郭自剛 徐天樂 陳玉林 王 光 陳 俊

配電網(wǎng)電纜故障在線監(jiān)測及定位系統(tǒng)

郭自剛 徐天樂 陳玉林 王 光 陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

本文開發(fā)一套配電網(wǎng)電纜故障在線監(jiān)測及定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)局部放電監(jiān)測預(yù)警、護(hù)層環(huán)流監(jiān)測預(yù)警、行波選線、行波測距功能。系統(tǒng)采用高精度對時同步技術(shù)，通道間和裝置間同步采集，可同時監(jiān)測多回路、多相電纜；采用無死區(qū)記錄和行波啟動確認(rèn)技術(shù)，可以準(zhǔn)確記錄故障原始波形，方便故障分析與處理；采用行波波頭準(zhǔn)確識別和測距模式選擇技術(shù)，提高電纜故障定位的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)集成度高，適用于復(fù)雜的配電網(wǎng)系統(tǒng)，具有較高的推廣價值。

配電網(wǎng)電纜；在線監(jiān)測；局部放電（PD）；行波選線；行波定位（TWFL）

0 引言

電纜線路具有供電可靠性高、安全性好、不占地面空間等優(yōu)勢，已經(jīng)成為城市配電網(wǎng)建設(shè)的主要方向，并逐漸在鋼鐵、石化、煤礦等工礦企業(yè)電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。配電網(wǎng)系統(tǒng)中電纜敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜隱蔽，分支眾多，一旦發(fā)生電纜故障，不易定位，給故障的排查和檢修帶來諸多不便。目前通用做法是利用配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)或故障指示器等設(shè)備定位出故障區(qū)段，然后在設(shè)備停電后再采用離線式測距設(shè)備定位故障點，整個過程需要花費(fèi)大量時間和人力[1-5]。因此，現(xiàn)場用戶更加關(guān)注在線監(jiān)測或定位系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展。

現(xiàn)有的配電網(wǎng)電纜故障在線監(jiān)測或定位系統(tǒng)通常在各條電纜上布置各種傳感器和監(jiān)測裝置，分別監(jiān)測局部放電、護(hù)層環(huán)流、故障行波等信息，然后將各裝置采集的數(shù)據(jù)上送到主站進(jìn)行分析處理。文獻(xiàn)[6]采用脈沖電流法并結(jié)合配電網(wǎng)電纜連接方式，實現(xiàn)10kV電纜的局部放電檢測及定位。文獻(xiàn)[7]提出一種電纜接地環(huán)流在線監(jiān)測系統(tǒng)，采集電纜護(hù)層接地環(huán)流和表面溫度，通過通用分組無線服務(wù)（general packet radio service, GPRS）網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理和展示。文獻(xiàn)[8]提出一種小電流接地系統(tǒng)故障選線方法，根據(jù)方向行波能量的大小關(guān)系提高故障支路與健全支路的區(qū)分度，實現(xiàn)對故障線路的可靠識別。文獻(xiàn)[9]提出一種配電網(wǎng)單相接地故障檢測與定位系統(tǒng)，利用零模電壓判斷是否發(fā)生故障，并選用 B型行波法對故障進(jìn)行測距。由于配電網(wǎng)電纜分支眾多，上述各類監(jiān)測裝置功能單一，導(dǎo)致全站監(jiān)測裝置數(shù)量眾多且接線復(fù)雜，存在監(jiān)測信息分散的缺陷；另外，不同裝置之間采集不同步，也會影響監(jiān)測分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

本文提出一套配電網(wǎng)電纜故障在線監(jiān)測及定位系統(tǒng)，采用高集成“四合一”方案，可實現(xiàn)故障前的局部放電監(jiān)測預(yù)警、護(hù)層環(huán)流監(jiān)測預(yù)警，故障后的行波選線、行波測距功能。該系統(tǒng)采用高精度對時同步技術(shù)、行波可靠啟動和無死區(qū)記錄技術(shù)、行波波頭準(zhǔn)確識別和測距模式選擇技術(shù)，系統(tǒng)集成度高，適用于復(fù)雜的配電網(wǎng)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 整體架構(gòu)

