CN109324261A - 一种配电网电缆线路过热风险预警方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种配电网电缆线路过热风险预警方法和系统，包括：计算电缆线路历史时段的电阻值；根据电缆线路历史时段的电阻值，确定预测时段内电缆线路的电阻值；根据预先设定的电缆线路过热风险预警规则以及电缆线路历史时段和预测时段的电阻值，进行电缆线路过热风险预警；其中，电缆线路过热风险预警规则包括根据体温度和电阻之间的线性关系和最高额定温度确定的电阻阈值。该方法和系统能有效实现配电网电缆阻抗参数的实时监测与预测，可准确预警配电网电缆线路过热风险，具有实用性好、成本小、计算简单和易操作的优点，能够为电网运行人员进行电缆线路的运行维护提供决策依据。

Description

一种配电网电缆线路过热风险预警方法和系统

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化领域，具体讲涉及一种配电网电缆线路过热风险预警方法和系统。

背景技术

运行中的电缆温升及发热情况一直是配电网运行关注的重点。电缆温度过高，会加速绝缘老化、缩短电缆寿命，甚至可能导致电缆火灾的发生。若能对电缆过热情况进行在线监测及预警，便可及时发现电缆绝缘劣化状况，消除可能存在的故障隐患。现阶段，传统的依靠测温来进行电缆线路过热风险预警的方法既不精确又容易失效，且现有设备并无法直接监测导线内部的导线运行温度，一般仅限于对电缆外表皮或金属护套温度的测量,不能及时、准确感知电缆线路的温升情况并对电缆线路过热现象发生发展的趋势进行预警。因此，亟需寻求一种准确有效的方法，及时掌握电缆温升及发热情况，了解电缆绝缘状况，为运行人员对电缆线路进行及时且有针对性的检修及维护提供依据。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种配电网电缆线路过热风险预警方法和系统。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种配电网电缆线路过热风险预警方法，其改进之处在，包括：

计算电缆线路历史时段的电阻值；

根据所述电缆线路历史时段的电阻值，确定预测时段内所述电缆线路的电阻值；

根据预先设定的电缆线路过热风险预警规则以及所述电缆线路历史时段和预测时段的电阻值，进行电缆线路过热风险预警；

其中，所述电缆线路过热风险预警规则包括根据体温度和电阻之间的线性关系和最高额定温度确定的电阻阈值。

本发明提供的第一优选技术方案，其改进之处在于，所述计算所述电缆线路历史时段的电阻值包括：

分别计算过去预设时间长度内每个时段的所述电缆线路的电阻、电抗和电纳；

基于所有时段的电阻、电抗和电纳，分别计算电阻、电抗和电纳的均值以及电阻、电抗和电纳的方差系数，并取其中最大的方差系数为参考方差；

对比所述参考方差和预设的参数估计收敛精度，当所述参考方差小于所述参数估计收敛精度时，判断电阻均值合格并输出所述电阻均值；

否则，将所述时间长度扩展一个时刻，分别计算新的时间长度内电阻、电抗和电纳的均值和参考方差，直到所述电阻均值合格。

本发明提供的第二优选技术方案，其改进之处在于，所述电阻、电抗和电纳的计算方法包括：

采用应用牛顿法对所述电缆线路的有功功率、无功功率和电压幅值进行求解获得各时段所述电缆线路的电阻、电抗和电纳值。

本发明提供的第三优选技术方案，其改进之处在于，所述有功功率、无功功率和电压幅值的计算式如下：

其中P为所述电缆线路的有功功率，Q为所述电缆线路的无功功率，U为所述电缆线路的电压幅值，下标(k)表示对应的数据是k时段的数据，下标1表示对应的数据是所述电缆线路首端的数据，下标2表示对应的数据是所述电缆线路末端的数据。

