专利名称：一种电缆安全运行评价方法
技术领域：
本发明属于电缆安全运行监控技术领域，具体涉及电缆安全运行监控和电缆安全运行评价方法及其装置。
背景技术：
高压电缆在现代工业企业中使用频繁，在工农业生产中发挥了巨大作用，但随之而来的是电缆事故的发生几率逐年递增。一旦电缆发生安全事故，轻者停电、停产检修，重者将会引起严重的火灾事故，后果十分严重，修复工作也极其困难，其造成的经济损失不可低估。据有关资料统计，近20年来我国各类电厂发生电缆热安全事故140余起，其中1986-1992年7年间竟达75次，有24个电厂发生过二次以上电缆火灾事故，个别电厂达4-6次，其中70％以上的电缆火灾所造成的损失非常严重，40％的火灾事故造成特大损失。开展电缆安全监测技术研究，对早期发现电缆故障隐患，避免火灾和爆炸事故的发生，具有非常重大的意义。
电缆事故的主要内部原因是动力电缆接头制作不良、压接不紧、接触电阻过大以及长期运行造成电缆接头线芯导体过热烧穿绝缘封套，进一步引起电缆短路而导致火灾。电缆事故的外部原因是由于外部大功率热源传热导致外壁温度急剧增加而引发火灾。无论是内部原因还是外部原因，热损耗过高是导致电缆热安全事故的最基本的因素。
针对电缆表面温度异常是其热故障的外在表征这一特点，目前已经有很多测温方法运用到电缆安全监控系统中。常用的温度传感元件主要有红外传感器、热电偶、热敏电阻、半导体PN结、温控晶闸管和集成电路型温度传感器等。红外传感器最大的优点是非接触测量，因而具有很好的安全性，其缺点是结构复杂、抗干扰能力差，对环境要求高；热电偶传输信号需用专用补偿线，且传输距离不宜太长，不适合于电缆温度监控；热敏电阻通常为铂电阻，一般需采用三线式传输，平衡电桥式输出，传输距离也不宜太长，且抗干扰的能力较差；半导体PN结型和温控晶闸管型传感器也都不适用于电缆温度的监控。
因此，尽管目前已有多种测温方法应用到电缆外壁温度测量上，但是由于电缆过热现象具有隐蔽性高、早期温升缓慢、难以检测的特点。在通常情况下，从电缆头过热到事故发生，整个过程发展缓慢、时间过长，早期温升现象不明显，现有的测量方法难以进行有效地监测。与此同时，由于电缆外壁具有多层复合结构和环境温度的频繁波动等原因，难以通过经典的传热模型计算获得严格的解析解，基于电缆表面温度值和环境温度值变化趋势分析是解决电缆安全监控的重要方法，而对电缆表面温度和环境温度以及电缆电流变化关系的数学回归分析是解决电缆安全运行监控和评价的核心问题。
本发明采用了先进的感温传感器和总线技术，发展了一种全数字化的电缆表面温度监测系统，布设方便、维护简单、成本低廉、抗干扰能力强，较好地解决了现有技术存在的问题。本发明采用的基于电缆表面温度值和环温、电缆电流之间影响因素分析是解决电缆安全运行监控和评价的重要手段，通过固定阈值法和趋势阈值法实时监控电缆安全运行状态；通过长期测量数据的数学分析，建立基于环温和电缆电流的电缆表温回归模型，对电缆安全运行状态提出一种科学的评价方法，采用本发明温度监控方法和相应的算法软件有效地解决电缆安全运行监控与评价的难题。
发明内容
本发明提供一种电缆安全运行监控、评价方法及其装置，通过算法软件的智能判断对电缆线芯过热情况自动发出报警信号，实现对电缆安全运行的实时监控。通过对长期测量数据的数学分析，建立基于环温和电缆电流的电缆表温回归模型，预测电缆表面温度变化趋势，通过与实际测量值的数据比较，对电缆运行状态的优劣提出评价指标，提醒用户及时处理电缆异常现象，确保高压电缆安全运行。
本发明包括测温元件1、数据传输线2、数据采集电路组件3、数据转换电路4、计算机5、电缆10以及相应的控制软件。
