穿管电缆热力场分布特征动态反演方法及系统与流程

本发明涉及电力系统电缆状态监测，具体涉及穿管电缆热力场分布特征动态反演方法及系统。

背景技术：

1、埋地穿管电缆在运行过程中，电缆导体电流通过电缆导体产生焦耳热，热量沿电缆导体、绝缘层、护套、管道内空气、管道外壁和周围土壤逐级传递。对于110kv及以上高压穿管电缆，穿管电缆通常敷设于高密度聚乙烯管道内，管道外侧由非均匀土壤包覆。该敷设结构使热量从电缆导体向外部环境传递的同时受到载流变化、管道内空气换热、土壤温度、周围介质湿度和土壤蓄热状态影响。

2、现有穿管电缆热力场分析通常采用有限元仿真、暂态热路模型、基于护套外表面温度的缆芯温度反演模型或者基于神经网络的温度估计模型。有限元仿真能描述局部结构的热传导过程，但通常依赖预设材料参数和预设边界条件；暂态热路模型计算速度较快，但当土壤含水状态变化、管道内空气换热变化或者短时过载发生时，预设模型参数难以及时反映实际传热路径变化；基于护套外表面温度的反演方法能利用测温数据估算内部温度，但反演关系通常依赖固定映射；基于神经网络的温度估计模型能利用运行数据获得温度输出，但若缺少与物理边界条件相对应的在线修正路径，模型输出误差在多步预测中容易累积。

3、穿管电缆热力场动态反演并非单一温度点估算问题，而是载流发热、径向传热、管道换热、土壤蓄热和测量反馈共同作用形成的时变边界反演问题。载流突变造成高频热冲击，周围介质湿度变化造成外部热阻慢变，土壤温度日变化造成低频迟滞，三类变化的时间尺度不同。如果使用同一尺度的特征提取方式或者固定边界条件，短时热冲击与长周期蓄热会被混合为同一误差来源，模型难以判断误差来自载流波动还是传热边界变化，进而导致热力场空间分布参数偏离实际运行状态。

4、因此，需要一种能将实时运行参数、环境参数和护套外表面温度监测数据统一纳入动态反演过程，并将预测残差转化为边界条件修正系数的穿管电缆热力场分布特征动态反演方法及系统，使穿管电缆热力场空间分布能随载流状态和外部散热条件变化而更新。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供穿管电缆热力场分布特征动态反演方法及系统，本发明要解决的技术问题在于：现有穿管电缆热力场分析在复杂敷设环境下依赖固定边界条件或者固定映射关系，不能将护套外表面温度监测数据形成的预测残差转化为物理界面的边界条件修正量，导致热力场空间分布参数在载流突变和土壤湿度变化条件下产生累积偏差。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、提供穿管电缆热力场分布特征动态反演方法，包括：

4、获取穿管电缆的实时运行参数和环境参数，对所述实时运行参数和所述环境参数进行同步校正与时间戳对齐，生成时序特征数据集；

5、将所述时序特征数据集输入多尺度时序卷积网络架构，通过感受野递增的第一时序卷积层、第二时序卷积层和第三时序卷积层提取所述时序特征数据集中的载流热冲击特征、介质热扩散特征和土壤蓄热迟滞特征，输出初始预测状态向量；

6、获取护套外表面温度监测数据，计算所述护套外表面温度监测数据与所述初始预测状态向量中护套外表面与管道内空气界面预测温度维度之间的预测残差，并根据所述预测残差辨识得到边界条件修正系数；

7、利用所述边界条件修正系数对所述多尺度时序卷积网络架构中对应物理界面的网络权重进行缩放调整，并在所述预测残差的绝对值在连续预设数量的采样周期内未出现下降的持续不下降条件时执行学习率衰减和卷积核剪枝，得到时域动态反演模型；

