基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法及其測量裝置與流程
本發明涉及一種輸電線路動態增容技術領域，特別是一種基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法及其測量裝置。
背景技術：
隨著我國經濟的穩定發展，電力需求日益增加。在輸電走廊資源緊缺的情況下，大力開展電力建設的同時，提高現有線路的輸送容量對于緩解供電壓力具有重要意義。一般而言，可以采用靜態增容方法和動態增容方法短時提升線路的輸送容量，但增容運行容量和允許運行時間的確定是尤為重要和關鍵的。有學者認為在靜態增容運行中將導線最高允許溫度提升至80℃～90℃是行之有效的，但是會對導線及金具的機械性能產生危害，縮短其運行壽命，并可能出現弧垂增大的情況影響安全運行。
動態增容技術能在不改變輸電線路現有規程的前提下提高線路的輸送能力，具有很大的應用前景。動態增容技術的理論基礎之一是暫態熱平衡方程式，即在導線處于運行穩態過程中，導線吸熱與導線散熱之差等于導線內能的增加，體現為溫度的升高，而導線的對流散熱與風速直接關聯。風速具有瞬時變化性和不可預測性，并且即使在同一線路的不同地點，風速的變化也很大。研究表明，風速與環境溫度存在正相關關系，表現為風速的季節性循環變化特性與日循環變化特性：夏季的平均風速高于冬季；中午高溫時的平均風速高于早晚。風速的以上特點給線路動態增容計算中風速的監測與確定帶來很大困難，是動態增容技術的瓶頸之一。
動態增容技術在現有的輸電網絡結構上，通過安裝在線監測裝置對架空線輸電線路運行參數，導線溫度、環境溫度、日照強度以及風速進行實時監測，在不突破現行技術規程的前提下，根據數學模型計算出導線在短時間內的安全運行電流，從而提高輸電線路短時輸送能力，充分利用輸電線路客觀存在的隱形容量。這種方法能最大限度的挖掘線路的輸送能力同時避免了導線升溫運行時可能出現的弧垂增大等安全隱患，具有一定的優越性且有很大的應用前景。
風速、日照強度、環境溫度等氣象參數都對動態增容容量有一定的影響，風速的瞬時變化性與小區域差異大的特性給沿線風速的準確測量帶來困難，因而在線路動態增容技術的實際應用中通常設定計算風速為0.5m/s。而在輸電線路實際運行條件下，風速值往往遠高于0.5m/s，對風速的保守設定限制了增容容量的提高。
專利文獻CN101644714 A公開的一種基于輸電線路遠程監測的風速等值測量裝置包括遠程通訊系統，球型監測裝置直接安裝在輸電線路的導線上，還具有環境溫度傳感器：測試輸電線路導線所處周圍環境溫度，將環境溫度信號θa傳輸至單片機處理系統；導線表面溫度傳感器：設置在導線表面，將測試所得的導線表面溫度信號傳輸至單片機處理系統；日照光線強度傳感器：設置在導線上，將測試所得的日照強度Js信號傳輸至單片機處理系統；單片機處理系統：接收環境溫度傳感器和導線表面溫度傳感器以及日照光線強度傳感器來的信號，完成A/D轉換并與所述遠程通訊系統連接；檢測點等數風速算法模塊：a)、根據實測導線表面溫度，計算一般時間內導線表面的平均溫升θ，單位為℃；b)、根據鍵盤輸入的以下參數值：導線直徑D，單位：米；導線表面空氣層的運動粘度v，單位：m2/s；導線表面空氣層的傳熱系數λf，單位：W/m2；導線允許截流量I，單位：A；允許溫度時導線的交流電阻Rr′，單位：Ω/m；導線表面的吸熱系數as，導線表面的輻射散熱系數E1，斯特凡-包爾茨曼常數S1，按照以下公式計算得出監測點的等效風速，V＝D/Rev(1)，式(1)中，
式(2)中，Ws＝αsJsD(3)，WR＝πDE1S1[(θ+θa+273)4-(θa+273)4]。該專利根據導線的理論溫升與實際溫升，得到監測點的風速等效值，但該專利測量的等效風速精度還有待提高。
