导线载流量的确定方法及装置

技术领域

本发明涉及电力导线载流量检测技术领域，尤其涉及一种导线载流量的确定方法及装置。

背景技术

目前，随着经济的快速发展，对电能的需求也进一步增加，对输电线路的输送能力提出了更高的要求。提高输电线路的输送能力通常基于新建输电线路、挖掘隐性输送容量等。对于经济较发达地区，输电走廊密度较高，受限于土地资源难以新建线路。因此，挖掘导线的隐性输送容量，成为现有技术中更常见的提高导线输送能力的方式。其中，导线的隐性输送容量可以通过对导线的载流量计算以进行评估。即载流量的计算结果将直接影响导线的输送能力。

现有的导线载流量计算方法按照监测对象的不同主要分为两类：第一类是监测导线所处的气象环境的气候模型，对风速、风向、日照、环境温度等进行实时监测，从而计算导线在该环境条件下对应的载流量；但是这类方式通常由于户外长期使用的风速传感器通常精度较差，导致导线载流量计算值误差较大；第二类是监测部分气象参数和导线相关状态参数(导线温度、弧垂等)的载流量计算模型，主要包括热路模型、导线温度模型、弧垂模型、张力模型，这类方式较第一种来说在精度上有较大提升，但是在构建模型时需要在导线上安装相应的传感器以监测导线状态，一方面在导线上安装传感器需要停电进行操作，另一方面传感器后期的维护非常困难，因此该方法不仅花费成本高，实施难度大且后期维护工作量也十分巨大。因此，如何提供一种导线载流量确定方法以克服现有技术的上述缺点，是本领域目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导线载流量的确定方法及装置，该方法通过对高温铝球降温过程中的暂态温度数据进行处理，获取铝球降温过程的热时间常数，进而确定铝球的温度函数解析形式和温度微分项，可以避免在铝球侧计算过程中产生的截断误差，计算得到更为准确的铝球雷诺数Res。该方法通过确定高温铝球降温过程中的热时间常数可以更方便、更准确的对导线载流量进行计算，具有成本低、易实施、检测精度高的优点。

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明某一实施例提供了一种导线载流量的确定方法，包括：

根据采集的导线所处环境的环境参数建立环境模型，将铝球放置在所述环境模型中加热至预设温度阈值，按照预设时间间隔采集铝球自然降温过程中的温度数据；

通过所述温度数据拟合得到铝球的热时间常数，将所述热时间常数代入预设温度函数模型后，得到铝球温度函数及温度微分项函数；

根据所述铝球温度函数及所述温度微分项函数，对铝球暂态热平衡方程求解，得到铝球的雷诺数；

根据所述铝球的雷诺数计算得到所述导线的雷诺数，将所述导线的雷诺数、所述环境参数代入导线的热平衡方程，得到在当前环境下的导线载流量。

进一步地，所述预设温度函数模型的计算公式如下：

其中，T

进一步地，所述铝球暂态热平衡方程的计算公式如下：

其中，q

进一步地，所述导线载流量的计算公式如下：

其中，I

进一步地，所述环境参数包括日照强度、风向及环境温度。

进一步地，通过内热源对所述铝球进行加热，其中，所述内热源包括电阻丝，所述内热源的功率根据所述铝球的半径可调。

进一步地，所述拟合采用的方式包括最小二乘法。

进一步地，所述预设温度阈值包括70℃。

进一步地，所述预设时间间隔包括1S。

本发明某一实施例还提供一种导线载流量的确定装置，包括：

加热模块，用于根据采集的导线所处环境的环境参数建立环境模型，将铝球放置在所述环境模型中加热至预设温度阈值，按照预设时间间隔采集铝球自然降温过程中的温度数据；

拟合模块，用于通过所述温度数据拟合得到铝球的热时间常数，将所述热时间常数代入预设温度函数模型后，得到铝球温度函数及温度微分项函数；

雷诺数计算模块，用于根据所述铝球温度函数及所述温度微分项函数，对铝球暂态热平衡方程求解，得到铝球的雷诺数；

载流量计算模块，用于根据所述铝球的雷诺数计算得到所述导线的雷诺数，将所述导线的雷诺数、所述环境参数代入导线的热平衡方程，得到在当前环境下的导线载流量。

本发明某一实施例还提供了一种终端设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的导线载流量的确定方法。

本发明某一实施例还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述的导线载流量的确定方法的步骤。

相对于现有技术，本发明实施例的有益效果如下：

本发明通过对高温铝球降温过程中的暂态温度数据进行处理，获取铝球降温过程的热时间常数，进而确定铝球的温度函数解析形式和温度微分项，可以避免在铝球侧计算过程中产生的截断误差，计算得到更为准确的铝球雷诺数Res。该方法既不需要监测风速又不需要对导线状态进行监测，通过确定高温铝球降温过程中的热时间常数可以更方便、更准确的对导线载流量进行计算，具有成本低、易实施、检测精度高的优点。

