CN111460639B - 动态推算电缆导体温度的方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态推算电缆导体温度的方法、装置、电子设备及存储介质，该方法包括：获取电缆在当前时刻的运行电流并将其与前一时刻的数据进行对比，当运行电流发生变化时，判断电缆导体在当前时刻的热力学状态；当处于升温状态时，计算电缆导体在当前时刻的运行电流下达到前一时刻的电缆导体温度所需的升温时间，并根据当前时刻的运行电流、升温时间计算电缆导体温度；当处于降温状态时，根据当前时刻的运行电流下电缆导体对电缆表皮的稳态温升、前一时刻下电缆导体对电缆表皮的温升以及累计降温时间计算电缆导体温度；本发明能够适配电缆运行状态的实时监控系统，提高了电缆导体温度推算的准确性，为电缆的动态增容提供依据。
Description
技术领域
本发明属于电缆运行状态监控技术领域，更具体地，涉及一种动态推算电缆导体温度的方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
输电电缆的导体温度是电缆是否达到载流量的重要依据，也是电缆安全运行所关注的问题；目前由于传感器技术原因无法直接测量电缆导体的温度，只能根据算法进行间接推算。
目前公认电缆导体温度推算模型来自于IEC-60853-2标准文件，该算法给出了电缆导体对电缆表皮的温升对运行时间和恒定运行电流的关系式。但是，该算法仅适用于零状态响应(运行电流恒定不变)，当外部出现激励，如电缆增容导致运行电流突然发生改变时则无法适用；因此，现有技术中通用的电缆导体温度推算模型对用于实时监控系统的适配性不高，导致电缆导体温度计算的准确性降低。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种动态推算电缆导体温度的方法、装置、电子设备及存储介质，其目的在于解决现有的电缆导体温度推算模型无法适配实时监控系统，且电缆导体温度计算的准确性低的问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种动态推算电缆导体温度的方法，该方法包括以下步骤：
获取电缆在当前时刻的实时运行电流并将其与前一时刻的数据进行对比，当所述实时运行电流发生变化时，判断电缆导体在当前时刻的热力学状态；
当处于升温状态时，计算电缆导体在当前时刻的实时运行电流下达到前一时刻的电缆导体温度所需的升温时间，并根据预先存储的电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系以及当前时刻的实时运行电流、所述升温时间计算电缆导体温度；
当处于降温状态时，根据当前时刻的实时运行电流下电缆导体对电缆表皮的稳态温升、前一时刻下电缆导体对电缆表皮的温升以及累计降温时间计算电缆导体温度。
优选的，上述动态推算电缆导体温度的方法，当处于升温状态时，采用前一时刻的电缆导体对电缆表皮的温升的反函数或循环数值逼近法来计算所述升温时间。
优选的，上述动态推算电缆导体温度的方法，基于循环数值逼近法来计算升温时间具体为：
若当前时刻t的实时运行电流大于前一时刻t1的实时运行电流，则设初始值t＝t1且t进行递减迭代，将迭代过程中满足
时的t的取值作为所述升温时间；
若当前时刻t的实时运行电流小于前一时刻t1的实时运行电流，则设初始值t＝t1且t进行递增迭代，将迭代过程中满足
时的t的取值作为所述升温时间；
其中，
表示前一时刻t1电缆导体对电缆表皮的温升；C为预设的固定值。
优选的，上述动态推算电缆导体温度的方法，所述固定值C的大小为10-5。
优选的，上述动态推算电缆导体温度的方法，当处于降温状态时，当前时刻的电缆导体温度Tc(t)＝Ts(t)+θc(t)；
其中，Ts(t)为当前时刻下电缆表皮温度；θc(t)为当前时刻下电缆导体对电缆表皮的温升；θc2(∞)为在当前时刻的实时运行电流下电缆导体对电缆表皮的稳态温升；
为前一时刻电缆导体对电缆表皮的温升；t*为累计降温时间；CXPLE为电缆绝缘层的热熔；CCond为电缆导体的热熔。
优选的，上述动态推算电缆导体温度的方法，前一时刻电缆导体对表皮的温升
其中，TC(t-1)为前一时刻计算得到的电缆导体温度。
优选的，上述动态推算电缆导体温度的方法，根据电缆导体在当前时刻的实时运行电流所对应的稳态温度与前一时刻的电缆导体温度之间的大小关系判断电缆导体的热力学状态：
当所述稳态温度高于前一时刻的电缆导体温度时，确认电缆导体处于升温状态；
