王 超

（中鐵二十局集團電氣化工程有限公司）

0 引言

電力系統(tǒng)作為當(dāng)今現(xiàn)代社會不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施之一，在支持各行各業(yè)的運作中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［1］。然而，隨著能源需求的快速增長和環(huán)境可持續(xù)性的關(guān)切，電力系統(tǒng)的構(gòu)建和管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。特別是在110kV 及以下的電力設(shè)備和線路領(lǐng)域，面臨著如何提高線路傳輸效率、確保安全性和實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同的復(fù)雜任務(wù)［2］。

本文旨在深入研究電力施工技術(shù)的前沿問題，探討如何通過創(chuàng)新性的方法來應(yīng)對電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。本研究將關(guān)注電力線路的優(yōu)化、絕緣和保護技術(shù)，以及電力系統(tǒng)集成的關(guān)鍵方面。通過深入分析這些問題，旨在為未來的電力系統(tǒng)提供更可靠、高效和可持續(xù)的解決方案，以滿足不斷增長的電力需求。

1 電力線路的優(yōu)化

電力線路的優(yōu)化是電力系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，在110kV 及以下電力系統(tǒng)中，優(yōu)化電力線路的主要目的為提高電能傳輸效率以減少電能的損失。本研究通過使用梯度下降優(yōu)化算法提高電能傳輸效率［3］。

1.1 基于梯度下降法的電能傳輸效率優(yōu)化原理

Step1 定義目標(biāo)函數(shù)： 電能傳輸效率（η(I，U，Z)）由以下公式表示。

式中，η(I，U，Z)代表電能傳輸效率。Puseful代表線路的實際有用功率（單位：瓦特，W）。Ptotal代表線路的總輸入功率，包括損耗（單位：瓦特，W）。Ploss代表電流通過線路的熱損耗功率（單位：瓦特，W）。I代表線路電流。Z代表線路阻抗。U代表電力設(shè)備輸入電壓。

由式（1）可知，要使電能傳輸效率η(I，U，Z)最高，則需達到最小值，因此可定義目標(biāo)函數(shù)：

Step2 初始化變量：初始化電流I、線路阻抗Z以及電力設(shè)備輸入電壓U的初始值。

Step3 計算目標(biāo)函數(shù)的梯度：梯度表示了目標(biāo)函數(shù)f(I，U，Z)關(guān)于變量I，U，Z的變化率，表示在當(dāng)前電流值I，電力設(shè)備輸入電壓U以及線路阻抗值Z下，應(yīng)朝哪個方向更新這三個變量使目標(biāo)函數(shù)f(I，U，Z)達到最小值，以提高線路電能傳輸效率η(I，U，Z)。f(I，U，Z)的梯度分別對I，U，Z計算如下：

式中，?η(I，U，Z)代表目標(biāo)函數(shù)η(I，U，Z)的梯度。I代表當(dāng)前電流值（初始值或上一次迭代的值）。U代表當(dāng)前電力設(shè)備輸入電壓（初始值或上一次迭代的值）。Z代表當(dāng)前線路阻抗值（初始值或上一次迭代的值）。代表目標(biāo)函數(shù)f(I，U，Z)關(guān)于電流I的偏導(dǎo)數(shù)。代表目標(biāo)函數(shù)f(I，U，Z)關(guān)于電力設(shè)備輸入電壓U的偏導(dǎo)數(shù)。代表目標(biāo)函數(shù)f(I，U，Z)關(guān)于線路阻抗Z的偏導(dǎo)數(shù)。

Step4更新變量：通過梯度下降法更新電流I，電力設(shè)備輸入電壓U以及線路阻抗Z的值，以使目標(biāo)函數(shù)f(I，U，Z)達到最小值。更新的規(guī)則如下：

式中，Inew，Unew和Znew分別代表更新后的電流、電力設(shè)備輸入電壓和線路阻抗值。Inew，Unew和Znew分別代表當(dāng)前電流、當(dāng)前電力設(shè)備輸入電壓和當(dāng)前線路阻抗值。α為學(xué)習(xí)率，它控制了每次迭代中變量值的更新幅度。

Step5 迭代：重復(fù)Step3 和步驟Step4，直到滿足停止條件。在迭代結(jié)束后，最終的電流值I，電力設(shè)備輸入電壓值U和線路阻抗值Z將是使目標(biāo)函數(shù)f(I，U，Z)達到最小值的電流、電力設(shè)備輸入電壓和線路阻抗。 由此可得到最高電能傳輸效率η(I，U，Z)。

