劉 邦，曲鴻春，王亞坤，馮 豆，姚庭鏡，王高潔，蔣 冬

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司亳州供電公司，安徽 亳州 236000）

0 引言

光纖技術傳輸信息量大，適合強磁等環(huán)境下的抗干擾采集，成為堅強智能電網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)建設的強力支撐之一［1-4］。結合了光纖和電力傳輸技術的光電復合電纜在電力系統(tǒng)建設尤其是智能變電站建設中發(fā)揮了越來越大的作用［5-7］，為保證電網(wǎng)安全運行，要求能夠快速準確地檢測出光電復合電纜的故障點并恢復運行［8-10］。

當光電復合電纜出現(xiàn)故障時，在故障點會產(chǎn)生向光電復合電纜兩端以光速傳播的行波［11-13］。傳統(tǒng)方法利用行波到達電纜一端或兩端的時間值，來計算故障點到電纜一端或兩端的距離，從而定位故障點。其中，單端行波測距原理由于行波波形捕捉難度大，可靠性差，應用時具有一定難度；雙端行波測距原理簡單，相對于單端測距準確可靠，但對兩端系統(tǒng)時間的同步精度有較高要求，通常采用兩端加裝GPS裝置的方法來實現(xiàn)同步，該方法成本較高且較易受環(huán)境影響。

為了快速準確地檢測出光電復合電纜的故障點，減少地形環(huán)境等因素對GPS定位的影響，本文提出在光電復合電纜兩端設置信息特征識別軟件模塊，代替原有雙端行波故障測距方法需要加裝的GPS等同步裝置，基于光信息同步實現(xiàn)雙端行波故障測距，快速準確地檢測出光電復合電纜的故障點。采用該方法提高了檢測準確性和可靠性。

1 光電復合電纜智能檢測方案

當變電站現(xiàn)場裝設的光電復合電纜出現(xiàn)故障時，需要快速有效地檢測出故障并恢復運行。在光電復合電纜兩端加裝智能檢測裝置，當電纜出現(xiàn)故障時，依靠智能檢測裝置內部的線路行波檢測模塊和信息特征識別模塊，來準確檢測故障點。

線路正常工作時，智能檢測裝置不動作，即檢測裝置不影響線路正常運行。線路發(fā)生故障時，智能檢測裝置的線路行波檢測模塊檢測到行波信號，開啟基于光信息同步的雙端行波故障測距模式。在故障測距模式下，裝設在線路兩端的信息特征識別模塊利用復合電纜的光纖通路，分別發(fā)送和接收具有一定特征的光信息，來判斷光纖鏈路是否通暢，并根據(jù)光纖鏈路的通暢情況，對雙端行波檢測模塊進行時間同步或基于光信息獲知故障點位置信息。光電復合電纜智能檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 光電復合電纜智能檢測系統(tǒng)框圖

2 基于光信息同步的故障測距方法

基于光信息同步的雙端行波故障測距裝置，在光電復合電纜兩端設置信息特征識別模塊，來代替GPS裝置實現(xiàn)同步，能在不明顯增加裝置成本的基礎上，快速準確地檢測出光電復合電纜的故障點。

2.1 雙端行波測距原理

電纜、架空線路等具有分布參數(shù)，當發(fā)生故障時，故障處具有等效電源效果。等效電源會給線路分布電容充電，產(chǎn)生向線路兩端傳播的電壓和電流行波。行波波速與線路截面積無關，只與導體絕緣介質有關，例如紙質絕緣介質的電纜線路上行波以160m／μs傳播［14-16］。由于線路分界點處阻抗明顯變化，在行波傳播到此后就會產(chǎn)生反射和折射。雙端行波測距利用行波在分界點處的反射來完成故障測距，如圖2所示。

采用雙端行波測距時，需在電纜線路兩端都安裝行波檢測裝置，通過檢測兩端第一個行波到達時間差來計算故障點位置。計算公式如下：

式中：lMN為線路總長；lMF為故障點距M端距離；tWM、tWN分別為行波信號到達M端和N端的時刻；c為行波在該線路的傳播速度。

圖2 電纜線路雙端行波故障測距原理圖

2.2 基于光信息的對時同步

由雙端行波測距原理可知，要精確計算出故障點的位置，需測量行波到達兩端時刻的精確差值。雙端行波測距一般采用兩端加裝GPS裝置的方法來實現(xiàn)時間同步，成本高且易受環(huán)境影響。在光電復合電纜兩端設置信息特征識別模塊，用信息特征識別軟件代替GPS等硬件同步裝置，來實現(xiàn)電纜兩端檢測模塊的時間同步，不明顯增加硬件成本且不易受環(huán)境因素干擾。

