CN104751375A - 基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法，包括电力电缆累积退化量模型的建立、电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取、电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立、基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估算。首先建立电力电缆累积退化量模型和求取电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数，并在此基础上建立电力电缆时变应力-强度干涉模型，再由该电力电缆时变应力-强度干涉模型对中高压电力电缆的可靠性进行估算。该方法有效解决了以往电缆可靠性评估准确率低、可信度低的难题，使得中高压电缆状态评估更加科学、更符合工程实际情况，具有较高的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于时变应力-强度干涉模型的中高压电力电缆可靠性评估方法，属于电力设备状态监测与评估领域。
背景技术
随着我国经济的持续高速增长，城市电网规模与日俱增，电力电缆凭借其占地少、不影响环境美化、安全性高等优点，成为城市电网广泛采用的电能输送方式。由于关系到国民经济重要命脉，城市电网对供电可靠性有着极高的要求，任何电网故障对于国民经济所造成的损失均无法估量。历史上东京、伦敦、莫斯科、巴黎、纽约、圣保罗、里约热内卢、新德里等特大型城市均发生过大停电，且电缆线路故障导致电网连锁停电的事例呈逐年增长的趋势。因此，提高城市电网供电可靠性，降低供电故障率是现代城市对电网运行提出的重要要求之一。而电缆可靠性作为城市电网供电可靠性的重要组成部分，对其准确建模并计算成为电网日常运维不可或缺的组成部分。
可靠性表示一种产品在特定的环境下、一段特定的时间内能够无故障运行的概率。可靠性理论是从19世纪20年代发展起来的一门科学，可靠性理论认为研究对象所受的应力及本身的强度是呈一定的概率分布的。当前，对电力电缆可靠性的研究已在国内外广泛开展。然而，已有的成果往往仅使用电缆绝缘材料的老化寿命曲线来求取电缆寿命可靠性，从而忽略了电缆是一个有机整体组成的系统。事实上，电缆是一个包括线芯导体、绝缘材料和保护层组成的有机整体，即传统意义上的系统。此外，由于地下电缆通常采用直埋、管道、电缆沟和电缆通道的方式进行敷设，其运行环境随气候、季节以及安装环境等持续变化，且实测数据具有一定的随机性，因此电缆的寿命强度会随着时间的增长而在应力的作用下逐渐退化。而传统的基于应力-强度模型的电缆可靠性计算模型通常认为电缆的寿命强度为一个静态的随机变量，从而导致常规的在特定环境因素下的电缆可靠性估算在实际工程中准确性不高，缺乏实际指导意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑中高压电缆实际运行环境随机性的基于时变应力-强度干涉模型的中高压电力电缆可靠性评估方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法，用于对中高压电力电缆进行可靠性评估，该方法包括电力电缆累积退化量模型的建立、电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取、电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立以及基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估算四个步骤；
（1）所述的电力电缆累积退化量模型的建立包括：
A、将电缆电力的负荷数据、平均电应力以及环境温度数据分别离散化而形成呈阶梯状连续变化的负荷曲线、电应力曲线以及环境温度曲线；
B、根据所述的变化的负荷曲线、所述的电应力曲线求取单位步长时间内的电缆电流、电场强度；
C、根据求得的电缆电流、电场强度和所述的环境温度曲线求取不同运行环境下的单位步长时间内电缆芯温度分布；
D、根据单位步长时间内电缆芯温度分布求取单位步长时间内的电缆退化量的线性递推公式；
E、根据所述的线性递推公式，估算电力电缆在一段时间内的电热累积退化量；
（2）所述的电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取，包括将电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值用标准正态分布函数拟合，并在此基础上求取两者的概率密度函数；
（3）所述的电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立包括：
a、定义由热应力、电应力导致的电热电缆累积退化量为应力-强度干涉模型中的应力S，定义电力电缆的累积退化量阀值为应力-强度干涉模型中的强度R，定义电力电缆的可靠性为电力电缆的电热累积退化量S小于电力电缆的累积退化量阀值R的概率，从而获取电力电缆累积退化量模型；
b、根据获取的电力电缆累积退化量模型，建立计及电力电缆寿命退化的应力-强度干涉模型；
