专利名称：电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法
技术领域：
本发明属于 一种电力电缆导体温度的控制方法，特别是一种用于控 制电力电缆导体温度在规定时刻达到稳定温度的电力电缆导体温度自动 跟踪和控制方法。
背景技术：
在电网建设中，电力电缆由于占地面积小、电磁干扰低、受外界因 素影响小等优点，已经在电网建设，尤其在城市电网建设中大量采用。 现有的电力电缆通常采用固体材料作为保证其电气绝缘性能的主要部 分，其安全可靠性能性尤为重要。由于电缆绝缘层材料的电介质性能和 绝缘性能是否安全与其导体由于通过负荷而产生的温度存在密切的理论 关系，因此，在某种新型电缆产品投入商业运行之前必须按照有关的技 术标准对其性能进行检验，以确保其性能安全可靠。在标准规定的检测 项目中，负荷循环试验是耗时最长、技术要求最苛刻的检测内容一一它 要求通过对电缆的导体进行周期性加热，使得导体温度达到该种电缆绝
缘材料所能承受的最高允许温度(90 °C~95 °C),并在每次循环末期使 得导体温度保持至少2h。在以往的测试方法中，有关的科研机构通常采 用"根据标准电流数据加热、人工调整电流"的方式完成该项内容，这 样的测试方法存在下列不足1、根据标准电流数据加热，无法有效考虑 环境温度变化引起的热场测量误差；2、控制过程中的导体温度动稳定特 性很难保证；3、工艺繁瑣，温度控制精度受操作人员的素质影响偏大。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现全自动负荷循环试验，并实现高
精度导体温度控制的电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，以克服上 述的不足。
为了实现上述目的，本发明在硬件上由数据处理单元、数据采集单 元、控制输出单元构成，在逻辑上由温度上升控制模式，自动跟踪控制
模式、温度稳定控制模式和降温控制模式组成，其特点是由数据采集 单元实时采集电缆的电流数据和温度数据并反馈至数据处理单元，数据 处理单元根据软件算法确定应实施的调整幅值，并由控制输出单元完成 实际操作，完成负荷循环试验的全自动控制。 上述的具体方法是
第一步骤进行试验的电缆试品安装完毕后，设置电缆的基本结构 参数，以确定电缆试品在当前环境下的起始加热电流；
第二步骤电缆试品的加热过程开始自动运行，开始第一组计时并 进入温度上升控制模式，电缆导体中的加热电流和导体温度将开始被信 号采集单元实时采集并反馈至信号处理单元；
第三步骤电缆的导体温度达到规定的特征值后，进入自动跟踪控 制模式，开始对电缆温度此前的上升速率和温度历史曲线的特征量进行 计算，确定电缆导体加热电流需要进行的幅值调整大小，并由控制输出 单元完成；
第四步骤每隔规定的时间间隔，重复第三步骤的计算内容和控制 输出内容，确保电缆的温度按照正常的趋势逼近控制目标；
第五步骤在电缆的导体温度达到控制目标允许范围内时，开始第 二组计时，同时加热电流进入温度稳定控制模式；
第六步骤第二组计时时间到，开始进入降温控制模式，安全降低 加热电流并分断电源；第七步骤自动进行规定次数的控制过程，直至试验内容结束。
本发明的优点在于能够实现全过程、全自动、高精度的电缆导体温 度控制过程，能够完成高精度的导体温度自动跟踪和控制，有效地避免 了传统的手工控制方法的控制精度差和工艺繁瑣的缺点，控制效果良好。
图1为本发明的总流程图2为本发明温度采集子算法的流程图3为本发明电流采集子算法的流程图4为本发明电流自动控制子算法的流程图5为本发明自动跟踪控制模式的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述，但下述实施 例不应理解为对本发明的限制。
本发明在进行自动控制前，应首先将进行试验的电缆回路安装完毕， 并安装专用的电流发生器、电流互感器和有关测控回路，输入电缆试品 的基本结构参数后，电缆的加热过程将自动开始进行，并通过实时监测 电缆的加热电流和导体温度的当前数值和变化趋势，由专用算法实现对 导体温度的全自动跟踪和控制，并由专家软件分析系统将温度控制的温 度数据和历史记录自动保存，完成电缆负荷循环试验过程的自动控制。
本发明的具体步骤是
第一步应用程序初始化，输入电缆试品的基本参数，如结构尺寸、 运行电压等级、导体截面，温度控制范围等；
第二步完成电缆回路的安装和测控回路的布置，包括电流测量与 控制回路、专用温度传感器和测量模块的安装；
第三步应用程序的专家软件根据电缆的结构参数和当前的环境温 度自动确定电缆样品采用的导体加热电流的起始值；
