动态线路额定值测定设备及其相关联方法

摘要

一种动态线路额定值测定设备，其被配置成通过测定电力线路导体的动态最大电流额定值而实现对施加到所述电力线路导体的电流的控制，所述设备被配置成：基于在至少两个在时间上间隔开的样本时间处获得的所测量电压相位矢量和电流相位矢量的集合，所述电压相位矢量和所述电流相位矢量包括：由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电压相位矢量；由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电压相位矢量；由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电流相位矢量；以及由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电流相位矢量；通过以下操作测定所述动态最大电流额定值：将电压相位矢量和电流相位矢量的所述集合应用于预定电力线路模型以测定实时导体温度的估计值，将实时导体温度的所述估计值应用于预定热模型以测定所述电力线路导体随时间推移将达到的稳态温度的预测值，以及至少基于所述稳态温度的所述预测值、电力线路导体电流和最高温度限值计算所述动态最大电流额定值。

权利要求

1.一种动态线路额定值测定设备，配置成通过测定用于电力线路导体的动态最大电流额定值来实现对施加到所述电力线路导体的电流的控制，所述设备配置成：基于在至少两个在时间上间隔开的样本时间处获得的所测量电压相位矢量和电流相位矢量的集合，所述电压相位矢量和所述电流相位矢量包括：由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电压相位矢量；

由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电压相位矢量；

由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电流相位矢量；以及由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电流相位矢量；

通过以下操作测定所述动态最大电流额定值：将电压相位矢量和电流相位矢量的所述集合应用于预定电力线路模型以测定实时导体温度的估计值，将实时导体温度的所述估计值应用于预定热模型以测定所述电力线路导体随时间推移将达到的稳态温度的预测值，以及至少基于所述稳态温度的所述预测值、电力线路导体电流以及最高温度限值计算所述动态最大电流额定值。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电压相位矢量和所述电流相位矢量的由对称分量法导出的正序分量的集合应用于所述预定电力线路模型，正序分量的所述集合包括：用于所述第一端的正序电压分量；

用于所述第二端的正序电压分量；

用于所述第一端的正序电流分量；以及用于所述第二端的正序电流分量。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，正序分量的所述集合是基于以下等式予以测定的；

其中，

和 是所述第一端的所述正序电压分量和所述正序电流分量；

和 是所述第二端的所述正序电压分量和所述正序电流分量；

和 是用于所述第一端处的每一相位a、b、c的所述电压相位矢量；

和 是用于所述第一端处的每一相位a、b、c的所述电流相位矢量；

和 是用于所述第二端处的每一相位a、b、c的所述电压相位矢量；

和 是用于所述第二端处的每一相位a、b、c的所述电流相位矢量；

α是变换算子且被界定为：

j是虚数单位。

4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述设备被配置成：基于以下等式中所表示的所述预定电力线路模型测定实时导体温度Tc的所述估计值：其中，

A(Tc)＝D(Tc)＝cosh(γl)B(Tc)＝Zcsinh(γl)，C(Tc)＝sinh(γl)/Zcl(Tc)＝l(TREF)(1+ε)或

或

以及

r是所述电力线路导体的每单位长度的串联电阻；

γ是所述电力线路导体的传播常数；

l是所述电力线路导体的长度；

Zc是所述电力线路导体的特性阻抗；

TREF是参考导体温度且r(TREF)是温度TREF下的所述电力线路导体的每单位长度的电阻；

ε是所述电力线路导体的预定拉伸参数；

j是虚数单位，

ω是所述电压/电流的角频率，其中ω＝2πf；

Lu是所述电力线路导体的每单位长度的电感；且Cu是所述电力线路导体的每单位长度的电容。

5.根据权利要求2到4中任一权利要求所述的设备，其中，所述设备被配置成通过以下等式将电力线路导体电流I测定为电力线路导体电流的平均值；

或通过如下等式：

其中，

和 是所述第一端的所述正序电压分量和所述正序电流分量；

和 是所述第二端的所述正序电压分量和所述正序电流分量；且或

或

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述设备被配置成通过以下方法中的任一个测定所述拉伸参数：i) 以及

ii)

其中

F是施加到所述导体的以N为单位的机械力，例如归因于支撑点之间的所述电力线路导体的重量的力；

A是所述电力线路导体的以mm2为单位的横断面面积；

E是所述电力线路导体的以Nmm-2为单位的弹性模数；

β1是所述电力线路导体的以K-1为单位的线性热膨胀系数；且β2是所述电力线路导体的以K-2为单位的均方热膨胀系数。

7.根据权利要求4所述的设备，其中，基于所述电力线路模型，使用非线性最小二乘法导出实时导体温度Tc的所述估计值。

8.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述设备被配置成将实时导体温度的所述估计值应用于所述预定热模型以测定所述电力线路导体随时间推移将达到的稳态温度的预测值包括：基于在不同时间处的至少两个所计算实时导体温度的时间导数测定表示实时导体温度随时间推移的所预测改变的时间常数，且使用所述时间常数来测定所述稳态温度。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备被配置成通过以下过程测定所述稳态导体温度Tcss：

1)如果|ΔTc|＜ε

Tcss(k)＝Tcv(k)

2)如果不是，则

其中ΔTc是两个相继计算的实时导体温度值Tc之间的差，ΔTc＝Tcv(k)-Tcv(k-1)ε是表示认为已经达到稳态条件的导体温度的改变的界限的预定阈值；

T′c(k)是Tc(k)的时间导数，是时间k处的所估计实时导体温度；且Tcv是Tc、Tc(k)和Tc(k-

1)的当前值与先前值的平均值。

10.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述设备被配置成基于下列中的一个或多个计算所述动态最大电流额定值：i)相对于所述预定最高温度限值Tmax的所述所预测稳态温度值Tcss；

ii)相对于后续稳态温度值与第一稳态温度值Tc0之间的差的所述预定最高温度限值Tmax与所述第一稳态温度值Tc0之间的差；

iii)相对于后续稳态温度值Tcss(k)与第一稳态温度值Tcss(k-g)之间的差的所述预定最高温度限值Tmax与所述第一稳态温度值之间的差，以及所述第一稳态温度值的时间与所述后续稳态温度值的时间之间的所述平均导体电流I的改变。

