本文關(guān)鍵詞：電力電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第一章 緒論

1.1選題背景和意義

1.1.1 選題背景

電力電纜就是在城市地下敷設(shè)的輸電電纜，是國(guó)家電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施最重要的組成部分之一；隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速，電力電纜的覆蓋率和資產(chǎn)規(guī)模正在以空前的速度增加。以成都市為例，到目前為止：220kV電纜已有15回，總長(zhǎng)73.75千米；110kV電纜107回，總長(zhǎng)263千米；35kV電纜39回，總長(zhǎng)32千米；10kV電纜399回，總長(zhǎng)963千米。

為保證龐大的網(wǎng)路的安全、可靠、智能地運(yùn)行，人工巡檢方法和常規(guī)的監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)無法勝任；為滿足這一顯著的需求，一些新型的傳感檢測(cè)設(shè)備被開發(fā)并且開始應(yīng)用于電力電纜的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括：

DTS分布光纖溫度溫度傳感器：通過背向散射原理，可以檢測(cè)到一根長(zhǎng)達(dá)幾千米到幾十千米光纖的溫度分布，采樣點(diǎn)距離可達(dá)到1.0m至2.0m，最小檢測(cè)周期可達(dá)10s。將該測(cè)溫光纖沿電纜長(zhǎng)度方向布置，則可以獲得電纜的長(zhǎng)度方向上的溫度分布。光纖本身有石英制成，具有極佳的電磁惰性。就這些技術(shù)特征和最近幾年的實(shí)踐看，DTS已被證實(shí)是目前火警、電纜溫度異常、電纜熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)的最佳手段。

分布式局部放電在線檢測(cè)器：采用高頻數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)電纜附件的屏蔽電流高頻部分或超聲波信號(hào)，提供電纜絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)條件。

與傳統(tǒng)的傳感器不同，它們的實(shí)時(shí)輸出的狀態(tài)變量不是由一個(gè)或幾個(gè)模擬量構(gòu)成，而通常是一個(gè)長(zhǎng)度很大的模擬量序列構(gòu)成，稱為大數(shù)組輸出；以DTS為例，檢測(cè)10千米電纜的分布溫度，按照1.0m的采樣空間，每次的檢測(cè)輸出為一個(gè)長(zhǎng)度為10,000的浮點(diǎn)數(shù)組。

基于這些數(shù)組輸出，一些功能強(qiáng)大但也相當(dāng)?shù)膹?fù)雜的算法被開發(fā)用于分析和透視蘊(yùn)含在這些龐大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息；如一種稱為動(dòng)態(tài)載流量DCR算法可根據(jù)持續(xù)輸入的電纜表面分布溫度（由DTS提供）和回路負(fù)荷電流，實(shí)時(shí)地計(jì)算電纜線芯溫度（電纜線芯溫度是電纜負(fù)荷安全狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，其許用值為90C）和計(jì)算短時(shí)許用電流；另一種算法成為電纜載流量專家系統(tǒng)，可基于歷史的電纜表面溫度和負(fù)荷電纜信息，計(jì)算電纜中長(zhǎng)期的安全負(fù)荷電流。

目前現(xiàn)有的電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系無法有效支持以上應(yīng)用；表現(xiàn)在：在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，現(xiàn)有的通訊協(xié)議不能有效傳輸大數(shù)組，SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)

對(duì)這些大數(shù)組的輸入輸出和存貯，現(xiàn)有體系在集成復(fù)雜算法方面考慮甚少，等等；另外，現(xiàn)有的電力監(jiān)控系統(tǒng)和本文的電纜在線監(jiān)測(cè)在功能需求上有很大的差別：前者實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵電網(wǎng)變量，執(zhí)行保護(hù)操作，要求高度可靠、快速、簡(jiǎn)潔；而后者對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高(<10s)，處理的主要是非電狀態(tài)量，其輸出主要是PC機(jī)界面上豐富的信息、短消息報(bào)警等，基本上不要求輸出執(zhí)行。

目前，北京、上海、成都、廣州均在開發(fā)和建設(shè)這種電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)諸多問題：如是否或多大程度上將算法嵌入在檢測(cè)設(shè)備上（以減輕上位機(jī)的計(jì)算負(fù)荷和復(fù)雜性）、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向中心設(shè)備怎么通訊、數(shù)據(jù)庫(kù)保存什么數(shù)據(jù)（原始大數(shù)組、中間數(shù)據(jù)還是計(jì)算結(jié)果）、怎么為整個(gè)系統(tǒng)分層、復(fù)雜算法部署在哪一層、提供怎么樣的用戶終端形式（一個(gè)主監(jiān)測(cè)中心視圖還是WEB發(fā)布）、擴(kuò)展性和兼容性怎么設(shè)計(jì)、等等。歸根結(jié)底是怎樣解決復(fù)雜性、可靠性之間的矛盾。

