电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书教材.doc

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电缆温度监测和寿命评估系统，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电缆温度监测和寿命评估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电缆温度监测和寿命评估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。第二章 电力电缆监测相关理论2.1引言 对于电力电缆的敷设，通常存在着多种敷设方式，常用的有排管敷设、直埋敷设、电缆隧道敷设、电缆沟敷设等，在这些敷设方式中，以直埋敷设的方式应用最为广泛。由于电缆大多敷设于地下，使得对电缆故障的检测和解决不能直接进行。传统的检测基本以离线方式为主，需要断电之后检测人员携带仪器进行检测。这种方式不仅需要多个检测水平较高的技术人员，消耗的人力物力较大，而且其检测过程会受到电缆敷设环境等多方面因素的影响。为了解决这种难点，近年来有着很多带电检测的新技术和方法出现。这些方法能够同归对电缆绝缘的下降情况进行判断并提前预警，实现事前预防的作用。现阶段，在线带电检测的方法常用的主要有直流分量法、直流叠加法等。2.2监测任务介绍（1）电缆接头（表皮）温度在线监测电力电缆中间接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大，长期运行造成电缆头过热烧穿绝缘层，导致火灾，影响供电造成事故。通过接触式（或者红外线温感模块）温感模块（根据用户所需监测电缆数量安装不同数量模块）的对重点部位实时在线监测，当温度异常时即刻报警，上传实时数据起到过热预警数据分析功能，及时发现并消除发热造成的隐患，避免事故发生。（2）可燃气体、有害气态在线监测针对井沟内容易产生有害气体、可燃气体（或燃气井泄漏气体串井）在线监测，对气体含量浓度进行分析评估，当井沟内有害气体、可燃气气体值超出设定安全范围值时及时发现并预警，避免重大爆炸事故或伤人事故发生（检修人员下井沟巡检）。（3）环境温湿度在线监测有效地对设备运行环境温度湿度、井沟内水位进行实时监测，上传有效数据。管理人员对井沟环境状况及时了解，方便调度管理。（4）火灾探测仪（感烟）监测在线监测电缆井沟内烟雾及火焰的产生，第一时间掌握电缆井沟内火灾发生，及时报警预防造成重大的事故。2.3 DTS和载流量计算介绍2.3.1 分布式光纤温度传感技术这种技术起源于20世纪70年代，是一种新型的测温技术，由于信息是在光信号的基础上传送的，其优势主要体现于能够不受电磁干扰。从工作原理的角度来看，可以将光纤温度传感器分为传输型和功能性两种。传输型光纤温度传感器中光纤只对光信号进行传输，而功能型传感器则能够在传输光信号的同时传输温度信息和光纤感应信息。现阶段，应用较广的光纤温度传感器主要包括光纤光栅、光纤温度、光纤荧光、干涉型光纤温度传感器，其中光纤光栅温度传感器和光纤温度传感器应用最为广泛。早在1981年，英国南安普顿大学就提出了分布式光纤温度传感器。在光纤传送中，激光的反射光主要分为以下几种：拉曼散射(Raman scatter)、瑞利散射(Rayleigh scatter)以及布里渊散射(Brillouin scatter)。具体反射情况见下图2.1。此类型传感器从最初的在后向瑞利散射基础之上的液芯光纤分布式温度监控系统，逐步发展为在光时域(OTDR)拉曼散射基础之上的光纤测温系统，此外还有建立在光频域拉曼散射基础上的光纤测温系统(ROFDA)等。目前，分布式光纤温度传感器的测量距离可以达到三十千米，测量精度极高，达到了O5，对于温度的分辨率可以达到001。