11.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述设备被配置成基于以下等式中的一个或多个计算所述动态最大电流额定值，Imax(k)：i)

ii)

其中Tmax是预定最高温度限值，Tcss(k)是第(k)时间处的所述所计算稳态导体温度，Tc0是所述电力线路中不存在电流流动时的初始稳态导体温度，且Ik是第k时间处的电力线路导体电流，Ik-1是先前第(k-1)时间处的电力线路导体电流。

12.根据任一前述权利要求中所述的设备，其中，所述设备被配置成基于下列来计算所述动态最大电流额定值，Imax：对用作三种不同情况中的一种或多种情况中的判断条件的以下变量中的一个或多个的测定，其中，ΔI是两个相继测定的导体电流之间的差，其中k-1表示第一测定值且k表示后续测定值；

ΔI＝Ik-Ik-1

ΔTcss是两个相继测定的稳态导体温度之间的差，其中k-1表示第一测定值且k表示后续测定值；

ΔTcss＝Tcss(k)-Tcss(k-1)Tc0是所述电力线路中不存在电流流动时的初始稳态导体温度；

ΔTc0是两个连续初始稳态导体温度之间的差，ΔTc0＝Tc0(k)-Tc0(k-1)ε1、ε2、ε3和ε4是控制对Imax的测定的所有预定阈值；且通过以下等式中的一个或多个计算所述动态最大电流额定值Imax：i)如果|ΔI|≤ε1，那么使用以下等式计算Imax(k)：在等式中，Tmax是所述最高可允许导体温度，Tcss(k)是在第(k)时间间隔处的所述所计算的稳态导体温度，且Ik是第(k)时间间隔处的所述平均导体温度；

ii)如果|ΔI|≥ε1且|ΔTcss|≤ε2，那么Imax(k)保持历史值；

Imax(k)＝Imax(k-1)iii)如果|ΔI|≥ε1且|ΔTcss|≥ε2，那么使用以下等式计算所述最大电流额定值Imax(k)：

13.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述设备被配置成在所述设备提供所述所计算的动态最大电流额定值，以用于控制施加到所述电力线路导体的电流之前检查所述所计算的动态最大电流额定值Imax(k)处于预定界限内。

14.一种提供对施加到电力线路导体的电流控制的方法，其通过测定用于电力线路导体的动态最大电流额定值来实现，所述方法包括：基于在至少两个在时间上间隔开的样本时间处获得的所测量电压相位矢量和电流相位矢量的集合，所述电压相位矢量和所述电流相位矢量包括：由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电压相位矢量；

由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电压相位矢量；

由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电流相位矢量；以及由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电流相位矢量；

通过以下操作测定所述动态最大电流额定值：将所述电压相位矢量和所述电流相位矢量应用于预定电力线路模型以测定实时导体温度的估计值，将实时导体温度的所述估计值应用于预定热模型以测定所述电力线路导体随时间推移将达到的稳态温度的预测值，以及至少基于稳态温度的所述预测值、电力线路导体电流以及最高温度限值计算所述动态最大电流额定值。

15.一种配电网或一种输电网，其包括用于在所述电网上输送电力的至少一个电力线路导体，所述电网包括根据权利要求1到13中任一项所述的用于控制施加到所述至少一个电力线路导体的所述电力的设备。

说明书

动态线路额定值测定设备及其相关联方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种设备，其被配置成测定包括可施加到电力线路导体的动态最大电流的动态线路额定值。本发明还涉及一种相关联方法和一种包括所述设备的配电网和/或输电网。

发明内容

[0002] 根据本发明的第一方面，我们提供一种动态线路额定值测定设备，其被配置成通过测定用于电力线路导体的动态最大电流额定值来实现对施加到所述电力线路导体的电流的控制，所述设备被配置成：

[0003] 基于在至少两个在时间上间隔开的样本时间处获得的所测量电压相位矢量和电流相位矢量的集合，所述电压相位矢量和所述电流相位矢量包括：

[0004] 由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电压相位矢量；

[0005] 由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电压相位矢量；

[0006] 由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电流相位矢量；以及

[0007] 由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电流相位矢量；

[0008] 通过以下操作测定所述动态最大电流额定值：

[0009] 将所述电压相位矢量和所述电流相位矢量应用于预定电力线路模型以测定实时导体温度Tc的估计值，

[0010] 将实时导体温度的所述估计值应用于预定热模型以测定所述电力线路导体随时间推移将达到的稳态温度的预测值，以及

[0011] 至少基于稳态温度的所述预测值、电力线路导体电流以及最高温度限值计算所述动态最大电流额定值。

[0012] 此为有利的，因为所述设备不需要测量周围天气或环境条件或测量电力线路导体温度。实际上，通过使用预定电力线路模型和热模型，可获得惊人的准确且有效的动态最大电流额定值。所述设备仅需要测量用于电力线路导体的两个不同端部处的每一相位的电压相量和电流相量，且接着实时导体温度、稳态导体温度和动态最大电流额定值全部基于所述所测量相量予以计算。

[0013] 视需要，将电压相位矢量和电流相位矢量的由对称分量法导出的正序分量的集合应用于预定电力线路模型，正序分量的集合包括：

[0014] 用于所述第一端的正序电压分量；

[0015] 用于所述第二端的正序电压分量；

[0016] 用于所述第一端的正序电流分量；以及

[0017] 用于所述第二端的正序电流分量。

[0018] 视需要，基于以下等式测定正序分量的集合；

[0019]