顯然，根據(jù)電纜在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用的特征，結(jié)合目前的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)有效的系統(tǒng)方案和理論體系已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急的任務(wù)。

1.1.2研究意義

智能電網(wǎng)的建設(shè)已列為國(guó)家電網(wǎng)“十二五”的核心工作任務(wù)；智能電網(wǎng)的的基本特征為：使用健全的雙路通信、高級(jí)的傳感器和分布式計(jì)算機(jī)，改善電力傳送的使用的效率、可靠性和安全。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為智能電網(wǎng)提供一個(gè)可以有效響應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷需求、高度可靠的輸配電物質(zhì)環(huán)境。特別地，具有以下功效：實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷能力，有效提高電纜資產(chǎn)的利用效率；可靠的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有效預(yù)防故障和降低運(yùn)行成本。

本文研究將為目前在建的和未來的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)和行動(dòng)指南，解決實(shí)際工程問題，縮短項(xiàng)目周期，并為相關(guān)行業(yè)（設(shè)備制造、軟件系統(tǒng)開發(fā)、集成、服務(wù)等）提供技術(shù)路線圖，創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

從技術(shù)本質(zhì)上看，這些型新傳感器和復(fù)雜算法的在技術(shù)快速進(jìn)步的今天出現(xiàn)具有必然性，事實(shí)上提出了一個(gè)具有廣泛意義和價(jià)值的工程問題，可以抽象為：以怎樣的方法集成先進(jìn)硬件和軟件，以達(dá)到最佳的智能監(jiān)測(cè)的目的。因此，通過本課題的研究，可以為其它大規(guī)模的智能監(jiān)測(cè)（如智能電網(wǎng)的其它監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、交通監(jiān)測(cè)管理、地球環(huán)境監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)）提供理論參考。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)外，對(duì)于電力電纜監(jiān)測(cè)的研究起源較早，大約在上世紀(jì)七十年代，很多發(fā)達(dá)國(guó)家就逐步開始建立電力電纜檢測(cè)系統(tǒng)工作的試點(diǎn)，而且隨著監(jiān)測(cè)終端的發(fā)

展，其功能也有逐步的簡(jiǎn)單通信的單一方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)階段智能化、多樣化的通信方式�，F(xiàn)階段，很多西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始致力于通過配電監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)控研究。在加拿大的Power MeasurementLtd．公司，已經(jīng)開發(fā)出了高級(jí)的電力綜合監(jiān)控設(shè)備，其功能全面包括測(cè)量、采集、通信以及控制等，并通過性能極高的DSP芯片對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，極大的增強(qiáng)了微機(jī)繼電保護(hù)的功能。然而，國(guó)外的產(chǎn)品普遍存在著操作復(fù)雜的困難，在技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上與我國(guó)存在著極大差異，加之成本極其高昂，與我國(guó)目前的配電網(wǎng)需求不相適應(yīng)。

在上世紀(jì)九十年代，我國(guó)逐步開始對(duì)電力電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家來看，研究時(shí)間上存在著極大的滯后性。不過隨著近年來科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)以及電力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我國(guó)很多研究單位和生產(chǎn)商逐步開始對(duì)不同類型的配電監(jiān)測(cè)終端的研究開發(fā)，以全面適應(yīng)配電網(wǎng)綜合自動(dòng)化的進(jìn)程。

從配電終端硬件設(shè)計(jì)方面來看，從最初的CPU單結(jié)構(gòu)逐步到多結(jié)構(gòu)，經(jīng)過不斷的發(fā)展創(chuàng)新，直到到目前的CPU+DSP+EPLD技術(shù)�？紤]到配電終端硬件設(shè)計(jì)的可靠性、諧波檢測(cè)的分析需求以及故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，在硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)字信號(hào)處理器的采樣高速化、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理的冗余設(shè)計(jì)等逐步成為應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)。現(xiàn)階段，基本的終端硬件設(shè)計(jì)類型有四種。