專利文獻CN103558768 A公開的一種基于風電場內風速分布特性的等值建模方法包括以下步驟：步驟S10，采集目標風電場的拓撲結構；步驟S20，根據地形狀況對場內的風機進行分組，每個組內包含多個機群；步驟S30，對每個機群建立簡化的機械模型；步驟S40，建立整個風場的等效單機電氣模型，包括繞線轉子異步發電機狀態空間模型，定子側直接連接等效的單元變壓器，轉子側接等效的背靠背變流器；以及步驟S50，設定直流母線電壓的設定值與單臺機相同，電網側與轉子側的脈沖寬度調制控制策略以等效的受控電壓源代替，建立等效變流器模型。該專利風電場內風速分布特性的等值建模方法，根據地形狀況首先對風機進行分組，同時將直流母線電壓的設定值設定為與單臺機相同，從而簡化了電氣模型，但該專利測量的等效風速精度還有待提高且無法應用到輸電線路的動態增容中。
專利文獻CN101034806 A公開的輸電線路動態監測增容系統包括：調度EMS系統、增容系統主站、輸電線路以及多個在線監測裝置；所述的調度EMS系統的輸出端與系統主站的輸入端連接；所述的多個在線監測裝置分別間隔設置在所需增容的輸電線路沿線，各在線監測裝置與系統主站之間通過無線通信網絡傳輸連接。該專利使在某一區域電網所有的線路上應用動態監測增容技術，但該專利沒有考慮等效風速的影響，導致效果還有待提高。
在背景技術部分中公開的上述信息僅僅用于增強對本發明背景的理解，因此可能包含不構成在本國中本領域普通技術人員公知的現有技術的信息。
技術實現要素：
鑒于上述問題，提出一種輸電線路動態增容中等效風速的測量方法，解決了線路動態增容技術中風速難以確定的問題，進一步挖掘輸電線路的輸送潛能，緩解供電壓力。本發明的目的是通過以下技術方案予以實現。
本發明的一個方面，一種基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法的步驟包括：
在第一步驟中，通過傳感器測量輸電線路的歷史運行數據和環境數據，所述歷史運行數據包括輸電線路歷史運行的運行時間、運行電流和導線溫度，所述環境數據包括環境溫度和日照強度。
在第二步驟中，固定風向角，建立等效風速(vw′)的計算式F1，
其中，qg為導線運行過程中單位長度上產生的焦耳熱，單位為J；qs為導線單位長度上的日照吸熱，單位為J；qr為導線單位長度上的輻射散熱，單位為J，其中，qg＝I2R(Tc)(F2)，F2中：R(Tc)為導線溫度為Tc時的交流電阻值，單位為Ω，I為導線的運行電流，單位為A，qs＝αDb(F3)，F3式中：α為導體表面的吸熱系數；D為導線直徑，單位為m；b為日照強度，單位為W/m2；
qr＝πDεσ[(Tc+273)4-(Ta+273)4](F4)，F4中：ε為導體表面的輻射系數；σ為斯蒂芬-包爾茲曼常數，σ＝5.67×10-8，單位為W·m-2·K-4；Tc為導線溫度，單位為T；Ta為環境溫度，單位為T；為導線單位長度上等效的質量與比熱容乘積，單位為J/℃；dT/dt為導線的溫度梯度；Δt＝Tc-Ta。
在第三步驟中，基于計算式F1計算歷史運行時刻的等效風速。
在第四步驟中，統計歸納第三步驟中計算所得的等效風速的日變化規律與季節性變化規律。
在第五步驟中，根據第四步驟中的等效風速的日變化規律與季節性變化規律，按月早中晚風速的變化范圍，確定未來輸電線路動態增容中的等效風速。
優選地，在第一步驟中，所述傳感器包括設在導線上的第一溫度傳感器、測量環境溫度的第二溫度傳感器、和測量導線吸熱的光線強度傳感器。
優選地，在第二步驟中，所述風向角為90度。
優選地，在第二步驟中，導線溫度為Tc時的交流電阻值R(Tc)通過計算式(F5)計算，R(Tc)＝(1+k)R20[1+α20(Tc-20)]，F5其中，α20為20℃的導線材料溫度系數；k為集膚效應系數，導體截面小于或等于400mm2時，k取值為0.0025；大于400mm2時，k取值為0.01。
優選地，在第三步驟中，利用MATLAB計算模塊基于計算式F1計算歷史運行時刻的等效風速。
本發明的另一個方面，一種用于所述的基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法的測量裝置包括設在導線上的第一溫度傳感器、測量環境溫度的第二溫度傳感器、測量導線吸熱的光線強度傳感器和連接所述第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和光線強度傳感器的處理器。
