本文是一篇电气自动化论文，本论文通过对整个系统框架设计，明确需求了后续有硬件以及软件方面各种的功能设计。硬件包括传感器电路和通信电路；软件方面有服务器、显示界面、数据动态显示画图、数据后台处理以及数据库存储操作。
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
随着电力电缆规模的扩大，在一定程度上成为了不可或缺的输电设备，并在目前的电力系统中得到了非常广泛的应用[1]。与架空线路相比，电力电缆线路有着不可比拟的优势，由于电缆敷设所在环境的特殊性，所以电缆受外界大气条件以及周边环境的影响很小。电力电缆不会受到雷电、冰灾、鸟类、风筝诸如此类的干扰[2]。还有常见的绝缘子的闪络破碎，电线杆倾斜倒塌，以及因风速使得导线舞动而造成的输电线路的短路和接地事故[3]，因此电缆供电很可靠。随着城市的不断发展，供电基数越来越庞大，为了让城市更加的美观，电缆在城市的发展越来越迅速，对我们的日常生活已经有着不可替代的作用[4]。随着电缆数量的增多，随之带来的问题也日渐增多，根据不完全统计，电缆在运行过程当中出现问题主要有几个原因：一是随机性很强的外力破坏，二是相对电缆来说比较精密的电缆分接头，三是安装流程中不规范的操作[5]以及在生产电缆时不可避免的质量缺陷[6]。除去不可控的外力破坏，电缆发生故障的主要原因就是电缆分接头以及其他附件的原因[7]。一般来说，电缆的故障通常是由温度的异常变化引起的，所以对电缆以及附件进行实时的监测是必不可少的。
随着电力电缆敷设的规模的扩大，对电缆监测的各种性能参数和运行数据基数也将不断扩大[8]。并且还有些年代非常久远的电缆，这种电缆的绝缘问题不容忽视[9]。电力电缆运行过程当中的管理在过去是由电网公司负责的，他们会进行定期的检测和检修[10]，管理内容占主要的是电力电缆温度的测量，对电缆主绝缘的部分以及交叉互联的电力系统进行预防性的实验，以此来检测电力电缆是否在正常的工作。电力电缆线路最重要的参量就是载流量[11]，它指的是当电缆在100%负荷运行时电缆所能承受的最极限电流值[12]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
伴随着现代通信技术和监测终端技术的发展，电缆监测系统也在发展，通信方式从最初单一的方式向现在的多功能、智能化、模块化的方式发展，监测方式也由于现代的输配电监测设备，转变为通过监测设备来实现对电力系统运行安全和电能质量监控的研究[16]。
目前已经有国外发明了强大功能的电力系统综合监控设备，由加拿大的PowerMeasurement Ltd公司研发的高级电力综合监控设备[17]，具有全面的功能：采集、测量、控制、通信等。最近几年电缆在线监测系统研究与先进传感器、先进算法的研究结合在一起，日本的住友公司和韩国的LS公司均于2003年开发相关的电缆温度监控系统，这类系统的特点是将DTS（分布式光纤测温）、DCR（动态载流量算法）[18]与传统的监测单元（如环流、井水位、门禁等）集成在一个系统中，并包括局放监测。另外、德国的NKT电缆公司和加拿大的CYME公司也实现了仅集成DTS和DCR的监测系统[19]。
电力电缆载流量和温度场两者的计算方法已经有很多种，大体上可分为两种，数值法和解析法。解析法是将电缆模型建立成热路模型，构造出与电磁学类似的热路方程式，最终解出线芯温度[20]。而数值法是从传热学中热对流、热传导和热辐射的微分方程出发，利用数值计算的方法计算出结果。IEC-60287解析算法在原理上简单，尤其是在编程上非常容易实现一系列的特点[21-23]。
Eva Kroener[24]提出了一个耦合液态水、蒸汽和热流的数学模型，用以描述直埋电缆的热传输的现象。Lan Xiong[25]采用IEC-60287以及数值仿真法来计算电缆的温度，并且将数值法的结果与实际的温度测试结果相对比，相对误差仅为0.32%。ZiCheng Jin[26]对交叉连接聚乙烯电缆的温度场也进行了数值模拟。
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第2章电力电缆温度场分布仿真研究
2.1单根直埋电缆温度场与载流量计算
2.1.1单根直埋电缆有限元法
本文首先在最简单的电缆直埋方式下进行IEC-60287与有限元法的对比，证明有限元的准确性，最终构建电缆沟的模型图，应用COMSOL多物理场耦合软件来对电缆以及电缆沟进温度场的仿真[42-43]，并进一步分析电缆在不同的敷设方式，有无外部热源，以及环境条件的变化中，对电缆载流量的影响。根据电缆直埋敷设的标准，电缆距离地面距离最小不能小于0.7m，本文的电缆距地表0.7m，构造出几何模型。然后对材料参数进行设置，在磁场模块中对电缆铜导芯施加电流700A，在固体传热模块中对电缆表层温度设置为定值40℃，采用适应性强的自由三角形来成为单元的主体并进行网格划分，最后进行温度场的分析。