分布式光纤温度传感技术有着极大的优势，具体体现于以下场合的应用：第一，当进行全面监测，需要设置诸多监测点时，光纤DTS有着便于安装的有点，而且其一条光纤能够取代多个点式的温度传感器。第二，在电磁干扰较大的条件下，采用光纤DTS能够读取精确的光学数据，避免电磁干扰的影响。第三，光纤DTS的安全性能较好，能够更好的应用于易燃易爆等特殊环境下。现阶段，在电力系统温度监测中，分布是光线温度传感技术已经逐步开始应用，而且对于电力电缆的动态流量计算、电缆故障、电缆接头温度监测等方面有着极其广泛的应用前景。图2.1 分布式光纤温度传感器基本原理2.3.2 电力电缆的结构通常而言，电力电缆的结构有着绝缘层、导体线芯、外护层。随着目前电力系统典雅等级的不断提高，PVS2010聚乙烯绝缘、油纸绝缘、丁基橡胶绝缘等电缆已经不能完全适应高电压，需要与电压等级提高的相应绝缘电缆结构。已经得以应用且效果较好的是交联聚乙烯绝缘电力电缆，这种电缆多为三芯和单芯，电压等级较高的电缆通常都为单芯。其结构图如下：图2.2 64/110KV 1X630mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆结构图1-导体；2-导体屏蔽；3-绝缘层；4-绝缘屏蔽；5-半导体无纺布带；6-铝护套；7-沥青+半导体无纺布带；8-PVS2010外护层三芯电缆的每单芯结构与单芯电缆基本相同，但在线芯的外切圆中并没有填充，而且外层多加了一层铠装层，对线芯位置进行固定。其结构具体见下图2.3：图2.3 三芯XLPE绝缘水底电缆结构图1-导体；2-导体屏蔽层；3-绝缘层；4-绝缘屏蔽层；5-金属屏蔽；6-填料；7-包扎带；8-内护套；9-丝铠装；10-外护套本文中笔者主要对交联聚乙烯绝缘电力电缆的载流量计算问题进行了探讨。2.3.3 采用热路模型计算电力电缆载流量单芯XLPE电力电缆通常包括绝缘层、铝线芯、金属屏蔽层、外护层以及内衬层等部分。进行此电缆热炉模型构建时，应该重点考虑以下几点：1.热力模型的热源；2.热量从热源中如何散发，如何传播；3.对于热量传播而言，电力电缆的组成部分能够起到什么作用；在电力电缆中，线芯是最主要的发热体，此外，电缆本身的损耗也是一种热量散发，如果电缆外部设有铠装层，还会有铠装损耗，因此，电力电缆的热力模型应该具备解释损耗、线芯、铠装损耗以及金属屏蔽损耗等热源。在线芯热量散发过程中，要经过所有介质损耗的部分，金属屏蔽损耗产生的热量要经过其他介质层的热量，而铠装层损耗而散发的热量则只经过外护层。由于线芯的材质是由铜、铝等热的良导体，因此，其热阻可以忽略，只对线芯的热熔进行考虑；绝缘层不仅可以储存热量，还可以对热量传播形成阻碍。因此，金属屏蔽层和内衬层也可以只考虑热阻和热容。下面对热力模型和电路中的物理量进行对比，为下文的计算分析做准备。表2-1 热路模型和电路相关物理量对应表根据电力电缆热源的性质差异，能够将热源进行分类，主要分为两种：外部环境的恒压源和内部热源的恒流源。下面笔者采用参数法对两种热源进行建模，并采用ICE计算标准进行热炉模型计算，具体见下图3.3。图3.4 电力电缆暂态热路模型在上图中，T1到T4指的分别是等效绝缘层热阻、等效内衬层热阻、等效外护层热阻以及等效外部环境热阻；分别表示这些部位的温度，以及单位长度的下导体功率、介质、金属屏蔽、铠装损耗因数；Q1到Q4分别代表以下内容：Qc, Qi, Qs, Qcp, Qj分别指的是导体、绝缘层、内衬层、铠装、外护层热容；p和p分别表示绝缘层和外护层的热容分配比例因数；Di指的是绝缘层直径, dc指的是导体直径,De指的是电缆外径, Ds指的是外护层内径。综上所述，我们可以得知，热流与电流相对应，在模型中，热流是恒流源，但有时会发生突然的改变。温度与电压相对应，相当于模型中的恒压源。