CN103076104A - 电力电缆温度在线监测数据的处理方法 - Google Patents

电力电缆温度在线监测数据的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力电缆温度在线监测数据的处理方法，它是通过分析影响电缆表面温度的主要因数过滤掉干扰成份，得到排除了主要干扰因数的电缆表面的温度变化率曲线，以此温度变化率曲线捕捉电缆温度异常；本发明是一种新的处理电缆温度监测值的方法，它不建立电缆内、外部空间的“温度场”模型，数据采样模式响应快，采样后的数据精度高，波形不失真，无须明确电缆的结构、材质、所处环境、敷设方式等参数，对电缆表面温度值数据进行频域滤波消除昼夜温度变化的影响，依据波的叠加公式消除年度温度变化的影响，因而通用性较好，能够提高电缆温度在线监测系统判断电缆温度异常的准确性，有效预防因电缆头过热引起的停电及火灾事故的发生。

Description

电力电缆温度在线监测数据的处理方法
技术领域
本发明涉及电力电缆温度在线监测数据的处理方法，属于电力设备在线监测技术领域。
背景技术
由于电力电缆（以下简称电缆）本身的特殊性，特别是中间接头部分的绝缘性能最为薄弱，导致此处是电缆故障最为集中的部位。电缆运行中，许多故障都是由微小的缺陷逐渐发展形成的，在这个渐变过程中，伴随着异常发热，表现为缺陷点温度异常升高。通过对电缆的温度进行连续不间断监测，能够提前发现电缆的早期过热故障，有效地减少电缆发生火灾的几率，实现对电缆过热故障的早期预测，防患于未然。
电缆在线测温主要有光纤光栅温度传感技术、喇曼散射温度传感技术、热电偶技术等等，不论采用何种技术，通常都把传感器安装在电力电缆的表面。电缆所在的环境及环境温度对传感器测得的值有较大影响，影响了监测系统对电缆温度真实异常的判断。
目前，处理电缆温度监测值的方法主要有两类：根据电缆等效热路与电路在数学形式上相同的特点，通过实测电缆头表面温度，运用电路中的节点电压法求解电缆头导体温度；采用热路法和调和平均法对电缆导体进行处理，最终利用有限元计算电缆头内部导体温度。这些方法归根结底都是通过建立电缆头表面与电缆头导体内部温度的关系模型——“温度场”模型求解电缆的真实温度变化。由于电缆的结构复杂，组成材料多样，各厂家的制造工艺千差万别，而且电缆的敷设方式及电缆所处的环境也存在较大差异，“温度场”模型往往缺乏通用性。在电缆温度在线监测系统中，使用“温度场”模型判断电缆温度异常准确性不高。
发明内容
本发明的目的是：提供一种电力电缆温度在线监测数据的处理方法，提高电力电缆温度在线监测系统判断电缆温度异常的准确性。
本发明的技术解决方案是：它是通过分析影响电缆表面温度的主要因数过滤掉干扰成份，得到排除了主要干扰因数的电缆表面的温度变化率曲线，以此温度变化率曲线捕捉电缆温度异常；步骤一是对从测温传感器处获取的温度数据进行均匀自然采样；步骤二是将采样后的离散温度数据进行快速傅立叶变化；步骤三是对快速傅立叶变化后的温度频谱数据进行滤波；步骤四是对滤波后的频谱温度数据进行还原，得到季节温差变化与电缆头内部温度变化重叠曲线波；步骤五是依据波的叠加公式，从重叠曲线波分解出电缆头内部温度变化“伪曲线”；步骤六是对“伪曲线”求导，计算出电缆头导体内部温度的变化率；具体计算步骤如下：
（1）均匀自然采样：把某一时刻采集到的电缆头表面温度值作为一个时域采样信号值，采样周期为                                                
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE002
，设定每隔相等的时间采集一次电缆头的表面温度数据，采样频率为
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE004
，采样后的温度函数
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE006
是随
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE008
变化而变化，采样过程通过矩形采样脉冲序列与实际电缆头表面温度连续函数相乘完成：
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE010
；
（2）快速傅立叶变换 (FFT) ：将采样后的离散温度信号函数进行快速傅立叶变化，得到离散温度信号的频谱函数，其转换关系如下：（ 是采样函数的周期，是傅立叶级数的系数）
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE016
；
（3）带阻滤波器：经过上面的快速傅立叶变化，产生了由一系列频率各异的基波和谐波组成的离散温度信号频谱函数，这组波可以看成是昼夜温度变化、季节温度变化以及电缆头内部导体温度变化三种周期曲线波叠加而成的，就频率而言，昼夜温度变化曲线波的频率较大，而季节温差变化曲线频率较小；非故障情况下，电缆头内部导体温度变化频率与电缆的载流量变化频率相同，大量的统计资料表明，电缆载流量变化呈现以年度为周期的特征，所以季节温度变化曲线的频率与电缆头内部导体温度变化频率相当；这样让这组基波和谐波通过带阻滤波器，将昼夜温差变化的信号频率分量衰减到极小值，过滤昼夜温差变化曲线波，得到频率相当的季节温度变化以及“电缆头内部导体温度变化”的重叠信号频谱函数 
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE018
；
（4）还原温差变化重叠信号：重叠信号的频谱函数经过快速傅立叶逆变换还原了频率相同的电缆季节温差变化以及“电缆头内部温度变化”重叠曲线函数，通过观察，发现该曲线具有周期正弦波的特点：
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE020