第四步应用程序控制算法自动运行，进入温度上升控制模式，开 始对电缆回路进行加热，第一组计时器开始计时，并实时监控电缆试品 的导体温度和外护套温度；
第五步在温度上升控制模式过程中，算法自动进入电流稳定控制 模块，实时监测电缆回路的实际加热电流值，并通过将该值与算法自动 生成的加热电流起始值进行比较；
第六步若实际电流与设定值差值大于50A,算法进入连续电流控制 状态，生成连续控制信号，控制相关的调压器电机进行连续调整，其中 差值为负则电机正转，差值为正则电机反转；
第七步若实际电流与设定值差值小于50A时，前一连续电流控制 状态结束，进入精度电流控制状态；
第八步精度电流控制状态中，若实际电流与设定值差值大于5A， 算法自动生成点动式断续控制信号，点动间隔200 ms，控制相关的调压 器电机进行点动式的精度调整控制，其中差值为为负则电机正转，差值 为正则电机反转；
第九步从自动控制过程中的每一次负荷循环的加热过程开始，算 法的电流稳定控制模块将至终重复进行第五步至第八步的内容，直至每 一次负荷循环的加热过程暂停；
第十步在温度上升控制模式中，算法自动计算开始电流调整的温 度控制点，该温度点是由环境温度、导体稳定温度和电缆的结构参数所 确定的；
第十一步当被监控的电缆导体温度达到算法设定的温度控制点时，
算法进入自动跟踪控制模式，开始进行导体温度自动跟踪模块的控制算 法；
第十二步算法根据控制点当前的温度数据与前一次温度数据的差 值，计算当前的导体温度变化速率；
第十三步算法根据控制点当前的温度数据和前五次历史温度数据， 分析计算当前温度点所处历史曲线的动稳定特征量；
第十四步算法根据当前的实时温度数据、导体温度变化速率和动 稳定特征量计算导体电流应进行调整的幅值；
第十五步电流调整幅值由算法的电流自动跟踪模块输出控制信号 完成操作；
第十六步在电缆导体温度到达自动控制目标之前，算法每隔5min 重复第十二步至第十五步的操作；
第十七步电缆导体温度到达自动控制目标范围后，算法第二组计 时器开始计时，进入温度稳定控制模式；
第十八步算法以更短的时间间隔和新的控制常量，对每一组间隔 内的温度变化速率、温度动稳定特征量进行计算，并确定加热电流的幅 值调整大小，由控制输出单元完成；
第十九步在第二组计时器时限到达前，算法充分进行第十八步的 控制内容，直至第二组计时器时限到达，进入降温控制模式；
第二十步在降温控制模式中，算法生成连续控制信号，使电源电 流安全下降至限位值后分断电源；
第二十一步在第一组计时器时限到达前，算法重复第五步至第二 十步的控制内容，直至本次试验内容结束。
本发明的算法部分由Delphi语言编写，算法中采用两组计时器T1、
T2,两组整型变量i、 n， 1组浮点型变量s,两组定义整型变量Heat_test、 A_setting, 9组长度为200的整型数组ch0 ~ ch8, —组9维数组chnum， 3组1000维数组DataO， Datal, Data2。其中，电流稳定控制才莫块中电 流采集子算法的具体方法是
1、 数据采集卡初始化，采集卡基地址300H,中断级别IRQ=9，有 效采集通道0 ~ 9,采集增益1. 25V, FIFO触发模式为内部触发， 晶振触发器1工作模式5,触发器2工作模式4,采集卡采样 频率为5OK;
2、 Digital 1/0控制卡初始化，基地址2C0H,端口 A地址为2C0H 低八位，端口 B地址为2C0H高四位和2C1H低四位，端口 C地 址为2C1H高八位，初始状态清零；
3、 数据采集计时器T1执行代码内容基地址+25位赋值为1,将 FIFO清零后，将基地址+15位赋值为0，使采集卡晶振触发器 开始采集数据；
4、 动作间隔500ffls后，数据采集计时器Tl执行代码内容将基 地址+15位赋值为1，暂停采集卡晶振触发过程，以便于后续 算法提取有关緩存数据；
5、 算法真有效值计算模块的9组20G维緩存数组chO ~ ch8清零， 用于存储每个采集通道有效数据个数的9维数组chnum清零， 3组1000维数组DataO, Datal， Data2清零;
6、 读基地址+23位状态，等于O则开始读取FIFO数据，否则返回；
7、 用DataG数组读取FIFO中的緩存数据，分别位于基地址+23 位(低字节)和基地址+24位(高字节)；
8 、 用Da ta 1数组读取Da ta 0数组中每一个元素的过零位修正值，方法为datal[i]:-round (data0[i]/16)-2048，其中i为整数 变量，取值范围0~ 999;
9、 用^:组Data2读取DataO中每一个元素的通道标志，方法为 data2[i]:=data0[i] modl6，其中i为整数变量，耳又值范围0~ 999;
