CN117574732A - 一种电缆线路的温度分布计算方法、系统、设备和介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电缆线路的温度分布计算方法、系统、设备和介质，涉及电缆技术领域。基于敷设环境数据和电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型。将目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集。采用网格参数集按照预设组合调整方式进行参数组合并进行矩阵构建，生成输入矩阵。将输入矩阵输入有限元几何仿真模型进行仿真，生成输出矩阵。基于输入矩阵和输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成电缆温度快速计算拓扑模型。将电缆实时电流输入电缆温度快速计算拓扑模型，生成温度分布数据。通过粒子群寻优算法进行寻优，基于有限元的仿真结果反推自传热参数和轴向互传热参数，精度高。

Description

一种电缆线路的温度分布计算方法、系统、设备和介质
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，尤其涉及电缆线路的温度分布计算方法、系统、设备和介质。
背景技术
目前电网输配电常采用两种方式，分别是架空线线路以及电缆线路。随着城市的发展以及用地面积的紧张，架空线占地面积大，不美观，噪声污染等问题逐渐凸显，已经与城市发展要求不符。因此，目前的输电线路逐渐采用电缆输电，电缆线路的使用量大幅提高。无论对于架空线路还是电缆线路，温度状态都是影响线路安全经济运行的重要因素。
当电缆或架空线内部导体流过电流时，会产生欧姆热，使得输电线路的温度升高。过高的温度会破坏线路的绝缘，以交联聚乙烯电缆为例，电缆内部导体温度超过90摄氏度时，电缆的使用寿命将会降低一般，因此交联聚乙烯电缆的载流量定义即为电缆导体温度稳定在90摄氏度时导体内部的电流。可以看出，线路的载流量表征着线路输电容量，受到线路温度特性的约束，因此分析输电线路的温度特性以及载流量大小具有重要的工程意义。相比于架空线，电缆的温度状态及载流量更需要关注。
电缆敷设于地下，散热条件相比敷设于地上空气中的架空线路较为恶劣，因此电缆往往存在温度过热的情况，同时相同电压等级下电缆载流量往往比架空线路低，通过分析电缆的温度状态以此来提高电缆的载流量，是近些年学术界以及工业界的研究重点。但现有的温度分布计算方法采用热路法进行电缆温度计算，该方法是基于国际电工委员会标准给出的数学公式进行计算，该公式参数求解来源于工程经验，往往存在计算误差，导致计算结果准确性低。
发明内容
本发明提供了一种电缆线路的温度分布计算方法、系统、设备和介质，解决了现有的温度分布计算方法采用公式参数求解来源于工程经验的数学公式进行计算，容易出现计算误差，导致计算结果准确性低的技术问题。
本发明提供的一种电缆线路的温度分布计算方法，包括：
获取电缆线路的电缆实时电流、敷设环境数据和电缆结构数据，根据所述敷设环境数据和所述电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型；
将所述目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集；
采用所述网格参数集按照预设组合调整方式进行参数组合并进行矩阵构建，生成输入矩阵；
将所述输入矩阵输入所述有限元几何仿真模型进行仿真，生成输出矩阵；
根据所述输入矩阵和所述输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型；
将所述电缆实时电流输入所述电缆温度快速计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的温度分布数据。
可选地，所述根据所述敷设环境数据和所述电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型的步骤，包括：
采用所述敷设环境数据中的隧道空气数据、隧道墙壁和土壤数据进行模型构建，生成隧道模型；
采用所述敷设环境数据中的管道内空气数据、管道壁和所述土壤数据进行模型构建，生成管道模型；
将所述隧道模型和所述管道模型进行模型融合，生成初始有限元几何仿真模型；
采用所述电缆结构数据更新所述初始有限元几何仿真模型，生成中间有限元几何仿真模型；
按照所述电缆线路对应的材料属性和预设边界条件更新所述中间有限元几何仿真模型，生成目标有限元几何仿真模型。
可选地，所述将所述目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集的步骤，包括：
将所述目标有限元几何仿真模型中处于径向截面上的电缆表面无滑移壁采用极细化三角形网格进行网格剖分，生成多个初始电缆表面网格参数；
将所述目标有限元几何仿真模型中处于径向截面上的隧道内空气采用流场控制网格剖分，生成多个初始空气剖分网格参数；