附图说明

图1是本发明某一实施例提供的导线载流量的确定方法的流程示意图；

图2是本发明又一实施例提供的导线载流量的确定方法的步骤示意图；

图3是本发明某一实施例提供的导线载流量的确定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

第一方面：

请参阅图1-2，本发明某一实施例提供了一种导线载流量的确定方法，包括：

S10、根据采集的导线所处环境的环境参数建立环境模型，将铝球放置在所述环境模型中加热至预设温度阈值，按照预设时间间隔采集铝球自然降温过程中的温度数据；

S20、通过所述温度数据拟合得到铝球的热时间常数，将所述热时间常数代入预设温度函数模型后，得到铝球温度函数及温度微分项函数；

S30、根据所述铝球温度函数及所述温度微分项函数，对铝球暂态热平衡方程求解，得到铝球的雷诺数；

S40、根据所述铝球的雷诺数计算得到所述导线的雷诺数，将所述导线的雷诺数、所述环境参数代入导线的热平衡方程，得到在当前环境下的导线载流量。

需要说明的是，现有的架空导线载流量计算方法按照监测对象的不同主要分为两类：第一类是监测导线所处的气象环境的气候模型，对风速、风向、日照、环境温度等进行实时监测，从而计算导线在该环境条件下对应的载流量，这一类方法虽然在载流量计算上应用广泛，但是由于户外长期使用的风速传感器通常精度较差，导致导线载流量计算值误差较大。第二类是监测部分气象参数和导线相关状态参数(导线温度、弧垂等)的载流量计算模型，主要包括热路模型、导线温度模型、弧垂模型、张力模型。这一类方法需要监测导线状态的载流量计算模型对导线载流量的计算，相较气候模型其精度有较大的提升，但是该方法需要在导线上安装相应的传感器监测导线状态。一方面在导线上安装传感器需要停电进行操作，不易实施，另一方面传感器后期的维护非常困难，维护成本很大。因此，本实施例的目的在于提供一种既不需要监测风速又不需要对导线状态进行监测的架空导线载流量计算方法，该方法基于铝球及模拟导线所处真实环境，能够通过计算铝球的雷诺数以计算导线的雷诺数，最终能实现导线载流量的精确计算。

在本实施例中，优先将一实心铝球放置在与架空导线所处的真实环境的完全相同的模拟环境下，首先利用较大功率的热源将铝球加热到设置的上限温度T0，即步骤S10中的“预设温度阈值”，一般来说通常可以设为70℃。然后，停止给铝球提供热源，并让铝球自然冷却。通过温度传感器采集铝球在暂态降温过程的温度数据。在铝球降温这一段过程，通过对铝球热时间常数的求解，进而实现导线载流量的计算，具体过程如图2所示：

具体地，当高温铝球自然降温过程时，通过温度传感器采集铝球表面温度，并按照步骤S10中所说的“预设时间间隔”去采集温度数据，可以理解的是，在此处，采集频率越高，采集的数据就越多，就越有利于提高后续拟合过程的精确度。一般来说该预设时间间隔通常可以设置为1s。

在步骤S20中，铝球的降温过程中的温度随时间的变化函数形式f(t)通过如下公式来确定：

其中，(f(0+)为初始状态量，在高温铝球的降温过程设定其上限温度为T

具体地，铝球在降温过程的温度随时间变化的函数形式T

铝球温度微分项的表达式dT

当确定好铝球温度函数的形式后，利用采集得到的铝球暂态温度数据，通过最小二乘法拟合得到热时间常数τ。在确定好热时间常数τ值之后，铝球温度函数和温度微分项的计算过程中避免了截断误差。需要说明的是，最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。

在步骤S30中主要是计算铝球的雷诺数，其中雷诺数(Reynolds number)是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。在这一步中，利用获取的铝球温度函数即公式(2)，以及铝球温度微分项即公式(3)，对对铝球的暂态热平衡方程进行分析计算，获取铝球不同时刻的对流散热功率q

式中，q

其中，铝球日照吸热功率q

式中：Q

进一步地，铝球的辐射散热功率q

q

式中，l为铝球的直径，单位为m；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其大小为5.67×10-8W/(m

将公式(3)、(5)及(6)代入公式(4)，即可得到铝球对流散热功率q

进一步地的，在步骤S30中，计算得到铝球对流散热功率q

进一步地，当计算得到铝球对流换热系数h后，通过存在风速下的强迫对流形式的计算形式，利用努塞尔数Nu、普朗特数Pr、雷诺数Re

式中：K

其中，努塞尔数Nu和雷诺数Re

式中：Re

式中：C

可以理解的是，对于空气的相关物性参数计算在传热学中均可以找到。因此，通过式(8-10)可以计算铝球雷诺数Re

接下来步骤S30还包括最后一步，计算导线的雷诺数Re

式中：Re

在步骤S40中，主要是根据步骤S30的计算结果，得到导线载流量I

其中，I

其中，导线对流散热功率q

式中：q

式中：

进一步地，导线辐射散热功率qr的计算公式如下：

q

式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其大小为5.67×10-8W/(m

最后，导线日照吸热功率计算表达式为：

q

式中，α为导线表面对日照的吸收率，它的数值一般与导线表面的辐射率相等；Qs为日照辐射强度，单位为W/m

本发明实施例通过对高温铝球降温过程中的暂态温度数据进行处理，获取铝球降温过程的热时间常数，进而确定铝球的温度函数解析形式和温度微分项，可以避免在铝球侧计算过程中产生的截断误差，计算得到更为准确的铝球雷诺数Res。该方法通过确定高温铝球降温过程中的热时间常数可以更方便、更准确的对导线载流量进行计算，具有成本低、易实施、检测精度高的优点。