当所述稳态温度低于前一时刻的电缆导体温度时，确认电缆导体处于升温状态。
优选的，上述动态推算电缆导体温度的方法，当所述实时运行电流未发生变化时，按照预先存储的电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系以及采集的电缆表皮的温度计算当前时刻的电缆导体温度。
优选的，上述动态推算电缆导体温度的方法，所述电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系为IEC-60853-2算法模型。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种动态推算电缆导体温度的装置，包括：
状态判断模块，用于获取电缆在当前时刻的实时运行电流并将其与前一时刻的数据进行对比，当所述实时运行电流发生变化时，判断电缆导体在当前时刻的热力学状态；
升温状态计算模块，用于在电缆导体处于升温状态时计算电缆导体在当前时刻的实时运行电流下达到前一时刻的电缆导体温度所需的升温时间；并根据预先存储的电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系以及当前时刻的实时运行电流、所述升温时间计算电缆导体温度；
降温状态计算模块，用于在电缆导体处于降温状态时根据当前时刻的实时运行电流下电缆导体对电缆表皮的稳态温升、前一时刻下电缆导体对电缆表皮的温升以及累计降温时间计算电缆导体温度。
按照本发明的第三个方面，还提供了一种电子设备，其包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行上述任一项所述方法的步骤。
按照本发明的第四个方面，还提供了一种存储介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的动态推算电缆导体温度的方法、装置、电子设备及存储介质，解决了电缆导体温度预测的实时性问题，实现了在运行过程中电缆运行电流发生变化时能够及时迅速地推算出与变化后的运行电流对应的电缆导体温度；本发明能够适配电缆运行状态的实时监控系统，提高了电缆导体温度推算的准确性，为电缆的动态增容提供依据。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电缆结构热力学模型的示意图；
图2是本发明实施例提供的动态推算电缆导体温度的方法的流程简图；
图3是本发明实施例提供的IEC-60287-2算法模型中在恒定运行电流下电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间之间的关系图；
图4是本发明实施例提供的运行电流发生变化且电缆导体升温时对应的温度曲线；
图5是本发明实施例提供的升温状态下采用循环数值逼近法计算升温时间的算法流程图；
图6是本发明实施例提供的运行电流发生变化且电缆导体降温时对应的温度曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
本实施例提供了一种动态推算电缆导体温度的方法，可适用于各种不同结构的电缆产品的导体温度计算；首先，对待测输电电缆进行热力学建模，得到电缆整体的热路模型，并需要获得该输电电缆的相关材料参数，进而计算输电电缆中每一层的热力参数(包括热熔、热阻等)，具体的计算方法参照IEC-60287文件，本实施例不再赘述；图1所示是本实施例提供的电缆结构热力学模型的一个示例，该输电电缆使用5层结构，从内到外依次是：导体层、交联聚乙烯(XLPE)绝缘层、内衬层、金属护套和外护套，本实施例需要计算的是导体层的温度。
图2是本实施例提供的动态推算电缆导体温度的方法的流程简图，参见图2所示，该方法具体包括以下步骤：
获取电缆在当前时刻的实时运行电流并将其与前一时刻的数据进行对比，当所述实时运行电流发生变化时，判断电缆导体在当前时刻的热力学状态；
本方法需要周期性采集电缆的实时运行电流与电缆表皮的温度，将当前时刻采集到的运行电流数据与上一次的数据进行对比，发现没有变化时则直接按照预先存储的电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系以及采集的电缆表皮的温度计算当前时刻的电缆导体温度。优选的，所述电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系为IEC-60853-2标准文件中的算法模型，本实施例将其模型简化为公式进行表示：
