CN114487938A - 基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法，它包括以下步骤：步骤1：建立传感器阵列拓扑模型，解决电缆开关柜内三相电流磁场互相干扰；步骤2：基于TMR电流传感器数学模型，实现磁取电和电流的监测；步骤3：依托电流与温度的关系，建立流温曲线模型；步骤4：搭建电缆头运行状态诊断模型，实现电缆复合感知参量的智能监测；本发明实现了开关柜电缆的非接触式电流值测量，开展电流和温度传感器两参量的集成应用，依托电流与温度的关系，建立流温曲线模型，实现开关柜的运行状态实时监测；本发明具有监测效果好、实现电缆电流和温度的双参量实时监测的优点。

Description

基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法

技术领域

本发明涉及电力设备状态监测技术领域，具体涉及一种基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法。

背景技术

目前，开关柜或者环网柜电缆头、电缆出线、母排等导体的电流测量均采用接触式或者非接触式两种测量方式，其中，接触式存在需要与被测导体进行电气连接，这种方式不仅破坏了原导体的线路结构，使得开关柜或者环网柜电缆存在不确定的运行安全风险，更为重要是：在接触式测量的过程中对于工作人员的人身造成极大的安全隐患；而现有的非接触式测量设备中，由于三相电流之间的磁场相互影响，存在磁场干扰大，测量结果不准确的缺陷，而电流作为电力系统中的一个重要参数，针对其测量技术的研究在现代电力系统中始终保持活跃的状态；因此，提供一种监测效果好、实现电缆电流和温度的双参量实时监测的基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种监测效果好、实现电缆电流和温度的双参量实时监测的基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法。

本发明的目的是这样实现的：基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法，它包括以下步骤：

步骤1：建立传感器阵列拓扑模型，解决电缆开关柜内三相电流磁场互相干扰；采用传感器阵列拓扑结构，采集三相母线的传感器测量电压，在边缘计算平台利用阵列数学模型算法处理计算三相母线的电流；

步骤2：基于TMR电流传感器数学模型，实现磁取电和电流的监测；TMR电流传感器采用推挽式惠斯通全桥结构，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR元件，三相母排建立合理的电流测量磁传感器阵列拓扑，并从中解耦出每相电流对应产生的磁场强度，由此计算出该相电流的大小；

步骤3：依托电流与温度的关系，建立流温曲线模型；开展仿真实验测试，建立电缆电流和温度的曲线模型，开展电缆运行状态的流温曲线监测，依据流温曲线率，判别开关柜电缆的运行状态，实现变电站开关柜的安全运行；

步骤4：搭建电缆头运行状态诊断模型，实现电缆复合感知参量的智能监测；状态诊断系统包含温度监测单元、电流监测单元、计算单元、诊断单元；利用COMSOL进行电磁-传热-对流多物理场耦合仿真计算，归纳大电流开关柜内部电缆头温度分布规律，监测负荷电流、环境温度对电缆头温升的影响情况。

步骤1中，开关柜内电缆头与母排周围存在磁场，三相电缆之间存在磁场互相干扰的问题，利用ANSYS对开关柜内磁场分布情况进行仿真，通过磁场分布模拟仿真可以发现，A、B、C三相母线周围均有磁场分布母线室内空间内任一点磁场强度均是A、B、C三相磁场矢量叠加的结果，磁传感器所测得的磁场强度是三相母线产生磁场在该点的矢量和，磁传感器到母线垂直距离d一定时，TMR磁传感器输出值：

U＝c·i

假设三相电流对称，因而每一个磁传感器测得的电压输出值为：

U₁＝c₁₁·i₁+c₁₂·i₂+c₁₃·i₃

U₁＝c₂₁·i₁+c₂₂·i₂+c₂₃·i₃

U₁＝c₃₁·i₁+c₃₂·i₂+c₃₃·i₃

其中，c_ij表示i号传感器在j号母排处电压值；

将上式写成矩阵形式为：

系数矩阵C可以通过实验测定,先通某单相电流，则i2＝i3＝0，采集三枚传感器的电压输出，则可以相应的计算出C11、C21、C₃₁，同理，则可以分别测出另外两组值，从而得到系数矩阵C；得到系数矩阵C之后，通过测量磁传感器的电压输出值，求得母线上实际电流值。

