專利名稱：基于環(huán)境因子監(jiān)測和有限元的地下電力電纜載流量在線預測系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于環(huán)境因子監(jiān)測和有限元的地下電力電纜載流量在線預測系 統(tǒng)及其方法。
背景技術：
地下高壓電力電纜是城市輸配電線路的主要形式，由于其安裝成本較高、不易維 修的特點，在保證其長期安全可靠運行的基礎上，合理確定高壓電力電纜的載流量，最大限 度地發(fā)揮其輸送電能的能力對于電力部門具有重要的意義。目前地下電力電纜載流量確定的方法有兩種，一種是離線計算，即根據當?shù)氐耐?壤性質、最熱月份的最高氣溫，根據IEC60287或有限元進行計算；另一種是在線計算，通過 在線監(jiān)測電纜表面的溫度，通過熱路或有限元的方法推算電纜線芯溫度，并在此基礎上估 算電纜的載流量。電纜實時載流量是與電纜結構、周圍土壤的導熱系數(shù)、地表空氣等密切相關的物 理量，上述兩種方法都不能準確地在線預測電纜的載流量。第一種方法是根據最高氣溫和 給定土壤導熱系數(shù)的情況計算而得的，當氣溫或土壤導熱系數(shù)發(fā)生變化時，電纜可承受的 最大負荷電流，即載流量也應進行相應調整；對于第二種方法，通過電纜表面的溫度可以 較準確的計算出當前負荷下的電纜線芯溫度，而要預測最大可承受電流即載流量必須考慮 氣溫、土壤導熱系數(shù)的影響。目前，地下電力電纜載流量的計算方法主要以有限元計算為主，首先假定一個電 流，根據邊界條件計算電力電纜絕緣層的最高溫度，如果不超過絕緣層長期工作耐受溫度， 則增加電流，如果超過耐受溫度，則減少電流，循環(huán)迭代直到電纜絕緣層最高溫度等于絕緣 層長期工作耐受溫度為止，此時的電流即為電纜的載流量。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于環(huán)境因子監(jiān)測和有限元的地下電力 電纜載流量在線預測系統(tǒng)及其方法。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案一、技術方案1 本發(fā)明由用于測量空氣溫度的溫度傳感器、風速傳感器、濕度傳感器、單片機系 統(tǒng)、電力部門的調度主機組成；所述溫度傳感器、風速傳感器、濕度傳感器的輸出端分別接 所述單片機系統(tǒng)的相應輸入端，所述單片機系統(tǒng)通過GSM網絡與所述調度主機相連接；所 述溫度傳感器和風速傳感器安裝在所述電力電纜的正上方，所述濕度傳感器安裝在所述電 力電纜沿線的土壤中。二、技術方案2:本發(fā)明方法的具體步驟如下
(1)建模a. 土壤直埋式電纜電力電纜距地面lm，電力電纜兩側邊界距電纜10m，計算中，所述兩側邊界法向方 向熱流變化率為0，即土壤溫度不再變化；電力電纜下面至土壤深層邊界距電纜10m，取土 壤深層邊界溫度不變，且溫度值為土壤深層溫度即383K ；b.排管式電纜排管頂部距地面lm，電力電纜敷設于排管內，排管兩側邊界距排管10m，計算中， 所述兩側邊界法向方向熱流變化率為0，即土壤溫度不再變化；排管下面至土壤深層邊界 距排管10m，取土壤深層邊界溫度不變，且溫度值為土壤深層溫度即383K ；C.