电缆故障预警与精确定位系统

系统(tong)概述

随着电网建设的不断发展，高压电缆供电线路被越来越多的应用到应用到城市电网建设当中。目前高压电缆出现接地故障后，整个系统接地故障区段很难查找，确定故障电缆区段后，还需查找电缆故障点，传统的离线故障定位方法工作量大、安全性低，停电测试会造成一定的经济损失。高压电缆双端自动测距技术可以快速有效的查找故障隐患、准确定位故障点，同时具备支路选线功能。

  利用(yong)(yong)故障(zhang)时产生的(de)(de)电流行(xing)波(bo)(bo)信(xin)号测(ce)量故障(zhang)距离(li)是一种较为成(cheng)熟的(de)(de)技术，已在输电线(xian)路和部分(fen)结构简单(dan)的(de)(de)配电线(xian)路中获(huo)得成(cheng)功应(ying)用(yong)(yong)。但高(gao)压电缆(lan)(lan)(lan)铺设距离(li)长，中间接(jie)头(tou)多，故障(zhang)初(chu)始行(xing)波(bo)(bo)衰减(jian)严重、折反射规律复杂(za)，现有(you)常用(yong)(yong)的(de)(de)双端（需要在变电站母(mu)线(xian)和主干线(xian)路末端处分(fen)别安(an)装行(xing)波(bo)(bo)测(ce)距装置）与(yu)单(dan)端（仅在母(mu)线(xian)处安(an)装行(xing)波(bo)(bo)测(ce)距装置）行(xing)波(bo)(bo)测(ce)距技术并不能直接(jie)应(ying)用(yong)(yong)。针(zhen)对高(gao)压电缆(lan)(lan)(lan)网(wang)络特定的(de)(de)结构，在主干电缆(lan)(lan)(lan)接(jie)地(di)处安(an)装电缆(lan)(lan)(lan)故障(zhang)精确定位(wei)装置，实现故障(zhang)的(de)(de)分(fen)布(bu)式行(xing)波(bo)(bo)测(ce)距、选线(xian)是一个有(you)效的(de)(de)解决(jue)途径(jing)。

  电缆故障预警与精确定位系统利用高速暂态行波在线监测和电网拓扑分析的系统方法，实现高压电缆的在线监测，对高压电缆故障进行定位、选线和预警。具体方法是在主干电缆与特定分段位置分别安装电缆故障精确定位装置，将电缆在发生故障前的微弱暂态信号采集到，通过电缆故障精确定位装置分析处理，将信号上传到系统后台，系统后台通过波形分析自动预警并通过双端测距技术自动计算故障点距离，通过系统后台指示故障点位置，并且对馈出支路电缆实现选线功能。

  系(xi)统后(hou)台(tai)可以部署在(zai)云服务(wu)端或本(ben)(ben)地主站，电(dian)力运维人(ren)员(yuan)可通(tong)过(guo)局(ju)域(yu)网或互联网访问、账号(hao)登录、手机(ji)APP推送(song)、短信息提示(shi)等(deng)方式实(shi)现系(xi)统远程(cheng)监控，实(shi)时了解(jie)电(dian)缆运行状(zhuang)况信息。系(xi)统可以做到故(gu)(gu)障(zhang)前的(de)测距(ju)、选(xuan)线和预(yu)警，从而实(shi)现状(zhuang)态检修(xiu)，使维护人(ren)员(yuan)在(zai)线路(lu)故(gu)(gu)障(zhang)之前对故(gu)(gu)障(zhang)进行正确处(chu)理，提高电(dian)网自动化程(cheng)度，保(bao)证(zheng)电(dian)网的(de)安全性(xing)和可靠性(xing)，减少了大量的(de)人(ren)力物力消耗，节约(yue)了运行成本(ben)(ben)。

系统功能

  1、故障定位：系(xi)统(tong)(tong)采用双端自动(dong)测(ce)距技术，实现高压主回路(lu)电缆的双端测(ce)距，并(bing)且在(zai)系(xi)统(tong)(tong)后台界面指示故障点(dian)位置，对故障点(dian)进(jin)行标注，故障测(ce)距精度可达(da)到±1.7m或±0.2%L（取最大）；

  2、故障选(xuan)(xuan)线（选(xuan)(xuan)配）：实时监测各支(zhi)路(lu)电(dian)缆暂(zan)态电(dian)流变化(hua)，根据(ju)行波选(xuan)线原理和(he)拓扑结构确定(ding)分支(zhi)出线故(gu)障(zhang)线路(lu)；

  3、故障预警（选配）：系统(tong)利用(yong)瞬时(shi)性故障的(de)(de)(de)暂态行波特征，根据电(dian)缆瞬时(shi)性接(jie)地后的(de)(de)(de)绝(jue)(jue)缘状态更接(jie)近于故障的(de)(de)(de)现象，对电(dian)缆的(de)(de)(de)绝(jue)(jue)缘状态进行监测(ce)，保证线路发(fa)生接(jie)地故障前系统(tong)能够可靠预(yu)警；

