電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及電纜線芯溫度的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電力電纜多狀態(tài)綜合在線 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及電纜線芯溫度的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城市化以及城市電網(wǎng)的發(fā)展，電力電纜得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)全國(guó)主要城市 電力電纜運(yùn)行故障率進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在電纜初期運(yùn)行的1~5年內(nèi)以及投入運(yùn)行后的5~ 25年中，電力電纜附件（包括分支接頭、終端接頭和中間接頭）的故障率一直是最高的。
[0003] 電力電纜大量分布于城市的各個(gè)區(qū)域，這些電纜長(zhǎng)期運(yùn)行在高電壓、大電流環(huán)境 下，而電力電纜通過(guò)電纜溝方式被安裝在地表下，有可能出現(xiàn)絕緣老化和中間接頭溫度升 高等問(wèn)題，而這些問(wèn)題在運(yùn)行過(guò)程中不容易被察覺(jué)，隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，如不及時(shí)采取措施 就可能造成事故。
[0004] 所以急需建立對(duì)電力電纜多狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，通過(guò)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提 示監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并實(shí)施改善，來(lái)有效避免事故產(chǎn)生，減少損失。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種能及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā) 現(xiàn)電力電纜的絕緣缺陷，并且測(cè)試電纜線芯溫度受環(huán)境影響小的電力電纜多狀態(tài)綜合在線 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及電纜線芯溫度的計(jì)算方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)，包括終端節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，
[0007] 所述終端節(jié)點(diǎn)包括有多個(gè)監(jiān)測(cè)單元，每個(gè)監(jiān)測(cè)單元包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)、傳感器、數(shù)據(jù)采集 模塊和無(wú)線發(fā)射模塊，所述傳感器檢測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)信息，傳感器輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊 輸入端連接，所述數(shù)據(jù)采集模塊輸出端與無(wú)線發(fā)射模塊輸入端連接，無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送數(shù) 據(jù)信息給到中心節(jié)點(diǎn)；
[0008] 所述中心節(jié)點(diǎn)包括中心節(jié)點(diǎn)模塊和GPRS發(fā)射模塊，所述中心節(jié)點(diǎn)模塊輸出端連 接GPRS發(fā)射模塊輸入端，所述中心節(jié)點(diǎn)模塊接收所述無(wú)線發(fā)射模塊傳遞的數(shù)據(jù)信息，并傳 遞給GPRS發(fā)射模塊，所述GPRS發(fā)射模塊利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給所述數(shù)據(jù)管理平臺(tái)， 所述數(shù)據(jù)管理平臺(tái)根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)信息分析電線電纜所處的狀態(tài)。
[0009] 在數(shù)據(jù)采集終端，采用傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)，尤其是電纜中間接頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)采集，并將所采集的數(shù)據(jù)由無(wú)線發(fā)射模塊傳送到中心節(jié)點(diǎn)模塊，中心節(jié)點(diǎn)模塊傳遞給 GPRS發(fā)射模塊，采用輪詢的方式讀取其負(fù)責(zé)范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，GPRS發(fā)射模塊再 給到數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，數(shù)據(jù)管理平臺(tái)用于數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、診斷、預(yù)警。
[0010] 進(jìn)一步的，所述傳感器包括溫度傳感器、煙霧傳感器和水位傳感器。采用多種傳感 器，對(duì)電纜溝內(nèi)的多項(xiàng)環(huán)境因素進(jìn)行采集，使得監(jiān)控效果更加好。
[0011] 進(jìn)一步的，所述無(wú)線發(fā)射模塊為ZigBee無(wú)線發(fā)射模塊，所述中心節(jié)點(diǎn)模塊為 ZigBee中心節(jié)點(diǎn)模塊。因終端節(jié)點(diǎn)大都安裝在電纜溝內(nèi)，不便于工作人員的維護(hù)，采用 ZigBee無(wú)線發(fā)射模塊和ZigBee中心節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，使維護(hù)更加方便，同時(shí)也減少 了巡檢成本；同時(shí)ZigBee無(wú)線發(fā)射模塊和ZigBee中心節(jié)點(diǎn)模塊的網(wǎng)絡(luò)工作頻段在2. 4GHz 上，這個(gè)頻段和電力電纜產(chǎn)生的干擾頻率相差遠(yuǎn)，所以在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的誤碼率很低，數(shù) 據(jù)傳輸穩(wěn)定性較好。