配電網(wǎng)電纜故障在線監(jiān)測及定位系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，包括監(jiān)測定位裝置、主站和通信網(wǎng)絡(luò)。對于城市配電網(wǎng)，監(jiān)測定位裝置一般安裝在環(huán)網(wǎng)柜、變電站母線處，主站一般安裝在控制中心，監(jiān)測定位裝置和主站之間可以通過光纖網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)通信，監(jiān)測定位裝置之間通過高精度全球定位系統(tǒng)（global position system, GPS）或北斗對時系統(tǒng)進(jìn)行時鐘同步。城市配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 城市配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

對于工礦企業(yè)電網(wǎng)，監(jiān)測定位裝置和主站一般安裝在就地的屏柜，監(jiān)測定位裝置和主站之間可以通過光纖網(wǎng)或以太網(wǎng)通信，監(jiān)測定位裝置之間通過外部時鐘源實現(xiàn)精確時間同步。以35kV電壓等級電纜為例，工礦企業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 工礦企業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 監(jiān)測定位裝置硬件架構(gòu)

監(jiān)測定位裝置硬件架構(gòu)如圖3所示，包括給裝置供電的電源板卡、中央處理器（center processing unit, CPU）板卡、環(huán)流信號監(jiān)測板卡、電壓行波監(jiān)測板卡、電流行波監(jiān)測板卡、對時板卡，各板卡均通過高速總線相連，并通過高速總線傳遞信息。監(jiān)測定位裝置可以外接采樣所需的高頻傳感器、環(huán)流傳感器和母線電壓互感器（potential transformer, PT）二次信號。其中，高頻傳感器可以根據(jù)現(xiàn)場情況配置局部放電高頻傳感器或電流行波傳感器，接入電流行波監(jiān)測板卡后經(jīng)過處理形成局部放電信號或電流行波信號。單臺監(jiān)測定位裝置最多支持24條配電網(wǎng)電纜的環(huán)流信號、電流行波信號或局部放電信號的接入，還可支持兩段母線三相和零序電壓行波信號的接入。

圖3 監(jiān)測定位裝置硬件架構(gòu)

2 主要功能

2.1 局部放電監(jiān)測預(yù)警

國內(nèi)外研究成果和運(yùn)行經(jīng)驗表明：交聯(lián)聚乙烯（cross linked polyethylene, XLPE）電力電纜絕緣介質(zhì)的樹枝狀老化能夠決定電纜的使用壽命，建議采用局部放電測量等有效手段來定量分析電纜絕緣的樹枝狀老化程度[10]。

通過在電纜終端的屏蔽層接地線上安裝高頻傳感器，用于采集局部放電信號；高頻傳感器和監(jiān)測定位裝置之間通過同軸電纜相連。該監(jiān)測方案可以對電纜終端頭和電纜本體進(jìn)行局部放電監(jiān)測。

當(dāng)局部放電的幅值、頻次有異常變化時，監(jiān)測系統(tǒng)及時發(fā)出警報，還可通過監(jiān)視局部放電信號的長期變化趨勢，進(jìn)行趨勢報警，在電纜故障前提前發(fā)出警告。

2.2 護(hù)層環(huán)流監(jiān)測預(yù)警

當(dāng)電纜正常帶電運(yùn)行時，會在電纜的金屬護(hù)層上感應(yīng)出環(huán)流，正常情況下護(hù)層環(huán)流很小。當(dāng)發(fā)生電纜外護(hù)套絕緣下降、接地不良、金屬護(hù)層接地錯誤等問題時，護(hù)層環(huán)流會異常增大，對電纜運(yùn)行安全造成威脅。

護(hù)層環(huán)流傳感器安裝在電纜終端的金屬屏蔽層接地線上，用于采集護(hù)層環(huán)流信號，然后送給監(jiān)測定位裝置。

當(dāng)護(hù)層環(huán)流有異常變化時監(jiān)測系統(tǒng)及時發(fā)出警報，還可通過監(jiān)視護(hù)層環(huán)流的長期變化趨勢，進(jìn)行趨勢報警，保障電纜安全運(yùn)行。

2.3 行波選線

對于中性點非有效接地系統(tǒng)，當(dāng)變電站的母線上發(fā)生單相接地或同一母線上所接的多條饋線之一發(fā)生單相接地故障時，單純依靠零序電壓無法判斷故障線路[11]。

小電流接地系統(tǒng)尤其是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，單相接地故障特征不明顯，基于穩(wěn)態(tài)零序電流的選線算法無法準(zhǔn)確選取。由于單相接地故障的暫態(tài)過程很短，基于暫態(tài)零序電流的選線算法，要求裝置采樣率很高，且能準(zhǔn)確提取暫態(tài)的故障特征，才能保證接地故障選線的準(zhǔn)確率。