采用扫略方法和自由四面体网格分别对所述初始电缆表面网格参数和所述初始空气剖分网格参数进行轴向剖分，生成目标电缆表面网格参数和目标空气剖分网格参数；
采用全部所述目标电缆表面网格参数和所述目标空气剖分网格参数，构建网格参数集。
可选地，所述根据所述输入矩阵和所述输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型的步骤，包括：
采用所述输入矩阵和所述输出矩阵，构建温度与电缆导体电缆表达式；
所述温度与电缆导体电缆表达式为：
其中，T为输出矩阵；为由自传热参数与轴向互传热参数构成的系数矩阵；X为输入矩阵；
采用粒子群寻优算法获取所述输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数；
采用所述自传热参数和所述轴向互传热参数更新所述温度与电缆导体电缆表达式，构建所述电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型。
可选地，所述采用粒子群寻优算法获取所述输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数的步骤，包括：
将所述输入矩阵中的导体电流值设置为可变参数，除所述导体电流值外的输入参数变量设置为固定参数，生成多个模型组；
按照预设比例采用所述模型组中的数据，构建测试集和训练集；
采用粒子群算法结合遗传算法对所述训练集和对应的输出矩阵数据进行系数矩阵寻优，生成初始系数矩阵；
采用所述测试集对所述初始系数矩阵进行测试，确定目标系数矩阵；
将所述目标系数矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数作为所述输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数。
可选地，所述采用粒子群算法结合遗传算法对所述训练集和对应的输出矩阵数据进行系数矩阵寻优，生成初始系数矩阵的步骤，包括：
按照预设生成条件采用所述训练集进行种群初始化，生成初始群体；
采用线性尺度变化作为个体适应度评价函数分别计算所述初始群体的适应度；
采用选择性遗传算法按照所述适应度，确定目标群体；
判断所述目标群体对应的两次迭代温度向量差是否小于预设向量差阈值；
若是，则采用所述目标群体，构建初始系数矩阵；
若否，则跳转执行所述按照预设生成条件采用所述训练集进行种群初始化，生成初始群体的步骤。
本发明还提供了一种电缆线路的温度分布计算系统，包括：
目标有限元几何仿真模型生成模块，用于获取电缆线路的电缆实时电流、敷设环境数据和电缆结构数据，根据所述敷设环境数据和所述电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型；
网格参数集生成模块，用于将所述目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集；
输入矩阵生成模块，用于采用所述网格参数集按照预设组合调整方式进行参数组合并进行矩阵构建，生成输入矩阵；
输出矩阵生成模块，用于将所述输入矩阵输入所述有限元几何仿真模型进行仿真，生成输出矩阵；
电缆温度快速计算拓扑模型生成模块，用于根据所述输入矩阵和所述输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型；
温度分布数据生成模块，用于将所述电缆实时电流输入所述电缆温度快速计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的温度分布数据。
可选地，所述目标有限元几何仿真模型生成模块包括：
隧道模型生成模块，用于采用所述敷设环境数据中的隧道空气数据、隧道墙壁和土壤数据进行模型构建，生成隧道模型；
管道模型生成模块，用于采用所述敷设环境数据中的管道内空气数据、管道壁和所述土壤数据进行模型构建，生成管道模型；
初始有限元几何仿真模型生成模块，用于将所述隧道模型和所述管道模型进行模型融合，生成初始有限元几何仿真模型；
中间有限元几何仿真模型生成模块，用于采用所述电缆结构数据更新所述初始有限元几何仿真模型，生成中间有限元几何仿真模型；
目标有限元几何仿真模型生成子模块，用于按照所述电缆线路对应的材料属性和预设边界条件更新所述中间有限元几何仿真模型，生成目标有限元几何仿真模型。