本发明电缆安全运行监控、评价的装置，其特征在于它含有测温元件1，所述的测温元件是半导体感温探头，通过导热胶封装在金属外壳内，采用塑料扎带把所述的金属外壳固定在电缆10的外壁上；数据传输线2，所述的数据传输线是三芯铠装信号线，其地线、数据线和电源线分别与所述测温元件的三个脚相连；数据采集电路组件3，所述的数据采集电路组件含有微处理电路6、数据采集电路7、通讯电路8和电源电路9，其中微处理电路6含有微处理器由芯片AVRMEGA16-16PI构成；REST、DATA、CLK、WP信号形成电路由芯片24C021构成，所述信号形成电路的REST、DATA、CLK、WP信号输出端分别与所述微处理器的相应输入端相连；COMM、EEPROM、ON/OFF、ERR、POWER指示灯电路由分压电路和与其正串的相应LED构成，所述指示灯电路的COMM、EEPROM、ON/OFF、ERR、POWER信号输出端，即相应各指示灯LED的负极和所述微处理器的相应输入端相连；数据采集电路7是总线式的，含有三极管控制电路，所述控制电路的采集控制信号即各三极管的栅极与所述微处理器的相应控制信号输出端相连；采集电路，它由与一条总线相连的二极管箝位电路、电阻分压式信号采集电路构成，所述的两个电路的信号输出端都通过所述总线与所述微处理器的采集信号输入端相连；通讯电路8含有TX即发送信号形成电路、RX即接收信号形成电路以及OE即允许发送信号形成电路，它们分别都由芯片6N136构成，它的TX输入端、RX输入端、OE输出端信号端口分别与所述的微处理器相应输入端相连；TX、RX、OE各信号的形成控制电路由一块芯片MAX485构成，该MAX485芯片的各控制信号输出端分别与所述TX、RX、OE形成电路的控制信号输入端相连；电源电路9含有自供电电源由电池及与该电池并联的芯片DY05S05构成，所述芯片的输出端为5V直流电源；外接电源，所述外接电源的输入端经过自恢复保险丝后与芯片XZER05/24S05输入端相连，所述芯片的输出为5V直流电源；数据转换电路4，所述数据转换电路把远程传输的RS485信号转换成RS232信号后与计算机5相连；所述数据转换电路中，插件板J52的各端子分别与通讯电路中输出端插件板J9的各端子一一对接；U52将RS485信号转换成TTL电平信号，经U53、U54隔离后送至U55，U55将TTL电平转换为RS232信号后通过J53送至计算机5的RS232接口。
本发明电缆安全监控方法，它根据固定阈值和趋势阈值实现对电缆安全运行的实时监控，其特征在于它是由计算机按照以下步骤依次实现的步骤1.系统初始化，分别输入设定的固定阈值和设定的趋势阈值；所述的固定阈值分别指环境温度报警固定阈值、电缆电流报警固定阈值和电缆表温报警固定阈值。
所述的趋势阈值分别指环温升温趋势阈值和电缆表温升温趋势阈值；对于环境温度来说，第n个相邻时刻内环境温度变化率εn由下式定义ϵn=tn-tn-1tn-1-tn-2]]>其中，tn、tn-1和tn-2分别是三个相邻时刻n、n-1和n-2环境温度测量值；对于电缆表温来说，第n个相邻时刻内电缆表温变化率εn′由下式定义ϵn′=Tn-Tn-1Tn-1-Tn-2]]>其中，Tn、Tn-1和Tn-2分别是三个相邻时刻n、n-1和n-2电缆表温测量值；步骤2.读入电缆表温、环温和电缆电流值；
步骤3.判断环温是否超过设定的环境温度报警固定阈值；若超过，则环温超标，报警并保存记录，系统重启；若未超过，则转入下一个步骤4；步骤4.判断电缆电流是否超过设定的电缆电流报警固定阈值；若超过，则电缆电流超标，报警并保存记录，系统重启；若未超过，则转入下一个步骤5；步骤5.判断电缆表温是否超过设定的电缆表温报警固定阈值；若超过，则电缆表温超标，报警并保存记录，系统重启；若未超过，则转入下一个步骤6；步骤6.从数据库中读取三个相邻时间段内电缆表温及环境温度值；步骤7.按照环境温度变化率计算方法，判断环境温度变化率是否超过设定的环境温度升温趋势阈值；若超标，则判断为环温升温异常，故障报警、保存记录，系统重启；若未超标，则转入下一个步骤8；步骤8.按照电缆表温变化率计算方法，判断电缆表温变化率是否超过设定的电缆表温升温趋势阈值；若超标，则判断为电缆表温升温异常，故障报警、保存记录，系统重启；若未超标，则转入下一个步骤9；步骤9.存储数据，系统自动返回步骤2；本发明电缆安全运行评价方法，在计算机自动剔除异常报警点后，根据一段时间内自动存储的电缆表面温度、环境温度和电缆电流值，建立基于环温和电缆电流的电缆表温回归模型，由程序自动对系统残差进行分析处理，对电缆的运行趋势进行预测分析，通过与测量值的比较对电缆运行状态的优劣提出评价指标，由程序自动给出隐患诊断报告，确保电缆安全运行。