1.2 基于梯度下降法的電能傳輸效率優(yōu)化實驗結(jié)果分析

如圖1，本實驗設(shè)置學(xué)習(xí)率α= 0.01，模擬了對初始電力設(shè)備輸入電壓U= 220V，初始線路電流I=1A，初始線路阻抗Z= 10Ω 的電力線路基于梯度下降法的電能傳輸效率的優(yōu)化。結(jié)果表明，進行1000 次迭代后可顯著提高電能傳輸效率η，且根據(jù)圖1 可觀察到經(jīng)過每次迭代后電能傳輸效率η均有提高。由此可證明梯度下降法對提高電能傳輸效率η的有效性。

圖1 基于梯度下降法的電能傳輸效率優(yōu)化實驗結(jié)果

2 絕緣和保護技術(shù)的研究

絕緣和保護技術(shù)在電力施工中具有至關(guān)重要的作用，它們旨在確保電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。絕緣技術(shù)通過隔離電流，預(yù)防電擊事故，提高設(shè)備和線路的穩(wěn)定性；保護技術(shù)通過監(jiān)測和響應(yīng)電流和電壓異常，迅速切斷電路，以防止設(shè)備過載或故障，從而保護電力設(shè)備和人員安全。這些技術(shù)不僅有助于延長設(shè)備壽命，減少維護成本，還對電力系統(tǒng)的可持續(xù)性和電力質(zhì)量起到關(guān)鍵作用，為滿足不斷增長的電力需求提供了堅實的基礎(chǔ)。

針對110kV及以下設(shè)備，本文進一步研究絕緣材料的性能以便制造高絕緣性能的材料，以保障電力施工的安全性；進一步研究過電壓和過電流保護技術(shù)，以防止設(shè)備受到損害［4］。

2.1 絕緣材料性能研究

2.1.1 絕緣材料性能參數(shù)

絕緣材料的性能取決于介電強度Emax、介電損耗D、體積電阻率ρv三個參數(shù)，這些參數(shù)的表達式如下。

介電強度：

式中，Emax代表介電強度，Vmax代表最大耐受電壓，d代表材料的厚度。

介電損耗：

式中，D代表介電損耗，Ploss代表材料中的損耗功率。

體積電阻率：

式中，ρv代表體積電阻率，Vin代表材料兩端的電壓，Iin代表通過材料的電流，A代表電極間的橫截面積，d代表電極之間的距離。

2.1.2 絕緣材料性能提升

a. 增加介電強度（Emax）：根據(jù)式（7）可知，通過增加材料的最大耐受電壓（Vmax）和減小材料的厚度（d）可增加材料的介電強度。因此，選擇更耐壓的絕緣材料或優(yōu)化絕緣材料的結(jié)構(gòu)可增加材料的介電強度。

b. 減小介電損耗（D.）：根據(jù)式（8）可知，降低絕緣材料的介電損耗可通過優(yōu)化材料的制備工藝，以降低材料中的損耗功率（Ploss），或選擇更耐壓的絕緣材料。

c. 增加體積電阻率（ρv）：根據(jù)式（9）可知，提高絕緣材料的體積電阻率可通過增加電極間的橫截面積（A）或增加電極之間的距離（d）來實現(xiàn)。體積電阻率的提升可減小材料的電導(dǎo)率，降低電流通過材料的速率，從而提高絕緣性能。

2.2 過電壓和過電流保護技術(shù)

過電壓和過電流保護技術(shù)主要對電力系統(tǒng)中的異常電壓和電流事件進行檢測和處理，以確保設(shè)備和線路的安全運行。

2.2.1 過電流保護技術(shù)

過電流保護為基于電流的幅值和時間關(guān)系來觸發(fā)保護裝置。保護裝置會監(jiān)測電流的瞬時值，如下所示。

式中，I(t)代表時變電流，為隨時間變化的電流值。Irms代表額定電流，即電流的均方根值。fi代表電流頻率。t代表時間。

過電流保護裝置會監(jiān)測電流是否超過了額定電流Irms，若超過Irms并持續(xù)一定時間，保護裝置將觸發(fā)并切斷電路，以防止設(shè)備受過電流損害。

2.2.2 過電壓保護技術(shù)

過電壓保護技術(shù)主要對電壓的監(jiān)測和處理。保護裝置通常會監(jiān)測電壓的瞬時值和頻率，以確保電壓在安全范圍內(nèi)，公式如下。

式中，V(t) 代表時變電壓，為隨時間變化的電壓值。Vmax代表最大耐受電壓。fv代表電壓頻率。?代表電壓的相位。

過電壓保護裝置會監(jiān)測電壓是否超過了最大耐受電壓Vmax，若超過Vmax并持續(xù)一定時間，保護裝置將觸發(fā)并切斷電路，以防止設(shè)備受過電壓損害。

3 電力系統(tǒng)集成

電力系統(tǒng)集成旨在確保110kV及以下設(shè)備和線路與整個電力系統(tǒng)內(nèi)各個設(shè)備和子系統(tǒng)之間以協(xié)同和高效的方式進行通信、數(shù)據(jù)交換，并實現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此過程包括通信協(xié)議的定義、控制系統(tǒng)的設(shè)計，以及設(shè)備之間的協(xié)同工作。