但不会发生改变。热阻与电阻相对应，对热量的传播起到阻碍作用。热容与电容相对应，能够存储热量。综合考虑，绝缘层既相当于热源，还能够储存热量，并能够对热量的传播起到阻碍作用。如果将长度一定的介质损耗分为两部分，换言之，就是绝缘层只能对一部分介质损耗热量传播阻碍，其大小为 ，剩余部分的介质损耗经过绝缘层，职能对外部层面造成影响。通过对热路模型的分析，可以得出，当热流增大时对各层的温度都会造成影响。如果电缆外部环境不利于散热通风，可能会引起环境温度的升高。当线芯的温度达到其运行的最高温度时，热流为环境最高温度下电缆所能承受的最大电流。当电缆温度未升高时，对电缆各层温度的计算可以忽略热容。所以，这时热容对热量的吸收和散发是平衡的。在稳态情况下，电力电缆的热路模型见下图2-5。图2-5 电力电缆稳态热路模型结合图2-4中的电力电缆稳态温度，基于以上热路模型以及电磁学中物理量的对应，可得出电力电缆在稳态时的热流、温度以及热阻的关系式：同时还可以得到电力电缆其他各层的温度表达式：2.4 电缆故障在线监测方法对于运行过程中的电缆绝缘情况监测而言，在线监测是较为有效的方式。在对电缆绝缘老化的原因充分了解，结合实际环境对电缆绝缘老化的影响因素进行分析，并积极采取在线监测手段，对交联电力电缆的绝缘状况做到动态掌握，发现其中问题从而制定相应的措施解决事故问题，对于电网供电的安全性和可靠性有着极其重要的现实意义。这种在线监测方法有着以下几方面优点：第一，在对电力设备进行检测时，不会影响到电网正常运行，也不用断开电缆网络的接点和回路；第二，通常情况下，测试的接地点为电缆接头处，对于系统的运行环境和性能不会造成影响；第三，在进行长电缆检测时，可以通过增加测点来增加故障检测的准确性；而且系统不需要加设检测电缆，采用无线通信，对于电缆线路的检测长度没有限制。传统的电缆故障在线监测方法有以下几种。（1）直流叠加法这种方法的基本原理就是在变压器的母线处或中性接地点，利用电压互感器在电缆绝缘交流相电压之上叠加低压直流电源，利用高压电容对交流高压电在直流电源中的影响进行控制。通过对电缆中直流电流的绝缘电阻测试，从而达到在线检测电缆的目的。这种方法在10kv和10kv以下的中压电缆应用较为有效，但对于但却无法加载到变压器中性点直接接地的110kW220kv高压电缆上。除此之外，对于线路对地电晕放点的在线监测有着极其重要的影响。（2）直流成分法已发现，当运行中的电缆绝缘中包含水树脂时，在铜屏蔽和导体芯之间存在着小直流成分，而且这种现象是由绝缘中的水树裂化而引发的。通过对直流成分的测量，绝缘老化作为水树的检测是成立的。这种方法的基本原理就是对电缆中存在水树时的整流效应加以利用。在负半周期情况下的外施电压中，通过尖端到绝缘，水树枝注入了大量负电荷，而在正半周期情况下，其正电荷注入较少，只能对一部分负电荷进行中和。在电缆的运行工频电压下，居于水树枝尖端的大量负电荷逐步转移，进行出现直流成分，但其数值相对整流作用而言较小，只有几十纳安。水树枝的发展能够增加泄露电流，从而降低交流击穿电压，对电路造成劣化作用。直流电压叠加法的原理是当对运行中绝缘逐渐劣化的电缆施加低直流电压时，将产生与劣化程度相应的直流电流。由于在电缆运行中，直流成分是固有的特性，因此，这种方法适用于中、高电压等级的电力电缆监测。（3）局部放电法就局部放电而言，实行监测的主要目的就是为了采集终端头和附件等局部的放电量。通过小波理论和信号处理系统将电缆的局部放电量从干扰信号中分离出来。在水树枝引发的初始阶段，局部放电量为通常为0.1 PC。电力电缆的绝缘程度是影响电力电缆局部放电量的在关键因素，当局部放电量值呈现浮动趋势时通常意味着电缆绝缘存在危机电缆安全运行的影响因素。在国内外地大多数权力机构如CIGRE、IEC等都对局部放电试验是衡量绝缘电力电缆绝缘程度的重要指标持肯定态度。