一种基于BOTDR测温技术的架空线路动态增容方法

摘要

本发明涉及一种架空线路动态增容方法，尤其是涉及一种基于BOTDR测温技术的架空线路动态增容方法。本发明利用OPGW上的BOTDR测温技术对架空线路周围环境温度进行分布式测量，通过牛顿迭代法推导出导线温度，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。计算证明，该方法能够有效地提高线路载流量，对线路载流量设计优化有理论指导作用。该方法不需要额外的温度传感设备，降低了一般DTR设备的成本，维护较简单，可靠性高，能够被广泛地应用到电网中去，发挥出输电线的真实容量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种架空线路动态增容方法，尤其是涉及一种基于BOTDR测温技术的架空线路动态增容方法。

背景技术

由于架空输电导线存在着电阻，当流过一定负载电流时，电阻就会"损耗"一部分电能而变成热量，导线必然会发热。并且输电导线的温度会随着负载电流的增大而逐渐上升，当超过导线的最大允许工作温度时，必然因产生过流发热而烧毁，可能导致断路器跳闸。因此我们需要在既不影响电网运行安全，又不改变原有架空线路结构的条件下，对输电线路的隐藏输电潜力进行深度挖掘，科学地提高线路的输电容量，以解决部分地区输电高峰的供需不平衡问题。

目前国内外一般采用以下两种方法来提高架空输电线路的载流量：静态增容和动态增容。

静态增容技术需要对现有导线材料、规格及其配套设备进行改进，对传统电力行业技术规定进行更新，使架空输电线的最大允许工作温度从传统的70℃提高到80℃，从而提高约20％的线路输电容量，但是这种方法需要考虑三个方面的制约：(1)是否符合现行设计标准；(2)是否会影响导线及其配套设备的寿命和机械强度；(3)受导线温升影响，导线弧垂也会随之增加，可能存在导线对地安全距离不足的隐患，使得输电线路安全系数太小。因此若采用保守的静态计算方法，各地区统一标准、全年温度单一，不能最大限度地体现架空线路的真实输电能力，白白的浪费了巨大的电网资源。

而动态增容技术则改进了计算方法和测量方法，通过在线路上增加监测设备对导线的状态及其周围环境因素进行精确在线检测，不改变原有的线路布局且不影响电网运行安全，充分精确地监测架空线路环境参数来计算线路的最大容量，理论上可提高线路载流量约10％～30％。现在国内外学者普遍使用的是动态热定值系统(DTR系统)来进行动态增容，该系统根据SCADA提供的实时环境条件(风速、日照和温度等数据)，计算导体的实时最大允许载流值。但是其设备成本较高，维护较困难，可靠性难以保证等缺点制约了该系统在电网的应用推广，它的价值不能被正常发挥出来。

为了充分利用现有架空输电线路的输电能力，本方面提出一种基于BOTDR测温技术的在线动态增容新方法：利用OPGW上的BOTDR测温技术对架空线路周围环境温度进行分布式测量，通过牛顿迭代推导出导线温度，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。计算证明，该方法能够有效地提高线路载流量，对线路载流量设计优化有理论指导作用。而且该方法不需要额外的温度传感设备，降低了一般DTR设备的成本，维护较简单，可靠性高，能够被广泛地应用到电网中去，发挥出输电线的真实容量。

发明内容

本发明主要是解决现有方法所存在的技术问题；提供了一种利用OPGW上的BOTDR测温技术对架空线路周围环境温度进行分布式测量，通过牛顿迭代推导出导线温度，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的架空线路在线动态增容方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于BOTDR测温技术的架空线路动态增容方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过BOTDR设备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，具体包括：

步骤1.1在测温系统中，BOTDR设备产生一定宽度的脉冲光经OPGW光缆光纤的一端定向射入光纤通道；光脉冲在光纤里面不断地向前传播，当受到突变的声波场的作用时就会产生布里渊散射，其中有一小部分传播方向与入射方向相反的背向布里渊散射光会携带光纤的温度和应变特征返回光纤发射端的BOTDR设备；

步骤1.2通过对背向布里渊散射光频率漂移的分析，可以得到此刻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；

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，具体包括：

步骤2.1，运用导线电流与交直流电阻的比值之间存在一定非线性关系的这个实践结论来对处于同一空间位置的OPGW和输电线的热平衡方程运算过程进行化简；

步骤2.2，通过牛顿迭代法对导线温度进行求解；

步骤3，从导线温度最大值处的温度-时间序列中，选取连续四次温度采样值带入热平衡公式，计算一组环境隐性容量系数向量，具体是根据步骤2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，将温度信息带入化简后的热平衡公式中，由于只有三个未知参数个数，因此连续采样四次就能确定方程的系数，由于每个时刻估计不相关，因此估计结果相互独立，可以解出一组环境隐性容量系数向量；