本发明提供的第四优选技术方案，其改进之处在于，所述方差系数的计算方法为：

当计算电阻的方差系数时，a表示电阻；当计算电抗的方差系数时，a表示电抗；当计算电纳的方差系数时，a表示电纳。

本发明提供的第五优选技术方案，其改进之处在于，所述根据所述电缆线路历史时段的电阻值，预测未来预测时段内所述电缆线路的电阻值包括：

根据所述电缆线路历史时段的电阻值，采用灰色预测、马尔可夫模型预测或卡尔曼滤波方法确定预测时段内电缆线路的电阻值。

本发明提供的第六优选技术方案，其改进之处在于，所述电缆线路过热风险预警规则包括：

当所述电缆线路历史时段电阻值的均值和预测时段的电阻值的均值都小于所述电阻阈值时，所述电缆线路处于正常运行状态，不需要预警；

否则所述电缆线路处于过热风险状态，需要预警。

本发明提供的第七优选技术方案，其改进之处在于，所述电阻阈值计算式如下：

其中，R_Tmax为电阻阈值，R₂₀为预先测得的20℃时所述电缆线路的电阻值，α为所述电缆线路的导体电阻温度系数，T_max为最高额定温度。

一种配电网电缆线路过热风险预警系统，其改进之处在于，包括：历史电阻模块、未来电阻模块和预警模块；

所述历史电阻模块，用于计算电缆线路历史时段的电阻值；

所述未来电阻模块，用于确定预测时段内所述电缆线路的电阻值；

所述预警模块，用于根据预先设定的电缆线路过热风险预警规则以及所述电缆线路历史时段和预测时段的电阻值，进行电缆线路过热风险预警；

其中，所述电缆线路过热风险预警规则包括根据体温度和电阻之间的线性关系和最高额定温度确定的电阻阈值。

本发明提供的第八优选技术方案，其改进之处在于，所述历史电阻模块包括：电参数计算单元、均值方差单元和判断单元；

所述电参数计算单元，用于分别计算过去预设时间长度内每个时段的所述电缆线路的电阻、电抗和电纳；

所述均值方差单元，用于基于所有时段的电阻、电抗和电纳，分别计算电阻、电抗和电纳的均值以及电阻、电抗和电纳的方差系数，并取其中最大的方差系数为参考方差；

所述判断单元，用于对比所述参考方差和预设的参数估计收敛精度，当所述参考方差小于所述参数估计收敛精度时，判断电阻均值合格并输出所述电阻均值；否则，将所述时间长度扩展一个时刻，分别计算新的时间长度内电阻、电抗和电纳的均值和参考方差，直到所述电阻均值合格。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明提供的方法和系统能够基于电缆线路过热风险预警规则，通过电缆线路历史时段的电阻值以及根据历史时段的电阻值获得的预测时段内电缆线路的电阻值，进行电缆线路过热风险预警，有效实现配电网电缆阻抗参数的实时监测与预测，可准确预警配电网电缆线路过热风险，具有实用性好、成本小、计算简单和易操作的优点，能够为电网运行人员进行电缆线路的运行维护提供决策依据。

附图说明

图1为本发明提供的一种配电网电缆线路过热风险预警方法流程示意图；

图2为本发明提供的一种配电网电缆线路过热风险预警系统基本结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

实施例1：

一种配电网电缆线路过热风险预警方法流程如图1所示，包括：

步骤1：计算电缆线路历史时段的电阻值；

步骤2：根据电缆线路历史时段的电阻值，确定预测时段内电缆线路的电阻值；

步骤3：根据预先设定的电缆线路过热风险预警规则以及电缆线路历史时段和预测时段的电阻值，进行电缆线路过热风险预警；

其中，电缆线路过热风险预警规则包括根据体温度和电阻之间的线性关系和最高额定温度确定的电阻阈值。

具体的，计算电缆线路历史时段的电阻值包括：

1、计算过去N个时段的电缆线路的电阻R、电抗X和电纳B；

2、计算R的均值X的均值和B的均值

3、计算R的方差系数η_R、X的方差系数η_X和B的方差系数η_B，取其中最大值为参考方差η；

4、对比η和预设的参数估计收敛精度ε：若η<ε，则判断电阻均值合格并输出，结束电阻值计算；否则计算过去第N+1个时段的R、X和B，将N变为N+1，并跳转至步骤2。