所述的电路安全运行评价方法，其特征在于它是由计算机按照以下步骤依次实现的步骤一.系统初始化；步骤二.系统自动剔除一年时间内报警程序记录的异常测量值；步骤三.根据一年时间内存储的历史数据，按照下式建立回归模型并计算相应的回归系数Ln＝a+btn+cIn2式中In——第n时刻的电缆电流值；tn——第n时刻的环境温度值；
Ln——通过数学回归模型计算得到的第n时刻的电缆表温；a、b、c——回归方程待定参数，通过求解正规方程的系数矩阵得出由正规方程X′XB＝X′Y，求解得到系数矩阵B＝(X′X)-1X′Y其中X=1t1I12.........1tnIn2,]]>Y=T1...Tn,]]>B为系数矩阵B=abc]]>步骤四.计算电缆表温测量值的标准差σσ=1nΣi=1n(Ti-T‾)2]]>式中Ti——第i时刻电缆表温测量值；T——电缆表温均值，由下式计算得到T‾=1nΣi=1nTi]]>步骤五.计算电缆表温预测值Ln与测量值Tn之间的残差δn＝Tn-Ln；步骤六.按照3σ原则，99％测量值应该在[-3σ，3σ]区间内。由程序自动判断残差δn是否在此区间内若在该区间内，则转入步骤七；若超过该区间，则转入步骤八；步骤七.输出“此段电缆运行状态‘优’”信息，给出运行曲线；步骤八.输出“此段电缆运行状态‘劣’”信息，给出隐患报告；步骤九.电缆故障检查，系统重启。
与现有的电缆安全监控方法相比较，本发明具有以下主要优点1).感温探头灵敏度高，测温精度可达±0.5℃；2).采集速度快，温度数据与数字信号转化时间不大于15ms；3).抗电磁干扰能力强、防腐蚀性好，在强电磁场环境下工作正常；4).支持网络功能，系统容量大，传输距离远。每个数据采集模块可接8路数据传输线，每根数据传输线上可串接64个探头；5).系统具备自检报错能力，性能稳定；6).通过数据传输线供电，布线简单、成本低、运行稳定、维护简单；7).每个感温探头具有64bit唯一编码，根据感温探头位置与其数字标识码的对应关系，能够准确地确定温度异常点的位置，解决了电缆隐患定位的难题。
8).通过报警模型对电缆故障及时报警，尽早消除安全隐患；9).通过长期测量数据的数学分析建立回归模型，自动评价电缆运行状态的优劣。
本发明特别适合于高压电缆和低压电气设备线路的安全监控与长期运行状态评价，使用安全方便，可极大地提高电缆安全监控的自动化水平。
图1本发明系统原理图；图2微处理电路原理图；图3数据采集电路原理图；图4通讯电路原理图；图5电源电路原理图；图6(a)数据转换电路原理图；图6(b)数据转换电路的电源电路原理图；图7本发明电缆报警程序运行框图；图8本发明电缆安全评价程序运行框图。
具体实施例方式以下结合附图具体说明本发明的实施方式。
实施例1本发明电缆安全监控和运行评价方法及其装置由测温元件1、数据传输线2、数据采集电路组件3、数据转换电路4、计算机5、电缆10及其控制软件组成。
本实施例中测温元件1是指18B20型半导体感温探头，通过导热胶封装在金属外壳内，采用塑料扎带将金属外壳固定在电缆外壁，感温探头的三个脚分别与数据传输线2的地线、数据线和电源线连接，所述的数据传输线2由三芯电线组成，电线外壁分别包裹铝箔、铜网、内护套层、钢铠和外护套层。
本实施例中的数据采集电路组件3由微处理电路6、数据采集电路7、通讯电路8、电源电路9组成。
