一種架空配電線路動態增容系統
1.本發明涉及架空配電線路數據采集及動態增容技術領域，尤其是涉及一種架空配電線路動態增容系統。
背景技術：
2.伴隨著社會用電需求和大量高比例可再生新能源滲透率的不斷增加，配網高峰負荷不斷增長，尖峰負荷突出，同時線路通道和土地資源日益緊張，傳統的通過新建線路以增大輸送能力的方式投資成本巨大、難以為繼。因此，如何提升現有架空配電線路的承載輸送能力，對提高電網的安全、經濟、可靠運行也具有非常大的現實意義。
3.目前，由于配電網絡具有多分支線路且線路掛載能力較低，現階段線路采集裝置的重量不適合在配電線路中大量掛載，并且由于線路采集裝置中傳感器等硬件技術的限制，所采集的數據存在準確度和可靠性較低的問題，因此單純依靠采集裝置來采集數據進行配電線路動態增容計算，有可能會導致系統計算得到的配電線路載流量不準確的風險。此外，在配電線路設計階段，對線路容量限額的計算中，設計人員忽視了線路局部地區的氣象差異性，均采取同一嚴酷氣象標準進行計算，因此線路容量限額的設計值與線路實際運行限額有可能會存在一定的差別。
4.綜上所述，現有技術中依靠增加線路采集裝置以進行配電線路增容計算的方法并不理想；且現有的對線路容量限額的計算方法中，對于氣象不同的區域均使用同一計算方法，缺少針對性；同時，現有研究在計算電路容量限額時多采用針對鋼芯裸導線的計算方法，而實際配電線路表面附加有絕緣層，會對導線的傳輸性能造成影響，因此針對鋼芯裸導線的計算結果與線路實際的容量限額會存在偏差。
技術實現要素：
5.本發明的目的就是為了克服上述現有技術中存在的缺陷而提供一種架空配電線路動態增容系統，在滿足配電線路掛載能力和安全運行的前提下，掛載較少的采集裝置數量，并且能夠有針對性地基于采集的目標線路的微氣象數據和導線溫度，計算目標線路允許的最大安全載流量，為調度人員提供動態增容依據。
6.本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
7.一種架空配電線路動態增容系統，用于根據實際情況計算配電線路允許的最大安全載流量，包括數據采集單元、數據傳輸單元、中控平臺單元及決策控制單元；
8.所述數據采集單元、數據傳輸單元、中控平臺單元及決策控制單元依次連接；
9.所述數據采集單元用于采集配電線路的微氣象數據和配電線路三相導線溫度數據，所述數據傳輸單元用于將由數據采集單元采集的數據傳輸到所述中控平臺中，所述中控平臺用于接收數據傳輸單元傳輸的數據及進行數據篩選和歸類存儲，所述決策控制單元用于對中控平臺單元存儲的數據進行統籌計算。
10.進一步地，該架空配電線路動態增容系統還包括圖形可視化單元，所述圖形可視
化單元與所述決策控制單元連接，用于將決策控制單元的計算結果進行圖像顯示。
11.進一步地，所述數據采集單元包括環境溫度模塊、導線溫度測量模塊、光照強度模塊、風速模塊及紅外測溫輔助裝置；
12.所述環境溫度模塊用于監測配電線路導線周圍的環境溫度，導線溫度測量模塊通過貼合導線以監測配電線路b相的導線溫度，光照強度模塊用于監測環境的光照強度，風速模塊用于監測風速，紅外測溫輔助裝置用于監測配電線路a相及c相的導線溫度。
13.進一步地，所述中控平臺接收數據傳輸單元傳輸的數據及進行數據篩選和歸類存儲，所述數據篩選僅針對同一時刻、同一監測量的監測結果存在冗余的情況，取最保守值，其中導線溫度、光照強度和環境溫度的最保守值取監測結果的最大值，風速的最保守值取監測結果的最小值。
14.進一步地，所述數據采集單元通過usb連接所述數據傳輸單元。
15.進一步地，所述數據傳輸單元通過無線傳輸將由數據采集單元采集的數據傳輸到所述中控平臺中。
16.進一步地，所述決策控制單元對中控平臺單元存儲的數據進行統籌計算，包括以下步驟：
