呂 楓，周懷陽(yáng)，岳繼光，何 斌

（1.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海201804）

纜系海底觀測(cè)網(wǎng)是近年來(lái)國(guó)際上提出的海洋科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，其主要由海岸基站、光電復(fù)合通信海纜、水下基站和觀測(cè)平臺(tái)等組成.纜系觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)壽命通常在25年左右，受該類海纜長(zhǎng)期絕緣性能的限制，其直流輸電電壓通常為-10kV以內(nèi)，而海纜總長(zhǎng)可達(dá)數(shù)千公里，因此可覆蓋較大范圍的海底區(qū)域.相對(duì)于傳統(tǒng)的船基科考方式，纜系觀測(cè)網(wǎng)可將較為充裕的電能從陸地持續(xù)輸送給分布在海底的大量科學(xué)儀器，因此可大大擴(kuò)展海洋科學(xué)觀測(cè)的時(shí)空尺度［1-2］.

由于體積受限和可靠性考慮，纜系觀測(cè)網(wǎng)采用的海纜及其分支單元（branching unit，BU）中無(wú)法安裝遙測(cè)和遙信模塊，因此其相對(duì)陸地電網(wǎng)具有較低的可觀測(cè)性，而特殊的地理位置又使其具有較低的可達(dá)性，導(dǎo)致維修周期很長(zhǎng).為提高觀測(cè)網(wǎng)的用能效率和運(yùn)行可靠性，須從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行模式和控制方式等方面綜合考慮，針對(duì)其物理架構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程電能監(jiān)控系統(tǒng)（power monitoring and control system，PMACS），實(shí)現(xiàn)類似陸地電網(wǎng)中能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）以及監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相關(guān)功能［3-4］.

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外有關(guān)纜系觀測(cè)網(wǎng)的研究尚處在起步階段，特別是針對(duì)其遠(yuǎn)程電能監(jiān)控技術(shù)的研究較少且無(wú)系統(tǒng).國(guó)外主要是美國(guó)華盛頓大學(xué)初步研究了觀測(cè)網(wǎng)的相關(guān)電能監(jiān)控方法［5-7］，針對(duì)早期提出的采用自治式BU的觀測(cè)網(wǎng)方案.國(guó)內(nèi)主要是浙江大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等單位初步研究和開發(fā)了PMACS控制器相關(guān)軟硬件［8-9］，但文中尚未涉及系統(tǒng)層面的研究.本文設(shè)計(jì)了觀測(cè)網(wǎng)PMACS的總體結(jié)構(gòu)，介紹了數(shù)據(jù)采集、負(fù)載管理和網(wǎng)絡(luò)分析三個(gè)子系統(tǒng)的主要功能和相互關(guān)系，研究了時(shí)間同步方案、供電優(yōu)化策略以及狀態(tài)估計(jì)和故障定位等網(wǎng)絡(luò)分析方法，可為未來(lái)國(guó)家海底觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考.

1 纜系觀測(cè)網(wǎng)PMACS的總體結(jié)構(gòu)

在纜系觀測(cè)網(wǎng)中，海岸基站內(nèi)的高壓直流遠(yuǎn)供設(shè)備（power feeding equipment，PFE）將陸地電網(wǎng)提供的工頻交流電能變換為恒定電壓的高壓直流電能后，通過(guò)主干海纜、BU和分支海纜輸送給各個(gè)水下基站.水下基站內(nèi)的高壓直流變換器將該高壓輸電電能（通常為-2～-10kV）降壓變換為觀測(cè)設(shè)備適配器（science instrument interface module，SIIM）所需的中壓配電電能（通常為300～400V），再由SIIM將中壓電能降壓變換為觀測(cè)設(shè)備（science instrument，SI）直接可用的低壓電能（通常為48V以內(nèi)）.因此，纜系觀測(cè)網(wǎng)的物理架構(gòu)如圖1所示.在實(shí)際工程中，須按照可靠性和經(jīng)濟(jì)性的原則，根據(jù)海底觀測(cè)區(qū)域的具體范圍和環(huán)境特點(diǎn)，合理選擇鏈?zhǔn)?、環(huán)式、兩端供電式或網(wǎng)型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