由于需求十分迫切，電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和先進(jìn)傳感器和先進(jìn)算法在最近十年處于并行開發(fā)階段；日本住友公司和韓國(guó)LS公司均始于2003年開發(fā)了這類系統(tǒng)，其特征是首次將DTS和DCR動(dòng)態(tài)載流量算法和傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)（環(huán)流、井水位、門禁）集成在一個(gè)系統(tǒng)中，并啟動(dòng)了對(duì)局放監(jiān)測(cè)的集成研發(fā)。2008年，北京電力實(shí)現(xiàn)了一個(gè)城市規(guī)模的集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，覆蓋了北京城區(qū)200多公里隧道內(nèi)的主要電纜，并包括了對(duì)井蓋的監(jiān)控，同時(shí)提供了GIS功能。另外、德國(guó)NKT電纜公司在歐洲，加拿大CYME公司在北美實(shí)現(xiàn)了僅包括了DTS和DCR的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)達(dá)到了其基本的功能，但至少存在以下問題之一：

（1）檢測(cè)層和監(jiān)測(cè)層劃分不清，造成設(shè)備和通訊接口的復(fù)雜性提高；通訊協(xié)議具有特殊性和例外，提高了設(shè)備供應(yīng)商和集成商的實(shí)施成本、維護(hù)成本，同時(shí)也降低了可靠性和和擴(kuò)展性；一個(gè)顯著的例子是，一家DTS供應(yīng)商需要為每個(gè)電力公司的項(xiàng)目提供不同的機(jī)型或適配器；

（2）監(jiān)測(cè)層和數(shù)據(jù)管理層劃分不清，數(shù)據(jù)的可用性較差；先進(jìn)算法通常有兩個(gè)層次：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算（如DCR實(shí)時(shí)電纜導(dǎo)體溫度和短時(shí)應(yīng)急負(fù)荷計(jì)算）和基于數(shù)據(jù)挖掘的非在線計(jì)算（如用于分析未來中長(zhǎng)期安全負(fù)荷的載流量專家系統(tǒng)）；顯然前者應(yīng)部署在監(jiān)測(cè)層，后者在數(shù)據(jù)管理層或以上）；

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏靈活性，無法有效輸入輸出和保存先進(jìn)狀態(tài)變量和監(jiān)測(cè)計(jì)算的變量；在這一點(diǎn)上，未能借鑒SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)表特性。

這問題的產(chǎn)生主要是由于這些系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)，先進(jìn)傳感器及相關(guān)算法尚未成熟或被系統(tǒng)性地分析，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠妥。目前，基于DTS的先進(jìn)算法的研發(fā)基本上揭示了其主要結(jié)構(gòu)和功能框架，局放的在線監(jiān)測(cè)算法尚在研發(fā)的中間過程中。

目前，在對(duì)以上系統(tǒng)的持續(xù)改善和新建項(xiàng)目的開發(fā)過程中，表現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)為：

（1）借鑒目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和SCADA的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，劃分各功能層，為傳統(tǒng)狀態(tài)變量和先進(jìn)狀態(tài)變量建立一致的數(shù)據(jù)輸入、輸出、存貯方案；

（2）完整地考察先進(jìn)應(yīng)用算法，以結(jié)合到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中；

（3）采用簡(jiǎn)單有效的WEB應(yīng)用提供有效的終端輸出。

1.3 研究的主要內(nèi)容

第一章為緒論，筆者首先對(duì)電力電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究意義和本文選題背景進(jìn)行了分析，并充分結(jié)合國(guó)內(nèi)外此課題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，其次對(duì)本文研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。

第二章為電力電纜監(jiān)測(cè)相關(guān)理論，首先闡述了本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，對(duì)DTS和載流量進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)分布式光纖溫度傳感技術(shù)進(jìn)行了介紹，，分析了電力電纜的結(jié)構(gòu)，采用熱路模型對(duì)電力電纜載流量進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，分析了電纜故障在線監(jiān)測(cè)方法、局放監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立了電力電纜仿真模型。

第三章為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了介紹，對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)分析了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

第四章為系統(tǒng)核心功能的實(shí)現(xiàn)，首先分析了系統(tǒng)開發(fā)工具和運(yùn)行環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)接收模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)顯示進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)表以及數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警設(shè)置和響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)事件日志用戶管理以及系統(tǒng)配置的設(shè)計(jì)。

第五章為系統(tǒng)測(cè)試與分析，分別對(duì)硬件系統(tǒng)和軟件性能進(jìn)行了測(cè)試。

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