李子新，王 碩，趙 隆，趙耀新，文洪兵，李保國

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門 529030；2.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安 710048）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)電力供不應(yīng)求的局面日益突顯。電網(wǎng)面臨諸多挑戰(zhàn)，目前解決該問題的主要方法為動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，挖掘線路的輸送潛力，增容技術(shù)的關(guān)鍵是需要精確把握輸電線路運(yùn)行溫度[1]。輸電線路的載流量通常與自身電流、周圍環(huán)境及散熱相關(guān)[2-3]。典型的架空輸電線路溫度與輸電容量的關(guān)系，主要涉及導(dǎo)線和線夾的物理參數(shù)、環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向和日照強(qiáng)度等[4]。為此，有關(guān)學(xué)者對(duì)導(dǎo)線熱穩(wěn)定監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)增容技術(shù)研究進(jìn)行了許多研究。測(cè)溫是導(dǎo)線熱穩(wěn)定性判斷的基礎(chǔ)，特定的導(dǎo)線測(cè)溫技術(shù)，為實(shí)時(shí)獲取導(dǎo)線溫度提供了可靠手段[5]，也為動(dòng)態(tài)增容計(jì)算提供了基本參數(shù)。對(duì)于導(dǎo)線允許載流量計(jì)算中個(gè)別參數(shù)不易取值的現(xiàn)象，有學(xué)者提出基于模糊算法的載流量限額計(jì)算方法，一定程度上降低了計(jì)算誤差[6]。為了尋找載流量瓶頸，朱文衛(wèi)等人針對(duì)導(dǎo)線與電纜交接處開展了三維的溫度場(chǎng)仿真，探索了電纜登桿間距與載流量瓶頸的關(guān)系[7]。在動(dòng)態(tài)增容的多種影響因素中，風(fēng)的影響至關(guān)重要。有學(xué)者針對(duì)區(qū)域性氣候條件的差異性，提出一種基于當(dāng)?shù)啬硡^(qū)域風(fēng)速場(chǎng)特征的輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，該方法基于流體場(chǎng)仿真分析了動(dòng)態(tài)增容實(shí)施的可行性[8]。實(shí)時(shí)上，很多研究表明，流場(chǎng)對(duì)散熱具有直接影響[9-10]。針對(duì)氣流對(duì)導(dǎo)線表面對(duì)流換熱的研究，主要集中在線路覆冰。如彭志勇等研究了融冰過程中導(dǎo)線表面溫度分布規(guī)律[11]。袁肖雷等進(jìn)行了融冰的傳熱分析，分析了迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)的融冰規(guī)律[12]。為此，有學(xué)者提出基于環(huán)境去耦模型的架空導(dǎo)線動(dòng)態(tài)增容方法[13]。此外，國外在輸電線路動(dòng)態(tài)增容方面還提出了導(dǎo)線溫度模型[14]和張力模型[15]，本文依據(jù)傳熱學(xué)[16]和流體力學(xué)理論[17]，以LGJ400/35 型鋼芯鋁絞線為例，研究了導(dǎo)線實(shí)際運(yùn)行過程中的導(dǎo)線溫度分布規(guī)律，并給出了在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的前提下的隱形容量計(jì)算方法，后結(jié)合無線傳感器設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)線溫度感知系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)應(yīng)用；詳細(xì)描述了傳感器工作原理，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

1 導(dǎo)線溫度分布規(guī)律

安全系數(shù)是線路設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，而其關(guān)鍵參數(shù)是線路弧垂。對(duì)于運(yùn)行中的導(dǎo)線，導(dǎo)線溫度直接決定弧垂的大小。然而，導(dǎo)線溫度不僅僅與導(dǎo)線自身載流量有關(guān)，而且與所處的自然環(huán)境相關(guān)，如風(fēng)速風(fēng)向、環(huán)境溫濕度、日照輻射強(qiáng)度等參數(shù)均影響導(dǎo)線溫度。此外，導(dǎo)線本體的散熱系數(shù)、吸熱系數(shù)和其他自身物理參數(shù)也影響導(dǎo)線溫度[18]。本文主要論證導(dǎo)線溫度受外界環(huán)境條件（環(huán)境溫度、環(huán)境濕度）和導(dǎo)線性能和尺寸（導(dǎo)線的吸熱系數(shù)、輻射系數(shù)、導(dǎo)線允許溫度、導(dǎo)線載流量）的影響，并研究導(dǎo)線溫度分布規(guī)律。

