电力电缆实时载流量评估系统设计

梁永春，刘雅丽，王宇翔

(河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018)

电力电缆实时载流量评估系统设计

梁永春，刘雅丽，王宇翔

(河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018)

为了提高电力电缆的利用率，合理调配电缆的实时负荷，利用实时环境参数监测终端、GPRS数据传输模块和上位机构成了高压电力电缆实时载流量评估系统。并利用DS18B20、风力传感器、土壤温湿度传感器、光照传感器和STM32嵌入式单片机对环境参数进行实时监测，实现了对环境温度、土壤湿度、土壤温度、环境风力、环境光照等参数的实时采集，并利用GPRS数据传输模块将环境参数传送到上位机，利用上位机结合VB6.0和ANSYS编制了高压电力电缆温度场和载流量计算软件，实现了电力电缆参数数据库存储、敷设模式界面化操作、环境参数的实时监测与显示、实时动态载流量的在线计算等功能。计算结果表明，高压电力电缆的实时动态载流量系统能够准确计算出受环境参数影响的高压电力电缆的载流量，提高了计算效率，为电力部门调配电缆的实时负荷提供了依据。

高电压工程；电力电缆；动态载流量；有限元；环境参数；实时监测

高压电力电缆载流量的准确评估对于保证电缆的使用寿命和安全可靠运行具有重要的作用，因此近年来国内外开展了电力电缆载流量评估方法的研究[1]。虽然IEC也给出了计算电缆载流量的依据和公式，但IEC额定载流量的计算主要是依据给定的温度、电缆型号、排列方式和敷设方式给出的，而高压电力电缆载流量的影响因素众多，且电缆运维部门也需要掌握电力电缆的实时载流量，从而为电缆线路的倒修和负荷电流的调配提供依据。基于此，国内外研究人员采用通过电缆缆芯导体温度评估的方法来预测当前环境条件下的电缆实时载流量。例如采用光纤测温电缆、热电偶检测等手段监测电缆的金属热温度或表面温度，然后利用热路模型推算缆芯导体温度，根据导体温度与绝缘耐受温升之间的差值来估算实时载流量，从而作为调配负荷的依据[2-3]。由于影响电缆载流量因素众多，电缆的载流量还与环境中的温度、风速、光照、土壤导热系数等密切相关，仅仅根据缆芯导体温度来推测载流量还有一定的困难，并存在一定的偏差[4]，因而将环境参数的实时监测与载流量评估方法相结合，构建一套由环境参数实时监测与上位机载流量计算相结合的高压电力电缆实时动态载流量评估系统具有重要的意义。

1 高压电力电缆实时动态载流量系统

高压电力电缆实时动态载流量需要实时监测环境参数[5]，例如空气温度、地表风速、光照强度、土壤湿度等等，然后计算机才能根据这些环境参数计算当前环境下的电缆实时载流量[6-7]，因而电力电缆实时动态载流量系统可分为环境参数实时监测终端和上位机两部分，各影响电力电缆载流量的环境参数由相应传感器和单片机监测后通过流量模式上传给上位机，如图1所示。

图1 电力电缆实时动态载流量系统Fig.1 Real-time dynamic current carrying capacity system for power cables

环境参数实时监测终端是为上位机提供实时的环境参数，该系统采用STM32F407单片机结合外部传感器构建，然后通过GPRS无线传输模块将数据传送给上位机，电力电缆实时动态载流量系统设计如图2所示。

图2 电力电缆实时动态载流量系统设计Fig.2 Design of real-time dynamic current carrying capacity of power cable

温度部分采用2片DS18B20温度传感器，1片监测环境空气温度，1片监测土壤温度，测量温度范围为-55～125 ℃，最大精度为±0.5 ℃，其分辨率能够利用程序设置成9～12位，默认12位，数据线直接与STM32F407相连；地表光照由RS-GZWS-N01传感器采集，测量范围为0～20万Lux；土壤湿度由SM3002B湿度传感器测量，运行环境土壤温度为-30～85 ℃；由YGC-FS风速传感器测量地表风速，测量范围为0～70 m/s。这几类信号均通过RS485信号传给STM32F407单片机，利用STM32F407单片机接收这些传感器给出的环境参数后，通过GY0110型GPRS模块通过流量模式上传给上位机。

该终端与GPRS模块间数据通讯为串口通讯，按照已经规定好的格式通过RS232串口发送数据，发送完毕后，接收标识符复位。其发送的数据格式为温度传感器1(采集的温度)、温度传感器2(采集的温度)、土壤湿度、风速的十位数、风速的个位数、风速的十分位数、光照强度。