10、 将Datal数组中的元素按照Data2数组对应的通道标志，分别 存储至每一个通道的200维緩存数组，以通道Q为例，方法为 if Data2[i]=0 then ch0 [chnum
]: =Datal [i]/2048 , chnum[O]: =chnum
+l。其中，chn腿[O]起始值为0， i为整 数变量，取值范围G ~ 999， ch0数组中每采入一个元素，chnum
自力口 1 ，这样可以遍历并搜集1000个数据中所有的通道0数据， 并顺序采入ch0数组；
11、 计算每个采集通道的真有效信号值。以通道0为例，将chO数 组中的全部数据按照交流信号的真有效值算法进行计算，原理 公式为^ = A2"22+'.'""2 ,其中w值为chO数组的有效数据 个数，实现方法为s:=0; for i:=0 to n do s: =s+ch0 [i] *chO [i]; s:=s/100; s:=sqrt(s);
12、 将该通道的采集数据乘以该通道的信号变比，得出实际的采集 数据，实现方法是HeatA—test: =s*0. 625*8000 , 其中 HeatA_test是实时存储电缆加热电流数值的变量，0. 625为该 通道的内部变比，8000为该通道的外部变比；
13 、 依次对每个电流数据和有关电压数据进行有效值计算； 14、 数据采集完成后，数据采集计时器Tl执行代码内容将基地 址+15位赋值为0，重新启动采集卡晶振触发过程，继续采集；
15、 在数据采集计时器Tl执行"暂停一_计算一一启动"的重复
过程中，控制信号输出计时器T2并行运行，并执行下列操作；
16、 控制信号输出计时器T2读取当前电缆加热的实际电流值 HeatA—test，并与算法设定值A_setting进行比较，若差值绝 对值大于50,则产生连续控制信号输出，直至T2下一次读取 采集数值时再次进行比较。其中差值为负则正转，差值为正则 反转，以电流偏大，调压器电机需要反转为例，实现方法为 HeatA一test〉 A—seUing+50then Command (104) ， Command (104) 为电机反转子函数；
17、 若HeatA—test与A—setting的差值绝对值小于50 <旦大于5A 时，算法产生"点动式"间断控制信号，实现电流的精确控制。 以差值小于50A但大于5A，调压器电机需要点动式反转为例， 实现方法为 if (HeatA—test〉(A_setting+5))and (HeatA_dummy< (A—setting+50))) then begin Command (104); sle印(200); Command (105),其中Command (104) 为电机反转子函数，Command (105)为电才几停止转动函数；
18、 当HeatA—test与A—setting的差值绝对值小于5A时，算法生 成电流停止转动函数，实现方法为if abs
(HeatA_test-A—setting ) <5 then Command (105);
19、 算法在控制信号输出计时器T2每次动作时重复执行第十六步 至第十八步的内容，实现"电流稳定自动控制模块"主要功能。
另外，算法在温度的"自动跟踪控制模式"具体方法是 1、 算法实时监控电缆的导体温度达到温度控制点后开始进行下 列计算和控制信号输出内容； 2、 算法采集导体的当前时间点的实时温度tO;
3、 自动存储前五次存储时间点的温度数据，按当前时间点从近到 远的顺序依次为tl、 t2、 t3、 t4和t5;
4、 计算当前温度的变化速率，计算原理为sl=(tl-tO)/tm,其中 tm为相邻时间点的间隔长度；
5、 计算当前时间点的温度动稳定特征量，计算原理为 s2=abs ((t0-15)/2-(t0+tl+t2+t3+t4+t5)/6);
6、 计算当前时间点的加热电流调整幅值，其中Al-func ( 10， t0， sl,s2, t-now),修正加热电流设定值I-setting.其中t—now 为第二组计数器的当前时域值；
7、 由"电流稳定控制模块"根据电缆实时加热电流HeatA_test 与设定值A-setting的差值完成有关的运算和相应的控制信号 输出。
本说明书中未作详细描述的内容所与本领域专业技术人员公知
的现有技术。
权利要求
1、一种能够实现电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，在硬件上由数据处理单元、数据采集单元、控制输出单元构成，在逻辑上由温度上升控制模式，自动跟踪控制模式、温度稳定控制模式和降温控制模式组成，其特征在于由数据采集单元实时采集电缆的电流数据和温度数据并反馈至数据处理单元，数据处理单元根据软件算法确定应实施的调整幅值，并由控制输出单元完成实际操作，完成电缆导体温度的全自动跟踪控制。