[0020] 其中，

[0021] 和 是所述第一端的所述正序电压分量和所述正序电流分量；

[0022] 和 是所述第二端的所述正序电压分量和所述正序电流分量；

[0023] 和 是用于所述第一端处的每一相位a、b、c的所述电压相位矢量；

[0024] 和 是用于所述第一端处的每一相位a、b、c的所述电流相位矢量；

[0025] 和 是用于所述第二端处的每一相位a、b、c的所述电压相位矢量；

[0026] 和 是用于所述第二端处的每一相位a、b、c的所述电流相位矢量；

[0027] α是变换算子，其中；

[0028]

[0029] 且j是虚数单位。

[0030] 应了解，尽管本实例等式所示针对三相电力系统测定正序分量，但所述原理可应用于任何数目个相位。

[0031] 视需要，所述设备被配置成：

[0032] 基于以下等式中所表示的预定电力线路模型测定实时导体温度的估计值；

[0033]

[0034] 举例来说，如果等效PI区段模型用作电力线路模型，那么参数A(Tc)、B(Tc)、C(Tc)和D(Tc)可表达如下：

[0035] A(Tc)＝D(Tc)＝cosh(γl)

[0036] B(Tc)＝Zcsinh(γl)，C(Tc)＝sinh(γl)/Zc

[0037] l(Tc)＝l(TREF)(1+ε)

[0038]

[0039]

[0040] 在一个或多个实施例中，γ和Zc可交替地由以下等式测定：

[0041]

[0042]

[0043] 且

[0044] γ是所述电力线路导体的传播常数；

[0045] l是所述电力线路导体的长度；

[0046] r是所述电力线路导体的每单位长度的串联电阻；

[0047] ω是以弧度为单位的频率，其中ω＝2πf；

[0048] Zc是所述电力线路导体的特性阻抗；

[0049] TREF是参考导体温度且r(TREF)是温度TREF下的所述电力线路导体的每单位长度的电阻；

[0050] ε是所述电力线路导体的预定拉伸参数；且

[0051] j是虚数单位，

[0052] ω是电压/电流的角速度，其中ω＝2πf；

[0053] Lu是电力线路导体的每单位长度的(串联)电感；且

[0054] Cu是电力线路导体的每单位长度的(分路)电容。

[0055] 视需要，所述设备被配置成通过以下方法中的任一方法测定拉伸参数；

[0056] i) 以及

[0057] ii)

[0058] 其中

[0059] F是施加到导体的以牛顿为单位进行测量的机械力(例如，F可被看作为归因于两个电缆塔之间的导体的重量的重力，通过将归因于电缆总重量的总重力除以区段的数目来近似计算F)；

[0060] A是所述电力线路导体的以mm2为单位的横断面面积；

[0061] E是所述电力线路导体的以Nmm-2为单位的弹性模数；

[0062] β1是所述电力线路导体的以K-1为单位的线性热膨胀系数；且

[0063] β2是所述电力线路导体的以K-2为单位的均方热膨胀系数。

[0064] 视需要，基于电力线路模型，使用例如牛顿迭代法(Newton’s method)的非线性最小二乘法导出实时导体温度Tc的估计值。

[0065] 电力线路导体电流可以是平均电力线路导体电流。

[0066] 视需要，所述设备被配置成通过以下等式将电力线路导体电流I测定为平均电力线路导体电流；

[0067]

[0068] 或通过简化等式；

[0069]

[0070] 其中，

[0071] 和 是所述第一端的正序电压和正序电流；

[0072] 和 是所述第二端的正序电压和正序电流；且

[0073]

[0074]

[0075]

[0076] 在一个或多个实施例中，γ和Zc可交替地由以下等式测定：

[0077]

[0078]

[0079] γ是所述电力线路导体的传播常数；

[0080] Zc是所述电力线路导体的特性阻抗

[0081] r是所述电力线路导体的每单位长度的串联电阻；

[0082] ω是以弧度为单位的频率，其中ω＝2πf；

[0083] Lu是电力线路导体的每单位长度的(串联)电感；

[0084] Cu是电力线路导体的每单位长度的(分路)电容。

[0085] TC已通过先前步骤获得。

[0086] 视需要，所述设备被配置成将实时导体温度的所述估计值应用于预定热模型以测定电力线路导体将随时间推移达到的稳态温度的预测值，其包括：

[0087] 基于在不同时间处的至少两个所计算实时导体温度的时间导数测定表示实时导体温度随时间推移的所预测改变的时间常数，且使用所述时间常数来测定所述稳态温度。

[0088] 不同时间可以是当前时间和先前时间。

[0089] 测定实时导体温度的时间导数可包括使用下式；

[0090]

[0091] 其中Ts1是Tc第(k-1)值与Tc第(k)值之间的时间间隔，包括预定的主要执行时间间隔(例如，Ts1可选定为5s)。

[0092] Tc(k)是第k时间间隔(当前时间)处的导体温度；

[0093] Tc(k-1)是第(k-1)时间间隔(先前时间)处的导体温度；且T′c(k)是Tc(k)的导数。

[0094] 计算时间常数α可包括以下方法中的任一个；

[0095] i)使用等式；

[0096]

[0097] ii)使用所述等式；

[0098]

[0099] 其中Ts2是预定的二级执行时间间隔。举例来说，Ts2可选定为10s；

[0100] k是当前时间样本且k-1是先前样本，两个样本是在二级执行时间间隔Ts2内；且[0101] 其中Tcv(k)是视为当前时间k和先前时间k-1处的温度的平均值的平均实时导体温度。

