CN106500874B - 电缆缆芯暂态温度的监测方法和系统 - Google Patents

电缆缆芯暂态温度的监测方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电缆缆芯暂态温度的监测方法和系统，该方法包括：获取电缆的历史数据，确定第一历史时刻所对应的环境温度和电流，并对电缆在监测初始时刻的温度信息进行反演计算，获得与第一历史时刻相对应的第一电缆温度信息；将第一电缆信息与第二历史时刻对应的第二电缆温度信息进行比较，判断第一电缆温度信息中的缆芯温度值与第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值是否小于设定值；若是，则以第一电缆温度信息为电缆温度初始信息，确定电缆的缆芯暂态温度。本发明利用历史数据作为计算条件，能够准确地获得电缆各层的初始温度，并以其作为初始条件，可以精确反演电缆缆芯暂态温度，从而实现电缆缆芯温度状态的实时监测。

Description

电缆缆芯暂态温度的监测方法和系统
技术领域
本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种电缆缆芯暂态温度的监测方法和系统。
背景技术
电力电缆是电力传输的重要载体和保证电网运行的关键设备，在我国的使用范围越来越广泛。缆芯温度是决定电缆使用寿命的重要参数，当电缆缆芯的运行温度超过某一特定值时，将导致电缆老化加速，严重时可能导致电缆热击穿，从而引发触电、火灾等事故，这个特定值称为电缆绝缘材料的长期允许最高工作温度。但如果为了降低电缆缆芯的运行温度，采取使电缆始终处于低负荷运行的策略，则电缆的工作性能无法得到充分利用。因此，对电缆缆芯温度进行准确检测以使缆芯温度不超过长期允许最高工作温度，不仅能确保电缆安全、稳定地运行，而且能提高电缆的容量利用率。
由于缆芯温度难以直接测量，传统技术主要采用基于暂态热路模型的算法根据环境温度反演计算缆芯温度，基于暂态热路模型的算法需要考虑电缆各层材料的热容，而热容的初始温度往往设定为环境温度，对于正在运行中的电缆而言，这一设定易造成初始温度的误差，从而将对缆芯的温度反演产生直接影响，使得缆芯温度监测误差较大。
发明内容
基于此，本发明实施例提供一种电缆缆芯暂态温度的监测方法，以降低监测误差。
为实现上述目的，本发明实施例采用如下方案：
一种电缆缆芯暂态温度的监测方法，包括如下步骤：
获取电缆的历史数据，并根据所述历史数据确定第一历史时刻所对应的环境温度和电流；所述历史数据包括在监测初始时刻之前各历史时刻对应的所述电缆的电流以及所述电缆所处环境的环境温度；
根据第一历史时刻对应的环境温度和电流，对所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息进行反演计算，获得与第一历史时刻相对应的第一电缆温度信息；所述第一电缆温度信息包括所述电缆各层的温度值；
将所述第一电缆温度信息与通过第二历史时刻对应的环境温度和电流计算出的第二电缆温度信息进行比较，判断所述第一电缆温度信息中的缆芯温度值与所述第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值是否小于设定值；所述第一历史时刻在所述第二历史时刻之前，且与所述第二历史时刻相差一个时间单位值；
若是，则以所述第一电缆温度信息为电缆温度初始信息，确定所述电缆的缆芯暂态温度。。
一种电缆缆芯暂态温度的监测系统，包括：
历史数据获取模块，用于获取电缆的历史数据，并根据所述历史数据确定第一历史时刻所对应的环境温度和电流；所述历史数据包括在所述监测初始时刻之前各历史时刻对应的所述电缆的电流以及所述电缆所处环境的环境温度；
反演计算模块，用于根据第一历史时刻对应的环境温度和电流，对所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息进行反演计算，获得与第一历史时刻相对应的第一电缆温度信息；所述第一电缆温度信息包括所述电缆各层的温度值；
判断模块，用于将所述第一电缆温度信息与通过第二历史时刻对应的环境温度和电流计算出的第二电缆温度信息进行比较，判断所述第一电缆温度信息中的缆芯温度值与所述第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值是否小于设定值；所述第一历史时刻在所述第二历史时刻之前，且与所述第二历史时刻相差一个时间单位值；