8、利用所述时域动态反演模型输出未来预测时域长度内的热力场空间分布参数，对所述热力场空间分布参数执行离群点检测和温度阈值判定，输出分级预警信号。

9、进一步地，生成所述时序特征数据集包括：采集电缆导体电流和导体电压形成所述实时运行参数；采集管道内空气温度、土壤温度和周围介质湿度形成所述环境参数；为所述实时运行参数和所述环境参数附加绝对时间戳，剔除时间戳偏差超过同步偏差阈值的数据段，将对齐后的参数按照采样周期拼接为覆盖历史时间窗的所述时序特征数据集。

10、进一步地，所述第一时序卷积层以第一卷积核长度和第一步长输出第一特征图，所述第二时序卷积层以大于所述第一卷积核长度的第二卷积核长度和大于所述第一步长的第二步长输出第二特征图，所述第三时序卷积层以大于所述第二卷积核长度的第三卷积核长度和大于所述第二步长的第三步长输出第三特征图，所述第三特征图经全连接映射生成包含多个物理界面预测温度的所述初始预测状态向量。

11、进一步地，对所述第一特征图、第二特征图和第三特征图执行时间维度对齐，使所述第一特征图、第二特征图和第三特征图的时间序列长度一致；将时间维度对齐后的所述第一特征图、第二特征图和第三特征图于通道维度拼接，并输入残差连接单元进行跨层融合，融合后的特征用于生成所述初始预测状态向量。

12、进一步地，根据所述预测残差辨识得到所述边界条件修正系数包括：

13、当所述预测残差的绝对值超过容差死区时，提取由所述时序特征数据集和所述初始预测状态向量形成的回归向量、由所述预测残差形成的测量输出、上一时刻参数估计向量和上一时刻协方差矩阵，采用递推最小二乘法更新当前时刻参数估计向量；

14、所述回归向量包括按维度顺序排列的电缆导体与绝缘层界面预测温度特征、绝缘层与护套界面预测温度特征、护套外表面与管道内空气界面预测温度特征、管道外壁与周围土壤界面预测温度特征；

15、所述当前时刻参数估计向量为与所述回归向量维度对应的四维参数估计向量；

16、将收敛后的所述当前时刻参数估计向量按维度顺序分解并经边界条件修正系数限幅处理，得到分别对应电缆导体与绝缘层界面、绝缘层与护套界面、护套外表面与管道内空气界面、管道外壁与周围土壤界面的多个所述边界条件修正系数。

17、进一步地，当所述周围介质湿度在环境判定时间窗内的变化率超过湿度变化率阈值，或者所述土壤温度在所述环境判定时间窗内的变化幅度超过温度变化幅度阈值时，下调递推最小二乘法中的遗忘因子，并缩短递推计算数据窗口。

18、进一步地，利用所述边界条件修正系数对所述多尺度时序卷积网络架构中对应物理界面的网络权重进行缩放调整包括：建立所述边界条件修正系数与所述第一时序卷积层、所述第二时序卷积层和所述第三时序卷积层中目标通道权重矩阵之间的界面映射关系；按照所述界面映射关系将所述边界条件修正系数作为比例因子与所述目标通道权重矩阵进行逐元素乘积运算。

19、进一步地，执行所述卷积核剪枝包括：计算所述多尺度时序卷积网络架构中一维卷积核权重矩阵的绝对值累加值；当目标一维卷积核的所述绝对值累加值在剪枝统计窗口内持续低于剪枝阈值时，将所述目标一维卷积核标记为冗余卷积核；将寻址映射表中指向所述冗余卷积核输入特征图和输出特征图的内存基地址指针置空，并在后续前向传播中跳过所述冗余卷积核对应通道的乘加运算。

20、进一步地，输出未来预测时域长度内的所述热力场空间分布参数包括：将当前预测步长输出的所述热力场空间分布参数经特征维度映射后作为预测状态特征拼接至所述时序特征数据集尾部，并将对应预测步长的实时运行参数和环境参数采用最近有效值、计划载流值或者环境预测值补齐至对应输入通道，剔除最旧时刻数据，形成更新后的时序特征数据集；将所述更新后的时序特征数据集再次输入所述时域动态反演模型进行下一预测步长计算；对每一预测步长输出的所述热力场空间分布参数进行指数加权移动平均校正。

