嚴(yán)有祥，朱 婷，王 蕾，張偉剛，陳朝暉

（1.國網(wǎng)廈門供電公司，廈門 361006；2.廈門理工學(xué)院福建省高電壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門 361024）

在智能電網(wǎng)快速發(fā)展的同時(shí)，電力運(yùn)營的安全性問題已引起人們的廣泛關(guān)注，對(duì)于電力系統(tǒng)技術(shù)管理和負(fù)載評(píng)定的要求也越來越高[1-3]。輸電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中僅提供電纜表面溫度等信息已無法滿足相關(guān)業(yè)務(wù)部門的使用要求，因此迫切需要適應(yīng)實(shí)際需要的電纜溫度監(jiān)控和動(dòng)態(tài)載流量分析的在線監(jiān)控系統(tǒng)，為電力行業(yè)特別是電纜管理相關(guān)的生產(chǎn)、運(yùn)行、檢修提供服務(wù)。

近年來，關(guān)于電纜動(dòng)態(tài)增容的研究在國內(nèi)外已有相關(guān)的研究成果[4-7]。文獻(xiàn)[4]介紹了上海市某變電站的一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)檢測(cè)各回路電纜的表面溫度分布，并訪問監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集SCADA（supervisory control anddata acquisition）系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)負(fù)荷電流。文獻(xiàn)[5]介紹了一種電量采集單元，該單元通過安全方式連接SCADA或安裝安全型電流傳感器獲得各回路實(shí)時(shí)電流。文獻(xiàn)[6]利用傳感器和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如導(dǎo)線狀態(tài)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等。文獻(xiàn)[7]提出了應(yīng)用分布式光纖測(cè)溫傳感器DTS（distributed tempera?ture sensing）測(cè)量電纜外護(hù)套溫度計(jì)算和導(dǎo)體溫度的兩種電纜動(dòng)態(tài)載流量DCR（dynamic cable rating）算法模型（DCR-I和DCR-II）并分析了兩種模型的輸入、輸出等參數(shù)量。

通過對(duì)同類技術(shù)的關(guān)注和研究，總結(jié)出了當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)電纜載流量的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：對(duì)國際通用標(biāo)準(zhǔn)中的熱路模型進(jìn)行改進(jìn)；進(jìn)行載流量實(shí)驗(yàn)；采用數(shù)值計(jì)算方法；針對(duì)一些特殊問題進(jìn)行專門研究。但縱觀目前的研究成果，尚缺一種系統(tǒng)的方法用來解決電力部門對(duì)電纜安全運(yùn)行集中式實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，即一種基于集中運(yùn)算的輸電電纜動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)，其既能通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電纜的運(yùn)行溫度來反推電纜的纜芯溫度、動(dòng)態(tài)載流量和周期性載流量，又能結(jié)合電纜的其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如：電纜護(hù)層電流、電纜油壓、電纜局放）對(duì)電纜回路進(jìn)行綜合性的運(yùn)行狀態(tài)診斷。

本文針對(duì)福建省輸電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的電纜溫度監(jiān)測(cè)的單一性問題，設(shè)計(jì)了一套基于集中運(yùn)算的動(dòng)態(tài)增容算法模型。該計(jì)算模型結(jié)合輸電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展需要，能夠靈活運(yùn)用在電纜增容、架空線導(dǎo)線增容分析等方面，使其不僅具備電纜溫度的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)展示，還具備電纜實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)載流量計(jì)算、短時(shí)安全載流量計(jì)算及周期性載流量計(jì)算等應(yīng)用。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 載流量影響因素研究

影響電力電纜的溫度場(chǎng)和載流量的因素較多，如電纜結(jié)構(gòu)、敷設(shè)方式、排列方式、接地方式以及環(huán)境條件等[8-9]，其發(fā)熱和散熱條件歸納如圖1所示。