優選地，所述處理器設有計算單元。
優選地，所述處理器設有計算單元和MATLAB計算模塊。
優選地，所述處理器是通用處理器、數字信號處理器、專用集成電路ASIC，現場可編程門陣列FPGA、模擬電路、或數字電路。
優選地，所述處理器設有存儲器，所述存儲器包括一個或多個只讀存儲器ROM、隨機存取存儲器RAM、快閃存儲器或電子可擦除可編程只讀存儲器EEPROM。
優選地，所述存儲器為易失性存儲器或非易失性存儲器。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠使得本發明的技術手段更加清楚明白，達到本領域技術人員可依照說明書的內容予以實施的程度，并且為了能夠讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能夠更明顯易懂，下面以本發明的具體實施方式進行舉例說明。
附圖說明
通過閱讀下文優選的具體實施方式中的詳細描述，本發明各種其他的優點和益處對于本領域普通技術人員將變得清楚明了。說明書附圖僅用于示出優選實施方式的目的，而并不認為是對本發明的限制。顯而易見地，下面描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。而且在整個附圖中，用相同的附圖標記表示相同的部件。
在附圖中：
圖1是根據本發明一個實施例的基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法的步驟示意圖；
圖2是根據本發明一個實施例的基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法的流程框圖；
圖3是根據本發明一個實施例的基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法的新疆地區的等效風速日分布圖；
圖4是根據本發明一個實施例的測量裝置的結構示意圖。
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的解釋。
具體實施方式
下面將參照附圖更詳細地描述本發明的具體實施例。雖然附圖中顯示了本發明的具體實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本發明而不應被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本發明，并且能夠將本發明的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。
需要說明的是，在說明書及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領域技術人員應可以理解，技術人員可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求并不以名詞的差異來作為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區分的準則。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的“包含”或“包括”為一開放式用語，故應解釋成“包含但不限定于”。說明書后續描述為實施本發明的較佳實施方式，然所述描述乃以說明書的一般原則為目的，并非用以限定本發明的范圍。本發明的保護范圍當視所附權利要求所界定者為準。
為便于對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個附圖并不構成對本發明實施例的限定。
為了更好地理解，圖1為基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法的步驟示意圖，如圖1所示，基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法的步驟包括，.一種基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法，其步驟包括。