步骤2中，TMR电流传感器采用推挽式惠斯通全桥结构，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR元件，但R1、R2和R3、R4的磁敏感方向相反；当磁场变化时,R1、R2电阻变大,而R3、R4电阻变小,这样当外加磁场沿垂直于芯片表面方向变化时，惠斯通全桥提供较大的差分电压输出；

由于开关柜每相母排在整个柜内都产生磁场分布，对应传感器测得的磁场实际上是每相电流产生磁场在该点的矢量和，因此，为了得到每相电流对应产生的磁场，需要针对三相母排建立合理的电流测量磁传感器阵列拓扑，并从中解耦出每相电流对应产生的磁场强度，由此计算出该相电流的大小。

TMR电流传感器工作原理，当10KV开关柜内电缆通过工频电流时，电缆头以及母排会产生旋转的磁场，并以柜内母排为中心，距离母排较近的某一点的磁场强度大小与电缆头流过的电流呈正比，与该点到母排的垂直距离呈反比，表示为B∝i/d,于是，将TMR电流传感器所在点的磁场强度表示如下：

B＝K₁·i/d

式中，d表示TMR传感器到母排的垂直距离，i表示母排以及电缆头上流过的电流大小，K₁为常数；

在线性测量范围内,TMR电流传感器的输出电压值与输入磁场强度是满足线性关系的，因此，可以将输出电压表示为

U＝K₂·B

式中，U表示TMR磁传感器输出电压的最大值，K₂是可测常数；

由上述两个公式，可知TMR磁传感器的实际电流值与输出电压值之间必定满足线性关系如下：

U＝c·i/d

式中，c是可测常系数，c的值在实验中通过电流标定确定；

在确定TMR磁传感器输入输出关系式中系数c的值时，对输出电压进行相应处理就可得到电流大小，实现对电流的测量。

步骤3中，电流采集基于TMR传感技术，同时实时通过温度传感器采集接触点温度，采集单元的信息由微控制器通过无线单元发送到计算平台，计算平台基于传感器的陈列模型计算出相应导线的电流值和温度值。

步骤4中，温度监测单元，用于收集温度信号，以用于计算温升，其中，温度信号包括传感器监测的柜体环境实测温度和各个分室外表面实测温度；温升为将温度数据处理后的温度变化趋势；

电流监测单元，用于监测和收集负载电流数据，负载电流数据为三相电流数据值；其中，负载电流数据用于根据负载温升理论计算负载理论温升；

计算单元根据负载温升理论，分别计算所述负载理论温升与实测温升，得到变差系数；

诊断单元，用于依据变差系数对所述理论温升与所述实测温升进行对比，以诊断出设备的状态。

本发明的有益效果：本发明能够实现对配电网中的电缆以及电缆头进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数精确指导电网的运行；同时，采用集成电路技术，将TMR电流传感器与无线温度传感器进行集成应用，实现电缆电流和温度的双参量监测，在边缘端提升了开关柜和环网柜的监测能力。本发明有效提升了电网的安全运行水平有效的去除开关柜三相磁场的互相干扰，并采用TMR电流传感器陈列模型实现开关柜电缆的磁取能和电流测量，实现了开关柜电缆的非接触式电流值测量，开展电流和温度传感器两参量的集成应用，依托电流与温度的关系，建立流温曲线模型，实现开关柜的运行状态实时监测；本发明具有一种监测效果好、实现电缆电流和温度的双参量实时监测的优点。

