電纜線芯溫度的間接測量方法
【專利摘要】一種電纜線芯溫度的間接測量方法，包括如下步驟：步驟1：建立一個電纜傳熱的理論模型；步驟2：計(jì)算理論模型中的模型參數(shù)；步驟3：測量電纜部分參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)；步驟4：通過模型參數(shù)和測量得到的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算電纜的線芯溫度，完成間接測量。本發(fā)明具有簡單、快速和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】電纜線芯溫度的間接測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳輸電纜【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種電纜線芯溫度的間接測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代城市電力設(shè)施建設(shè)中，電力電纜作為輸電的核心載體已經(jīng)被大量使用，城市和農(nóng)村電網(wǎng)中電纜所占的比重也越來越大，實(shí)時監(jiān)測電纜的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行安全維護(hù)對于生活生產(chǎn)有著重要的意義。此外，電纜檢修和更換工程大、代價(jià)高，如何確保電纜能夠長時間正常工作，延長其運(yùn)行壽命已經(jīng)成為電纜【技術(shù)領(lǐng)域】的研究重點(diǎn)。
[0003]研究表明，電力電纜的運(yùn)行壽命主要取決于電纜絕緣層的壽命，而溫度對于絕緣層的壽命長短起著關(guān)鍵影響。運(yùn)行在溫度正常的狀態(tài)之下，絕緣層所受影響并不大，電纜可以長時間工作，但當(dāng)溫度超過一定限度，電纜處于非正常的過熱狀態(tài)下，絕緣層會迅速老化，絕緣性能下降，導(dǎo)致電纜漏電、擊穿甚至報(bào)廢。
[0004]由于絕緣層緊貼著電纜的導(dǎo)體線芯，導(dǎo)體線芯又是熱流來源，線芯溫度即表征了絕緣層所處的最高溫度，所以實(shí)時獲取線芯對于調(diào)控電纜負(fù)荷，保證其工作在正常狀態(tài)有著直接的指導(dǎo)價(jià)值。當(dāng)線芯溫度過高，接近絕緣層能夠承受的極限時，可以適當(dāng)減小輸電電流，削弱線芯的升溫過程；當(dāng)線芯溫度較低時，可以適當(dāng)增加輸電電流，充分利用電纜的可用載荷量，提高輸電效率。
[0005]但是，通過傳感器直接測量電纜線芯溫度在實(shí)際應(yīng)用中可行性很低，難以廣泛實(shí)現(xiàn)。一方面，電纜的導(dǎo)體線芯被絕緣層、物理防護(hù)層、表皮等層層緊密包裹，要想使得傳感器與線芯進(jìn)行接觸，需要對電纜進(jìn)行剌穿并將溫度感應(yīng)部分埋入其中，這會對電纜造成不可逆的損壞，嚴(yán)重影響其性能和運(yùn)行壽命；另一方面，即使對電纜線芯進(jìn)行剌穿測溫，也只能限于少數(shù)點(diǎn)，無法對整個電纜實(shí)現(xiàn)全程覆蓋的實(shí)時在線狀態(tài)監(jiān)測。
[0006]鑒于上述情況，一些間接測量電纜線芯溫度的方法陸續(xù)被提出來，這些方法從不同的角度出發(fā)，構(gòu)建了線芯溫度與其他物理量量之間的關(guān)系，并通過測量這些變量的值來估算線芯溫度。目前，這些方法主要有2類:解析計(jì)算方法、仿真模擬數(shù)值計(jì)算方法。
[0007]解析計(jì)算方法以IEC標(biāo)準(zhǔn)為代表，根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析每個介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)和熱學(xué)特征，逆向分析熱流傳導(dǎo)過程，推算線芯溫度。這種方法存在以下缺陷:第一，所規(guī)定的計(jì)算條件十分苛刻，一般難以很好地滿足；第二，需要使用大量如電纜詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸、各種材料的熱物性參數(shù)等既定數(shù)據(jù)，計(jì)算誤差較大。
[0008]仿真模擬數(shù)值計(jì)算方法以有限元仿真為代表，根據(jù)實(shí)際情況建立模型，給定邊界條件后劃分網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值求解。這種方法存在以下缺陷:第一，針對不同情況需要建立不同模型，普適性低；第二，邊界條件設(shè)定必須要設(shè)定準(zhǔn)確，計(jì)算過程對其敏感，魯棒性低；第三，計(jì)算量大，需要進(jìn)行反復(fù)的迭代運(yùn)算。
[0009]此外，還有學(xué)者嘗試?yán)肂P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建計(jì)算模型，用實(shí)際測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，得到一個帶有大量權(quán)值的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并用以估算。這種方法存在以下缺陷:第一，模型的建立和訓(xùn)練均是依靠一般化方法，沒有充分利用現(xiàn)有關(guān)于電纜結(jié)構(gòu)和傳熱的先驗(yàn)知識，結(jié)果準(zhǔn)確度有限；第二，有依賴關(guān)系的輸入變量較多，常常含有一些測量難度同樣較大的物理量(如電纜周圍的環(huán)境溫度等)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于，提供一種電纜線芯溫度的間接測量方法，具有簡單、快速和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明提供一種電纜線芯溫度的間接測量方法，包括如下步驟:
[0012]步驟1:建立一個電纜傳熱的理論模型；
[0013]步驟2:計(jì)算理論模型中的模型參數(shù)；
[0014]步驟3:測量電纜部分參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)；