确定模块，用于在所述第一电缆温度信息中的缆芯温度值与所述第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值小于设定值时，以所述第一电缆温度信息为电缆温度初始信息，确定所述电缆的缆芯暂态温度。
本发明利用监测初始时刻之前的历史数据作为计算条件，通过计算前后缆芯温度值之差进行不断修正，能够准确地获得电缆各层的初始温度，并以电缆各层初始温度作为初始条件，可以精确反演电缆缆芯暂态温度，从而实现电缆缆芯温度状态的实时监测，为电缆绝缘状态评估提供参考依据。
附图说明
图1是本发明的电缆缆芯暂态温度的监测方法在一个实施例中的流程示意图；
图2为本发明实施例中时间轴的示意图；
图3为本发明实施例中对电缆在监测初始时刻的温度信息进行反演计算的流程示意图；
图4为本发明实施例中电缆各层和土壤各层的结构参数、材料参数的示意图；
图5为本发明实施例中电缆各层和土壤各层的集总参数示意图；
图6为本发明实施例中电缆的一维暂态热路模型；
图7为本发明实施例中多阶跃负荷电流函数的示意图；
图8为各种电缆缆芯暂态温度监测方法的监测结果对比图；
图9是本发明的电缆缆芯暂态温度的监测系统在一个实施例中的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合较佳实施例及附图对本发明的内容作进一步详细描述。显然，下文所描述的实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解的是，尽管在下文中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1是本发明的电缆缆芯暂态温度的监测方法在一个实施例中的流程示意图，如图1所示，本实施例中的电缆缆芯暂态温度的监测方法包括以下步骤：
步骤S110，获取电缆的历史数据，并根据所述历史数据确定第一历史时刻所对应的环境温度和电流；所述历史数据包括在监测初始时刻之前各历史时刻对应的所述电缆的电流以及所述电缆所处环境的环境温度；
电缆由内至外分为多层，依次是缆芯、绝缘层、半导电阻水带、内护套以及外护套。参照图2所示的时间轴，假设监测初始时刻为t0，对电缆的缆芯暂态温度进行监测时，传统技术是将监测初始时刻t0时电缆各层的温度值视为环境温度，这样在对缆芯暂态温度进行反演计算时误差较大，而在本实施例中，采用电缆的历史数据来修正监测初始时刻t0时电缆各层的温度值，以减小监测误差。其中，历史数据包括在监测初始时刻t0之前各历史时刻(即图2中的t1、t2、…、tn-1、tn、tn+1)对应的电缆的电流I(t)以及电缆所处环境的环境温度Th(t)。针对于第一历史时刻tn，确定其所对应的环境温度Th(tn)和电流I(tn)。
步骤S120，根据第一历史时刻对应的环境温度和电流，对所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息进行反演计算，获得与第一历史时刻相对应的第一电缆温度信息；
在本实施例中，利用第一历史时刻tn所对应的环境温度Th(tn)和电流I(tn)，对电缆在监测初始时刻t0的温度信息进行反演计算，获得第一电缆温度信息其中，第一电缆温度信息包括电缆各层的温度值，例如包括缆芯温度值绝缘层温度值半导电阻水层温度值内护套温度值以及外护套温度值
在一种可选的实施方式中，参照图3所示，步骤S120包括以下步骤S201至步骤S202：
步骤S201，获取所述电缆的一维暂态热路模型；
步骤S202，根据所述一维暂态热路模型、所述第一历史时刻对应的环境温度和电流进行反演计算，获得所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息。
一维暂态热路模型是采用电路形式来表示电缆各层和土壤各层的温度及热流情况，电缆各层及土壤各层的热阻分别用一个与结构参数和材料参数有关的集总热阻表示。具体的，基于电缆的一维暂态热路模型，视第一历史时刻tn至监测初始时刻t0这一时间段内的环境温度和电流不变，均为第一历史时刻tn所对应的环境温度Th(tn)和电流I(tn)，通过复频域变换和节点电压方程进行反演计算，即可获得电缆在监测初始时刻t0的温度信息，即获得第一电缆温度信息
其中，电缆的一维暂态热路模型可以通过以下方式获得：
根据电缆及土壤的结构参数和材料参数，获得电缆各层和土壤各层的热阻和热容，其中，材料参数包括热导率、密度和比热容。然后根据热阻和热容计算出电缆各层和土壤各层的集总热阻和集总热容，基于集总热阻和集总热容构建电缆的一维暂态热路模型。