所述微处理电路6用于数据采集、系统状态显示，由集成电路U1～U2、排阻PR1～PR2、二极管L1～L5、电容C1～C3、电阻R1～R22、晶体振荡器Y1组成。其中，U1的1脚、2脚、3脚、9脚分别和U2的6脚、5脚、3脚、7脚一一对应相接，U1的4脚、5脚、6脚、7脚、8脚分别和L1、L2、L3、L4和L5的阴极一一对应相接，U1的10脚、11脚分别和电源的VCC、GND一一对应相接，C1的一端、Y1的一端和U1的12脚相接，C2的一端、Y1的另一端和U1的13脚相接，C1的另一端、C2的另一端和GND相接，U1的14脚、15脚、16脚分别和通讯电路8中R32、R33、R31的一端一一对应相接，U1的30脚、31脚分别和电源的VCC、GND一一对应相接，U1的32脚和C3的一端相接，C3的另一端和GND相接，U1的22脚、23脚、24脚、25脚、26脚、27脚、28脚、29 脚、33脚、34脚、35脚、36脚、37脚、38脚、39脚、40脚分别和R5、R7、R9、R11、R13、R15、R17、R19、R18、R16、R14、R12、R10、R8、R6、R4的一端一一对应相接，R5、R7、R9、R11、R13、R15、R17、R19的另一端分别和PR2的9脚、8脚、7脚、6脚、5脚、4脚、3脚、2脚一一对应相接，PR2的1脚和GND相接，R4、R6、R8、R10、R12、R14、R16、R18的另一端分别和数据采集电路7中J1的1脚、J2的1脚、J3的1脚、J4的1脚、J5的1脚、J6的1脚、J7的1脚、J8的1脚一一对应相接，U2的2脚和R21的一端相接，R21的另一端和GND相接，U2的4脚和GND相接，U2的8脚和VCC相接，R1、R2、R3的一端分别和U2的5脚、6脚、7脚一一对应相接，R1、R2、R3的另一端和VCC相接，L2、L3、L4、L5的阳极分别和PR1的2脚、3脚、4脚、5脚一一对应相接，PR1的1脚和VCC相接，L1的阳极和R22的一端相接，R22的另一端和VCC相接。
所述数据采集电路7由接线端子J1～J8、排阻PR3、二极管D1～D16、三极管Q1～Q8、电容C5～C12、电阻R23～R30组成。其中，D1的阳极、D2的阴极、J1的1脚、PR3的9脚、R23的一端相接。D3的阳极、D4的阴极、J2的1脚、PR3的8脚、R24的一端相接。D5的阳极、D6的阴极、J3的1脚、PR3的7脚、R25的一端相接。D7的阳极、D8的阴极、J4的1脚、PR3的6脚、R26的一端相接。D9的阳极、D10的阴极、J5的1脚、PR3的5脚、R27的一端相接。D11的阳极、D12的阴极、J6的1脚、PR3的4脚、R28的一端相接。D13的阳极、D14的阴极、J7的1脚、PR3的3脚、R29的一端相接。D15的阳极、D16的阴极、J8的1脚、PR3的2脚、R30的一端相接。PR3的1脚和VCC相接，D1、D3、D5、D7、D9、D11、D13、D15的阴极和VCC相接。D2、D4、D6、D8、D10、D12、D14、D16的阳极和GND相接，J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8的2脚和GND相接，J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8的3脚和VCC相接，J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8的4脚和大地E相接，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的栅极分别和C5、C6、C7、C8、C9、10、C11、C12的一端一一对应相接后再分别和微处理电路6中PR2的9脚、8脚、7脚、6脚、5脚、4脚、3脚、2脚一一对应相接，C5、C6、C7、C8、C9、10、C11、C12的另一端分别和R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29、R30的另一端一一对应相接后再分别和Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的漏极一一对应相接，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的源极和GND相接。
