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    重庆时时彩一码必中口诀: 电缆线芯温度的间接测量方法.pdf

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    电缆线 温度 间接 测量方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410083351.3

    申请日:

    2014.03.07

    公开号:

    CN103808426A

    公开日:

    2014.05.21

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01K 11/00申请日:20140307|||公开
    IPC分类号: G01K11/00 主分类号: G01K11/00
    申请人: 中国科学院半导体研究所
    发明人: 方睿; 鲁华祥; 李志坚; 边昳; 骆辰; 陈天翔
    地址: 100083 北京市海淀区清华东路甲35号
    优先权:
    专利代理机构: 中科专利商标代理有限责任公司 11021 代理人: 任岩
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410083351.3

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.03.23|||2014.06.25|||2014.05.21

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种电缆线芯温度的间接测量方法,包括如下步骤:步骤1:建立一个电缆传热的理论模型;步骤2:计算理论模型中的模型参数;步骤3:测量电缆部分参数的运行数据;步骤4:通过模型参数和测量得到的运行数据计算电缆的线芯温度,完成间接测量。本发明具有简单、快速和准确的优点。

    权利要求书

    1.一种电缆线芯温度的间接测量方法,包括如下步骤:
    步骤1:建立一个电缆传热的理论模型;
    步骤2:计算理论模型中的模型参数;
    步骤3:测量电缆部分参数的运行数据;
    步骤4:通过模型参数和测量得到的运行数据计算电缆的线芯温度,
    完成间接测量。
    2.如权利要求1所述的电缆线芯温度的间接测量方法,其中理论模型
    包括基本热流传导方程和电缆线芯电阻随温度变化的二阶修正:
    该基本热流传导方程为:
    θ 1 ( n + 1 ) = θ 1 ( n ) + i ( n ) 2 · rΔt C 1 + [ θ 1 ( n ) - θ 2 ( n ) ] · ( - Δt R 1 C 1 ) ]]>
    其中i(n)为n时刻的电流值、θ1(n)为n时刻的线芯温度值、θ1(n+1)
    为n+1时刻(即n时刻的下一个时刻)的线芯温度值、θ2(n)为n时刻的表
    皮温度值、Δt为两个时刻之间的时间间隔、r为线芯的等效电阻、C1为线
    芯的等效热容、R1为线芯与表皮之间的等效热阻;
    电缆线芯电阻随温度变化的二阶修正为:
    r=r0(1+aθ1+bθ12)
    其中θ1为电缆线芯温度,r0为0℃时导体线芯的电阻;a为一阶温度
    系数;b为二阶温度系数。
    3.如权利要求1所述的电缆线芯温度的间接测量方法,其中计算理论
    模型中的模型参数的步骤如下:
    步骤1a:测量一组学习数据,具体包括电缆工作一段时间内的电缆线
    芯温度θ1、表皮温度θ2和运行电流i;
    步骤2a:采用邻域平均法对学习数据进行滤波,所取邻域大小与其波
    动程序和噪声大小相适应;
    步骤3a:基于滤波后的学习数据构造学习输入矩阵X和学习输出矩阵
    Y,构造方法如下:
    Xk,1=i(k)2
    Xk,2=θ1(k)-θ2(k)
    Xk,3=i(k)2θ1(k)
    Xk,4=i(k)2θ1(k)2
    Yk=θ1(k+1)-θ1(k)
    其中X为二维矩阵,Xi,j表示X第i行、第j列的分量;Y为一维矩
    阵,Yi表示Y第i个分量;
    步骤4a:通过矩阵的广义逆计算模型参数向量α,计算公式如下:
    α=X+Y
    其中X+为X的广义逆,α为一维矩阵。
    4.如权利要求1所述的电缆线芯温度的间接测量方法,其中需要测量
    的电缆部分参数的运行数据包括电缆表皮温度θ2和运行电流i,不包括电
    缆线芯温度θ1。
    5.如权利要求3所述的电缆线芯温度的间接测量方法,其中通过模型
    参数和测量得到的运行数据计算电缆的线芯温度的计算公式为:
    θ1(n+1)=θ1(n)+i(n)2·α1+[θ1(n)-θ2(n)]·α2+i(n)2θ1(n)·α3+i(n)2θ1(n)2·α4
    其中αi表示α第i个分量。