電力電纜的熱源主要包括導(dǎo)體損耗、金屬套損耗、鎧裝層損耗和絕緣介質(zhì)損耗。導(dǎo)體損耗包括直流損耗和由交變電流引起的渦流損耗，渦流損耗可用鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)表示。金屬套損耗與其接地方式密切相關(guān)，當(dāng)金屬套單端接地時(shí)，金屬套內(nèi)只有渦流損耗，且損耗較小；當(dāng)電力電纜金屬套雙端接地時(shí)，金屬套內(nèi)受導(dǎo)體交變電流的影響產(chǎn)生環(huán)流，有時(shí)環(huán)流損耗甚至大于導(dǎo)體損耗，即雙端接地時(shí)的金屬套損耗包括環(huán)流損耗和渦流損耗；當(dāng)金屬套采用交叉互連接地時(shí)，整個(gè)線路金屬套的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和接近零，可以按照單端接地值考慮渦流損耗。鎧裝層損耗主要是渦流損耗。絕緣介質(zhì)損耗主要由交變電壓作用在絕緣層上的交變充電電流引起的損耗。

圖1 電力電纜的發(fā)熱和散熱條件Fig.1 Heating and cooling conditions of power cable

電力電纜群的散熱與散熱方式、散熱路徑中的各種材料的屬性及邊界條件有關(guān)。對(duì)于土壤直埋電力電纜群，散熱路徑包括電力電纜本體、土壤兩種媒質(zhì)，邊界條件為地表空氣溫度，散熱方式主要有固體熱傳導(dǎo)和地表熱對(duì)流；對(duì)于排管和溝槽敷設(shè)方式，散熱路徑包括電力電纜本體、電纜外表面和管道內(nèi)表面間空氣和土壤等媒質(zhì)，邊界條件為地表空氣溫度，散熱方式主要包括固體熱傳導(dǎo)、空氣的熱對(duì)流和熱輻射、地表的熱對(duì)流；對(duì)于隧道敷設(shè)方式，散熱路徑包括電力電纜本體、電纜外表面和隧道內(nèi)表面間空氣和土壤等媒質(zhì)，主要散熱方式有固體熱傳導(dǎo)、空氣熱對(duì)流和熱輻射。

經(jīng)過上述研究得知，電力電纜群的溫度場(chǎng)和載流量計(jì)算不僅與電力電纜的敷設(shè)方式、排列方式、接地方式及電力電纜結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且受到地表空氣、土壤深埋層溫度、外部熱源和稅費(fèi)遷移的影響，是一個(gè)計(jì)及熱-電磁耦合3種傳熱方式共軛存在的復(fù)雜條件下的計(jì)算過程[10-11]。

1.2 光纖測(cè)溫與護(hù)層電流監(jiān)測(cè)相結(jié)合

1.2.1 光纖測(cè)溫

通過上述影響電纜載流量因素的分析得知，電纜溫度是計(jì)算電纜載流量的一個(gè)關(guān)鍵性因素，因?yàn)榇蟛糠治锢硖匦缘淖兓加蓽囟壬抵庇^反映。在廈門地區(qū)實(shí)現(xiàn)的電纜光纖測(cè)溫系統(tǒng)，利用背向反射光強(qiáng)度與光纖反射點(diǎn)溫度成正相關(guān)的原理，通過測(cè)量反射光的強(qiáng)度便可推導(dǎo)計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度絕對(duì)值測(cè)量。由上述技術(shù)手段獲得電纜的表層溫度后，便可通過電纜的監(jiān)測(cè)總長(zhǎng)度，以及對(duì)光纖所在位置的空間分辨率，推導(dǎo)出電纜在該光纖長(zhǎng)度范圍內(nèi)各個(gè)位置點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的表層溫度值。在取得電纜表層溫度之后，等價(jià)于已找到了電纜所處熱穩(wěn)態(tài)下散熱狀態(tài)的捷徑，相較于上述各種影響載流量因素，并結(jié)合合適的計(jì)算方法推導(dǎo)電纜熱穩(wěn)態(tài)下的溫度值更為準(zhǔn)確和直接。

1.2.2 護(hù)層電流

電力電纜的實(shí)時(shí)負(fù)荷電流是計(jì)算載流量的另一關(guān)鍵因素。本系統(tǒng)中在電纜本體上安裝CT，并借助護(hù)層電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取電纜導(dǎo)體中的實(shí)時(shí)電流值用于計(jì)算。在系統(tǒng)的前期開發(fā)過程中，通過從SCADA系統(tǒng)中獲取電纜的實(shí)時(shí)運(yùn)行電流，但由于存在所獲取電流數(shù)據(jù)在時(shí)間上過于滯后（平均滯后時(shí)間超過1 h）等問題，因此不能夠滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量計(jì)算的要求。在后期的系統(tǒng)開發(fā)中，主要從輸電主站系統(tǒng)中的電纜護(hù)層電流監(jiān)測(cè)模塊來獲取實(shí)時(shí)電流，并結(jié)合光纖測(cè)溫模塊來進(jìn)行電纜載流量的實(shí)時(shí)計(jì)算。但對(duì)于已安裝光纖測(cè)溫、卻無電纜護(hù)層電流監(jiān)測(cè)的電纜仍無法進(jìn)行電纜載流量的計(jì)算。因此，需要采取利用護(hù)層電流監(jiān)測(cè)或通過SCA?DA系統(tǒng)結(jié)合其他方式獲取電流，以解決獲取電纜的實(shí)時(shí)運(yùn)行負(fù)荷電流的問題。

