新型電纜護層環流實時監測系統的設計與實現

李忠柱，張 冰，牛洪海，瞿 亮，吳 健，任晨曦，王哲蓓

（南京南瑞繼保工程技術有限公司，南京 211102）

0 引言

隨著國內城市建設的不斷發展，高壓架空線路已無法適應當前城市建設規劃的要求。與架空線路相比，電纜隧道不僅能夠節約城市空間，還能夠避免雷電天氣和人為因素帶來的電力事故的發生，因此電纜隧道的建設規模及長度不斷增加[8-10]。

然而，高壓電纜長期處于地下隧道內，隨著時間的推移，電纜絕緣層逐漸老化，還可能由于施工原因導致機械損傷，這些都對城市的供電帶來安全隱患[11-15]。高壓電纜正常運行時如果有電流流過，會在電纜金屬護層中感應出電壓，為了保證運行安全同時抑制電纜護層接地環流，電纜金屬護層一般采用單端接地或交叉互聯的方法進行接地。因此，當電纜的絕緣狀態良好時，護層環流接近于零。但是，當絕緣護層老化或破損導致金屬護層發生多點接地時，接地環流會很大，甚至可能與電纜線芯電流達到同一數量級。因此，通過監測電纜護層的接地環流，不僅可以監測電力電纜金屬護層自身的狀態，也可以監測主絕緣的品質狀態和高壓電力電纜的其他故障[1]。

1 電纜護層環流實時監測需求分析

電力電纜部署在地下電纜隧道中，隧道內具備強電磁干擾、隱蔽性、潮濕性等特征，電力電纜運行在一個相對危險的環境內，在其運行過程中因為環境的惡劣變化而導致絕緣狀態惡化，甚至起火、斷裂等故障，從而引起更大范圍的事故。

電力電纜外護層具有保護和絕緣作用，其完整性是電纜安全運行的保證[2]。因此，應對電力電纜的監測尤其重要，而根據電網公司的運行規范和檢修經驗，電力電纜的護層環流是表征電纜故障的重要指標。針對電纜護層環流的實現監測是電力電纜監測的必備功能，下面針對電纜護層環流監測的需求進行全面分析，以便設計和實現的環流監測系統具備更好的應用價值[3-7]。

護層環流的監測主要由實時監測綜合監控軟件、電流互感器、電流采集裝置、采集裝置外殼構成，實時監測綜合監控軟件應部署于人員值守的位置組屏安裝，電流互感器應布置于接地箱位置，電流采集裝置和采集裝置外殼應靠近電流互感器布置，以保證采集精度和實時性。根據電纜隧道內電力電纜的特征合理設計電流采集裝置，同時還應設計所有電流采集裝置的網絡架構，保障綜合監控軟件可以直接全景獲悉電纜隧道內所有電流采集裝置的所有實時數據。針對以上需求，需要對電纜護層環流實時監測提出以下需求（見表1）。

表1 中全面分析了電纜護層環流實時監測的各類需求，對電纜護層環流實施檢查系統的總體方案的設計，硬件和軟件設計均提出了較高的要求。下面針對以上兩個部分分別進行介紹，從而實現電纜護層環流實現監測的各類需求。

2 系統總體方案

上一章節對電纜護層環流實時監測的需求進行了詳細地分析和設計要點分解，然而要實現上述設計，需要設計一個可靠的網絡結構，將前端感知數據傳輸到后臺主站系統，才能將零散的設備及模塊形成一個整體。下面針對電纜護層環流監測的需求，設計一套電纜護層環流實時監測總體架構，具體如圖1 所示。