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中储存有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行实现如上述任一项电缆线路的温度分布计算方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如上述任一项电缆线路的温度分布计算方法。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明通过获取电缆线路的电缆实时电流、敷设环境数据和电缆结构数据，根据所述敷设环境数据和所述电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型。将所述目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集。采用所述网格参数集按照预设组合调整方式进行参数组合并进行矩阵构建，生成输入矩阵。将所述输入矩阵输入所述有限元几何仿真模型进行仿真，生成输出矩阵。基于输入矩阵和所述输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型。将所述电缆实时电流输入所述电缆温度快速计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的温度分布数据。解决了现有的温度分布计算方法采用公式参数求解来源于工程经验的数学公式进行计算，容易出现计算误差，导致计算结果准确性低的技术问题。针对不同输入参数的自动仿真，节约了时间成本，也因此能够仿真更多不同的输入参数。通过粒子群算法进行寻优，基于有限元的仿真结果反推自热、互热参数，精度高，有限元的计算精度远高于解析解。通过电缆温度快速计算拓扑模型可以实现对新环境下温度的快速计算，计算结果可以在10秒以内，同电脑配置下，有限元结果需要三十分钟。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种电缆线路的温度分布计算方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例一提供的电缆径向截面图；
图3为本发明实施例一提供的混合敷设线路几何仿真模型结构示意图；
图4为本发明实施例二提供的一种电缆线路的温度分布计算系统的结构框图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种电缆线路的温度分布计算方法、系统、设备和介质，用于解决现有的温度分布计算方法采用公式参数求解来源于工程经验的数学公式进行计算，容易出现计算误差，导致计算结果准确性低的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例一提供的一种电缆线路的温度分布计算方法的步骤流程图。
本发明实例一提供的一种电缆线路的温度分布计算方法，包括：
步骤101、获取电缆线路的电缆实时电流、敷设环境数据和电缆结构数据，根据敷设环境数据和电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型。
在本发明实施例中，获取电缆线路的电缆实时电流、敷设环境数据和电缆结构数据，针对所需考虑的电缆敷设线路搭建有限元仿真所需的几何仿真模型，即根据电缆线路的敷设环境数据和电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型。该目标有限元几何仿真模型包括电缆三维敷设环境、电缆三维本体几何仿真模型和实际线路中存在的其他物理实体。
进一步地，步骤101可以包括以下子步骤S11-S15：
S11、采用敷设环境数据中的隧道空气数据、隧道墙壁和土壤数据进行模型构建，生成隧道模型。
S12、采用敷设环境数据中的管道内空气数据、管道壁和土壤数据进行模型构建，生成管道模型。
S13、将隧道模型和管道模型进行模型融合，生成初始有限元几何仿真模型。
S14、采用电缆结构数据更新初始有限元几何仿真模型，生成中间有限元几何仿真模型。
S15、按照电缆线路对应的材料属性和预设边界条件更新中间有限元几何仿真模型，生成目标有限元几何仿真模型。
在本发明实施例中，三维敷设环境考虑单一敷设方式以及混合敷设方式。单一敷设方式为三维隧道、三维土壤、三维管道，混合方式为电缆全线经过不同的敷设环境，几何仿真模型由隧道、土壤、管道混合连接而成，其中隧道模型由隧道空气、隧道墙壁、土壤构成，管道模型由圆形管道、通风管道、隧道、土壤构成，如图3所示。将隧道模型和管道模型进行模型融合，生成初始有限元几何仿真模型。电缆三维本体几何仿真模型包括单一敷设环境下电缆敷设长度或混合敷设环境下各段的长度，电缆的回路数以及位置，电缆本体的径向以及轴向结构，参考图2，图2中标号对应的参数解释如表1所示。其他物理实体包括隧道内影响散热的电缆金属支架、发热的电缆照明灯、控制环境温度的风机出入口等。即电缆结构数据包括单一敷设环境下电缆敷设长度或混合敷设环境下各段的长度、电缆的回路数以及位置、电缆本体的径向以及轴向结构、隧道内影响散热的电缆金属支架、发热的电缆照明灯、控制环境温度的风机出入口等。采用电缆结构数据更新初始有限元几何仿真模型，生成中间有限元几何仿真模型。
表1电缆径向几何参数
序号 电缆结构 厚度(mm) 外径(mm)
1 导体 -- 60.4
2 半导电包带 0.7 61.8
3 导体屏蔽 1.5 64.8
4 XLPE绝缘 24.0 112.8
5 绝缘屏蔽 1.0 114.8