由于电力电缆在在线监测室是一个包含了多种以电容机、发电机以及变压器为中心等相关电器设备的电力系统。在电力系统的构成中还包括多种波形复杂、信号较大的外界电磁干扰声和北京噪音。以电力系统包含的发电机为例，其局部的放电量通常高达几千个Pc，而且波形复杂，频域宽广。因此，从中提取电力电缆绝缘裂化信号很容易覆盖在干扰信号下。（4）低频重叠法又叫差频监测法，是在工频交流电压下叠加低频电压，观察所产生的超低频水树变化特征电流信号，但低频信号加载位置有考究，会导致测试可靠性不高；同时考虑到在输电运行现场叠加低频的操作不方便或是不允许的，所以此方法只在停电时可以使用，不适用于在线监测。2.5局放监测技术在线监测及诊断的任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态作出报警，以便运行人员及时处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。采用此项技术有下列好处： 1）减少维护费用 我国目前采用的方法是定期的停电试验、检修和维护。定期试验需安排停电计划，到期必修，没有充分考虑设备实际状态，导致不少超量维修，造成了人力及物力的大量消费；而状态监测以状态为基准，在线监测，取代了定期试验，维护费用可降低40%。 2）避免故障发生 定期试验不能及时发现设备内部的故障隐患，而且停电试验施加低于运行电压的试验电压，对某些反映也不够灵敏；在线监测采用更高灵敏度的传感器以采集运行中设备绝缘劣化的信息，信息量的处理和识别也依赖于有丰富软件支持的计算机网络，不仅可以把某些测试项目在线化，而且还可以引进一些新的更真实反映设备运行状态的特征量，从而实现对设备远行状态的综合诊断。 3）对设备性能进行评估 通过状态监测对设备运行状态进行的了解和掌握，可对设备的使用性能、运行寿命、利用程度进行评估以便调整使用，从而提高经济效益。 （1）DM6000GIS在线监测技术GIS除进出线套管外没有外露的带电部分，采用SF6气体绝缘，可靠性较高，检修少，但通过发展外部诊断、在线监测可减小不必要的拆卸检修工作量，大大提高了设备的运行效率。DM6000型局放在线检测系统采用超高频检测技术、高灵敏度传感器、信号现场处理、内置专家数据库、Web后台处理软、因特网接入技术等技术进行远程实时在线监控和分析。具有极高的性价比，非常适合在无人值守变电站运行。该局部放电电缆温度监测和寿命评估系统能够长期运行，实时监测GIS 在运行过程中的局部放电情况，可以及时对GIS 绝缘异常状态和放电性故障做出预警，实时掌握局放的发展趋势，为GIS 正常运行提供必要的指导数据，提高GIS 运行的可靠性、安全性和有效性。该系统采用集成模块化设计，将信号采集单元、信号处理、A/D 转换、干扰过滤、数据处理、放电量显示等集成在站端监测模块中，每个站端监测模块可独立运行，数据分别记录，通过一条数据通讯总线将多台站内监测模块（最多256台）的数据传输后台分析软件系统上统一管理分析。能通过互联网进行远程传输和实时监控，对局部放电信号的强度，密度进行实时在线分析。对局部放电倾向性的推移进行实时监控和分析，对放电程度进行评估，避免重大事故发生。系统独特的多重抗干扰设计，以确保检测的结果准确，避免误判。硬件上设计噪音过滤通道，用来过滤现场噪音，净化信号采集环境；对特定波段的杂音信号增加了带阻滤波器。软件 -通过软件设置动做级别和标准密度设定，分离噪音干扰信号系统设计智能分析信号，通过对信号的波形、相位特征的判别，自动区分干扰信号实现声光报警，同时系统自带大量标准数据模型，系统对现场传感器采集的信与系统内部自带的标准数据模型对比分析，大大提高检测结果的可靠性。（2）局部放电监测原理局部放电发生时，电磁波的信号根据GIS 结构反复进行传播、反射、折射、迟延、衰减等现象，通过盆式绝缘子（绝缘件）放射到外界。