如圖1 所示，整體架構設計分為3 層：感知層、網絡層、平臺層。核心的采集單元部署在網絡層，負責感知層的數據收集、處理與邏輯計算，同時將處理計算完成的結果上送至平臺層展示。圖2 詳細說明了護層環流監測系統的構成，主要包括電流互感器、電流采集裝置、高防護等級外殼和綜合監控。電流互感器安裝于高壓電纜護層接地線上，測量電纜護層接地環流信息；電流采集裝置與電流互感器輸出連接并采集電流互感器輸出的接地環流信息，通過高防護等級外殼能夠對電流采集裝置進行防護；綜合監控主機放置于主控室，通過光纖網絡或無線網絡與電流采集裝置的通訊模塊相連接，對接收到的護層接地環流信息進行數據顯示、數據存儲、數據分析和故障報警功能，以此實現隧道電纜護層接地環流在線監測功能。

表1 電纜護層環流實時監測需求類別Table 1 Cable sheath circulation real-time monitoring needs category

圖1 電纜護層環流實時監測總體架構Fig.1 Cable sheath circulation real-time monitoring of the overall structure

圖2 護層環流監測系統構成Fig.2 The composition of the shield circulation monitoring system

圖3 電流采集裝置的模塊設計Fig.3 Module design of current acquisition device

3 電纜護層環流監測的硬件和軟件設計

3.1 電流采集裝置

根據上一章的總體方案可以看出，整個監測系統最核心的是電流采集裝置，它的數據收集、處理與邏輯計算能力直接影響了整個系統的功能和效率。本文針對電流采集裝置的硬件部分進行詳細的設計，采用模塊化的設計理念，實現電流采集裝置的各功能單元，具體如圖3 所示。

如圖3 所示，電流采集裝置的功能模塊主要包括電源模塊、交流采樣模塊、CPU 模塊、開關量輸入模塊、模擬量輸入模塊和鍵盤及液晶顯示模塊。

根據第1 章的需求分析中，高集成度、高EMC 性能的要求，整個裝置集成了電源、通訊、數據采集、數據輸出等模塊于一體，減少了安裝設備數量，同時盡可能縮小設備的尺寸，尤其關注設備的厚度方面，以免設備安裝后影響隧道內的正常人員通行。同時考慮元器件EMC 性能，合理布置PCB 的元器件，以適應高EMC 的性能要求。電源模塊按照第1 章需求分析的要求支持交直流寬范圍（110V/220V）的電壓供電方案電源輸入，同時支持低至12V 的供電，考慮方便CT 取電、電池后備電源以及太陽能供電方案的實現，在保證性能要求的前提下，選取低功耗原件，優化了硬件設計，將裝置的功耗降到最低。軟件上配合觸發間歇性休眠模式，保證在后備電池容量固定的情況下，支持更長時間的工作。

圖4 高防護等級外殼的前面板視圖Fig.4 Front panel view of the high protection class enclosure

圖5 高防護等級外殼的接線面板視圖Fig.5 Wiring panel view of high protection class housing

針對對時模塊和輸入模塊按照需求分析中的內容，設計網絡對時和專用對時裝置的對時接口，能夠接收北斗或GPS 對時信號，保證在事故分析階段的時間信息準確。針對沒有網絡對時設備和專用對時裝置的情況，硬件上支持直接接入蘑菇頭的方案，使對時更可靠，精度更準；設計的開關量輸入模塊與CPU 模塊的DSP 核連接，負責采集外部輸入的開關量信號，開關量信號支持電壓等級包括24V、48V、110V 和220V；設計的模擬量輸入模塊與CPU 模塊的DSP 核連接，負責采集外部輸入的4mA ～20mA 電流信號或0V ～10V 電壓信號。