6 阻水带 2.6 120.0
7 皱纹铝护套 3.1 139.9
8 外护套 5.0 149.9
基于中间有限元几何仿真模型，在有限元仿真软件中设置物理场与边界条件，混合敷设线路中，隧道与管道段物理场设置为磁场、流场、传热场，土壤段仅设置传热场与磁场，利用非等温流动实现流场-传热场耦合，利用电磁热实现传热场-磁场耦合。其中中间有限元几何仿真模型中传热场边界条件设置为下边界设置为土壤温度恒定，前后左右边界设置为法向热通量为0，上边界设置为对流换热系数，照明灯设置为热源，数值暂不设定。磁场采用默认边界条件，流场边界条件设置为无滑移壁，在风机的出入口处设置出口与入口边界条件，考虑通风可能设置流场为湍流场。同时根据电缆实际型号以及敷设环境设置几何仿真模型中所需的材料特性，从而得到目标有限元几何仿真模型。
步骤102、将目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集。
在本发明实施例中，考虑物理场设置完成对目标有限元几何仿真模型的网格剖分，为避免低质量网格的出现，剖分方式考虑流场对于计算精度的要求、无滑移壁边界条件的要求以及电缆本体结构厚度差异较大的问题。
进一步地，步骤102可以包括以下子步骤S21-S24：
S21、将目标有限元几何仿真模型中处于径向截面上的电缆表面无滑移壁采用极细化三角形网格进行网格剖分，生成多个初始电缆表面网格参数。
S22、将目标有限元几何仿真模型中处于径向截面上的隧道内空气采用流场控制网格剖分，生成多个初始空气剖分网格参数。
S23、采用扫略方法和自由四面体网格分别对初始电缆表面网格参数和初始空气剖分网格参数进行轴向剖分，生成目标电缆表面网格参数和目标空气剖分网格参数。
S24、采用全部目标电缆表面网格参数和目标空气剖分网格参数，构建网格参数集。
在本发明实施例中，首先在目标有限元几何仿真模型中处于径向截面上，在电缆表面的无滑移壁附近采用极细化三角形网格在电缆内部采用自定义网格剖分，网格大小最大值0.15，最小值0.03，得到多个初始电缆表面网格参数。隧道内空气网格采用流场控制网格剖分，得到多个初始空气剖分网格参数。径向界面剖分完成后，基于剖分结果采用扫略方法完成轴向剖分，为剖分部分采用自由四面体网格以提高计算速度，即采用扫略方法和自由四面体网格分别对初始电缆表面网格参数和初始空气剖分网格参数进行轴向剖分，生成目标电缆表面网格参数和目标空气剖分网格参数。最后采用全部目标电缆表面网格参数和目标空气剖分网格参数，构建网格参数集。
步骤103、采用网格参数集按照预设组合调整方式进行参数组合并进行矩阵构建，生成输入矩阵。
预设组合调整方式为在matlab软件中编写脚本代码，并与有限元仿真软件连接，利用脚本代码自动调整有限元仿真的部分输入参数，从而获得大量不同输入下的仿真结果。
在本发明实施例中，在matlab软件中编写脚本代码，并与有限元仿真软件连接，利用脚本代码自动调整有限元仿真中网格参数集的部分输入参数，从而获得大量不同输入下的有限元仿真输入参数。其中通过脚本代码调整的有限元仿真输入参数包括仿真模型上边界条件的对流换热系数数值，电缆线路中各根电缆导体电流，电缆根数，三维坐标轴上各根电缆导体中心位置坐标，电缆隧道通风风速等，考虑上述因素在生产及运行过程中可能出现的数值变化范围，按照定步长原则选取若干数值点，构成输入矩阵，通过脚本输入到目标有限元几何仿真模型中并进行仿真，输入矩阵的具体构成如下：
其中，X为输入矩阵；第i行向量[xi1，…，xig]为第i组不同输入参数值组合；g为改变的输入参数个数；xig为第i组第g个影响因素的取值。
步骤104、将输入矩阵输入有限元几何仿真模型进行仿真，生成输出矩阵。
在本发明实施例中，通过脚本文件将输入参数自动输入仿真模型并进行仿真，i组影响因素数值组合最后可获得i组输出结果，从而得到输出矩阵，输出矩阵表达如下：
其中，T为输出矩阵；T'ij为在一组输入参数下电缆三维上各点的导体、电缆绝缘、电缆外护套(j＝1、2、3)温度结果。
步骤105、根据输入矩阵和输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型。
进一步地，步骤105可以包括以下子步骤S31-S33：
S31、采用输入矩阵和输出矩阵，构建温度与电缆导体电缆表达式。
S32、采用粒子群寻优算法获取输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数。
S33、采用自传热参数和轴向互传热参数更新温度与电缆导体电缆表达式，构建电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型。
在本发明实施例中，待求电缆的温度可以表示为三维轴向上某单位长度待求电缆自身的温度升高以及其余单位长度电缆通过传热导致的温度升高，如下式：
T1'＝Qc1·(R11+R12+R13)
T'2＝Qc2·(R21+R22+R23)
T'3＝Qc3·(R31+R32+R33)
....