圖1 纜系海底觀測(cè)網(wǎng)的物理架構(gòu)Fig.1 Physical structure of cabled seafloor observatory networks

PMACS的核心功能是海底電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分析與控制.PMACS采集的數(shù)據(jù)有海岸基站、水下基站和SIIM的供電狀態(tài)（包括電壓值、電流值和開關(guān)狀態(tài)），以及各海底設(shè)備內(nèi)部的多點(diǎn)溫度值、濕度值和壓力值等環(huán)境參數(shù).PMACS根據(jù)采集的電力系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合海底電網(wǎng)實(shí)際數(shù)學(xué)模型，通過(guò)狀態(tài)估計(jì)和故障定位等網(wǎng)絡(luò)分析功能，估計(jì)運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)測(cè)運(yùn)行趨勢(shì)和提供運(yùn)行對(duì)策，并控制所有內(nèi)部負(fù)載和外部負(fù)載的供電，從而提高觀測(cè)網(wǎng)的用能效率和運(yùn)行可靠性.

從結(jié)構(gòu)上看，PMACS可采用三層客戶端/服務(wù)器模型：底層為水下基站和岸基PMACS控制器，負(fù)責(zé)采集相應(yīng)的觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行PMACS服務(wù)器發(fā)布的控制指令；中間層為PMACS服務(wù)器，負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并發(fā)布PMACS控制臺(tái)的控制命令；頂層為PMACS控制臺(tái)和客戶端，負(fù)責(zé)從PMACS服務(wù)器獲得觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，此外通過(guò)PMACS控制臺(tái)可發(fā)送控制指令.觀測(cè)網(wǎng)PMACS的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示.圖中，HVDC表示高壓直流（high voltage direct current），UTC表示協(xié)調(diào)世界時(shí)（universal time coordination）.

圖2 PMACS的總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of the PMACS

從功能上看，PMACS可分為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（data acquisition subsystem，DAS）、負(fù)載管理子系統(tǒng)（load management subsystem，LMS）和網(wǎng)絡(luò)分析子系統(tǒng)（network analysis subsystem，NAS），相互關(guān)系如圖3所示.DAS是PMACS和觀測(cè)網(wǎng)物理系統(tǒng)的接口，為L(zhǎng)MS和NAS實(shí)時(shí)采集電力系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并向電力系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)；LMS利用DAS提供的觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)執(zhí)行PMACS調(diào)度決策，向DAS發(fā)送電力系統(tǒng)控制指令，并向NAS發(fā)送負(fù)載供電狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)獲得滿足電力系統(tǒng)安全約束的供電限制值；NAS利用DAS和LMS提供的觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)信息進(jìn)行電網(wǎng)分析與輔助決策，向DAS發(fā)送量測(cè)質(zhì)量信息，并向LMS提供負(fù)載供電限制值.

圖3 PMACS三個(gè)子系統(tǒng)關(guān)系圖Fig.3 Diagram of the PMACS’three subsystems

2 數(shù)據(jù)采集

PMACS數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型主要有電網(wǎng)參數(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù).電網(wǎng)參數(shù)主要為各海纜段的長(zhǎng)度及其單位長(zhǎng)度海纜參數(shù)、海底電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及所有保護(hù)和報(bào)警閾值等.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要為各開關(guān)狀態(tài)量以及電壓值和電流值等模擬量，由PMACS控制器測(cè)量后通過(guò)海底光纖通信系統(tǒng)發(fā)送到DAS.