在第一步驟S1中，通過傳感器測量輸電線路的歷史運行數據和環境數據，所述歷史運行數據包括輸電線路歷史運行的運行時間t、運行電流I和導線溫度Tc，所述環境數據包括環境溫度Ta和日照強度b。
在第二步驟S2中，固定風向角，建立等效風速vw′的計算式F1，
其中，qg為導線運行過程中單位長度上產生的焦耳熱，單位為J；qs為導線單位長度上的日照吸熱，單位為J；qr為導線單位長度上的輻射散熱，單位為J，其中，qg＝I2R(Tc) (F2)，F2中：R(Tc)為導線溫度為Tc時的交流電阻值，單位為Ω，I為導線的運行電流，單位為A，qs＝αDb (F3)，F3式中：α為導體表面的吸熱系數；D為導線直徑，單位為m；b為日照強度，單位為W/m2；
qr＝πDεσ[(Tc+273)4-(Ta+273)4] (F4)，
F4中：ε為導體表面的輻射系數；σ為斯蒂芬-包爾茲曼常數，σ＝5.67×10-8，單位為W·m-2·K-4；Tc為導線溫度，單位為T；Ta為環境溫度，單位為T；為導線單位長度上等效的質量與比熱容乘積，單位為J/℃；dT/dt為導線的溫度梯度；Δt＝Tc-Ta。
在第三步驟S3中，基于計算式F1計算歷史運行時刻的等效風速vw′。
在第四步驟S4中，統計歸納第三步驟S3中計算所得的等效風速vw′的日變化規律與季節性變化規律。
在第五步驟S5中，根據第四步驟S4中的等效風速vw′的日變化規律與季節性變化規律，按月早中晚風速的變化范圍，確定未來輸電線路動態增容中的等效風速vw′。
為了更好地理解本發明，如圖2所示的根據本發明一個實施例的基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法的流程框圖。
1通過測量裝置，該測量裝置可以是在線監測裝置與通信系統，采集線路的歷史運行數據與氣象數據，主要包括：時間、運行電流、導線溫度、環境溫度、日照強度。并判斷導線的新舊程度以確定導線的吸收系數與輻射系數，光亮新線的表面吸收系數為0.23～0.46，舊線或涂黑色防腐劑的導線為0.90～0.95；光亮新線的表面輻射系數為0.23～0.43，舊線或涂黑色防腐劑的導線為0.90～0.95。
2輸電線路運行過程中，隨著負荷的變化和環境參數的變化，導線的溫度也是實時變化的，導線處于一種動態穩定的狀態，相應地用暫態平衡方程描述：
式中：為例如鋼芯鋁絞線的導線單位長度上等效的質量與比熱容乘積J/℃，當導線為鋼芯鋁絞線，其可以通過等式F7確定，
dT/dt為導線的溫度梯度；qg為導線運行過程中單位長度上產生的焦耳熱J；qs為導線單位長度上的日照吸熱J；qc為導線單位長度上的對流散熱包括自然對流散熱和強制對流散熱J；qr為導線單位長度上的輻射散熱J。
對流散熱分為自然對流散熱與強制對流散熱。由密度差引起的散熱為自然對流散熱，運行中的導線溫度高于環境溫度，加熱其周圍的空氣，空氣間的溫度差意味著密度差，即使在無風的情況下也會有對流散熱發生。在有風的情況下不僅會發生自然對流散熱還會在風力的作用下發生強制對流散熱。考慮到自然對流散熱的散熱強度較小且出現頻率較低，本發明在對流散熱的計算中以中國標準中的計算方法為準，忽略了自然對流散熱，即公式
其中：D為導線外徑，單位為mm；Tc為導線溫度，單位為℃；Ta為環境溫度，單位為℃；n、A、B為常數，φ為風向角；當0＜φ＜24°時，A＝0.42，B＝0.68，n＝1.08；當24°≤φ≤90°，A＝0.42，B＝0.58，n＝0.9；vw為風速，單位為m/s；kf為空氣的熱傳導率W/m·℃；μf為空氣的動態粘度kg/m·s；(F8)簡化為qc＝9.92(Tc-Ta)(VwD)0.485(F9)，F9代入F6得F1，
其中qg，qs，qr的計算方法如下：
qg＝I2R(Tc) (F2)
式中：R(Tc)為導線溫度為Tc時的交流電阻值Ω。
qs＝αDb (F3)
式中：
α為導體表面的吸熱系數；D為導線直徑m；b為日照強度W/m2。