2.2.1 電纜光纖鏈路正常情況下的測距

當光電復合電纜線路M端行波檢測模塊檢測到行波信號時，記錄對應時刻tM，即行波信號到達M端的時刻tWM，同時信息特征識別模塊啟動，識別電纜輸入端信息特征；對端捕捉到對應的信息特征，記錄信息達到時刻tN，即行波信號到達N端的時刻tWN。

依據(jù)信息到達復合電纜兩端的順序，并考慮光纖鏈路傳輸時延，來確定光信息到達光電復合電纜兩端的時間差值Δti，計算公式如下：

式中：td為光纖鏈路傳輸時延，在鋪設該光電復合電纜時，td可依據(jù)產(chǎn)品手冊查詢或者實測得到。

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光電復合電纜總長度lMN和光在光纖中的傳播速度等參數(shù)可查或實測，這些量和光信息在該光纖鏈路傳播的理論時間差值Δt′i具有如下關系：

根據(jù)公式（3）可得：

式中：c為行波在該線路中的傳播速度，接近光速；n1為光纖的玻璃內芯光的折射率；φ為光從內芯射向外套發(fā)生全反射的臨界角。這些量均可從光電復合電纜參數(shù)上查詢獲得。

以光電復合電纜信息輸入端行波檢測模塊的系統(tǒng)時刻為參照時間，來精確計算行波到達電纜兩端的時間差值。光電復合電纜信息輸入端行波檢測模塊標記出的行波信號到達時刻tWM和信息表征時刻tM（實質上兩者相同）直接可用。 依據(jù)式（2）和式（4），可與對端即光電復合電纜信息輸出端對時。與M端信息表征標記時刻tM對應的同步時刻t′N，可依據(jù)式（2）和式（4）獲得：

對輸出端信息到達時刻tN和t′N進行修正對時，時間修正誤差Δt為：

故障行波信號到達光電復合電纜兩端的時間差值為 Δtw：

基于式（8）及雙端行波測距原理，得到光電復合電纜故障點到兩端的距離：

2.2.2 電纜光纖鏈路損壞情況下的測距

若光電復合電纜故障點產(chǎn)生較大形變，使電纜中線路和光纖鏈路一同損壞，此時電纜線路故障處即為光纖鏈路故障點。光纖鏈路兩端光信息進入鏈路后，信息傳輸不到對端，而是到達故障點后會有微弱光信息反射并從同端折回。

當光電復合電纜信息輸入端行波檢測模塊檢測到行波信號時，同時信息特征識別模塊啟動，并記錄對應時刻tM。光信息經(jīng)光纖鏈路傳輸?shù)焦收宵c后折回，在tMR時刻該信息返回到本端。此種情況下對端捕捉不到對應的信息特征。

基于光信息在光纖鏈路中的傳輸速度與時間的關系，計算得到故障點到信息輸入端的距離：

2.3 基于光信息同步的行波測距算法

光電復合電纜發(fā)生故障時，兩端的行波檢測模塊會檢測到行波信號，并采用基于光信息同步的雙端行波測距算法來進行測距，算法流程圖如圖3所示。

圖3 基于光信息同步的行波故障測距流程圖

具體步驟如下：

1）線路兩端行波檢測模塊檢測到行波信號后，分別記錄兩端檢測到行波信號的時刻tWM和tWN。

2）由信息特征識別模塊去判別光電復合電纜的光纖鏈路是否損壞。如光電復合電纜光纖鏈路通信正常，無損壞，則由式（9）和式（10）來計算光電復合電纜故障點到兩端的距離。

3）如光電復合電纜光纖鏈路通信不正常，則由式（11）來計算光電復合電纜故障點到信息輸入端的距離。

3 方案仿真驗證

依據(jù)雙端行波故障測距原理，按圖3所示的故障測距流程，在PSCAD中建立長5 km的光電復合電纜模型，仿真時間設定為0～0.5 s，計算步長設定為0.1 μs。在模型內設置3個故障點，故障點分別設定在距離M端3 km、2 km和1 km的位置，波速設為160 m／μs，檢測系統(tǒng)時差設為10 μs（M端超前 N端）。兩端檢測到的行波初始時刻，依據(jù)本文算法計算故障點到M端的距離及故障定位距離誤差如表1所示。

表1 復合電纜故障模型定位結果

仿真結果表明，基于光信息同步的雙端行波故障測距方法可行，定位精度較高。

4 結語

在智能電網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)建設中，光纖技術由于性能優(yōu)越，被廣泛應用。當光電復合電纜發(fā)生故障時，需要快速準確地檢測出故障點并恢復運行。本文針對光電復合電纜提出了基于光信息同步的雙端行波故障測距方法，能快速準確地檢測出光電復合電纜的故障點。該方法不需要加裝GPS同步裝置，具有環(huán)境適應性強、不明顯增加成本等優(yōu)點。