首先对电缆以及周边土壤进行网格划分，如下图所示，可见电缆的网格划分不均匀，是因为电缆结构中有着厚度非常薄的屏蔽层结构，此处COMSOL对其进行更紧密的划分，使之计算结果更为精确。
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2.2单回路直埋电缆温度场与载流量计算
单回路直埋电缆在水平排列时，电缆的参数与2.1完全相同，所用的物理模型只是在单根电缆的基础上变成3根，两两之间的距离为0.2m，且距离地表为1m。网格划分如下图2-7所示。
不考虑不平衡电流，先给电缆施加700A的电流，反复迭代使得电缆导芯温度为90℃，此时通过有限元方法得到电缆的载流量为837.5A，与IEC-60287所计算的结果(832.16A)非常接近。下图为仿真单回路电缆仿真的温度场。
在COMSOL中，对于二维物理模型的网格划分主要是自由三角形和自由四边形，还有特殊的扫掠划分等网格的划分方式。由于电缆沟模型十分规则，因此本文选用适应性强的自由三角形网格。在网格设置值当中，可通过预定义的9个尺寸等级进行网格划分，并且还可通过实际的物理情况进一步设置单元的大小参数。
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第3章电力电缆温度场在线监测系统设计与实现...........................19
3.1系统架构............................19
3.2系统硬件设计与实现........................22
第4章电力电缆温度场在线监测系统测试与应用...........................43
4.1温度传感器数值校准............................43
4.2湿度传感器数值校准..............................43
第5章总结与展望................................49
5.1总结...................................49
5.2展望................................49
第4章电力电缆温度场在线监测系统测试与应用
4.1温度传感器数值校准
由于厂家在生产传感在时，会因为工艺等问题导致传感在测量温度时出现一定量的偏差，为保证采集到的温度和实际环境温度的差值保持在一定范围内，在使用传感器时，本文主要使用以下两种方式减小误差：所使用的传感器使用同一批次、在使用传感器前对传感器进行校准。
温度校准是在直径为一密闭空间内放置多个温度传感器，传感器之间的距离不小于20cm，同时在此密闭的空间内放置红外测温仪，使用传感器和红外测温仪同时对密闭空间温度进行多次测量，记录传感器和红外测温仪的数值，在多次采集完成后，对数据进行求平均值处理，并记录数据。完成上述步骤后，多次改变密闭环境内的温度，再次重复上述步骤，将每次采集到的平均值与实际环境温度进行数据拟合，得到两者之间的关系，此关系将作为同一批次传感器的校准依据。
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第5章总结与展望
5.1总结
本论文从电力电缆载流量的解析法和数值法出发，介绍了IEC-60287的主要计算步骤以及数值法中有限元法的研究现状以及趋势。通过阅读大量的文献对电缆进行热路法的构建以及计算，并与有限元仿真下的结果进行对比，验证有限元法的有效性。由于IEC-60287不能分析结构复杂的电缆沟，所以用有限元法进行仿真分析，根据现场的电缆沟建立模型并通过参数设置以及一系列的网格划分最终计算出稳态温度场，最后分析了影响电缆沟载流量的主要因素。通过温度场仿真出区域最热点，对下一章节的传感器布点提供了理论依据。
鉴于实用性和经济性，本文设计了一套简易的电缆在线监测系统。通过对整个系统框架设计，明确需求了后续有硬件以及软件方面各种的功能设计。硬件包括传感器电路和通信电路；软件方面有服务器、显示界面、数据动态显示画图、数据后台处理以及数据库存储操作。并且研究了鲸鱼算法对电缆导芯温度的估算，在误差允许的范围内对导芯进行了精确的估计。在线监测系统的特点如下：
(1)有一定的容错处理，可以反复断线重连；(2)通过动态图来直观的显示温度场，并且具有数据记录存储功能，通过表格方式来呈现，每次采集到的信息都会实时更新到表格当中。并可通过历史的异常信息进行分析该时间段发生了什么。(3)系统软件采用开放、分布式的结构，采用模块化设计，来满足后期可能的增容和升级等需求。(4)在测试过程当中将测试结果与标准的温度计和湿度计进行对比，来验证传感器的精确性，并进一步分析误差产生的原因。
参考文献（略）