步骤S130，将所述第一电缆温度信息与通过第二历史时刻对应的环境温度和电流计算出的第二电缆温度信息进行比较，判断所述第一电缆温度信息中的缆芯温度值与所述第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值是否小于设定值；若是，则进入步骤S140；
具体的，本实施例中的第一历史时刻在第二历史时刻之前，且与第二历史时刻相差一个时间单位值，可选的，该时间单位值Δt为10分钟。参照图2所示，在时间轴上，第一历史时刻为tn，第二历史时刻为tn-1。第二历史时刻tn-1对应的第二电缆温度信息也可以通过步骤S120进行计算，即根据第二历史时刻tn-1对应的环境温度和电流，对电缆在监测初始时刻t0的温度信息进行反演计算，从而获得与第二历史时刻tn-1相对应的第二电缆温度信息且第二电缆温度信息也包括电缆各层的温度值。
在计算出与第一历史时刻tn相对应的第一电缆温度信息后，将第一电缆温度信息与已计算出的第二历史时刻tn-1对应的第二电缆温度信息进行比较，判断第一电缆温度信息中的缆芯温度值与第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值是否小于设定值，即判断下式是否满足：
式(1)中，TD为设定值，可选的，TD取值为0.05℃。若式(1)满足，则认为满足收敛条件。
步骤S140，以所述第一电缆温度信息为电缆温度初始信息，确定所述电缆的缆芯暂态温度。
当式(1)满足时，以第一电缆温度信息作为电缆温度初始信息，即将第一电缆温度信息中电缆各层的温度值作为监测初始时刻t0时电缆各层的温度值，以后依据第一电缆温度信息进行反演计算，即可确定电缆在监测初始时刻t0之后的各个时刻的缆芯暂态温度。
如果式(1)不满足，则针对于下一个历史时刻tn+1(即在时间轴上与第一历史时刻相差一个时间单位值Δt，且在第一历史时刻之前的历史时刻)，重复步骤S110至步骤S130，即利用历史时刻tn+1所对应的环境温度Th(tn+1)和电流I(tn+1)，对电缆在监测初始时刻t0的温度信息进行反演计算，获得电缆温度信息并判断中的缆芯温度值与之差的绝对值是否小于设定值。通过这种循环比较方式，寻找到满足收敛条件的电缆温度信息，并以此电缆温度信息作为电缆温度初始信息，通过反演计算后即可确定监测初始时刻t0之后电缆的缆芯暂态温度。
在本发明电缆缆芯暂态温度的监测方法的另一个实施例中，若第二历史时刻tn-1为监测初始时刻t0，则第二电缆温度信息中电缆各层的温度值均为t0时电缆所处环境的环境温度。
本发明实施例利用监测初始时刻之前的历史数据作为计算条件，通过计算前后缆芯温度值之差进行不断修正，能够准确地获得电缆各层的初始温度，并以电缆各层初始温度作为初始条件，可以精确反演电缆缆芯暂态温度，从而实现电缆缆芯温度状态的实时监测，为电缆绝缘状态评估提供参考依据。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。
下面以110kV单芯直埋式电缆为例来对本发明的电缆缆芯暂态温度的监测方法作进一步说明。
对于110kV单芯直埋式电缆，为获得其一维暂态热路模型，首先计算电缆各层及土壤各层的集总热路参数，包括集总热阻和集总热容。在本实例中，从电缆的缆芯到土壤层共7层，电缆从内到外分别是缆芯、绝缘层(本实例中为交联聚乙烯层)、半导电阻水带、内护套(本实施例中为铝护套层)以及外护套，土壤包括砂石层和土壤层。电缆各层和土壤各层的结构参数(厚度)和材料参数(热导率、密度以及比热容)见图4。根据图4中的结构参数和材料参数，采用集总热路参数计算公式获得各层的集总热阻和集总热容，计算结果如图5所示。然后根据图5中电缆各层和土壤各层的集总热路参数构建电缆的一维暂态热路模型。参照图6所示的电缆一维暂态热路模型，其中Wc为缆芯热流源，C1为绝缘层热容，C2为半导电阻水带热容，C3为铝护套热容，C4为外护套热容，C5为砂石层热容，C6为土壤层热容；R1为绝缘层热阻，R2为半导电阻水带热阻，R3为铝护套热阻，R4为外护套热阻，R5为砂石层热阻，R6为土壤层热阻；T1为缆芯温度，T2为绝缘层温度，T3为半导电阻水带温度，T4为铝护套温度，T5为外护套温度，T6为砂石层温度，T7为环境温度。其中，由于缆芯的材料为铜，而铜的导热系数很大，热阻非常小，因此在电缆的一维暂态热路模型中缆芯的热阻可以忽略。
