CN104820166B - 电力电缆多状态综合在线监测系统及电缆线芯温度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了电力电缆多状态综合在线监测系统及电缆线芯温度的计算方法，该系统包括终端节点、中心节点和数据管理平台，终端节点包括有多个监测单元，每个监测单元包括监测点、传感器、数据采集模块和无线发射模块，传感器输出端与数据采集模块输入端连接，数据采集模块输出端与无线发射模块输入端连接，无线发射模块发送数据信息给到中心节点；中心节点包括中心节点模块和GPRS发射模块，中心节点模块连接GPRS发射模块，GPRS发射模块利用GPRS网络将数据上传给数据管理平台，数据管理平台根据所接收到的数据信息分析电线电缆所处的状态。本发明能及时准确发现电缆的绝缘缺陷，准确计算出电缆线芯温度。

Description

电力电缆多状态综合在线监测系统及电缆线芯温度的计算 方法

技术领域

本发明涉及电力设备绝缘监测技术领域，具体涉及一种电力电缆多状态综合在线监测系统及电缆线芯温度的计算方法。

背景技术

随着城市化以及城市电网的发展，电力电缆得到广泛应用。通过对全国主要城市电力电缆运行故障率进行调研发现，在电缆初期运行的1～5年内以及投入运行后的5～25年中，电力电缆附件(包括分支接头、终端接头和中间接头)的故障率一直是最高的。

电力电缆大量分布于城市的各个区域，这些电缆长期运行在高电压、大电流环境下，而电力电缆通过电缆沟方式被安装在地表下，有可能出现绝缘老化和中间接头温度升高等问题，而这些问题在运行过程中不容易被察觉，随着长时间的运行，如不及时采取措施就可能造成事故。

所以急需建立对电力电缆多状态进行实时监测的系统，通过温度实时监测数据提示监控人员发现问题并实施改善，来有效避免事故产生，减少损失。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种能及时、准确发现电力电缆的绝缘缺陷，并且测试电缆线芯温度受环境影响小的电力电缆多状态综合在线监测系统及电缆线芯温度的计算方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种电力电缆多状态综合在线监测系统，包括终端节点、中心节点和数据管理平台，

所述终端节点包括有多个监测单元，每个监测单元包括监测点、传感器、数据采集模块和无线发射模块，所述传感器检测监测点的相应信息，传感器输出端与数据采集模块输入端连接，所述数据采集模块输出端与无线发射模块输入端连接，无线发射模块发送数据信息给到中心节点；

所述中心节点包括中心节点模块和GPRS发射模块，所述中心节点模块输出端连接GPRS发射模块输入端，所述中心节点模块接收所述无线发射模块传递的数据信息，并传递给GPRS发射模块，所述GPRS发射模块利用GPRS网络将数据上传给所述数据管理平台，所述数据管理平台根据所接收到的数据信息分析电线电缆所处的状态。

在数据采集终端，采用传感器对环境参数，尤其是电缆中间接头温度进行实时数据采集，并将所采集的数据由无线发射模块传送到中心节点模块，中心节点模块传递给GPRS发射模块，采用轮询的方式读取其负责范围内的终端节点温度数据，GPRS发射模块再给到数据管理平台，数据管理平台用于数据的采集、处理、存储、诊断、预警。

进一步的，所述传感器包括温度传感器、烟雾传感器和水位传感器。采用多种传感器，对电缆沟内的多项环境因素进行采集，使得监控效果更加好。

进一步的，所述无线发射模块为ZigBee无线发射模块，所述中心节点模块为ZigBee中心节点模块。因终端节点大都安装在电缆沟内，不便于工作人员的维护，采用ZigBee无线发射模块和ZigBee中心节点模块进行无线传输，使维护更加方便，同时也减少了巡检成本；同时ZigBee无线发射模块和ZigBee中心节点模块的网络工作频段在2.4GHz上，这个频段和电力电缆产生的干扰频率相差远，所以在数据传输过程中的误码率很低，数据传输稳定性较好。

