電纜故障預警與精確定位系統(tǒng)

系統(tǒng)概述

隨著電網建設的不斷發(fā)展，高壓電纜供電線路被越來越多的應用到應用到城市電網建設當中。目前高壓電纜出現接地故障后，整個系統(tǒng)接地故障區(qū)段很難查找，確定故障電纜區(qū)段后，還需查找電纜故障點，傳統(tǒng)的離線故障定位方法工作量大、安全性低，停電測試會造成一定的經濟損失。高壓電纜雙端自動測距技術可以快速有效的查找故障隱患、準確定位故障點，同時具備支路選線功能。

  利用故障時產生的電流行波信號測量故障距離是一種較為成熟的技術，已在輸電線路和部分結構簡單的配電線路中獲得成功應用。但高壓電纜鋪設距離長，中間接頭多，故障初始行波衰減嚴重、折反射規(guī)律復雜，現有常用的雙端（需要在變電站母線和主干線路末端處分別安裝行波測距裝置）與單端（僅在母線處安裝行波測距裝置）行波測距技術并不能直接應用。針對高壓電纜網絡特定的結構，在主干電纜接地處安裝電纜故障精確定位裝置，實現故障的分布式行波測距、選線是一個有效的解決途徑。

  電纜故障預警與精確定位系統(tǒng)利用高速暫態(tài)行波在線監(jiān)測和電網拓撲分析的系統(tǒng)方法，實現高壓電纜的在線監(jiān)測，對高壓電纜故障進行定位、選線和預警。具體方法是在主干電纜與特定分段位置分別安裝電纜故障精確定位裝置，將電纜在發(fā)生故障前的微弱暫態(tài)信號采集到，通過電纜故障精確定位裝置分析處理，將信號上傳到系統(tǒng)后臺，系統(tǒng)后臺通過波形分析自動預警并通過雙端測距技術自動計算故障點距離，通過系統(tǒng)后臺指示故障點位置，并且對饋出支路電纜實現選線功能。

  系統(tǒng)后臺可以部署在云服務端或本地主站，電力運維人員可通過局域網或互聯網訪問、賬號登錄、手機APP推送、短信息提示等方式實現系統(tǒng)遠程監(jiān)控，實時了解電纜運行狀況信息。系統(tǒng)可以做到故障前的測距、選線和預警，從而實現狀態(tài)檢修，使維護人員在線路故障之前對故障進行正確處理，提高電網自動化程度，保證電網的安全性和可靠性，減少了大量的人力物力消耗，節(jié)約了運行成本。

系統(tǒng)功能

  1、故障定位：系統(tǒng)采用雙端自動測距技術，實現高壓主回路電纜的雙端測距，并且在系統(tǒng)后臺界面指示故障點位置，對故障點進行標注，故障測距精度可達到±1.7m或±0.2%L（取最大）；

  2、故障選線（選配）：實時監(jiān)測各支路電纜暫態(tài)電流變化，根據行波選線原理和拓撲結構確定分支出線故障線路；

  3、故障預警（選配）：系統(tǒng)利用瞬時性故障的暫態(tài)行波特征，根據電纜瞬時性接地后的絕緣狀態(tài)更接近于故障的現象，對電纜的絕緣狀態(tài)進行監(jiān)測，保證線路發(fā)生接地故障前系統(tǒng)能夠可靠預警；

  4、環(huán)流監(jiān)測（選配）：針對單芯電纜，系統(tǒng)可以實現監(jiān)測線路的外護套絕緣情況，并繪制環(huán)流曲線，對外護套絕緣異常電纜進行故障告警；

  5、系統(tǒng)云服務（用戶可選項）：針對每個用戶提供足夠的用戶空間，用戶可在任何時間地點通過瀏覽器方式訪問現場的系統(tǒng)監(jiān)測情況，并且系統(tǒng)歷史數據存儲，方便歷史查看；

  6、斷電防護（選配）：電纜故障精確定位裝置內電源模塊處于熱備份狀態(tài)，當供電電源斷電后，電纜故障精確定位裝置可持續(xù)工作≥8h，確保斷電瞬間采集的數據完整性；