17.調用中控平臺單元中存儲的數據；
18.缺失數據補充；
19.異常數據修正；
20.計算最大允許載流量。
21.進一步地，所述缺失數據補充中，對于環境溫度及導線溫度的監測量存在單個監測數據缺失時，采用相鄰非缺失值的線性插值進行補充；
22.對于光照強度及風速的監測量存在單個監測數據缺失時，采用距離最近的非缺失值進行補充。
23.進一步地，所述異常數據修正為通過設置偏離上限以剔除異常數據。
24.進一步地，所述計算最大允許載流量的計算公式為：
[0025][0026]
其中，pr為導線單位長度的輻射散熱功率；pc為導線單位長度的對流散熱功率；ps為導線單位長度的日照吸熱功率；r
ac(t)
為導線溫度為t時，導線單位長度交流電阻；
[0027]
導線單位長度的輻射散熱功率ps的表達式為：
[0028]
pr＝π
×
ε
×s×d×
(t
4-t
c4
)
[0029]
??
＝π
×
ε
×s×d×
[(θ+tc+273)
4-(tc+273)4]
[0030]
式中，ε為導體絕緣層表面的輻射系數；s為斯提芬-波爾茲曼常數；d為導線外徑；tc為導線周圍環境溫度；t為導線自身穩態溫度；θ為導線的載流溫升；tc為導線周圍環境溫度；
[0031]
導線單位長度的對流散熱功率pc的表達式為：
[0032][0033]
式中，η為與導線表面接觸的空氣層傳熱系數及導線絕緣層傳熱系數之和；re為雷
諾數；
[0034]
re＝vd/vf[0035]
式中，v為垂直于導線的風速(m/s)；vf為導線表面空氣層的運動粘度；
[0036]
vf＝1.32
×
10-5+9.6(tc+θ/2)
×
10-5
[0037]
導線單位長度的日照吸熱功率ps的表達式為：
[0038]
ps＝γdsi[0039]
式中，γ為導線表面絕緣層的吸熱系數；si為日照強度；
[0040]
導線單位長度交流電阻r
ac(t)
的表達式為：
[0041]rac(t)
＝βr
dc(20)
[1+α
20
(t-20)]
[0042]
式中，r
dc(20)
為鋁導體在20℃時的直流電阻；α
20
為在20℃時的電阻溫度系數；t為導線當前狀態能承受的最大溫度，且t＝tc+θ；β為交直流電阻比；
[0043]
聯立所述各表達式，得到最大允許載流量的計算公式為：
[0044][0045]
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0046]
1、本發明通過設置數據采集單元，使用導線溫度測量模塊監測配電線路b相的導線溫度，結合紅外測溫輔助裝置監測配電線路a相及c相的導線溫度，實現在滿足配電線路掛載能力和安全運行的前提下，使掛載在單相線路上的裝置可以同時可以采集三相線路的微氣象數據，實現較少的采集裝置掛載數量。
[0047]
2、本發明通過數據采集單元實時采集配電線路導線周圍的微氣象數據和配電線路三相導線溫度數據，基于采集到的數據根據實際情況計算配電線路允許的最大安全載流量，不僅更具針對性，且計算得到的線路容量限額的設計值更符合線路實際運行限額，準確性高。
[0048]
3、本發明通過利用決策控制單元對中控平臺單元中配電線路的在線采集數據進行數據預處理，包括缺失數據補充及異常數據修正，保障了計算數據的準確性，再分別求解出配電線路各相動態最大安全載流量。
[0049]
4、本發明通過考慮導線橡膠絕緣層表面的輻射系數、橡膠絕緣層對導線散熱的影響以及橡膠絕緣層表面的吸熱系數，對架空配電線路的最大安全載流量進行計算，與僅針對鋼芯裸導線的計算結果相比，考慮導線絕緣層的計算結果更加符合實際情況，從而計算得到的配電線路各相動態最大安全載流量可靠性更高。
附圖說明
[0050]
圖1為本發明的結構示意圖；