c、将所述的应力-强度干涉模型结合求取的电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值的标准正态分布概率密度函数，计算电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值标准正态分布的均值、标准差和方差，建立电力电缆的时变应力-强度干涉可靠性模型；
（4）所述的基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估算包括：
1）根据建立的电力电缆的时变应力-强度干涉可靠性模型，求取基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性计算表达式，该表达式为关于电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值均值和方差的正态分布函数；
2）根据求取的电缆可靠性计算表达式，计算电缆的故障率和可靠度，获得电力电缆的可靠性数据。
该方法还包括电力电缆运行数据载入和电力电缆可靠性数据存储两个步骤；首先进行所述的电力电缆运行数据载入，再依次进行所述的电力电缆累积退化量模型的建立、所述的电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取、所述的电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立以及所述的基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估，最后进行所述的电力电缆可靠性数据存储；
所述的电力电缆运行数据载入包括将运行中的电力电缆的电力负荷数据、环境温度数据以及平均电应力数据从本地存储装置载入；
所述的电力电缆可靠性数据存储包括将采用本发明方法求取的电缆可靠性数据信息存储入本地存储装置中，用于建立中高压电力电缆运行可靠性数据库，指导电缆运维部门编制电缆更换、退役计划。
在求取基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性可靠性数据结果后，将结果数据以将其以DAT数据库文件形式存储入本地存储装置中。
求取不同运行环境下的单位步长时间内电缆芯温度分布包括：不同运行环境下电力电缆热耗等值模型的建立、电力电缆导体的热损耗和介质热损耗的计算以及电缆芯温度分布的求取。
电力电缆累积退化量模型中，电热累积退化量S、电力电缆的累积退化量阀值R均为多变量函数，其所包含的变量包括但不限于电力电缆的负荷电流、环境温度、电力电缆内部的添加剂和着色剂以及加工温度。
所述的建立计及电力电缆寿命退化的应力-强度干涉模型包括计算不同等级的周期性应力作用下电力电缆寿命退化量，以及任意时刻电力电缆的剩余寿命。
优选的，该方法通过电力电缆状态监测和智能评估系统自动实现。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：该方法由于计及了环境以及实测数据的时变特性和随机性，建立了中高压电力电缆的时变应力-强度可靠性模型，使中高压电缆状态评估更加科学、更符合工程实际情况，并能用具体的可靠度数据来描述电缆的可靠性，为电缆运行维护部门监测电缆健康度以及制定更换、退役计划提供重要技术支撑，从而为确保电网安全稳定运行提供重要技术支撑。
附图说明
附图1为基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法的流程示意图。
附图2为电力电缆累积退化量模型的建立的流程示意图。
附图3为电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立的流程示意图。
附图4为基于时变应力强度干涉模型的电缆可靠性估算的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：一种用于对中高压电力电缆进行可靠性评估的基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法，其有效考虑了中高压电缆实际运行环境的随机性。该方法包括电力电缆运行数据载入、电力电缆累积退化量模型的建立、电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取、电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立、基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估算和电力电缆可靠性数据存储这几个步骤，如附图1所示。该方法通过电力电缆状态监测和智能评估系统自动实现。
1、电力电缆运行数据载入
通常，电力电缆运行数据载入包括读取以DAT数据库文件形式存储入本地存储装置中的电缆运行环境信息数据，这些数据包括电缆的负荷数据、电缆运行的环境温度数据以及电缆的平均电应力数据。在建立电缆热应力、电应力模型之前，首先要将所存储的内容载入。具体包括：读取包含电缆运行信息的DAT数据库文件并解析该文件。
2、电力电缆累积退化量模型的建立
电力电缆累积退化量模型的建立如附图2所示，包括：