[0102] 视需要，所述设备被配置成通过以下过程测定稳态导体温度Tcss：

[0103] 1)如果|ΔTc|＜ε

[0104] Tcss(k)＝Tcv(k)

[0105] 2)或者

[0106]

[0107] 其中ΔTc是两个相继计算的实时导体温度值Tc之间的差，

[0108] ΔTc＝Tcv(k)-Tcv(k-1)

[0109] ε是表示认为已经达到稳态条件的导体温度的改变的界限的预定阈值；

[0110] T′c(k)是Tc(k)的时间导数，时间k处的所预测实时导体温度。应了解，k和k-1参考当前时间和先前时间处的相关联值，所述时间在此实例中是基于二级执行时间间隔。

[0111] 所述设备可被配置成验证所预测稳态导体温度Tcss(k)的可接受性，其包括：

[0112] 1)如果Tcss(k)∈[Tcss_mmin，Tcss_max]，那么Tcss(k)的计算结果是可接受的；

[0113] 2)如果不是如此，那么Tcss(k)保持其先前历史值；

[0114] Tcss(k)＝Tcss(k-1)

[0115] 其中[Tcss_min，Tcss_max]是Tcss的预定阈值范围。

[0116] 视需要，所述设备被配置成基于下列中的一个或多个计算动态最大电流额定值：

[0117] i)相对于所述预定最高导体温度限值Tmax的所述所预测稳态温度值Tcss；

[0118] ii)相对于后续(当前)稳态温度值与第一(初始)稳态温度值Tc0之间的差的预定最高导体温度限值Tmax与第一(初始)稳态温度值Tc0之间的差；

[0119] iii)相对于后续稳态温度值Tcss(k)与第一稳态温度值Tcss(k-g)之间的差的预定最高导体温度限值Tmax与第一稳态温度值之间的差，和第一稳态温度值的时间与后续稳态温度值的时间之间的平均导体电流I的改变。

[0120] 视需要，所述设备被配置成基于以下等式中的一个或多个计算动态最大电流额定值Imax(k)；

[0121] i)

[0122] ii)

[0123] 其中Tmax是预定最高可允许导体温度(限值)，Tcss(k)是第(k)时间间隔处的所计算的稳态导体温度，Tc0是电力线路中不存在电流流动时的初始稳态导体温度，且Ik是第k时间间隔处的平均导体电流，Ik-1是后续第(k-1)时间间隔处的平均导体电流。应了解，k和k-1参考当前时间间隔和先前时间间隔处的相关联值，所述时间间隔在此实例中是基于预定三级执行时间间隔Ts3。举例来说，Ts3可选定为20s。

[0124] 视需要，所述设备被配置成基于下列计算动态最大电流额定值Imax：

[0125] 对用作三种不同情况中的一种或多种情况中的判断条件的以下变量中的一个或多个的测定，其中，

[0126] ΔI是两个相继测定的平均导体电流之间的差，其中k-1表示第一测定值且k表示后续测定值；

[0127] ΔI＝Ik-Ik-1

[0128] ΔTcss是两个相继测定的稳态导体温度之间的差，其中k-1表示第一测定值且k表示后续测定值；

[0129] ΔTcss＝Tcss(k)-Tcss(k-1)

[0130] Tc0是所述电力线路中不存在电流流动时的初始稳态导体温度；

[0131] ΔTc0是两个连续初始稳态导体温度之间的差，

[0132] ΔTc0＝Tc0(k)-Tc0(k-1)

[0133] ε1、ε2、ε3和ε4是控制对Imax的测定的所有预定阈值；且

[0134] 通过以下等式中的一个或多个计算所述动态最大电流额定值Imax：

[0135] i)如果|ΔI|≤ε1，那么使用以下等式计算Imax(k)：

[0136]

[0137] 在等式中，Tmax是所述最高可允许导体温度，Tcss(k)是在第(k)时间间隔处的所述所计算的稳态导体温度，且Ik是第(k)时间间隔处的所述平均导体温度；

[0138] ii)如果|ΔI|≥ε1且|ΔTcss|≤ε2，那么Imax(k)保持历史值；

[0139] Imax(k)＝Imax(k-1)

[0140] iii)如果|ΔI|≥ε1且|ΔTcss|≥ε2，那么使用以下等式计算所述最大电流额定值Imax(k)：

[0141]

[0142] 还可使用以下等式更新Tc0(k)的值：

[0143]

[0144] 视需要，所述设备被配置成在所述设备提供所计算的动态最大电流额定值以用于控制施加到电力线路导体的电流之前检查所计算的动态最大电流额定值Imax(k)位于预定界限内。

[0145] 根据第二方面，我们提供一种用于通过测定用于电力线路导体的动态最大电流额定值来实现对施加到所述电力线路导体的电流的控制的方法，所述方法包括：

[0146] 基于在至少两个在时间上间隔开的样本时间处获得的所测量电压相位矢量和电流相位矢量的集合，所述电压相位矢量和所述电流相位矢量包括：

[0147] 由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电压相位矢量；

[0148] 由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电压相位矢量；

[0149] 由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第一端处的每一相位的电流相位矢量；以及

[0150] 由所述电力线路导体输送的电力的在所述电力线路导体的第二端处的每一相位的电流相位矢量；

[0151] 通过以下操作测定所述动态最大电流额定值：

[0152] 将电压相位矢量和电流相位矢量的所述集合应用于预定电力线路模型以测定实时导体温度的估计值，

[0153] 将实时导体温度的所述估计值应用于预定热模型以测定所述电力线路导体随时间推移将达到的稳态温度的预测值，以及

[0154] 至少基于所述稳态温度的所述预测值、电力线路导体电流以及最高温度限值计算所述动态最大电流额定值。

[0155] 根据另一方面，我们提供一种计算机可读媒体或计算机程序，其包括被配置成在由具有存储器的处理器执行时执行所述第二方面的方法的计算机代码。

[0156] 根据本发明的另一方面，我们提供一种配电网或一种输电网，其包括用于在所述电网上输送电力的至少一个电力线路导体，所述电网包括所述第一方面的用于控制施加到所述至少一个电力线路导体的电力的设备。