[0015]步驟4:通過模型參數(shù)和測量得到的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算電纜的線芯溫度，完成間接測量。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
[0017]1、將電纜的信息抽象成了簡單的幾個模型參數(shù)，摒棄了對電纜復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析和物性參數(shù)的計(jì)算，方便了線芯溫度的計(jì)算過程。
[0018]2、計(jì)算無需外界環(huán)境溫度，僅基于易于測量的運(yùn)行電流和電纜表皮溫度，實(shí)用性強(qiáng)。
[0019]3、引入矩陣的廣義逆對模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，速度快且結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度，滿足實(shí)時監(jiān)測和實(shí)際應(yīng)用的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖及實(shí)施案例對本發(fā)明詳細(xì)說明如后，其中:
[0021]圖1為本發(fā)明間接測量方法的流程圖；
[0022]圖2為電纜的基本熱路模型；
[0023]圖3為本發(fā)明間接測量方法中計(jì)算理論模型參數(shù)的流程圖；
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施案例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中虛線表示計(jì)算曲線，實(shí)線表示實(shí)測曲線，2個子圖分別對應(yīng)2組實(shí)驗(yàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供的一種電纜線芯溫度間接測量方法包括如下步驟:
[0026]步驟101:建立一個電纜傳熱的理論模型，包括基本熱流傳導(dǎo)方程和電纜線芯電阻隨溫度變化的二階修正。
[0027]圖2為電纜的基本熱路模型，其中:A點(diǎn)標(biāo)示電纜導(dǎo)體線芯位置，其溫度為Θi ；B點(diǎn)標(biāo)示電纜表皮位置，其溫度為Θ 2 為線芯的等效熱容況為線芯與表皮之間的等效熱阻。分析A點(diǎn)的熱流傳導(dǎo)狀況可知，電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生原始的熱流來源Q，其中一部分Q。對C1 “充能”，使得線芯溫度升高，另一部分Qk穿過R1流向表皮，改變其溫度(需要注意的是，Q始終為正，而％與％可正可負(fù)，其正負(fù)代表了熱流的方向，圖1中所示方向均為正向)，即有Q = Qc+Qe,等式兩端對時間t求微分，并根據(jù)焦耳定律以及熱容熱阻的特性有:[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種電纜線芯溫度的間接測量方法，包括如下步驟: 步驟1:建立一個電纜傳熱的理論模型； 步驟2:計(jì)算理論模型中的模型參數(shù)； 步驟3:測量電纜部分參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)； 步驟4:通過模型參數(shù)和測量得到的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算電纜的線芯溫度，完成間接測量。
2.如權(quán)利要求1所述的電纜線芯溫度的間接測量方法，其中理論模型包括基本熱流傳導(dǎo)方程和電纜線芯電阻隨溫度變化的二階修正: 該基本熱流傳導(dǎo)方程為:
3.如權(quán)利要求1所述的電纜線芯溫度的間接測量方法，其中計(jì)算理論模型中的模型參數(shù)的步驟如下: 步驟Ia:測量一組學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，具體包括電纜工作一段時間內(nèi)的電纜線芯溫度Θ 1、表皮溫度Θ 2和運(yùn)行電流i ; 步驟2a:采用鄰域平均法對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，所取鄰域大小與其波動程序和噪聲大小相適應(yīng)； 步驟3a:基于濾波后的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)構(gòu)造學(xué)習(xí)輸入矩陣X和學(xué)習(xí)輸出矩陣Y，構(gòu)造方法如下:
Xk’i = i (k)2
Xk,2 = Θ ! (k) - Θ 2 (k)
Xk, 3 = i(k)2 Θ i(k)
Xk,4 = i(k)2 Q1GO2
Yk = Θ Jk+1)- θ j (k) 其中X為二維矩陣，Xi,,-表示X第i行、第j列的分量；Y為一維矩陣，Yi表示Y第i個分量; 步驟4a:通過矩陣的廣義逆計(jì)算模型參數(shù)向量α，計(jì)算公式如下: a = X+Y 其中X+為X的廣義逆，α為一維矩陣。
4.如權(quán)利要求1所述的電纜線芯溫度的間接測量方法，其中需要測量的電纜部分參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)包括電纜表皮溫度θ2和運(yùn)行電流i，不包括電纜線芯溫度θ1()
5.如權(quán)利要求3所述的電纜線芯溫度的間接測量方法，其中通過模型參數(shù)和測量得到的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算電纜的線芯溫度的計(jì)算公式為:
Θ j (η+1) = Θ j (n) +i (η)2.a j+ [ Θ j (η) - θ 2 (η) ].α 2+? (η)2 θ 丄(η).α 3+? (η)2 θ 丄(η)2.α4 其中ct i表 示α第i個分量。
【文檔編號】G01K11/00GK103808426SQ201410083351
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】方睿, 魯華祥, 李志堅(jiān), 邊昳, 駱辰, 陳天翔 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所