；
（5）重叠波分解：根据周期曲线波的特点，上述的重叠曲线函数可以表示成：
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE022
，而通过季节温差变化的数据得到周期变化的曲线波函数
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE024
 ；运用如下曲线叠加波公式，求解出形式上与电缆头内部温度变化相一致的曲线波 
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE026
：
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE030
；
（6）曲线函数求导：分解出的函数只是电缆头温度变化的“伪曲线”，其具体数值不是电缆头温度的真实数据，而是排除了“干扰因数”后的电缆表面温度值，但该数值的变化率与电缆内部温度的变化率相同，故通过对 
Figure 435269DEST_PATH_IMAGE032
 求导，获得电缆头导体内部温度的变化率：
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE034
；
（7）捕捉电缆温度异常：设温度变化率的报警阈值为
Figure 2012104578702100002DEST_PATH_IMAGE036
，当 时，捕捉到温度异常。
本发明具有以下优点：
1、它是一种新的处理电缆温度监测值的方法，不建立电缆内、外部空间的“温度场”模型，而是通过分析影响电缆表面温度的主要因数过滤掉干扰成份，得到排除了主要干扰因数的电缆温度变化率，数据采样模式响应快，采样后的数据精度高，波形不失真。
2、本发明的方法无须明确电缆的结构、材质、所处环境、敷设方式等参数，对电缆表面温度值数据进行频域滤波消除昼夜温度变化的影响，依据波的叠加公式消除年度温度变化的影响，因而通用性较好，能够提高电缆温度在线监测系统判断电缆温度异常的准确性，有效预防因电缆头过热引起的停电及火灾事故的发生。
附图说明
图1为电缆头温度变化解析的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的技术解决方案。
如图1所示，依以下具体计算步骤处理电力电缆在线温度监测数据：
（1）均匀自然采样：把某一时刻采集到的电缆头表面温度值作为一个时域采样信号值，采样周期为 
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，设定每隔相等的时间采集一次电缆头的表面温度数据，采样频率为
Figure 604606DEST_PATH_IMAGE004
，采样后的温度函数
Figure 446660DEST_PATH_IMAGE006
是随
Figure 904186DEST_PATH_IMAGE008
变化而变化，采样过程通过矩形采样脉冲序列与实际电缆头表面温度连续函数相乘完成：
；
（2）快速傅立叶变换 (FFT) ：将采样后的离散温度信号函数进行快速傅立叶变化，得到离散温度信号的频谱函数，其转换关系如下：（ 是采样函数的周期，
Figure 665655DEST_PATH_IMAGE014
是傅立叶级数的系数）
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
；
（3）带阻滤波器：经过上面的快速傅立叶变化，产生了由一系列频率各异的基波和谐波组成的离散温度信号频谱函数，这组波可以看成是昼夜温度变化、季节温度变化以及电缆头内部导体温度变化三种周期曲线波叠加而成的，就频率而言，昼夜温度变化曲线波的频率较大，而季节温差变化曲线频率较小；非故障情况下，电缆头内部导体温度变化频率与电缆的载流量变化频率相同，大量的统计资料表明，电缆载流量变化呈现以年度为周期的特征，所以季节温度变化曲线的频率与电缆头内部导体温度变化频率相当；这样让这组基波和谐波通过带阻滤波器，将昼夜温差变化的信号频率分量衰减到极小值，过滤昼夜温差变化曲线波，得到频率相当的季节温度变化以及“电缆头内部导体温度变化”的重叠信号频谱函数 ；
（4）还原温差变化重叠信号：重叠信号的频谱函数经过快速傅立叶逆变换还原了频率相同的电缆季节温差变化以及“电缆头内部温度变化”重叠曲线函数，通过观察，发现该曲线具有周期正弦波的特点：
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
；
（5）重叠波分解：根据周期曲线波的特点，上述的重叠曲线函数可以表示成：
Figure 440243DEST_PATH_IMAGE022
，而通过季节温差变化的数据得到周期变化的曲线波函数
Figure 171439DEST_PATH_IMAGE024
 ；运用如下曲线叠加波公式，求解出形式上与电缆头内部温度变化相一致的曲线波 
Figure 227120DEST_PATH_IMAGE026
：
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
；
（6）曲线函数求导：分解出的函数
Figure 233646DEST_PATH_IMAGE032
只是电缆头温度变化的“伪曲线”，其具体数值不是电缆头温度的真实数据，而是排除了“干扰因数”后的电缆表面温度值，但该数值的变化率与电缆内部温度的变化率相同，故通过对 
Figure 970658DEST_PATH_IMAGE032
 求导，获得电缆头导体内部温度的变化率：
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
；
（7）捕捉电缆温度异常：设温度变化率的报警阈值为
Figure 805628DEST_PATH_IMAGE036
，当
Figure 235472DEST_PATH_IMAGE038
 时，捕捉到温度异常。

