电力电缆在线监测系统的研究与设计

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第一章 绪论

1.1选题背景和意义

1.1.1 选题背景

电力电缆就是在城市地下敷设的输电电缆，是国家电网基础设施最重要的组成部分之一；随着我国城市化进程的加速，电力电缆的覆盖率和资产规模正在以空前的速度增加。以成都市为例，到目前为止：220kV电缆已有15回，总长73.75千米；110kV电缆107回，总长263千米；35kV电缆39回，总长32千米；10kV电缆399回，总长963千米。

为保证庞大的网路的安全、可靠、智能地运行，人工巡检方法和常规的监测设备已经无法胜任；为满足这一显著的需求，一些新型的传感检测设备被开发并且开始应用于电力电缆的在线状态监测，包括：

DTS分布光纤温度温度传感器：通过背向散射原理，可以检测到一根长达几千米到几十千米光纤的温度分布，采样点距离可达到1.0m至2.0m，最小检测周期可达10s。将该测温光纤沿电缆长度方向布置，则可以获得电缆的长度方向上的温度分布。光纤本身有石英制成，具有极佳的电磁惰性。就这些技术特征和最近几年的实践看，DTS已被证实是目前火警、电缆温度异常、电缆热负荷在线监测的最佳手段。

分布式局部放电在线检测器：采用高频数据采集卡检测电缆附件的屏蔽电流高频部分或超声波信号，提供电缆绝缘状态的在线监测的基础条件。

与传统的传感器不同，它们的实时输出的状态变量不是由一个或几个模拟量构成，而通常是一个长度很大的模拟量序列构成，称为大数组输出；以DTS为例，检测10千米电缆的分布温度，按照1.0m的采样空间，每次的检测输出为一个长度为10,000的浮点数组。

基于这些数组输出，一些功能强大但也相当的复杂的算法被开发用于分析和透视蕴含在这些庞大数据的关键信息；如一种称为动态载流量DCR算法可根据持续输入的电缆表面分布温度（由DTS提供）和回路负荷电流，实时地计算电缆线芯温度（电缆线芯温度是电缆负荷安全状态的关键指标，其许用值为90C）和计算短时许用电流；另一种算法成为电缆载流量专家系统，可基于历史的电缆表面温度和负荷电缆信息，计算电缆中长期的安全负荷电流。

目前现有的电力监测监控体系无法有效支持以上应用；表现在：在变电站自动化系统中，现有的通讯协议不能有效传输大数组，SCADA数据库设计不能实现

对这些大数组的输入输出和存贮，现有体系在集成复杂算法方面考虑甚少，等等；另外，现有的电力监控系统和本文的电缆在线监测在功能需求上有很大的差别：前者实时监控关键电网变量，执行保护操作，要求高度可靠、快速、简洁；而后者对实时性要求不高(<10s)，处理的主要是非电状态量，其输出主要是PC机界面上丰富的信息、短消息报警等，基本上不要求输出执行。

目前，北京、上海、成都、广州均在开发和建设这种电缆在线监测系统，发现诸多问题：如是否或多大程度上将算法嵌入在检测设备上（以减轻上位机的计算负荷和复杂性）、现场设备向中心设备怎么通讯、数据库保存什么数据（原始大数组、中间数据还是计算结果）、怎么为整个系统分层、复杂算法部署在哪一层、提供怎么样的用户终端形式（一个主监测中心视图还是WEB发布）、扩展性和兼容性怎么设计、等等。归根结底是怎样解决复杂性、可靠性之间的矛盾。

显然，根据电缆在线监测应用的特征，结合目前的工程实践经验，设计和开发一个有效的系统方案和理论体系已经成为当务之急的任务。

1.1.2研究意义

智能电网的建设已列为国家电网“十二五”的核心工作任务；智能电网的的基本特征为：使用健全的双路通信、高级的传感器和分布式计算机，改善电力传送的使用的效率、可靠性和安全。一个设计良好的电缆在线监测系统可为智能电网提供一个可以有效响应动态负荷需求、高度可靠的输配电物质环境。特别地，具有以下功效：实时的动态负荷能力，有效提高电缆资产的利用效率；可靠的在线状态监测，有效预防故障和降低运行成本。

本文研究将为目前在建的和未来的电缆在线监测系统的项目提供设计指导和行动指南，解决实际工程问题，缩短项目周期，并为相关行业（设备制造、软件系统开发、集成、服务等）提供技术路线图，创建可持续发展的态势。

从技术本质上看，这些型新传感器和复杂算法的在技术快速进步的今天出现具有必然性，事实上提出了一个具有广泛意义和价值的工程问题，可以抽象为：以怎样的方法集成先进硬件和软件，以达到最佳的智能监测的目的。因此，通过本课题的研究，可以为其它大规模的智能监测（如智能电网的其它监测系统、交通监测管理、地球环境监测等物联网）提供理论参考。