在本实例中，环境温度维持在30℃，电缆电流值为1000A，在电缆投入运行40h(h表示小时)后进行在线监测，即监测初始时刻t0＝40h，t0时刻以前电流分别以100A为间隔从600A到1000A取值，每个电流值维持8h，该多阶跃负荷电流函数如图7所示。设定值TD取0.05℃。
根据本发明实施例所提供的电缆缆芯暂态温度的监测方法，，假设时间单位值Δt取10min(min表示分钟)，针对于与t0相差一个Δt的历史时刻t1，即t1＝39h50min，假定此时对应的环境温度为30℃，由图7可见，39h50min对应的电流应为1000A，故根据39h50min对应的环境温度和电流，基于电缆的一维暂态热路模型，通过复频域变换和节点电压方程进行反演计算，获得t0时刻的电缆温度信息Ti 1(t0)，其中缆芯温度值为31.6290℃，经比较：
其中表示t0时电缆的缆芯温度值，该值取环境温度30℃。通过上式判定收敛条件不满足，故进行第二次计算，选取下一历史时刻t2，t2在时间轴上与t1相差一个时间单位值Δtt1之前，即t2＝39h40min，确定t2对应的环境温度和电流，然后不断重复上述计算步骤，在进行第56次计算时，t56＝30h40min，依据t56对应的环境温度和电流计算出t0时刻的电缆温度信息Ti 56(t0)，将其与依据t56对应的环境温度和电流计算出的t0时刻的电缆温度信息Ti 55(t0)进行比较，判定电缆温度信息Ti 56(t0)中的缆芯温度值T1 56(t0)与电缆温度信息Ti 55(t0)中的缆芯温度值之差的绝对值小于设定值TD，即：
故收敛条件满足，故可将Ti 56(t0)作为电缆温度初始信息，此后以该电缆温度初始信息对t0之后的电缆缆芯暂态温度进行监测，可以得到更准确的监测结果。假定t0时刻之后电缆电流稳定在1000A，以Ti 56(t0)作为电缆温度初始信息计算缆芯暂态温度的结果如图8中曲线2所示。在图8中，曲线3为以环境温度作为电缆各层初始温度的缆芯暂态温度监测结果，曲线1为缆芯暂态温度实际值。从图8中可以看出，以环境温度作为各层初始温度的缆芯暂态温度计算结果与实际值相差较大，且误差主要集中在计算的起始阶段，而基于本实施例中的方法，对电缆各层初始温度进行修正后监测精度大大提高，相对误差在4％以内，由此可见本发明所提供的电缆缆芯暂态温度检测方法的准确性，可以满足工程需要。
根据上述本发明的电缆缆芯暂态温度的监测方法，本发明还提供一种电缆缆芯暂态温度的监测系统，下面结合附图及较佳实施例对本发明的电缆缆芯暂态温度的监测系统进行说明。
图9为本发明的电缆缆芯暂态温度的监测系统在一个实施例中的结构示意图。如图9所示，该实施例中的电缆缆芯暂态温度的监测系统包括：
历史数据获取模块10，用于获取电缆的历史数据，并根据所述历史数据确定第一历史时刻所对应的环境温度和电流；所述历史数据包括在所述监测初始时刻之前各历史时刻对应的所述电缆的电流以及所述电缆所处环境的环境温度；
反演计算模块20，用于根据第一历史时刻对应的环境温度和电流，对所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息进行反演计算，获得与第一历史时刻相对应的第一电缆温度信息；所述第一电缆温度信息包括所述电缆各层的温度值；
判断模块30，用于将所述第一电缆温度信息与通过第二历史时刻对应的环境温度和电流计算出的第二电缆温度信息进行比较，判断所述第一电缆温度信息中的缆芯温度值与所述第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值是否小于设定值；所述第一历史时刻在所述第二历史时刻之前，且与所述第二历史时刻相差一个时间单位值；
确定模块40，用于在所述第一电缆温度信息中的缆芯温度值与所述第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值小于设定值时，以所述第一电缆温度信息为电缆温度初始信息，确定所述电缆的缆芯暂态温度。
在一种可选的实施方式中，若第二历史时刻为所述监测初始时刻，则所述第二电缆温度信息中电缆各层的温度值均为所述监测初始时刻所述电缆所处环境的环境温度。
在一种可选的实施方式中，所述时间单位值为10分钟。
在一种可选的实施方式中，仍参照图9所示，反演计算模块20包括：
模型获取模块201，用于获取所述电缆的一维暂态热路模型；
计算模块202，用于根据所述一维暂态热路模型、所述第一历史时刻对应的环境温度和电流进行反演计算，获得所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息。
可选的，所述设定值为0.05℃。