θc(t)＝W(It)G(t)
Tc(t)＝Ts(t)+θc(t)
式中，
θc(t)：在当前时刻t下，电缆导体对于电缆表皮的温升；
Tc(t)：当前时刻t下的电缆导体温度，
Ts(t)：当前时刻t下的电缆表皮温度，通过传感器获得；
W(It)G(t)：表示计算电缆导体温升的算法，该算法与电缆的运行电流和运行时间t相关；
t：电缆的通流运行时间；该时间是一个相对的时间，在特定情况下与通流运行的实际时间一致，当运行电流发生变化后该参数会根据运行电流改变后的累计时间进行调整；
It：电缆的实时运行电流。
图3是IEC-60287-2算法模型中在恒定运行电流下电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间之间的关系图；根据热力传导相关知识可知，在It始终不变的情况下，整个电缆最终会达到温度的稳态，电缆导体、电缆的表皮以及外界环境温度均不再变化。这个稳态状态下，电缆导体的稳态温度为Tc(∞)，电缆导体对电缆表皮的稳态温升为θc(∞)。
本实施例主要针对的是运行电流发生变化的情况，当对比后发现当前时刻的运行电流发生了改变，运行电流不再恒定，则首先判断在当前运行电流下电缆导体的热力状态是升温状态还是降温状态；本实施例根据电缆导体在当前时刻的实时运行电流所对应的稳态温度与前一时刻的电缆导体温度之间的大小关系判断电缆导体的热力学状态：当所述稳态温度高于前一时刻的电缆导体温度时，确认电缆导体处于升温状态；当所述稳态温度低于前一时刻的电缆导体温度时，确认电缆导体处于升温状态；具体的：
A.升温状态：指当前电缆导体的温度没有达到稳态温度，继续升温；
判断依据为：Tc(t-1)<Tc(∞)，当前时刻电缆导体的稳态温度高于前一时刻的电缆导体温度；
B.降温状态：指当前电缆导体的温度已经超过稳态温度，开始降温；
判断方法为：Tc(t-1)>Tc(∞)，当前时刻电缆导体的稳态温度低于前一时刻的电缆导体温度。
(1)当电缆导体处于升温状态时，计算电缆导体在当前时刻的实时运行电流下达到前一时刻的电缆导体温度所需的升温时间，并根据预先存储的电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系以及当前时刻的实时运行电流、所述升温时间计算电缆导体温度；
图4为运行电流发生变化且电缆导体升温时对应的温度曲线，如图4所示，在t1时刻前系统的恒定运行电流为I1，前一时刻t1下的电缆导体温度为T1；当前时刻运行电流变为I2，假设I2<I1，其最终稳态温度Tc2(∞)>T1，表明t1时刻后电缆导体将继续升温；
在运行电流变化时，认为t1时刻前电缆导体温度按照图3中运行电流I1的曲线发展，下一时刻则按照运行电流I2的曲线发展；但是在运行电流I2对应的温度曲线中，达到当前温度T1的时间点为t2，因此，首先需要计算得到升温时间t2，将系统的运行时间t修正为t2。
具体的，可使用温度曲线方程的反函数或者循环数值逼近法来计算升温时间t2，其中，反函数算法简化表示为如下：
式中，
由于反函数算法相对较为复杂，因此本实施例优选采用循环数值逼近法来获得t2的值，其算法流程如图5所示，具体的：
若当前时刻t的实时运行电流大于前一时刻t1的实时运行电流，则设初始值t＝t1且t进行递减迭代，将迭代过程中满足
时的t的取值作为升温时间t2；
若当前时刻t的实时运行电流小于前一时刻t1的实时运行电流，则设初始值t＝t1且t进行递增迭代，将迭代过程中满足
时的t的取值作为升温时间t2；
判断条件公式
中，
表示前一时刻t1电缆导体对电缆表皮的温升；C的取值为会影响到循环次数，取值太大会影响t2计算精度，太小会增加算法的计算量，本实施例优选取为10-5。
(2)当电缆导体处于降温状态时，根据当前时刻的实时运行电流下电缆导体对电缆表皮的稳态温升、前一时刻下电缆导体对电缆表皮的温升以及累计降温时间计算电缆导体温度。
图6为运行电流发生变化且电缆导体降温时对应的温度曲线，如图6所示，在t1时刻前系统的恒定运行电流为I1，若前一时刻t1下的电缆导体温度为T1；当前时刻运行电流变为I2，假设I2<I1，其最终稳态温度Tc2(∞)<T1，表明t1时刻后电缆导体开始降温；降温曲线已经在图5中表示。
在降温过程中，当前时刻电缆导体对电缆表皮的温升为：
式中，
θc2(∞)：在当前时刻的运行电流I2下电缆导体对电缆表皮的稳态温升；
CXPLE：电缆绝缘层的热熔，在电缆模型建立后计算得到；