1.3 模型分類和建模

根據(jù)第1.1節(jié)中對(duì)載流量影響因素的分析，對(duì)構(gòu)建電纜載流量的基礎(chǔ)模型進(jìn)行了規(guī)劃和分類，主要分為以下模型：電纜線芯數(shù)量、電纜層數(shù)、電纜層材質(zhì)、電纜型號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)排列方式、現(xiàn)場(chǎng)鄰近電纜回路、現(xiàn)場(chǎng)接地方式、現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)類型、光纖測(cè)溫方式、以及計(jì)算模型等。另一方面，模型與模型之間相互關(guān)聯(lián)，例如：電纜型號(hào)模型決定了電纜層次、電纜芯數(shù)量、電纜層材質(zhì)等模型，某些電纜回路會(huì)同時(shí)具備多種敷設(shè)方式模型，同一電纜回路在不同段又有不同的鄰近電纜回路等情況。因此，對(duì)于這種復(fù)雜情況，通過對(duì)各種模型之間設(shè)定了關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便于后續(xù)電纜導(dǎo)體溫度與載流量的數(shù)值計(jì)算。

1.4 載流量計(jì)算方法

針對(duì)載流量計(jì)算方法的研究和應(yīng)用，系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的電纜載流量計(jì)算內(nèi)容如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的電纜載流量計(jì)算內(nèi)容Fig.2 Ampacity computation content of cableinthesystem

1.4.1 實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度與載流量計(jì)算

常用的電力電纜載流量計(jì)算方法主要可以分為解析計(jì)算、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)等。解析計(jì)算主要是基于IEC-60287（國內(nèi)對(duì)于的標(biāo)準(zhǔn)是JB/T 10181—2000）和N-M理論，該方法在國際上普遍受到認(rèn)可，具有載流量直接計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算主要以有限差分法和有限元法為代表，可以模擬實(shí)際的邊界條件，適用于較為復(fù)雜的電力電纜系統(tǒng)，但載流量的計(jì)算需要迭代完成。IEC-60287提供了一系列的一維、全局、穩(wěn)態(tài)模型集合，適用不同的敷設(shè)結(jié)構(gòu)和環(huán)境類型，其輸出為穩(wěn)態(tài)載流量和穩(wěn)定溫度狀態(tài)（一個(gè)包括導(dǎo)體、屏蔽、電纜表面、環(huán)境等的溫度集合），在傳熱學(xué)問題上采用工程公式，以遠(yuǎn)處環(huán)境為邊界，其模型結(jié)構(gòu)包括電纜和周邊環(huán)境。

綜合考慮這幾種載流量算法[12-24]的優(yōu)缺點(diǎn)后，并結(jié)合廈門已經(jīng)安裝和部署有電纜光纖測(cè)溫和電纜護(hù)層電流監(jiān)測(cè)這一實(shí)際情況，決定采用基于IEC-60287規(guī)范的載流量計(jì)算方法，通過結(jié)合光纖測(cè)溫技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出的電纜表層溫度，以及電纜護(hù)層電流裝置所監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)電纜運(yùn)行負(fù)荷電流，對(duì)IEC-60287規(guī)范中計(jì)算導(dǎo)體溫度的計(jì)算方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化。電纜載流量計(jì)算所考慮的邊界條件較為理想化，即把這些電纜視為敷設(shè)在不受日光照射下，且無強(qiáng)迫對(duì)流散熱的自由空氣中（排管），由于這些電纜均為單芯且具有金屬套和鎧裝層，根據(jù)根據(jù)IEC-60287的熱力學(xué)模型，采用的導(dǎo)體溫升計(jì)算公式為

