梁永春，劉雅麗，王宇翔

(河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018)

電力電纜實時載流量評估系統(tǒng)設(shè)計

梁永春，劉雅麗，王宇翔

(河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018)

為了提高電力電纜的利用率，合理調(diào)配電纜的實時負荷，利用實時環(huán)境參數(shù)監(jiān)測終端、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機構(gòu)成了高壓電力電纜實時載流量評估系統(tǒng)。并利用DS18B20、風力傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器和STM32嵌入式單片機對環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了對環(huán)境溫度、土壤濕度、土壤溫度、環(huán)境風力、環(huán)境光照等參數(shù)的實時采集，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，利用上位機結(jié)合VB6.0和ANSYS編制了高壓電力電纜溫度場和載流量計算軟件，實現(xiàn)了電力電纜參數(shù)數(shù)據(jù)庫存儲、敷設(shè)模式界面化操作、環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測與顯示、實時動態(tài)載流量的在線計算等功能。計算結(jié)果表明，高壓電力電纜的實時動態(tài)載流量系統(tǒng)能夠準確計算出受環(huán)境參數(shù)影響的高壓電力電纜的載流量，提高了計算效率，為電力部門調(diào)配電纜的實時負荷提供了依據(jù)。

高電壓工程；電力電纜；動態(tài)載流量；有限元；環(huán)境參數(shù)；實時監(jiān)測

高壓電力電纜載流量的準確評估對于保證電纜的使用壽命和安全可靠運行具有重要的作用，因此近年來國內(nèi)外開展了電力電纜載流量評估方法的研究[1]。雖然IEC也給出了計算電纜載流量的依據(jù)和公式，但IEC額定載流量的計算主要是依據(jù)給定的溫度、電纜型號、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，且電纜運維部門也需要掌握電力電纜的實時載流量，從而為電纜線路的倒修和負荷電流的調(diào)配提供依據(jù)?；诖?，國內(nèi)外研究人員采用通過電纜纜芯導(dǎo)體溫度評估的方法來預(yù)測當前環(huán)境條件下的電纜實時載流量。例如采用光纖測溫電纜、熱電偶檢測等手段監(jiān)測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估算實時載流量，從而作為調(diào)配負荷的依據(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)體溫度來推測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)的實時監(jiān)測與載流量評估方法相結(jié)合，構(gòu)建一套由環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測與上位機載流量計算相結(jié)合的高壓電力電纜實時動態(tài)載流量評估系統(tǒng)具有重要的意義。

1 高壓電力電纜實時動態(tài)載流量系統(tǒng)

高壓電力電纜實時動態(tài)載流量需要實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)[5]，例如空氣溫度、地表風速、光照強度、土壤濕度等等，然后計算機才能根據(jù)這些環(huán)境參數(shù)計算當前環(huán)境下的電纜實時載流量[6-7]，因而電力電纜實時動態(tài)載流量系統(tǒng)可分為環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測終端和上位機兩部分，各影響電力電纜載流量的環(huán)境參數(shù)由相應(yīng)傳感器和單片機監(jiān)測后通過流量模式上傳給上位機，如圖1所示。

圖1 電力電纜實時動態(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)實時監(jiān)測終端是為上位機提供實時的環(huán)境參數(shù)，該系統(tǒng)采用STM32F407單片機結(jié)合外部傳感器構(gòu)建，然后通過GPRS無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送給上位機，電力電纜實時動態(tài)載流量系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2 電力電纜實時動態(tài)載流量系統(tǒng)設(shè)計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)測環(huán)境空氣溫度，1片監(jiān)測土壤溫度，測量溫度范圍為-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，測量范圍為0～20萬Lux；土壤濕度由SM3002B濕度傳感器測量，運行環(huán)境土壤溫度為-30～85 ℃；由YGC-FS風速傳感器測量地表風速，測量范圍為0～70 m/s。這幾類信號均通過RS485信號傳給STM32F407單片機，利用STM32F407單片機接收這些傳感器給出的環(huán)境參數(shù)后，通過GY0110型GPRS模塊通過流量模式上傳給上位機。