  4、环流(liu)监测(ce)（选配）：针对单芯电(dian)缆(lan)，系统可以实现(xian)监测线路的(de)外(wai)护套绝缘情况，并绘(hui)制(zhi)环流(liu)曲线，对外(wai)护套绝缘异常电(dian)缆(lan)进行故障(zhang)告警(jing)；

  5、系统云服务（用户可选项）：针对(dui)每(mei)个用(yong)户(hu)提供足够(gou)的用(yong)户(hu)空间，用(yong)户(hu)可在任何(he)时间地点通过浏览器方式访问(wen)现场的系统监测情况，并(bing)且系统历(li)史(shi)数据存(cun)储，方便历(li)史(shi)查看；

  6、断(duan)电防护（选(xuan)配）：电缆故障精(jing)确(que)(que)定(ding)位(wei)装置内电源模块(kuai)处于热备份状态(tai)，当(dang)供电电源断电后，电缆故障精(jing)确(que)(que)定(ding)位(wei)装置可持续工作≥8h，确(que)(que)保断电瞬间采集的数据完整性；

  7、电子值班（用(yong)户可选项）：实现(xian)无人(ren)值守(shou)，报(bao)警信(xin)息及工(gong)作状态(tai)可通过发送短(duan)信(xin)息、APP推送的方式至相关人(ren)员；

  8、历史存储：实现实时(shi)存储信息(xi)(xi)，可进行历史数(shu)据查(cha)询，报(bao)警信息(xi)(xi)打印等(deng)；

  9、录波功能（选配(pei)）：系(xi)统可(ke)实时(shi)录(lu)(lu)波(bo)，因(yin)录(lu)(lu)波(bo)时(shi)数据(ju)量较大需(xu)要稳定的数据(ju)传输方(fang)式，现场(chang)需(xu)要敷设光纤(xian)。

技术(shu)参数

监测装置尺寸：260mm*340mm*88mm

高频(pin)电流采样频(pin)率：50MHz*8路                  

工频(pin)(pin)电流采样频(pin)(pin)率：10KHz*8路(lu)

电压采样频率：100KHz*4路

高频监(jian)测(ce)：50MHz*8路高速(su)采样，可同时监(jian)测(ce)8条(tiao)电缆

工频监测(ce)（单(dan)芯电缆(lan)）：10KHz*8路采(cai)集，可(ke)同时监测(ce)8条(tiao)电缆(lan)

高频屏(ping)蔽层式传感器(qi)测量(liang)带宽(kuan)：100KHz～5MHz

高频芯线式传感器(qi)测量带(dai)宽：1kHz～100MHz

工频(pin)屏蔽层式传感器测量带(dai)宽：50Hz-1KHz

系统定位精度(du)：±1.7m或(huo)±0.2%L（取最(zui)大）

系统选线准确率：≥95%

GPS/光纤/北斗守时精度：20ns

云服务（用(yong)户(hu)可选项(xiang)）：阿里云

功耗：≤10W

通讯接口(kou)：4G无线通讯/网(wang)口(kou)*2/光口(kou)*2

供电方式(shi)：AC 110~220V/ DC 15~60V/CT耦合取电（启动电流＞30A）

电源掉电保持时间(jian)：≥8h

装置平均*工(gong)作时间MTBF：≥50000h

系统上位机：主(zhu)站或(huo)云

工作(zuo)温度：-40℃~+70℃

系统的先进性

  1）通过安装(zhuang)高压电(dian)缆故障(zhang)预警及选线(xian)(xian)定位系(xi)统(tong)，从(cong)故障(zhang)定位、选线(xian)(xian)、故障(zhang)预警等方(fang)面(mian)可做到自动化(hua)，提高了故障(zhang)排查效率，节省了大量的时(shi)间和人力(li)。

  2）提(ti)高了(le)配电网自动(dong)化水平，可(ke)有计(ji)划地提(ti)前采(cai)取措(cuo)施(shi)，保证厂区设备运行(xing)安全，保障电网的可(ke)靠供电，避(bi)免了(le)由于突发(fa)停电而(er)造成的不必(bi)要(yao)的经(jing)济损(sun)失。

  3）系统软(ruan)件后台(tai)可(ke)选择部署在云服(fu)务器端，操作人员访问方(fang)便(bian)，不受时(shi)(shi)间、地点(dian)限(xian)制，可(ke)实时(shi)(shi)查看线(xian)路运行情况(kuang)，方(fang)便(bian)管理。

