電力電纜實(shí)時(shí)載流量評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁永春，劉雅麗，王宇翔

(河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

電力電纜實(shí)時(shí)載流量評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁永春，劉雅麗，王宇翔

(河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

為了提高電力電纜的利用率，合理調(diào)配電纜的實(shí)時(shí)負(fù)荷，利用實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)終端、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機(jī)構(gòu)成了高壓電力電纜實(shí)時(shí)載流量評(píng)估系統(tǒng)。并利用DS18B20、風(fēng)力傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器和STM32嵌入式單片機(jī)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度、土壤濕度、土壤溫度、環(huán)境風(fēng)力、環(huán)境光照等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，并利用GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊將環(huán)境參數(shù)傳送到上位機(jī)，利用上位機(jī)結(jié)合VB6.0和ANSYS編制了高壓電力電纜溫度場(chǎng)和載流量計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了電力電纜參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、敷設(shè)模式界面化操作、環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量的在線計(jì)算等功能。計(jì)算結(jié)果表明，高壓電力電纜的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計(jì)算出受環(huán)境參數(shù)影響的高壓電力電纜的載流量，提高了計(jì)算效率，為電力部門調(diào)配電纜的實(shí)時(shí)負(fù)荷提供了依據(jù)。

高電壓工程；電力電纜；動(dòng)態(tài)載流量；有限元；環(huán)境參數(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

高壓電力電纜載流量的準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)于保證電纜的使用壽命和安全可靠運(yùn)行具有重要的作用，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開展了電力電纜載流量評(píng)估方法的研究[1]。雖然IEC也給出了計(jì)算電纜載流量的依據(jù)和公式，但I(xiàn)EC額定載流量的計(jì)算主要是依據(jù)給定的溫度、電纜型號(hào)、排列方式和敷設(shè)方式給出的，而高壓電力電纜載流量的影響因素眾多，且電纜運(yùn)維部門也需要掌握電力電纜的實(shí)時(shí)載流量，從而為電纜線路的倒修和負(fù)荷電流的調(diào)配提供依據(jù)?；诖?，國(guó)內(nèi)外研究人員采用通過(guò)電纜纜芯導(dǎo)體溫度評(píng)估的方法來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前環(huán)境條件下的電纜實(shí)時(shí)載流量。例如采用光纖測(cè)溫電纜、熱電偶檢測(cè)等手段監(jiān)測(cè)電纜的金屬熱溫度或表面溫度，然后利用熱路模型推算纜芯導(dǎo)體溫度，根據(jù)導(dǎo)體溫度與絕緣耐受溫升之間的差值來(lái)估算實(shí)時(shí)載流量，從而作為調(diào)配負(fù)荷的依據(jù)[2-3]。由于影響電纜載流量因素眾多，電纜的載流量還與環(huán)境中的溫度、風(fēng)速、光照、土壤導(dǎo)熱系數(shù)等密切相關(guān)，僅僅根據(jù)纜芯導(dǎo)體溫度來(lái)推測(cè)載流量還有一定的困難，并存在一定的偏差[4]，因而將環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與載流量評(píng)估方法相結(jié)合，構(gòu)建一套由環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與上位機(jī)載流量計(jì)算相結(jié)合的高壓電力電纜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量評(píng)估系統(tǒng)具有重要的意義。

1 高壓電力電纜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量系統(tǒng)

高壓電力電纜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)[5]，例如空氣溫度、地表風(fēng)速、光照強(qiáng)度、土壤濕度等等，然后計(jì)算機(jī)才能根據(jù)這些環(huán)境參數(shù)計(jì)算當(dāng)前環(huán)境下的電纜實(shí)時(shí)載流量[6-7]，因而電力電纜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量系統(tǒng)可分為環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端和上位機(jī)兩部分，各影響電力電纜載流量的環(huán)境參數(shù)由相應(yīng)傳感器和單片機(jī)監(jiān)測(cè)后通過(guò)流量模式上傳給上位機(jī)，如圖1所示。

圖1 電力電纜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量系統(tǒng)Fig.1 Real-time dynamic current carrying capacity system for power cables

環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端是為上位機(jī)提供實(shí)時(shí)的環(huán)境參數(shù)，該系統(tǒng)采用STM32F407單片機(jī)結(jié)合外部傳感器構(gòu)建，然后通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，電力電纜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電力電纜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of real-time dynamic current carrying capacity of power cable