通过GIS 绝缘子泄漏的电磁波，通过高灵敏度内置型或外置型传感器，进行检测。通过传感器检测GIS内局部由放电激发的电磁波信号，对监测到的电磁波信号经由检波器、射频前置放大器和滤波等环节后，由高速数据对模块经过采样、数字信号分析以及存储等过程，由现场检测单元对其进行相关处理，结果数据以光纤为媒介传至主处理器单元；最后由主处理器单元的故障诊断系统根据从现场监测单元送来的的数据，建立故障模式数据库来诊断GIS的绝缘程度，同时整合多途径的放电指纹特征相关数据；将过去检测的局部放电测量数据存储于主处理器单元上可以随时为工作人员提供参考数据查询。GIS局放超高频检测原理如下图所示：图2-6 GIS局放超高频检测原理处于正常运行状态下，系统可时时对GIS的状态进行监测，并通过故障诊断系统对其的存在状态随时跟踪判断。当GIS状态发生异常时，该系统及时同步采集故障信息、处理故障部位，完成在线的分析、计算、数据传输、报警、统计以及存储等环节。（3）DM6000GIS局部放电电缆温度监测和寿命评估系统组成组成系统由后现场传感器，前置监测仪 ，台监视系统三大部分组成。图2-7 DM6000GIS局部放电电缆温度监测和寿命评估系统组成系统采用分层分布式结构，由传感器、前置机和后台机三部分组成。传感器完成对监测设备的测量，将信息量送到前置机进行集中分析、显示以及告警，并将数据上传到后台机进行全面的监视和分析。这种结构不仅使整套系统的结构非常清晰和简洁，也使得各子系统功能完整独立，任何一个监测单元异常不会影响其它设备正常工作。采用统一的RS-485数据接口规范，大大提高了系统的兼容性和可扩展性。2.6 电力电缆仿真模型2.6.1 仿真建模工具和数值分析工具的选择用于电力系统暂态分析的仿真工具主要有ATP(EMTP的改进版)、PSCADEMTDC、MA=兀AB等等。ATP(Altemative Transient Program)是普遍应用的电力系统电磁暂态和机电暂态仿真程序，复杂的网络和任意结构的控制系统都可以用它来仿真。经过20多年来的不断发展，ATP具有模型的可扩展性和兼容千牛除暂态计算外还有一些重要的附加功能。主要的组件有：耦合和非耦合线性集中参数元件；频率相关的分布参数输电线路和电缆模型；变压器、避雷器等非线性元件；常规开关、时间相关开关及电压相关开关等；二极管和晶闸管等阀体；三相同步电机和通用电机等。PSCAD(Power System Computer Aided Design)功能强大、应用灵活，是业界有名的仿真工具EMTDC的用户界面。它使用户能够在一个集成的图形界面下实现电路图连接、仿真运行、结果分析及数据管理等功能，还包含了在线打印图形功能和控制、测量模块。PSCAD有一个事先编好的并经过测试的模型库，从简单的无源元件和控制模块到电机模型、FACTS设备、输电线路和电缆等复杂的模块都包含在主模型库中，可以很方便地直接调用。当现有的模型不能满足需要时，还可以自定义特殊模块。EMTDC(Electro magnetic Transients including DC)是进行电力系统电磁暂态仿真的强大工具，是PSCAD的仿真引擎。EMTDC的仿真结果以时间瞬时值的形式给出，这点与常规的相量仿真引擎不同，后者以相量的幅值和相角方式给出结果。但可以用PSCAD的内置工具将瞬时值结果转换为相量值的形式。MATLAB是强大的科学计算工具，它的语言简洁易用，内置了几十个工具箱，为不同领域的科学研究和科学计算提供了有力工具。它的电力系统模块库(PowerSystem Blockse0可以进行复杂电力系统的建模和稳态、暂念计算，同时它的小波分析工具箱(Wavelet toolbox)可以很方便地进行数掘分析处理。但MATLAB中没有合适的电力电缆模型，不能用MATLAB来仿真，因此本文只用作数据处理。