  7、電子值班（用戶可選項）：實現無人值守，報警信息及工作狀態(tài)可通過發(fā)送短信息、APP推送的方式至相關人員；

  8、歷史存儲：實現實時存儲信息，可進行歷史數據查詢，報警信息打印等；

  9、錄波功能（選配）：系統(tǒng)可實時錄波，因錄波時數據量較大需要穩(wěn)定的數據傳輸方式，現場需要敷設光纖。

技術參數

監(jiān)測裝置尺寸：260mm*340mm*88mm

高頻電流采樣頻率：50MHz*8路                  

工頻電流采樣頻率：10KHz*8路

電壓采樣頻率：100KHz*4路

高頻監(jiān)測：50MHz*8路高速采樣，可同時監(jiān)測8條電纜

工頻監(jiān)測（單芯電纜）：10KHz*8路采集，可同時監(jiān)測8條電纜

高頻屏蔽層式傳感器測量帶寬：100KHz～5MHz

高頻芯線式傳感器測量帶寬：1kHz～100MHz

工頻屏蔽層式傳感器測量帶寬：50Hz-1KHz

系統(tǒng)定位精度：±1.7m或±0.2%L（取最大）

系統(tǒng)選線準確率：≥95%

GPS/光纖/北斗守時精度：20ns

云服務（用戶可選項）：阿里云

功耗：≤10W

通訊接口：4G無線通訊/網口*2/光口*2

供電方式：AC 110~220V/ DC 15~60V/CT耦合取電（啟動電流＞30A）

電源掉電保持時間：≥8h

裝置平均*工作時間MTBF：≥50000h

系統(tǒng)上位機：主站或云

工作溫度：-40℃~+70℃

系統(tǒng)的先進性

  1）通過安裝高壓電纜故障預警及選線定位系統(tǒng)，從故障定位、選線、故障預警等方面可做到自動化，提高了故障排查效率，節(jié)省了大量的時間和人力。

  2）提高了配電網自動化水平，可有計劃地提前采取措施，保證廠區(qū)設備運行安全，保障電網的可靠供電，避免了由于突發(fā)停電而造成的不必要的經濟損失。

  3）系統(tǒng)軟件后臺可選擇部署在云服務器端，操作人員訪問方便，不受時間、地點限制，可實時查看線路運行情況，方便管理。

  4）電纜故障精確定位裝置結構緊湊，施工安裝方便，可對重點站、重點設備、異常設備進行長期監(jiān)測，系統(tǒng)配置靈活。

  5）系統(tǒng)安裝不改變電纜運行方式和結構，不占用現有系統(tǒng)資源，在電纜接地導體上安裝電流傳感器安全可靠,可監(jiān)測長電纜，最大監(jiān)測電纜長度為40km。

  6）電纜故障精確定位裝置采用全網絡化設置，通訊方式多樣：可通過4G無線通訊、網絡通訊、光纖通訊方式對每個裝置分配不同的IP地址，能同時對多條回路進行實時在線監(jiān)測和故障預警。

  7）系統(tǒng)響應時間短，當電纜發(fā)生暫態(tài)故障產生放電信號后，高頻傳感器在5s之內即可將采集到的故障信號通過網絡通訊傳遞給上位機軟件并實時顯示故障波形，便于值班人員快速分析故障點。

  8）單芯電纜實時監(jiān)測護層接地電流，實現對電纜護層接地電流異常報警。

系統(tǒng)構成

  1、電纜故障定位在線裝置

  電纜故障定位在線裝置由主控單元（CPU模塊）、高速信號數據采集單元（DAU模塊）、GPS/光纖/北斗守時模塊、4G/光纖/網絡通訊模塊、電源管理模塊等部分構成，電纜故障精確定位裝置通過高頻傳感器獲取暫態(tài)行波電流信號，記錄采集時的時間標簽,同時，在現場條件具備的前提下，可增采 Ua、Ub、Uc、工頻電壓信號及零序分量，作為對高壓電纜故障點定位和預警的輔助條件，為后臺運算提供數據支持。

  電纜故障精確定位裝置融合先進的數字化傳感器技術、高速數據采集、數據分析、通信技術和計算機技術為一體，將本地數據通過4G/光纖/網絡通訊模塊實時上傳至系統(tǒng)后臺。電纜故障精確定位裝置能夠適應惡劣的運行環(huán)境，為配電網安全運行提供有力的保障。裝置外觀如下圖所示：

  2、傳感器

  2.1高頻信號采集傳感器（分為高頻屏蔽層式傳感器和高頻芯線式傳感器兩種）

   高頻屏蔽層式傳感器：傳感器安裝在被監(jiān)測電纜金屬屏蔽層接地線上，負責監(jiān)測被測電纜的暫態(tài)電流行波信號，傳感器按照一致方向固定在電纜屏蔽線上，并注意屏蔽線處安裝傳感器之前需要做絕緣處理。傳感器與采集單元間通過多芯屏蔽線連接。裝置外觀如下圖所示：

