電力電纜動態增容系統研究

周韞捷，王媚，楊峰

電力電纜動態增容系統研究

周韞捷，王媚，楊峰

提出了一種電力電纜動態增容系統，首先主要介紹了系統的功能、結構，給出了載流量算法模型；其次介紹了系統在IEC60287標準下的WEB應用程序，為電力電纜安全運行和調度提供有效的決策支持。

電纜；載流量；動態增容

0 引言

隨著電網的發展，電力電纜在電力系統中的應用越來越廣泛，其管理檢測維護的工作量也越來越大。同時，城市用電需求的快速增加，對電力電纜的線路容量供電可靠性提出了更高的要求。電力電纜的載流量是電纜運行中受環境條件和負荷影響的重要動態參數，其重要性涉及輸電線路的安全可靠、經濟合理的運行以及電纜壽命問題。因此，對電力電纜的動態載流量和剩余負荷能力進行在線連續監測，為電力系統調度人員提供關于電纜可利用負載能力的信息，有助于系統調度人員在未來的負荷分配時做出更合理的決策，實現電力電纜的動態增容和電纜資源的最充分化利用。

本文提供了一種電纜動態增容系統。系統包括電纜載流量算法，通過集成DTS測量電力電纜外護套的溫度，實現實時的電纜負荷監測功能，并提供短時許用負荷在線計算功能；系統還可以維護多回路的全局環境信息，通過IEC60287迭代運算，實現長期許用負荷計算功能。本系統在確保電力電纜有效安全壽命的前提下，有效、及時且充分地發揮現有電力電纜線路輸電潛能。

1 電纜動態增容系統概述

1.1 系統應用范圍

電纜動態增容系統廣泛適用于各種電力輸配電電纜，具體如表1所示：

表1 電纜動態增容系統應用范圍

1.2 基本功能和指標

本電纜動態增容系統的基本功能包括實時功能、短時功能和長期功能，具體的功能描述和指標如表2所示：

表2 電纜動態增容系統的基本功能

表2中的功能指標根據決定于DTS測溫光纖的布設位置，DTS測溫光纖的布設可以分為三個等級，如表3所示：

表3 電纜功能指標與DTS測溫光纖布設等級的關系

表3 電纜功能指標與DTS測溫光纖布設等級的關系從表3可知，與無測溫手段的情況相比，即便以最低的布設等級III，電纜也有望在短時和長期上均增容20%。

其中，II級和III級布設的代價較低，適用范圍廣。電纜隧道中，測溫光纖的位置決定其可以檢測隧道空氣溫度，對白底色的電纜形成 II級布設關系，對灰底色的電纜形成III級布設關系，如圖1所示：

圖1 測溫光纖布置圖

電纜排管中，測溫光纖對白底色的電纜形成II級布設關系，對灰底色的電纜形成III級布設關系，如圖2所示：

圖2 測溫光纖布置圖

我們建議根據電纜的電壓等級和導體截面決定DTS測溫光纖的布設等級，如表4所示：

表4 電壓等級和DTS測溫光纖布設等級對應表

1.3 系統實施和運行

系統的實施和運行中所述的3個階段，如表5所示：

表5 系統實施和運行指導

2 電纜動態增容系統結構

系統結構的主要特征是采用了分布監測、集中管理的架構，如圖3所示：

圖3 電纜動態增容系統結構圖

在現有DTS測溫子系統的基礎上，增設本地的DCR動態載流量監測主機和一套中央系統，包括：監測數據庫、場景/電纜庫/IEC60287計算中心、WEB服務器。本地監測主機完成實時功能和短時功能，并將監測數據發送到中央系統，中央系統負責長期功能實現，并以WEB形式向監測中心、內部網各PC發布各項數據和功能。

3 載流量算法模型

3.1 DCR電纜模型

電纜動態載流量模型（DCR）包括兩個子模型：DCR-I和DCR-II。其中DCR-I實現電纜導體溫度實時計算和持續時間不大于T/3的許用負荷計算；DCR-II模型實現大于T/3和小于48小時的許用負荷計算。在電纜負荷監測系統中，可以將 DCR-I計算的實時導體溫度設置為一個監測變量，當該值接近或達到導體的許用溫度，報警將被觸發。同時還可以響應用戶請求，提供在線的T/3以內的許用電流計算；可見，利用 DCR-I的導體溫度實時計算功能，可實現電纜負荷安全水平的實時監測；利用DCR-I和DCR-II的短時許用負荷在線計算功能，可為緊急負荷調度提供決策支持。

