，进行综合计算。根据三个系统采集到的数据，综合管理系统可对信息进行综合处理，即计算数值。根据数值情况发送信息给运行人员进行决策，同时也可提供数据的统计分析以及报表导出等服务。

S105根据计算的所述输电线路的弧垂值进行工业控制。

作为其中一个实施例，可判断计算的所述输电线路的弧垂值是否超过预设的弧垂值范围；

如果所述输电线路的弧垂值超过了预设的弧垂值范围，则发出弧垂值超范围的告警信号。

计算出所述输电线路的弧垂值之后，可广泛应用于电网运行的各个控制领域，如弧垂监测告警、电网负荷预测和控制等。基于本发明开发出的系统软件平台，可实现对任意输电线路任意档的实时弧垂监测。通过实时监测弧垂值数据与设计值或运行数据的对比，来实现指导电网运行的动态增容。同时也可以实现任意输电线路的任意档距全天自动监测，如出现超过运行规程规定值的线路，自动发出报警，快速反应出所在位置，报告给运行人员进行及时处理。

与一般技术相比，本发明通过弧垂监测进行工业控制的方法，通过影响输电线路温度场的各个参数，建立了输电线路的温度场模型。由于影响输电线路温度场的各个参数的数值可通过已有的电网运行控制系统获得，因此在计算输电线路温度值时不需要额外在输电线路上安装设备。根据计算得到的温度值，可进一步计算输电线路的弧垂值以及利用弧垂值进行工业控制。通过本发明进行弧垂监测和工业控制时，由于节省了在输电线路上安装监测设备的成本，可以实现输电线路的全线监测和控制。

本发明无需安装大量的监测元件于架空导线（即输电线路）上；不需要带电作业，从而不影响正常生产运行。另外，中间过程所需数据来自电网监测端，数据来源稳定，无瞬时突变，因此监测数据更加准确。本发明揭示了温度和弧垂之间的关系，从在线监测之外的角度更好的监测弧垂变化。由于不需要安装监测元件，大幅度减少了投资，易于推广与维护。真正意义上的实现了大规模架空线路的弧垂实时监测。本发明可实现与现有生产运行系统的结合，提高了使用便捷性，有效减少运行维护人员的操作难度，提高了系统的可推广性。

此外，还公开了一种通过弧垂监测进行工业控制的装置。

请参阅图2，为本发明通过弧垂监测进行工业控制的装置的结构示意图。本发明通过弧垂监测进行工业控制的装置，包括模型建立模块201、参数数值获取模块202、温度值计算模块203、弧垂值监测模块204和工业控制模块205；

所述模型建立模块201，用于根据影响输电线路温度场的各个参数，建立输电线路的温度场模型；

所述影响输电线路温度场的各个参数包括输电线路的电流、电压、负荷、型号、设计弧垂、输电线路材料的比热容数值、输电线路对应的环境温度、太阳辐射强度以及风速中的一个或者多个。

所述参数数值获取模块202，用于获取所述影响输电线路温度场的各个参数的数值；

参数数值获取模块202可通过软件系统的方式来获取影响输电线路温度场的各个参数的数值。例如建立包括基础信息系统、能量信息采集系统、外界信息采集系统以及综合管理系统四个部分的软件系统。参数数值获取模块202通过前三个系统进行低层信息采集工作。

所述温度值计算模块203，用于根据获取的所述各个参数的数值和建立的所述温度场模型，计算输电线路的温度值；

通过在实验室试验、数值模拟、外界环境中模拟真实架空线路运行条件，对导线温度场进行了全面分析，通过试验得出不同型号钢芯铝绞线的比热容数据，例如分析和得出钢芯铝绞线这种复合结构材料的比热容数值规律。根据建立的温度场模型，可通过计算机编程的方式将温度场模型进行数值模拟计算。对架空导线温度场进行三维模拟，获得温度环境的各个数据参数，对系统模型进行模拟分析，通过有限元的方法获得架空导线任意点的准确温度数据。温度值计算模块203在获得准确的导线温度数据后即可根据架空输电导线的状态方程计算出架空导线的弧垂。

所述弧垂值监测模块204，用于根据计算的所述温度值，计算所述输电线路的弧垂值；

作为其中一个实施例，所述弧垂值监测模块可通过输电线路状态方程计算所述输电线路的弧垂值。

输电线路上任一点弧垂f_x可采用如下斜抛物线公式计算：

$f_x=\frac{x(l-x)\mathrm{\γ}}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}$