进一步，R、X和B的计算方法为，应用牛顿法求解如下所示的非线性方程组，可得第k个时段电缆线路的R_(k)、X_(k)和B_(k)：

其中P为电缆线路的有功功率，Q为电缆线路的无功功率，U为电缆线路的电压幅值，下标(k)表示对应的数据是k时段的数据，下标1表示对应的数据是电缆线路首端的数据，下标2表示对应的数据是电缆线路末端的数据，P、Q和U的值均通过SCADA系统读取。

方差系数的计算方法为：

均值的计算方法为

其中参数a取值为R、X和B，即a取值为R时，可通过公式(4)得到R的方差系数η_R，通过公式(7)得到R的均值a取值为X时，可通过公式(4)得X的方差系数η_X，通过公式(7)得到X的均值a取值为B时，可通过公式(4)得到B的方差系数η_B，通过公式(7)得到B的均值

根据电缆线路历史时段的电阻值，预测未来时段内电缆线路的电阻值包括采用灰色预测、马尔可夫模型预测和/或卡尔曼滤波方法预测未来一段时间内电缆线路的电阻值。

进一步，电缆线路过热风险预警规则包括：

若和均小于R_Tmax，则电缆线路处于正常运行状态；否则电缆线路处于过热风险状态，需预警；

其中为当前时刻之前一段历史时间段内电缆线路的电阻值的平均值，为当前时刻之后未来一段时间段内电缆线路的电阻值的平均值，R_Tmax为电缆线路电阻阈值。

该规则具体即为：

(1)若当前时刻之前一段历史时间段(t₁,t₂,…,t_k,t_n)内电缆线路电阻参数估计值的平均值和当前时刻之后未来一段时间段(t_n+1,t_n+2,…,t_n+k,t_n+m)内电缆线路电阻参数预测值的平均值均小于预先设定好的电缆线路电阻阈值R_Tmax，则电缆线路处于正常运行状态；

(2)若当前时刻之前一段历史时间段(t₁,t₂,…,t_k,t_n)内电缆线路电阻参数估计值的平均值大于预先设定好的电缆线路电阻阈值，而当前时刻之后未来一段时间段(t_n+1,t_n+2,…,t_n+k,t_n+m)内电缆线路电阻参数预测值的平均值小于预先设定好的电缆线路电阻阈值，则电缆线路处于过热风险状态，需预警；

(3)若当前时刻之前一段历史时间段(t₁,t₂,…,t_k,t_n)内电缆线路电阻参数估计值的平均值小于预先设定好的电缆线路电阻阈值，而当前时刻之后未来一段时间段(t_n+1,t_n+2,…,t_n+k,t_n+m)内电缆线路电阻参数预测值的平均值大于预先设定好的电缆线路电阻阈值，则电缆线路处于过热风险状态，需预警；

(4)若当前时刻之前一段历史时间段(t₁,t₂,…,t_k,t_n)内电缆线路电阻参数估计值的平均值和当前时刻之后未来一段时间段(t_n+1,t_n+2,…,t_n+k,t_n+m)内电缆线路电阻参数预测值的平均值均大于预先设定好的电缆线路电阻阈值，则电缆线路处于过热风险状态，需预警。

进一步，R_Tmax计算方法包括：根据导线发热引起的温升与导线电阻之间的关系，计算电缆导体最高允许工作温度下的电缆导体电阻允许的最高限值，作为电缆线路电阻阈值。导线发热引起的温升和导线电阻之间呈现出直接线性关系：

R_T＝R₂₀[1+α(T-20)] (8)

其中R₂₀为预先测得的20℃时电缆线路的电阻值，α为电缆线路的导体电阻温度系数，铜一般取0.00393，铝取0.00403，T为导体温度。GB12706.3-91中规定电缆导体的最高额定温度为90℃，因此本发明中T_max为90℃,此时电缆线路电阻阈值R_Tmax具体计算方法如下：

此处以灰色预测为例，预测未来一段时间内电缆线路的阻抗值的方法具体为：

灰色关联模型GM(1,1)的定义型为：

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b (9)