A、将从存储装置中载入的电缆电力的负荷数据、平均电应力以及环境温度数据分别离散化而形成呈阶梯状连续变化的负荷曲线、电应力曲线以及环境温度曲线；
B、根据变化的负荷曲线、电应力曲线求取单位步长时间内的电缆电流、电场强度；
C、根据求得的电缆电流、电场强度和环境温度曲线求取不同运行环境下的单位步长时间内电缆芯温度分布；该步骤主要包括：不同运行环境下电力电缆热耗等值模型的建立、电力电缆导体的热损耗和介质热损耗的计算以及电缆芯温度分布的求取；
D、根据单位步长时间内电缆芯温度分布求取单位步长时间内的电缆退化量的线性递推公式，并求取单位步长时间内电力电缆的退化量；
E、设定电力电缆的初始退化量，根据线性递推公式，估算电力电缆在一段时间内的电热累积退化量；该一段时间指的是几天或者几个负荷周期。
3、电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取
电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取包括将电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值（即强度）用标准正态分布函数拟合，并在此基础上求取两者的概率密度函数。
4、电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立
应力-强度干涉模型定义某一元件的可靠性是强度大于其所遭受应力的概率，应力是引发元件发生失效的因素，而强度是元件抵抗失效的因素，应力和强度是服从一定分布具有相同量纲的随机变量，且是具有统计特性的随机变量。根据该通用定义，电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立如附图3所示，包括：
a、定义由热应力、电应力导致的电热电缆累积退化量为应力-强度干涉模型中的应力S，定义电力电缆的累积退化量阀值为应力-强度干涉模型中的强度R，定义电力电缆的可靠性为电力电缆的电热累积退化量S小于电力电缆的累积退化量阀值R的概率，从而获取电力电缆累积退化量模型。其中，电热累积退化量S、电力电缆的累积退化量阀值R均为多变量函数，其所包含的变量包括但不限于电力电缆的负荷电流、环境温度、电力电缆内部的添加剂和着色剂以及加工温度等；
b、根据获取的电力电缆累积退化量模型，建立计及电力电缆寿命退化的应力-强度干涉模型；该步骤包括：计算不同等级的周期性应力作用下电力电缆寿命退化量，以及任意时刻t电力电缆的剩余寿命。
c、将应力-强度干涉模型结合求取的电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值的标准正态分布概率密度函数，计算电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值标准正态分布的均值、标准差和方差，建立电力电缆的时变应力-强度干涉可靠性模型；
5、基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估算
基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估算如附图4所示，包括：
1）根据建立的电力电缆的时变应力-强度干涉可靠性模型，求取基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性计算表达式，该表达式为关于电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值均值和方差的正态分布函数；
2）根据求取的电缆可靠性计算表达式，计算电缆的故障率和可靠度，获得电力电缆的可靠性数据。
6、电力电缆可靠性数据存储
通常，以DAT数据库文件形式将电力电缆可靠性数据存储入本地存储装置中。在求取基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性结果后，将结果数据存储，用于建立中高压电力电缆运行可靠性数据库，作为电缆设备资产管理系统的一部分而指导电缆运维部门编制电缆更换、退役计划。
本发明计及了电力系统中高压电力电缆环境以及实测数据的时变特性和随机性，建立了中高压电力电缆的时变应力-强度可靠性模型，该方法有效解决了以往电缆可靠性评估中准确率低、可信度低的难题，使得中高压电缆状态评估更加科学、更符合工程实际情况，并能用具体的可靠度数据来描述电缆的可靠性，为电缆运行维护部门监测电缆健康度以及制定更换、退役计划提供重要技术支撑，从而为确保电网安全稳定运行提供重要技术支撑，具有较高的现实意义。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法，用于对中高压电力电缆进行可靠性评估，其特征在于：该方法包括电力电缆累积退化量模型的建立、电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取、电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立以及基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估算四个步骤；