附图说明

图1是本发明电流采集和温度采集工作原理图。

图2是本发明TMR电流传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例

基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法，它包括以下步骤：

步骤1：建立传感器阵列拓扑模型，解决电缆开关柜内三相电流磁场互相干扰；采用传感器阵列拓扑结构，采集三相母线的传感器测量电压，在边缘计算平台利用阵列数学模型算法处理计算三相母线的电流。

由于开关柜内电缆头与母排周围存在磁场，三相电缆之间存在磁场互相干扰的问题，利用ANSYS对开关柜内磁场分布情况进行仿真，通过磁场分布模拟仿真可以发现，A、B、C三相母线周围均有磁场分布母线室内空间内任一点磁场强度均是A、B、C三相磁场矢量叠加的结果，磁传感器所测得的磁场强度是三相母线产生磁场在该点的矢量和，磁传感器到母线垂直距离d一定时，TMR磁传感器输出值：

U＝c·i

假设三相电流对称，因而每一个磁传感器测得的电压输出值为：

U₁＝c₁₁·i₁+c₁₂·i₂+c₁₃·i₃

U₁＝c₂₁·i₁+c₂₂·i₂+c₂₃·i₃

U₁＝c₃₁·i₁+c₃₂·i₂+c₃₃·i₃

其中，c_ij表示i号传感器在j号母排处电压值；

将上式写成矩阵形式为：

系数矩阵C可以通过实验测定,先通某单相电流，则i2＝i3＝0，采集三枚传感器的电压输出，则可以相应的计算出C11、C21、C₃₁，同理，则可以分别测出另外两组值，从而得到系数矩阵C；得到系数矩阵C之后，通过测量磁传感器的电压输出值，求得母线上实际电流值。

步骤2：基于TMR电流传感器数学模型，实现磁取电和电流的监测；TMR电流传感器采用推挽式惠斯通全桥结构，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR元件，三相母排建立合理的电流测量磁传感器阵列拓扑，并从中解耦出每相电流对应产生的磁场强度，由此计算出该相电流的大小。

TMR电流传感器采用推挽式惠斯通全桥结构，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR元件，如图2所示，但R1、R2和R3、R4的磁敏感方向相反；当磁场变化时，R1、R2电阻变大，而R3、R4电阻变小，这样当外加磁场沿垂直于芯片表面方向变化时，惠斯通全桥提供较大的差分电压输出；

由于开关柜每相母排在整个柜内都产生磁场分布，对应传感器测得的磁场实际上是每相电流产生磁场在该点的矢量和，因此，为了得到每相电流对应产生的磁场，需要针对三相母排建立合理的电流测量磁传感器阵列拓扑，并从中解耦出每相电流对应产生的磁场强度，由此计算出该相电流的大小。

TMR电流传感器工作原理，当10KV开关柜内电缆通过工频电流时，电缆头以及母排会产生旋转的磁场，并以柜内母排为中心，距离母排较近的某一点的磁场强度大小与电缆头流过的电流呈正比，与该点到母排的垂直距离呈反比，表示为B∝i/d，于是，将TMR电流传感器所在点的磁场强度表示如下：

B＝K₁·i/d

式中，d表示TMR传感器到母排的垂直距离，i表示母排以及电缆头上流过的电流大小，K₁为常数；

在线性测量范围内，TMR电流传感器的输出电压值与输入磁场强度是满足线性关系的，因此，可以将输出电压表示为

U＝K₂·B

式中，U表示TMR磁传感器输出电压的最大值，K₂是可测常数；

由上述两个公式，可知TMR磁传感器的实际电流值与输出电压值之间必定满足线性关系如下：

U＝c·i/d

式中，c是可测常系数，c的值在实验中通过电流标定确定；

在确定TMR磁传感器输入输出关系式中系数c的值时，对输出电压进行相应处理就可得到电流大小，实现对电流的测量。

步骤3：依托电流与温度的关系，建立流温曲线模型；开展仿真实验测试，建立电缆电流和温度的曲线模型，开展电缆运行状态的流温曲线监测，依据流温曲线率，判别开关柜电缆的运行状态，实现变电站开关柜的安全运行。