DCR-I和DCR-II本質上都是一個傳熱學的數值仿真模型，當模型的邊界條件確定、模型的內部結構和內部熱源已知時，其內部的溫度場是可求解的。兩者主要的區別是，DCR-I模型的邊界為電纜表面，DCR-II模型的邊界略大，由電纜表面向外包括一個或一組虛擬的鄰近環境層（DCR-II模型事實上包括了DCR-I模型）。

3.1.1 DCR-I模型

（1）建模方案

模型邊界為電纜表面，模型的實體就是電纜本體；借助DTS測溫光纖，電纜表面溫度已知。內部結構參數：電纜導體和各層的幾何尺寸和材料熱阻和熱容；傳熱方式為導熱。內部熱源參數包括：為計算導體損耗（Wc）：電纜導體鄰近因子和集膚因子、導體材料的電阻率及其溫度因子；為計算絕緣損耗（Wd）：電纜絕緣材料的介電常數和介質損耗角，工作電壓和頻率；為計算屏蔽損耗（Ws）：屏蔽損耗率或屏蔽電流。如果測溫光纜敷設在電纜表面，則建模時還應包括電纜表面到光纜的接觸熱阻和光纜本身的傳導熱阻。有關模型參數的輸入界面范例如圖4所示：

圖4 模型參數的輸入界面

高壓單芯電纜的內部溫度場同軸度很高，可由一個一維函數表達：由導體表面到電纜表面的徑向溫度分布曲線。假設導體表面到電纜表面的距離為 50mm，采用空間等分方法，網格數量為25（結點為26，間距為2mm），則該徑向溫度分布可用一個長度為26的數組表示，模型的熱路網格，如圖5所示：

圖5 模型的熱路網格

建模過程需要計算各網格結點的熱容和熱阻，以及熱源向各節點分配比例，并假定一個初始狀態；按照數值計算的網格溫度刷新方法，可計算在最近的熱源和邊界溫度的驅動下，計算下一個時間點的徑向溫度分布。

（2）實時導體溫度計算功能

輸入：實時的回路負荷電流，實時的電纜表面溫度；

計算：維護一個實時的電纜徑向溫度數組，按照固定時間節拍或受輸入的驅動，計算熱源熱量，并采用輸入的電纜表面溫度作為新的邊界溫度，刷新電纜徑向溫度數組。

實時輸出：電纜導體溫度（即電纜徑向溫度數組的第一個值）；完整的輸出下軟件界面，如圖6所示：

圖6 電纜導體溫度輸出軟件界面

按照時序記錄回路的負荷、電纜表面（最高）溫度、電纜導體溫度，可生成電纜負荷溫度響應曲線，如圖7所示：

圖7 電纜負荷溫度響應曲線

（3）T/3內許用負荷計算功能

在T/3的時間內，由于電纜導體的溫升對電纜表面的溫升影響尚未發揮，因此在該計算中假設電纜的表面溫度不變。如給定電流，模型復制當前電纜徑向溫度數組作為初始狀態，通過小時間間隔持續刷新，模擬未來的溫度狀態的變化，當導體溫度達到90C時，刷新計算累計的時間長度為對應該給定電流的許用時間；通過嘗試不同的給定電流，也可以求出對應給定持續時間的許用負荷。

3.1.2 DCR-II模型

（1）建模方案

內部結構參數：包括 DCR-I全部內部結構參數；鄰近環境層的熱容和熱阻，需要給定。

內部熱源參數：和 DCR-I相同，假設鄰近環境不包括除本回路其他相電纜的其他熱源。

DCR-II模型為一維數值仿真模型，是在DCR-I模型外側增加一個或一組虛擬的網格。

DCR-II模型難點在于邊界溫度和鄰近環境層參數未知。處理方法是僅增加一個熱容為零、熱阻為 T4（按照IEC60287全局模型計算）、邊界溫度為土壤環境溫度的設計值。

假如已知電纜環境為對流型，虛擬的網格也可僅為一層，其熱容為零。通過分析 DCR-I最近一個時期的電纜表面溫度和熱流響應曲線，可以辨識出空氣環境溫度和熱阻。假如已知電纜環境為傳導型，則可假定該鄰近體的直徑、給定周圍介質的熱容和熱阻，并分為多個網格，通過分析DCR-I最近一個時期的電纜表面溫度和熱流響應曲線，辨識出土壤環境溫度。