本发明还提出了一种基于所述电力电缆多状态综合在线监测系统的电缆线芯温度的计算方法，包括以下步骤：

S1，在一段电缆的N个点处分别安装监测单元，N为正整数，寻找并定位同一时间监测温度超过限定值T_t的P个监测点作为计算电缆线芯温度的对象，P为正整数；

S2，收集P个监测点中某一个监测点A处t时间内的温度数据，所述t为正数；

S3，从数据管理平台获得监测点A点处电缆表皮温度T_s

S4，收集监测点A处的电缆建设尺寸参数值建立电缆沟模型；

S5，基于电缆沟模型，利用有限元方法及最优化方法联合求解得到与温度相关的电缆沟介质参数φ_t＝(φ₁，φ₂，…，φ_n)；

S6，从电网运营商获得流过电缆的负荷；

S7，根据流过电缆的负荷、电缆沟介质参数φ_t以及二维电缆温度场的温度控制方程得到电缆线芯温度。

在一段较长的电缆上，其中最容易发生故障的位置往往是该电缆的最热点，所以本方法将一段运行中电缆的温度最高点及温度最高点线芯的温度作为了工程中关注的重点。因一段电缆所处的环境和工况复杂，且对于不同的电缆表皮温度T_s、电缆沟介质参数φ_t，电缆温度场有不同的呈现，因而电缆线芯温度也会有变化，所以本方法中对电缆沟介质参数φ_t的确定，在本方法起到了重要的作用，其中电缆沟介质参数φ_t包括多种参数，其中包括热材料介质热阻ρ，相应材料的扩散率δ。

进一步的，步骤S4在建立电缆沟模型时，包括以下步骤：

S4-1,将电缆沟向下方、左方、右方各延伸形成下、左、右边界，电缆沟盖板为上边界的矩形为求解区域；

S4-2,设置边界条件，电缆沟模型的边界条件需满足以下三个条件：

恒温条件

法相热流条件

对流换热条件

其中，x和y是空间位置坐标，单位m；T_b是研究区域的边界温度值，单位K，T_f为外部流体温度；Γ为求解区域边界；λ为导热系数，单位为W/m·K；T_f为外部流体温度，单位为K；式(1)为电缆沟模型下边界需满足的条件，式(2)为电缆沟模型左右边界需满足的条件，左右边界为水平热交换边界，只存在垂直交接面的垂直法向热流密度；式(3)为电缆沟模型上边界需满足的条件，电缆沟模型上边界为空气与电缆沟板盖相交面，为对流散热边界。

该模型只需在电缆沟监测设备搭建时期进行一次建立，之后只要现场电缆沟没有变化，则模型不需重新建立。电缆沟模型的建立使得对电缆沟介质参数φ_t的确定所需要的参数更加具体。

进一步的，步骤S5包括以下步骤：

S5-1，设定目标函数F，令目标函数

其中，t'为温度数据采集的持续时间，M是迭代计算的总次数，Δt是每两次迭代的间隔时间，其大小等于t'/M，T_m(jΔt)为在监测点处采集的温度表，T(jΔt,φ)为考虑电缆沟介质参数φ_t下得到的监测点温度值；

S5-2，在最优化算法中，首先确定查询方向，查询方向向量的偏微分方程为

将式(4)代入式(6)中，得到

通过有限元算法计算φ_j，其中φ_j指该监测点处的第j个电缆沟介质参数；

S5-3，当即两次连续的φ_j的结果误差不大于α％，并且目标函数F不大于β℃时，结束最优化算法，得到该监测点的电缆沟介质参数φ_t。

实际工作中可根据具体情况设置A、B的大小。采用有限元法和最优化算法提高了电缆沟介质参数φ_t的精确度。

进一步的，所述步骤S7包括以下步骤：

S7-1、通过得到流过电缆的负荷计算得到电缆生热率Q；

S7-2、基于电缆沟模型，根据有限元法和二维电缆温度场的温度控制方程

仿真得到二维电缆温度场T分布图；

其中ρ是热材料介质热阻，单位K·m/W，δ为相应材料的扩散率，单位m²/s，t为时间，单位s，Q为生热率，单位W/m³；

S7-3、从二维电缆温度场T分布图上读取电缆线芯温度。

如此得到P个监测点中监测点A的电缆线芯温度，其它的监测点的线芯温度均按此法可得到。

本发明的有益效果是：

(1)将温度传感器分布安装，形成多个监测点，实时监测中间接头温度，从而可以更早、更准确地发现绝缘缺陷，同时在测量电缆表皮温度时受环境影响小，有利于准确计算线芯温度值。

(2)ZigBee和GPRS相结合的数据传输方式。ZigBee在短距离无线传输方面具有低功耗、自动组网、免费通信等优点,适合组成无线传感网络。GPRS在城市基本实现无缝覆盖,适合远距离无线传输。ZigBee和GPRS结合,两者优势互补,可应用在地下电力电缆的温度在线监测领域。