1.1 導(dǎo)線溫度分布仿真

鋼芯鋁絞線由鋼芯和鋁線絞合組成，且每一層導(dǎo)線絞向不同[19]，具有良好的鋁導(dǎo)電性和鋼的強(qiáng)度，是目前最常用的架空導(dǎo)線之一[20]。本文以LGJ400/35 型鋼芯鋁絞線為例，利用有限體積的分析方法對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行建模計(jì)算。采用ANSYS 流-熱-固耦合模塊考慮周圍環(huán)境和流場(chǎng)影響計(jì)算在不同電流下導(dǎo)線的溫度場(chǎng)變化情況，并給出了導(dǎo)線載流量為550 A 時(shí)的導(dǎo)線溫度分布云圖。設(shè)置外流場(chǎng)區(qū)域?yàn)榭諝?；設(shè)置速度入口velocity-inlet，速度大小為2 m/s；環(huán)境溫度為20℃；設(shè)置壓力出口pressure-outlet 速度大小與入口速度同步；導(dǎo)線部分為鋼芯鋁絞線，鋼芯層和鋁線層分別賦予其不同的材料屬性。在本文中，輻射模型采用DO 模型。其中，輸電導(dǎo)線物理模型如圖1 所示。

圖1 LGJ400/35型鋼芯鋁絞線仿真模型示意圖Fig.1 Simulation model of LGJ400/35 aluminum conductor steel reinforced

本文建立了輸電導(dǎo)線的外流場(chǎng)模型，根據(jù)流體力學(xué)分析，模型的基本控制方程有質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，由于沿著導(dǎo)線表面的氣流為湍流，因此在Ansys 的FLUENT 模塊中選擇湍流模型。本文采用Realizable k-ε模型[21]，導(dǎo)線載流量為550 A 時(shí)，風(fēng)速分別為0.5 m/s 和2 m/s 時(shí)的導(dǎo)線溫度仿真圖如圖2 所示。

圖2 載流量為550A時(shí)導(dǎo)線徑向溫度分布云圖Fig.2 Cloud diagram of radial temperature distribution of wire with 550 A load capacity

從圖2（a）可以看出導(dǎo)線徑向溫度的規(guī)律，即背風(fēng)側(cè)內(nèi)層鋁線溫度最高，鋼芯溫度次之，迎風(fēng)側(cè)內(nèi)層鋁線略小于背風(fēng)側(cè)表面鋁線，上下側(cè)表面鋁線由于進(jìn)壁流場(chǎng)加速而溫度明顯小于背風(fēng)側(cè)表面鋁線，迎風(fēng)側(cè)表面鋁線受風(fēng)面積最大因此溫度最低。從圖2（b）可以看出，當(dāng)風(fēng)速從0.5 m/s 增加到2 m/s時(shí)，溫度分布的規(guī)律保持不變。

1.2 導(dǎo)線熱平衡方程

在不考慮導(dǎo)線電流的熱效應(yīng)時(shí)，熱穩(wěn)態(tài)下的導(dǎo)線溫度與環(huán)境溫度相同。而考慮電流的作用時(shí)，由于熱效應(yīng)使得導(dǎo)線本體溫度升高，同時(shí)導(dǎo)線與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的過程[22-23]，此時(shí)導(dǎo)線溫度也達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度，如式（1）所示：

式中：Pr為導(dǎo)線向外界的輻射散熱；Pc為導(dǎo)線與外界空氣的對(duì)流散熱；Ps為導(dǎo)線從太陽輻射吸收的熱量；RT為工作溫度下導(dǎo)線的單位長(zhǎng)度交流電阻。

在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，導(dǎo)線的輻射散熱Pr可以由式（2）計(jì)算

式中：s為斯蒂芬-波爾茨曼常數(shù)，s=5.67×10-8；D為導(dǎo)線直徑；T0為環(huán)境溫度；Tc為導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度；ke為導(dǎo)線表面輻射系數(shù)，磨損較少的新線一般取0.23～0.46，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的老舊線一般取0.9～0.95。