基于行波暫態(tài)波形和小波算法的接地故障選線技術(shù)，分析行波暫態(tài)波形的幅值和極性特征，本文研制的系統(tǒng)可以準(zhǔn)確區(qū)分故障點位于母線還是某條電纜，實現(xiàn)接地故障選線。

2.4 行波測距

現(xiàn)場排查電纜故障往往需要花費(fèi)大量人力物力，精確定位故障點能夠有效減輕人工巡線的負(fù)擔(dān)并縮短排查時間，減少停電導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，具有重大意義。

故障引起的電磁場突變沿線路行進(jìn)，稱為行波，行波測距原理如圖4所示。

圖4 行波測距原理

利用行波往返于故障點的時間差，可以實現(xiàn)單端行波測距。

利用行波到達(dá)線路兩端的時間差，可以實現(xiàn)雙端行波測距。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

配電網(wǎng)電纜分支眾多，行波的折反射比架空線更加復(fù)雜。架空線的行波測距只需定位到兩桿塔之間，要求精度幾百米；而修復(fù)地下電纜時要挖開土壤，要求定位精度在20m以內(nèi)。這些因素都增加了配電網(wǎng)電纜的在線測距難度。

針對上述難點，需要研究高精度對時同步、行波可靠啟動和無死區(qū)記錄、行波波頭準(zhǔn)確識別和測距模式選擇等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 高精度對時同步

XLPE電纜的行波波速約為200m/μs，由行波測距公式（1）和式（2）可知，為了滿足電纜定位精度在20m以內(nèi)的要求，需要提高對時精度至0.2μs以內(nèi)。

監(jiān)測定位裝置對時板卡支持外接GPS/北斗時鐘信號，也支持接入外部時鐘源的B碼（inter range instrumentation group-B, IRIG-B）信號。對時板卡硬件采用溫補(bǔ)晶振來提高時鐘精度，軟件對秒脈沖（pulses per second, PPS）的邊沿抖動進(jìn)行算法補(bǔ) 償[11]，然后通過低延遲時鐘總線，輸出PPS時鐘給不同的行波監(jiān)測板卡。行波監(jiān)測板卡通過現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）芯片控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog digital converter, ADC）芯片對行波信號進(jìn)行25MHz的高速采樣，所采集的數(shù)據(jù)可打上精度為40ns的時間標(biāo)簽。各行波監(jiān)測板卡的波形數(shù)據(jù)送到CPU板卡后會進(jìn)行波形對齊處理，確保不同板卡之間、同一板卡的不同通道之間數(shù)據(jù)采集同步。

樣機(jī)測試表明，本文設(shè)計的時鐘同步方案接口簡潔、結(jié)構(gòu)可靠、時間準(zhǔn)確度高，可以滿足配電網(wǎng)電纜定位準(zhǔn)確度需求。

3.2 無死區(qū)記錄和行波啟動確認(rèn)

為了檢測比較微弱的行波信號，行波啟動門檻通常設(shè)置得較為靈敏；但電網(wǎng)中的開關(guān)操作、負(fù)荷投切、雷擊導(dǎo)線等外部干擾，都可能導(dǎo)致行波誤啟動[12]。為了提高配電網(wǎng)電纜的定位精度，監(jiān)測定位裝置對行波信號進(jìn)行25MHz的高速采樣，導(dǎo)致行波數(shù)據(jù)緩存及傳輸壓力大，如果不采取措施，在外部干擾頻繁的情況下，監(jiān)測定位裝置可能錯失真正的故障時刻，形成記錄死區(qū)。可通過如下兩項關(guān)鍵技術(shù)解決以上問題。

1）基于大容量雙倍速同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（double data RAM, DDR）的二級緩存技術(shù)和總線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)無死區(qū)記錄[12]。