溝槽式電纜溝槽深距地面lm，電力電纜敷設于溝槽內，室內溝槽頂部常敷設鐵板，室外溝槽頂 部常敷設水泥板，模型兩側邊界距溝槽10m，計算中，所述兩側邊界法向方向熱流變化率為 0，即土壤溫度不再變化；溝槽下面至土壤深層邊界距溝槽10m，取土壤深層邊界溫度不變， 且溫度值為土壤深層溫度即383K ；(2)剖分將電力電纜及其周圍土壤剖分為小的單元；在直埋式、排管式和溝槽式三種方式下，采用三角形或四邊形單元將整個模型剖 分為小的單元；電纜區(qū)域溫度變化較大，剖分密度較高，排管內電纜外表面與排管內壁間空 氣域和溝槽內電纜外表面與溝槽內壁間空氣域，溫度變化較大，且需計算流速，剖分密度較 高，土壤區(qū)域溫度變化較小，剖分密度較??；(3)讀取實時測量的下述數(shù)據空氣溫度T&、空氣風速v&、土壤濕度rh ；并計算 地表空氣對流換熱系數(shù)α和土壤的導熱系數(shù)λ ；a.利用下述公式(1)計算地表空氣對流換熱系數(shù)α α = 7. 371+6. 43vair0·75 (1)式中，α為地表空氣對流換熱系數(shù)，單位W/(πι2·Κ) ；為風速傳感器實時測量的 地表風速，單位m/s ；b.利用公式(2)計算土壤導熱系數(shù)入A = (l 1.33 IogrA-3.4)10° 64Vrf"2 (2)式中，λ為土壤導熱系數(shù)，單位W/(m2· K) ;Pd為土壤密實度，單位kg/m3;rh為濕 度傳感器實時測量的土壤相對濕度。(4)首先，選取初始電流11，單位A ；(5)調用有限元溫度場計算程序，計算電流Il下的電力電纜絕緣層最高溫度Tl， 單位K;(6)當Tl小于電力電纜絕緣層長期工作絕緣層耐受溫度Tin時，且Tin-Tl > 0. 3K，則取 12 = 211，轉至第(7)步；當 Tl 大于 Tin 時，且 Tl-Tin >0. 3K，則取 12 = 0. 511， 轉至第(7)步；當ITl-TinI彡0.5K時，Il即為所求電力電纜載流量，退出；(7)調用有限元溫度場計算程序，計算電流12下的電力電纜絕緣層最高溫度T2 ；(8)當T2-Tin >0. 3K時，轉至第(9)步；當T2_Tin彡0· 3K時，12即為所求 電力電纜載流量，退出；(9)取I = 12+(12-11) · (Tin_T2) / (T2-T1)，調用有限元溫度場計算程序，計算電流I下的電力電纜絕緣層最高溫度T ；(10)當 T-Tin > 0. 3K 時，取 Il = 12，12 = I,Tl = T2，T2 = Τ，轉至上述第(9) 步；當IT-TinI彡0.3Κ時，I即為所求電力電纜載流量，退出。本發(fā)明的有益效果是能夠較準確的在線預測地下電力電纜的載流量，電力部門據 此能夠最大限度發(fā)揮其輸送電能的能力，并且能夠在保證安全可靠運行的前提下，不會出 現(xiàn)大馬拉小車的資源浪費現(xiàn)象。


圖1為本發(fā)明的硬件配置圖。圖2-1為土壤直埋式地下電力電纜敷設方式的示意圖。圖2-2為排管式地下電力電纜敷設方式的示意圖。圖2-3為溝槽式地下電力電纜敷設方式的示意圖。圖3-1為直埋式電纜及周圍土壤的有限元整場剖分結果示意圖。圖3-2為直埋式電纜及周圍土壤的有限元電纜部分的剖分結果示意圖。在圖1、2、3中，1溫度傳感器(型號DS18B20)，2風速傳感器(型號:CQ2-FC_1)，3 濕度傳感器(型號BQ8-CHR-01)，4單片機系統(tǒng)(單片機的型號89C52)，5GSM網絡，6電力 部門的調度機(臺式計算機)，7 土壤，8電力電纜線，9排管，10蓋板，11支撐板，12溝槽。
