(国家电网杭州供电公司 310000)
摘要：电力电缆由于其导电线芯外包裹有若干护层保护，且敷设于地下长年处于较为封闭的空间环境中，受外界因素影响小，所以相比架空线路而言故障率低。但其敷设过程也要比架空线路复杂精细的多，许多工艺瑕疵都容易引起线路本体及附件的绝缘损伤，并逐渐发展为故障。一旦发生故障，其故障位置、类型非常复杂，高阻、闪络性故障可达 90%。我国城市配电网分布范围广、运行方式多样、接线复杂多分枝，线路的管理维护工作量很大，而且由于采用中性点非有效接地方式，故障后信号特征微弱，巡测繁琐，耗费了大量人力物力，严重影响了供电可靠性。为满足日趋增长的用电需求，节省城市空间，许多城市开始进行配电线路电缆下地改造。对数量众多的电力电缆线路进行综合运行状态监测，并实现故障的在线定位成为提高供电可靠性的必然趋势。
关键字：高压电缆；线路；智能检测系统；整体方案
1.系统功能需求和总体结构
随着经济的发展和人民生活水平的提高，社会对供电可靠性也提出了更高的要求，电力用户对电的依赖性越来越强，供电的可靠性及电能质量成为配电网的工作重点之一。城市配电网供电线路距离远，分支多，结构复杂，供电压力大。对数量众多的高压电缆线路进行综合运行状态监测，故障时快速定位故障位置，隔离故障区域，可以有效提高供电可靠性。
高压电缆线路智能监测系统结构如图 2-1 所示。
图 2-1 高压电缆线路智能监测系统结构图
系统采用分布式结构，由分布于电缆线路首末端点和各个环网柜、电缆分接箱的综合监测终端以及位于变电站的系统主站构成。综合监测终端集成电缆接头温度监测元件、箱内湿度监测元件、线路负荷监测元件，三者的测量数据由数据采集卡采样后通过 GPS 同步时钟打入绝对时标，经无线通信模块上传至主站。
系统主站硬件由工控机、GPS 同步时钟、大容量硬盘阵列以及无线通信终端组成。主站通信终端接收各点上传信号后，存入后台数据库。监测程序实时比对最新上传的温湿度、电流信息，越限时自动报警。故障发生后，自动计算故障区段，并图形化显示，给出测距监测点选项供用户选择，计算故障距离。
2.系统主站的结构功能
根据城市配电网运行对综合智能监测的需求，对主站的功能进行细化设计。系统主站的主要功能模块包括通信模块、线路信息数据库、逻辑判别模块、暂态波形数据处理模块。主站的功能结构如图 2-2 所示。
图 2-2 主站功能结构
2.1 通信模块
线路正常运行时，主站通信模块负责接收各个监测终端自行上传的低采样率实时运行状态监测信息，包括各电缆接头温度、各箱体湿度、负荷电流值。线路出现故障时，通过与保护装置的接口获得保护动作的开关量，由开关量信号启动测距通信模式，利用主站安装的 GPS 时钟，将指令标定绝对时刻后向监测终端发出，召唤各监测终端上传高采样率的暂态波形数据。为了降低系统投资，除位于变电站内的监测终端与主站间采用有线通信方式外，其余监测终端均可采用无线通信方式。可以选择主站与各个监测终端独立组建无线网络也可以选择租用各大通信运营商的公网进行通信。
2.2 线路信息数据库
线路信息数据库以线路节点为索引，正常运行时，存储线路及线路上环网柜、分接箱、箱式变的技术数据、运行标准和运行状态历史数据。故障后，存储各采集测量终端上传的大量故障暂态信号，提供给数据处理模块和逻辑判别模块调
用。按照数据更新频度可以分为以下三个部分：
(1) 静态数据库
静态数据库中主要存储电缆线路的原始配置参数，该数据库中的数据除非线路配置作了改变，否则一般不予改动。线路原始参数包含了线路中各元件的名称、电气参数、运行状态标准、装置的配置、线路的拓扑结构，以及各种运行方式信息等。
(2) 实时数据库
实时数据库采用多线程方法，实时刷新存储所包含的信息。其中存储的信息主要包括各电缆接头温度监测信息、箱内湿度监测信息、负荷信息、故障录波信息等。前面三种监测数据提供给逻辑判别模块实时调用，而后存入历史数据库。故障录波信息提供给暂态波形处理模块进行运算，当故障测距结束后，及时将录波信息存入历史数据库中备份。
(3) 历史数据库
历史数据库实现对实时数据库中信息的备份，并可实现对各监测终端监测历史数据的查询以及以往故障录波波形的调取。历史数据库的查询、维护、报表输出等功能可以方便运行人员的数据查询和统计，具有管理权限的用户还可对数据库进行修改、删除、导入等操作。历史数据库的查询满足时间、线路区段、设备型号、故障类型等约束条件。