附图说明

[0157] 以下仅作为实例提供参考附图的本发明的实施例的详细描述，在附图中：

[0158] 图1为一实例中动态线路额定值测定设备的示意图；

[0159] 图2为第一端与第二端之间的电力线路导体的示意图；

[0160] 图3为图1中动态线路额定值测定设备的更详细的示意图；

[0161] 图4为图3中所示的第一级的更详细的示意图；

[0162] 图5为三相电力线路的正序等效PI电路图的示意图；

[0163] 图6为用于任一电力线路的典型热模型的示意图；

[0164] 图7为图3中所示的第二级的更详细的示意图；

[0165] 图8为平方导体电流(I2)与稳态导体温度(Tcss)之间的线性关系的示意图。

具体实施方式

[0166] 图2所示为电力线路导体，其包括电导体的长度。电力线路可以是高架线路和/或地下电缆。可沿着电力线路传递的最大电流被称为电力线路的最大电流额定值，且其受到电力线路上所允许的最大导体温度限制。电力线路的温度例如影响其强度，以及其可从电缆塔下垂的量，所述温度必须加以控制以确保电力线路保持在安全操作界限内。超过最大导体温度可引起导体材料的退火，从而造成对电力线路的永久性损坏。最大导体温度可包括基于电力线路的物理尺寸和材料以及如何对其支撑的预定值。导体温度至少随流动通过电力线路的电流和例如周围温度、风速、风向及入射太阳辐射的环境条件而变。常规最大电流额定值可基于“最差”环境条件予以测定，在最差环境条件中，环境造成相当高的导体温度，因此导致相对低的最大电流额定值以确保不超过最大导体温度。通过此方法计算的最大电流被称为静态线路额定值。在实践中，环境条件可能很少会接近“最差”情形，因此通过静态线路评定方法测定的最大电流额定值在多数时间可能过度保守。因此，可能未充分使用电力线路的电容量。

[0167] 基于当前时间的实际环境条件而非“最差”情形测定最大电流额定值可实现对电力线路电容量的利用率的改进。因此，如果环境条件较少地影响导体温度，那么最大电流额定值可能增加，且如果环境条件较多地影响导体温度，那么最大电流额定值可能减少。通过此方法测定的最大电流额定值被称为动态线路额定值。

[0168] 主动地监控导体温度以确定最大电流额定值是否可增加或是否应减少通常需要许多沿着电力线路定位的用以收集环境信息和/或导体的温度的测量单元。使用许多测量单元增加动态线路评定装置的资金成本和维护费用。

[0169] 图1所示被配置成提供用于具有第一端21和第二端22的电力线路区段20(图2中所示)的动态最大电流额定值2的动态线路评定设备1。电力线路区段20可包括电导体的长度且可形成配电网或输电网的一部分。电力线路区段可由例如电缆塔23的支撑结构沿着电力线路区段的长度予以支撑。最大电流额定值2是基于电力线路区段20的第一端21处的电压和电流的测量3，以及电力线路区段20的第二端22处的电压和电流的测量4。

[0170] 下面将描述一种仅基于电力线路导体的测量3、4和预定模型化测定动态最大电流额定值的方法。

[0171] 除了动态最大电流额定值2之外，所述设备还被配置成提供其它变量，例如所估计的实时导体温度5和所预测的稳态导体温度6。基于电力线路的测量3、4和预定模型化计算所估计的实时导体温度5和所预测的稳态导体温度6。因此，既不需要环境条件测量传感器也不需要电力线路温度传感器。稳态导体温度包括电力线路导体在通过所述电力线路的电流的改变之后将最终达到的温度。因此，响应于电流的阶跃改变的导体温度的改变可能不会即刻出现，但可在将来在一段时间之后达到基本上恒定的“稳态导体温度”。因此，稳态导体温度包括在假定稳态电流/功率通量和环境条件的情况下导体将达到的温度的预测值。

[0172] 图3所示包括三个级31、32、33的动态线路评定设备1的示意图。第一级31包括测定电力线路区段20的实时导体温度TC和流动通过电力线路区段20的平均电流I。因此，第一级31包括实时导体温度测定级。

[0173] 对于任何电力线路区段20，任一端21、22都可被界定为传送端，并因此另一端是接收端。在下文中，第一端21将被称作传送端且第二端22将被称作接收端，但应了解，在其它实例中此可能是反过来的。第一级31被配置成接收：用于在传送端21处测量的每一相位的电压相量(相位矢量)34的集合；用于在传送端21处测量的每一相位的电流相量35的集合；用于在接收端22处测量的每一相位的电压相量(相位矢量)36的集合；以及用于在接收端22处测量的每一相位的电流相量37的集合。

[0174] 和 表示三相(相位a、相位b和相位c)系统的传送端21的三相电压相量。应了解，设备1可应用于利用多于三个相位或少于三个相位的系统。此外，对应地，和 表示在传送端21处测量的三相电流相量。此外， 和 表示在接收端22处测量的三相电压相量。此外， 和 表示在接收端22处测量的三相电流相量。在此实例中在取样周期Tsample处取样这些电压相量和电流相量，所述取样周期可以是每20毫秒，但也可使用其它取样周期。每Ts1秒提供对实时导体温度Tc的测定，其中Ts1大于电压和电流相量取样周期(在此实例中为20ms)。下面将描述根据这些电压和电流测量对TC和平均导体电流I的测定。第一级31提供TC作为输出38且提供I作为输出39。

