一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法技术

本发明专利技术公开了一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法，步骤如下：建立沟内密集堆积电缆群的有限元仿真模型；构建基于COMSOL和MATLAB联合仿真的电缆群载流能力预测差分进化法；对电缆群中的空载回路、重载回路以及断面载流能力进行预测；给定新增负荷情况下的轻载电缆优化与配置、全电缆优化配置。本发明专利技术采用COMSOL和MATLAB联合仿真及差分进化算法，对不同电缆群的载流能力进行预测，最大化载流能力，该方法对给定新增负荷在电缆群中进行优化配置，使新增负荷分布合理并降低电缆群温度，提供一种针对沟内积聚电缆群载流能力的预测方法，对新增负荷进行优化配置，有利于提高电缆利用率并保证安全可靠运行。于提高电缆利用率并保证安全可靠运行。于提高电缆利用率并保证安全可靠运行。

【技术实现步骤摘要】
一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法


[0001]本专利技术涉及电力
，具体涉及一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法。

技术介绍

[0002]电缆沟敷设是城市电缆线路的典型敷设方式。由于历史原因配电电缆在沟内密集堆积的现象普遍存在，在经济发达地区的站出线电缆沟内常见10多根甚至20多根电缆堆叠在一起，沟内各电缆热影响明显，且电缆负荷电流处于动态变化之中，难以准确判断堆积电缆群的运行状态。为保障配网电缆线路安全运行，有必要对电缆沟内密集堆积电缆群进行暂态热计算，并基于当前运行状态开展电缆群载流能力的预测，以制定电缆线路运行的负荷限值。
[0003]城市配电网目前面临的另一个问题是如何合理满足用电需求的增加，鉴于新增输电线路成本高、耗时长，且城区地下空间复杂不易规划输电走廊，因此将新增负荷合理的分配给现有电缆线路，可以避免个别电缆线路处于重载或过载状态，同时还可提高电缆群整体利用率。目前针对电缆沟内堆积配电电缆群载流量的计算没有综合考虑负荷电流的动态变化及其复杂的敷设环境，无法准确的判断电缆群的运行状态以及评估电缆群的增容空间。为了充分利用电缆群的输电能力，有必要对电缆群的运行温度及其影响因素进行研究，并对其载流能力进行预测，实现配电电缆的精细化管理。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法。该方法采用改进差分进化算法、COMSOL和MATLAB联合仿真,以电缆群负荷电流最大为目标函数，以不超过允许最高运行温度90℃为约束条件，分别对该电缆群的空载线路、重载线路以及断面载流能力进行预测；同时以电缆群运行最高温度最低为目标函数，给定负荷增量，寻求新增负荷的最优配置。本专利技术可以在复杂的敷设环境下准确的判断电缆群的运行状态以及评估电缆群的增容空间，充分利用电缆群的输电能力。
[0005]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0006]一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法，包括如下步骤：
[0007]S1、建立沟内密集堆积电缆群的有限元仿真模型，并进行暂态热流耦合场的计算；
[0008]S2、构建基于COMSOL和MATLAB联合仿真的电缆群载流能力预测差分进化法；
[0009]S3、基于当前的电缆群运行状态对电缆群中的空载回路、重载回路以及断面载流能力进行预测；
[0010]S4、给定新增负荷情况下，对轻载电缆进行优化与配置；
[0011]S5、给定新增负荷情况下，对全电缆进行优化与配置。
[0012]进一步地，所述步骤S1中，针对10kV XLPE配电电缆建立沟内密集堆积电缆群的有
限元仿真模型，其中，10kV XLPE配电电缆的热源包括导体损耗、绝缘损耗和铠装层损耗，根据传热学相关理论，电缆本体、电缆沟壁与土壤通过热传导方式传递热量；电缆表面与电缆沟沟壁存在温度差，两者之间存在热辐射；沟内空气存在热对流，由于沟内空气流速与其温度有关，且空气流速影响其温度分布，因而沟内的流场和热场是强耦合关系，需进行直接耦合计算。另一方面，由于电缆轴向尺寸远大于径向尺寸，所以采用二维热流模型进行仿真研究。其主要步骤包括：建立几何模型、设置材料参数、设置物理场、进行网格剖分。