具體實施例方式實施例1 (本系統(tǒng)的實施例，參見圖1、2)本實施例由用于測量空氣溫度的溫度傳感器1、風速傳感器2、濕度傳感器3、單片 機系統(tǒng)4、電力部門的調度主機6組成；所述溫度傳感器1、風速傳感器2、濕度傳感器3的 輸出端分別接所述單片機系統(tǒng)的相應輸入端，所述單片機系統(tǒng)通過GSM網絡5與所述調度 主機6相連接；所述溫度傳感器1和風速傳感器2安裝在所述電力電纜的正上方，所述濕度 傳感器3安裝在所述電力電纜沿線的土壤中。實施例2 (本方法的實施例，參見圖1、2、3)本實施例的具體步驟如下(1)建模a. 土壤直埋式電纜電力電纜距地面lm，電力電纜兩側邊界距電纜10m，計算中，所述兩側邊界法向方 向熱流變化率為0，即土壤溫度不再變化；電力電纜下面至土壤深層邊界距電纜10m，取土 壤深層邊界溫度不變，且溫度值為土壤深層溫度即383K ；b.排管式電纜排管頂部距地面lm，電力電纜敷設于排管內，排管兩側邊界距排管10m，計算中， 所述兩側邊界法向方向熱流變化率為0，即土壤溫度不再變化；排管下面至土壤深層邊界 距排管10m，取土壤深層邊界溫度不變，且溫度值為土壤深層溫度即383K ；C.溝槽式電纜溝槽深距地面lm，電力電纜敷設于溝槽內，室內溝槽頂部常敷設鐵板，室外溝槽頂 部常敷設水泥板，模型兩側邊界距溝槽10m，計算中，所述兩側邊界法向方向熱流變化率為
60，即土壤溫度不再變化；溝槽下面至土壤深層邊界距溝槽10m，取土壤深層邊界溫度不變， 且溫度值為土壤深層溫度即383K ；(2)剖分將電力電纜及其周圍土壤剖分為小的單元；在直埋式、排管式和溝槽式三種方式下，采用三角形或四邊形單元將整個模型剖 分為小的單元；電纜區(qū)域溫度變化較大，剖分密度較高，排管內電纜外表面與排管內壁間空 氣域和溝槽內電纜外表面與溝槽內壁間空氣域，溫度變化較大，且需計算流速，剖分密度較 高，土壤區(qū)域溫度變化較小，剖分密度較小；(3)讀取實時測量的下述數(shù)據空氣溫度Tai,、空氣風速Vai,、土壤濕度rh ；并計算 地表空氣對流換熱系數(shù)α和土壤的導熱系數(shù)λ ；a.利用下述公式(1)計算地表空氣對流換熱系數(shù)α α = 7. 371+6. 43vair0·75 (1)式中，α為地表空氣對流換熱系數(shù)，單位W/(m2 ·Κ) ；Vair為風速傳感器實時測量的 地表風速，單位m/s ；b.利用公式(2)計算土壤導熱系數(shù)入/I = (11.33 log^-3.4)100·649""-2 (2)式中，λ為土壤導熱系數(shù)，單位W/(m2· K) ;Pd為土壤密實度，單位kg/m3;rh為濕 度傳感器實時測量的土壤相對濕度。(4)首先，選取初始電流11，單位A ；(5)調用有限元溫度場計算程序，計算電流Il下的電力電纜絕緣層最高溫度Tl， 單位K;(6)當Tl小于電力電纜絕緣層長期工作絕緣層耐受溫度Tin時，且Tin-Tl > 0. 3K，則取 12 = 211，轉至第(7)步；當 Tl 大于 Tin 時，且 Tl-Tin >0. 3K，則取 12 = 0. 511， 轉至第(7)步；當ITl-TinI彡0.5K時，Il即為所求電力電纜載流量，退出；(7)調用有限元溫度場計算程序，計算電流12下的電力電纜絕緣層最高溫度T2 ；(8)當T2-Tin >0. 3K時，轉至第(9)步；當T2_Tin彡0· 3K時，12即為所求 電力電纜載流量，退出；(9)取I = 12+(12-11) · (Tin_T2) / (T2-T1)，調用有限元溫度場計算程序，計算電 流I下的電力電纜絕緣層最高溫度T ；(10)當 T-Tin > 0. 3K 時，取 Il = 12，12 = I,Tl = T2，T2 = Τ，轉至上述第(9) 步；當IT-TinI彡0.3Κ時，I即為所求電力電纜載流量，退出。在本實施例中，收斂條件0. 3Κ由工程實際和溫度測量誤差決定。