[0051]
圖2為本發明中一種架空配電線路動態增容系統的掛網示意圖；
[0052]
圖3為數據預處理前的原始數據示意圖；
[0053]
圖4為數據預處理后的示意圖；
[0054]
圖5為配電線路增容情況示意圖。
具體實施方式
[0055]
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0056]
本發明能夠基于掛載于配電線路b相導線上的采集裝置所采集的線路數據，計算出目標三相線路各自允許的最大安全載流量，在滿足配電線路掛載能力和安全運行的前提下，為調度人員提供動態增容數據依據。
[0057]
如圖1所示，為一種架空配電線路動態增容系統的結構圖，包括：
[0058]
數據采集單元1、數據傳輸單元2、中控平臺單元3、決策控制單元4及圖形可視化單元5。
[0059]
本實施例中，數據采集單元1與數據傳輸單元2通過usb連接，數據傳輸單元2與中控平臺單元3通過無線連接以傳輸信號，中控平臺單元3與決策控制單元4及圖形可視化單元5依次相連；
[0060]
數據采集單元1用于采集配電線路微氣象數據和配電線路三相導線溫度數據；
[0061]
數據傳輸單元2用于將由數據采集單元1采集的數據傳輸到中控平臺3中；
[0062]
中控平臺3用于接收數據傳輸單元2傳輸的數據及進行數據篩選和歸類存儲；
[0063]
決策控制單元4用于對中控平臺單元3存儲的數據進行統籌計算，對其中的數據進行預處理，分別求解出配電線路各相的最大允許載流量，再將最終的結果數據發送到圖形可視化單元5；
[0064]
圖形可視化單元5用于接收決策控制單元4的數據，并將決策控制單元4的計算結果數據以圖像顯示。本實施例中，圖形可視化單元5由本領域專業技術人員進行調控。
[0065]
其中，數據采集單元1包括環境溫度模塊、導線溫度測量模塊、光照強度模塊、風速模塊及紅外測溫輔助裝置。
[0066]
如圖2所示，為一種架空配電線路動態增容系統的掛網示意圖；
[0067]
其中環境溫度模塊用于采集配電線路導線周圍的環境溫度，導線溫度測量模塊通過貼合導線來測量配電線路b相的導線溫度，光照強度模塊用于采集環境的光照強度，風速模塊用于測量風速，紅外測溫輔助裝置用于測量配電線路a相及c相的導線溫度。
[0068]
中控平臺單元3對來自傳輸單元2的數據進行歸類和篩選存儲；數據歸類的目的在于對不同種類數據進行分類以便后續計算，歸類過程中并不改變原始數據值和數據特征；數據篩選僅針對同一時刻同一監測量的監測結果存在冗余的情況，取最保守值計算線路動態限額以保證動態增容時電網的安全可靠運行，其中導線溫度、光照強度和環境溫度取監測結果的最大值，而對地距離和風速則取監測結果最小值作為載流量計算模型的輸入數據，其中，對地距離由單獨的弧垂監測裝置獲得。
[0069]
決策控制單元4連接中控平臺單元3，調用中控平臺單元3中的數據，首先對數據進行預處理，構建配電線路熱平衡動態載流量計算模型，計算出最大允許載流量，再將最終的結果數據發送到圖形可視化單元。
[0070]
1)所述數據預處理包括以下步驟：
[0071]
(1)缺失數據補充
[0072]
對于數據變化較慢的監測量，如環境溫度或導線溫度等，其中存在單個監測數據
缺失時，采用相鄰非缺失值的線性插值進行補充，包括以下步驟：
[0073]
首先建立兩點式直線方程：
[0074][0075]
假設方程兩邊的值為α，則α值就是插值系數從x0到x的距離與從x0到x1距離的比值。由于x值已知，所以可以從公式得到α的值：
[0076][0077]
同樣，
[0078][0079]
這樣，在代數上就可以表示成為：
[0080]
y＝(1-α)y0+αy1?????????????????????????