由于条件限制，只能选择PSCADEMTDC和MATIAB，同时又由于MATLAB65中没有合适的电缆模型，最终选择了PSCAD作为仿真建模工具，MATLAB65作为数据分析和波形处理工具。2.6.2 PSCAD中频率相关模型的选择PSCAD中有三类基本的输电线路和电缆模型：Pl型等值、Bergeron模型和频率相关线路模型。PI型等值线路模型只用到基波阻抗，即使使用多个PI型等值模型，也不能准确描述除基波频率外的其它频率特性，也不能描述线路的频率相关特性如集肤效应等。Bergeron模型用分布参数方式来代替PI型等值线路中的LC元件，但电阻仍然是集中参数的。它同样适用于只关心基波频率的情况。频率相关线路模型考虑到所有频率相关的参数，用模量分析技术(Modal techniques)和相域(Phase domain)处理技术进行求解，能准确地描述线路模型在很大频率范围内的特性。用这种方法只需要电阻、半径等导体的属性和电缆走廊的几何参数便可以建立电缆模型，内置的输电线路和电缆常数例程(Transmission Line and Cable Constants Routine)即可自动求出线路的参数并输出到文件。本文研究对象是较高频率的暂态行波信号，且频率的范围较大，故只能选择频率相关模型。PSCAD中的频率相关模型又有两种：Frequency Dependent (Mode)Model和Frequency Dependent(Phase)Model，前者简称Mode模型，后者简称Phase模型。对于理想换位的线路，两者求出的结果是一致的。对于非换位线路，Phase模型比Mode模型更准确。2.6.3 电缆系统仿真模型的建立本文主要研究对象为故障暂态信息，同时要研究行波在电缆线路中的传播特性和反射特性，所以建立一个带分支电缆的系统，如图2-8所示。仿真系统模型中，电源端为S1、S2、S3端，电源设计为理想电源，起始相角为00；负荷端为L端，在负荷端和电源端均有变压器T，变压器接线均为/Y型联接，其中性点可以设置为直接接地或不接地。用两个独立的电缆模型(电缆1和电缆2)束模拟一条电缆线路发生故障的两段，节点F为故障点，改变电缆1、2的长度，维持二者总长不变，即可实现不同故障位置的仿真分析。实际应用中较长的电力电缆都是分段的，每段之间用电缆中间接头连接，因此会产生阻抗不匹配点，但在设计施工中已考虑到这些影响，尽量使中间接头和电缆的材料阻抗特性一致，其影响在此忽略不计。在节点F设置一时间控制开关，满足在不同时刻发生故障的要求，F为一个故障模块，可以模拟不同的故障类型。在节点B采集故障暂态信息，进行处理分析。图2-8电缆系统仿真模型接线图第三章 系统结构设计3.1基本概念和原理传统现场温度检测的主要方法是在被测物表面涂一层随温度变化能改变颜色来大致确定其温度范围，这种方法准确度低，可靠性差，不能进行定量测量。主要的温度仪表，如热电偶、热电阻及辐射温度计等在技术上已经成熟，但是，它们只能在传统的场合应用，尚不能满足许多领域的要求，尤其是高科技领域。国内目前在线设备温度监测应用较多的是光纤式温度传感器和红外测温传感器。光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在70年代初生产出低损耗光纤后，在通信技术中用于长距离传递信息。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场等）的作用而间接或直接的发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量，这就是光纤传感器的基本原理。但是光纤是石英制品，非常容易被外力损伤折断，在安装过程中会受到环境条件限制，且操作和发射波长检测方法比较复杂，在使用上有一定局限性。（1）红外测温技术红外线辐射是一种广泛存在于自然界的电磁波辐射，它的存在是针对任何常规环境下物体产生的自身原子和分子的不规则运动，以辐射除源源不断的红外能量。