交流采樣模塊的輸入與電流互感器輸出連接，負責對輸入的電流信號進行轉換和低通濾波，調理為-10V ～+10V的電壓信號，從而輸入CPU 模塊進行數據分析、邏輯計算等后續流程。CPU 模塊包括高性能處理器模塊、A/D 模數轉換電路、電子盤和通訊模塊等。高性能處理器模塊包括DSP 核和ARM 核，分別進行數據處理和系統管理；A/D 模數轉換電路與交流采樣模塊輸出連接，將輸入的模擬信號轉換為數字信號并傳輸給DSP 核進行數據處理；電子盤主要負責程序文件、配置文件和定值文件的備份；通訊模塊與ARM 核連接，具備以太網和RS485 標準通訊接口，負責與綜合監控主機通訊。鍵盤及液晶顯示模塊與CPU 模塊的ARM 核連接，可通過鍵盤及液晶顯示模塊查看裝置信息及修改定值。

電流護層環流監測作為電力系統重要監控系統，通訊模塊的設計上考慮了所有通用的電力通訊規約，包括IEC61850、IEC103、101、modbus-tcp 等，可以實現與其他監控系統的兼容，同時在一些通信線纜敷設不方便的特殊區域需支持無線通訊，設計了通用的物聯網采集方案，包含5G、4G、LORA 等，較好地適應了通信線纜敷設不方便的特殊區域應用。

3.2 高防護等級外殼

根據第1 章需求分析中高防護等級需求，電流采集裝置外殼為全封閉一體化結構，如圖4 和圖5 所示。采用鑄鋁金屬材料，具有很好的電磁屏蔽作用，與外部接口采用防水接頭，防護等級達到IP68，整體具有防塵、防水和抗電磁干擾功能。同時設備內部所有PCB 板卡全面考慮三防處理，保證了電流采集裝置在電纜隧道復雜的運行環境中可靠運行。

3.3 故障判別

電流采集裝置最大可采集9 路電流信號。電流采集裝置可設置護層環流與線芯電流比值的報警門檻，當比值超過門檻時裝置發出報警信號。由于不同電壓等級、不同區域對于護層環流的邏輯判斷均有所不同，裝置設計了可編程可定義報警定值的功能，能夠自定義數學運算和邏輯運算，實現復雜故障的判別。主要分為環流越限報警、環流與運行電流比值越限告警、環流變化報警3 個部分：

1）環流越限告警

裝置設電纜護層環流越限告警，當護層環流告警投入（可自定義）控制字為“1”，且裝置采集的電纜護層環流值高于護層環流告警定值（可自定義）時，經護層環流告警時間（可自定義）延時報護層環流告警信號。

2）環流與運行電流比值越限告警

裝置設電纜護層環流與運行電流比值越限告警，當環流比值告警投入（可自定義）控制字為“1”，且運行電流大于環流比值告警低電流閉鎖定值（可自定義），裝置采集的電纜護層環流與對應運行電流比值高于環流比值告警定值（可自定義）時，經環流比值告警時間（可自定義）延時報環流與運行電流比值告警信號。

3）環流變化告警

裝置設電纜護層環流變化告警，當環流變化告警投入（可自定義）控制字為“1”，且裝置采集的電纜護層環流滿足以下條件之一，報環流變化告警信號；當突變量消除后延時1s 返回。判據的條件為：

◇ 本相環流有流，且環流值1 個周波內的變化量高于環流變化告警門檻系數（可自定義）*1 周波前環流值時。

◇ 本相環流值1 個周波內的變化量高于環流變化告警門檻絕對值（可自定義）。

4 結論

電力電纜的重要性正越來越受到電力公司的關注，為有效監測電力電纜的護層環流，本文設計了一種新型電纜護層環流監測系統，采用感知層、網絡層、平臺層的3 層結構對電力電纜的護層環流進行實時地全方位監測，尤其在電流采集裝置的設計上充分考慮隧道內的環境和可靠性需求，從高集成度、高EMC 性能、供電方案、低功耗、對時模塊、輸入模塊、軟件邏輯可編程、通信模塊、高防護等級9 個方面進行了深化設計和實現，適應了不同現場、不同環境的各種需求，并在北京、廣州、合肥、雄安新區等地數10 個電纜隧道監控項目的應用，具有廣泛的推廣應用價值。