CCond：电缆导体的热熔，在电缆模型建立后计算得到；
t*：累计降温时间；当发现电缆导体从升温转变到降温时，原有数值归零且跟随系统运行时间t递增；
当前时刻的电缆导体温度为：Tc(t)＝Ts(t)+θc(t)。
对于前一时刻电缆导体对电缆表皮的温升
本实施例不直接使用前一次的计算值θc(t-1)，而是根据实时采集的电缆表皮温度进行计算，具体计算方式为：
其中，TC(t-1)为前一时刻计算到的电缆导体温度；TS(t)为当前时刻传感器采集到的电缆表皮温度。
按照一定的时间间隔定时采集输电电缆的实时运行电流，并按照上述方法计算输电电缆在各采样时刻的导体温度，实现对输电电缆的导体温度的实时、自动监控。
由于电缆表皮温度TS(t)会随着运行电流的变化而动态变化，采用本实施例的计算方法可以消除电缆表皮温度发生变化产生的误差，提高电缆导体温度的计算精度。
实施例二
本实施例提供了一种动态推算电缆导体温度的装置，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现，并可集成在电子设备上；具体的，该装置包括状态判断模块、升温状态计算模块和降温状态计算模块；其中：
状态判断模块用于获取电缆在当前时刻的实时运行电流并将其与前一时刻的数据进行对比，当实时运行电流发生变化时，判断电缆导体在当前时刻的热力学状态；当电缆导体处于升温状态时生成第一触发指令；当电缆导体处于降升温状态时生成第二触发指令；状态判断模块执行的判断过程具体见实施例一，此处不再赘述。
升温状态计算模块与状态判断模块相互通信，接收状态判断模块发送的第一触发指令，根据该第一触发指令计算电缆导体在当前时刻的实时运行电流下达到前一时刻的电缆导体温度所需的升温时间；并根据预先存储的电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系以及当前时刻的实时运行电流、所述升温时间计算电缆导体温度；升温状态计算模块执行的计算过程具体见实施例一，此处不再赘述。
降温状态计算模块与状态判断模块相互通信，接收状态判断模块发送的第二触发指令，根据该第二触发指令根据当前时刻的实时运行电流下电缆导体对电缆表皮的稳态温升、前一时刻下电缆导体对电缆表皮的温升以及累计降温时间计算电缆导体温度。降温状态计算模块执行的计算过程具体见实施例一，此处不再赘述。
实施例三
本实施例还提供了一种电子设备，其包括至少一个处理器、以及至少一个存储器，其中，存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行实施例一中动态推算电缆导体温度的方法的步骤，具体步骤参见实施例一，此处不再赘述；本实施例中，处理器和存储器的类型不作具体限制，例如：处理器可以是微处理器、数字信息处理器、片上可编程逻辑系统等；存储器可以是易失性存储器、非易失性存储器或者它们的组合等。
该电子设备也可以与一个或多个外部设备(如键盘、指向终端、显示器等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备交互的终端通信，和/或与使得该电子设备能与一个或多个其它计算终端进行通信的任何终端(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口进行。并且，电子设备还可以通过网络适配器与一个或者多个网络(例如局域网(Local Area Network，LAN)，广域网(Wide Area Network，WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。
本实施例还提供了一种存储介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行实施例一中动态推算电缆导体温度的方法的步骤。该存储介质的类型包括但不限于SD卡、U盘、固定硬盘、移动硬盘等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种动态推算电缆导体温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取电缆在当前时刻的实时运行电流并将其与前一时刻的数据进行对比，当所述实时运行电流发生变化时，根据电缆导体在当前时刻的实时运行电流所对应的稳态温度与前一时刻的电缆导体温度之间的大小关系判断电缆导体在当前时刻的热力学状态；
当所述稳态温度高于前一时刻的电缆导体温度时，确认电缆导体处于升温状态，计算电缆导体在当前时刻的实时运行电流下达到前一时刻的电缆导体温度所需的升温时间，并根据预先存储的电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系以及当前时刻的实时运行电流、所述升温时间计算电缆导体温度；
当所述稳态温度低于前一时刻的电缆导体温度时，确认电缆导体处于降温状态，根据当前时刻的实时运行电流下电缆导体对电缆表皮的稳态温升、前一时刻下电缆导体对电缆表皮的温升以及累计降温时间计算电缆导体温度。
2.如权利要求1所述的动态推算电缆导体温度的方法，其特征在于，当电缆导体处于升温状态时，采用前一时刻的电缆导体对电缆表皮的温升的反函数或循环数值逼近法来计算所述升温时间。
3.如权利要求2所述的动态推算电缆导体温度的方法，其特征在于，基于循环数值逼近法来计算升温时间具体为：
若当前时刻t的实时运行电流大于前一时刻t1的实时运行电流，则设初始值t＝t1且t进行递减迭代，将迭代过程中满足
时的t的取值作为所述升温时间；
若当前时刻t的实时运行电流小于前一时刻t1的实时运行电流，则设初始值t＝t1且t进行递增迭代，将迭代过程中满足
时的t的取值作为所述升温时间；
其中，
表示前一时刻t1电缆导体对电缆表皮的温升；C为预设的固定值。
4.如权利要求3所述的动态推算电缆导体温度的方法，其特征在于，所述固定值C的大小为10-5。
5.如权利要求1或3所述的动态推算电缆导体温度的方法，其特征在于，当电缆导体处于降温状态时，当前时刻的电缆导体温度Tc(t)＝Ts(t)+θc(t)；
其中，Ts(t)为当前时刻下电缆表皮温度；θc(t)为当前时刻下电缆导体对电缆表皮的温升；θc2(∞)为在当前时刻的实时运行电流下电缆导体对电缆表皮的稳态温升；
为前一时刻电缆导体对电缆表皮的温升；t*为累计降温时间；CXPLE为电缆绝缘层的热熔；CCond为电缆导体的热熔。
6.如权利要求5所述的动态推算电缆导体温度的方法，其特征在于，前一时刻电缆导体对表皮的温升
其中，TC(t-1)为前一时刻计算得到的电缆导体温度。
7.一种动态推算电缆导体温度的装置，其特征在于，包括：
状态判断模块，用于获取电缆在当前时刻的实时运行电流并将其与前一时刻的数据进行对比，当所述实时运行电流发生变化时，根据电缆导体在当前时刻的实时运行电流所对应的稳态温度与前一时刻的电缆导体温度之间的大小关系判断电缆导体在当前时刻的热力学状态：当所述稳态温度高于前一时刻的电缆导体温度时，确认电缆导体处于升温状态；当所述稳态温度低于前一时刻的电缆导体温度时，确认电缆导体处于升温状态；
升温状态计算模块，用于在电缆导体处于升温状态时计算电缆导体在当前时刻的实时运行电流下达到前一时刻的电缆导体温度所需的升温时间；并根据预先存储的电缆导体对电缆表皮的温升与运行时间、恒定运行电流之间的对应关系以及当前时刻的实时运行电流、所述升温时间计算电缆导体温度；
降温状态计算模块，用于在电缆导体处于降温状态时根据当前时刻的实时运行电流下电缆导体对电缆表皮的稳态温升、前一时刻下电缆导体对电缆表皮的温升以及累计降温时间计算电缆导体温度。
8.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行权利要求1～6任一项所述方法的步骤。
9.一种存储介质，其特征在于，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行权利要求1～6任一项所述方法的步骤。
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Denomination of invention: Method, device, electronic equipment and storage medium for dynamically calculating cable conductor temperature Effective date of registration: 20220331 Granted publication date: 20201229 Pledgee: Wuhan area branch of Hubei pilot free trade zone of Bank of China Ltd. Pledgor: WUHAN SANJIANG CLP TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022420000094 |