qr＝πDεσ[(Tc+273)4-(Ta+273)4] (F4)
式中：ε為導體表面的輻射系數；σ為斯蒂芬-包爾茲曼常數，σ＝5.67×10-8，W·m-2·K-4。將固定風向角后計算得出的vw′定義為等效風速。
3根據2中所述風速計算方法，利用MATLAB軟件建立風速計算模型，對歷史運行數據展開計算。
4研究表明風速大小與統環境溫度呈現正相關關系，表現為風速的日循環特性和季節性循環特性，本發明的方法中雖然把風向角固定為90°，但是風速的日循環特性和季節性循環特性仍然存在。統計歸納3計算所得的風速的日變化規律與季節性變化規律。風速的瞬時變化特性與小區域差異大的特性對輸電線路沿線風速的準確測量造成了困難，然而研究表明風速的變化是遵從一定規律的。風是由空氣的密度差產生的，日照輻射越強、環境溫度越高，空氣間溫差的大小和存在范圍都會變大，空氣的密度差變大，風速隨之增大。因此，對于同一區域風速與環境溫度成正相關關系，表現為風速的季節性循環變化特性與日循環變化特性。
5根據4中的風速的變化規律，按每個月早中晚風速的變化范圍，確定未來增容計算中的等效風速。如規定在計算中1月份早上的等效風速為1m/s，中午的等效風速為5m/s，晚上的等效風速為2m/s；而6月份早上的等效風速為2m/s，中午的等效風速為8m/s，晚上的等效風速為3m/s。
在一個實施例中，本發明新疆地區某220kV線路為例計算等效風速并進行了數據的分析處理。圖3是本發明的基于輸電線路動態增容的等效風速測量方法測量的新疆地區的等效風速日分布圖，圖3為2011年夏季等效風速日分布情況，風速的日循環特性顯著。12：00～15：00時間段內等效風速的分布較為集中，即圖中灰線區域。在進行動態增容計算中，可將這段時間內的風速設定為6m/s。為了更加準確的對等效風速進行預測，本文運用統計學的方法對數據進行了分析。研究表明在較短時間間隔內的風速服從正態分布。
在一個實施例中，在第一步驟S1中，所述傳感器包括設在導線上的第一溫度傳感器1、測量環境溫度的第二溫度傳感器2、和測量導線吸熱的光線強度傳感器3。
在一個實施例中，在第二步驟S2中，所述風向角為90度，所述導線為鋼芯鋁絞線。
在一個實施例中，在第二步驟S2中，導線溫度為Tc時的交流電阻值R(Tc)通過計算式F5計算，R(Tc)＝(1+k)R20[1+α20(Tc-20)](F5)，其中，α20為20℃的導線材料溫度系數；k為集膚效應系數，導體截面小于或等于400mm2時，k取值為0.0025；大于400mm2時，k取值為0.01。
在一個實施例中，在第三步驟S3中，利用MATLAB計算模塊基于計算式F1計算歷史運行時刻的等效風速。
圖4為本發明的一個實施例的測量裝置示意圖，本發明實施例將結合圖4進行具體說明。
如圖4所示，本發明的一個實施例提供了一種測量位裝置，測量裝置包括設在導線上的第一溫度傳感器1、測量環境溫度的第二溫度傳感器2、測量導線吸熱的光線強度傳感器3和連接所述第一溫度傳感器1、第二溫度傳感器2和光線強度傳感器3的處理器4。
在一個實施例中，所述處理器4設有計算單元。
在一個實施例中，所述處理器4設有計算單元和MATLAB計算模塊。
在一個實施例中，所述處理器4是通用處理器、數字信號處理器、專用集成電路ASIC，現場可編程門陣列FPGA、模擬電路、或數字電路。
在一個實施例中，所述處理器4設有存儲器，所述存儲器包括一個或多個只讀存儲器ROM、隨機存取存儲器RAM、快閃存儲器或電子可擦除可編程只讀存儲器EEPROM。
在一個實施例中，所述存儲器為易失性存儲器或非易失性存儲器。
盡管以上結合附圖對本發明的實施方案進行了描述，但本發明并不局限于上述的具體實施方案和應用領域，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本說明書的啟示下和在不脫離本發明權利要求所保護的范圍的情況下，還可以做出很多種的形式，這些均屬于本發明保護之列。
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