2、 如权利要求1所述的电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，其 特征在于具体方法是第一步骤进行试验的电缆试品安装完毕后，设置电缆的基本结构 参数，以确定电缆试品在当前环境下的起始加热电流；第二步骤电缆试品的加热过程开始自动运行，开始第一组计时并 进入温度上升控制模式，电缆导体中的加热电流和导体温度将开始被信 号采集单元实时采集并反馈至信号处理单元；第三步骤电缆的导体温度达到算法规定的特征值后，进入自动跟 踪控制模式，开始对电缆温度此前的上升速率和温度历史曲线的特征量 进行计算，确定电缆导体加热电流需要进行的幅值调整大小，并由控制输出单元完成；第四步骤每隔特定的时间间隔，重复第三步骤的计算内容和控制 输出内容，确保电缆的温度按照正常的趋势逼近控制目标；第五步骤在电缆的导体温度达到控制目标允许范围内时，开始第 二组计时，同时加热电流进入温度稳定控制模式；第六步骤第二组计时器时间到，开始进入降温控制模式，安全降 j氐加热电流并分断电源；第七步骤自动进行规定次数的控制过程，直至试验内容结束。
3、 如权利要求2所述的电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，其 特征在于第二步骤中导体温度采集的具体方法是第l步用户手工或自动开始温度的采集；第2步初始化通讯端口，包括设定端口的波特率，奇偶校验位， 以及将扫描通道标识变量ch初始化为0;第3步向通讯端口发送釆集ch通道温度数据的指令，同时温度釆 集计时器开始计时；第4步通讯端口开始数据等待；第5步判断通讯端口是否收到返回数据，若收到数据则进入信息 处理函数，否则进行通讯延时判断；第6步若通讯延时未超过设定值，则计时器加1，继续进行通讯端 口数据等待，否则判断为通讯延时故障，进入温度采集自启动函数；第7步若端口收到返回数据，将数据处理完成后判断是否有外部 用户请求中断温度采集，若是则中断采集，否则继续扫描下一个温度采 集通道；第八步重复第3步至第7步的内容。
4、 如权利要求2所述的电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，其 特征在于第二步骤中加热电流采集的具体方法是第1步数据采集卡初始化，釆集卡基地址300H，中断级别IRQ=9， 有效采集通道0 9,采集增益1.25V, FIFO触发模式为内部触发，晶振 触发器1工作模式5，触发器2工作模式4,采集卡采样频率为50K;第2步Digital I/O控制卡初始化，基地址2C0H，端口A地址为 2C0H低八位，端口 B地址为2C0H高四位和2C1H低四位，端口 C地址为 2C1H高八位，初始状态清零；第3步数据采集计时器T1执行代码内容基地址+25位赋值为1, 将FIFO清零后，将基地址+15位赋值为0,使采集卡晶振触发器开始采 集数据；第4步动作间隔500ms后，数据采集计时器Tl执行代码内容将 基地址+15位赋值为1,暂停采集卡晶振触发过程，以便于后续算法提取 有关緩存数据；第5步算法真有效值计算模块的9组200维缓存数组ch0 ~ ch8清 零，用于存储每个采集通道有效数据个数的9维数组chnum清零，3组 1000维数组DataO, Datal， Data2清零；第6步读基地址+23位状态，等于0则开始读取FIFO数据，否则 返回；第7步用DataO数组读取FIFO中的缓存数据，分别位于基地址+23 位(低字节)和基地址+24位(高字节)；第8步用Datal数组读取DataO数组中每一个元素的过零位修正 值，方法为datal[i]:=round(data0[i]/16)-2048,其中i为整数变量， 取值范围0~ 999;第9步用数组Data2读取DataO中每一个元素的通道标志，方法 为data2[i]:=data0[i] mod 16，其中i为整数变量，取值范围0~ 999;第10步将Datal数组中的元素按照Data2数组对应的通道标志， 分别存储至每一个通道的200维緩存数组，以通道0为例，方法为if Data2[i]=0 then chO [chnum
]: =Datal [i]/2048 ,chnum
:=chnum
+l。其中，chnum