T'n＝Qcn·(Rn1+Rn2+Rn3)；
其中，参数可以分为自传热参数与轴向互传热参数，式中Rij(j＝1，2，3)代表第i个轴向单位长度电缆的导体、绝缘、外护套自热参数；Rzn代表第n个轴向单位长度电缆对待求单位长度电缆导体温度影响的热参数(轴向互传热参数)；Rij不具有具体物理含义，用以表征电缆的温度升高过程；T11代表待求单位长度电缆在其他温度影响下的导体温度向量，对于上式如果仅需求解温度温度，可以将导数项消去。上式可以通过矩阵形式描述以进行代码化，矩阵形式如下：
式中，为温度的导数向量；T为温度向量；Qc为电缆的损耗向量；A为由前述Rzn与Rij构成的矩阵；B为由前述Cij构成的矩阵；R为电缆的交流电阻；I为电缆的导体电流向量；Z为由A与B组合成的矩阵。上式不考虑暂态过程可将温度导数向量消去，考虑不同输入参数变化，该矩阵最终可以表示为即温度与电缆导体电缆表达式为：
其中，T为输出矩阵；为由自传热参数与轴向互传热参数构成的系数矩阵即系数矩阵Z；X为输入矩阵。该式温度与电缆导体电流(包含在X矩阵内)的表达式，式中系数矩阵Z由自传热参数与轴向互传热参数构成，该表达式的含义为不同输入参数下通过系数矩阵Z计算得到电缆温度。
进一步地，步骤S32可以包括以下子步骤S321-S325：
S321、将输入矩阵中的导体电流值设置为可变参数，除导体电流值外的输入参数变量设置为固定参数，生成多个模型组。
S322、按照预设比例采用模型组中的数据，构建测试集和训练集。
S323、采用粒子群算法结合遗传算法对训练集和对应的输出矩阵数据进行系数矩阵寻优，生成初始系数矩阵。
S324、采用测试集对初始系数矩阵进行测试，确定目标系数矩阵。
S325、将目标系数矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数作为输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数。
进一步地，步骤S323可以包括以下子步骤S3231-S3236：
S3231、按照预设生成条件采用训练集进行种群初始化，生成初始群体。
S3232、采用线性尺度变化作为个体适应度评价函数分别计算初始群体的适应度。
S3233、采用选择性遗传算法按照适应度，确定目标群体。
S3234、判断目标群体对应的两次迭代温度向量差是否小于预设向量差阈值，若是，则执行步骤S3235，若否，则执行步骤S3236。
S3235、采用目标群体，构建初始系数矩阵。
S3236、跳转执行按照预设生成条件采用训练集进行种群初始化，生成初始群体的步骤。
在本发明实施例中，将输入矩阵中的导体电流值设置为可变参数，除导体电流值外的输入参数变量设置为固定参数，生成多个模型组，即输入矩阵X中输入参数中仅电流变化而其他参数不变，则称为一个模型组，用矩阵可以表示为：
式中，第X1代表模型组1；Ii1代表模型组1的第i个导体电流值，行x12，…，xig代表模型组1的其他输入参数变量。取各模型组前70％行构成训练集输入矩阵，后30％行构成测试集输入矩阵，并将训练集和测试集训练集对应的输出矩阵数据中的输出向量Y拆分为与输入矩阵对应的Y1，Y2。将训练集输入与输出有放回地通过粒子群算法进行寻优，并结合遗传算法确定寻找整体最优值，最终确定不同模型组下拟合度最高系数矩阵Z以及矩阵内各元素的自热参数与互热参数值，即将目标系数矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数作为输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数，并采用自传热参数和轴向互传热参数更新温度与电缆导体电缆表达式，构建电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型。
利用粒子群算法获取不同输入参数下的自热参数与互热参数。粒子群算法表达式：
式中，上标s代表第s次迭代；s-1代表第s-1次迭代；v代表的粒子的速度矢量；rand()为随机函数；γ1、γ2为学习因子；Pub代表个体搜索的最优位置；Gb代表种群搜索的最优位置；Lu为位置向量；Vu为速度向量。首先需要对搜索种群初始化，包括维度D、粒子个数n、搜索空间N(D)初始化；对粒子初始化，包括每一粒的位置向量Lu与速度向量Vu；调整参数初始化，包括学习因子γ1、γ2初始化，惯性权重系数w初始化，收敛精度及最大迭代次数初始化。此外，由于本发明中涉及维度较大，会导致粒子群算法寻优陷入到局部最优结果而非整体最优结果，导致获得的系数矩阵Z有误，因此有必要在粒子群算法中结合遗传算法使得寻优过程跳出局部最优结果进而寻找整体最优结果。遗传算法的表达式如下：
SGA＝(C,E,P0,M,φ,Γ,ψ,T)；
式中，SGA是遗传算法的英文Simple Genetic Algorithm。在这里其实就相当于y＝f(x)里的y即适应度；C表示个体的编码方案；E表示个体适应度评价函数；P0代表初始种群；M表示种群大小；φ表示选择算子；Γ表示交叉算子，ψ表示变异算子；T表示遗传算法终止条件。首先需要生成初始群体，设置最大进化代数T，群体大小M，交叉概率Pc，变异概率Pm，随机生成M个个体作为初始化群体P0。选用线性尺度变化作为个体适应度评价函数，遗传算子采用选择型遗传算法，终止判断条件设置为两次迭代温度向量差小于预设向量差阈值0.01。