(4)
[0081]
則通過α就可以直接得到y。實際上，即使x不在x0到x1之間并且α也不是介于0到1之間，這個公式也是成立的。
[0082]
對于數據可能會快速變化的監測量，如光照強度或風速等，由于相鄰環境的微氣象變化不大，同一線路段鄰近的采樣值可以近似代替缺失的真實數據，因此單個監測數據缺失時，采用距離最近的非缺失值進行補充。
[0083]
(2)異常數據修正
[0084]
對于監測結果嚴重偏離正常情況的異常數據，通過設置偏離上限的方式進行剔除。對同一線路段采集的同類數據，計算平均值，將所有數據與該平均值做差，并設置偏離上限。當某一數據與該平均值的差值超過偏離上限時，認為該數據為異常數據，進行剔除。再利用上述的缺失數據補充方法對被剔除的數據進行補充。
[0085]
如圖3及圖4所示，為原始數據經過數據預處理后的對比圖，去除了異常數據，同時對于缺失值進行了補充。
[0086]
2)配電線路的最大允許載流量i的計算：
[0087]
(1)穩態運行時載流量計算
[0088]
導線與外界環境之間的熱量交換無時無刻不在發生，當配電線路導線的溫度處于穩定時，系統到達穩態平衡，熱平衡方程如式：
[0089]
pr+pc＝ps+i2r
ac(t)
?????????????????????????
(5)
[0090]
式中，pr為導線單位長度的輻射散熱功率(w/m)；pc為導線單位長度的對流散熱功率(w/m)；ps為導線單位長度的日照吸熱功率(w/m)；i2r
ac(t)
為導線單位長度的電阻發熱功率(w/m)；i為導線中流過的電流(a)，即載流量；r
ac(t)
為導線溫度為t時，導線單位長度交流電阻(ω/m)。
[0091]
(2)導線單位長度的輻射散熱功率
[0092]
導線單位長度的輻射散熱功率即導體表面向周圍空間輻射的熱損耗，其表達式為：
[0093][0094]
式中，ε為導體絕緣層表面的輻射系數，光亮新線為0.23-0.46，發黑舊線為0.9～0.95。s為斯提芬-波爾茲曼常數，s＝5.67
×
10-8w·
m-2
·
k-4
；d為導線外徑(m)；tc為導線周圍環境溫度(k)；t為導線自身穩態溫度(k)；θ為導線的載流溫升(℃)；tc為導線周圍環境溫度(℃)。
[0095]
現有研究中，計算導線輻射散熱功率時多考慮鋼芯裸導線表面輻射系數，而本發明則考慮的是導線橡膠絕緣層表面的輻射系數，使計算結果更加解決實際值。
[0096]
(3)導線單位長度的對流散熱功率
[0097]
對流是指由冷熱流體發生相對位移所引起的傳熱過程。對流散熱所傳遞的熱量，與溫差及熱交換面積成正比，導線單位長度的對流散熱功率表達式為：
[0098][0099]
式中，η為與導線表面接觸的空氣層傳熱系數及導線絕緣層傳熱系數之和(w
·
m-1
·
k-1
)；re為雷諾數；現有研究中，計算導線單位長度的對流散熱功率時，僅考慮導線表面接觸的空氣層傳熱系數，而本發明根據配電線路中附加絕緣層，考慮了絕緣層對導線散熱的影響。
[0100]
re＝vd/vf????????????????????????????????
(8)
[0101]
式中，v為垂直于導線的風速(m/s)；vf為導線表面空氣層的運動粘度；
[0102]
vf＝1.32
×
10-5+9.6(tc+θ/2)
×
10-5
?????????????????