式中：Δθ為高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升（即：導(dǎo)體溫度與環(huán)境溫度之差），℃；I為導(dǎo)體中流過的電流，A；R為最高工作溫度下導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的交流電阻，Ω/m；Wd為導(dǎo)體絕緣單位長(zhǎng)度的介質(zhì)損耗，W/m；T1為導(dǎo)體和金屬套之間單位長(zhǎng)度熱阻，K·m/W；T2為金屬套和鎧裝之間內(nèi)襯層單位長(zhǎng)度熱阻，K·m/W；T3為電流外護(hù)層單位長(zhǎng)度熱阻，K·m/W；T4為電纜表面和周圍介質(zhì)之間單位長(zhǎng)度熱阻，K·m/W；n為電纜（等截面并載有相同負(fù)荷的導(dǎo)體）中載有負(fù)荷的導(dǎo)體數(shù)；λ1為電纜金屬套損耗相對(duì)于所有導(dǎo)體總損耗的比率；λ2為電纜鎧裝損耗相對(duì)于所有導(dǎo)體總損耗的比率。由式（1）可得電纜的電氣特性、材料結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)負(fù)荷電流、電纜外界熱阻等數(shù)據(jù)后，可推算出導(dǎo)體溫升。將計(jì)算結(jié)果與環(huán)境溫度求和，可得到導(dǎo)體溫度。這些因素通過上述的模型關(guān)聯(lián)和護(hù)層電流傳感器中實(shí)時(shí)電流負(fù)荷均可得到，但其中T4的建模和計(jì)算較為復(fù)雜，且誤差較大。由于環(huán)境因素變化多樣，因此利用電纜光纖測(cè)溫所直接測(cè)量出的電纜表層溫度替換T4因素，而電纜表層溫度是直接測(cè)量出的，比通過式（1）所換算出的值來得更直接和準(zhǔn)確。所以在式（1）中加入電纜表層溫度這一因素，調(diào)整后的導(dǎo)體溫升計(jì)算公式為

式中：θc為導(dǎo)體溫度，℃；θo為表層溫度，℃。根據(jù)式（2），將導(dǎo)體溫度設(shè)定為最大允許溫度（根據(jù)電纜銘牌中的規(guī)定值），反推出此時(shí)導(dǎo)體溫度下的實(shí)時(shí)運(yùn)行電流，即為電纜當(dāng)前的100%滿負(fù)荷載流量。載流量的計(jì)算公式為

1.4.2 短時(shí)載流量計(jì)算

通常電纜在正常工作情況下，大部分時(shí)間沒有達(dá)到其滿負(fù)荷的狀態(tài)。在這種情況下，為了充分利用電纜的傳輸能力，可以在電纜導(dǎo)體溫度尚未達(dá)到其允許最大值之前，對(duì)其施加超載負(fù)荷的電流，并控制在允許的時(shí)間范圍內(nèi)，直至導(dǎo)體溫度達(dá)到允許最大值。因此需要進(jìn)行短時(shí)載流量的分析和計(jì)算。對(duì)于短時(shí)載流量的計(jì)算，仍然采用IEC-60287標(biāo)準(zhǔn)中定義的計(jì)算公式為

式中：x為電纜預(yù)加負(fù)荷系數(shù)；In為額定電流（使用滿負(fù)荷載流量來計(jì)算），A；I0為施加短時(shí)負(fù)荷前的原有電流，A；t為短時(shí)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，min；τ為導(dǎo)線熱時(shí)間常數(shù)，min。

1.4.3 周期性載流量計(jì)算

在進(jìn)行電纜的周期性電流負(fù)荷分析時(shí)，采用了IEC-60853國際標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將電纜本體和外部環(huán)境并行考慮，為電纜本體建立了一個(gè)包含熱容的二支路動(dòng)態(tài)電纜模型，同時(shí)也提供了電纜本體和外部環(huán)境的負(fù)荷階躍響應(yīng)的解析解或近似解，可完成周期負(fù)荷和一致初始條件的短時(shí)負(fù)荷計(jì)算。

用M表示周期性負(fù)荷因數(shù)，該因數(shù)乘以穩(wěn)態(tài)下允許的載流量（100%負(fù)荷因數(shù)）就可以得到24 h周期內(nèi)的峰值允許電流。同樣，對(duì)廈門地區(qū)電纜進(jìn)行周期性載流量計(jì)算所考慮的邊界條件較為理想化，計(jì)算公式為