(3)利用此系统，可以做到电力电缆接头温度的在线实时监测，不用人员沿线巡视，只要某处电缆温度达到一定值，监控中心的实时监控系统会快速发出警示，告知管理人员某处电缆连接处温度超标，从而达到迅速控制和处理，实现了事故的避免和发送，减少经济损失。

(4)算法收敛快速，运用准确的环境参数值，电缆线芯温度结果准确性高，并且可实现实时监测。该算法不但适用于电缆沟方式敷设的电缆，对于直埋、穿管方式敷设的电缆也具有优良的表现。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的设计图；

图2是本发明的原理示意图；

图3是本发明的电缆沟模型图；

图4是二维电缆温度场T分布图。。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种电力电缆多状态综合在线监测系统，包括终端节点、中心节点和数据管理平台，终端节点包括有多个监测单元，每个监测单元包括监测点、传感器、数据采集模块和无线发射模块，

传感器检测监测点的相应信息，传感器输出端与数据采集模块输入端连接，数据采集模块输出端与无线发射模块输入端连接，无线发射模块发送数据信息给到中心节点。

在该实施方式中，无线发射模块可为ZigBee无线发射模块，所述中心节点模块为ZigBee中心节点模块。

ZigBee无线发射模块采用TI公司生产的CC2530系列作为主控芯片，具体型号为CC2530F256。CC2530F256芯片采用QFN40的封装，尺寸较小，约6*6mm，有40个引脚，其中有21个位I/O口，其主要功能有两个，对数据进行采集和无线数据收发。其中CC2530F256芯片内部集成了一个增强型的8051CPU，其与51单片机类似，能完成AD采集等基本功能，因此，终端节点可以利用其进行信息收集和处理。除此之外，CC2530F256芯片内部还集成了无线收发数据的模块，可以完成无线数据传送等功能。同时CC2530芯片内部结合了TI的Z-Stack协议栈，可以利用其进行组网传输数据，并组成多种拓扑结构。

并且因终端节点大都安装在电缆沟内，不便于工作人员的维护，采用ZigBee无线发射模块和ZigBee中心节点模块进行无线传输，使维护更加方便，同时也减少了巡检成本；同时ZigBee无线发射模块和ZigBee中心节点模块的网络工作频段在2.4GHz上，这个频段和电力电缆产生的干扰频率相差远，所以在数据传输过程中的误码率很低，数据传输稳定性较好。

作为本实施例的优选方案，传感器可包括温度传感器、烟雾传感器和水位传感器，其中温度传感器可采用S20-3红外测温仪，可以通过不接触目标而通过测试目标发射的红外辐射强度计算出物体的表面温度。同时S20-3红外测温仪为一体化集成式红外测温仪，传感器、光学系统和电子线路共同继承在金属壳体内。其两线输出4-20mA的电流与测得的温度呈线性关系。水位传感器可采用投入式液位传感器，对电缆沟内部的水位进行监测，从而实现电缆沟内水患的预警。投入式液位传感器的原理是待测液面的压力与水位的高度成正比例的关系。装置内部利用了器件的压阻效应，采集到液面水压后转换成电信号，并且该电信号经过信号处理转换成0-5V的直流电压，用于传感器输出。烟雾传感器可采用MQ-2烟雾传感器。

中心节点包括中心节点模块和GPRS发射模块，中心节点模块输出端连接GPRS发射模块输入端，中心节点模块接收无线发射模块传递的数据信息，并传递给GPRS发射模块，GPRS发射模块利用GPRS网络将数据上传给数据管理平台，数据管理平台根据所接收到的数据信息分析电线电缆所处的状态。这里GPRS发射模块可采用SIM900A模块实现短信息的收发。

本实施方式中采用一个中心节点和两个终端节点的方式安装于电缆沟内部，彼此相隔200m，两个终端节点定时的发送数据到中心节点，中心节点控制GPRS模块发送数据到数据管理平台，数据管理平台对数据进行采集、处理、存储、诊断、预警。利用此系统，可以做到电力电缆接头温度的在线实时监测，不用人员沿线巡视，只要某处电缆温度达到一定值，监控中心的实时监控系统会快速发出警示，告知管理人员某处电缆连接处温度超标，从而达到迅速控制和处理，实现了事故的避免和发送，减少经济损失。

本发明还提出了一种基于所述电力电缆多状态综合在线监测系统的电缆线芯温度的计算方法，包括以下步骤：

S1，在一段电缆的N个点处分别安装监测单元，N为正整数，寻找并定位同一时间监测温度超过限定值T_t的P个监测点作为计算电缆线芯温度的对象，P为正整数,此处的T_t为预先设定的已知数值。