[0013]以日均负荷反映一天内电缆回路的平均负荷、以日负载系数L
f
反映负荷曲线的波动情况，并且由于电缆负荷和温度是时间的函数，电缆导体等效电阻是温度的函数，因此导体损耗和铠装层损耗是随着时间和温度变化的，绝缘损耗是电压的函数，由于电源电压不变，绝缘损耗在暂态热计算中是定值；利用COMSOL有限元软件建立沟内密集堆积电缆群的热流耦合仿真模型，考虑该电缆沟的实际尺寸和电缆沟内堆积电缆回路数，设置如下：模型的下边界设置温度为深层土壤温度，左右边界设置为热绝缘，上边界设置为地面外部自然对流；基于暂态热计算分析包括电缆群热场分布、日均负荷、负荷峰值以及24h内导体到达的最高温度在内的运行状态。
[0014]进一步地，所述日负载系数L
f
的取值为日均负荷和日负荷峰值的商。对于正在运行的电缆回路，其负荷是时时刻刻都在变化的，以日均负荷来表示一天内电缆回路的平均负荷，以日负荷峰值来表示一天内电缆回路的负荷电流最大值，同时以日负载系数反映负荷曲线的波动情况。当日负载系数较大时，日均负荷与日负荷峰值相差不大，负荷曲线较为平滑，峰谷差小；反之，当日负载系数较小时，负荷曲线波动大，峰谷差大。
[0015]进一步地，所述步骤S2如下：
[0016]定义断面载流能力的期望值为常数M，将常数M与电缆群的负荷电流之差最小作为目标函数f，以每根电缆运行最高温度不超过90℃为约束，进行载流能力预测，如下式(1)描述：
[0017][0018]式中，为第i条电缆的日均负荷，n为电缆的总条数，T
i
(t)为第i条电缆在t时刻的导体温度，考虑到实际运行情况，假设在优化中允许部分电缆负荷电流不变；
[0019]利用有限元软件COMSOL和MATLAB联合仿真，首先在COMSOL中建立电缆沟暂态热计算模型，并生成m.文件在MATLB中运行，由改进差分进化算法确定电缆群的负荷电流值。在COMSOL中设置电缆群的负荷电流值为输入变量，模型计算的电缆群暂态最高温度为输出变量，在MATLAB中编写差分进化法的程序，利用mphopen函数调用有限元模型，通过COMSOL和MATLAB联合仿真不断更新模型参数并计算，差分进化算法的种群个体基因与有限元模型的输入参数、种群个体约束违背值与有限元模型的输出计算结果进行交互，完成有限元模型和算法之间的数据传送。
[0020]进一步地，所述改进差分进化算法通过种群进化不断更新预测电缆的负荷电流值I
i
并计算目标函数f的值，读取沟内堆积电缆群COMSOL有限元仿真模型输出的导体最高温度值T
imax
计算预测优化问题的约束违背值，其中，约束违背值为导体温度与90℃的差值，最
后根据选择策略选取最优个体从而获得预测优化问题的最优解，即断面载流能力达到最大时各电缆的负荷电流，实现过程如下：
[0021]S21、种群初始化，在搜索空间内随机生成初始种群，初始化种群大小为NP，第θ个体向量为每个个体具有n个基因位，分别对应n条电缆的日均负荷；
[0022]S22、变异，采用DE/best/2/bin变异策略，采用自适应变异算子F增加种群多样性，变异个体向量由上一代最优个体向量加上偏差向量构成，偏差向量由四个不同的随机个体构成，变异操作如下式(2)、式(3)：
[0023][0024][0025]其中，为变异中间个体向量，为第g代种群最优个体向量，F为自适应变异算子，为第g代种群中随机选取的四个不同个体，F0为变异算子，G
m
为最大进化代数，分别设为0.3和100，g为当前进化代数；