步骤3中，电流采集基于TMR传感技术，同时实时通过温度传感器采集接触点温度，采集单元的信息由微控制器通过无线单元发送到计算平台，计算平台基于传感器的陈列模型计算出相应导线的电流值和温度值，如图1所示，同时还包括电池和电源管理单元，电池和电源管理单元分别对TMR电流传感器、温度传感器、采集单元、微控制器供电。

步骤4：搭建电缆头运行状态诊断模型，实现电缆复合感知参量的智能监测；状态诊断系统包含温度监测单元、电流监测单元、计算单元、诊断单元；利用COMSOL进行电磁-传热-对流多物理场耦合仿真计算，归纳大电流开关柜内部电缆头温度分布规律，监测负荷电流、环境温度对电缆头温升的影响情况。

步骤4中，温度监测单元，用于收集温度信号，以用于计算温升，其中，温度信号包括传感器监测的柜体环境实测温度和各个分室外表面实测温度；温升为将温度数据处理后的温度变化趋势；

电流监测单元，用于监测和收集负载电流数据，负载电流数据为三相电流数据值；其中，负载电流数据用于根据负载温升理论计算负载理论温升；

计算单元根据负载温升理论，分别计算所述负载理论温升与实测温升，得到变差系数；

诊断单元，用于依据变差系数对所述理论温升与所述实测温升进行对比，以诊断出设备的状态。

本发明能够实现对配电网中的电缆以及电缆头进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数精确指导电网的运行；同时，采用集成电路技术，将TMR电流传感器与无线温度传感器进行集成应用，实现电缆电流和温度的双参量监测，在边缘端提升了开关柜和环网柜的监测能力。本发明有效提升了电网的安全运行水平有效的去除开关柜三相磁场的互相干扰，并采用TMR电流传感器陈列模型实现开关柜电缆的磁取能和电流测量，实现了开关柜电缆的非接触式电流值测量，开展电流和温度传感器两参量的集成应用，依托电流与温度的关系，建立流温曲线模型，实现开关柜的运行状态实时监测；本发明具有一种监测效果好、实现电缆电流和温度的双参量实时监测的优点。

Claims (6)

1.基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1：建立传感器阵列拓扑模型，解决电缆开关柜内三相电流磁场互相干扰；采用传感器阵列拓扑结构，采集三相母线的传感器测量电压，在边缘计算平台利用阵列数学模型算法处理计算三相母线的电流；

步骤2：基于TMR电流传感器数学模型，实现磁取电和电流的监测；TMR电流传感器采用推挽式惠斯通全桥结构，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR元件，三相母排建立合理的电流测量磁传感器阵列拓扑，并从中解耦出每相电流对应产生的磁场强度，由此计算出该相电流的大小；

步骤3：依托电流与温度的关系，建立流温曲线模型；开展仿真实验测试，建立电缆电流和温度的曲线模型，开展电缆运行状态的流温曲线监测，依据流温曲线率，判别开关柜电缆的运行状态，实现变电站开关柜的安全运行；

步骤4：搭建电缆头运行状态诊断模型，实现电缆复合感知参量的智能监测；状态诊断系统包含温度监测单元、电流监测单元、计算单元、诊断单元；利用COMSOL进行电磁-传热-对流多物理场耦合仿真计算，归纳大电流开关柜内部电缆头温度分布规律，监测负荷电流、环境温度对电缆头温升的影响情况。

2.如权利要求1所述的基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法，其特征在于：所述步骤1中，开关柜内电缆头与母排周围存在磁场，三相电缆之间存在磁场互相干扰的问题，利用ANSYS对开关柜内磁场分布情况进行仿真，通过磁场分布模拟仿真可以发现，A、B、C三相母线周围均有磁场分布母线室内空间内任一点磁场强度均是A、B、C三相磁场矢量叠加的结果，磁传感器所测得的磁场强度是三相母线产生磁场在该点的矢量和，磁传感器到母线垂直距离d一定时，TMR磁传感器输出值：