  4）电缆故障精确定位装置结构紧凑，施(shi)工安装方便，可对重点(dian)站、重点(dian)设(she)备(bei)、异常设(she)备(bei)进行长期监测(ce)，系统配置灵活。

  5）系统安装不改变电(dian)(dian)缆(lan)(lan)运行方式和(he)结构(gou)，不占用现有系统资源，在电(dian)(dian)缆(lan)(lan)接(jie)地导体(ti)上安装电(dian)(dian)流传感(gan)器安全(quan)可靠,可监(jian)测长电(dian)(dian)缆(lan)(lan)，最大监(jian)测电(dian)(dian)缆(lan)(lan)长度为40km。

  6）电缆故障精确定位装置采用全网络(luo)化(hua)设置，通(tong)讯方式多样：可通(tong)过4G无线通(tong)讯、网络(luo)通(tong)讯、光纤(xian)通(tong)讯方式对每个装置分配不同的IP地址，能同时对多条(tiao)回路进行(xing)实时在线监测和故障预警。

  7）系统(tong)响应时间短，当电(dian)缆发生(sheng)暂态故障产(chan)生(sheng)放电(dian)信号后，高(gao)频传感器在5s之内即可将采集到的故障信号通(tong)过网络通(tong)讯(xun)传递给上位机(ji)软件并(bing)实时显示故障波形，便于值班人员快速分析故障点。

  8）单芯电(dian)缆实(shi)时监(jian)测护(hu)层接地电(dian)流，实(shi)现对电(dian)缆护(hu)层接地电(dian)流异常报(bao)警。

系(xi)统构成

  1、电缆故障定位在(zai)线装置

  电缆故障定位在线装置由主控单元（CPU模块）、高速信号数据采集单元（DAU模块）、GPS/光纤/北斗守时模块、4G/光纤/网络通讯模块、电源管理模块等部分构成，电缆故障精确定位装置通过高频传感器获取暂态行波电流信号，记录采集时的时间标签,同时，在现场条件具备的前提下，可增采 Ua、Ub、Uc、工频电压信号及零序分量，作为对高压电缆故障点定位和预警的辅助条件，为后台运算提供数据支持。

  电(dian)(dian)缆故(gu)障精(jing)确定(ding)(ding)位装(zhuang)置(zhi)(zhi)融合(he)先(xian)进(jin)的(de)数(shu)字(zi)化传(chuan)感器技术(shu)、高速数(shu)据(ju)采集、数(shu)据(ju)分析、通信技术(shu)和计(ji)算机技术(shu)为(wei)一(yi)体，将(jiang)本地数(shu)据(ju)通过4G/光纤/网络通讯模块实时上(shang)传(chuan)至系统后台。电(dian)(dian)缆故(gu)障精(jing)确定(ding)(ding)位装(zhuang)置(zhi)(zhi)能(neng)够适应恶劣(lie)的(de)运(yun)行环境，为(wei)配电(dian)(dian)网安(an)全运(yun)行提供有力的(de)保障。装(zhuang)置(zhi)(zhi)外观如下图所示(shi)：

  2、传感器(qi)

  2.1高频信号采集传感器（分为高(gao)频屏(ping)蔽层式传感器和高频(pin)芯线(xian)式传感器两(liang)种）

   高频屏蔽层式传感器：传感器安装在被监测电缆金属屏蔽层接地线上，负责监测被测电缆的暂态电流行波信号，传感器按照一致方向固定在电缆屏蔽线上，并注意屏蔽线处安装传感器之前需要做绝缘处理。传感器与采集单元间通过多芯屏蔽线连接。装置外观如下图所示：

  ●安(an)装在电缆金属屏蔽层接地线处

  ●测量带宽：100KHz～5MHz

  ●输出阻抗：50Ω

  高频芯线式传感器：传感器安装在被监测电缆本体上，负责监测被测电缆的暂态电流行波信号,传感器与采集单元间通过多芯屏蔽线连接。装置外观如下图所示：

  ●安装在(zai)被监(jian)测电缆本体(ti)上，每一处监(jian)测点配(pei)置3个传感(gan)器

  ●测(ce)量量程:5A～5000A

  ●测量带宽：1kHz～100MHz

  ●绝(jue)缘隔(ge)离水平：DC 10kV/1min

  ●安装方式：开合式

  ●匹配阻抗(kang)：50Ω

  2.2工频屏(ping)蔽层式传感器

  传(chuan)感器(qi)安装在被(bei)监(jian)测电(dian)缆金(jin)属屏蔽层接(jie)地线(xian)上，负(fu)责(ze)监(jian)测单芯(xin)电(dian)缆外护套环流信(xin)号。传(chuan)感器(qi)采用开(kai)口铁芯(xin)结构(gou)设计，不(bu)需(xu)断开(kai)被(bei)测电(dian)缆即可(ke)快速、方(fang)便安装拆(chai)除(chu)。装置外观如下图所示：