首先，電流或電壓行波監(jiān)測板卡的FPGA將行波采集數(shù)據(jù)實時推送到本板卡的大容量DDR進(jìn)行一級數(shù)據(jù)循環(huán)緩存，可保存30ms以內(nèi)的數(shù)據(jù)，使CPU板卡有足夠時間進(jìn)行行波啟動確認(rèn)。當(dāng)行波監(jiān)測板卡檢測到行波突變啟動時，F(xiàn)PGA將啟動前后的一段錄波數(shù)據(jù)（2～10ms）從一級循環(huán)緩存區(qū)搬運(yùn)到DDR的二級緩存中，循環(huán)緩存最近16次行波錄波數(shù)據(jù)塊，以供行波監(jiān)測板卡進(jìn)行初步分析。最后，行波監(jiān)測板卡將初步分析結(jié)果和有效的行波錄波數(shù)據(jù)塊通過裝置內(nèi)部高速總線分幀傳輸?shù)紺PU板卡，最終保存到非易失性存儲介質(zhì)中。

2）利用工頻電壓和保護(hù)啟動信息進(jìn)行行波啟動確認(rèn)。

在行波啟動后30ms內(nèi)CPU板卡通過工頻電壓或保護(hù)啟動信號進(jìn)行確認(rèn)，當(dāng)滿足零序電壓高、負(fù)序電壓高、相間電壓低等條件，或接收到保護(hù)裝置啟動信號時，才認(rèn)為此次行波啟動是有效的，否則丟棄此次行波啟動的緩存數(shù)據(jù)。CPU板卡通知行波監(jiān)測板卡只傳送有效的行波錄波數(shù)據(jù)塊，無效的行波數(shù)據(jù)在行波監(jiān)測板卡上被自動循環(huán)覆蓋。

通過上述兩項關(guān)鍵技術(shù)，既可實現(xiàn)行波數(shù)據(jù)的無死區(qū)記錄，又可避免無效行波數(shù)據(jù)的傳輸和保存。

3.3 行波波頭準(zhǔn)確識別和測距模式選擇

通過相模變換實現(xiàn)三相系統(tǒng)解耦，利用小波變換模極大值理論獲取故障行波波頭，模極大值點對應(yīng)行波波頭的到達(dá)時刻[13]。由于采用3.1節(jié)所述的高精度對時同步技術(shù)，行波波頭的時間分辨率小于40ns，可以有效提高定位精度。

對于工礦企業(yè)電網(wǎng)，一般為單端電源供電，結(jié)構(gòu)相對簡單，行波反射波較容易識別，可采用單端行波測距。對于母線上電纜饋線數(shù)量較多的情況，電流行波比電壓行波故障特征更明顯，采用單端電流行波測距方法定位故障；對于只帶負(fù)荷變壓器的單出線系統(tǒng)，電壓行波比電流行波故障特征更明顯，采用單端電壓行波測距方法定位故障[14]。

對于城市配電網(wǎng)，一般為環(huán)網(wǎng)供電，每個開閉所和環(huán)網(wǎng)柜均有多個電纜間隔，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，很難準(zhǔn)確識別行波的反射波[15]，但行波的首波頭識別相對容易，宜采用雙端行波測距。如圖1所示，在每個開閉所和環(huán)網(wǎng)柜均安裝監(jiān)測定位裝置，裝置外接GPS/北斗天線并進(jìn)行高精度對時同步，然后將打上高精度時標(biāo)的電流或電壓行波數(shù)據(jù)上送給主站。主站根據(jù)配電網(wǎng)電纜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析行波暫態(tài)波形的幅值和極性特征，定位故障線路；最后對故障線路兩端進(jìn)行雙端行波測距，從而準(zhǔn)確定位故障位置。

4 試驗驗證

為驗證監(jiān)測定位系統(tǒng)的性能，本文進(jìn)行仿真測試和模擬電纜故障測試。

4.1 仿真測試

利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD進(jìn)行35kV/10kV配電網(wǎng)電纜故障仿真測試，采用YJV32型電纜，銅芯導(dǎo)體截面積為300mm2，絕緣標(biāo)稱厚度3.4mm，外徑42.4mm。針對城市配電網(wǎng)和工礦企業(yè)電網(wǎng)的架構(gòu)，分別搭建仿真模型如圖5所示。

圖5 PSCAD仿真模型

針對1號電纜（單芯）和8號電纜（三芯），分別在電纜首端、中間和尾端位置模擬單相接地故障；為了區(qū)分電纜接地和母線接地，還模擬了母線接地故障。部分仿真波形如圖6所示，其中橫軸是故障時間，縱軸是電流行波幅值，從上至下分別是5號電纜C相電流行波、6號電纜C相電流行波、1號電纜C相電流行波、8號電纜C相電流行波。