步骤106、将电缆实时电流输入电缆温度快速计算拓扑模型，生成电缆线路对应的温度分布数据。
在本发明实施例中，通过粒子群寻优获得的系数矩阵Z，更新温度与电缆导体电缆表达式，得到电缆温度快速计算拓扑模型，将电缆温度快速计算拓扑模型在编程软件中代码化，当需要计算电缆线路各点温度时，只需在编程软件中输入电缆线路的电缆实时电流即可在10秒时间内完成电缆各点温度的计算，生成电缆线路对应的温度分布数据，计算速度较有限元计算法大幅提高。
在本发明实施例中，通过获取电缆线路的电缆实时电流、敷设环境数据和电缆结构数据，根据敷设环境数据和电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型。将目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集。采用网格参数集按照预设组合调整方式进行参数组合并进行矩阵构建，生成输入矩阵。将输入矩阵输入有限元几何仿真模型进行仿真，生成输出矩阵。基于输入矩阵和输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型。将电缆实时电流输入电缆温度快速计算拓扑模型，生成电缆线路对应的温度分布数据。解决了现有的温度分布计算方法采用公式参数求解来源于工程经验的数学公式进行计算，容易出现计算误差，导致计算结果准确性低的技术问题。针对不同输入参数的自动仿真，节约了时间成本，也因此能够仿真更多不同的输入参数。通过粒子群算法进行寻优，是基于有限元的仿真结果反推自热、互热参数，精度高，有限元的计算精度远高于解析解。通过电缆温度快速计算拓扑模型可以实现对新环境下温度的快速计算，计算结果可以在10秒以内，同电脑配置下，有限元结果需要三十分钟。
请参阅图4，图4为本发明实施例二提供的一种电缆线路的温度分布计算系统的结构框图。
本发明实例二提供的一种电缆线路的温度分布计算系统，包括：
目标有限元几何仿真模型生成模块401，用于获取电缆线路的电缆实时电流、敷设环境数据和电缆结构数据，根据敷设环境数据和电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型。
网格参数集生成模块402，用于将目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集。
输入矩阵生成模块403，用于采用网格参数集按照预设组合调整方式进行参数组合并进行矩阵构建，生成输入矩阵。
输出矩阵生成模块404，用于将输入矩阵输入有限元几何仿真模型进行仿真，生成输出矩阵。
电缆温度快速计算拓扑模型生成模块405，用于根据输入矩阵和输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型。
温度分布数据生成模块406，用于将电缆实时电流输入电缆温度快速计算拓扑模型，生成电缆线路对应的温度分布数据。
可选地，目标有限元几何仿真模型生成模块401包括：
隧道模型生成模块，用于采用敷设环境数据中的隧道空气数据、隧道墙壁和土壤数据进行模型构建，生成隧道模型。
管道模型生成模块，用于采用敷设环境数据中的管道内空气数据、管道壁和土壤数据进行模型构建，生成管道模型。
初始有限元几何仿真模型生成模块，用于将隧道模型和管道模型进行模型融合，生成初始有限元几何仿真模型。
中间有限元几何仿真模型生成模块，用于采用电缆结构数据更新初始有限元几何仿真模型，生成中间有限元几何仿真模型。
目标有限元几何仿真模型生成子模块，用于按照电缆线路对应的材料属性和预设边界条件更新中间有限元几何仿真模型，生成目标有限元几何仿真模型。
可选地，网格参数集生成模块402包括：
初始电缆表面网格参数生成模块，用于将目标有限元几何仿真模型中处于径向截面上的电缆表面无滑移壁采用极细化三角形网格进行网格剖分，生成多个初始电缆表面网格参数。
初始空气剖分网格参数生成模块，用于将目标有限元几何仿真模型中处于径向截面上的隧道内空气采用流场控制网格剖分，生成多个初始空气剖分网格参数。
目标电缆表面网格参数和目标空气剖分网格参数生成模块，用于采用扫略方法和自由四面体网格分别对初始电缆表面网格参数和初始空气剖分网格参数进行轴向剖分，生成目标电缆表面网格参数和目标空气剖分网格参数。
网格参数集生成子模块，用于采用全部目标电缆表面网格参数和目标空气剖分网格参数，构建网格参数集。
可选地，电缆温度快速计算拓扑模型生成模块405包括：
温度与电缆导体电缆表达式构建模块，用于采用输入矩阵和输出矩阵，构建温度与电缆导体电缆表达式。
温度与电缆导体电缆表达式为：
其中，T为输出矩阵；为由自传热参数与轴向互传热参数构成的系数矩阵；X为输入矩阵。
参数获取模块，用于采用粒子群寻优算法获取输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数。