式中，z⁽¹⁾(k)＝0.5x⁽¹⁾(k)+0.5x⁽¹⁾(k-1)，x⁽¹⁾(k)为x⁽⁰⁾(k)的一次累加生成。

GM(1,1)的定义型方程近似于GM(1,1)白化微分方程它用以确定参数a和b的值。GM(1,1)建模与预测具体步骤如下：

I、给定原始数据序列为x⁽⁰⁾(k)，即：(x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),…,x⁽⁰⁾(n))，并对x⁽⁰⁾(k)作一次累加生成预测值序列x⁽¹⁾(k)，即

II、将k＝2,3,...,n代入式(9)得矩阵方程组

III、令Y_n＝[x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3),…,x⁽⁰⁾(n-1),x⁽⁰⁾(n)]^T

IV、用最小二乘法求解灰参数θ，θ＝[a,b]^T，θ＝(B^TB)^-1B^TY_n。

V、将求得的参数a,b代入式(9)，得到下式所示的阻抗参数灰色预测模型：

VI、利用生成预测值

VII、利用残差对模型精度进行校验。若检验不合格，通过建立残差GM(1,1)模型对原模型进行修正。

实施例2：

基于同一发明构思，本发明还提供了一种配电网电缆线路过热风险预警系统，由于这些设备解决技术问题的原理与配电网电缆线路过热风险预警方法相似，重复之处不再赘述。

该系统基本结构如图2所示，包括：历史电阻模块、未来电阻模块和预警模块；

历史电阻模块，用于计算电缆线路历史时段的电阻值；

未来电阻模块，用于确定预测时段内电缆线路的电阻值；

预警模块，用于根据预先设定的电缆线路过热风险预警规则以及电缆线路历史时段和预测时段的电阻值，进行电缆线路过热风险预警；

其中，电缆线路过热风险预警规则包括根据体温度和电阻之间的线性关系和最高额定温度确定的电阻阈值。

其中，历史电阻模块包括：电参数计算单元、均值方差单元和判断单元；

电参数计算单元，用于分别计算过去预设时间长度内每个时段的电缆线路的电阻、电抗和电纳；

均值方差单元，用于基于所有时段的电阻、电抗和电纳，分别计算电阻、电抗和电纳的均值以及电阻、电抗和电纳的方差系数，并取其中最大的方差系数为参考方差；

判断单元，用于对比参考方差和预设的参数估计收敛精度，当参考方差小于参数估计收敛精度时，判断电阻均值合格并输出电阻均值；否则，将时间长度扩展一个时刻，分别计算新的时间长度内电阻、电抗和电纳的均值和参考方差，直到电阻均值合格。

其中，电参数计算单元计算电阻、电抗和电纳的计算方法包括：采用应用牛顿法对电缆线路的有功功率、无功功率和电压幅值进行求解获得各时段电缆线路的电阻、电抗和电纳值。

有功功率、无功功率和电压幅值的计算式如下：

其中P为电缆线路的有功功率，Q为电缆线路的无功功率，U为电缆线路的电压幅值，下标(k)表示对应的数据是k时段的数据，下标1表示对应的数据是电缆线路首端的数据，下标2表示对应的数据是电缆线路末端的数据。

其中，方差系数的计算方法为：

当计算电阻的方差系数时，a表示电阻；当计算电抗的方差系数时，a表示电抗；当计算电纳的方差系数时，a表示电纳。

其中，未来电阻模块，根据电缆线路历史时段的电阻值，采用灰色预测、马尔可夫模型预测或卡尔曼滤波方法确定预测时段内电缆线路的电阻值。

其中，电缆线路过热风险预警规则包括：

当电缆线路历史时段电阻值的均值和预测时段的电阻值的均值都小于电阻阈值时，电缆线路处于正常运行状态，不需要预警；

否则电缆线路处于过热风险状态，需要预警。

其中，电阻阈值计算式如下：

其中，R_Tmax为电阻阈值，R₂₀为预先测得的20℃时电缆线路的电阻值，α为电缆线路的导体电阻温度系数，T_max为最高额定温度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种配电网电缆线路过热风险预警方法，其特征在于，包括：