式中：θR(i)為施加電流后i小時(shí)內(nèi)電纜的導(dǎo)體溫升；θR(i)為穩(wěn)態(tài)下最熱電纜纜芯最高允許溫升；α(i)為導(dǎo)體對(duì)電纜表面的溫升到達(dá)因數(shù)；β(i)為電纜外表面的溫升到達(dá)因數(shù)，即第i時(shí)刻的溫升與穩(wěn)態(tài)溫升的比值；Yi為導(dǎo)體最高溫度達(dá)到時(shí)刻之前6 h負(fù)荷周期損耗圖的縱坐標(biāo)；k為穩(wěn)態(tài)下電纜表面溫升與穩(wěn)態(tài)時(shí)導(dǎo)體溫升之比；μ為負(fù)荷損耗因數(shù)，該值與24 h內(nèi)每時(shí)段的電流值有關(guān)，運(yùn)用上式計(jì)算出的M值，再與計(jì)算出的100%滿負(fù)荷載流量值相乘，即可得到周期性載流量。

1.5 硬件和軟件配置

電纜增容系統(tǒng)硬件設(shè)備配置如下：

（1）DTS：DTS主機(jī)（由變電站現(xiàn)場(chǎng)或裝置廠家提供），接入臺(tái)數(shù)根據(jù)實(shí)際情況；

（2）載流量服務(wù)器：部署載流量分析模塊，將接入到系統(tǒng)中的電纜測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)、SCADA實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行載流量分析計(jì)算；

（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：存儲(chǔ)各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

實(shí)現(xiàn)電纜載流量系統(tǒng)的支撐模塊（軟件配置）如下：

（1）數(shù)據(jù)通訊模塊：實(shí)現(xiàn)DTS與狀態(tài)信息接入網(wǎng)關(guān)機(jī) CAG（condition aquisition controller）之間的數(shù)據(jù)傳輸；

（2）外圍數(shù)據(jù)接口模塊：實(shí)現(xiàn)與SCADA系統(tǒng)的電纜實(shí)時(shí)電纜、電壓、頻率等數(shù)據(jù)；

（3）電纜模型構(gòu)建模塊：實(shí)現(xiàn)電纜結(jié)構(gòu)模型、短時(shí)載流量、長(zhǎng)時(shí)載流量的建模及模型信息的存儲(chǔ)；

（4）數(shù)據(jù)分析模塊：包含載流量計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算及結(jié)果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；

（5）系統(tǒng)管理&展示模塊：對(duì)各類業(yè)務(wù)臺(tái)賬數(shù)據(jù)、模型的管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示。

電纜增容系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電纜增容系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Network topological structure of cable capacity enlargement system

在系統(tǒng)中，載流量系統(tǒng)使用了一臺(tái)前置機(jī)載流量服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB服務(wù)器。前置機(jī)通過通信協(xié)議將廈門地區(qū)布署測(cè)溫電纜的溫度數(shù)據(jù)采集并保存至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，前置服務(wù)器同時(shí)向SCADA采集實(shí)時(shí)電纜電流、電壓等數(shù)據(jù)。載流量服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中獲取電纜回路表面溫度及線路電流，結(jié)合用戶提供電纜結(jié)構(gòu)等參數(shù)，進(jìn)行纜芯溫度的實(shí)時(shí)計(jì)算、短時(shí)及長(zhǎng)期載流量評(píng)定等。用戶還可通過人機(jī)應(yīng)用模塊遠(yuǎn)程訪問電纜線路溫度信息，進(jìn)行電纜載流量監(jiān)控。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于集中運(yùn)算的輸電電纜動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)借鑒了國內(nèi)外成熟的電纜回路載流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及方法，并結(jié)合廈門地區(qū)特殊的電纜分布和運(yùn)行環(huán)境，經(jīng)過長(zhǎng)期的探索和驗(yàn)證，建立了一套功能較為全面的集中式運(yùn)算與分析的電纜網(wǎng)動(dòng)態(tài)載流量系統(tǒng)。主要特點(diǎn)如下。