步骤4，计算架空线路实时最大载流量，并不断实时更新，具体是：当已知当前一组系数向量S_k＝[θ_1,k,θ_2,k,θ_3,k]^T和初始温度T_k，在之后的一段时间内，最大载流量可以按照下面的公式来计算得到：

式中，T_max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；取连续的四个采样周期的温度变化均值。

在上述的一种基于BOTDR测温技术的架空线路动态增容方法，所述步骤2.1的具体方法是：

由于在架空输电线上，处于同一空间位置的OPGW和输电线的热平衡方程可以简写成如下：

OPGW：q_co+q_ro-q_so＝0

架空输电线：I²R(T_c)-q_cc-q_rc+q_sc＝0

上式中，I是输电线载流量，R(T_c)是温度T_c时导线每千米的交流电阻，q_so和q_sc分别为OPGW和导线的日照吸热，均为未知量；q_ro和q_rc分别是OPGW和导线的辐射散热，q_co和q_cc分别是OPGW和导线的对流散热；表达式分别为：

q_ro＝16.03D_o×10^-8[(T_o+273)⁴-(T_a+273)⁴]

q_rc＝16.03D_c×10^-8[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]

q_co＝h(t)D_o^0.75(T_o-T_a)

q_cc＝h(t)D_c^0.75(T_c-T_a)

在上式里，认为OPGW光缆和架空输电线有相同表层材料特性(即对流散热系数h(t)＝0.0205ρ_f^0.5相同)，其中ρ_f为空气密度，km/m₃；T_o为OPGW传感光纤测得的温度，T_c为导线温度，T_a为环境温度；D_o与D_c分别为OPGW和导线的直径；由于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，所以日照吸热有下面的关系：

带入上式可以得到：

I²R(T_c)＝D_c[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]+0.0205ρ_f^0.5D_c(T_c-T_a)

上式中，计算导线载流量时，交直流电阻R(T_c)的运算比较麻烦，但是由于摩尔根公式是建立在大量实践基础上的，我们可以运用导线电流I与交直流电阻的比值β之间存在一定非线性关系的这个实践结论来对运算过程进行化简，公式如下，

β＝ζI^τ

当导线标准截面确定后，ζ和τ都是常量，即

R(T_c)＝βR_d

R_d＝R₂₀[1+α(T_c-20)]

其中，R_d为工作温度下导体的直流电阻，R₂₀是20℃的直流电阻；

其中，d为铝单线直径，mm；ρ₂₀为铝单线的电阻率，取2.8264×10^-8(20℃)，Ω·m；N为铝线总根数；λ_am为铝线平均绞入率按各层铝线平均节距比计算；α为温度系数，铝取0.00403，1/℃；T_c为导体工作时的温度℃。

在上述的一种基于BOTDR测温技术的架空线路动态增容方法，所述步骤2.2的具体方法是：通过牛顿迭代法进行求解导线温度T_c，令

f(T_c)＝D_c[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]+h(t)D_c(T_c-T_a)-I²R(T_c)

f'(T_c)＝4D_c(T_c+273)³+h(t)D_c-I²R'(T_c)

n＝1，2，3，…，n为迭代次数；可以计算得到架空输电线的导线温度。

在上述的一种基于BOTDR测温技术的架空线路动态增容方法，所述步骤3的具体方法是：由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：T₁，T₂，…，T_k，将温度信息带入热平衡公式中，

式中，Δt为采样周期；

由于只有三个未知参数个数，因此连续采样四次就能确定方程的系数，由于每个时刻估计不相关，因此估计结果相互独立，可以解出一组环境隐性容量系数向量S_k＝[θ_1,k,θ_2,k,θ_3,k]^T。

在上述的一种基于BOTDR测温技术的架空线路动态增容方法，所述步骤4的具体方法是：

当已知当前一组系数向量S_k和初始温度T_k，在之后的一段时间内，最大载流量可以按照下面的公式来计算得到：

上式中，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T_max取70℃；取连续的四个采样周期的温度变化均值：