所述通讯电路8由接线端子J9、集成电路U3～U6、三极管Q9、电阻R31～R38、自恢复保险丝F1～F2组成。其中，U3、U4、U5的3脚分别和R31、R35、R33的一端一一对应相接，U3的2脚、U4的8脚、U5的2脚、R32的另一端和VCC相接，U3的8脚、U4的2脚、U5的8脚、R34的一端、R36的一端、Q9的射极、U6的8脚和5V相接，U3、U4的6脚分别和R37、R32的另一端一一对应相接，U5的6脚、R34的另一端、U6的4脚相接，U3的5脚、U5的5脚、R38的一端、U6的5脚、J9的5脚和0V相接，U4的5脚和GND相接，R36的另一端、R37的另一端与Q9的基极相接，R38的另一端、Q9的集电极、U6的2脚、U6的3脚相接，R35的另一端、U6的1脚相接，U6的6脚、7脚分别和F1的一端、F2的一端一一对应相接，F2的另一端、J9的1脚、J9的3脚相接，F1的另一端、J9的2脚、J9的4脚相接。
所述电源电路9由接线端子J10、集成电路U7～U8、自恢复保险丝F3、电容E1～E4、电容C16～C22组成。其中，J10的1脚和F3的一端相接，J10的2脚、C19的一端、C20的一端、E3的负极、U8的2脚相接，J10的3脚、C19的另一端、C18的一端和C22的一端与大地E相接，F3的另一端、C20的另一端、E3的正极、U8的1脚相接，C21的一端、E4的正极、U8的3脚、E1的正极、C16的一端、U7的14脚和VCC相接，C21的另一端、E4的负极、U8的5脚、C22的另一端、E1的负极、C16的另一端、U7的1脚和GND相接，C17的一端、E2的正极、U7的8脚和5V相接，C17的另一端、E2的负极、U7的9脚、C18的另一端和0V相接。
所述数据转换电路4由接线端子J51～J53、集成电路U51～U56、电阻R51～R54、自恢复保险丝F51～F52、电容E51～E52、电容C51～C58组成。其中，J51的1脚、E51的正极、C51的一端、U51的14脚和VCC相接，J51的2脚、E51的负极、C51的另一端、U51的1脚和GND相接，U51的8脚、C52的一端、E52的正极和5V相接，U51的9脚、C52的另一端、E52的负极和0V相接，J52的1脚、3脚和F52的一端相接，J52的2脚、3脚和F51的一端相接，U52的6脚和F1的另一端相接，U52的7脚和F52的另一端相接，U52的5脚、J52的5脚和GND相接，U52的8脚和VCC相接，U52的1脚和R53的一端相接，U52的2脚、3脚和U56的3脚相接，U52的4脚、U56的1脚、U54的6脚和R52的一端相接，R53的另一端和U53的3脚相接，U54的7脚、U54的8脚、U53的2脚、C53的一端、R52的另一端和VCC相接，C53的另一端和GND相接，U54的2脚、U53的7脚、U53的8脚、C54的一端、R54的一端和5V相接，U53的5脚、C54的另一端和0V相接，U53的6脚、R54的另一端和U55的11脚相接，U54的3脚和R51的一端相接，R51的另一端和U55的12脚相接，U55的1脚、3脚分别和C58的两端相接，U55的4脚、5脚分别和C57的两端相接，U55的2脚、6脚分别和C55的一端、C56的一端一一对应相接，C55的另一端、C56的另一端、J53的5脚和0V相接，U55的13脚、14脚分别和J53的2脚、3脚一一对应相接。