[0175] 第二级32包括稳态导体温度测定级。第二级32被配置成仅基于平均电流I和所估计的实时导体温度Tc测定稳态导体温度Tcss。每Ts2秒提供对TCss的测定，其中Ts2大于Ts1。第二级32提供TCSS作为输出40且将来自第一级的I中继转发为输出41。

[0176] 第三级33包括动态最大电流额定值测定级。第三级33被配置成基于由第二级32测定的稳态导体温度TCSS和由第一级31测定的平均电流I来测定动态最大电流额定值Imax。因此，供设备使用的仅主动测量的变量包括在第一级31中获得的电压相量和电流相量。第三级33提供Imax作为输出42。在图3中，第三级所示为仅提供Imax。可提供Imax以用于控制横越电力线路区段20的功率通量。然而，如图1所示，设备1可另外提供实时导体温度Tc和/或稳态导体温度Tcss作为输出。每Ts3秒提供对Imax的测定，其中Ts3大于Ts2。举例来说，在本实例中，Ts1＝5秒，Ts2＝10秒，且Ts3＝20秒。

[0177] 在第一级31中，通过求解使用电压相量和电流相量作为输入的电力线路模型等式，基于来自电力线路两端的所测量电压和电流来评估实时导体温度。具体来说，电力线路模型等式可包括使用这些电压相量和电流相量作为输入的电力线路的传输等式。从一端传输到另一端的电压和电流与线路参数相关，所述线路参数随例如线路温度变化。线路的串联阻抗和分路导纳可随导体温度变化。因此，可通过直接求解线路的传输等式来获得导体温度，在所述等式中，电压和电流是已知量且温度是未知变量。可利用牛顿迭代法从传输线等式导出实时导体温度Tc。平均导体电流I可基于用于每一相位的正序分量IS和IR导出，或在其它实例中，从不同设备接收。

[0178] 在第二级32中，基于来源于第一级的实时导体温度通过使用预定电力线路热模型测定稳态导体温度。

[0179] 在第三级33中，基于来源于第二级的稳态导体温度和平均导体电流测定最大电流额定值，如下面更详细地描述。

[0180] 第一级31

[0181] 图4所示第一级31的更详细概念图。第一级31包括对称分量测定元件43和电力线路模型测定元件44。对称分量测定元件43被配置成根据在传送端21和接收端22处测量的十二个电压相位相量值和电流相位相量值34、35、36、37来测定正序分量。具体来说，对称分量测定元件43被配置成测定用于第一传送端20和第二接收端21的正序电压项和用于第一传送端20和第二接收端21的正序电流项。因此，测定四个正序分量45、46、47、48。

[0182] 电力线路模型元件44被配置成从元件43接收正序分量45、46、47、48且求解如下面所描述的预定电力线路模型的等式以测定实时导体温度38的估计值。电力线路模型元件44或另外计算块(图中在此实例中未示)可被配置成测定在39处所示为输出的平均导体电流I。

[0183] 使用以下等式在元件43中导出正序分量 和

[0184]

[0185] 其中，

[0186] 和 是传送端的正序电压和正序电流；

[0187] 和 是接收端的正序电压和正序电流；

[0188] 和 是用于所述第一端处的每一相位a、b、c的电压相位矢量；

[0189] 和 是用于所述第一端处的每一相位a、b、c的电流相位矢量；

[0190] 和 是用于所述第二端处的每一相位a、b、c的电压相位矢量；

[0191] 和 是用于所述第二端处的每一相位a、b、c的电流相位矢量；

[0192] α是变换算子；且

[0193]

[0194] j是虚部单位。

[0195] 基于在以下等式1中所表示的电力线路模型由元件44确定对所估计实时导体温度的测定，所述电力线路模型基于图5导出。

[0196]

[0197] 举例来说，如果等效PI区段模型用作电力线路模型，那么A(Tc)、B(Tc)、C(Tc)和D(Tc)的参数可表达如下：

[0198] A(Tc)＝D(Tc)＝cosh(γl)

[0199] B(Tc)＝Zcsinh(γl)，C(Tc)＝sinh(γl)/Zc

[0200] l(Tc)＝l(TREF)(1+ε)

[0201]

[0202]

[0203] 在一个或多个实施例中，γ和Zc可交替地由以下等式测定：

[0204]

[0205]

[0206] γ是传播常数；

[0207] l是电力线路区段20的长度；

[0208] r是电力线路区段20的每单位长度的串联电阻；

[0209] Zc是电力线路区段20的特性阻抗；

[0210] TREF是参考导体温度。举例来说，通常TREF可选定为20℃且温度r(TREF)是TREF下的每单位长度的电阻；

[0211] ε是电力线路区段20的拉伸率。

[0212] j是虚部单位，

[0213] ω是电压/电流的角频率。

[0214] ω＝2πf

[0215] Lu是电力线路导体的每单位长度的电感。

[0216] Cu是电力线路导体的每单位长度的电容。

[0217] 所述伸长率可通过以下等式测定；

[0218]

[0219] 或者，以简化的表达式，如下；

[0220]

[0221] 或者，ε还可根据导体的材料近似地予以评估且可因此包括预定量。

[0222] 其中

[0223] F是施加到导体的以牛顿为单位进行测量的机械力(例如，F可被看作为归因于两个电缆塔之间的导体的重量的重力，通过将归因于电缆总重量的总重力除以区段的数目来近似计算F)；

[0224] A是所述电力线路导体的以mm2为单位的横断面面积；

[0225] E是所述电力线路导体的以Nmm-2为单位的弹性模数；

[0226] β1是所述电力线路导体的以K-1为单位的线性热膨胀系数；且

[0227] β2是所述电力线路导体的以K-2为单位的均方热膨胀系数。

[0228] 基于等式1的以上电力线路模型，可使用牛顿迭代方法导出导体温度Tc。应了解，可使用适用于求解非线性最小二乘方问题的其它方法。首先，将电力线路模型(等式1)重写到实数等式中。