因此，本发明具有如下优点：利用基于OPGW的光纤BOTDR技术对输电线环境温度进行连续测量，通过本文的方法评估架空线路的最大载流量，理论上远优于基于传统的最恶劣环境下的载流能力。而且该方法不需要额外的温度传感设备，降低了一般DTR设备的成本，维护较简单，可靠性高，能够被广泛地应用到电网中去，发挥出输电线的真实容量。

附图说明

附图1是本发明的方法流程示意图。

附图2是本发明实施例中运用基于OPGW的光纤BOTDR技术对架空线路求解得到的最大载流量值与Morgan计算的载流量值比较的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

下面是采用本发明的具体实施例的步骤，如下：

一、数据采集以获得被检测架空输电线路周围环境温度

1)布里渊光时域传感器采用光时域分析方法检测入射脉冲光，在特定的光频差的设置下可分别获得入射脉冲光与激励光的功率大小，继而计算出OPGW内光纤的布里渊散射光的增益。再根据增益大小的分布可获得光纤的布里渊散射光的频移量，由频移和温度之间的线性关系计算出整条光纤的温度分布情况。

当光纤没有发生应变时，布里渊散射光的频移与光纤温度成线性关系：

OPGW光纤上的任意点与脉冲光入射端之间的距离L可根据下式计算获得：

上式中，c是真空中的光速，n是光纤的折射率，ΔT是OTDR设备发出的激励光与接收到的背向布里渊散射光的时间差。

二、将环境温度换算成导线温度

由于在架空输电线上，处于同一空间位置的OPGW和输电线的热平衡方程可以简写成如下：

OPGW：q_co+q_ro-q_so＝0

架空输电线：I²R(T_c)-q_cc-q_rc+q_sc＝0

上式中，I是输电线载流量，R(T_c)是温度T_c时导线每千米的交流电阻，q_so和q_sc分别为OPGW和导线的日照吸热，均为未知量；q_ro和q_rc分别是OPGW和导线的辐射散热，q_co和q_cc分别是OPGW和导线的对流散热。表达式分别为：

q_ro＝16.03D_o×10^-8[(T_o+273)⁴-(T_a+273)⁴]

q_rc＝16.03D_c×10^-8[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]

在上式里，认为OPGW光缆和架空输电线有相同表层材料特性(即对流散热系数h(t)＝0.0205ρ_f^0.5相同)，其中ρ_f为空气密度，km/m³；T_o为OPGW传感光纤测得的温度，T_c为导线温度，T_a为环境温度；D_o与D_c分别为OPGW和导线的直径。由于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，所以日照吸热有下面的关系：

带入上式可以得到：

I²R(T_c)＝D_c[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]+0.0205ρ_f^0.5D_c(T_c-T_a)

上式中，计算导线载流量时，交直流电阻R(T_c)的运算比较麻烦，但是由于摩尔根公式是建立在大量实践基础上的，我们可以运用导线电流I与交直流电阻的比值β之间存在一定非线性关系的这个实践结论来对运算过程进行化简，公式如下，

β＝ζI^τ

当导线标准截面确定后，ζ和τ都是常量，即

R(T_c)＝βR_d

R_d＝R₂₀[1+α(T_c-20)]

其中，R_d为工作温度下导体的直流电阻，R₂₀是20℃的直流电阻。

其中，d为铝单线直径，mm；ρ₂₀为铝单线的电阻率，取2.8264×10^-8(20℃)，Ω·m；N为铝线总根数；λ_am为铝线平均绞入率按各层铝线平均节距比计算；α为温度系数，铝取0.00403，1/℃；T_c为导体工作时的温度，℃。

上式中只有导线温度T_c是未知变量，通过牛顿迭代法进行求解，令

f(T_c)＝D_c[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]+h(t)D_c(T_c-T_a)-I²R(T_c)

f'(T_c)＝4D_c(T_c+273)³+h(t)D_c-I²R'(T_c)

n＝1，2，3，…，n为迭代次数。可以计算得到架空输电线的导线温度。

三、求解环境隐性容量系数向量：

由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：T₁，T₂，…，T_k，将温度信息带入热平衡公式中，

式中，Δt为采样周期。

由于只有三个未知参数个数，因此连续采样四次就能确定方程的系数，由于每个时刻估计不相关，因此估计结果相互独立，可以解出一组环境隐性容量系数向量S_k＝[θ_1,k,θ_2,k,θ_3,k]^T。

四、计算架空输电线路实时最大载流量：

当已知当前一组系数向量S_k和初始温度T_k，在之后的一段时间内，最大载流量可以按照下面的公式来计算得到：

上式中，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T_max取70℃。取连续的四个采样周期的温度变化均值：

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。