采樣時(shí)刻是電力系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的重要屬性，PMACS需要同一時(shí)間斷面的測(cè)量數(shù)據(jù)，才能有效地分析海底電網(wǎng)的實(shí)際狀態(tài).陸地電力系統(tǒng)的各量測(cè)單元通常可采用全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）的衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，而觀測(cè)網(wǎng)中只有岸基可接受GPS信號(hào)，因此將時(shí)間服務(wù)器設(shè)置在岸基內(nèi)，而控制器、服務(wù)器和控制臺(tái)/客戶端之間采用網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，可采用的時(shí)間同步協(xié)議主要有網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（network time protocol，NTP）和 IEEE 1588 等精確時(shí)間協(xié)議（precision time protocol，PTP）.其中，NTP 的授時(shí)精度可達(dá)數(shù)十毫秒，PTP的授時(shí)精度可達(dá)微秒級(jí)，而實(shí)際精度與同步源和網(wǎng)絡(luò)路由有關(guān).PMACS的授時(shí)方案如圖4所示，其中所有設(shè)備統(tǒng)一采用世界協(xié)調(diào)時(shí)（universal time coordinated，UTC）.授時(shí)周期一般以小時(shí)為單位，而在兩次授時(shí)之間，PMACS控制器可采用高穩(wěn)定時(shí)鐘芯片結(jié)合恒溫晶振實(shí)現(xiàn)高精度守時(shí).

圖4 PMACS的授時(shí)方案Fig.4 Time-synchronization scheme of the PMACS

3 負(fù)載管理

PMACS通過(guò)LMS控制各級(jí)負(fù)載的供電通斷，調(diào)節(jié)岸基PFE的輸出電壓，并將各狀態(tài)量與其閾值相比較，超過(guò)其閾值則代表觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫等異常狀態(tài)，需要發(fā)出警告或發(fā)布相應(yīng)的控制指令.

由于海纜總長(zhǎng)較長(zhǎng)，必須考慮海纜上的電壓損耗與功率損耗.為確保觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定，并盡可能多地輸送電能到海底，若岸基PFE的最高輸出電壓為USS，則海底變換器正常工作的輸入電壓UUS的范圍約為0.5USS～USS［10］.因此，LMS的執(zhí)行結(jié)果需要確保所有水下基站的輸入電壓滿足該限制條件.假設(shè)PFE的輸出功率和海纜的載流能力不是限制因素，則觀測(cè)網(wǎng)的帯載能力主要由PFE的輸出電壓、電網(wǎng)拓?fù)浜秃＠|電阻決定.

隨著觀測(cè)網(wǎng)的擴(kuò)展和負(fù)載量的增加，或當(dāng)部分海纜段因故障被隔離后造成電力系統(tǒng)帯載能力降低時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致其帶載運(yùn)行時(shí)無(wú)法滿足穩(wěn)定性約束.為高效利用觀測(cè)網(wǎng)的有限電能，并盡可能地覆蓋較廣的海底觀測(cè)區(qū)域，需要為L(zhǎng)MS合理設(shè)計(jì)負(fù)載管理策略，其基本運(yùn)行流程圖如圖5所示.

圖5 LMS的運(yùn)行流程圖Fig.5 Operational flow chart of the LMS

PMACS的負(fù)載管理本質(zhì)上是非線性優(yōu)化問(wèn)題.陸地EMS的負(fù)載管理通常采用基于成本和效益優(yōu)化的方法［11］，而觀測(cè)網(wǎng)的總體目標(biāo)是利用有限的電能滿足盡可能多的科學(xué)需求，因此LMS的目標(biāo)是在滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定性約束的前提下優(yōu)化海底負(fù)載的功率供給，可將所有海底負(fù)載設(shè)置為若干優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先滿足高優(yōu)先級(jí)的負(fù)載供電.基于這種思路，文獻(xiàn)［12］提出了基于序列二次規(guī)劃的負(fù)載管理算法，將負(fù)載優(yōu)先級(jí)處理為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重值，優(yōu)化目標(biāo)為確保觀測(cè)網(wǎng)提供的功率盡可能滿足負(fù)載功率需求和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性約束，較為有效地解決了負(fù)載管理問(wèn)題.