溫度測量精度為 0. 1-0. 2Κ，結合工程實際要求，在本實施例中收斂條件取0. 3Κ。以石家莊夏季為例，實測地表空氣溫度為35度，風速為1. 5m/s, 土壤濕度為 18. 5%，由此計算得土壤導熱系數(shù)為0. 8ff/(m2 ·K)，地表空氣對流換熱系數(shù)為16W/(m2 ·Κ)， 圖2-1所示土壤直埋單回路一字型排列800mm2YJLW02XLPE電力電纜，單端接地，埋地深度 1000mm,電纜間距200mm，計算得電纜載流量為892A。圖2-2所示排管敷設800mm2YJLW02XLPE電力電纜的計算載流量為858A。圖2-3所示溝槽敷設800mm2YJLW02XLPE電力電纜的計算載流量為1085A。本發(fā)明涉及的溫度場有限元計算法為現(xiàn)有技術(見上述背景技術部分)，下面對溫度場有限元計算法介紹如下由于地下電力電纜長度相對于橫截面近似為無窮大，因而地下電力電纜群的穩(wěn)態(tài) 溫度場屬于二維穩(wěn)態(tài)導熱問題。有熱源區(qū)域(如電纜導體、絕緣介質、金屬屏蔽層和鎧裝層)的溫度控制方程如下 式(3)所示。+(3)
8x2 Sy2式中，qv為體積發(fā)熱率，W/m3。無熱源固體介質區(qū)域(如電力電纜其他層、土壤和排管等)的溫度控制方程如式 ⑷所示。 對于排管敷設和溝槽敷設兩種方式下，電力電纜和周圍固體介質間存在空氣，空
氣存在受熱自然對流的特性，這部分區(qū)域的溫度場計算需耦合求解連續(xù)性方程、動量方程
和能量方程。分別如下式(5)、(6)、(7)所示。 du Sv
2+2 = 0(5)
dx dy 式中，U、ν為流場速度向量在χ和y軸的分量，單位為m/St
.du du、 dp ,d2u 32m、^ N 八
dx dy dx dx2 Sy2
,dv 3v、 dp ,δ2ν 32v、徹 ^ 、 . λ‘
dx dy dy 8χ2 dy2
式中， ；為流體參考溫度；α為體積膨脹系數(shù)，單位為IT15P為流體密度，單位為
kg/m3 ；ρ為流場的壓力，單位為Pa ； η為流體動力粘度，單位為Pa · S。
Γ δτ θτ .rd2T a2r、Λ( Λw —+ ν —+ —) = 0(7)
dx dy dx2 dy2求解溫度場需要確定整個溫度場的邊界，土壤直埋敷設情況下，假定深層土壤 度恒定(即圖2-1中的下邊界)，如下式(8)所示
d2T B1T &+ = °
■ (8)
τ (χ, y) \r =Tsoil式中，Tstjil為深層土壤溫度，取383K。圖2-1中兩側邊界的法向梯度為0，即遠離電力電纜區(qū)域土壤的溫度場不受電力 電纜發(fā)熱的影響，如下式(9)所示
d2T | d2T Γ π dx2 dy2^
Sn 1
9
/V 圖2-1中的上邊界為地表邊界，土壤中的熱量通過對流換熱的形式擴散到空氣 中，如下式(10)所示
8 在上式(8)、(9)和(10)中，Γ為積分邊界。對于土壤直埋電力電纜，整個場域進行剖分后，利用伽略金公式，可得有限元計算方程，如下式(11)所示KT = P(11)式中，K是與導熱系數(shù)和單元形狀有關的全場域單元矩陣，T是全場域單元溫度矩 陣，P是與發(fā)熱有關的全場域單元矩陣。通常整個場域采用小三角形進行剖分，剖分結果如圖3所示。每個三角形單元上 的溫度T是坐標χ和y的線性函數(shù)，表示為T = ai+a2X+a3y， 、a2和a3由三角形三個頂點上的溫度值決定。利用該線性函數(shù) 對公式(3)、(8)、(9)、(10)的變分式延三角形單元進行積分，可得每個單元的k值和ρ值， 最后集成得上式(11)，其展開形式為 用高斯消去法對上式(12)進行求解，即可解得每個節(jié)點的溫度值，從而得到整個 場域的溫度場分布和電力電纜的最高溫度。對于排管敷設(見圖2-2)和溝槽敷設電力電纜(見圖2-3)，整個場域進行剖分 后，需要用迭代方法進行計算。列出固體介質區(qū)域和空氣流體區(qū)域的接觸耦合邊界條件，其中耦合邊界上的條件 需滿足以下兩個條件耦合邊界w上溫度連續(xù)