[0229]

[0230] 其中，

[0231]

[0232]

[0233] 接着，使用以下方法计算导体温度Tc。

[0234] 1)选择用于Tc的初始值：

[0235] 2)计算ΔY

[0236]

[0237] 3)计算J

[0238]

[0239] 4)计算ΔTc

[0240]

[0241] 5)通过以下等式修正Tc的值

[0242]

[0243] 6)检查是否达到以下条件。如果达到所述条件，那么进行到步骤(7)；如果没有达到所述条件，那么通过用 替换 同时使Y不变而返回步骤(2)；

[0244]

[0245] 7)以此方式，通过以下等式导出实时导体温度Tc；

[0246]

[0247] 图5所示具有经标注的传送端21和接收端22的三相电力线路的正序等效PI电路图。Z′和Y′是等效PI电路的等效阻抗和导纳，如所属领域的技术人员将理解。

[0248] 首先，基于图5，应了解，可通过以下等式(例如由元件44)计算平均导体电流I；

[0249]

[0250] 或通过简化等式；

[0251]

[0252] 其中

[0253] Z′＝Zcsinh(γl)

[0254]

[0255]

[0256]

[0257] 在一个或多个实施例中，γ和Zc可交替地由以下等式测定：

[0258]

[0259]

[0260] γ是所述电力线路导体的传播常数；

[0261] Zc是所述电力线路导体的特性阻抗；

[0262] r是所述电力线路导体的每单位长度的串联电阻；

[0263] ω是以弧度为单位的频率，其中ω＝2πf；

[0264] Lu是电力线路导体的每单位长度的(串联)电感；

[0265] Cu是电力线路导体的每单位长度的(分路)电容。

[0266] Tc已通过先前步骤获得。

[0267] 所估计的实时导体温度TC和平均电流I在38、39处传递到第二级32或稳态导体温度测定级。

[0268] 第二级32

[0269] 第二级包括根据所估计的实时导体温度Tc测定稳态导体温度Tcss。

[0270] 图6所示用于任一电力线路的典型热模型。当电力线路上的电流具有阶跃改变时，电力线路上的导体温度60将针对电流的改变和从一个稳态到新的稳态的改变按指数律成比例地做出反应。实时导体温度Tc与随时间推移将达到的稳态导体温度之间存在数学关系。因此，第一级31中所计算的实时导体温度可用于预测稳态导体温度。

[0271] 图7所示表示由第二级32执行的步骤72和73的示意图。

[0272] 步骤72包括使用下式测定实时导体温度的导数；

[0273]

[0274]

[0275] 其中Ts1是第一级31的一级执行时间间隔(例如，Ts1可选定为5s)，也就是说，Ts1是Tc第(k-1)值与Tc第(k)值之间的时间间隔。

[0276] Tc(k-1)是第(k-1)时间间隔处的导体温度；且

[0277] Tc(k)是第(k)时间间隔(当前时间)处的导体温度。

[0278] T′c(k)是Tc(k)的导数。

[0279] 接着步骤72包括计算按指数律成比例衰减的时间常数α。α可使用若干方法予以计算。

[0280] 第一种方法包括使用以下等式；

[0281]

[0282] 第二种方法包括使用以下等式；

[0283]

[0284] 其中Ts2是第二级32的二级执行时间间隔。举例来说，Ts2可选定为10s。k是当前时间样本且k-1是先前时间样本，两个样本在时间间隔Ts2内。一旦计算α，那么可针对预定条件检查其以测定其合理性。可应用以下“判断算法”以测定α的合理性。应了解，以下k值和k-1值是基于二级执行时间间隔。

[0285] 如果α(k)∈[αmin，αmax]，那么接受α(k)的计算结果。

[0286] 如果不是如此，那么α(k)保持先前值。

[0287] α(k)＝α(k-1)

[0288] [αmin，αmax]是α的操作范围且可预定。举例来说，在本设备中，将αmin设定为0且将αmax设定为2。应了解可以选择其它范围。此参数是电力线路的热时间常数的反映。其主要涉及导体的材料类型、区域中的风的型式(强风区域/弱风区域)等等。在实践中，如果无法访问以上信息，那么可将范围设定成尽可能宽。然而，优选的是在现场调试期间缩小范围。

[0289] 步骤73包括通过以下过程测定稳态导体温度Tcss：

[0290] 1)如果|ΔTc|＜ε

[0291] Tcss(k)＝Tcv(k)

[0292] 2)如果不是如此，则：

[0293]

[0294] 其中ΔTc是两个相继计算的实时导体温度值Tc之间的差，

[0295] ΔTc＝Tcv(k)-Tcv(k-1)

[0296] ε是预定阈值，其可以是较小值，且表示认为已经达到稳态条件的导体温度的改变的界限。举例来说，在本设备1中将ε设定为0.02℃。

[0297] 可应用另一“判断算法”以测定Tcss(k)的合理性。

[0298] 1)如果Tcss(k)∈[Tcss_min，Tcss_max]，那么Tcss(k)的计算结果是可接受的。

[0299] 2)如果不是如此，那么Tcss(k)保持先前值。

[0300] Tcss(k)＝Tcss(k-1)

[0301] [Tcss_min，Tcss_max]是Tcss(k)的操作范围。举例来说，在本设备1中，将Tcss_min设定为0且将Tcss_max设定为2*Tmax，其中Tmax是电力线路上的预定最高导体温度。