起始值为0， i为整数变量,取值范围Q~ 999, chO数组中每采入一个元素，chnum[O]自加l,这样可以 遍历并搜集1000个数据中所有的通道Q数据，并顺序采入chQ数组；第11步计算每个釆集通道的真有效信号值。以通道G为例，将chO 数组中的全部数据按照交流信号的真有效值算法进行计算，原理公式 为一^+g+…+ ^ ，其中w值为chO数组的有效数据个数，实现方法 为s: =0; for i:=0 to n do s: =s+chO [i] *chO [i]; s:=s/100; s: =sqr t (s);第12步将该通道的采集数据乘以该通道的信号变比，得出实际的 采集数据，实现方法是HeatA_test: =s*0. 625*8000，其中HeatA一test 是实时存储电缆加热电流数值的变量，Q. 625为该通道的内部变比，8000 为该通道的外部变比；第13步依次对每个电流数据和有关电压数据进行有效值计算。
5、如权利要求1所述的电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，其 特征在于温度上升控制模式的具体方法是第1步自动进入电流稳定控制模块，实时监测电缆回路的实际加 热电流值，并通过将该值与加热电流起始值进行比较；第2步若实际电流与设定值差值大于50A，进入连续电流控制状态， 生成连续控制信号，控制相关的调压器电机进行连续调整，其中差值为 负则电机正转，差值为正则电机反转；第3步若实际电流与设定值差值小于50A时，前一连续电流控制 状态结束，进入精度电流控制状态；第4步精度电流控制状态中，若实际电流与设定值差值大于5A， 自动生成点动式断续控制信号，点动间隔200 ms，控制相关的调压器电 机进行点动式的精度调整控制，其中差值为负则电机正转，差值为正则 电机反转；第5步从控制过程中的每一次负荷循环的加热过程开始，电流稳 定控制模块将至终重复进行第 一步至第四步的内容，直至每一次负荷循 环的加热过程暂停；第6步计算开始电流调整的温度控制点，该温度点是由环境温度、 导体稳定温度和电缆的结构参数所确定的。
6、 如权利要求1所述的电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，其 特征在于自动跟踪控制模式的具体方法是第1步实时监控电缆的导体温度达到温度控制点后开始进行下列 计算和控制信号输出内容；第2步采集导体的当前时间点的实时温度t0;第3步自动存储前五次存储时间点的温度数据，按当前时间点从 近到远的顺序依次为tl、 t2、 t3、 t4和t5;第4步计算当前温度的变化速率，计算原理为sl=(tl-tO)/tm，其 中t m为相邻时间点的间隔长度；第5步计算当前时间点的温度动稳定特征量，计算原理为 s2=abs C(t0-t5)/2-(t0+tl+t2+t3+t4+t5)/6);第6步计算当前时间点的加热电流调整幅值，其中AI-func( 10, t0, sl，s2, t—now)，修正加热电流设定值I —setting.其中t—now为第二组计 数器的当前时域值；第7步由电流稳定控制模块根据电缆实时加热电流HeatA-test与 设定值A—setting的差值完成有关的运算和相应的控制信号输出。
7、 如权利要求1所述的电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，其 特征在于温度稳定控制模式的具体方法是 第1步以更短的时间间隔和新的控制常量，对每一组间隔内的温 度变化速率、温度动稳定特征量进行计算，并确定加热电流的幅值调整大小，由控制输出单元完成；第2步在第二组计时器时限到达前，充分进行第一步的控制内容， 直至第二组计时器时限到达。
8、如权利要求1所述的电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，其 特征在于降温控制模式的具体方法是生成连续控制信号，使电源电 流安全下降至限位值后分断电源。
全文摘要
本发明涉及一种电力电缆导体温度自动跟踪和控制方法，本发明在硬件上由数据处理单元、数据采集单元、控制输出单元构成，在逻辑上由温度上升控制模式，自动跟踪控制模式、温度稳定控制模式和降温控制模式组成，其方法是由数据采集单元实时采集电缆的电流数据和温度数据并反馈至数据处理单元，数据处理单元根据软件算法确定应实施的调整幅值，并由控制输出单元完成实际操作，完成电缆导体温度的全自动跟踪控制。本发明能够实现全自动、高精度的电缆导体温度控制过程，能够完成高精度的导体温度自动跟踪和控制，有效地避免了传统的手工控制方法的控制精度差和工艺繁琐的缺点，控制效果良好。
文档编号G05D23/19GK101339442SQ200810048229
公开日2009年1月7日 申请日期2008年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者徐林华, 杨黎明 申请人:国网武汉高压研究院