TJ1 = T,
w I 2
(13)
耦合邊界w上的熱流密度連續(xù)
Qnll = Qnl2(14)假定耦合邊界上的溫度分布，對其中一個區(qū)域1(如固體介質)進行求解，得出耦 合邊界上的局部熱流密度和溫度梯度，然后應用式(12)和式(13)求解另一個區(qū)域2 (如空 氣介質)，以得出耦合邊界上新的溫度分布。再以此分布作為區(qū)域1的輸入，重復上述計算 直到收斂，最后給出整個場域的溫度場分布，并得到電力電纜絕緣的最高溫度。對于排管敷設和溝槽敷設兩種情況，都在電力電纜和外部土壤之間存在空氣層， 其溫度場計算過程包含固體和流體的耦合計算，可以采用分區(qū)計算，邊界耦合方式進行整 個場域的溫度場計算。分區(qū)計算、邊界耦合方法的實施步驟是1.分別對電力電纜本體、空氣、土壤中的物理問題建立控制方程；2.列出每個區(qū)域的邊界條件，其中固體區(qū)域和空氣區(qū)域耦合邊界上的條件為耦合 邊界上溫度連續(xù)和熱流密度連續(xù)，即滿足上式(13)和式(14)。
9
3.對電力、空氣和土壤均按傳導傳熱進行有限元求解(即整場按與土壤直埋的方 式進行求解)，得到初始溫度場分布。4.根據上述第3步的計算結果，求解空氣域內的對流擴散方程和輻射方程，以得 出耦合邊界上新的溫度分布。5.以上述第4步計算得固體和流體的邊界溫度作為電力電纜和土壤的輸入，求解 傳導控制方程，計算電力電纜和土壤區(qū)域的溫度場。6.重復上述第3-5步，直到滿足收斂條件為止。即當溫度和流體速度兩者的變化 量均小于10,時，即可中止迭代。給出最終的溫度場分布和電力電纜的最高溫度。由上述可知，只要給定空氣溫度、空氣風速、太陽光強、土壤濕度，就可計算出地表 對流換熱系數(shù)，土壤的導熱系數(shù)，從而計算出整個場域的溫度場分布，最終計算出電纜絕緣 層的最高溫度。然后通過迭代方法，就可預測出當前環(huán)境條件下的電力電纜的載流量。
權利要求
基于環(huán)境因子監(jiān)測和有限元的地下電力電纜載流量在線預測系統(tǒng)，其特征在于它由用于測量空氣溫度的溫度傳感器(1)、風速傳感器(2)、濕度傳感器(3)、單片機系統(tǒng)(4)、電力部門的調度主機(6)組成；所述溫度傳感器(1)、風速傳感器(2)、濕度傳感器(3)的輸出端分別接所述單片機系統(tǒng)的相應輸入端，所述單片機系統(tǒng)通過GSM網絡(5)與所述調度主機(6)相連接；所述溫度傳感器(1)和風速傳感器(2)安裝在所述電力電纜的正上方，所述濕度傳感器(3)安裝在所述電力電纜沿線的土壤中。