溫度部分采用2片DS18B20溫度傳感器，1片監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣溫度，1片監(jiān)測(cè)土壤溫度，測(cè)量溫度范圍為-55～125 ℃，最大精度為±0.5 ℃，其分辨率能夠利用程序設(shè)置成9～12位，默認(rèn)12位，數(shù)據(jù)線直接與STM32F407相連；地表光照由RS-GZWS-N01傳感器采集，測(cè)量范圍為0～20萬(wàn)Lux；土壤濕度由SM3002B濕度傳感器測(cè)量，運(yùn)行環(huán)境土壤溫度為-30～85 ℃；由YGC-FS風(fēng)速傳感器測(cè)量地表風(fēng)速，測(cè)量范圍為0～70 m/s。這幾類信號(hào)均通過(guò)RS485信號(hào)傳給STM32F407單片機(jī)，利用STM32F407單片機(jī)接收這些傳感器給出的環(huán)境參數(shù)后，通過(guò)GY0110型GPRS模塊通過(guò)流量模式上傳給上位機(jī)。

該終端與GPRS模塊間數(shù)據(jù)通訊為串口通訊，按照已經(jīng)規(guī)定好的格式通過(guò)RS232串口發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后，接收標(biāo)識(shí)符復(fù)位。其發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為溫度傳感器1(采集的溫度)、溫度傳感器2(采集的溫度)、土壤濕度、風(fēng)速的十位數(shù)、風(fēng)速的個(gè)位數(shù)、風(fēng)速的十分位數(shù)、光照強(qiáng)度。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了便于操作，提高實(shí)用性，上位機(jī)不僅采用圖形化的操作界面和圖形化的按鈕，還建立了包含當(dāng)前絕大多數(shù)電纜的數(shù)據(jù)庫(kù)，在使用過(guò)程中可以直接調(diào)用庫(kù)中的電纜參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，為了增加可擴(kuò)展性，系統(tǒng)提供了電纜新增操作，可以在后續(xù)使用中增加新電纜，擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software system design

該系統(tǒng)軟件采用VB 6.0搭建編制，電纜的敷設(shè)方式選擇了采用圖形化的按鈕，整個(gè)界面也圖形化地顯示電纜敷設(shè)的斷面圖，與此同時(shí)電纜參數(shù)也采用圖形化界面，提高了軟件使用的交互性，敷設(shè)方式圖形化界面如圖4所示。

圖4 敷設(shè)方式圖形化界面Fig.4 Graphical interface of the laying way

考慮到電纜載流量計(jì)算采用有限元數(shù)值分析的方法，而利用軟件編寫有限元的程序?qū)⒎浅?fù)雜[8-15]，本系統(tǒng)采用后臺(tái)調(diào)用ANSYS完成有限元計(jì)算，利用ShellAnd Wait函數(shù)啟動(dòng)ANSYS，進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，計(jì)算方法為迭代法，當(dāng)ANSYS仿真計(jì)算的纜芯最高溫度與交聯(lián)聚乙烯長(zhǎng)期耐受溫升90 ℃之差在接受范圍之內(nèi)，該軟件停止計(jì)算，最后一次調(diào)整后的負(fù)荷電流為實(shí)施載流量[7]，并將結(jié)果顯示在計(jì)算軟件界面，實(shí)現(xiàn)了電力電纜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量計(jì)算功能[13]。

3 軟件計(jì)算示例

3.1算例的實(shí)施背景和具體參數(shù)

以800 mm2YJLW02 XPLE的電力電纜為例，根據(jù)電纜的尺寸參數(shù)及其周圍環(huán)境條件為計(jì)算條件，通過(guò)后臺(tái)軟件程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到需要的載流量，電力電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。敷設(shè)條件：電力電纜的纜間距為200 mm；電纜的埋深為1 000 mm；回填沙土距離電力電纜約200 mm；上下距離電力電纜的尺寸為200 mm；土壤熱阻為1.0 ℃·m/W,沙土熱阻為2 ℃·m/W。

表1 電力電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了得到電廠周圍的環(huán)境參數(shù)，將環(huán)境參數(shù)的采集系統(tǒng)設(shè)置在電廠周圍，為了解決傳感器電力的不足，使用了移動(dòng)電源來(lái)提高它的續(xù)航能力[9]。當(dāng)接收模塊接收到采集的數(shù)據(jù)后，會(huì)全部存入數(shù)組，然后進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[10]，轉(zhuǎn)換的格式通過(guò)VB代碼進(jìn)行編寫，最終轉(zhuǎn)為用戶能讀懂的數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)。圖5為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后環(huán)境參數(shù)顯示界面圖。