[0012] 本發(fā)明還提出了一種基于所述電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電纜線芯溫 度的計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0013]S1，在一段電纜的N個(gè)點(diǎn)處分別安裝監(jiān)測(cè)單元，N為正整數(shù)，尋找并定位同一時(shí)間 監(jiān)測(cè)溫度超過(guò)限定值Tt的P個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為計(jì)算電纜線芯溫度的對(duì)象，P為正整數(shù)；
[0014]S2,收集P個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中某一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處t時(shí)間內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，所述t為正數(shù)；
[0015]S3,從數(shù)據(jù)管理平臺(tái)獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)A點(diǎn)處電纜表皮溫度Ts
[0016]S4,收集監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處的電纜建設(shè)尺寸參數(shù)值建立電纜溝模型；
[0017]S5,基于電纜溝模型，利用有限元方法及最優(yōu)化方法聯(lián)合求解得到與溫度相關(guān)的 電纜溝介質(zhì)參數(shù)<K=Oi，巾2，…，傘n);
[0018]S6,從電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商獲得流過(guò)電纜的負(fù)荷；
[0019]S7,根據(jù)流過(guò)電纜的負(fù)荷、電纜溝介質(zhì)參數(shù)<i>t以及二維電纜溫度場(chǎng)的溫度控制方 程得到電纜線芯溫度。
[0020] 在一段較長(zhǎng)的電纜上，其中最容易發(fā)生故障的位置往往是該電纜的最熱點(diǎn)，所以 本方法將一段運(yùn)行中電纜的溫度最高點(diǎn)及溫度最高點(diǎn)線芯的溫度作為了工程中關(guān)注的重 點(diǎn)。因一段電纜所處的環(huán)境和工況復(fù)雜，且對(duì)于不同的電纜表皮溫度??；、電纜溝介質(zhì)參數(shù) 4>t，電纜溫度場(chǎng)有不同的呈現(xiàn)，因而電纜線芯溫度也會(huì)有變化，所以本方法中對(duì)電纜溝介 質(zhì)參數(shù)4>t的確定，在本方法起到了重要的作用，其中電纜溝介質(zhì)參數(shù)巾t包括多種參數(shù)，其 中包括熱材料介質(zhì)熱阻P，相應(yīng)材料的擴(kuò)散率S。
[0021] 進(jìn)一步的，步驟S4在建立電纜溝模型時(shí)，包括以下步驟：
[0022] S4-1，將電纜溝向下方、左方、右方各延伸形成下、左、右邊界，電纜溝蓋板為上邊 界的矩形為求解區(qū)域；
[0023]S4-2,設(shè)置邊界條件，電纜溝模型的邊界條件需滿足以下三個(gè)條件：
[0024]恒溫條1
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括終端節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)管 理平臺(tái)， 所述終端節(jié)點(diǎn)包括有多個(gè)監(jiān)測(cè)單元，每個(gè)監(jiān)測(cè)單元包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊 和無(wú)線發(fā)射模塊，所述傳感器檢測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)信息，傳感器輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊輸入 端連接，所述數(shù)據(jù)采集模塊輸出端與無(wú)線發(fā)射模塊輸入端連接，無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)信 息給到中心節(jié)點(diǎn)； 所述中心節(jié)點(diǎn)包括中心節(jié)點(diǎn)模塊和GPRS發(fā)射模塊，所述中心節(jié)點(diǎn)模塊輸出端連接 GPRS發(fā)射模塊輸入端，所述中心節(jié)點(diǎn)模塊接收所述無(wú)線發(fā)射模塊傳遞的數(shù)據(jù)信息，并傳遞 給GPRS發(fā)射模塊，所述GPRS發(fā)射模塊利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給所述數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，所 述數(shù)據(jù)管理平臺(tái)根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)信息分析電線電纜所處的狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感 器包括溫度傳感器、煙霧傳感器和水位傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述無(wú)線 發(fā)射模塊為ZigBee無(wú)線發(fā)射模塊，所述中心節(jié)點(diǎn)模塊為ZigBee中心節(jié)點(diǎn)模塊。