由于自然風(fēng)的存在，強(qiáng)迫對(duì)流散發(fā)出的熱損耗Pc由式（3）計(jì)算：

何小勇悉心照料著青瓷，給她洗衣服，給她做飯，他把所有能想到的能討好她的方法都用盡了。然后有一天就傳來王金貴被打的消息，躺在醫(yī)院里兩天才把小命搶救過來。

式中：λ為與導(dǎo)體相接觸的空氣膜導(dǎo)熱系數(shù)假定為0.02585；Nu為歐拉數(shù)。

式中：Re為雷諾數(shù)。

式中：v為風(fēng)速。

導(dǎo)線從太陽輻射吸收的熱量Ps由式（6）計(jì)算：

式中：γ為吸熱系數(shù)，磨損較少的新線一般取0.23～0.46，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的老舊線一般取0.9～0.95；Si為日照總輻射。

通過式（1）—式（6）計(jì)算出線路最大載流量：

由式（7）可知，在線路運(yùn)行溫度不超過70℃的運(yùn)行規(guī)程下，根據(jù)環(huán)境溫度、風(fēng)速、日照強(qiáng)度的變化可以動(dòng)態(tài)調(diào)整導(dǎo)線的最大載流量，從而實(shí)現(xiàn)輸電線路隱性容量的深度挖掘。而實(shí)際運(yùn)行過程中，環(huán)境溫度、風(fēng)速、日照強(qiáng)度均可以通過狀態(tài)感知系統(tǒng)獲取，為動(dòng)態(tài)增容計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 導(dǎo)線溫度感知系統(tǒng)

輸電量增大、導(dǎo)線磨損、雷擊、異常炎熱氣候都有可能引起導(dǎo)線溫度異常升高，從而導(dǎo)致線路起火、熔斷以及弧垂?fàn)顩r異常，引發(fā)電力系統(tǒng)安全事故，使國民經(jīng)濟(jì)造成不可估量的損失，本文設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)線溫度感知系統(tǒng)來解決導(dǎo)線溫度異常升高問題。

2.1 感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)線溫度感知系統(tǒng)是集合電力系統(tǒng)運(yùn)維、調(diào)度兩大功能，包含參數(shù)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、負(fù)荷預(yù)測(cè)等功能。軟件功能層主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層3個(gè)層面。其體系架構(gòu)如圖3 所示。其中，導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)從以下3 個(gè)層面開展工作：

圖3 系統(tǒng)構(gòu)架Fig.3 Architecture of wire temperature sensing system

1）感知層：通過無源無線溫度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、日照傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器等傳感器感知輸電線路及開關(guān)設(shè)備的溫度信息，然后由監(jiān)測(cè)裝置采集打包。

2）網(wǎng)絡(luò)層：監(jiān)測(cè)裝置或監(jiān)控裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)層的中間層，根據(jù)區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，可選擇4G/光纖的通信方式，傳輸數(shù)據(jù)[24]。

3）系統(tǒng)層：是軟件部署層，主要布置在電力公司的數(shù)據(jù)中心，軟件可部署在Centos 8.0 系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用MySQL 8.0，軟件包括普通應(yīng)用功能和高級(jí)應(yīng)用功能。

2.2 感知層設(shè)計(jì)

感知層數(shù)據(jù)采集主要為安裝在鐵塔或?qū)Ь€上的各類狀態(tài)感知裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，主要包含：無源無線溫度傳感器、無源無線電流傳感器和氣象傳感器，其中無源無線溫度傳感器、無源無線電流傳感器采用無源取電方式，氣象傳感器采用蓄電池結(jié)合太陽能的供電方式。

1）無線傳感器。無線傳感器主要包含無源無線溫度傳感器、無源無線導(dǎo)線電流傳感器和氣象傳感器，其實(shí)物圖如圖4 所示，其功能如下：

圖4 無線傳感器實(shí)物圖Fig.4 Picture of real wireless sensor

（1）無源無線溫度傳感用于輸電線路導(dǎo)線或線夾溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的傳感器。采用鉑電阻進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，測(cè)溫范圍寬，精度高，除滿足正常導(dǎo)線或線夾溫度測(cè)量外，還可以用于特種耐溫導(dǎo)線或線路可能出現(xiàn)的故障點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)；