圖5 環(huán)境參數(shù)顯示界面Fig.5 Environment parameter display interface

3.2計(jì)算結(jié)果及與其他算法的對(duì)比分析

根據(jù)表1的電纜參數(shù)和圖5的環(huán)境參數(shù)，通過(guò)后臺(tái)軟件處理得到結(jié)果，同時(shí)可以根據(jù)使用者的需求進(jìn)行結(jié)果保存等操作[11]。以前邊的800 mm2電力電纜及其敷設(shè)條件為例，不考慮回填沙土，電力電纜外為均勻土壤，且熱阻維持在1.0 ℃·m/W時(shí)，利用該軟件計(jì)算結(jié)果為987 A，界面顯示如圖6所示。

圖6 算例計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of the case

據(jù)IEC-60287的原理，將上述算例的參數(shù)代入公式中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為900 A，有限元計(jì)算結(jié)果稍大于IEC計(jì)算結(jié)果，符合有限元數(shù)值計(jì)算方法會(huì)適度提高載流量計(jì)算結(jié)果的實(shí)現(xiàn)[12]。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)擁有逆向求解能力，不需要評(píng)估者人為編寫土壤熱阻、環(huán)境溫度、土壤濕度、風(fēng)速等外界環(huán)境參數(shù)，僅需要通過(guò)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜周圍環(huán)境情況，利用GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊將這些數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，然后結(jié)合以上信息，編制高壓電力電纜溫度場(chǎng)與載流量的計(jì)算軟件，并通過(guò)動(dòng)態(tài)載流量計(jì)算評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行后臺(tái)處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了電力電纜參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、敷設(shè)模式界面化操作、環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量的在線計(jì)算等功能，最終得到需要的結(jié)果，進(jìn)而提高了電力電纜的利用率，從而能夠有效指導(dǎo)合理調(diào)配電纜的實(shí)時(shí)負(fù)荷。

該動(dòng)態(tài)載流量評(píng)估系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)和電纜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠與實(shí)際相結(jié)合，所以產(chǎn)生的誤差最小。因此，用動(dòng)態(tài)載流量評(píng)估系統(tǒng)軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)后臺(tái)處理得到的土壤熱阻、環(huán)境溫度、土壤濕度、風(fēng)速等參數(shù)預(yù)測(cè)載流量，結(jié)果更加準(zhǔn)確。

該系統(tǒng)上位機(jī)軟件中的VB損耗計(jì)算程序較為復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，精準(zhǔn)度也不如ANSYS，所以未來(lái)關(guān)于上位機(jī)軟件后臺(tái)調(diào)用ANSYS損耗命令流來(lái)實(shí)現(xiàn)電力電纜損耗計(jì)算功能的實(shí)現(xiàn)有待進(jìn)一步研究。

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Design of real-time current carrying capacity evaluation system for power cable

LIANG Yongchun, LIU Yali, WANG Yuxiang

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In order to give out the advice for power grid to manage the real-time current-carrying capacity of power cable and improve the utilization of power cables, the real time current-carrying capacity evaluation system is constructed for high voltage power cable including the terminal to monitor real time environment parameters, GPRS to transmit the environment data and the main computer. First of all, the real-time environmental parameters monitoring system consisting of DS18B20, wind sensor, soil temperature and humidity sensor, illumination sensor and STM32 embedded MCU is designed, realizing real-time collection of the environmental parameters such as ambient temperature, soil moisture, soil temperature, ambient wind and light, and so on. The environment data is transmitted to the main computer by GPRS data transmission module. By using the computer combing VB6.0 and ANSYS, the software is programmed to calculated the temperature and current-carrying capacity of high voltage power cable. Some functions, such as database storage of power cable size, window mode to show the arrangement of cables, real-time monitoring and show of environment parameters and on-line calculation of real-time current-carrying capacity, are realized in the system. Studying the real-time current-carrying capacity system of high voltage power cable is of great significance to rationally arrange the load of the cable in real time.

high voltage engineering; electric power cable; dynamic carrying capacity; finite element method; environment parameters; real-time monitoring

1008-1534(2017)05-0334-05

2017-04-24;

2017-06-05；責(zé)任編輯：李 穆

梁永春(1971—)，男，河北井陘人，教授，博士，主要從事電力電纜載流量評(píng)估、電力電纜老化等方面的研究。

E-mail:lycocean@163.com

TM835.4

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05005

梁永春，劉雅麗，王宇翔.電力電纜實(shí)時(shí)載流量評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技,2017,34(5):334-338. LIANG Yongchun, LIU Yali, WANG Yuxiang.Design of real-time current carrying capacity evaluation system for power cable[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(5):334-338.