在某一个实施例中，在步骤S10的加热方式优选采用内热源对铝球进行加热，其中，所述内热源包括电阻丝，所述内热源的功率根据所述铝球的半径可调。

第二方面：

在某一个实施例中，还提供一种导线载流量的确定装置，包括：

加热模块01，用于根据采集的导线所处环境的环境参数建立环境模型，将铝球放置在所述环境模型中加热至预设温度阈值，按照预设时间间隔采集铝球自然降温过程中的温度数据；

拟合模块02，用于通过所述温度数据拟合得到铝球的热时间常数，将所述热时间常数代入预设温度函数模型后，得到铝球温度函数及温度微分项函数；

雷诺数计算模块03，用于根据所述铝球温度函数及所述温度微分项函数，对铝球暂态热平衡方程求解，得到铝球的雷诺数；

载流量计算模块04，用于根据所述铝球的雷诺数计算得到所述导线的雷诺数，将所述导线的雷诺数、所述环境参数代入导线的热平衡方程，得到在当前环境下的导线载流量。

可以理解的是，本实施例的导线载流量的确定装置的模块01-04分别用于执行步骤S10-S40：

具体地，步骤S10中优先将一实心铝球放置在与架空导线所处的真实环境的完全相同的模拟环境下，首先利用较大功率的热源将铝球加热到设置的上限温度T

具体地，当高温铝球自然降温过程时，通过温度传感器采集铝球表面温度，并按照步骤S10中所说的“预设时间间隔”去采集温度数据，可以理解的是，在此处，采集频率越高，采集的数据就越多，就越有利于提高后续拟合过程的精确度。一般来说该预设时间间隔通常可以设置为1s。

在步骤S20中，铝球的降温过程中的温度随时间的变化函数形式f(t)通过如下公式来确定：

其中，(f(0+)为初始状态量，在高温铝球的降温过程设定其上限温度为T

具体地，铝球在降温过程的温度随时间变化的函数形式T

铝球温度微分项的表达式dT

当确定好铝球温度函数的形式后，利用采集得到的铝球暂态温度数据，通过最小二乘法拟合得到热时间常数τ。在确定好热时间常数τ值之后，铝球温度函数和温度微分项的计算过程中避免了截断误差。需要说明的是，最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。

在步骤S30中主要是计算铝球的雷诺数，其中雷诺数(Reynolds number)是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。在这一步中，利用获取的铝球温度函数即公式(2)，以及铝球温度微分项即公式(3)，对对铝球的暂态热平衡方程进行分析计算，获取铝球不同时刻的对流散热功率q

式中，q

其中，铝球日照吸热功率q

式中：Q

进一步地，铝球的辐射散热功率q

q

式中，l为铝球的直径，单位为m；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其大小为5.67×10-8W/(m

将公式(3)、(5)及(6)代入公式(4)，即可得到铝球对流散热功率q

进一步地的，在步骤S30中，计算得到铝球对流散热功率q

进一步地，当计算得到铝球对流换热系数h后，通过存在风速下的强迫对流形式的计算形式，利用努塞尔数Nu、普朗特数Pr、雷诺数

Re

式中：K

其中，努塞尔数Nu和雷诺数Re

式中：Re

式中：C

可以理解的是，对于空气的相关物性参数计算在传热学中均可以找到。因此，通过式(8-10)可以计算铝球雷诺数Re

接下来步骤S30还包括最后一步，计算导线的雷诺数Re

式中：Re

在步骤S40中，主要是根据步骤S30的计算结果，得到导线载流量I

其中，I

其中，导线对流散热功率q

式中：q

式中：

进一步地，导线辐射散热功率q

q

式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其大小为5.67×10-8W/(m

最后，导线日照吸热功率计算表达式为：

q

式中，α为导线表面对日照的吸收率，它的数值一般与导线表面的辐射率相等；Qs为日照辐射强度，单位为W/m

第三方面：

在某一个实施例中，还提供了一种终端设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的导线载流量的确定方法。

处理器用于控制该计算机终端设备的整体操作，以完成上述的导线载流量的确定方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该计算机终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该计算机终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

计算机终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific1ntegrated Circuit，简称AS1C)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device,简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行如上述任一项实施例所述的导线载流量的确定方法，并达到如上述方法一致的技术效果。

在某一个实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述的导线载流量的确定方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由计算机终端设备的处理器执行以完成如上述任一项实施例所述的导线载流量的确定方法，并达到如上述方法一致的技术效果。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。