通常情况下，原子和分子运动的剧烈程度决定辐射能量的大小。即远足与分子运动剧烈程度高时辐射能量愈大，反之，辐射能量小。一般认为，绝度温度在零度以上的各种物体，都会因自身分子的不断运动而释放红外能量，而物体的红外辐射能量和波长分布主要受物体温度、辐射波长、环境、材料以及表面的粗糙度等因素的共同作用。红外测温传感器的制作原理就是根据物体发出的辐射能量，对物体表面温度进行分析判断。与接触式测温方法比较而言，红外测温的主要优点是安全、不用直接接触、使用寿命长、响应时间极短等特点。根据红外测温仪器的应用可以将其划分为三大类即红外测温仪（主要包括扫描式、便携式和在线式三种）、红外热电视、和红外热像仪。经试验适用于高压设备的是在线式红外测温仪。就目前的发展趋势来看，最为普及的红外测温仪是基于光学系统形成的，集合显示输出、光电探测器、信号处理器以及信号放大器中部分共同组成。光学系统通过将目标红外辐射能量聚集在观点探测器上，经过处理使之转化为电信号，而该信号经过系统的分析换算转化为目标物的温度值，通常情况下的测量精度往往小于1度。一般情况下我们对红外测温仪的选择是根据设备价格、设备尺寸、显示和输出、环境条件、光学分辨率、测量精度、响应时间、测温范围地鞥因素综合考虑衡量的，其中测温范围是选择红外测温仪的关键指标，不同类别的测温仪都有自身特定的使用范围，不能过宽也不能过窄。正常情况下，测温范围越宽，监控温度的输出信号分辨率就越不精确，相反，测温范围越窄，测量越精确。若目标设备的尺寸大于市场的50%时，测温仪受到测量区外地影响程度就越小，结果也就越精确，一般选择单色测温仪，反之，若目标设备小于视场范围，适宜现则双色测温仪，因为其对温度的测量师很据两个独立波长袋内红外辐射能量的比值决定的，所以，当目标设备较小时，不能充满现场即使在测量的过程中存在阻挡、烟雾、和尘埃等减弱辐射能量的影响因素时，仍能确保测量的精度；由于不同设备的材料表面特性和发射率的差异性，测温仪的光谱随之也不尽相同。如对高温金属材料测量的最佳波长是红外，一般选用0.81.0m，短波为宜；响应时间是反应红外测温仪对怒表温度变化的时间。响应时间通常受显示系统的时间常数、光电探测器和信号处理电路的共同影响。在测量快速加热的目标时，往往以选用快速响应红外测温仪为宜，否则由于达不到预期的新型号响应程度，影响测量的精确度，而对目标热过程或静止物体存在人惯性的状况时，对测温仪响应时间的要求就没有那么苛刻了；光学分辨率是指测温仪探头到目标距离和被测目标直径的比值，也就是视场。若受环境条件限制与目标保持一定的距离，对于小木的测量，往往选择光学分辨率高的测温仪为宜。光学分辨率测温仪的成本相对较高，对于焦距一定的测温仪，其处于光学系统的焦点是光斑的最小位置处。为了可以在接近和原理焦点的距离上测量目标的精确温度，被测目标必须大于交点处的光斑尺寸。由于变焦测温仪含有一个最小的焦点位置，根据目标距离对焦距进行适当的调节。此外对于存有易燃气体的环境时，通常选用安全型红外测温仪为宜。需要指出的是红外测温仪必须经过校准试验才能精确地显示被测目标的温度，特别注意的是，必须对仪器进行定期的检修，而且在实际使用过程中，试验人员必须通过不断的使用掌握测试经验和技巧，消除结果的误差，避免错误结果的出现。（2）红外传感器的选择目前常用红外传感器分有源和无源两种，光学分辨率也各不相同，从1：2的小视场模糊传感器到30：1的大视场精确传感器都有各自的适用情况。在变电站发电厂内安装温度监测系统，抗干扰性是一个重要指标，为提高系统安全性，在系统中都采用无源传感器。美国Exergen公司研制的符合热电偶热电关系的红外测温探头（IR-t/c），是将最新的红外技术与热电偶测温原理结合，形成一体化的产品。这是一种全新概念的温度传感器，它可以将测得的热辐射能转换成K，E及T型热电偶热电势输出，即可与目前普遍采用的热电偶输出信导设计的显示，调节仪表相连接。