2.根據權利要求1所述的基于環(huán)境因子監(jiān)測和有限元的地下電力電纜載流量在線預 測方法，其特征在于具體步驟如下(1)建模a.土壤直埋式電纜電力電纜距地面lm，電力電纜兩側邊界距電纜10m，計算中，所述兩側邊界法向方向熱 流變化率為0，即土壤溫度不再變化；電力電纜下面至土壤深層邊界距電纜10m，取土壤深 層邊界溫度不變，且溫度值為土壤深層溫度即383K ；b.排管式電纜排管頂部距地面lm，電力電纜敷設于排管內，排管兩側邊界距排管10m，計算中，所述 兩側邊界法向方向熱流變化率為0，即土壤溫度不再變化；排管下面至土壤深層邊界距排 管10m，取土壤深層邊界溫度不變，且溫度值為土壤深層溫度即383K ；c.溝槽式電纜溝槽深距地面lm，電力電纜敷設于溝槽內，室內溝槽頂部常敷設鐵板，室外溝槽頂部常 敷設水泥板，模型兩側邊界距溝槽10m，計算中，所述兩側邊界法向方向熱流變化率為0，即 土壤溫度不再變化；溝槽下面至土壤深層邊界距溝槽10m，取土壤深層邊界溫度不變，且溫 度值為土壤深層溫度即383K ；(2)剖分將電力電纜及其周圍土壤剖分為小的單元；在直埋式、排管式和溝槽式三種方式下，采用三角形或四邊形單元將整個模型剖分為 小的單元；(3)讀取實時測量的下述數(shù)據空氣溫度T&、空氣風速v&、土壤濕度rh；并計算地表 空氣對流換熱系數(shù)α和土壤的導熱系數(shù)入；a.利用下述公式(1)計算地表空氣對流換熱系數(shù)αα = 7. 371+6. 43vair0·75(1)式中，α為地表空氣對流換熱系數(shù)，單位W/(πι2·Κ) ；為風速傳感器實時測量的地表 風速，單位m/s ；b.利用公式(2)計算土壤導熱系數(shù)入Λ = (11.33 log rh - 3.4)100.649內 (2)式中，λ為土壤導熱系數(shù)，單位W/(m2· K) ;Pd為土壤密實度，單位kg/m3 ；rh為濕度傳感器實時測量的土壤相對濕度。(4)首先，選取初始電流II，單位A；(5)調用有限元溫度場計算程序，計算電流Il下的電力電纜絕緣層最高溫度Tl，單位K ；(6)當Tl小于電力電纜絕緣層長期工作絕緣層耐受溫度Tin時，且Tin-Tl> 0. 3K，則取12 = 211，轉至第(7)步；當Tl大于Tin時，且Tl-Tin > 0. 3K，則取12 = 0. 511，轉至 第⑵步；當Tl-Tin彡0.5K時，Il即為所求電力電纜載流量，退出；(7)調用有限元溫度場計算程序，計算電流12下的電力電纜絕緣層最高溫度T2；(8)當T2-Tin>0. 3K時，轉至第(9)步；當T2-Tin彡0. 3K時，12即為所求電力 電纜載流量，退出；(9)取I= I2+(I2-I1) · (Tin-T2)/(T2-Tl)，調用有限元溫度場計算程序，計算電流I 下的電力電纜絕緣層最高溫度T ；(10)當T-Tin > 0. 時，取 Il = 12，12 = I,Tl = T2，T2 = Τ，轉至上述第(9)步； 當IT-TinI彡0.3Κ時，I即為所求電力電纜載流量，退出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于環(huán)境因子監(jiān)測和有限元的地下電力電纜載流量在線預測系統(tǒng)及其方法。本發(fā)明所述系統(tǒng)由用于測量空氣溫度的溫度傳感器、風速傳感器、濕度傳感器、單片機系統(tǒng)、電力部門的調度主機組成；本發(fā)明所述方法是將實時測量的溫度、風速、濕度等數(shù)據與有限元溫度場計算相結合來預測地下電力電纜的載流量。本發(fā)明的有益效果是能夠較準確的在線預測地下電力電纜的載流量，電力部門據此能夠最大限度發(fā)揮其輸送電能的能力，并且能夠在保證安全可靠運行的前提下，不會出現(xiàn)大馬拉小車的資源浪費現(xiàn)象。
文檔編號G01R31/00GK101900773SQ20101020947
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2010年6月25日
發(fā)明者梁永春 申請人:河北科技大學