所述的电缆安全监控方法的控制过程如下系统初始化后由用户预先设定最大允许的环境温度报警固定阈值、电缆电流报警固定阈值和电缆表温报警固定阈值。程序自动读入环境温度、电缆电流及电缆表温值，首先依次判断环境温度、电缆电流和电缆表温是否超过设定的固定阈值，如果超过预先设定的固定阈值则依次给出“环温超标”、“电流超标”和“表温超标”信息，系统发出超标报警并自动保存记录，提醒人们及时检查处理；如果未超过固定阈值，则从历史数据库中读取三个相邻时刻内环温和电缆表温数据分别计算环境温度变化率和电缆表温变化率。通过程序计算，判断环境温度变化率是否超过设定的环温升温趋势阈值。环境温度变化率εn表达出环境温度自身变化速率，如果εn变化太快，远远超出正常气温波动范围，则可以判断出存在外界热源对电缆传热，从而发出环温升温异常报警信息；如果未超过设定的环温升温趋势阈值，则进一步计算电缆表温变化率εn′是否超过设定的电缆表温升温趋势阈值，如果超标则发出电缆表温升温异常报警信息，提醒管理人员及时处理，并自动保存每次报警记录，以便查询；如果未超过设定的电缆表温升温趋势阈值，则重新读入下一组测量数据，从而实现对电缆运行状况的实时监测。
本发明电缆安全运行评价方法的过程如下在电缆安全运行一年后，由程序对电缆运行状态进行评估分析。首先在剔除所述年限内所有报警程序记录的异常测量值后，将一年内的历史数据进行回归分析，建立回归模型并计算相应的回归系数，由程序自动计算电缆表温测量值的标准差σ和电缆表温预测值与实际测量值之间的残差δn，按照概率统计中3σ原则，即99％的测量值应该在置信区间[-3σ，+3σ]内，自动判断电缆运行状态的优劣，提醒管理人员及时检修或查明安全隐患，确保了电缆安全运行。
权利要求
1.一种电缆安全运行评价方法，其特征在于它是由计算机按照以下步骤依次实现的步骤一.系统初始化；步骤二.系统自动剔除一年时间内报警程序记录的异常测量值；步骤三.根据一年时间内存储的历史数据，按照下式建立回归模型并计算相应的回归系数Ln＝a+btn+cIn2式中In--第n时刻的电缆电流值；tn--第n时刻的环境温度值；Ln--通过数学回归模型计算得到的第n时刻的电缆表温；a、b、c--回归方程待定参数，通过求解正规方程的系数矩阵得出由正规方程X′XB＝X′Y，求解得到系数矩阵B＝(X′X)-1X′Y其中X=1t1I12·········1tnIn2,]]>Y=T1···Tn,]]>B为系数矩阵B=abc]]>步骤四.计算电缆表温测量值的标准差σσ=1nΣi=1n(Ti-T‾)2]]>式中Ti--第i时刻电缆表温测量值；T--电缆表温均值，由下式计算得到T‾=1nΣi=1nTi]]>步骤五.计算电缆表温预测值Ln与测量值Tn之间的残差δn＝Tn-Ln；步骤六.按照3σ原则，99％测量值应该在[-3σ，3σ]区间内。由程序自动判断残差δn是否在此区间内若在该区间内，则转入步骤七；若超过该区间，则转入步骤八；步骤七.输出“此段电缆运行状态‘优’”信息，给出运行曲线；步骤八.输出“此段电缆运行状态‘劣’”信息，给出隐患报告；步骤九.电缆故障检查，系统重启。
全文摘要
一种电缆安全运行的监控、评价方法及其装置属于电缆安全运行监控技术领域，其特征在于所述的监控方法通过预先设定的固定阈值和趋势阈值对电缆线芯过热情况及时发出报警信息；所述的电缆运行评价方法是根据一定时间间隔内自动存储的电缆表温、环温和电缆电流值，建立电缆表温回归模型，预测电缆表温运行趋势，通过对预测值与测量值残差的数学分析，对电缆运行状态的优劣提出评价。本发明相应的提出了一个由测温元件、数据传输线、数据采集电路组件、数据转换电路和计算机组成的装置。本发明的测温精度为±0.5℃，同时具有快速存储、抗干扰、支持网络通讯功能以及电缆及时监控和安全运行评价的优点。
文档编号G01K1/00GK101046502SQ200710086670
公开日2007年10月3日 申请日期2005年6月10日 优先权日2005年6月10日
发明者疏学明, 袁宏永, 申世飞, 苏国锋, 梁光华, 吴健宏, 孙占辉 申请人:清华大学