4. 一種基于權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電纜 線芯溫度的計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟： S1，在一段電纜的N個(gè)點(diǎn)處分別安裝監(jiān)測(cè)單元，N為正整數(shù)，尋找并定位同一時(shí)間監(jiān)測(cè) 溫度超過(guò)限定值Tt的P個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為計(jì)算電纜線芯溫度的對(duì)象，P為正整數(shù)； 52, 收集P個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中某一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處t時(shí)間內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，所述t為正數(shù)； 53, 從數(shù)據(jù)管理平臺(tái)獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)A點(diǎn)處電纜表皮溫度Ts; 54, 收集監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處的電纜建設(shè)尺寸參數(shù)值建立電纜溝模型； 55, 基于電纜溝模型，利用有限元方法及最優(yōu)化方法聯(lián)合求解得到與溫度相關(guān)的電纜 溝介質(zhì)參數(shù)<K= O P七，…，D ; 56, 從電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商獲得流過(guò)電纜的負(fù)荷； 57, 根據(jù)流過(guò)電纜的負(fù)荷、電纜溝介質(zhì)參數(shù)(K以及二維電纜溫度場(chǎng)的溫度控制方程得 到電纜線芯溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電纜線芯溫度的 有限元計(jì)算方法，其特征在于，步驟S4在建立電纜溝模型時(shí)，包括以下步驟： S4-1，將電纜溝向下方、左方、右方各延伸形成下、左、右邊界，電纜溝蓋板為上邊界的 矩形為求解區(qū)域； S4-2,設(shè)置邊界條件，電纜溝模型的邊界條件需滿足以下三個(gè)條件：
其中，X和y是空間位置坐標(biāo)，單位m ;Tb是研宄區(qū)域的邊界溫度值，單位K，T ,為外部流 體溫度；r為求解區(qū)域邊界；X為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/m* K ;1為外部流體溫度，單位為K ; 式（1)為電纜溝模型下邊界需滿足的條件，式（2)為電纜溝模型左右邊界需滿足的條件，左 右邊界為水平熱交換邊界，只存在垂直交接面的垂直法向熱流密度；式（3)為電纜溝模型 上邊界需滿足的條件，電纜溝模型上邊界為空氣與電纜溝板蓋相交面，為對(duì)流散熱邊界。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電纜線芯溫度的 計(jì)算方法，其特征在于，步驟S5包括以下步驟： S5-1，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)F，令目標(biāo)函數(shù)
其中，t'為溫度數(shù)據(jù)采集的持續(xù)時(shí)間，M是迭代計(jì)算的總次數(shù)，At是每?jī)纱蔚拈g 隔時(shí)間，其大小等于t'/M，Tm(jAt)為在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處采集的溫度表，T(jAt，(6)為考慮電纜 溝介質(zhì)參數(shù)4> t下得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度值； S5-2,在最優(yōu)化算法中，首先確定查詢方向，查詢方向向量的偏微分方程為
數(shù)F不大于時(shí)，結(jié)束最優(yōu)化算法，得到該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電纜溝介質(zhì)參數(shù)（K。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電纜線芯溫度的 計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟S7包括以下步驟： S7-1、通過(guò)得到流過(guò)電纜的負(fù)荷計(jì)算得到電纜生熱率Q ; S7-2、基于電纜溝模型，根據(jù)有限元法和二維電纜溫度場(chǎng)的溫度控制方程
仿真得到二維電纜溫度場(chǎng)T分布圖； 其中P是熱材料介質(zhì)熱阻，單位K ^/W, S為相應(yīng)材料的擴(kuò)散率，單位m2/s，t為時(shí)間， 單位s，Q為生熱率，單位W/m3; S7-3、從二維電纜溫度場(chǎng)T分布圖上讀取電纜線芯溫度。
【專利摘要】本發(fā)明提出了電力電纜多狀態(tài)綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及電纜線芯溫度的計(jì)算方法，該系統(tǒng)包括終端節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，終端節(jié)點(diǎn)包括有多個(gè)監(jiān)測(cè)單元，每個(gè)監(jiān)測(cè)單元包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線發(fā)射模塊，傳感器輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊輸入端連接，數(shù)據(jù)采集模塊輸出端與無(wú)線發(fā)射模塊輸入端連接，無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)信息給到中心節(jié)點(diǎn)；中心節(jié)點(diǎn)包括中心節(jié)點(diǎn)模塊和GPRS發(fā)射模塊，中心節(jié)點(diǎn)模塊連接GPRS發(fā)射模塊，GPRS發(fā)射模塊利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，數(shù)據(jù)管理平臺(tái)根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)信息分析電線電纜所處的狀態(tài)。本發(fā)明能及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)電纜的絕緣缺陷，準(zhǔn)確計(jì)算出電纜線芯溫度。
【IPC分類】G08C17-02, H04L29-08, G01R31-08
【公開號(hào)】CN104820166
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510188840
【發(fā)明人】葉笛, 焦陽(yáng), 郜建祥, 張曦, 張仕焜, 熊蘭, 林高林
【申請(qǐng)人】國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司, 重慶大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年4月20日