2 系统软件设计

为了便于操作，提高实用性，上位机不仅采用图形化的操作界面和图形化的按钮，还建立了包含当前绝大多数电缆的数据库，在使用过程中可以直接调用库中的电缆参数进行计算，为了增加可扩展性，系统提供了电缆新增操作，可以在后续使用中增加新电缆，扩充数据库。系统软件结构如图3所示。

图3 系统软件结构图Fig.3 Software system design

该系统软件采用VB 6.0搭建编制，电缆的敷设方式选择了采用图形化的按钮，整个界面也图形化地显示电缆敷设的断面图，与此同时电缆参数也采用图形化界面，提高了软件使用的交互性，敷设方式图形化界面如图4所示。

图4 敷设方式图形化界面Fig.4 Graphical interface of the laying way

考虑到电缆载流量计算采用有限元数值分析的方法，而利用软件编写有限元的程序将非常复杂[8-15]，本系统采用后台调用ANSYS完成有限元计算，利用ShellAnd Wait函数启动ANSYS，进行建模和仿真计算，计算方法为迭代法，当ANSYS仿真计算的缆芯最高温度与交联聚乙烯长期耐受温升90 ℃之差在接受范围之内，该软件停止计算，最后一次调整后的负荷电流为实施载流量[7]，并将结果显示在计算软件界面，实现了电力电缆实时动态载流量计算功能[13]。

3 软件计算示例

3.1算例的实施背景和具体参数

以800 mm2YJLW02 XPLE的电力电缆为例，根据电缆的尺寸参数及其周围环境条件为计算条件，通过后台软件程序进行数据处理，得到需要的载流量，电力电缆结构参数见表1。敷设条件：电力电缆的缆间距为200 mm；电缆的埋深为1 000 mm；回填沙土距离电力电缆约200 mm；上下距离电力电缆的尺寸为200 mm；土壤热阻为1.0 ℃·m/W,沙土热阻为2 ℃·m/W。

表1 电力电缆结构参数

为了得到电厂周围的环境参数，将环境参数的采集系统设置在电厂周围，为了解决传感器电力的不足，使用了移动电源来提高它的续航能力[9]。当接收模块接收到采集的数据后，会全部存入数组，然后进行一系列的数据转换[10]，转换的格式通过VB代码进行编写，最终转为用户能读懂的数据并显示出来。图5为数据转换后环境参数显示界面图。

图5 环境参数显示界面Fig.5 Environment parameter display interface

3.2计算结果及与其他算法的对比分析

根据表1的电缆参数和图5的环境参数，通过后台软件处理得到结果，同时可以根据使用者的需求进行结果保存等操作[11]。以前边的800 mm2电力电缆及其敷设条件为例，不考虑回填沙土，电力电缆外为均匀土壤，且热阻维持在1.0 ℃·m/W时，利用该软件计算结果为987 A，界面显示如图6所示。

图6 算例计算结果Fig.6 Calculation results of the case

据IEC-60287的原理，将上述算例的参数代入公式中进行计算，计算结果为900 A，有限元计算结果稍大于IEC计算结果，符合有限元数值计算方法会适度提高载流量计算结果的实现[12]。

4 结 语

该系统拥有逆向求解能力，不需要评估者人为编写土壤热阻、环境温度、土壤湿度、风速等外界环境参数，仅需要通过环境参数实时监测系统实时监测电缆周围环境情况，利用GPRS数据传输模块将这些数据传到上位机，然后结合以上信息，编制高压电力电缆温度场与载流量的计算软件，并通过动态载流量计算评估系统进行后台处理数据，实现了电力电缆参数数据库存储、敷设模式界面化操作、环境参数的实时监测与显示、实时动态载流量的在线计算等功能，最终得到需要的结果，进而提高了电力电缆的利用率，从而能够有效指导合理调配电缆的实时负荷。

该动态载流量评估系统的环境参数和电缆温度实时监测系统能够与实际相结合，所以产生的误差最小。因此，用动态载流量评估系统软件通过计算机后台处理得到的土壤热阻、环境温度、土壤湿度、风速等参数预测载流量，结果更加准确。

该系统上位机软件中的VB损耗计算程序较为复杂，计算时间较长，精准度也不如ANSYS，所以未来关于上位机软件后台调用ANSYS损耗命令流来实现电力电缆损耗计算功能的实现有待进一步研究。

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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；责任编辑：李 穆

梁永春(1971—)，男，河北井陉人，教授，博士，主要从事电力电缆载流量评估、电力电缆老化等方面的研究。

E-mail:lycocean@163.com

TM835.4

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05005

梁永春，刘雅丽，王宇翔.电力电缆实时载流量评估系统设计[J].河北工业科技,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.