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RS232串口發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后，接收標識符復(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、風速的十位數(shù)、風速的個位數(shù)、風速的十分位數(shù)、光照強度。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了便于操作，提高實用性，上位機不僅采用圖形化的操作界面和圖形化的按鈕，還建立了包含當前絕大多數(shù)電纜的數(shù)據(jù)庫，在使用過程中可以直接調(diào)用庫中的電纜參數(shù)進行計算，為了增加可擴展性，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，擴充數(shù)據(jù)庫。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，整個界面也圖形化地顯示電纜敷設(shè)的斷面圖，與此同時電纜參數(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)采用后臺調(diào)用ANSYS完成有限元計算，利用ShellAnd Wait函數(shù)啟動ANSYS，進行建模和仿真計算，計算方法為迭代法，當ANSYS仿真計算的纜芯最高溫度與交聯(lián)聚乙烯長期耐受溫升90 ℃之差在接受范圍之內(nèi)，該軟件停止計算，最后一次調(diào)整后的負荷電流為實施載流量[7]，并將結(jié)果顯示在計算軟件界面，實現(xiàn)了電力電纜實時動態(tài)載流量計算功能[13]。

3 軟件計算示例

3.1算例的實施背景和具體參數(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)境條件為計算條件，通過后臺軟件程序進行數(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，使用了移動電源來提高它的續(xù)航能力[9]。當接收模塊接收到采集的數(shù)據(jù)后，會全部存入數(shù)組，然后進行一系列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[10]，轉(zhuǎn)換的格式通過VB代碼進行編寫，最終轉(zhuǎn)為用戶能讀懂的數(shù)據(jù)并顯示出來。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計算結(jié)果及與其他算法的對比分析

根據(jù)表1的電纜參數(shù)和圖5的環(huán)境參數(shù)，通過后臺軟件處理得到結(jié)果，同時可以根據(jù)使用者的需求進行結(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，利用該軟件計算結(jié)果為987 A，界面顯示如圖6所示。

圖6 算例計算結(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)代入公式中進行計算，計算結(jié)果為900 A，有限元計算結(jié)果稍大于IEC計算結(jié)果，符合有限元數(shù)值計算方法會適度提高載流量計算結(jié)果的實現(xiàn)[12]。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)擁有逆向求解能力，不需要評估者人為編寫土壤熱阻、環(huán)境溫度、土壤濕度、風速等外界環(huán)境參數(shù)，僅需要通過環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測電纜周圍環(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，然后結(jié)合以上信息，編制高壓電力電纜溫度場與載流量的計算軟件，并通過動態(tài)載流量計算評估系統(tǒng)進行后臺處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了電力電纜參數(shù)數(shù)據(jù)庫存儲、敷設(shè)模式界面化操作、環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測與顯示、實時動態(tài)載流量的在線計算等功能，最終得到需要的結(jié)果，進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)配電纜的實時負荷。

該動態(tài)載流量評估系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)和電纜溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠與實際相結(jié)合，所以產(chǎn)生的誤差最小。因此，用動態(tài)載流量評估系統(tǒng)軟件通過計算機后臺處理得到的土壤熱阻、環(huán)境溫度、土壤濕度、風速等參數(shù)預(yù)測載流量，結(jié)果更加準確。

該系統(tǒng)上位機軟件中的VB損耗計算程序較為復(fù)雜，計算時間較長，精準度也不如ANSYS，所以未來關(guān)于上位機軟件后臺調(diào)用ANSYS損耗命令流來實現(xiàn)電力電纜損耗計算功能的實現(xiàn)有待進一步研究。

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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.電力電纜實時載流量評估系統(tǒng)設(shè)計[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.