    说明书

    电缆线芯温度的间接测量方法

    技术领域

    本发明涉及传输电缆技术领域,特别是一种电缆线芯温度的间接测量
    方法。

    背景技术

    在现代城市电力设施建设中,电力电缆作为输电的核心载体已经被大
    量使用,城市和农村电网中电缆所占的比重也越来越大,实时监测电缆的
    运行状态并进行安全维护对于生活生产有着重要的意义。此外,电缆检修
    和更换工程大、代价高,如何确保电缆能够长时间正常工作,延长其运行
    寿命已经成为电缆技术领域的研究重点。

    研究表明,电力电缆的运行寿命主要取决于电缆绝缘层的寿命,而温
    度对于绝缘层的寿命长短起着关键影响。运行在温度正常的状态之下,绝
    缘层所受影响并不大,电缆可以长时间工作,但当温度超过一定限度,电
    缆处于非正常的过热状态下,绝缘层会迅速老化,绝缘性能下降,导致电
    缆漏电、击穿甚至报废。

    由于绝缘层紧贴着电缆的导体线芯,导体线芯又是热流来源,线芯温
    度即表征了绝缘层所处的最高温度,所以实时获取线芯对于调控电缆负
    荷,保证其工作在正常状态有着直接的指导价值。当线芯温度过高,接近
    绝缘层能够承受的极限时,可以适当减小输电电流,削弱线芯的升温过程;
    当线芯温度较低时,可以适当增加输电电流,充分利用电缆的可用载荷量,
    提高输电效率。

    但是,通过传感器直接测量电缆线芯温度在实际应用中可行性很低,
    难以广泛实现。一方面,电缆的导体线芯被绝缘层、物理防护层、表皮等
    层层紧密包裹,要想使得传感器与线芯进行接触,需要对电缆进行剌穿并
    将温度感应部分埋入其中,这会对电缆造成不可逆的损坏,严重影响其性
    能和运行寿命;另一方面,即使对电缆线芯进行剌穿测温,也只能限于少
    数点,无法对整个电缆实现全程覆盖的实时在线状态监测。

    鉴于上述情况,一些间接测量电缆线芯温度的方法陆续被提出来,这
    些方法从不同的角度出发,构建了线芯温度与其他物理量量之间的关系,
    并通过测量这些变量的值来估算线芯温度。目前,这些方法主要有2类:
    解析计算方法、仿真模拟数值计算方法。

    解析计算方法以IEC标准为代表,根据电缆的结构详细分析每个介质
    层的结构和热学特征,逆向分析热流传导过程,推算线芯温度。这种方法
    存在以下缺陷:第一,所规定的计算条件十分苛刻,一般难以很好地满足;
    第二,需要使用大量如电缆详细结构尺寸、各种材料的热物性参数等既定
    数据,计算误差较大。

    仿真模拟数值计算方法以有限元仿真为代表,根据实际情况建立模
    型,给定边界条件后划分网格进行数值求解。这种方法存在以下缺陷:第
    一,针对不同情况需要建立不同模型,普适性低;第二,边界条件设定必
    须要设定准确,计算过程对其敏感,鲁棒性低;第三,计算量大,需要进
    行反复的迭代运算。

    此外,还有学者尝试利用BP神经网络来构建计算模型,用实际测量
    得到的数据进行训练和学习,得到一个带有大量权值的网络结构并用以估
    算。这种方法存在以下缺陷:第一,模型的建立和训练均是依靠一般化方
    法,没有充分利用现有关于电缆结构和传热的先验知识,结果准确度有限;
    第二,有依赖关系的输入变量较多,常常含有一些测量难度同样较大的物
    理量(如电缆周围的环境温度等)。

    发明内容

    本发明的目的在于,提供一种电缆线芯温度的间接测量方法,具有简
    单、快速和准确的优点。

    本发明提供一种电缆线芯温度的间接测量方法,包括如下步骤:

    步骤1:建立一个电缆传热的理论模型;

    步骤2:计算理论模型中的模型参数;

    步骤3:测量电缆部分参数的运行数据;

    步骤4:通过模型参数和测量得到的运行数据计算电缆的线芯温度,
    完成间接测量。

    本发明的有益效果是:

    1、将电缆的信息抽象成了简单的几个模型参数,摒弃了对电缆复杂
    结构的分析和物性参数的计算,方便了线芯温度的计算过程。

    2、计算无需外界环境温度,仅基于易于测量的运行电流和电缆表皮
    温度,实用性强。

    3、引入矩阵的广义逆对模型参数进行计算,速度快且结果具有较高
    的准确度,满足实时监测和实际应用的要求。

    附图说明

    为进一步说明本发明的技术内容,以下结合附图及实施案例对本发明
    详细说明如后,其中:

    图1为本发明间接测量方法的流程图;

    图2为电缆的基本热路模型;

    图3为本发明间接测量方法中计算理论模型参数的流程图;

    图4为本发明实施案例的实验结果,其中虚线表示计算曲线,实线表
    示实测曲线,2个子图分别对应2组实验。

    具体实施方式

    请参阅图1所示,本发明提供的一种电缆线芯温度间接测量方法包括
    如下步骤:

    步骤101:建立一个电缆传热的理论模型,包括基本热流传导方程和
    电缆线芯电阻随温度变化的二阶修正。

    图2为电缆的基本热路模型,其中:A点标示电缆导体线芯位置,其
    温度为θ1;B点标示电缆表皮位置,其温度为θ2;C1为线芯的等效热容;
    R1为线芯与表皮之间的等效热阻。分析A点的热流传导状况可知,电流的
    热效应产生原始的热流来源Q,其中一部分QC对C1“充能”,使得线芯温
    度升高,另一部分QR穿过R1流向表皮,改变其温度(需要注意的是,Q始
    终为正,而QR与QC可正可负,其正负代表了热流的方向,图1中所示方
    向均为正向),即有Q=QC+QR,等式两端对时间t求微分,并根据焦耳定律
    以及热容热阻的特性有:

    i 2 r = C 1 1 dt + θ 1 - θ 2 R 1 - - - ( 1 ) ]]>

    其中r为线芯的等效电阻,i为电缆的运行电流。

    由于在实际测量和计算中,数据的展现形式并不是连续曲线,而是由
    一系列离散测量值构成的测量序列,这就需要对上述连续形式下热流传导
    关系进行离散化处理,用差分运算替代式(1)中的微分运算,整理即可得
    到基本热流传导方程如下:

    θ 1 ( n + 1 ) = θ 1 ( n ) + i ( n ) 2 · rΔt C 1 + [ θ 1 ( n ) - θ 2 ( n ) ] · ( - Δt R 1 C 1 ) - - - ( 2 ) ]]>

    其中i(n)为n时刻的电流值、θ1(n)为n时刻的线芯温度值、θ1(n+1)
    为n+1时刻(即n时刻的下一个时刻)的线芯温度值、θ2(n)为n时刻的表
    皮温度值、Δt为两个时刻之间的时间间隔。

    电力电缆一般都被应用于高压输电,其运行电流可达到几百乃至上千
    安培,大电流会引起明显的升温过程,导致线芯温度发生大幅度变化,线
    芯电阻r如果近似地当作常数处理会引起较大的误差,基于上述分析,引
    入线芯电阻随温度变化的二阶修正
    r=r0(1+aθ1+bθ12)---(3)

    其中θ1为电缆线芯温度,r0为0℃时导体线芯的电阻;a为一阶温度
    系数;b为二阶温度系数。

    步骤102:计算理论模型中的模型参数。请参阅图3所示,步骤102
    包括如下步骤:

    步骤301:测量一组学习数据,具体包括电缆工作一段时间内的电缆
    线芯温度θ1、表皮温度θ2和运行电流i,用以计算模型参数。

    步骤302:数据滤波。算法面对的原始数据是由传感器直接实时测量
    记录得到的,如果传感器精度有限,或者是易受外界干扰,会造成测量稳
    定性差,数据出现波动,这就需要对数据进行滤波处理,过滤掉高频噪声
    从而留下有效部分。这里采用邻域平均法对学习数据进行滤波,所取邻域
    大小与学习数据的波动程序相适应。

    步骤303:构造学习矩阵。假设现有一组经过滤波处理的学习数据,
    其组成和符号为:

    θ1(1)-θ1(n1),学习数据中的线芯温度值;

    θ2(1)-θ2(n1),学习数据中的表皮温度值;

    i(1)-i(n1),学习数据中的运行电流值。

    基于上述数据分别构造学习输入矩阵X和学习输出矩阵Y如下:

    Xk,1=i(k)2

    Xk,2=θ1(k)-θ2(k)

    Xk,3=i(k)2θ1(k)

    ??????????????????????????????(4)

    Xk,4=i(k)2θ1(k)2

    Yk=θ1(k+1)-θ1(k)