當(dāng)某個(gè)海底觀測(cè)區(qū)域出現(xiàn)地震、風(fēng)暴潮或火山噴發(fā)等重要科學(xué)現(xiàn)象時(shí)，可增加該處高優(yōu)先級(jí)負(fù)載占總功率的比例，實(shí)現(xiàn)電能的靈活分配.

4 網(wǎng)絡(luò)分析

PMACS的NAS主要包含狀態(tài)估計(jì)、模型修正和故障定位等功能模塊.NAS采用的電力網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)模型由海底電網(wǎng)拓?fù)浜透鞫魏＠|阻值決定.假設(shè)觀測(cè)網(wǎng)有N個(gè)分支節(jié)點(diǎn)，且以流入水下基站的電流方向?yàn)檎瑒t其電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型可用節(jié)點(diǎn)電壓方程表示為I=Y·U，展開為

式中：I為節(jié)點(diǎn)電流向量；U為節(jié)點(diǎn)電壓向量；Y為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；N為節(jié)點(diǎn)數(shù).

4.1 狀態(tài)估計(jì)

由于系統(tǒng)存在測(cè)量誤差和數(shù)據(jù)丟包，觀測(cè)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)可能不精確或不齊全.為建立可靠而完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，除了從硬件上提高測(cè)量單元的精度，從軟件上可采用狀態(tài)估計(jì)技術(shù).

加權(quán)最小二乘法（weighted least square，WLS）算法是電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的經(jīng)典算法，其程序簡(jiǎn)單、收斂性好、估計(jì)質(zhì)量高，但計(jì)算量大、使用內(nèi)存多、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng).雖然觀測(cè)網(wǎng)的覆蓋范圍較廣，但與陸地電力系統(tǒng)相比，其節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少（通常為數(shù)十個(gè)以內(nèi)），因此可采用 WLS算法進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)［13］.

在纜系觀測(cè)網(wǎng)中，可觀測(cè)量為水下基站測(cè)量所得的電壓向量UUS和電流向量IUS以及岸基測(cè)量所得的電壓向量USS和電流向量ISS，假設(shè)待估計(jì)量為BU節(jié)點(diǎn)處的電壓向量UBU，可建立可觀測(cè)量與待估計(jì)量的聯(lián)系為xm=H·x，展開得：

式（4）擴(kuò)展后即為BU節(jié)點(diǎn)電壓向量的狀態(tài)估計(jì)公式：

若DAS采集的數(shù)據(jù)中存在粗差，可采用加權(quán)殘差法或標(biāo)準(zhǔn)化殘差法進(jìn)行檢測(cè)和辨識(shí)，排除粗差后重新進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，或采用抗差WLS算法實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量粗差的直接抑制［14］.

4.2 模型修正

PMACS采用的電網(wǎng)模型由各海纜段等效串聯(lián)電阻組成的向量R和各BU內(nèi)部的開關(guān)狀態(tài)組成的矩陣S決定.在設(shè)計(jì)階段，電網(wǎng)模型采用設(shè)計(jì)拓?fù)浜秃＠|制造商提供的標(biāo)稱參數(shù)值R0.在運(yùn)行階段，海纜的實(shí)際參數(shù)值R1會(huì)隨著周圍環(huán)境的變化而變化，因此可能導(dǎo)致R0與R1之間存在較大的誤差.若不更新電網(wǎng)參數(shù)，可能造成狀態(tài)估計(jì)和故障定位等模塊的分析結(jié)果精度下降，從而降低觀測(cè)網(wǎng)的運(yùn)行可靠性和提高海纜維修巡檢的成本.

假設(shè)原電力網(wǎng)絡(luò)模型為

總體上看，深海水溫較為穩(wěn)定，而淺海水溫波動(dòng)較大，如位于杭州灣口外東海內(nèi)陸架的小衢山試驗(yàn)站測(cè)得該處海水年溫度變化可高達(dá)25℃左右［15］.由于銅導(dǎo)體的典型溫度系數(shù)約為0.4%·℃-1，若環(huán)境溫度變化25℃，則海纜阻值變化約10%.