电缆温度快速计算拓扑模型生成子模块，用于采用自传热参数和轴向互传热参数更新温度与电缆导体电缆表达式，构建电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型。
可选地，参数获取模块包括：
模型组生成模块，用于将输入矩阵中的导体电流值设置为可变参数，除导体电流值外的输入参数变量设置为固定参数，生成多个模型组。
测试集和训练集构建模块，用于按照预设比例采用模型组中的数据，构建测试集和训练集。
初始系数矩阵生成模块，用于采用粒子群算法结合遗传算法对训练集和对应的输出矩阵数据进行系数矩阵寻优，生成初始系数矩阵。
目标系数矩阵确定模块，用于采用测试集对初始系数矩阵进行测试，确定目标系数矩阵。
参数获取子模块，用于将目标系数矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数作为输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数。
可选地，初始系数矩阵生成模块可以执行以下步骤：
按照预设生成条件采用训练集进行种群初始化，生成初始群体；
采用线性尺度变化作为个体适应度评价函数分别计算初始群体的适应度；
采用选择性遗传算法按照适应度，确定目标群体；
判断目标群体对应的两次迭代温度向量差是否小于预设向量差阈值；
若是，则采用目标群体，构建初始系数矩阵；
若否，则跳转执行按照预设生成条件采用训练集进行种群初始化，生成初始群体的步骤。
本发明实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括：存储器及处理器，存储器中储存有计算机程序；计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如上述任一实施例的电缆线路的温度分布计算方法。
存储器可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。存储器具有用于执行上述方法中的任何方法步骤的程序代码的存储空间。例如，用于程序代码的存储空间可以包括分别用于实现上面的方法中的各种步骤的各个程序代码。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。这些计算机程序产品包括诸如硬盘，紧致盘(CD)、存储卡或者软盘之类的程序代码载体。程序代码可以例如以适当形式进行压缩。这些代码当由计算处理设备运行时，导致该计算处理设备执行上面所描述的电缆线路的温度分布计算方法中的各个步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一实施例的电缆线路的温度分布计算方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电缆线路的温度分布计算方法，其特征在于，包括：
获取电缆线路的电缆实时电流、敷设环境数据和电缆结构数据，根据所述敷设环境数据和所述电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型；
将所述目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集；
采用所述网格参数集按照预设组合调整方式进行参数组合并进行矩阵构建，生成输入矩阵；
将所述输入矩阵输入所述有限元几何仿真模型进行仿真，生成输出矩阵；
根据所述输入矩阵和所述输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型；
将所述电缆实时电流输入所述电缆温度快速计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的温度分布数据。
2.根据权利要求1所述的电缆线路的温度分布计算方法，其特征在于，所述根据所述敷设环境数据和所述电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型的步骤，包括：
采用所述敷设环境数据中的隧道空气数据、隧道墙壁和土壤数据进行模型构建，生成隧道模型；
采用所述敷设环境数据中的管道内空气数据、管道壁和所述土壤数据进行模型构建，生成管道模型；
将所述隧道模型和所述管道模型进行模型融合，生成初始有限元几何仿真模型；
采用所述电缆结构数据更新所述初始有限元几何仿真模型，生成中间有限元几何仿真模型；
按照所述电缆线路对应的材料属性和预设边界条件更新所述中间有限元几何仿真模型，生成目标有限元几何仿真模型。
3.根据权利要求1所述的电缆线路的温度分布计算方法，其特征在于，所述将所述目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集的步骤，包括：
将所述目标有限元几何仿真模型中处于径向截面上的电缆表面无滑移壁采用极细化三角形网格进行网格剖分，生成多个初始电缆表面网格参数；
将所述目标有限元几何仿真模型中处于径向截面上的隧道内空气采用流场控制网格剖分，生成多个初始空气剖分网格参数；