上述电缆缆芯暂态温度的监测系统可执行本发明实施例所提供的电缆缆芯暂态温度的监测方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电缆缆芯暂态温度的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取电缆的历史数据，并根据所述历史数据确定第一历史时刻所对应的环境温度和电流；所述历史数据包括在监测初始时刻之前各历史时刻对应的所述电缆的电流以及所述电缆所处环境的环境温度；
根据第一历史时刻对应的环境温度和电流，对所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息进行反演计算，获得与第一历史时刻相对应的第一电缆温度信息；所述第一电缆温度信息包括所述电缆各层的温度值；
将所述第一电缆温度信息与通过第二历史时刻对应的环境温度和电流计算出的第二电缆温度信息进行比较，判断所述第一电缆温度信息中的缆芯温度值与所述第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值是否小于设定值；所述第一历史时刻在所述第二历史时刻之前，且与所述第二历史时刻相差一个时间单位值；
若是，则以所述第一电缆温度信息为电缆温度初始信息，确定所述电缆的缆芯暂态温度。
2.根据权利要求1所述的电缆缆芯暂态温度的监测方法，其特征在于，若所述第二历史时刻为所述监测初始时刻，则所述第二电缆温度信息中电缆各层的温度值均为所述监测初始时刻所述电缆所处环境的环境温度。
3.根据权利要求1或2所述的电缆缆芯暂态温度的监测方法，其特征在于，所述时间单位值为10分钟。
4.根据权利要求1或2所述的电缆缆芯暂态温度的监测方法，其特征在于，所述根据第一历史时刻对应的环境温度和电流，对所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息进行反演计算的过程包括如下步骤：
获取所述电缆的一维暂态热路模型；
根据所述一维暂态热路模型、所述第一历史时刻对应的环境温度和电流进行反演计算，获得所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息。
5.根据权利要求1或2所述的电缆缆芯暂态温度的监测方法，其特征在于，所述设定值为0.05℃。
6.一种电缆缆芯暂态温度的监测系统，其特征在于，包括：
历史数据获取模块，用于获取电缆的历史数据，并根据所述历史数据确定第一历史时刻所对应的环境温度和电流；所述历史数据包括在所述监测初始时刻之前各历史时刻对应的所述电缆的电流以及所述电缆所处环境的环境温度；
反演计算模块，用于根据第一历史时刻对应的环境温度和电流，对所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息进行反演计算，获得与第一历史时刻相对应的第一电缆温度信息；所述第一电缆温度信息包括所述电缆各层的温度值；
判断模块，用于将所述第一电缆温度信息与通过第二历史时刻对应的环境温度和电流计算出的第二电缆温度信息进行比较，判断所述第一电缆温度信息中的缆芯温度值与所述第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值是否小于设定值；所述第一历史时刻在所述第二历史时刻之前，且与所述第二历史时刻相差一个时间单位值；
确定模块，用于在所述第一电缆温度信息中的缆芯温度值与所述第二电缆温度信息中的缆芯温度值之差的绝对值小于设定值时，以所述第一电缆温度信息为电缆温度初始信息，确定所述电缆的缆芯暂态温度。
7.根据权利要求6所述的电缆缆芯暂态温度的监测系统，其特征在于，若所述第二历史时刻为所述监测初始时刻，则所述第二电缆温度信息中电缆各层的温度值均为所述监测初始时刻所述电缆所处环境的环境温度。
8.根据权利要求6或7所述的电缆缆芯暂态温度的监测系统，其特征在于，所述时间单位值为10分钟。
9.根据权利要求6或7所述的电缆缆芯暂态温度的监测系统，其特征在于，所述反演计算模块包括：
模型获取模块，用于获取所述电缆的一维暂态热路模型；
计算模块，用于根据所述一维暂态热路模型、所述第一历史时刻对应的环境温度和电流进行反演计算，获得所述电缆在所述监测初始时刻的温度信息。
10.根据权利要求6或7所述的电缆缆芯暂态温度的监测系统，其特征在于，所述设定值为0.05℃。
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