（1）所述的电力电缆累积退化量模型的建立包括：
A、将电缆电力的负荷数据、平均电应力以及环境温度数据分别离散化而形成呈阶梯状连续变化的负荷曲线、电应力曲线以及环境温度曲线；
B、根据所述的变化的负荷曲线、所述的电应力曲线求取单位步长时间内的电缆电流、电场强度；
C、根据求得的电缆电流、电场强度和所述的环境温度曲线求取不同运行环境下的单位步长时间内电缆芯温度分布；
D、根据单位步长时间内电缆芯温度分布求取单位步长时间内的电缆退化量的线性递推公式；
E、根据所述的线性递推公式，估算电力电缆在一段时间内的电热累积退化量；
（2）所述的电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取，包括将电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值用标准正态分布函数拟合，并在此基础上求取两者的概率密度函数；
（3）所述的电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立包括：
a、定义由热应力、电应力导致的电热电缆累积退化量为应力-强度干涉模型中的应力S，定义电力电缆的累积退化量阀值为应力-强度干涉模型中的强度R，定义电力电缆的可靠性为电力电缆的电热累积退化量S小于电力电缆的累积退化量阀值R的概率，从而获取电力电缆累积退化量模型；
b、根据获取的电力电缆累积退化量模型，建立计及电力电缆寿命退化的应力-强度干涉模型；
c、将所述的应力-强度干涉模型结合求取的电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值的标准正态分布概率密度函数，计算电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值标准正态分布的均值、标准差和方差，建立电力电缆的时变应力-强度干涉可靠性模型；
（4）所述的基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估算包括：
1）根据建立的电力电缆的时变应力-强度干涉可靠性模型，求取基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性计算表达式，该表达式为关于电力电缆的电热累积退化量和累积退化量阀值均值和方差的正态分布函数；
2）根据求取的电缆可靠性计算表达式，计算电缆的故障率和可靠度，获得电力电缆的可靠性数据。
2.根据权利要求1所述的基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法，其特征在于：该方法还包括电力电缆运行数据载入和电力电缆可靠性数据存储两个步骤；首先进行所述的电力电缆运行数据载入，再依次进行所述的电力电缆累积退化量模型的建立、所述的电力电缆累积退化量和累积退化量阀值概率分布参数的求取、所述的电力电缆时变应力-强度干涉模型的建立以及所述的基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性估，最后进行所述的电力电缆可靠性数据存储；
所述的电力电缆运行数据载入包括将运行中的电力电缆的电力负荷数据、环境温度数据以及平均电应力数据从本地存储装置载入；
所述的电力电缆可靠性数据存储包括将采用本发明方法求取的电缆可靠性数据信息存储入本地存储装置中，用于建立中高压电力电缆运行可靠性数据库，指导电缆运维部门编制电缆更换、退役计划。
3.根据权利要求2所述的基于时变应力-强度干涉模型的中高压电力电缆可靠性评估方法，其特征在于：在求取基于时变应力-强度干涉模型的电缆可靠性可靠性数据结果后，将结果数据以将其以DAT数据库文件形式存储入本地存储装置中。
4.根据权利要求1所述的基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法，其特征在于：求取不同运行环境下的单位步长时间内电缆芯温度分布包括：不同运行环境下电力电缆热耗等值模型的建立、电力电缆导体的热损耗和介质热损耗的计算以及电缆芯温度分布的求取。
5.根据权利要求1所述的基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法，其特征在于：电力电缆累积退化量模型中，电热累积退化量S、电力电缆的累积退化量阀值R均为多变量函数，其所包含的变量包括但不限于电力电缆的负荷电流、环境温度、电力电缆内部的添加剂和着色剂以及加工温度。
6.根据权利要求1所述的基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法，其特征在于：所述的建立计及电力电缆寿命退化的应力-强度干涉模型包括计算不同等级的周期性应力作用下电力电缆寿命退化量，以及任意时刻电力电缆的剩余寿命。
7.根据权利要求1所述的基于时变应力-强度干涉模型的电力电缆可靠性评估方法，其特征在于：该方法通过电力电缆状态监测和智能评估系统自动实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150701 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |