CN113064365B - 一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统，包括预测试系统、监控系统、控制中心以及调度中心，预测试系统构建电缆表面温度与导体温度的函数关系Tc＝H(Tf,Te,Da)；所述监控系统包括温度监控器和环境监控器，温度监控器监测电缆表面温度，环境监控器监控电缆附近的环境温度Te及湿度Da，温度监控器以及环境监控器均与控制中心连接；所述控制中心用于对监控系统采集的数据进行分析指导调度中心执行调度动作；通过预测试系统给电缆提供测试环境得到真实的测量数据建立温度特性函数关系，然后通过电缆表皮温度值得到导体温度值进而可以得到电力电缆增容的可增范围，保障了电力增容的安全可靠性能。

Description

一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统

技术领域

本发明涉及输配电动态增容技术领域，具体的，涉及一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统。

背景技术

随着电网的发展，电力电缆在电力系统中的应用越来越广泛，其管理检测维护的工作量也越来越大。同时，城市用电需求的快速增加，对电力电缆的线路容量供电可靠性提出了更高的要求。电力电缆的载流量是电缆运行中受环境条件和负荷影响的重要动态参数，其重要性涉及输变电线路的安全可靠、经济合理的运行以及电缆寿命问题。因此，对电力电缆的动态载流量和剩余负荷能力进行在线连续监测，为电力系统调度人员提供关于电缆可利用负载能力的信息，有助于系统调度人员在未来的负荷分配时做出更合理的决策，实现电力电缆的动态增容和电缆资源的最充分化利用。

制约电缆载流量提高的决定性因素是电缆长期运行的最高允许温度，为保证电缆寿命，线芯温度不能超过该长期耐受温度(如XLPE电缆为90℃)。一旦线芯温度超过该限值，电缆绝缘将迅速热老化，甚至可能会发生因局部过热而导致的热击穿，诱发供电事故。然后线芯经过绝缘层、护套层、铠装层、内衬层的层层包裹，现有的测温装置很难检测到线芯的真实温度，一般是经过数学建模的方式通过体表温度预测线性温度，但数学建模需要考虑的电缆安装的环境因数太多，模型建立困难，且预测效果往往不太理想。

中国专利，公开号：CN107818239，公开日：2018年3月20日，公开了一种高压电缆导体温度预测方法和系统，所述方法包括：利用给定的电缆结构数据和暂态热路模型，建立电缆导体的温度预测计算的系数矩阵模型；在形成系数矩阵时，利用循环赋值对矩阵进行赋值，并在形成系数矩阵后，计算矩阵的特征值和特征向量；根据所述特征值和特征向量构造积分函数模型，对所述积分函数模型进行积分，获取导体温度预测模型；检测高压电缆导体的电流值，利用所述导体温度预测模型并根据预测时刻和所述电流作值，得到预测的导体温度值。该方法并没有一套预检测器材真实采集电缆温度数据以及负载数据并以此建立模型的基础，其得到的实验数据存在理想值情况，缺乏真实性。

中国专利，公开号：CN104330659B，公开日：2017年2月15日，涉及一种基于电缆传热模型的准动态增容方法，用于排管内部的电缆增容，包括以下步骤：1)根据电缆全线的工况，在瓶颈电缆段建立数据采集系统，进行当日数据测量；2)根据数据采集系统当日测得的瓶颈电缆段的数据，建立并以日为单位更新次日瓶颈电缆段的电缆传热模型；3)根据次日瓶颈电缆段的电缆传热模型，估算瓶颈电缆段中待增容电缆次日的载流量，实现电缆增容。该方案以日为单位监测的电缆热量与负荷的关系，但考量的环境因素较多，比如需要考虑土壤热阻、系数金属护套损耗等导致模型建立复杂。

发明内容

本发明的目的是解决架空电缆真实温度检测困难导致的电缆电力增容遇到潜在隐患的问题，提出了一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统，通过预测试系统给电缆提供测试环境得到真实的测量数据建立起导体、电缆表皮温度值以及电缆负载的函数关系，然后通过红外温度监测器实时监测架空电缆表皮温度值得到导体温度值，进而可以得到电力电缆增容的可增范围，保障了电力增容的安全可靠性能。

为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统，包括预测试系统、监控系统、控制中心以及调度中心，所述预测试系统构建电缆运行的环境温度Te及湿度Da，获得电缆表面温度与导体温度的函数关系Tc＝H(Tf,Te,Da),其中Tc为导体温度，Tf为电缆表面温度；

所述监控系统包括沿电缆布设的温度监控器和环境监控器，温度监控器监测电缆表面温度，环境监控器监控电缆附近的环境温度Te及湿度Da，温度监控器以及环境监控器均与控制中心连接；

所述控制中心与调度中心通信连接，用于对监控系统采集的数据进行分析指导调度中心执行调度动作；

所述温度监控器包括用于检测架空电缆外表皮温度的红外温度监测器，所述红外温度监测器安装在塔架上，所述红外温度监测器包括红外图像测温单元和通信模块，所述红外图像测温单元拍摄塔架两侧架空电缆的红外图像并转换为温度分布图，红外图像测温单元与通信模块连接，所述通信单元与控制器中心连接。

本方案中，用该方案适用目标对象是架空电缆，由于架空电缆运行时的电芯温度值难以测量，通过红外温度监测器只能测量电缆的表皮温度；因此该系统设置有预测试系统，首先通过预测试系统给电缆提供测试环境得到真实的测量数据建立起导体、电缆表皮温度值以及电缆负载的函数关系，然后通过红外温度监测器实时监测架空电缆表皮温度值得到导体温度值，进而可以得到电力电缆增容的可增范围，保障了电力增容的安全可靠性能。

控制中心对监控系统采集的数据进行分析包括如下步骤；

控制中心周期性读取目标电缆的实时负载L，将电缆负载L与监控系统获得的电缆表面温度Tf、环境温度Te及湿度Da关联，获得样本数据，获得足够的样本数据后构建函数Tc＝G(L,Te,Da)，依据当前环境温度Te及湿度Da，获得电缆的动态最大负载Ld，动态最大负载Ld使得G(Ld,Te,Da)＝Tc_max，Tc_max为线缆工作温度上限值，控制中心周期性将动态最大负载Ld反馈给调度中心，作为增容上限，控制中心周期性根据(Tf,Te,Da)，计算导体温度Tc，若Tc>k·Tc_max，k为安全系数，k<1,则控制中心向调度中心发出告警，并指示调度中心降低电缆的负载L。

本方案中，由于与测试系统中是通过恒温测量装置给电缆提供一个恒温环境(其中恒温环境的温度值可以根据恒温测量装置设定)，用来采集电缆的导体(电芯)与表面之间的温度数据，根据采集到的多组环境温度Te、湿度Da、导体温度Tc以及电缆表面温度Tf作为样本采用神经网络算法建立函数关系模型，根据神经网络算法计算各因素所占权重因子，将环境温度Te、湿度Da以及电缆表面温度Tf作为神经网络模型的输入层，将导体温度Tc作为神经网络的输出层，求得隐含层中的权重因子，继而求得函数关系Tc＝H(Tf,Te,Da)；然后通过控制中心读取导体负载数据，采用同样的方式建立起与导体温度Tc、环境温度Te及湿度Da的函数关系。

作为优选，所述预测试系统包括待测试电缆以及用于给待测试电缆提供恒温测量环境的恒温测量装置。

作为优选，所述待测试电缆包括有管道以及设置在管道内的若干捆电缆，每捆电缆包括有若干束相互独立的电缆线，所述电缆线由外到内包括有护套层、铠装层、内衬层以及设置内衬层的若干个导体，导体的外层均包覆有绝缘层。

作为优选，所述恒温测量装置包括有设置在待测试电缆两端的若干注液头、设置在电缆内的各导体绝缘层间隙间用于连通两端注液头的恒温管、设置在待测试电缆两端分别与注液头连接的注液管和出液管；所述出液管和注液管通过热水泵连通；所述注液管上还设置有用于补偿管道液体温度的温度补偿器以及用于调节补偿管道液体流量的水压微调器。

作为优选，所述温度补偿器包括有密封套接在注液管上的壳体、设置在壳体内与注液管垂直连通的补偿筒、与补偿筒垂直连通的锁定管以及连通补偿筒与注液管的补液管；所述补偿筒内设置有与补偿筒端部连接的补偿弹簧以及与补偿弹簧下端连接的滑块，所述锁定管内设置有与锁定管端部连接的锁定弹簧以及与锁定弹簧端部连接的用于锁定滑动块的锁定块，所述注液管在壳体的入水口管周面上设置有第一环状温度检测器，所述注液管在壳体的出水口的管周面上设置有第二环状温度检测器，所述环状温度检测器与控制器的检测端电连接，所述控制器的控制端分别与锁定弹簧和补偿弹簧电连接。

本方案中，由于热水泵流出的热水在注液管流通的过程中热量会耗散，因此为了保证进入电缆绝缘层间隙间的管道温度为预设值，需要在注液管口设置温度补偿装置，第一环状温度检测器设置在温度补偿器的入口，第二环状温度检测器设置在温度补偿器的出口，控制器(为51单片机)获取第一环状温度检测器和第二环状温度检测器的测量值并计算温度差值，控制锁定弹簧，通过给锁定弹簧通电致其收缩，使得滑块可以在补偿筒内上下滑动，控制器给补偿弹簧通电，一方面可以使其搜索将补偿筒内的水体通过补液管重新注入注液管中，使得流速变小，另一方面控制导通电流的大小致使弹簧通电加热，给补偿筒内的水体加热，达到温度补偿的作用。

作为优选，所述水压微调器包括有密封套接在注液管上的基体，设置在机体内与注液管垂直连通的若干调节筒，与调节筒端部连接的调节弹簧、与调节弹簧端部连接的调节滑块，所述注液管在基体的出口处设置有用于检测注液管流量数据的流量传感器，所述流量传感器与控制器的检测端，若干个调节弹簧与控制器的控制端电连接。

本方案中，控制器获取流量传感器的流量数据，水压微调器控制流出的水流量，通过控制器控制调节弹簧的收缩将注液管的液体分流到调节筒内使得注液管的水流量变小。

本发明的有益效果：本发明提出了一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统，通过预测试系统给电缆提供测试环境得到真实的测量数据建立起导体、电缆表皮温度值以及电缆负载的函数关系，然后通过红外温度监测器实时监测架空电缆表皮温度值得到导体温度值，进而可以得到电力电缆增容的可增范围，保障了电力增容的安全可靠性能。

附图说明

图1为本发明的恒温测量装置的结构图。

图2为本发明的温度补偿器的结构图。

图3为本发明的水压微调器的结构图。

图4为本发明的待测试电缆的结构图。

图中标记说明：100、电缆，101、护套层，102、铠装层，103、内衬层，104、导体，105、绝缘层，200、管道，301、注液头，302、注液管，303、出液管，400、温度补偿器，401、补偿弹簧，402、滑塞，403、补偿筒，404、锁定块，405、锁定弹簧，406、锁定管，407、补液管，408、壳体，409、第一环状温度检测器，410、第二环状温度检测器，500、水压微调器，501、调节弹簧，502、调节筒，503、调节滑块，504、储液段，505、基体，506、流量传感器，700、热水泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，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。

实施例：如图1所示，一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统由预测试系统、监控系统、控制中心以及调度中心组成；

所述预测试系统构建电缆运行的环境温度Te及湿度Da，获得电缆表面温度与导体温度的函数关系Tc＝H(Tf,Te,Da),其中Tc为导体温度，Tf为电缆表面温度；

所述监控系统包括沿电缆布设的温度监控器和环境监控器，温度监控器监测电缆表面温度，环境监控器监控电缆附近的环境温度Te及湿度Da，温度监控器以及环境监控器均与控制中心连接；

所述控制中心与调度中心通信连接，用于对监控系统采集的数据进行分析指导调度中心执行调度动作；

所述温度监控器包括用于检测架空电缆100外表皮温度的红外温度监测器，所述红外温度监测器安装在塔架上，所述红外温度监测器包括红外图像测温单元和通信模块，所述红外图像测温单元拍摄塔架两侧架空电缆的红外图像并转换为温度分布图，红外图像测温单元与通信模块连接，所述通信单元与控制器中心连接。

本实施例中，用该方案适用目标对象是架空电缆，由于架空电缆运行时的电芯温度值难以测量，通过红外温度监测器只能测量电缆的表皮温度；因此该系统设置有预测试系统，首先通过预测试系统给电缆提供测试环境得到真实的测量数据建立起导体、电缆表皮温度值以及电缆负载的函数关系，然后通过红外温度监测器实时监测架空电缆表皮温度值得到导体温度值，进而可以得到电力电缆增容的可增范围，保障了电力增容的安全可靠性能。

控制中心对监控系统采集的数据进行分析包括如下步骤；

控制中心周期性读取目标电缆的实时负载L，将电缆负载L与监控系统获得的电缆表面温度Tf、环境温度Te及湿度Da关联，获得样本数据，获得足够的样本数据后构建函数Tc＝G(L,Te,Da)，依据当前环境温度Te及湿度Da，获得电缆的动态最大负载Ld，动态最大负载Ld使得G(Ld,Te,Da)＝Tc_max，Tc_max为线缆工作温度上限值，控制中心周期性将动态最大负载Ld反馈给调度中心，作为增容上限，控制中心周期性根据(Tf,Te,Da)，计算导体温度Tc，若Tc>k·Tc_max，k为安全系数，k<1,则控制中心向调度中心发出告警，并指示调度中心降低电缆的负载L。

本实施例中，由于与测试系统中是通过恒温测量装置给电缆提供一个恒温环境(其中恒温环境的温度值可以根据恒温测量装置设定)，用来采集电缆的导体(电芯)与表面之间的温度数据，根据采集到的多组环境温度Te、湿度Da、导体温度Tc以及电缆表面温度Tf作为样本采用神经网络算法建立函数关系模型，根据神经网络算法计算各因素所占权重因子，将环境温度Te、湿度Da以及电缆表面温度Tf作为神经网络模型的输入层，将导体温度Tc作为神经网络的输出层，求得隐含层中的权重因子，继而求得函数关系Tc＝H(Tf,Te,Da)；然后通过控制中心读取导体负载数据，采用同样的方式建立起与导体温度Tc、环境温度Te及湿度Da的函数关系。

所述预测试系统包括待测试电缆以及用于给待测试电缆提供恒温测量环境的恒温测量装置；如图4所示，所述待测试电缆包括有管道200以及设置在管道内的若干捆电缆，每捆电缆包括有若干束相互独立的电缆线，所述电缆线由外到内包括有护套层101、铠装层102、内衬层103以及设置内衬层的若干个导体104，导体的外层均包覆有绝缘层105。

如图1所示，所述恒温测量装置包括有有设置在待测试电缆两端的若干注液头301、设置在电缆内的各导体绝缘层间隙间用于连通两端注液头的恒温管(未示出)、设置在待测试电缆两端分别与注液头连接的注液管302和出液管303；所述出液管和注液管通过热水泵700连通；所述注液管上还设置有用于补偿管道液体温度的温度补偿器400以及用于调节补偿管道液体流量的水压微调器500。

如图2所示，所述温度补偿器包括有密封套接在注液管上的壳体408、设置在壳体内与注液管垂直连通的补偿筒403、与补偿筒垂直连通的锁定管406以及连通补偿筒与注液管的补液管407；所述补偿筒内设置有与补偿筒端部连接的补偿弹簧401以及与补偿弹簧下端连接的滑块402，所述锁定管内设置有与锁定管端部连接的锁定弹簧405以及与锁定弹簧端部连接的用于锁定滑动块的锁定块404，所述注液管在壳体的入水口管周面上设置有第一环状温度检测器409，所述注液管在壳体的出水口的管周面上设置有第二环状温度检测器410，所述环状温度检测器与控制器的检测端电连接，所述控制器的控制端分别与锁定弹簧和补偿弹簧电连接。

本实施例中，由于热水泵流出的热水在注液管流通的过程中热量会耗散，因此为了保证进入电缆绝缘层间隙间的管道温度为预设值，需要在注液管口设置温度补偿装置，第一环状温度检测器设置在温度补偿器的入口，第二环状温度检测器设置在温度补偿器的出口，控制器(为51单片机)获取第一环状温度检测器和第二环状温度检测器的测量值并计算温度差值，控制锁定弹簧，通过给锁定弹簧通电致其收缩，使得滑块可以在补偿筒内上下滑动，控制器给补偿弹簧通电，一方面可以使其搜索将补偿筒内的水体通过补液管重新注入注液管中，另一方面控制导通电流的大小致使弹簧通电加热，给补偿筒内的水体加热，达到温度补偿的作用。

如图3所示，所述水压微调器包括有密封套接在注液管上的基体505，设置在机体内与注液管垂直连通的若干调节筒502，与调节筒端部连接的调节弹簧501、与调节弹簧端部连接的调节滑块503，所述注液管在基体的出口处设置有用于检测注液管流量数据的流量传感器506，所述流量传感器与控制器的检测端，若干个调节弹簧与控制器的控制端电连接。

本实施例中，控制器获取流量传感器的流量数据，水压微调器控制流出的水流量，通过控制器控制调节弹簧的收缩将注液管的液体分流到调节筒内使得注液管的水流量变小。

以上所述之具体实施方式为本发明一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统，其特征在于，包括预测试系统、监控系统、控制中心以及调度中心，

所述预测试系统构建电缆运行的环境温度Te及湿度Da，获得电缆表面温度与导体温度的函数关系Tc=H(Tf,Te,Da),其中Tc为导体温度，Tf为电缆表面温度；

所述监控系统包括沿电缆布设的温度监控器和环境监控器，温度监控器监测电缆表面温度，环境监控器监控电缆附近的环境温度Te及湿度Da，温度监控器以及环境监控器均与控制中心连接；

所述控制中心与调度中心通信连接，用于对监控系统采集的数据进行分析指导调度中心执行调度动作；

所述温度监控器包括用于检测架空电缆外表皮温度的红外温度监测器，所述红外温度监测器安装在塔架上，所述红外温度监测器包括红外图像测温单元和通信模块，所述红外图像测温单元拍摄塔架两侧架空电缆的红外图像并转换为温度分布图，红外图像测温单元与通信模块连接，所述通信模块与控制中心连接；

所述预测试系统包括待测试电缆以及用于给待测试电缆提供恒温测量环境的恒温测量装置；

所述恒温测量装置包括有设置在待测试电缆两端的若干注液头、设置在电缆内的各导体绝缘层间隙间用于连通两端注液头的恒温管、设置在待测试电缆两端分别与注液头连接的注液管和出液管；所述出液管和注液管通过热水泵连通；所述注液管上还设置有用于补偿管道液体温度的温度补偿器以及用于调节补偿管道液体流量的水压微调器；

所述温度补偿器包括有密封套接在注液管上的壳体、设置在壳体内与注液管垂直连通的补偿筒、与补偿筒垂直连通的锁定管以及连通补偿筒与注液管的补液管；所述补偿筒内设置有与补偿筒端部连接的补偿弹簧以及与补偿弹簧下端连接的滑块，所述锁定管内设置有与锁定管端部连接的锁定弹簧以及与锁定弹簧端部连接的用于锁定滑块的锁定块，所述注液管在壳体的入水口管周面上设置有第一环状温度检测器，所述注液管在壳体的出水口的管周面上设置有第二环状温度检测器，所述环状温度检测器与控制器的检测端电连接，所述控制器的控制端分别与锁定弹簧和补偿弹簧电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统，其特征在于，控制中心对监控系统采集的数据进行分析包括如下步骤；

控制中心周期性读取目标电缆的实时负载L，将电缆负载L与监控系统获得的电缆表面温度Tf、环境温度Te及湿度Da关联，获得样本数据，获得足够的样本数据后构建函数Tc=G(L, Te, Da)，依据当前环境温度Te及湿度Da，获得电缆的动态最大负载Ld，动态最大负载Ld使得G(Ld,Te,Da)= Tc_max，Tc_max为线缆工作温度上限值，控制中心周期性将动态最大负载Ld反馈给调度中心，作为增容上限，控制中心周期性根据(Tf,Te,Da)，计算导体温度Tc，若Tc> k·Tc_max，k为安全系数，k<1,则控制中心向调度中心发出告警，并指示调度中心降低电缆的负载L。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统，其特征在于，

所述待测试电缆包括有管道以及设置在管道内的若干捆电缆，每捆电缆包括有若干束相互独立的电缆线，所述电缆线由外到内包括有护套层、铠装层、内衬层以及设置内衬层的若干个导体，导体的外层均包覆有绝缘层。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的输变电线路微环境动态监控系统，其特征在于，

所述水压微调器包括有密封套接在注液管上的基体，设置在基体内与注液管垂直连通的若干调节筒，与调节筒端部连接的调节弹簧、与调节弹簧端部连接的调节滑块，所述注液管在基体的出口处设置有用于检测注液管流量数据的流量传感器，所述流量传感器与控制器的检测端，若干个调节弹簧与控制器的控制端电连接。

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