陸地EMS系統(tǒng)中的參數(shù)估計(jì)算法主要有殘差靈敏度分析方法和增廣狀態(tài)向量方法［16］.而在觀測(cè)網(wǎng)中的某段海纜參數(shù)發(fā)生較大變化后，會(huì)在測(cè)量值中反映，造成穩(wěn)定的誤差.由電網(wǎng)模型可得，節(jié)點(diǎn)p和節(jié)點(diǎn)q的注入電流分別為

式中：Ypq為節(jié)點(diǎn)p和q之間的電導(dǎo)；Up為節(jié)點(diǎn)p的電壓，其他類推.

可得該段海纜的等效電導(dǎo)變化量ΔYpq為

觀測(cè)網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行拓?fù)溆伤蠦U的開關(guān)狀態(tài)決定.通常每個(gè)電切換型BU的原理結(jié)構(gòu)可等效為S1、S2和S3三個(gè)繼電器，如圖6所示.每個(gè)繼電器均有閉合、斷開和接地三種狀態(tài)，用于隔離存在故障的海纜段或水下基站，觀測(cè)網(wǎng)可通過(guò)這種海纜分段繼電保護(hù)方式來(lái)提高容錯(cuò)能力.

圖6 電切換型分支單元的簡(jiǎn)化等效結(jié)構(gòu)Fig.6 Simplified equivalent structure of the branching units with power switching

由于體積受限和可靠性考慮，BU無(wú)繼電器狀態(tài)反饋功能，因此PMACS無(wú)法分析實(shí)時(shí)結(jié)線.當(dāng)某個(gè)BU存在故障時(shí)，其繼電器的實(shí)際狀態(tài)可能與其預(yù)期狀態(tài)不一致，從而可能導(dǎo)致海底電網(wǎng)的實(shí)際拓?fù)渑c預(yù)期拓?fù)洳灰恢?，從而危害觀測(cè)網(wǎng)的運(yùn)行可靠性.

假設(shè)BU內(nèi)所有繼電器閉合為預(yù)期狀態(tài)（正常狀態(tài)），則當(dāng)三個(gè)繼電器中有一個(gè)繼電器發(fā)生誤開故障且不接地時(shí)，為良性故障.良性故障不影響觀測(cè)網(wǎng)的正常運(yùn)行，也未改變電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).當(dāng)BU內(nèi)三個(gè)繼電器中至少有兩個(gè)繼電器發(fā)生誤開故障且不接地時(shí)，為功能故障，如圖7所示.功能故障通常會(huì)影響觀測(cè)網(wǎng)的正常運(yùn)行：功能故障1和2會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的水下基站停止運(yùn)行，故障1還可能降低海底電力系統(tǒng)的帶載能力；功能故障3和4通常會(huì)降低海底電力系統(tǒng)的帶載能力，不過(guò)該BU對(duì)應(yīng)的水下基站仍可能正常運(yùn)行.為減小對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)，PMACS一般需在觀測(cè)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)辨識(shí)拓?fù)?