21、进一步地，输出所述分级预警信号包括：对所述热力场空间分布参数执行格拉布斯离群点检测，生成检测判定结果；当所述检测判定结果表征存在离群异常且所述热力场空间分布参数中的最高温度预测值达到第一温度阈值时，输出第一等级预警信号；当所述检测判定结果表征存在离群异常且所述最高温度预测值达到高于所述第一温度阈值的第二温度阈值时，输出第二等级预警信号。

22、进一步地，获取所述实时运行参数和所述环境参数时执行双通道冗余传输：轮询主通信通道的物理层连接状态；当所述主通信通道发生连接断开或丢包率越限时，唤醒备用通信通道；在通道切换期间缓存未发送的所述时序特征数据集，并在所述备用通信通道建立连接后按照时间戳顺序发送缓存的所述时序特征数据集。

23、进一步地，还包括模型预热和模型版本回滚：在系统冷启动状态下，将同类型穿管电缆历史运行数据训练得到的预训练通用模型参数作为所述多尺度时序卷积网络架构的初始权重矩阵，并利用本地区域时序特征数据集对所述第三时序卷积层进行微调；当所述预测残差在回滚判定时间窗内持续超过回滚阈值且所述边界条件修正系数未收敛时，加载上一稳定状态的参数快照文件覆盖当前模型参数。

24、本发明还公开了穿管电缆热力场分布特征动态反演系统，用于执行如上所述的穿管电缆热力场分布特征动态反演方法，包括：数据采集模块、模型计算模块、边界更新模块、预测模块和预警模块；

25、所述数据采集模块用于获取穿管电缆的实时运行参数和环境参数，对所述实时运行参数和所述环境参数进行同步校正与时间戳对齐，生成时序特征数据集；

26、所述模型计算模块用于将所述时序特征数据集输入多尺度时序卷积网络架构，通过感受野递增的第一时序卷积层、第二时序卷积层和第三时序卷积层提取所述时序特征数据集中的载流热冲击特征、介质热扩散特征和土壤蓄热迟滞特征，输出初始预测状态向量；

27、所述边界更新模块用于获取护套外表面温度监测数据，计算所述护套外表面温度监测数据与所述初始预测状态向量中护套外表面与管道内空气界面预测温度维度之间的预测残差，根据所述预测残差辨识得到边界条件修正系数，并利用所述边界条件修正系数对所述多尺度时序卷积网络架构中对应物理界面的网络权重进行缩放调整；

28、所述模型计算模块还用于在所述预测残差的绝对值在连续预设数量的采样周期内未出现下降的持续不下降条件时执行学习率衰减和卷积核剪枝，得到时域动态反演模型；

29、所述预测模块用于利用所述时域动态反演模型输出未来预测时域长度内的热力场空间分布参数；

30、所述预警模块用于对所述热力场空间分布参数执行离群点检测和温度阈值判定，输出分级预警信号。

31、同时，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的穿管电缆热力场分布特征动态反演方法。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、本发明通过将实时运行参数、环境参数和护套外表面温度监测数据纳入同一动态反演链条，使穿管电缆热力场分布特征动态反演不再依赖固定边界条件或者固定映射关系。实时运行参数和环境参数经过同步校正与时间戳对齐后生成时序特征数据集，能减少不同采样链路造成的时间错配，提高输入数据与实际运行状态之间的一致性。多尺度时序卷积网络架构通过第一时序卷积层、第二时序卷积层和第三时序卷积层分别提取载流热冲击特征、介质热扩散特征和土壤蓄热迟滞特征，能降低不同时间尺度热变化混叠造成的预测偏差。护套外表面温度监测数据与初始预测状态向量形成预测残差后，预测残差被用于辨识边界条件修正系数，边界条件修正系数进一步按照界面映射关系缩放目标通道权重矩阵，使网络计算过程具备面向物理界面的在线修正能力。学习率衰减和卷积核剪枝能在预测残差持续不下降时抑制参数震荡并降低计算负载。递归预测、指数加权移动平均校正、格拉布斯离群点检测和温度阈值判定进一步增强热力场空间分布参数输出的连续性和分级预警信号输出的可靠性。