    其中k=1-(n1-1);X为二维矩阵,Xi,j表示X第i行、第j列的分量;
    Y为一维矩阵(向量),Yi表示Y第i个分量。

    步骤304:通过矩阵的广义逆计算模型参数向量α。广义逆矩阵是矩
    阵论中逆矩阵概念的推广。现假设有一矩阵A,当且仅当A为非奇异方阵
    时才存在逆矩阵A-1,A-1满足:

    AA-1=I

    其中I为单位矩阵。广义逆矩阵取消了对原始矩阵A的要求,定义若
    存在矩阵Z满足如下四个Penrose方程:

    AZA=A

    ZAZ=Z

    (AZ)H=AZ

    (ZA)H=ZA

    则称Z为A的广义逆,记为Z=A+。式中上标H表示转置共轭运算。矩
    阵的广义逆存在且唯一,并具有如下重要性质:考虑非齐次矛盾方程组

    Ax=b????(5)

    则x=A+b是方程组的唯一极小范数最小二乘解。

    现将式(3)(线芯电阻随温度变化的二阶修正)代入式(2)(电缆的基本
    热流传导方程),整理可得

    θ 1 ( n + 1 ) = θ 1 ( n ) + i ( n ) 2 · r 0 Δt C 1 + [ θ 1 ( n ) - θ 2 ( n ) ] · ( - Δt R 1 C 1 ) + i ( n ) 2 θ 1 ( n ) · ar 0 Δt C 1 + i ( n ) 2 θ 1 ( n ) 2 · br 0 Δt C 1 - - - ( 6 ) ]]>

    将式(6)变换为矩阵相乘的形式

    i ( n ) 2 θ 1 ( n ) - θ 2 ( n ) i ( n ) 2 θ 1 ( n ) i ( n ) 2 θ 1 ( n ) 2 · r 0 Δt C 1 - Δt R 1 C 1 ar 0 Δt C 1 br 0 Δt C 1 = θ 1 ( n + 1 ) - θ 1 ( n ) - - - ( 7 ) ]]>

    结合式(4)对X和Y的构造方法,有

    Xα=Y????(8)

    其中α为模型参数向量:

    α = r 0 Δt C 1 - Δt R 1 C 1 ar 0 Δt C 1 br 0 Δt C 1 - - - ( 9 ) ]]>

    可以看出,式(8)与式(5)具有相同的形式,根据矩阵广义逆的性质对
    α进行最小二乘估计如下:

    α=X+Y????(10)

    此即为通过学习数据计算模型参数的公式。

    步骤103:测量电缆部分参数的运行数据,具体包括电缆在工作时的
    表皮温度θ2和运行电流i。

    步骤104:通过模型参数和测量得到的运行数据计算电缆的线芯温度,
    完成间接测量。用计算得到的模型参数向量α代入式(6)可得

    θ1(n+1)=θ1(n)+i(n)2·α1+[θ1(n)-θ2(n)]·α2+

    ?????????????????????????????????????????????????????(11)

    i(n)2θ1(n)·α3+i(n)2θ1(n)2·α4

    此即为通过电缆表皮温度和电缆运行电流计算电缆线芯温度的公式,
    其中αi表示α第i个分量。根据式(11),通过n时刻的线芯温度、表皮温
    度和运行电流,即可计算得到n+1时刻的线芯温度;将这个值再代入公式
    右端,并结合n+1时刻的表皮温度和运行电流,又可计算得到n+2时刻的
    线芯温度,如此依次进行下去,便可实现基于表皮温度和运行电流的线芯
    温度实时动态间接测量。

    实施案例

    为了验证本发明提供的一种电缆线芯温度间接测量方法的功效,进行
    如下实验:

    随机选取了某种电缆两组不同时间的测量数据,以其中一组为学习数
    据,另一组为测试数据进行了实验。、实验的结果如图4所示,其中虚线
    表示计算曲线,实线表示实测曲线,横轴为时间,纵轴为线芯温度。从图
    中可以看出,、但计算曲线和实测曲线近乎重叠,计算结果的准确度很高。

    实验实现的软件平台为MATLAB,耗时和误差范围分别为:0.050s,
    -1.27℃-1.49℃。

    综上可以说明,本发明提供的间接测量方法能够快速准确地对电缆线
    芯温度进行间接测量,满足实际应用中实时监测的要求。

    以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行
    了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而
    已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修
    改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的?;し段е?。

    关于本文
    本文标题:电缆线芯温度的间接测量方法.pdf
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