Claims (1)

1.电力电缆温度在线监测数据的处理方法，其特征是：它是通过分析影响电缆表面温度的主要因数过滤掉干扰成份，得到排除了主要干扰因数的电缆表面的温度变化率曲线，以此温度变化率曲线捕捉电缆温度异常；步骤一是对从测温传感器处获取的温度数据进行均匀自然采样；步骤二是将采样后的离散温度数据进行快速傅立叶变化；步骤三是对快速傅立叶变化后的温度频谱数据进行滤波；步骤四是对滤波后的频谱温度数据进行还原，得到季节温差变化与电缆头内部温度变化重叠曲线波；步骤五是依据波的叠加公式，从重叠曲线波分解出电缆头内部温度变化“伪曲线”；步骤六是对“伪曲线”求导，计算出电缆头导体内部温度的变化率；具体计算步骤如下：
（1）均匀自然采样：把某一时刻采集到的电缆头表面温度值作为一个时域采样信号值，采样周期为                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，设定每隔相等的时间采集一次电缆头的表面温度数据，采样频率为，采样后的温度函数
Figure DEST_PATH_IMAGE006
是随
Figure DEST_PATH_IMAGE008
变化而变化，采样过程通过矩形采样脉冲序列与实际电缆头表面温度连续函数相乘完成：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
（2）快速傅立叶变换 (FFT) ：将采样后的离散温度信号函数进行快速傅立叶变化，得到离散温度信号的频谱函数，其转换关系如下：（
Figure DEST_PATH_IMAGE012
 是采样函数的周期，是傅立叶级数的系数）
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
（3）带阻滤波器：经过上面的快速傅立叶变化，产生了由一系列频率各异的基波和谐波组成的离散温度信号频谱函数，这组波可以看成是昼夜温度变化、季节温度变化以及电缆头内部导体温度变化三种周期曲线波叠加而成的，就频率而言，昼夜温度变化曲线波的频率较大，而季节温差变化曲线频率较小；非故障情况下，电缆头内部导体温度变化频率与电缆的载流量变化频率相同，大量的统计资料表明，电缆载流量变化呈现以年度为周期的特征，所以季节温度变化曲线的频率与电缆头内部导体温度变化频率相当；这样让这组基波和谐波通过带阻滤波器，将昼夜温差变化的信号频率分量衰减到极小值，过滤昼夜温差变化曲线波，得到频率相当的季节温度变化以及“电缆头内部导体温度变化”的重叠信号频谱函数 
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
（4）还原温差变化重叠信号：重叠信号的频谱函数经过快速傅立叶逆变换还原了频率相同的电缆季节温差变化以及“电缆头内部温度变化”重叠曲线函数，通过观察，发现该曲线具有周期正弦波的特点：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；
（5）重叠波分解：根据周期曲线波的特点，上述的重叠曲线函数可以表示成：，而通过季节温差变化的数据得到周期变化的曲线波函数
Figure DEST_PATH_IMAGE024
 ；运用如下曲线叠加波公式，求解出形式上与电缆头内部温度变化相一致的曲线波 
Figure DEST_PATH_IMAGE026
：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
（6）曲线函数求导：分解出的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE032
只是电缆头温度变化的“伪曲线”，其具体数值不是电缆头温度的真实数据，而是排除了“干扰因数”后的电缆表面温度值，但该数值的变化率与电缆内部温度的变化率相同，故通过对 
Figure 677247DEST_PATH_IMAGE032
 求导，获得电缆头导体内部温度的变化率：
；
（7）捕捉电缆温度异常：设温度变化率的报警阈值为
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，当
Figure DEST_PATH_IMAGE038
 时，捕捉到温度异常。
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