1）對(duì)安裝有電纜光纖測(cè)溫的電纜實(shí)現(xiàn)集中式溫度監(jiān)測(cè)與載流量分析功能

系統(tǒng)提供了可接入廈門地區(qū)不同電纜光纖測(cè)溫廠家的數(shù)據(jù)接口，并通過從輸電主站系統(tǒng)中的電纜護(hù)層電流監(jiān)測(cè)子模塊獲取電纜的實(shí)時(shí)負(fù)荷電流，在具備電纜表層溫度和實(shí)時(shí)負(fù)荷電流這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)之后，系統(tǒng)可對(duì)電纜回路的導(dǎo)體溫度、動(dòng)態(tài)載流量、短時(shí)載流量和周期性載流量進(jìn)行分析和計(jì)算。這樣使得用戶可對(duì)廈門地區(qū)甚至全省范圍內(nèi)，接入輸電主站系統(tǒng)的所有已安裝電纜光纖測(cè)溫的電纜進(jìn)行集中式監(jiān)控和載流量分析，降低了相關(guān)部分的投入成本，并提高了運(yùn)行管理效率。

2）結(jié)合光纖測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)載流量算法

電力電纜導(dǎo)體載流量最直接的特征量是導(dǎo)體溫度，一旦確定了電力電纜導(dǎo)體暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度，就很容易確定電力電纜線路暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)載流量，但直接測(cè)量電力電纜導(dǎo)體溫度尚存在技術(shù)上的難點(diǎn)。在廈門局采用分布式光纖測(cè)溫所實(shí)現(xiàn)的電纜溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)，可連續(xù)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的電力電纜表層溫度。利用軟件算法找出其中的溫度最大值點(diǎn)，再根據(jù)電力電纜的結(jié)構(gòu)和溫度場(chǎng)分布原理，通過電力電纜各部分熱阻和熱源構(gòu)成的熱路模型從電力電纜表面溫度逆推其導(dǎo)體溫度。根據(jù)導(dǎo)體溫度與絕緣耐受溫度的差值，可實(shí)現(xiàn)電力電纜載流量的實(shí)時(shí)計(jì)算。在系統(tǒng)中，基于以上思路，對(duì)計(jì)算載流量的算法進(jìn)行了改良，將原先誤差較大且難以推算出的T4邊界條件用光纖測(cè)溫的實(shí)際數(shù)值進(jìn)行代替，使得系統(tǒng)可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地計(jì)算出監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)所有線路的纜表溫度、纜芯溫度及短時(shí)許用電流裕量，實(shí)現(xiàn)完整的電纜負(fù)荷安全監(jiān)測(cè)。

3）結(jié)合電纜多種類型的監(jiān)測(cè)值實(shí)現(xiàn)電纜回路運(yùn)行狀態(tài)的綜合監(jiān)控

基于輸電在線監(jiān)控系統(tǒng)，將各地電纜光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范接入，并從電流監(jiān)控傳感器、SCADA系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)地獲取各被測(cè)電纜的實(shí)時(shí)運(yùn)行電流數(shù)據(jù)。通過準(zhǔn)實(shí)時(shí)的電纜運(yùn)行負(fù)荷、電纜表層溫度，可以實(shí)時(shí)地計(jì)算出各被測(cè)電纜的動(dòng)態(tài)載流量，實(shí)現(xiàn)了輸電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于電纜溫度監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)載流量功能的一體化。系統(tǒng)還能夠利用采集到的電纜護(hù)層電流、油壓值和局放值，結(jié)合電纜溫度值，通過診斷模型對(duì)電纜回路的綜合運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控診斷。另外，系統(tǒng)以B/S方式全網(wǎng)發(fā)布應(yīng)用，客戶端無需安裝額外插件，相較于傳統(tǒng)的C/S方式運(yùn)行的載流量系統(tǒng)更加便捷，也更好維護(hù)。界面主要以圖表一體的方式展示電纜溫度數(shù)據(jù)、DCR等分析數(shù)據(jù)，使得系統(tǒng)運(yùn)用更加直觀和專業(yè)化。

3 應(yīng)用實(shí)例

基于集中運(yùn)算與分析的電纜網(wǎng)動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)自試運(yùn)行至今，運(yùn)行情況良好，已經(jīng)對(duì)廈門地區(qū)安裝有光纖測(cè)溫的電纜總計(jì)38條回路進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。除了部分電纜回路因未安裝電纜護(hù)層電流監(jiān)測(cè)裝置無法提供實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)外，已實(shí)現(xiàn)電纜載流量實(shí)時(shí)計(jì)算的電纜回路共有13條，圖4～圖8為系統(tǒng)運(yùn)行中的功能界面提供的數(shù)據(jù)曲線。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Fig.4 Real time data