根据本系统要求，选用Exergen公司的IRt/c.03型红外传感器及超小型IRt/c红外传感器，其技术特点是：IRt/c.03 IRt/c测温范围：-45290 测温范围：-18524环境温度：1870 环境温度：-2100温度分辨率：0.1 温度分辨率：0.1精度：±2 精度：±2距离系数：3：1 距离系数：1：2输出信号：K型热电偶 输出信号：K型热电偶电源：无需外接电源 电源：无需外接电源波长范围 6.5 - 14m 波长范围 5 - 14m输出阻抗 4-8 Kohms 输出阻抗 20-60 Kohms3.2 设计原则与依据（1）设计原则在对整个系统进行方案设计时遵循：“技术先进，实用可靠，扩展性好，有利管理，投资合理”的原则。1）先进性系统的规划一定要兼顾眼前和未来的应用需求，要用长远的眼光，以保证规划的科学性、先进性，保证所选用的硬件设备和软件系统的实用性和先进性，并具有较长的生命周期和先进水平。通过系统的二次开发和整体集成，使建成后的系统在国内居于领先水平，并在系统实际运行过程中，建立科学化、现代化管理的运行机制。2）稳定性和可靠性无论从系统从结构上、产品性能上、设备的选型上还是到具体的实施方案，都要考虑到系统的稳定性和可靠性，并且在系统集成过程中对硬件设备安装、操作系统应用、网络连接、数据库设计将尽可能完善的做出故障检测、诊断及处理策略，以保证系统的稳定性和可靠性，确保系统正常、稳定、可靠、连续地运行。3）开放性系统设计应充分系统的开放性，除了保证系统内部之间的有机协调和开放性之外，应留有面向外部系统的标准接口，以实现与其它子系统之间的数据交换，保证系统的不断扩展。系统设备选型遵循有关国际标准、国家标准和行业标准，使系统具有高度的开放性和技术上的兼容性，系统间应具有良好的互联、互操作能力。4）可操作性界面友好，充分考虑操作人员的特点，使数据处理工作简单、方便、快捷，业务流程清晰，符合常规业务处理习惯。系统数据维护方便，备份及数据恢复快速简单。5）可扩展性系统设计不但要保证目前系统容量的要求，也要考虑今后系统的发展，便于向更新技术的升级与衔接。要留有足够的扩充余量，考虑到今后业务的发展，系统在设计时必须考虑扩展性需求。本方案设计的系统可扩展性体现在以下几个方面：数据的可扩展性：随着系统功能的增加，原有数据和新增数据可以无缝融合，无需对原有数据结构作重大修改。功能的可扩展性：未来系统增加的功能可以和原有功能紧密结合，无需对现有系统结构重新设计。性能的可扩展性：当系统负载增加时，可通过对系统现有设备增加硬件数量或升级系统以提高系统的性能，无需更换现有设备。系统结构易于扩充，以适应今后可能出现的较大任务负载。系统设备及软件向下兼容，以保护系统的原始投资。6）易维护性具有强有力的系统管理手段，可方便地对系统资源进行集中配置与调整。系统应支持集中、统一的管理视图和图形化管理界面，能够实时监视设备的工作状况。系统各部分均采用模块化结构，各自具有相应的软硬件自检、故障诊断和安全保护措施，并有利于用户从事简单的现场维护。7）安全性和规范性系统设计应充分考虑信息资源的共享，考虑信息的保护和隔离，对不同的应用和不同的环境，采取相应的措施对系统和数据进行保护。系统建成后，除提供详尽的用户手册和操作手册外，在技术上提供先进的、可靠的、全面的安全保密方案和应急措施，从人机界面设计、应用软件参数变更、系统设备自动检测、拒绝非授权访问、系统恢复能力等方面，确保系统万无一失。设计的规范性主要体现在系统的接口规范、数据规范、服务规范和操作的规范性，这些规范可对前期建设系统的数据结构、发布方式提供一个统一的规范，为未来的业务模块留有转换接口和软件。（2）设计依据本设计方案除了有关用户需求及规范外，还遵循或参考以下规范和标准：IEEE国际电气与电子工程师协会IEC国际电工委员会ISO国家标准化组织A