[0302] 以此方式，确定稳态导体温度Tcss且在输出40处提供所述稳态导体温度。平均电流值I可转发到第三级33。

[0303] 第三级33

[0304] 第三级33包括基于稳态导体温度Tcss和平均电流I测定最大可允许导体电流。

[0305] 图8所示平方导体电流(I2)与稳态导体温度(Tcss)之间的关系80。可在以下等式中利用此关系。

[0306] 接着由第三级33测定最大电流额定值Imax。可基于下列中的一个或多个测定最大电流额定值：

[0307] i)相对于最高导体温度Tmax的稳态温度值Tcss；

[0308] ii)相对于电流稳态温度值与初始稳态温度值Tc0之间的差的最高导体温度Tmax与初始稳态温度值Tc0之间的差；

[0309] iii)相对于后续稳态温度值Tcss(k)与第一稳态温度值之间的差的最高导体温度Tmax与第一稳态温度值Tcss(k-g)(其中，g可以是1、2、3等等)之间的差；以及第一稳态温度值的时间与后续稳态温度值的时间之间的平均导体电流I的改变。

[0310] 具体来说，第三级33可被配置成测定用作计算Imax的三种不同情况中的判断条件的以下变量中的一个或多个。对于以下所有表达式和等式，第k时间和第(k-1)时间处的样本的时间间隔是TS3，除非先前另外陈述，否则其基于级33的三级执行时间间隔。举例来说，TS3可选定为20s。

[0311] ΔI是两个相继测定的平均导体电流之间的差，其中k-1表示第一测定值且k表示后续测定值；

[0312] ΔI＝Ik-Ik-1

[0313] ΔTcss是两个相继测定的稳态导体温度之间的差，其中k-1表示第一测定值且k表示后续测定值；

[0314] ΔTcss＝Tcss(k)-Tcss(k-1)

[0315] Tc0是所述电力线路中不存在电流流动时的初始稳态导体温度。

[0316] ΔTc0是两个连续初始稳态导体温度的差，

[0317] ΔTc0＝Tc0(k)-Tc0(k-1)

[0318] ε1、ε2、ε3和ε4都是控制基于由第一级31和第二级32测定的值对Imax的测定的预定阈值。举例来说，在一个实例中，将ε1设定为0.1kA，将ε2设定为0.1℃，将ε3设定为0.1℃，且将ε4设定为5℃。

[0319] 因此，第三级33被配置成以取决于一个或多个条件的不同方式计算Imax。在此实例中，提供用以测定Imax的三种不同方式且在以下三种情况中描述所述方式。

[0320] 情况1：如果|ΔI|≤ε1，那么使用以下等式计算Imax(k)：

[0321]

[0322] 在所述等式中，Tmax是最高可允许导体温度。Tcss(k)是第(k)时间间隔处的所计算的稳态导体温度。Ik是第(k)时间间隔处的平均导体温度。

[0323] 情况2：如果|ΔI|≥ε1且|ΔTcss|≤ε2，那么Imax(k)保持历史值。

[0324] Imax(k)＝Imax(k-1)

[0325] 情况3：如果|ΔI|≥ε1且|ΔTcss|≥ε2，那么使用以下等式计算最大电流额定值：

[0326]

[0327] 另外，在情况3中，使用以下等式更新Tc0(k)的值；

[0328]

[0329] 然而，可针对合理性相对于至少一个预定条件来检查Tc0(k)的所述更新的值。具体来说，

[0330] 如果Tc0(k)∈[Tc0_min，Tc0_max，]且|ΔTc0|≤ε4，那么所计算的Tc0(k)是可接受的。[Tc0_min，Tc0_max，]是Tc0的预定操作范围。举例来说，在一个实例中，将Tc0_min设定为0℃且将Tc0_max设定为30℃。

[0331] 如果不是如此，那么Tc0(k)保持历史值。

[0332] Tc0(k)＝Tc0(k-1)

[0333] 通过以上三种情况，Imax(k)可予以计算且接着被提供以用于控制施加到电力线路区段20的电力/电流。在实践中，为确保所计算的Imax将始终不会违反电力线路的实际最大可允许电流，在提供对到电力线路的电力/电流的控制之前所计算的Imax可乘以系数。此系数可被称为可靠性系数，因为其确保动态线路评定方法的可靠性。所述可靠性系数应在0到1的范围内。举例来说，其可选定为0.9。

[0334] 在其它实例中，上面所计算的Imax(k)值可在被提供用来控制施加到电力线路区段20的电力/电流之前经历合理性检查。具体来说，可检查所计算的Imax(k)，使得其位于预定界限内。可用于测定所计算的Imax(k)的合理性的实例最大电流额定值判断算法如下；

[0335] 1)如果Imax(k)∈[Imax_min，Imax_max]，那么Imax(k)的计算结果是可接受的。

[0336] 2)如果不是如此，那么Imax(k)保持历史值。

[0337] Imax(k)＝Imax(k-1)

[0338] [Imax_min，Imax_max]是Imax(k)的操作范围。举例来说，在一个实例中，将Imax_min设定为0kA且将Imax_max设定为5kA。

[0339] 以上三个级31、32、33组成整个计算回路。以此方式，可预测电力线路的最大电流额定值。设备1可集成到电力线路保护装置中，其可能已经或可能不存在于电力线路20上。或者，设备1可与电力线路区段20的监控与数据采集(SCADA)系统集成在一起。应了解，术语“电力线路区段”可指电力线路的一部分或全部。设备1经所示为在概念上包括以上描述中的三个级。然而，应了解，可提供任何数目个计算/测定级以执行步骤，且所述步骤/级可进行组合，而非遵循对实时导体温度、稳态导体温度和最大电流额定值的逐步测定。以上描述包括实施传输交流电(AC)的电力线路。本发明也可应用于传输直流电(DC)的电力线路。