(9)
[0103]
(4)導線單位長度的日照吸熱功率
[0104]
導線單位長度的日照吸熱功率的表達式為：
[0105]
ps＝γdsi?????????????????????????????
(10)
[0106]
式中，γ為導線表面絕緣層的吸熱系數，光亮新線為0.23-0.46，發黑舊線為0.9～0.95；si為日照強度(w/m2)；現有研究中，計算導線單位長度的日照吸熱功率時，多考慮鋼芯裸導線表面的吸熱系數，而本文則考慮的是橡膠絕緣層表面的吸熱系數，更符合實際情況。
[0107]
(5)導線單位長度交流電阻
[0108]rac(t)
＝βr
dc(20)
[1+α
20
(t-20)]
????????????????????
(11)
[0109]
式中，r
dc(20)
為鋁導體在20℃時的直流電阻(ω)，計算時忽略鋼芯的導電性；α
20
為在20℃時的電阻溫度系數，忽略鋼芯，鋁取0.0036(1/℃)，銅取0.00382(1/℃)；t為導線當前狀態能承受的最大溫度(℃)，t＝tc+θ；β為交直流電阻比。
[0110]
(6)最大允許載流量i計算公式為：
[0111][0112]
將式(6)到式(11)帶入式(12)可得導線最大允許載流量計算式為：
[0113][0114]
本實施例針某條目標線路進行舉例說明：
[0115]
如圖5所示，當目標線路的用戶用電需求增加，致使原負荷曲線a上升為負荷曲線b時，如電網公司仍按之前所設定的導線固定限額量300a進行電流輸送，則極易出現電流越界的情況，難以滿足用戶用電需求。
[0116]
此時可根據本發明所述系統計算反饋的實時動態最大允許載流量曲線對用電進行優化調度，能保證在電力輸送安全的前提下，滿足用戶用電需求，如曲線d所示，為本實施例計算得到的導線實時穩態動態載流量，e表示曲線d的最大值，即導線的最大允許載流量提升至約500a。
[0117]
同時本實施例還計算出該導線在當前情況下，達到所允許的最高溫度(70℃)時的最大暫態載流量，如曲線f所示，可以為負荷需求激增時留有可調節的裕度。
[0118]
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
技術特征：
1.一種架空配電線路動態增容系統，用于根據實際情況計算配電線路允許的最大安全載流量，其特征在于，包括數據采集單元、數據傳輸單元、中控平臺單元及決策控制單元；所述數據采集單元、數據傳輸單元、中控平臺單元及決策控制單元依次連接；所述數據采集單元用于采集配電線路的微氣象數據和配電線路三相導線溫度數據，所述數據傳輸單元用于將由數據采集單元采集的數據傳輸到所述中控平臺中，所述中控平臺用于接收數據傳輸單元傳輸的數據及進行數據篩選和歸類存儲，所述決策控制單元用于對中控平臺單元存儲的數據進行統籌計算。2.根據權利要求1所述的一種架空配電線路動態增容系統，其特征在于，還包括圖形可視化單元，所述圖形可視化單元與所述決策控制單元連接，用于將決策控制單元的計算結果進行圖像顯示。3.根據權利要求1所述的一種架空配電線路動態增容系統，其特征在于，所述數據采集單元包括環境溫度模塊、導線溫度測量模塊、光照強度模塊、風速模塊及紅外測溫輔助裝置；所述環境溫度模塊用于監測配電線路導線周圍的環境溫度，導線溫度測量模塊通過貼合導線以監測配電線路b相的導線溫度，光照強度模塊用于監測環境的光照強度，風速模塊用于監測風速，紅外測溫輔助裝置用于監測配電線路a相及c相的導線溫度。4.