其中，l为输电线路中各档的档距；γ为线路单位水平投影长度上综合比载，包含自重比载，风压比载和覆冰比载；σ₀为与比载作用线相垂直的纵向应力分量，也称水平应力，其值在电线各个点处处相同，其中σ₀的计算与步骤S103中得出的温度值有关；h为导线悬挂点高差；β为输电线路中各档架空线悬挂点高差角，其中β＝arctan(h/l)。

所述工业控制模块205，用于根据计算的所述输电线路的弧垂值进行工业控制。

作为其中一个实施例，所述工业控制模块205可包括判断模块和告警信号发送模块；

所述判断模块，用于判断计算的所述输电线路的弧垂值是否超过预设的弧垂值范围；

所述告警信号发送模块，用于在所述输电线路的弧垂值超过了预设的弧垂值范围时，发出弧垂值超范围的告警信号。

计算出所述输电线路的弧垂值之后，可广泛应用于电网运行的各个控制领域，如弧垂监测告警、电网负荷预测和控制等。基于本发明开发出的系统软件平台，可实现对任意输电线路任意档的实时弧垂监测。通过实时监测弧垂值数据与设计值或运行数据的对比，来实现指导电网运行的动态增容。同时也可以实现任意输电线路的任意档距全天自动监测，如出现超过运行规程规定值的线路，自动发出报警，快速反应出所在位置，报告给运行人员进行及时处理。

与一般技术相比，本发明通过弧垂监测进行工业控制的装置，通过影响输电线路温度场的各个参数，建立了输电线路的温度场模型。由于影响输电线路温度场的各个参数的数值可通过已有的电网运行控制系统获得，因此在计算输电线路温度值时不需要额外在输电线路上安装设备。根据计算得到的温度值，可进一步计算输电线路的弧垂值以及利用弧垂值进行工业控制。通过本发明进行弧垂监测和工业控制时，由于节省了在输电线路上安装监测设备的成本，可以实现输电线路的全线监测和控制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种通过弧垂监测进行工业控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据影响输电线路温度场的各个参数，建立输电线路的温度场模型；

获取所述影响输电线路温度场的各个参数的数值；

根据获取的所述各个参数的数值和建立的所述温度场模型，计算输电线路的温度值；

根据计算的所述温度值，计算所述输电线路的弧垂值；

根据计算的所述输电线路的弧垂值进行工业控制。

2.根据权利要求1所述的通过弧垂监测进行工业控制的方法，其特征在于，所述影响输电线路温度场的各个参数包括输电线路的电流、电压、负荷、型号、设计弧垂、输电线路材料的比热容数值、输电线路对应的环境温度、太阳辐射强度以及风速中的一个或者多个。

3.根据权利要求1所述的通过弧垂监测进行工业控制的方法，其特征在于，在所述计算所述输电线路的弧垂值的步骤中，通过输电线路状态方程计算所述输电线路的弧垂值。

4.根据权利要求1所述的通过弧垂监测进行工业控制的方法，其特征在于，所述根据计算的所述输电线路的弧垂值进行工业控制的步骤，包括以下步骤：

判断计算的所述输电线路的弧垂值是否超过预设的弧垂值范围；

如果所述输电线路的弧垂值超过了预设的弧垂值范围，则发出弧垂值超范围的告警信号。

5.一种通过弧垂监测进行工业控制的装置，其特征在于，包括模型建立模块、参数数值获取模块、温度值计算模块、弧垂值监测模块和工业控制模块；

所述模型建立模块，用于根据影响输电线路温度场的各个参数，建立输电线路的温度场模型；

所述参数数值获取模块，用于获取所述影响输电线路温度场的各个参数的数值；

所述温度值计算模块，用于根据获取的所述各个参数的数值和建立的所述温度场模型，计算输电线路的温度值；

所述弧垂值监测模块，用于根据计算的所述温度值，计算所述输电线路的弧垂值；

所述工业控制模块，用于根据计算的所述输电线路的弧垂值进行工业控制。

6.根据权利要求5所述的通过弧垂监测进行工业控制的装置，其特征在于，所述影响输电线路温度场的各个参数包括输电线路的电流、电压、负荷、型号、设计弧垂、输电线路材料的比热容数值、输电线路对应的环境温度、太阳辐射强度以及风速中的一个或者多个。

7.根据权利要求5所述的通过弧垂监测进行工业控制的装置，其特征在于，所述弧垂值监测模块通过输电线路状态方程计算所述输电线路的弧垂值。

8.根据权利要求5所述的通过弧垂监测进行工业控制的装置，其特征在于，所述工业控制模块包括判断模块和告警信号发送模块；

所述判断模块，用于判断计算的所述输电线路的弧垂值是否超过预设的弧垂值范围；

所述告警信号发送模块，用于在所述输电线路的弧垂值超过了预设的弧垂值范围时，发出弧垂值超范围的告警信号。

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