- 頭條光纖復合低壓電纜的熱路模型建模新方法，參數檢測精度高2019-12-26 作者：王鶴、李興寶、路俊海 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語東北電力大學電氣工程學院、現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室、遼寧省電力有限公司的研究人員王鶴、李興寶、路俊海、羅桓桓、周桂平，在2019年第7期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于疊加原理的光纖復合低壓電纜熱路模型建模”）指出，光纖復合低壓電纜（OPLC）將光纖與電力電纜有機地結合在一起，在建設智能電網、能源互聯網的發展中具有重要的作用。 溫度的變化對OPLC運行狀態、參數測量準確度具有較大的影響，建立OPLC的熱路模型具有重要的現實意義。針對OPLC種類繁多、結構各異的特點，提出了一種基于疊加原理的OPLC熱路模型建模方法，首先將不對稱的OPLC等效成幾個對稱的子模型分別建模，然后利用疊加原理將各模型疊加。在此基礎上，利用粒子群算法實現模型參數辨識，提高參數精度，得到精確的熱路模型，進而實現OPLC不同位置溫度的精確計算。該文以四纜芯OPLC為例建立OPLC熱路模型，通過仿真分析和實驗驗證，證明了所提方法的有效性。
近年來，人們對海量信息的需求導致通信信息傳輸速率越來越高，光纖作為優質的通信媒質得到了廣泛的應用。光纖的架設過程需要大量的資源，將光纖復合到電力電纜中，能夠減少資源浪費及安裝周期。光纖復合低壓電纜（Optical Fiber Composite Low-Voltage Cable,OPLC）將光單元與電力電纜相結合，避免了重復布線，減少了建設費用，縮短了施工周期。OPLC的應用有效解決了光接入網“最后一公里”的難題。OPLC對建設智能電網、實現能源互聯具有重要的作用。
OPLC穩態運行時，纜芯溫度不超過90℃。當OPLC線芯出現短路時，5 s內線芯溫度將達到160℃左右。此時，纜芯溫度過高，金屬材料可能出現退火現象，危害OPLC安全運行；還會使OPLC中光單元受熱變形，導致光信號傳輸中斷，危害通信系統。因此，掌握OPLC不同運行狀態下溫度場分布具有重要意義。
目前，通過建立熱路模型獲得電力設備溫度場分布的方法應用較為廣泛。例如，文獻[8-9]對電纜纜芯溫度不同的測量方法進行對比分析，闡述了熱路模型分析電纜溫度分布的優點，同時對電力電纜熱路模型的建立、參數的獲取進行了詳盡的闡述，但建立纜芯熱路模型時沒有考慮發熱纜芯不對稱問題對溫度場分布的影響。
文獻[10-11]將疊加原理應用于傳熱模擬，能夠準確地得出節點溫度。通過有限元法驗證了疊加原理獲得節點溫度具有很好地一致性。通過實驗驗證了疊加原理獲得模型的可靠性。文獻[12]對OPLC不同狀態下溫度分布及光單元傳輸特性的影響進行了深入的分析，但沒有建立熱路模型，溫度的獲取僅通過模型仿真，無法實現溫度的實時計算。
目前，對于OPLC熱路模型的建模方法尚未有深入的研究，本文參考電纜等熱路模型的建模方法，結合OPLC實際結構，提出了基于疊加原理的熱路模型建模方法，通過粒子群算法進行參數辨識優化模型參數，減小了模型溫度計算誤差。
通過疊加原理建立OPLC熱路模型，實現了OPLC溫度分布的精確計算，解決了OPLC離線檢測時，因離線與在線兩種狀態下纜芯內部電流大小不同，導致溫度不同，進而導致參數檢測誤差較大的問題，對保障OPLC的穩定運行具有重要意義。
OPLC的電壓一般在0.6kV/1kV及以下，種類繁多。以內部纜芯數目及穩態運行時通電纜芯對稱關系分類，可分為對稱的單纜芯、雙纜芯、三纜芯，不對稱的四纜芯等類型，OPLC典型結構如圖1所示。
圖1 OPLC典型結構
根據OPLC的典型結構可知，不同纜芯數目的OPLC熱路模型的結構不同。單纜芯、雙纜芯、三纜芯OPLC運行狀態下，因全部纜芯均發熱且通過電流大小相同，即發熱量相同，故其熱路模型是對稱分布的，各纜芯的溫度相同。
以纜芯為起始節點由內向外依次設置節點，建立熱路模型。四纜芯OPLC正常運行時，因發熱纜芯不對稱，導致其溫度場分布呈現不均勻狀態，無法直接建立熱路模型。本文采用基于疊加定理[18]的建模方法，有效地解決了四纜芯等溫度場分布不對稱導致OPLC熱路模型建模困難的問題。
本文結合工程實驗要求的試驗OPLC，以型號為OPLC-ZC-YJV22-0.6/1.4×240+GXT-12B1的變電站至樓宇配電柜間的四纜芯OPLC為研究對象，其結構如圖2所示。
圖2 OPLC-ZC-YJV22-0.6/1.4×240+GXT-12B1結構
由于OPLC不同位置的材料不同，其結構參數及熱物理性能參數不同，各位置材料類型及參數見表1。
表1 OPLC結構及熱物理性能參數
由圖2可以看出，OPLC的內部纜芯與光單元并不直接接觸，纜芯由絕緣層包裹。OPLC穩定運行時，三個相線中有電流通過，中性線無電流通過，導致熱源是不對稱的。由于OPLC內部具有光單元，也使得熱路模型不對稱。
故本文分別建立四纜芯發熱時、單纜芯發熱時的熱路模型，采用疊加原理建立OPLC實際運行時三纜芯發熱的熱路模型，并建立OPLC光纖位置熱路模型，通過計算求得光纖位置溫度，最終實現對OPLC各位置溫度的精確計算。
圖12 OPLC測溫平臺
圖13 溫度探頭布置實物圖
圖14 測溫實驗裝置
結論
本文提出了一種基于疊加原理的OPLC熱路模型建模方法，有效地解決了多纜芯OPLC熱路模型不對稱導致建模困難的問題，以四纜芯為例詳細地介紹了多纜芯不對稱熱路模型的建模方法，并采用粒子群算法進行熱路模型參數辨識，優化了模型參數，有效地改善了熱路模型建模后模型參數精度低等問題。
最后通過COMSOL仿真及搭建溫度測量實驗平臺兩種方法驗證了熱路模型建模方法的可行性。通過疊加原理及優化OPLC熱路模型參數，精確了OPLC不同位置的溫度值，進而提高了OPLC參數檢測精度。