S2，收集P个监测点中某一个监测点A处t时间内的温度数据，所述t为正数,一般选择1h(小时)<t<8h。

S3，从数据管理平台获得监测点A点处电缆表皮温度T_s。

S4，收集监测点A处的电缆建设尺寸参数值建立电缆沟模型，如图3所示，其中建立电缆沟模型时，包括以下2个步骤：

S4-1,将电缆沟向下方、左方、右方各延伸形成下、左、右边界，电缆沟盖板为上边界的矩形为求解区域。

S4-2,设置边界条件，电缆沟模型的边界条件需满足以下三个条件：

恒温条件

法相热流条件

对流换热条件

其中，x和y是空间位置坐标，单位m；T_b是研究区域的边界温度值，单位K；Γ为求解区域边界；λ为导热系数，单位为W/m·K；T_f为外部流体温度，单位为K；式(1)为电缆沟模型下边界需满足的条件，根据季节不同,具体温度值取范围为5-10℃，式(2)为电缆沟模型左右边界需满足的条件，左右边界为水平热交换边界，只存在垂直交接面的垂直法向热流密度；式(3)为电缆沟模型上边界需满足的条件，电缆沟模型上边界为空气与电缆沟板盖相交面，为对流散热边界。

该模型只需在电缆沟监测设备搭建时期进行一次建立，之后只要现场电缆沟没有变化，则模型不需重新建立。电缆沟模型的建立使得对电缆沟介质参数φ_t的确定所需要的参数更加具体。

在建立电缆沟模型时，从考虑到计算量的大小和距离对电缆产生的热影响情况，以电缆沟向下方、左方、右方各延伸的距离设置为5米的矩形为计算模型，电缆沟模型的建立使得对与温度相关的电缆沟介质参数φ_t的确定所需要的参数更加具体。

S5，基于电缆沟模型，利用有限元方法及最优化方法联合求解得到与温度相关的电缆沟介质参数φ_t＝(φ₁，φ₂，…，φ_n)；

具体包括以下步骤：

S5-1，设定目标函数F，令目标函数

其中，t'为温度数据采集的持续时间，M是迭代计算的总次数，Δt是每两次迭代的间隔时间，其大小等于t'/M，T_m(jΔt)为在监测点处采集的温度表，T(jΔt,φ)为考虑电缆沟介质参数φ_t下得到的监测点温度值；

S5-2，在最优化算法中，首先确定查询方向，查询方向向量的偏微分方程为

将式(4)代入式(6)中，得到

通过有限元算法计算φ_j，其中φ_j指该监测点处的第j个电缆沟介质参数；

S5-3,当即两次连续的φ_j的结果误差不大于α％，并且目标函数F不大于β℃时，结束最优化算法，得到该监测点的电缆沟介质参数φ_t。其中α、β均为正数，且5<α<15、0<β<0.8。

作为优选的实施例，取α＝10，β＝0.5，即当并且目标函数F不大于0.5℃时，结束最优化算法，得到该监测点的电缆沟介质参数φ_t。采用有限元法和最优化算法提高了电缆沟介质参数φ_t的精确度。

在本实施方式中，φ_t包含土壤、空气热参数等，即热阻、扩散率等，具体可根据计算模型选取。

S6，从电网运营商获得流过电缆的负荷。

S7，根据流过电缆的负荷、电缆沟介质参数φ_t以及二维电缆温度场的温度控制方程得到电缆线芯温度。

具体包括以下步骤：

S7-1、通过得到流过电缆的负荷计算得到电缆生热率Q。具体可根据IEC60287标准通过电缆的负荷计算得到电缆生热率Q，当然也可采用其它本领域公知的方法计算得到。

S7-2、基于电缆沟模型，根据有限元法和二维电缆温度场的温度控制方程

仿真得到二维电缆温度场T分布图，如图4所示。

其中ρ是热材料介质热阻，单位K·m/W，δ为相应材料的扩散率，单位m²/s，其中t为时间，单位s，Q为生热率，单位W/m³。

S7-3、从二维电缆温度场T分布图上读取电缆线芯温度。

通常温度最高的点即为电缆线芯处。

如此得到P个监测点中监测点A的电缆线芯温度，其它的监测点的线芯温度均按此法可得到。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于电力电缆多状态综合在线监测系统的电缆线芯温度的计算方法，其特征在于，所述电力电缆多状态综合在线监测系统包括终端节点、中心节点和数据管理平台，