（2）無源無線電流傳感器用于監(jiān)測(cè)輸電線路導(dǎo)線實(shí)時(shí)載流量的傳感器。采用計(jì)量用開合式高壓電流互感器進(jìn)行載流量監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度高；

（3）微氣象傳感器用于測(cè)量輸電線路所處環(huán)境的氣象條件的傳感器，其測(cè)量參數(shù)包括：風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度、環(huán)境濕度等。采用專用的高精度氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。

2）傳感器供電方式。無源無線溫度傳感器和無源無線電流傳感器都采用無源供電的方式，夾在線路上的導(dǎo)線電流傳感器通過互感取能為自身供電，其結(jié)構(gòu)主要包括供電電流互感器、整流濾波保護(hù)電路、DC/DC 降壓電路、低壓差線性穩(wěn)壓電路以及欠壓無壓檢測(cè)電路。電流互感器的取能結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)線電流傳感器供電方式Fig.5 Power supply of current sensor for wire

氣象傳感器采用太陽能充電結(jié)合蓄電池供電的方式，能夠長(zhǎng)時(shí)間保證氣象傳感器的運(yùn)行。由于太陽能板輸出電壓受天氣影響，電源控制模塊實(shí)時(shí)采集太陽能板輸出電壓及電流，并采用脈沖寬度調(diào)制將電壓穩(wěn)定在12 V，為蓄電池充電。同時(shí)對(duì)蓄電池電壓及充電電流實(shí)時(shí)測(cè)量，計(jì)算電池充電程度，避免出現(xiàn)過充過放，其工作原理圖如圖6 所示。

圖6 氣象傳感器工作原理圖Fig.6 Block diagram for working principle of weather sensor

2.3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層的主要設(shè)備為中繼器，中繼器承擔(dān)著接收感知層發(fā)送的數(shù)據(jù)的作用，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到系統(tǒng)層，這些任務(wù)導(dǎo)致其工作功耗非常高，因此選擇微處理器時(shí)必須考慮到低功耗設(shè)計(jì)，因此本文選用了帶浮點(diǎn)運(yùn)算的超低功耗的，基于Arm Cortex-M4 架構(gòu)的STM32L476RET6，其具有浮點(diǎn)單元單精度，支持所有單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，并且該芯片具有512KB 的Flash 存儲(chǔ)器和一個(gè)存儲(chǔ)器保護(hù)單元，增強(qiáng)了應(yīng)用程序的安全性。其中，中繼器的硬件框圖如圖7 所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖8 所示。

圖7 中繼器硬件框圖Fig.7 Block diagram of repeater hardware

圖8 中繼器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.8 Site installation of repeater

網(wǎng)絡(luò)層的通信模塊采用了LoRa 無線通信模塊和4G 無線通信模塊進(jìn)行通信，其中，LoRa 無線通信模塊是完成中繼器與終端層之間的傳輸。4G 無線通信模塊是完成系統(tǒng)層與中繼器之間的數(shù)據(jù)傳輸。其中LoRa 通信單元如圖9 所示，4G 通信單元如圖10 所示。

圖9 LoRa通信單元Fig.9 LoRa communication unit

圖10 4G通信單元Fig.10 4G communication unit

2.4 系統(tǒng)層設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心軟件可以管理所有輸電導(dǎo)線溫度、微氣象以及導(dǎo)線電流在線監(jiān)測(cè)裝置的信息。監(jiān)控中心包括普通應(yīng)用功能和高級(jí)應(yīng)用功能，其中普通應(yīng)用功能包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、趨勢(shì)圖表分析、狀態(tài)信息查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程更新升級(jí)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，高級(jí)應(yīng)用是圍繞載流量提升及熱穩(wěn)定性校驗(yàn)的核心要求設(shè)計(jì)，包括載流量計(jì)算、輸電線路熱校驗(yàn)、狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、輔助決策等功能。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