计算电缆线路历史时段的电阻值；

根据所述电缆线路历史时段的电阻值，确定预测时段内所述电缆线路的电阻值；

根据预先设定的电缆线路过热风险预警规则以及所述电缆线路历史时段和预测时段的电阻值，进行电缆线路过热风险预警；

其中，所述电缆线路过热风险预警规则包括根据体温度和电阻之间的线性关系和最高额定温度确定的电阻阈值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述电缆线路历史时段的电阻值包括：

分别计算过去预设时间长度内每个时段的所述电缆线路的电阻、电抗和电纳；

基于所有时段的电阻、电抗和电纳，分别计算电阻、电抗和电纳的均值以及电阻、电抗和电纳的方差系数，并取其中最大的方差系数为参考方差；

对比所述参考方差和预设的参数估计收敛精度，当所述参考方差小于所述参数估计收敛精度时，判断电阻均值合格并输出所述电阻均值；

否则，将所述时间长度扩展一个时刻，分别计算新的时间长度内电阻、电抗和电纳的均值和参考方差，直到所述电阻均值合格。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电阻、电抗和电纳的计算方法包括：

采用应用牛顿法对所述电缆线路的有功功率、无功功率和电压幅值进行求解获得各时段所述电缆线路的电阻、电抗和电纳值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有功功率、无功功率和电压幅值的计算式如下：

其中P为所述电缆线路的有功功率，Q为所述电缆线路的无功功率，U为所述电缆线路的电压幅值，下标(k)表示对应的数据是k时段的数据，下标1表示对应的数据是所述电缆线路首端的数据，下标2表示对应的数据是所述电缆线路末端的数据。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方差系数的计算方法为：

当计算电阻的方差系数时，a表示电阻；当计算电抗的方差系数时，a表示电抗；当计算电纳的方差系数时，a表示电纳。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电缆线路历史时段的电阻值，预测未来预测时段内所述电缆线路的电阻值包括：

根据所述电缆线路历史时段的电阻值，采用灰色预测、马尔可夫模型预测或卡尔曼滤波方法确定预测时段内电缆线路的电阻值。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电缆线路过热风险预警规则包括：

当所述电缆线路历史时段电阻值的均值和预测时段的电阻值的均值都小于所述电阻阈值时，所述电缆线路处于正常运行状态，不需要预警；

否则所述电缆线路处于过热风险状态，需要预警。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电阻阈值计算式如下：

其中，R_Tmax为电阻阈值，R₂₀为预先测得的20℃时所述电缆线路的电阻值，α为所述电缆线路的导体电阻温度系数，T_max为最高额定温度。

9.一种配电网电缆线路过热风险预警系统，其特征在于，包括：历史电阻模块、未来电阻模块和预警模块；

所述历史电阻模块，用于计算电缆线路历史时段的电阻值；

所述未来电阻模块，用于确定预测时段内所述电缆线路的电阻值；

所述预警模块，用于根据预先设定的电缆线路过热风险预警规则以及所述电缆线路历史时段和预测时段的电阻值，进行电缆线路过热风险预警；

其中，所述电缆线路过热风险预警规则包括根据体温度和电阻之间的线性关系和最高额定温度确定的电阻阈值。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述历史电阻模块包括：电参数计算单元、均值方差单元和判断单元；

所述电参数计算单元，用于分别计算过去预设时间长度内每个时段的所述电缆线路的电阻、电抗和电纳；

所述均值方差单元，用于基于所有时段的电阻、电抗和电纳，分别计算电阻、电抗和电纳的均值以及电阻、电抗和电纳的方差系数，并取其中最大的方差系数为参考方差；

所述判断单元，用于对比所述参考方差和预设的参数估计收敛精度，当所述参考方差小于所述参数估计收敛精度时，判断电阻均值合格并输出所述电阻均值；否则，将所述时间长度扩展一个时刻，分别计算新的时间长度内电阻、电抗和电纳的均值和参考方差，直到所述电阻均值合格。