所述终端节点包括有多个监测单元，每个监测单元包括监测点、传感器、数据采集模块和无线发射模块，所述传感器检测监测点的相应信息，传感器输出端与数据采集模块输入端连接，所述传感器包括温度传感器、烟雾传感器和水位传感器，所述水位传感器对电缆沟内部的水位进行监测，所述数据采集模块输出端与无线发射模块输入端连接，无线发射模块发送数据信息给到中心节点；

所述中心节点包括中心节点模块和GPRS发射模块，所述中心节点模块输出端连接GPRS发射模块输入端，所述中心节点模块接收所述无线发射模块传递的数据信息，并传递给GPRS发射模块，所述GPRS发射模块利用GPRS网络将数据上传给所述数据管理平台，所述数据管理平台根据所接收到的数据信息分析电线电缆所处的状态；

该方法包括以下步骤：

S1，在一段电缆的N个点处分别安装监测单元，N为正整数，寻找并定位同一时间监测温度超过限定值T_t的P个监测点作为计算电缆线芯温度的对象，P为正整数；

S2，收集P个监测点中某一个监测点A处t时间内的温度数据，所述t为正数；

S3，从数据管理平台获得监测点A点处电缆表皮温度T_s；

S4，收集监测点A处的电缆建设尺寸参数值建立电缆沟模型；

S5，基于电缆沟模型，利用有限元方法及最优化方法联合求解得到与温度相关的电缆沟介质参数φ_t＝(φ₁，φ₂，…，φ_n)；

S6，从电网运营商获得流过电缆的负荷；

S7，根据流过电缆的负荷、电缆沟介质参数φ_t以及二维电缆温度场的温度控制方程得到电缆线芯温度；

S7-1、通过得到流过电缆的负荷计算得到电缆生热率Q；

S7-2、基于电缆沟模型，根据有限元法和二维电缆温度场的温度控制方程

仿真得到二维电缆温度场T分布图；

其中ρ是热材料介质热阻，单位K·m/W，δ为相应材料的扩散率，单位m²/s，其中t为时间，单位s，Q为生热率，单位W/m³；

S7-3、从二维电缆温度场T分布图上读取电缆线芯温度，温度最高的点即为电缆线芯处。

2.根据权利要求1所述的电缆线芯温度的计算方法，其特征在于，所述无线发射模块为ZigBee无线发射模块，所述中心节点模块为ZigBee中心节点模块。

3.根据权利要求1所述的电缆线芯温度的计算方法，其特征在于，步骤S4在建立电缆沟模型时，包括以下步骤：

S4-1,将电缆沟向下方、左方、右方各延伸形成下、左、右边界，电缆沟盖板为上边界的矩形为求解区域；

S4-2,设置边界条件，电缆沟模型的边界条件需满足以下三个条件：

恒温条件

法相热流条件

对流换热条件

其中，x和y是空间位置坐标，单位m；T_b是研究区域的边界温度值，单位K，T_f为外部流体温度；Γ为求解区域边界；λ为导热系数，单位为W/m·K；T_f为外部流体温度，单位为K；式(1)为电缆沟模型下边界需满足的条件，式(2)为电缆沟模型左右边界需满足的条件，左右边界为水平热交换边界，只存在垂直交接面的垂直法向热流密度；式(3)为电缆沟模型上边界需满足的条件，电缆沟模型上边界为空气与电缆沟板盖相交面，为对流散热边界。

4.根据权利要求1所述的电缆线芯温度的计算方法，其特征在于，步骤S5包括以下步骤：

S5-1，设定目标函数F，令目标函数

其中，t'为温度数据采集的持续时间，M是迭代计算的总次数，Δt是每两次迭代的间隔时间，其大小等于t'/M，T_m(jΔt)为在监测点处采集的温度表，T(jΔt,φ)为考虑电缆沟介质参数φ_t下得到的监测点温度值；

S5-2，在最优化算法中，首先确定查询方向，查询方向向量的偏微分方程为

将式(4)代入式(6)中，得到

通过有限元算法计算φ_j，其中φ_j指该监测点处的第j个电缆沟介质参数；

S5-3,当即两次连续的φ_j的结果误差不大于α％，并且目标函数F不大于β℃时，结束最优化算法，得到该监测点的电缆沟介质参数φ_t，α、β均为正数，s^(k)为查询方向向量。