圖7 分支單元的功能故障類型Fig.7 Functional fault types of the branching units

拓?fù)浔孀R(shí)通?？刹捎闷骄^對(duì)殘差法，但狀態(tài)測(cè)量誤差、海纜參數(shù)誤差和BU繼電器故障均會(huì)使測(cè)量值與估計(jì)值之間產(chǎn)生平均絕對(duì)殘差（mean absolute residual，MAR），為消除測(cè)量誤差和參數(shù)誤差的影響，文獻(xiàn)［7］利用MAR對(duì)岸基PFE輸出電壓的靈敏度來(lái)判斷繼電器故障.該方法的缺點(diǎn)是，若假設(shè)拓?fù)渑c運(yùn)行拓?fù)洳灰恢?，需要遍歷所有可能的拓?fù)涔收蟻?lái)驗(yàn)證，計(jì)算較為繁瑣，且需要變化PFE輸出電壓，對(duì)系統(tǒng)有一定的擾動(dòng).實(shí)際上，拓?fù)溴e(cuò)誤相當(dāng)于大的參數(shù)錯(cuò)誤，因此拓?fù)浔孀R(shí)方法也可采用類似參數(shù)估計(jì)的方法.若計(jì)算所得ΔYpq→Ypq，則說(shuō)明該段海纜的兩端對(duì)應(yīng)的BU可能存在誤開故障.

4.3 故障定位

海纜故障可分為電學(xué)故障和光學(xué)故障.光學(xué)故障主要是光纖斷路或光中繼器故障，可通過(guò)海纜通信監(jiān)控系統(tǒng)（communications monitoring and control system，CMACS）檢測(cè)和定位.由于海纜的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境，工程經(jīng)驗(yàn)表明電學(xué)故障發(fā)生的概率高于光學(xué)故障.電學(xué)故障可分為接地故障和開路故障，其中接地故障又可分為低阻故障和高阻故障.接地故障是海纜故障的主要形式，其主要原因?yàn)闈O業(yè)拖網(wǎng)、船舶拋錨、自然災(zāi)害和魚類撕咬等造成海纜絕緣損壞.

根據(jù)觀測(cè)網(wǎng)的特點(diǎn)，將三種海纜電學(xué)故障定義如下.低阻故障指海纜絕緣破損嚴(yán)重，即故障處銅導(dǎo)體與海水之間的接觸電阻較低，導(dǎo)致至少一個(gè)水下基站因輸入欠壓而停止運(yùn)行.其中，短路故障是低阻故障的極端情況，可導(dǎo)致整個(gè)觀測(cè)網(wǎng)電壓崩潰，必須立即進(jìn)入故障處理狀態(tài)，待故障隔離后岸基PFE方可正常供電.高阻故障指海纜絕緣破損不太嚴(yán)重，即破損處銅導(dǎo)體與海水之間的接觸電阻較高，此時(shí)所有水下基站仍能正常運(yùn)行，但觀測(cè)網(wǎng)的帶載能力降低，且其安全運(yùn)行裕量減小，可暫時(shí)不進(jìn)入故障處理狀態(tài).開路故障指銅導(dǎo)體因外力作用在海纜內(nèi)部斷開，此時(shí)無(wú)法通過(guò)該海纜段傳輸電能，而導(dǎo)體對(duì)海絕緣電阻仍處于正常范圍.在海底環(huán)境中，海纜發(fā)生開路故障的同時(shí)必定伴隨著嚴(yán)重的低阻接地故障，因此若觀測(cè)網(wǎng)存在單純的海纜開路故障，實(shí)際上意味著海纜兩端的BU繼電器存在誤開故障.海纜運(yùn)行狀態(tài)示意圖見圖8.圖中，Uf、If和Rf分別為故障點(diǎn)處的對(duì)地電壓、接地電流和接地電阻，Rpf和Rqf分別為BU＃p、＃q與故障點(diǎn)間的等效電阻，Rp、Rq分別為分支海纜p、q的等效電阻.

圖8 海纜運(yùn)行狀態(tài)Fig.8 Operation status of submarine cables

陸地電網(wǎng)中電力電纜的故障定位按照檢測(cè)原理主要分為阻抗法和行波法：阻抗法通過(guò)測(cè)量故障時(shí)測(cè)量端到故障點(diǎn)的阻抗，然后根據(jù)線路參數(shù)計(jì)算故障點(diǎn)的位置；行波法通過(guò)測(cè)量行波往返測(cè)量端和故障點(diǎn)的反射時(shí)間或者故障點(diǎn)行波到達(dá)線路兩端的傳播時(shí)間差，根據(jù)行波速率計(jì)算故障點(diǎn)的位置.實(shí)際工程中，阻抗法和行波法在交流系統(tǒng)中均有應(yīng)用，而直流系統(tǒng)普遍采用行波法定位故障［17］.由于BU內(nèi)的繼電器及其串聯(lián)穩(wěn)壓管會(huì)對(duì)行波信號(hào)產(chǎn)生大量反射噪聲，且行波法測(cè)量距離有限，因此行波法無(wú)法有效應(yīng)用于大規(guī)模觀測(cè)網(wǎng)的海纜故障定位.