U＝c·i

假设三相电流对称，因而每一个磁传感器测得的电压输出值为：

U₁＝c₁₁·i₁+c₁₂·i₂+c₁₃·i₃

U₁＝c₂₁·i₁+c₂₂·i₂+c₂₃·i₃

U₁＝c₃₁·i₁+c₃₂·i₂+c₃₃·i₃

其中，c_ij表示i号传感器在j号母排处电压值；

将上式写成矩阵形式为：

系数矩阵C可以通过实验测定,先通某单相电流，则i2＝i3＝0，采集三枚传感器的电压输出，则可以相应的计算出C11、C21、C₃₁，同理，则可以分别测出另外两组值，从而得到系数矩阵C；得到系数矩阵C之后，通过测量磁传感器的电压输出值，求得母线上实际电流值。

3.如权利要求1所述的基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法，其特征在于：所述步骤2中，TMR电流传感器采用推挽式惠斯通全桥结构，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR元件，但R1、R2和R3、R4的磁敏感方向相反；当磁场变化时,R1、R2电阻变大,而R3、R4电阻变小,这样当外加磁场沿垂直于芯片表面方向变化时，惠斯通全桥提供较大的差分电压输出；

由于开关柜每相母排在整个柜内都产生磁场分布，对应传感器测得的磁场实际上是每相电流产生磁场在该点的矢量和，因此，为了得到每相电流对应产生的磁场，需要针对三相母排建立合理的电流测量磁传感器阵列拓扑，并从中解耦出每相电流对应产生的磁场强度，由此计算出该相电流的大小。

4.如权利要求3所述的基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法，其特征在于：所述TMR电流传感器工作原理，当10KV开关柜内电缆通过工频电流时，电缆头以及母排会产生旋转的磁场，并以柜内母排为中心，距离母排较近的某一点的磁场强度大小与电缆头流过的电流呈正比，与该点到母排的垂直距离呈反比，表示为B∝i/d,于是，将TMR电流传感器所在点的磁场强度表示如下：

B＝K₁·i/d

式中，d表示TMR传感器到母排的垂直距离，i表示母排以及电缆头上流过的电流大小，K₁为常数；

在线性测量范围内,TMR电流传感器的输出电压值与输入磁场强度是满足线性关系的，因此，可以将输出电压表示为

U＝K₂·B

式中，U表示TMR磁传感器输出电压的最大值，K₂是可测常数；

由上述两个公式，可知TMR磁传感器的实际电流值与输出电压值之间必定满足线性关系如下：

U＝c·i/d

式中，c是可测常系数，c的值在实验中通过电流标定确定；

在确定TMR磁传感器输入输出关系式中系数c的值时，对输出电压进行相应处理就可得到电流大小，实现对电流的测量。

5.如权利要求1所述的基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法，其特征在于：所述步骤3中，电流采集基于TMR传感技术，同时实时通过温度传感器采集接触点温度，采集单元的信息由微控制器通过无线单元发送到计算平台，计算平台基于传感器的陈列模型计算出相应导线的电流值和温度值。

6.如权利要求1所述的基于流温复合监测模型的10kV电缆头运行状态评价方法，其特征在于：所述步骤4中，温度监测单元，用于收集温度信号，以用于计算温升，其中，温度信号包括传感器监测的柜体环境实测温度和各个分室外表面实测温度；温升为将温度数据处理后的温度变化趋势；

电流监测单元，用于监测和收集负载电流数据，负载电流数据为三相电流数据值；其中，负载电流数据用于根据负载温升理论计算负载理论温升；

计算单元根据负载温升理论，分别计算所述负载理论温升与实测温升，得到变差系数；

诊断单元，用于依据变差系数对所述理论温升与所述实测温升进行对比，以诊断出设备的状态。

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