采用扫略方法和自由四面体网格分别对所述初始电缆表面网格参数和所述初始空气剖分网格参数进行轴向剖分，生成目标电缆表面网格参数和目标空气剖分网格参数；
采用全部所述目标电缆表面网格参数和所述目标空气剖分网格参数，构建网格参数集。
4.根据权利要求1所述的电缆线路的温度分布计算方法，其特征在于，所述根据所述输入矩阵和所述输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型的步骤，包括：
采用所述输入矩阵和所述输出矩阵，构建温度与电缆导体电缆表达式；
所述温度与电缆导体电缆表达式为：
其中，T为输出矩阵；为由自传热参数与轴向互传热参数构成的系数矩阵；X为输入矩阵；
采用粒子群寻优算法获取所述输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数；
采用所述自传热参数和所述轴向互传热参数更新所述温度与电缆导体电缆表达式，构建所述电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型。
5.根据权利要求4所述的电缆线路的温度分布计算方法，其特征在于，所述采用粒子群寻优算法获取所述输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数的步骤，包括：
将所述输入矩阵中的导体电流值设置为可变参数，除所述导体电流值外的输入参数变量设置为固定参数，生成多个模型组；
按照预设比例采用所述模型组中的数据，构建测试集和训练集；
采用粒子群算法结合遗传算法对所述训练集和对应的输出矩阵数据进行系数矩阵寻优，生成初始系数矩阵；
采用所述测试集对所述初始系数矩阵进行测试，确定目标系数矩阵；
将所述目标系数矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数作为所述输入矩阵对应的自传热参数和轴向互传热参数。
6.根据权利要求5所述的电缆线路的温度分布计算方法，其特征在于，所述采用粒子群算法结合遗传算法对所述训练集和对应的输出矩阵数据进行系数矩阵寻优，生成初始系数矩阵的步骤，包括：
按照预设生成条件采用所述训练集进行种群初始化，生成初始群体；
采用线性尺度变化作为个体适应度评价函数分别计算所述初始群体的适应度；
采用选择性遗传算法按照所述适应度，确定目标群体；
判断所述目标群体对应的两次迭代温度向量差是否小于预设向量差阈值；
若是，则采用所述目标群体，构建初始系数矩阵；
若否，则跳转执行所述按照预设生成条件采用所述训练集进行种群初始化，生成初始群体的步骤。
7.一种电缆线路的温度分布计算系统，其特征在于，包括：
目标有限元几何仿真模型生成模块，用于获取电缆线路的电缆实时电流、敷设环境数据和电缆结构数据，根据所述敷设环境数据和所述电缆结构数据进行有限元仿真，生成目标有限元几何仿真模型；
网格参数集生成模块，用于将所述目标有限元几何仿真模型进行网格剖分，生成网格参数集；
输入矩阵生成模块，用于采用所述网格参数集按照预设组合调整方式进行参数组合并进行矩阵构建，生成输入矩阵；
输出矩阵生成模块，用于将所述输入矩阵输入所述有限元几何仿真模型进行仿真，生成输出矩阵；
电缆温度快速计算拓扑模型生成模块，用于根据所述输入矩阵和所述输出矩阵采用粒子群寻优算法构建温度计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的电缆温度快速计算拓扑模型；
温度分布数据生成模块，用于将所述电缆实时电流输入所述电缆温度快速计算拓扑模型，生成所述电缆线路对应的温度分布数据。
8.根据权利要求7所述的电缆线路的温度分布计算系统，其特征在于，所述目标有限元几何仿真模型生成模块包括：
隧道模型生成模块，用于采用所述敷设环境数据中的隧道空气数据、隧道墙壁和土壤数据进行模型构建，生成隧道模型；
管道模型生成模块，用于采用所述敷设环境数据中的管道内空气数据、管道壁和所述土壤数据进行模型构建，生成管道模型；
初始有限元几何仿真模型生成模块，用于将所述隧道模型和所述管道模型进行模型融合，生成初始有限元几何仿真模型；
中间有限元几何仿真模型生成模块，用于采用所述电缆结构数据更新所述初始有限元几何仿真模型，生成中间有限元几何仿真模型；
目标有限元几何仿真模型生成子模块，用于按照所述电缆线路对应的材料属性和预设边界条件更新所述中间有限元几何仿真模型，生成目标有限元几何仿真模型。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器中储存有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至6任一项所述的电缆线路的温度分布计算方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至6任一项所述的电缆线路的温度分布计算方法。
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