電力施工技術方面的110kV及以下設備和線路研究

王 超

（中鐵二十局集團電氣化工程有限公司）

0 引言

電力系統作為當今現代社會不可或缺的基礎設施之一，在支持各行各業的運作中發揮著至關重要的作用［1］。然而，隨著能源需求的快速增長和環境可持續性的關切，電力系統的構建和管理面臨著前所未有的挑戰。特別是在110kV 及以下的電力設備和線路領域，面臨著如何提高線路傳輸效率、確保安全性和實現系統協同的復雜任務［2］。

本文旨在深入研究電力施工技術的前沿問題，探討如何通過創新性的方法來應對電力系統面臨的挑戰。本研究將關注電力線路的優化、絕緣和保護技術，以及電力系統集成的關鍵方面。通過深入分析這些問題，旨在為未來的電力系統提供更可靠、高效和可持續的解決方案，以滿足不斷增長的電力需求。

1 電力線路的優化

電力線路的優化是電力系統建設的基礎，在110kV 及以下電力系統中，優化電力線路的主要目的為提高電能傳輸效率以減少電能的損失。本研究通過使用梯度下降優化算法提高電能傳輸效率［3］。

1.1 基于梯度下降法的電能傳輸效率優化原理

Step1 定義目標函數： 電能傳輸效率（η(I，U，Z)）由以下公式表示。

式中，η(I，U，Z)代表電能傳輸效率。Puseful代表線路的實際有用功率（單位：瓦特，W）。Ptotal代表線路的總輸入功率，包括損耗（單位：瓦特，W）。Ploss代表電流通過線路的熱損耗功率（單位：瓦特，W）。I代表線路電流。Z代表線路阻抗。U代表電力設備輸入電壓。

由式（1）可知，要使電能傳輸效率η(I，U，Z)最高，則需達到最小值，因此可定義目標函數：

Step2 初始化變量：初始化電流I、線路阻抗Z以及電力設備輸入電壓U的初始值。

Step3 計算目標函數的梯度：梯度表示了目標函數f(I，U，Z)關于變量I，U，Z的變化率，表示在當前電流值I，電力設備輸入電壓U以及線路阻抗值Z下，應朝哪個方向更新這三個變量使目標函數f(I，U，Z)達到最小值，以提高線路電能傳輸效率η(I，U，Z)。f(I，U，Z)的梯度分別對I，U，Z計算如下：

式中，?η(I，U，Z)代表目標函數η(I，U，Z)的梯度。I代表當前電流值（初始值或上一次迭代的值）。U代表當前電力設備輸入電壓（初始值或上一次迭代的值）。Z代表當前線路阻抗值（初始值或上一次迭代的值）。代表目標函數f(I，U，Z)關于電流I的偏導數。代表目標函數f(I，U，Z)關于電力設備輸入電壓U的偏導數。代表目標函數f(I，U，Z)關于線路阻抗Z的偏導數。

Step4更新變量：通過梯度下降法更新電流I，電力設備輸入電壓U以及線路阻抗Z的值，以使目標函數f(I，U，Z)達到最小值。更新的規則如下：

式中，Inew，Unew和Znew分別代表更新后的電流、電力設備輸入電壓和線路阻抗值。Inew，Unew和Znew分別代表當前電流、當前電力設備輸入電壓和當前線路阻抗值。α為學習率，它控制了每次迭代中變量值的更新幅度。

Step5 迭代：重復Step3 和步驟Step4，直到滿足停止條件。在迭代結束后，最終的電流值I，電力設備輸入電壓值U和線路阻抗值Z將是使目標函數f(I，U，Z)達到最小值的電流、電力設備輸入電壓和線路阻抗。 由此可得到最高電能傳輸效率η(I，U，Z)。