利用行波測距校驗儀對仿真波形數(shù)據(jù)進(jìn)行故障回放，測試監(jiān)測定位系統(tǒng)的行波選線性能，得到各種故障情況下的行波選線結(jié)果見表1。行波特征和仿真波形一致，驗證了該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確區(qū)分故障點位于母線還是某條電纜。

表1 行波選線結(jié)果

4.2 動模測試

為了測試監(jiān)測定位系統(tǒng)的行波測距性能，搭建配電網(wǎng)電纜行波定位動模系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩臺配電網(wǎng)電纜故障監(jiān)測定位裝置、501m試驗電纜（電纜型號ZC—YJVP2—0.6/1kV）、信號發(fā)生器、示波器、同步時鐘源五個部分及其之間的連接電纜組成。動模試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

分別設(shè)置故障點1，距試驗電纜首端375m處；故障點2，距試驗電纜首端450m處。信號發(fā)生器分別輸出脈沖信號到故障點1和故障點2來模擬電纜故障。兩臺配電網(wǎng)電纜故障監(jiān)測定位裝置分別在電纜首端和尾端采集行波信號，利用同步時鐘源對兩臺裝置進(jìn)行時鐘同步。首端和尾端的行波信號接入示波器，可以測定電纜的行波波速為206.8m/ms。在每個故障點均進(jìn)行若干次測試，分別進(jìn)行首端、尾端的單端行波測試和雙端行波測試，其中三次行波測距結(jié)果見表2。

圖7 動模試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表2 行波測距結(jié)果 單位: m

測試結(jié)果表明，無論是單端行波測距還是雙端行波測距，測距誤差均小于10m，雙端測距相比單端測距誤差更小，能夠滿足配電網(wǎng)電纜故障定位精度在20m以內(nèi)的需求。

5 結(jié)論

本文提出了一套配電網(wǎng)電纜故障在線監(jiān)測及定位系統(tǒng)，并通過仿真測試和模擬電纜故障測試驗證了該系統(tǒng)的可行性。本文得出結(jié)論如下：

1）該系統(tǒng)采用高集成“四合一”方案，可實現(xiàn)電纜故障前的局部放電監(jiān)測預(yù)警、護(hù)層環(huán)流監(jiān)測預(yù)警，故障后的行波選線、行波測距功能。

2）利用電纜首端電流初始行波的幅值和極性特征，可以實現(xiàn)單相接地故障選線，區(qū)分故障點是位于母線還是某條電纜。

3）針對不同的配電網(wǎng)電纜架構(gòu)，可以選擇單端行波測距或雙端行波測距；針對母線上電纜饋線數(shù)量的不同，可選擇電流行波測距或電壓行波測距。

4）通過高精度對時同步、行波可靠啟動和無死區(qū)記錄、行波波頭準(zhǔn)確識別和測距模式選擇等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，本系統(tǒng)的行波測距誤差小于10m，能夠滿足工程應(yīng)用需求。

該系統(tǒng)集成度高，適用于復(fù)雜的配電網(wǎng)系統(tǒng)，可在線監(jiān)視電纜的絕緣狀態(tài)，提前預(yù)警；電纜發(fā)生接地故障后可準(zhǔn)確定位，有效減輕現(xiàn)場故障排查和檢修的工作量，具有較高的推廣價值。

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On-line monitoring and locating system for cable fault in distribution network

GUO Zigang XU Tianle CHEN Yulin WANG Guang CHEN Jun

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In this paper, a set of on-line monitoring and locating system for cable fault in distribution network is proposed, which includes the functions of partial discharge monitoring, sheath circulation monitoring, traveling wave fault line selection and traveling wave fault location. High precision time synchronization technology is adopted in this system to realize synchronous acquisition between channels and devices, and multi-loop and multi-phase cable can be monitored simultaneously. Reliable startup of traveling wave and non-dead zone recording technology are used to accurately record the original waveform of the fault, which is convenient for fault analysis and processing. The accurate identification and location mode selection technology of traveling wave is adopted to improve the accuracy of cable fault location. The system is highly integrated and suitable for complex distribution system, which has high popularization value.

distribution network cable; on-line monitoring; partial discharge (PD); traveling wave fault line selection; traveling wave fault location (TWFL)

2022-07-08

2022-08-19

郭自剛（1979—），男，湖北省隨州市人，碩士，高級工程師，從事電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測及故障診斷產(chǎn)品研究及開發(fā)工作。