  ●安(an)装(zhuang)在电缆金属(shu)屏蔽层(ceng)接地线处(chu)（单(dan)芯电缆使(shi)用）

  ●额定初(chu)级电(dian)流：5-400Aac

  ●额定次级(ji)电压:0.333Vac

  ●测量(liang)带宽：50Hz-1KHz

  3、系统主(zhu)站

  主(zhu)站包含有系(xi)统监测后(hou)台、其他辅助监测(ce)单元等，利用*算法，通过对现(xian)场(chang)的上(shang)传数据进行分析，实现(xian)故障点精确定(ding)位、预警等各项功(gong)能。

  4、系统软件(jian)后台

  软(ruan)件平台采用(yong)B/S的(de)结构搭建，通过自组(zu)局域(yu)网或采用(yong)云(yun)服(fu)务来实现各项功(gong)能(neng)。用(yong)户(hu)可在(zai)自己的(de)客户(hu)端（主站电(dian)脑）用(yong)浏览器(qi)的(de)形式访问(wen)系(xi)统(tong)监测后台，如选用(yong)云(yun)服(fu)务则可在(zai)任何时(shi)间地点通过浏览器(qi)登(deng)录系(xi)统(tong)监测后台，查看线路运(yun)行情况，并且(qie)系(xi)统(tong)的(de)历史数(shu)据长期存储，方(fang)便查看。

系(xi)统可(ke)(ke)自动(dong)预警电缆故障(zhang)和故障(zhang)精确定位，并通过弹窗(chuang)告(gao)警，也可(ke)(ke)选择手机

短信(xin)方式或者APP软件推(tui)送将故障信(xin)息通(tong)知相关人员。值班(ban)人员可在监控中心或通(tong)过(guo)远程访(fang)问的方式，直(zhi)观查看各条电缆线路运(yun)行情(qing)况，当出现(xian)异常(chang)时系统会自(zi)(zi)动弹出告警提(ti)示，极大的方便(bian)(bian)了工作人员对电缆日(ri)常(chang)的监测和维护，并(bing)且系统自(zi)(zi)动保(bao)留原(yuan)始数据以便(bian)(bian)后期(qi)的利(li)用(yong)。

  系统(tong)可根据现场(chang)监测(ce)线(xian)路情况，配置本(ben)用户的系统(tong)网络拓(tuo)扑，用户值班人员可通过监测(ce)界(jie)面直(zhi)观的查看监测(ce)范围内线(xian)路的运行情况。当(dang)监测(ce)线(xian)路出现异常(chang)时系统(tong)会在相应线(xian)路处进行变色闪烁提示(shi)以(yi)及弹出告警弹窗提示(shi)故障点(dian)位置。

  后台软件功能:

  ●定位：系统(tong)通过双端自动测距功(gong)能计算故障点距离；

  ●选(xuan)(xuan)线(xian)（选(xuan)(xuan)配(pei)）：当支(zhi)路电缆发生故(gu)障时，系(xi)统根据终端所(suo)采集的支(zhi)线(xian)波形方向进(jin)行(xing)支(zhi)路选(xuan)(xuan)线(xian)；

  ●预(yu)警（选配）：系(xi)统根(gen)据高(gao)频(pin)传感器采集(ji)的数据进(jin)行分(fen)析，结合瞬时故障的能量值与触发频(pin)次实现对电(dian)缆故障的预(yu)警；

  ●电缆运行图显示：

    (1）通过运行图可(ke)以直观查(cha)看系统已安装并监测的电缆(lan)线(xian)路及其参数配置，

并可(ke)以通过选定电缆线路或(huo)选定配电所（箱(xiang)变）查看电缆自恢复故障记录索(suo)引；

    (2）电(dian)缆自恢复(fu)故(gu)障(zhang)点位(wei)置(zhi)可(ke)以在网络运行图上相应位(wei)置(zhi)闪烁显示(shi)。

  ●波(bo)形(xing)分析(xi):

    (1）波(bo)(bo)(bo)形显(xian)示(shi)：同(tong)时显(xian)示(shi)多个通(tong)道波(bo)(bo)(bo)形，具有波(bo)(bo)(bo)形缩放、通(tong)道选择(ze)、游标显(xian)示(shi)功(gong)能；

    (2）可(ke)对可(ke)恢(hui)(hui)复故障(zhang)波形进行自动分析，以确定电(dian)缆自恢(hui)(hui)复故障(zhang)点(dian)的(de)位置。

  ●电子(zi)值(zhi)班(ban)（用(yong)户可选项）:

可通过短信、APP推送方式(shi)向有关人员发送电缆故障(zhang)告警信息。

  ●其它功(gong)能(neng):(1）设备自检功能；(2）远程维(wei)护功能（可选）；(3) 电源管理功能；