1.2 基于梯度下降法的電能傳輸效率優化實驗結果分析

如圖1，本實驗設置學習率α= 0.01，模擬了對初始電力設備輸入電壓U= 220V，初始線路電流I=1A，初始線路阻抗Z= 10Ω 的電力線路基于梯度下降法的電能傳輸效率的優化。結果表明，進行1000 次迭代后可顯著提高電能傳輸效率η，且根據圖1 可觀察到經過每次迭代后電能傳輸效率η均有提高。由此可證明梯度下降法對提高電能傳輸效率η的有效性。

圖1 基于梯度下降法的電能傳輸效率優化實驗結果

2 絕緣和保護技術的研究

絕緣和保護技術在電力施工中具有至關重要的作用，它們旨在確保電力系統的可靠性和安全性。絕緣技術通過隔離電流，預防電擊事故，提高設備和線路的穩定性；保護技術通過監測和響應電流和電壓異常，迅速切斷電路，以防止設備過載或故障，從而保護電力設備和人員安全。這些技術不僅有助于延長設備壽命，減少維護成本，還對電力系統的可持續性和電力質量起到關鍵作用，為滿足不斷增長的電力需求提供了堅實的基礎。

針對110kV及以下設備，本文進一步研究絕緣材料的性能以便制造高絕緣性能的材料，以保障電力施工的安全性；進一步研究過電壓和過電流保護技術，以防止設備受到損害［4］。

2.1 絕緣材料性能研究

2.1.1 絕緣材料性能參數

絕緣材料的性能取決于介電強度Emax、介電損耗D、體積電阻率ρv三個參數，這些參數的表達式如下。

介電強度：

式中，Emax代表介電強度，Vmax代表最大耐受電壓，d代表材料的厚度。

介電損耗：

式中，D代表介電損耗，Ploss代表材料中的損耗功率。

體積電阻率：

式中，ρv代表體積電阻率，Vin代表材料兩端的電壓，Iin代表通過材料的電流，A代表電極間的橫截面積，d代表電極之間的距離。

2.1.2 絕緣材料性能提升

a. 增加介電強度（Emax）：根據式（7）可知，通過增加材料的最大耐受電壓（Vmax）和減小材料的厚度（d）可增加材料的介電強度。因此，選擇更耐壓的絕緣材料或優化絕緣材料的結構可增加材料的介電強度。

b. 減小介電損耗（D.）：根據式（8）可知，降低絕緣材料的介電損耗可通過優化材料的制備工藝，以降低材料中的損耗功率（Ploss），或選擇更耐壓的絕緣材料。

c. 增加體積電阻率（ρv）：根據式（9）可知，提高絕緣材料的體積電阻率可通過增加電極間的橫截面積（A）或增加電極之間的距離（d）來實現。體積電阻率的提升可減小材料的電導率，降低電流通過材料的速率，從而提高絕緣性能。

2.2 過電壓和過電流保護技術

過電壓和過電流保護技術主要對電力系統中的異常電壓和電流事件進行檢測和處理，以確保設備和線路的安全運行。

2.2.1 過電流保護技術

過電流保護為基于電流的幅值和時間關系來觸發保護裝置。保護裝置會監測電流的瞬時值，如下所示。

式中，I(t)代表時變電流，為隨時間變化的電流值。Irms代表額定電流，即電流的均方根值。fi代表電流頻率。t代表時間。

過電流保護裝置會監測電流是否超過了額定電流Irms，若超過Irms并持續一定時間，保護裝置將觸發并切斷電路，以防止設備受過電流損害。

2.2.2 過電壓保護技術

過電壓保護技術主要對電壓的監測和處理。保護裝置通常會監測電壓的瞬時值和頻率，以確保電壓在安全范圍內，公式如下。

式中，V(t) 代表時變電壓，為隨時間變化的電壓值。Vmax代表最大耐受電壓。fv代表電壓頻率。?代表電壓的相位。

過電壓保護裝置會監測電壓是否超過了最大耐受電壓Vmax，若超過Vmax并持續一定時間，保護裝置將觸發并切斷電路，以防止設備受過電壓損害。

3 電力系統集成

電力系統集成旨在確保110kV及以下設備和線路與整個電力系統內各個設備和子系統之間以協同和高效的方式進行通信、數據交換，并實現電力系統的穩定性和可靠性。此過程包括通信協議的定義、控制系統的設計，以及設備之間的協同工作。