2.3 逻辑判别模块
线路正常运行时，通过各终端上传的数据计算负荷电流，还原温湿度监测值，判别各点信息是否符合正常运行标准并输出监测结果。当监测量逼近预警阙值时，像运行人员发出告警消息指示告警设备位置信息。故障状态下，通过数据接口获得变电站保护开关量，保护动作时启动故障测距状态。检查各个测量终端数据是否上传完整、可用。利用波形处理后得到的信息，判别故障类型、确定故障区段、判断是否发生箱内接头故障。自动计算故障位置或根据用户选择的测量终端所上传信息计算故障位置。
2.4 暂态波形数据处理模块
只在故障发生后启动工作，利用封装好的暂态信号处理程序，对可用的暂态故障数据进行处理。选取线路始端监测点录波信息进行故障类型判别和故障选相。对各监测终端成功上传的故障录波波形进行经验模态分解(Empirical ModeDecomposition-EMD)，提取符合条件的本征模态函数(Intrinsic ModeFunction-IMF)，进行 Hilbert 变换，计算各个监测节点的暂态信号残留系数，形成监测点编号序列，标定行波波头到达各节点的绝对时刻。具体算法将在第四章详述。
3.监测终端的结构功能
各个环网柜、电缆分接箱、箱式变内的综合监测终端通过单片机集成了各个电缆接头的温度探头、箱内湿度传感器以及各相电流传感器，测量数据由 GPS同步时钟打上绝对时标后通过无线通信模块上传。综合监测终端结构如图 2-3 所示。监测终端工作所需电能采取低功率在线取电加大容量锂电池为后备电源的模式，线路故障停电后后备电源可为无线通信模块提供电能，直至暂态故障波形上传完毕。采用罗氏线圈作为取电装置和电流互感器，三相分别装设一个作为电流互感器，此外再选择一相额外装设一个罗氏线圈作为取电装置。无需对一次设备进行改造，整套终端可以实现带电安装。
图 2-3 监测终端结构
3.1 综合监测数据测量
电缆接头温度探测采用红外温度传感器，与三相接头紧密贴合；湿度探头采用电容式湿敏元件，置于箱体内。在满足监测需要前提下，线路正常运行时为了降低无线通信数据量，温度、湿度信息通过采集卡采样，无线通信模块，每间隔预设的时间测量上传一次。
负荷监测采用暂态响应好的罗氏线圈作为测量元件，每相电缆接头处装设一个，传变三相电流。电流信号经采集卡 10MHz 高速采样后，通过 GPS 同步时钟打入绝对时标，在存储器中循环存储四个周波的三相电流。线路正常运行时，每间隔预设时间，将最后一次采样得到的两个周波电流降低采样频率，通过无线通信模块上传至主站。
3.2 暂态信息采集与传输
故障时的暂态行波信号测量与负荷监测采用相同的传变、采样装置。不论何种情况下，采集卡始终保持 10MHz 的采样频率对罗氏线圈传变的各相电流信号进行高速采样，采样值存入大容量缓存中存储。缓存空间采用循环存储方式，数据按时标顺序顺次存入缓存空间直至空间存满，后续数据按照时标顺序顺次覆盖已经存储的数据。线路发生故障时，收到主站召唤指令后，从存储器中提取主站指令时标前后各一个工频周波的波形数据，通过无线通信模块上传至主站。
3.3 同步对时单元
为实现故障后定位算法所需暂态波形信号的同步性，须在进行信号采集时对采集的数字信号打入绝对时标。故每个带有暂态信息采集模块的监测终端都应装设 GPS 同步授时时钟。
3.4 通信方式
为保证线路发生故障时最低限度的故障定位数据可用性，位于变电站内的监测终端与主站间应采用有线通信方式，在投资允许的情况下其他终端也应尽量采用有线通信方式。主站与监测终端间可采用点对点通信方式，对于分布范围较广的出线，可以在分支较多的分接箱增设无线传感节点进行数据汇集和中继，以保证主站与每个监测终端通信顺畅。
4.小结
本文立足于获得较高的系统投入产出比，提出了主要采用无线通信方式的系统结构和功能需求设计方案，对系统总体结构，以及主站和监测终端的结构分别进行了设计。根据运行人员对系统功能的需求，对主站及监测终端的功能分别进行了设计。并专门针对暂态信号和监测信号制定了不同的测量、采样方案，以降低通信量，压缩系统成本。
论文作者:沈洪
论文发表刊物:《电力设备》2016年第16期
论文发表时间:2016/11/7
标签：终端论文; 故障论文; 线路论文; 主站论文; 模块论文; 数据论文; 信息论文; 《电力设备》2016年第16期论文;