3.1 通信協(xié)議的定義

通信協(xié)議是電力系統(tǒng)集成的核心。它定義了數(shù)據(jù)的格式、傳輸方式以及通信的規(guī)則。通信協(xié)議包括以下關(guān)鍵參數(shù)：

a. 數(shù)據(jù)格式：數(shù)據(jù)在傳輸中的組織方式，本研究使用二進制編碼。

b. 傳輸協(xié)議：數(shù)據(jù)的傳輸方式，如Modbus、DNP3、IEC 61850等，本研究使用Modbus協(xié)議。

c. 數(shù)據(jù)采樣頻率：數(shù)據(jù)采集的頻率，以滿足實時監(jiān)測和控制的需求。

通信協(xié)議的定義過程如下所示：

其中，Binary 代表二進制編碼。Modbus 代表Modbus協(xié)議。100代表以Hz為單位的數(shù)據(jù)采樣頻率，表示每秒采集100次數(shù)據(jù)。

3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

本研究設(shè)計一個PID（比例-積分-微分）控制器用于控制電力系統(tǒng)電壓維持在110kV。

3.2.1 PID控制器基本原理

PID 控制器是一種常用于控制系統(tǒng)的控制算法，它包括三個部分：比例項（P）、積分項（I）和微分項（D）。PID控制器的輸出（控制信號）可表示為：

式中，CO(t) 代表在時間t時的控制輸出。kp是比例增益，用于調(diào)整比例項的影響。e(t)是誤差信號，定義為期望輸出與實際輸出之差。e(τ)是在時刻τ的誤差信號。Ti是積分時間，用于調(diào)整積分項的影響。Td是微分時間，用于調(diào)整微分項的影響。

3.2.2 PID控制器在110kV電力系統(tǒng)電壓維持中的應(yīng)用

如圖2 所示，本研究模擬了PID 控制器的電壓控制過程，用以衡量PID 控制器在110kV 電力系統(tǒng)電壓維持中的重要性。首先輸入150kV的初始電壓，隨后PID 控制器在2 分鐘內(nèi)將電壓控制在110kV 并保持不變，說明PID 控制器在110kV 電力系統(tǒng)電壓維持中效果良好［5］。

圖2 PID控制器電壓控制過程中的電壓變化

3.3 設(shè)備之間的協(xié)同工作

設(shè)備之間的協(xié)同工作確保了各個設(shè)備能夠協(xié)調(diào)操作，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。使各個設(shè)備協(xié)調(diào)操作的過程如下：

Step1定義變量：

a. 設(shè)備狀態(tài)變量：每個設(shè)備可以有不同的狀態(tài)，例如開、關(guān)、正常運行、故障等。本研究用Si表示第i個設(shè)備的狀態(tài)，其中i是設(shè)備的編號。

b. 操作信號：用于控制設(shè)備狀態(tài)的信號，本研究用Ui表示第i個設(shè)備的操作信號。這些信號可以是開關(guān)控制、調(diào)節(jié)參數(shù)等。

c. 設(shè)備之間的通信信號：設(shè)備之間需進行信息交流，以共享狀態(tài)信息、操作指令等。本研究用Cij表示從設(shè)備i到設(shè)備j的通信信號。

Step2協(xié)同工作策略：

a. 設(shè)備狀態(tài)更新：在每個時刻τ，設(shè)備根據(jù)操作信號Ui和通信信號Cij來更新其狀態(tài)Si。

b. 協(xié)調(diào)控制：設(shè)備之間通過通信信號Cij共享狀態(tài)信息，以協(xié)調(diào)操作。例如，如果設(shè)備i檢測到自身狀態(tài)異常，它可以向設(shè)備j發(fā)送通信信號Cij，以請求協(xié)助或建議。

c. 決策規(guī)則：設(shè)備可以根據(jù)一組決策規(guī)則來選擇操作信號Ui，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。這些規(guī)則可以是基于反饋控制、優(yōu)化算法等。

Step3協(xié)同更新：

a. 設(shè)備狀態(tài)更新：

b. 通信信號更新：

式中，fi和gij是設(shè)備狀態(tài)更新和通信信號更新的函數(shù)，它們根據(jù)操作信號和狀態(tài)信息來計算下一個時刻的狀態(tài)和通信信號。

4 結(jié)束語

110kV 及以下電力設(shè)備和線路的研究是電力領(lǐng)域的一個重要方向，它直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的可靠性、效率和可持續(xù)性。通過深入研究電力線路的優(yōu)化、絕緣和保護技術(shù)以及電力系統(tǒng)集成，不斷改進電力施工技術(shù)，以滿足日益增長的電力需求。本文的研究分析將為未來的電力系統(tǒng)提供更加可靠且可持續(xù)的參考。