當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，會(huì)在故障點(diǎn)處形成一定的故障電流.特別是發(fā)生低阻故障時(shí)，在PMACS的監(jiān)控下，岸基PFE會(huì)因輸出限流而降低輸出電壓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù).發(fā)生接地故障時(shí)，為了觀測(cè)網(wǎng)的運(yùn)行安全，PMACS通常調(diào)節(jié)PFE至低電壓，此時(shí)所有的水下基站均停止運(yùn)行，且所有PFE的輸出電流總和約等于故障電流值.此時(shí)，通過(guò)CMACS不斷切換BU繼電器的狀態(tài)，PMACS同時(shí)監(jiān)測(cè)PFE輸出電流的變化，可確定故障點(diǎn)所在的海纜段.以圖1所示的觀測(cè)網(wǎng)為例，假設(shè)其采用常用的兩端供電式，若BU＃p和＃q之間存在一處海纜低阻故障，在確定故障海纜段后，通過(guò)CMACS重建電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D9所示，即等效于兩臺(tái)PFE直接連接到故障海纜.圖中，Iss1和Iss2分別表示水下基站PFE 1和2的輸出電流，USS1和USS2分別表示水下基站PFE 1和2的輸出電壓.

圖9 通過(guò)CMACS重建的電網(wǎng)拓?fù)銯ig.9 Power grid topology reconfiguration by CMACS

重建帶故障海纜段的電網(wǎng)拓?fù)浜?，PMACS控制兩臺(tái)PFE分別運(yùn)行，可得：

解上述方程得：

若定位結(jié)果接近某個(gè)BU，則應(yīng)考慮BU內(nèi)部發(fā)生接地故障的可能性.若觀測(cè)網(wǎng)采用單個(gè)PFE，則可通過(guò)CMACS重建兩種故障電網(wǎng)拓?fù)?，?lián)立兩個(gè)故障電網(wǎng)方程，實(shí)現(xiàn)故障定位.該法利用了電切換型BU的可控性，具有簡(jiǎn)單有效的優(yōu)點(diǎn).需要注意的是，在故障定位的過(guò)程中，PMACS需要確保PFE的輸出電流在安全閾值內(nèi).

5 結(jié)語(yǔ)與展望

為提高纜系海底觀測(cè)網(wǎng)的用能效率和運(yùn)行可靠性，根據(jù)觀測(cè)網(wǎng)的物理架構(gòu)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了PMACS的總體結(jié)構(gòu)，說(shuō)明了數(shù)據(jù)采集、負(fù)載管理和網(wǎng)絡(luò)分析這三個(gè)子系統(tǒng)的主要功能和相互關(guān)系，研究了時(shí)間同步方案、負(fù)載供電優(yōu)化策略和網(wǎng)絡(luò)分析算法.

通過(guò)理論分析，獲得了BU節(jié)點(diǎn)電壓向量的加權(quán)最小二乘狀態(tài)估計(jì)公式，提出了修正電網(wǎng)模型的新思路，并基于電切換型BU的可控性，提出了海纜接地故障定位的新方法.

纜系觀測(cè)網(wǎng)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、建設(shè)成本高，下一步將建立多節(jié)點(diǎn)觀測(cè)網(wǎng)的中低壓簡(jiǎn)化物理模型，用于初步檢驗(yàn)PMACS在實(shí)際應(yīng)用中的有效性.

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