  ●安裝在電纜金屬屏蔽層接地線處

  ●測量帶寬：100KHz～5MHz

  ●輸出阻抗：50Ω

  高頻芯線式傳感器：傳感器安裝在被監(jiān)測電纜本體上，負責監(jiān)測被測電纜的暫態(tài)電流行波信號,傳感器與采集單元間通過多芯屏蔽線連接。裝置外觀如下圖所示：

  ●安裝在被監(jiān)測電纜本體上，每一處監(jiān)測點配置3個傳感器

  ●測量量程:5A～5000A

  ●測量帶寬：1kHz～100MHz

  ●絕緣隔離水平：DC 10kV/1min

  ●安裝方式：開合式

  ●匹配阻抗：50Ω

  2.2工頻屏蔽層式傳感器

  傳感器安裝在被監(jiān)測電纜金屬屏蔽層接地線上，負責監(jiān)測單芯電纜外護套環(huán)流信號。傳感器采用開口鐵芯結構設計，不需斷開被測電纜即可快速、方便安裝拆除。裝置外觀如下圖所示：

  ●安裝在電纜金屬屏蔽層接地線處（單芯電纜使用）

  ●額定初級電流：5-400Aac

  ●額定次級電壓:0.333Vac

  ●測量帶寬：50Hz-1KHz

  3、系統(tǒng)主站

  主站包含有系統(tǒng)監(jiān)測后臺、其他輔助監(jiān)測單元等，利用*算法，通過對現場的上傳數據進行分析，實現故障點精確定位、預警等各項功能。

  4、系統(tǒng)軟件后臺

  軟件平臺采用B/S的結構搭建，通過自組局域網或采用云服務來實現各項功能。用戶可在自己的客戶端（主站電腦）用瀏覽器的形式訪問系統(tǒng)監(jiān)測后臺，如選用云服務則可在任何時間地點通過瀏覽器登錄系統(tǒng)監(jiān)測后臺，查看線路運行情況，并且系統(tǒng)的歷史數據長期存儲，方便查看。

系統(tǒng)可自動預警電纜故障和故障精確定位，并通過彈窗告警，也可選擇手機

短信方式或者APP軟件推送將故障信息通知相關人員。值班人員可在監(jiān)控中心或通過遠程訪問的方式，直觀查看各條電纜線路運行情況，當出現異常時系統(tǒng)會自動彈出告警提示，極大的方便了工作人員對電纜日常的監(jiān)測和維護，并且系統(tǒng)自動保留原始數據以便后期的利用。

  系統(tǒng)可根據現場監(jiān)測線路情況，配置本用戶的系統(tǒng)網絡拓撲，用戶值班人員可通過監(jiān)測界面直觀的查看監(jiān)測范圍內線路的運行情況。當監(jiān)測線路出現異常時系統(tǒng)會在相應線路處進行變色閃爍提示以及彈出告警彈窗提示故障點位置。

  后臺軟件功能:

  ●定位：系統(tǒng)通過雙端自動測距功能計算故障點距離；

  ●選線（選配）：當支路電纜發(fā)生故障時，系統(tǒng)根據終端所采集的支線波形方向進行支路選線；

  ●預警（選配）：系統(tǒng)根據高頻傳感器采集的數據進行分析，結合瞬時故障的能量值與觸發(fā)頻次實現對電纜故障的預警；

  ●電纜運行圖顯示：

    (1）通過運行圖可以直觀查看系統(tǒng)已安裝并監(jiān)測的電纜線路及其參數配置，

并可以通過選定電纜線路或選定配電所（箱變）查看電纜自恢復故障記錄索引；

    (2）電纜自恢復故障點位置可以在網絡運行圖上相應位置閃爍顯示。

  ●波形分析:

    (1）波形顯示：同時顯示多個通道波形，具有波形縮放、通道選擇、游標顯示功能；

    (2）可對可恢復故障波形進行自動分析，以確定電纜自恢復故障點的位置。

  ●電子值班（用戶可選項）:

可通過短信、APP推送方式向有關人員發(fā)送電纜故障告警信息。

  ●其它功能:(1）設備自檢功能；(2）遠程維護功能（可選）；(3) 電源管理功能；