[0026]采用DE本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、针对配电电缆建立沟内密集堆积电缆群的有限元仿真模型，并进行暂态热流耦合场的计算；S2、构建基于COMSOL和MATLAB联合仿真的电缆群载流能力预测差分进化法；S3、基于当前的电缆群运行状态对电缆群中的空载回路、重载回路以及断面载流能力进行预测；S4、给定新增负荷情况下，对轻载电缆进行优化与配置；S5、给定新增负荷情况下，对全电缆进行优化与配置。2.根据权利要求1所述的一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法，其特征在于，所述步骤S1中，针对10kV XLPE配电电缆建立沟内密集堆积电缆群的有限元仿真模型，其中，10kV XLPE配电电缆的热源包括导体损耗、绝缘损耗和铠装层损耗，根据传热学相关理论，电缆本体、电缆沟壁与土壤通过热传导方式传递热量；电缆表面与电缆沟沟壁存在温度差，两者之间存在热辐射；沟内空气存在热对流，沟内的流场和热场是强耦合关系，采用二维热流模型进行仿真研究；以日均负荷反映一天内电缆回路的平均负荷、以日负载系数L
f
反映负荷曲线的波动情况，并且由于电缆负荷和温度是时间的函数，电缆导体等效电阻是温度的函数，因此导体损耗和铠装层损耗是随着时间和温度变化的，绝缘损耗是电压的函数，由于电源电压不变，绝缘损耗在暂态热计算中是定值；利用COMSOL有限元软件建立沟内密集堆积电缆群的热流耦合仿真模型，考虑该电缆沟的实际尺寸和电缆沟内堆积电缆回路数，设置如下：模型的下边界设置温度为深层土壤温度，左右边界设置为热绝缘，上边界设置为地面外部自然对流；基于暂态热计算分析包括电缆群热场分布、日均负荷、负荷峰值以及24h内导体到达的最高温度在内的运行状态。3.根据权利要求2所述的一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法，其特征在于，所述日负载系数L
f
的取值为日均负荷和日负荷峰值的商。4.根据权利要求2所述的一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法，其特征在于，所述步骤S2如下：定义断面载流能力的期望值为常数M，将常数M与电缆群的负荷电流之差最小作为目标函数f，以每根电缆运行最高温度不超过90℃为约束，进行载流能力预测，如下式(1)描述：式中，为第i条电缆的日均负荷，n为电缆的总条数，T
i
(t)为第i条电缆在t时刻的导体温度，考虑到实际运行情况，假设在优化中允许部分电缆负荷电流不变；利用有限元软件COMSOL和MATLAB联合仿真，首先在COMSOL中建立电缆沟暂态热计算模型，并生成m.文件在MATLB中运行，由改进差分进化算法确定电缆群的负荷电流值。5.根据权利要求4所述的一种沟内堆积电缆群载流能力预测及新增负荷配置方法，其特征在于，所述改进差分进化算法通过种群进化不断更新预测电缆的负荷电流值并计算
目标函数f的值，读取沟内堆积电缆群COMSOL有限元仿真模型输出的导体最高温度值T
imax
计算预测优化问题的约束违背值，其中，约束违背值为导体温度与90℃的差值，最后根据选择策略选取最优个体从而获得预测优化问题的最优解，即断面载流能力达到最大时各电缆的负荷电流，实现过程如下：S21、种群初始化，在搜索空间内随机生成初始种群，初始化种群大小为NP，第θ个体向量为每个个体具有n个基因位，分别对应n条电缆的日均负荷；S22、变异，采用DE/best/2/bin变异策略，采用自适应变异算子F增加种群多样性，变异个体向量由上一代最优个体向量加上偏差向量构成，偏差向量由四个不同的随机个体构成，变异操作如下式(2)、式(3)：个体构成，变异操作如下式(2)、式(3)：其中，为变异中间个体向量，为第g代种群最优个体向量，F为自适应变异算子，为第g代种群中随机选取的四个不同个体，F0为变异算子，G
m
为最大进化代数，分别设为0.3和100，g为当前进化代数；S23、交叉，将变异后的中间个体与上一代个体按照下式(4)进行交叉生成个体按照下式(4)进行交叉生成个体其中，为交叉个体第j个的基因，rand为[0,1]内的随机数，CR为交叉算子，j为个体的第j个基因位，对应第j条电缆的负荷电流，j
rand
为个体变量维度内的随机基因位，对应随机选取一条预测电缆的负荷电流；S24、选择，当求解问题含有不等式约束g
σ
(x)≤0,σ＝1,2
…
q或等式约束h<...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁利国，范华，余彬，练德强，平伟军，洪达，
申请(专利权)人：浙江中新电力工程建设有限公司浙江中新电力工程建设有限公司自动化分公司，
类型：发明
国别省市：