由于架空輸電線路中導(dǎo)線和線夾自身的結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)外散熱條件的不同，導(dǎo)致輸電導(dǎo)線存在徑向溫度差，長(zhǎng)期運(yùn)行的導(dǎo)線由于表面積污不均勻溫度場(chǎng)分布存在差異，根據(jù)架空輸電線路溫度場(chǎng)數(shù)值模擬可實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線徑向溫度場(chǎng)的計(jì)算。本文設(shè)計(jì)并搭建了一套測(cè)溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，得到了不和不同運(yùn)行條件下架空輸電線路的溫度分布，并取得了相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

架空輸電線路測(cè)溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包含兩部分：升流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和溫度測(cè)試平臺(tái)，如圖11 所示：

圖11 架空輸電線路溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 Experimental platform for overhead transmission line temperature testing

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模擬風(fēng)洞尺寸設(shè)計(jì)為2 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，可以確保輸電線路附近的空氣不受其結(jié)構(gòu)的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中，利用升流器導(dǎo)線以50 A 為步長(zhǎng)使流經(jīng)導(dǎo)線電流有200 A 增加至550 A，并由大電流監(jiān)測(cè)裝置對(duì)施加的電流進(jìn)行測(cè)量，由裝在導(dǎo)線上的無源無線溫度傳感器獲得溫度數(shù)據(jù)，利用變壓風(fēng)機(jī)測(cè)得0～5 m/s 風(fēng)速變化的導(dǎo)線溫度數(shù)據(jù)，搭建完成的實(shí)驗(yàn)測(cè)溫平臺(tái)如圖12 所示。

圖12 溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)Fig.12 Test platform for temperature experiment

3.2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為了研究導(dǎo)線性能，并獲得在相同溫度測(cè)點(diǎn)、不同載流量的條件下導(dǎo)線的溫度對(duì)比，我們給導(dǎo)線施加不同的載流量獲取溫度值，如圖13（a）所示。由于導(dǎo)線載流量小于400 A 時(shí)，施加風(fēng)速導(dǎo)線溫度變化不明顯。因此，進(jìn)行了400 A，450 A，500 A，550 A 4 種載流量時(shí)，風(fēng)速為0 m/s 和2 m/s 的導(dǎo)線溫度實(shí)驗(yàn)，溫度變化趨勢(shì)如圖13（b）所示。

圖13 導(dǎo)線溫度變化趨勢(shì)Fig.13 Temperature change trend of wire

由圖13 可知，導(dǎo)線在不同載流量下的溫度變化十分平緩，趨勢(shì)也基本相同。當(dāng)風(fēng)速為0 m/s 時(shí)，導(dǎo)線在550 A 時(shí)溫度僅為56.44 ℃，遠(yuǎn)小于導(dǎo)線運(yùn)行允許的70 ℃。同時(shí)，從表1 可以看出，當(dāng)出現(xiàn)2 m/s 的風(fēng)速時(shí)，導(dǎo)線散熱得到極大改善。導(dǎo)線運(yùn)行電流550 A 時(shí)，導(dǎo)線溫度僅為38.3 ℃，比風(fēng)速為0 m/s 時(shí)降低了18.1 ℃，說明導(dǎo)線擁有很大的增容空間。

表1 風(fēng)速為0 m/s和2 m/s時(shí)導(dǎo)線溫度統(tǒng)計(jì)Table 1 Wire temperature statistics when wind speed is 0 m/s and 2 m/s

4 結(jié)語

本文建立了LGJ400/35 型鋼芯鋁絞線有限元模型，分析了在不同電流下導(dǎo)線徑向溫度變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器的溫度感知系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，受空氣對(duì)流影響，載流量恒定時(shí)導(dǎo)線徑向溫度并不處處相同，迎風(fēng)側(cè)溫度最低，而背風(fēng)側(cè)內(nèi)層鋁線溫度最高。

此外，運(yùn)行中的導(dǎo)線，風(fēng)速對(duì)導(dǎo)線散熱作用較大，當(dāng)風(fēng)速為2 m/s 時(shí)，導(dǎo)線溫度可降低18.1 ℃。因此在實(shí)際運(yùn)行中，考慮風(fēng)速的影響可以極大提高輸電線路的載流量，從而促進(jìn)動(dòng)態(tài)增容技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。