3.1 通信協議的定義

通信協議是電力系統集成的核心。它定義了數據的格式、傳輸方式以及通信的規則。通信協議包括以下關鍵參數：

a. 數據格式：數據在傳輸中的組織方式，本研究使用二進制編碼。

b. 傳輸協議：數據的傳輸方式，如Modbus、DNP3、IEC 61850等，本研究使用Modbus協議。

c. 數據采樣頻率：數據采集的頻率，以滿足實時監測和控制的需求。

通信協議的定義過程如下所示：

其中，Binary 代表二進制編碼。Modbus 代表Modbus協議。100代表以Hz為單位的數據采樣頻率，表示每秒采集100次數據。

3.2 控制系統的設計

本研究設計一個PID（比例-積分-微分）控制器用于控制電力系統電壓維持在110kV。

3.2.1 PID控制器基本原理

PID 控制器是一種常用于控制系統的控制算法，它包括三個部分：比例項（P）、積分項（I）和微分項（D）。PID控制器的輸出（控制信號）可表示為：

式中，CO(t) 代表在時間t時的控制輸出。kp是比例增益，用于調整比例項的影響。e(t)是誤差信號，定義為期望輸出與實際輸出之差。e(τ)是在時刻τ的誤差信號。Ti是積分時間，用于調整積分項的影響。Td是微分時間，用于調整微分項的影響。

3.2.2 PID控制器在110kV電力系統電壓維持中的應用

如圖2 所示，本研究模擬了PID 控制器的電壓控制過程，用以衡量PID 控制器在110kV 電力系統電壓維持中的重要性。首先輸入150kV的初始電壓，隨后PID 控制器在2 分鐘內將電壓控制在110kV 并保持不變，說明PID 控制器在110kV 電力系統電壓維持中效果良好［5］。

圖2 PID控制器電壓控制過程中的電壓變化

3.3 設備之間的協同工作

設備之間的協同工作確保了各個設備能夠協調操作，以實現整個系統的穩定性和可靠性。使各個設備協調操作的過程如下：

Step1定義變量：

a. 設備狀態變量：每個設備可以有不同的狀態，例如開、關、正常運行、故障等。本研究用Si表示第i個設備的狀態，其中i是設備的編號。

b. 操作信號：用于控制設備狀態的信號，本研究用Ui表示第i個設備的操作信號。這些信號可以是開關控制、調節參數等。

c. 設備之間的通信信號：設備之間需進行信息交流，以共享狀態信息、操作指令等。本研究用Cij表示從設備i到設備j的通信信號。

Step2協同工作策略：

a. 設備狀態更新：在每個時刻τ，設備根據操作信號Ui和通信信號Cij來更新其狀態Si。

b. 協調控制：設備之間通過通信信號Cij共享狀態信息，以協調操作。例如，如果設備i檢測到自身狀態異常，它可以向設備j發送通信信號Cij，以請求協助或建議。

c. 決策規則：設備可以根據一組決策規則來選擇操作信號Ui，以確保系統的穩定性和性能。這些規則可以是基于反饋控制、優化算法等。

Step3協同更新：

a. 設備狀態更新：

b. 通信信號更新：

式中，fi和gij是設備狀態更新和通信信號更新的函數，它們根據操作信號和狀態信息來計算下一個時刻的狀態和通信信號。

4 結束語

110kV 及以下電力設備和線路的研究是電力領域的一個重要方向，它直接關系到電力系統的可靠性、效率和可持續性。通過深入研究電力線路的優化、絕緣和保護技術以及電力系統集成，不斷改進電力施工技術，以滿足日益增長的電力需求。本文的研究分析將為未來的電力系統提供更加可靠且可持續的參考。