圖5 電纜短時(shí)載流量分析Fig.5 Short-term ampacity analysis of cable

圖6 電纜負(fù)荷電流分析Fig.6 Current analysis of cable load

圖7 歷史曲線Fig.7 Historical curves

圖8 電纜周期性載流量分析Fig.8 Periodic campacity analysis of cable

電纜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)列表功能可根據(jù)給定的查詢條件，針對(duì)不同線路進(jìn)行電纜溫度、載流量、電流以及當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行瀏覽查看，可選擇220 kV禾金Ⅰ路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為例。在圖4中，電纜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊展示了該條電纜所有監(jiān)測(cè)參數(shù)的數(shù)值和狀態(tài)，主要包括被監(jiān)測(cè)電纜的表層溫度、線芯溫度與載流量監(jiān)測(cè)值。在圖5中，該模塊提供了電纜的實(shí)時(shí)短時(shí)載流量的曲線分析。

按照年、月、日3種方式，分別對(duì)電纜溫度、環(huán)境溫度、電纜運(yùn)行電流和最大允許載流量之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)變化分析。日載流量統(tǒng)計(jì)分析主要對(duì)每天每小時(shí)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將每小時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流、載流量、電纜表層溫度、電纜線芯溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行比較；月載流量統(tǒng)計(jì)分析主要對(duì)每月每天的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將每天中所對(duì)應(yīng)的電流、載流量、電纜表層溫度、電纜線芯溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行比對(duì)；年載流量統(tǒng)計(jì)分析主要對(duì)一年中每月的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將每月中所對(duì)應(yīng)的電流、載流量、電纜表層溫度、電纜線芯溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行比對(duì)，電纜負(fù)荷電流分析如圖6所示。

電纜光纖測(cè)溫歷史數(shù)據(jù)模塊提供兩種方式：數(shù)據(jù)表格方式與數(shù)據(jù)曲線方式。數(shù)據(jù)表格方式提供時(shí)間范圍、電纜狀態(tài)和選項(xiàng)條件對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選過濾，查詢結(jié)果包括監(jiān)測(cè)時(shí)間、電流、電纜表層溫度的最大/最小和平均值、電纜線芯溫度的最大/最小和平均值、環(huán)境溫度的最大/最小和平均值、電纜載流量值、電纜狀態(tài)和裝置狀態(tài)。

歷史曲線如圖7所示，按照最大值曲線與最小值曲線進(jìn)行區(qū)分，橫軸表示歷史時(shí)間、左邊縱軸表示溫度、右邊縱軸表示電流，圖形同時(shí)展示每個(gè)時(shí)間段的電纜運(yùn)行電流、電纜表層溫度（最大/最小值）、電纜線芯溫度（最大/最小值）、環(huán)境溫度（最大/最小值）、負(fù)荷載流量。

在圖8中，電纜周期性載流量分析可查看電纜以24 h內(nèi)電流變化為周期所對(duì)應(yīng)的電纜周期性載流量變化趨勢(shì)，并可通過時(shí)間進(jìn)行篩選和分析。

基于集中運(yùn)算與分析的電纜網(wǎng)動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)是對(duì)光纖測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的補(bǔ)充與完善，在硬件資源上最大程度地利用了原有輸電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的資源，體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)該系統(tǒng)具有功能齊全、人機(jī)界面清晰、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及報(bào)警可靠、分析診斷方法合理、使用方便等特點(diǎn)。在廈門地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中，降低了設(shè)備事故發(fā)生率，提高設(shè)備安全運(yùn)行水平，具有顯著的社會(huì)效益。

4 結(jié)語

基于集中運(yùn)算的輸電電纜動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電纜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載流量的計(jì)算及分析，利用電纜光纖測(cè)溫的實(shí)測(cè)值對(duì)傳統(tǒng)的電纜模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使計(jì)算結(jié)果更加精確。另外該系統(tǒng)能夠?qū)Φ貐^(qū)范圍內(nèi)的電纜回路進(jìn)行集中式載流量分析和計(jì)算，比分散在各地方獨(dú)立計(jì)算的載流量系統(tǒng)使用起來更加方便，滿足了電力部門對(duì)電纜的運(yùn)行情況實(shí)行集中式實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。