1.2 发展现状

在国外，对于电力电缆监测的研究起源较早，大约在上世纪七十年代，很多发达国家就逐步开始建立电力电缆检测系统工作的试点，而且随着监测终端的发

展，其功能也有逐步的简单通信的单一方式逐步转变为现阶段智能化、多样化的通信方式。现阶段，很多西方发达国家已经开始致力于通过配电监测设备对电力系统电能质量监控研究。在加拿大的Power MeasurementLtd．公司，已经开发出了高级的电力综合监控设备，其功能全面包括测量、采集、通信以及控制等，并通过性能极高的DSP芯片对数字信号进行处理，极大的增强了微机继电保护的功能。然而，国外的产品普遍存在着操作复杂的困难，在技术的实现上与我国存在着极大差异，加之成本极其高昂，与我国目前的配电网需求不相适应。

在上世纪九十年代，我国逐步开始对电力电缆监测系统的研究，相对于发达国家来看，研究时间上存在着极大的滞后性。不过随着近年来科学技术、计算机通信技术以及电力产业的快速发展和广泛应用，我国很多研究单位和生产商逐步开始对不同类型的配电监测终端的研究开发，以全面适应配电网综合自动化的进程。

从配电终端硬件设计方面来看，从最初的CPU单结构逐步到多结构，经过不断的发展创新，直到到目前的CPU+DSP+EPLD技术。考虑到配电终端硬件设计的可靠性、谐波检测的分析需求以及故障检测的实时性，在硬件设计中，数字信号处理器的采样高速化、数据处理技术、数据处理的冗余设计等逐步成为应用较为广泛的技术。现阶段，基本的终端硬件设计类型有四种。

由于需求十分迫切，电缆在线监测系统和先进传感器和先进算法在最近十年处于并行开发阶段；日本住友公司和韩国LS公司均始于2003年开发了这类系统，其特征是首次将DTS和DCR动态载流量算法和传统的监测任务（环流、井水位、门禁）集成在一个系统中，并启动了对局放监测的集成研发。2008年，北京电力实现了一个城市规模的集中监测系统，覆盖了北京城区200多公里隧道内的主要电缆，并包括了对井盖的监控，同时提供了GIS功能。另外、德国NKT电缆公司在欧洲，加拿大CYME公司在北美实现了仅包括了DTS和DCR的监测系统。这些系统达到了其基本的功能，但至少存在以下问题之一：

（1）检测层和监测层划分不清，造成设备和通讯接口的复杂性提高；通讯协议具有特殊性和例外，提高了设备供应商和集成商的实施成本、维护成本，同时也降低了可靠性和和扩展性；一个显著的例子是，一家DTS供应商需要为每个电力公司的项目提供不同的机型或适配器；

（2）监测层和数据管理层划分不清，数据的可用性较差；先进算法通常有两个层次：实时监测计算（如DCR实时电缆导体温度和短时应急负荷计算）和基于数据挖掘的非在线计算（如用于分析未来中长期安全负荷的载流量专家系统）；显然前者应部署在监测层，后者在数据管理层或以上）；

（3）数据库结构设计缺乏灵活性，无法有效输入输出和保存先进状态变量和监测计算的变量；在这一点上，未能借鉴SCADA数据库的动态表特性。

这问题的产生主要是由于这些系统在开发时，先进传感器及相关算法尚未成熟或被系统性地分析，造成系统结构设计欠妥。目前，基于DTS的先进算法的研发基本上揭示了其主要结构和功能框架，局放的在线监测算法尚在研发的中间过程中。

目前，在对以上系统的持续改善和新建项目的开发过程中，表现出以下发展趋势为：

（1）借鉴目前变电站自动化系统和SCADA的相关经验，划分各功能层，为传统状态变量和先进状态变量建立一致的数据输入、输出、存贮方案；

（2）完整地考察先进应用算法，以结合到结构设计中；

（3）采用简单有效的WEB应用提供有效的终端输出。

1.3 研究的主要内容

第一章为绪论，笔者首先对电力电缆监测系统的研究意义和本文选题背景进行了分析，并充分结合国内外此课题的研究现状进行综述，其次对本文研究内容进行了简单的介绍。

第二章为电力电缆监测相关理论，首先阐述了本系统的监测任务，对DTS和载流量进行了分析计算，对分布式光纤温度传感技术进行了介绍，，分析了电力电缆的结构，采用热路模型对电力电缆载流量进行了详细计算，分析了电缆故障在线监测方法、局放监测技术，建立了电力电缆仿真模型。

第三章为系统结构设计，首先介绍了系统设计原则和依据，对系统功能进行了介绍，对系统硬件、软件进行了详细设计，最后设计分析了数据库系统。

第四章为系统核心功能的实现，首先分析了系统开发工具和运行环境，对系统软件结构进行设计，对数据接收模块进行设计和实现，对数据处理模块进行设计和实现，对系统状态显示进行了分析，实现了对数据的监视，实现了数据报表以及数据库的设计，实现了报警设置和响应，实现事件日志用户管理以及系统配置的设计。

第五章为系统测试与分析，分别对硬件系统和软件性能进行了测试。

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