（2）48小時內許用負荷計算功能

和DCR-I類似。其假設模型邊界溫度在48小時內不變。將DCR-I和DCR-II的許用負荷的計算結果合并，可得到的界面的輸出，如圖8所示：

圖8 許用負荷的計算結果輸出圖

左邊的曲線即對應持續時間（X軸）的許用負荷（Y軸）曲線。在右邊提供了3個在線計算，得到日負荷曲線，如圖9所示：

圖9 日負荷曲線

利用該統計的日負荷曲線，采用DCR-II模型可以仿真未來的負荷溫度相應曲線，如圖10所示：

圖10 未來的負荷溫度仿真曲線

其中圖10中X軸為時間，豎線為當前時間，其右側的負荷溫度相應曲線為預測結果。

3.2 IEC60287算法的WEB應用程序

系統采用完整的IEC60287標準，實現多回路復雜場景計算，包括：電流、導體溫度和環境溫度之間的關系、導體交流電阻計算、絕緣損耗計算、屏蔽損耗因子計算、導體內部熱阻計算、電纜外部環境熱阻計算等。在常規硬件環境下，支持回路數量不小于32，關鍵場景不小于8個，單次全局導體溫度計算時間不大于12秒。系統能建立多回路多場景的全局耦合關系，可高效完成繁瑣的迭代計算，幫助用戶快速得到安全準確的計算結果。

3.2.1 算法原理

建模數據包括：電纜截面詳細結構圖，如電纜各層材料及尺寸標注，絕緣材料介質損耗角等；電纜的回路特性參數，如電壓、頻率；關鍵場景的截面圖，如結構材料及尺寸標注，各電纜坐標；場景的環境信息，如土壤環境溫度，土壤熱阻等；屏蔽層互聯及接地圖。基于以上信息，系統建立電纜數據庫，根據輸入的各回路額定電流，將查詢到所有相關的關鍵場景和其他回路，進行關聯的迭代計算，最終輸出全部相關回路的電纜導體溫度和電纜表面溫度，直接指示該組額定負荷的安全性和可用性，原理圖如圖11所示：

圖11 算法原理圖

另外，在有監測歷史數據庫的情況下，系統可以比對電纜表面溫度的計算結果和實測結果，可以校準環境參數，提升系統的計算準確性。

3.2.2 軟件界面示例

回路列表頁面，也是主要的輸入輸出界面，如圖12所示：

圖12 回路列表頁面

場景列表，顯示各場景中各電纜和回路的空間位置關系大致情況，并可對該單一場景進行IEC計算，如圖13所示：

圖13場景列表頁面

3.3 小結

電纜動態增容系統建立了完整的IEC全局模型的電纜數據庫專家系統，能在線計算各回路的載流量及其配比，通過提供交互式WEB用戶界面，幫助調度部門找到最佳運行負荷，為電力電纜安全運行和調度提供有效的決策支持。

4 總結

本文介紹了電力電纜動態增容系統，系統在現有 DTS測溫子系統的基礎上，增設本地的（設置在變電所）DCR動態載流量監測主機和一套中央系統。系統通過動態載流量技術，實現電纜負荷在線監測和許用負荷在線計算，在確保電力電纜有效安全壽命的前提下，充分地發揮現有電力電纜線路輸電潛能，實現電力電纜的動態增容。

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Research of the Dynamic Capacity Enlargement System of Cable

Zhou Yunjie1, Wang Mei1, Yang Feng2
(1. Shanghai Power Co Maintenance Company，Majoring in Feeder Cable Management,Shanghai200333,China; 2. ShanghaiBandweaver Technologies co., Ltd, Shanghai201204, China)

The paper proposes a dynamic capacity enlargement system of power cable. Firstly it introduces the function and composition of this system, and offeres the model of the carrying quantity. Then it introduces the WEB application of the system under the IEC60287 standard, which could give effective decision support to the cable safe service and dispatch.

Cable; Carrying Quantity; Dynamic Capacity Enlargement

TP311

A

2014.10.24)

1007-757X(2014)12-0038-04

周韞捷（1975-），江蘇宜興人，上海電力公司運檢公司，高級工程師，本科，研究方向：輸電電纜管理，上海，200333

王 媚（1970-），江蘇人，上海市電力公司運檢公司，工程師，本科，研究方向：電力系統科技創新管理，上海，200333

楊 峰（1975-），上海，上海波匯信息科技有限公司，本科，研究方向：電力系統在線監測系統研究開發，上海，201204