根據權利要求3所述的一種架空配電線路動態增容系統，其特征在于，所述中控平臺接收數據傳輸單元傳輸的數據及進行數據篩選和歸類存儲，所述數據篩選僅針對同一時刻、同一監測量的監測結果存在冗余的情況，取最保守值，其中導線溫度、光照強度和環境溫度的最保守值取監測結果的最大值，風速的最保守值取監測結果的最小值。5.根據權利要求1所述的一種架空配電線路動態增容系統，其特征在于，所述數據采集單元通過usb連接所述數據傳輸單元。6.根據權利要求1所述的一種架空配電線路動態增容系統，其特征在于，所述數據傳輸單元通過無線傳輸將由數據采集單元采集的數據傳輸到所述中控平臺中。7.根據權利要求1所述的一種架空配電線路動態增容系統，其特征在于，所述決策控制單元對中控平臺單元存儲的數據進行統籌計算，包括以下步驟：調用中控平臺單元中存儲的數據；缺失數據補充；異常數據修正；計算最大允許載流量。8.根據權利要求7所述的一種架空配電線路動態增容系統，其特征在于，所述缺失數據補充中，對于環境溫度及導線溫度的監測量存在單個監測數據缺失時，采用相鄰非缺失值的線性插值進行補充；對于光照強度及風速的監測量存在單個監測數據缺失時，采用距離最近的非缺失值進行補充。9.根據權利要求8所述的一種架空配電線路動態增容系統，其特征在于，所述異常數據修正為通過設置偏離上限以剔除異常數據。10.根據權利要求8所述的一種架空配電線路動態增容系統，其特征在于，所述計算最大允許載流量的計算公式為：
其中，p
r
為導線單位長度的輻射散熱功率；p
c
為導線單位長度的對流散熱功率；p
s
為導線單位長度的日照吸熱功率；r
ac(t)
為導線溫度為t時，導線單位長度交流電阻；導線單位長度的輻射散熱功率p
s
的表達式為：式中，ε為導體絕緣層表面的輻射系數；s為斯提芬-波爾茲曼常數；d為導線外徑；t
c
為導線周圍環境溫度；t為導線自身穩態溫度；θ為導線的載流溫升；t
c
為導線周圍環境溫度；導線單位長度的對流散熱功率p
c
的表達式為：式中，η為與導線表面接觸的空氣層傳熱系數及導線絕緣層傳熱系數之和；r
e
為雷諾數；r
e
＝vd/v
f
式中，v為垂直于導線的風速(m/s)；v
f
為導線表面空氣層的運動粘度；v
f
＝1.32
×
10-5
+9.6(t
c
+θ/2)
×
10-5
導線單位長度的日照吸熱功率p
s
的表達式為：p
s
＝γds
i
式中，γ為導線表面絕緣層的吸熱系數；s
i
為日照強度；導線單位長度交流電阻r
ac(t)
的表達式為：r
ac(t)
＝βr
dc(20)
[1+α
20
(t-20)]式中，r
dc(20)
為鋁導體在20℃時的直流電阻；α
20
為在20℃時的電阻溫度系數；t為導線當前狀態能承受的最大溫度，且t＝t
c
+θ；β為交直流電阻比；聯立所述各表達式，得到最大允許載流量的計算公式為：
技術總結
本發明涉及一種架空配電線路動態增容系統，包括數據采集單元、數據傳輸單元、中控平臺單元、決策控制單元及圖形可視化單元，數據采集單元用于采集配電線路的微氣象數據和配電線路導線溫度數據，數據傳輸單元用于將由數據采集單元采集的數據傳輸到中控平臺中，中控平臺用于接收數據傳輸單元傳輸的數據及進行數據處理，決策控制單元用于對中控平臺單元存儲的數據進行統籌計算，求解出配電線路導線的最大安全載流量，并利用圖形可視化單元進行圖像顯示。與現有技術相比，本發明實現以較少的采集裝置掛載數量計算出配電線路允許的最大安全載流量，在滿足配電線路掛載能力和安全運行的前提下，為調度人員提供動態增容數據依據。為調度人員提供動態增容數據依據。為調度人員提供動態增容數據依據。
