高壓電纜故障在線測距技術(shù)中高精度時間同步實(shí)現(xiàn)

李海深，郭小凱，吳宏曉，方義治，李錄照

（1.廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東珠海 519000；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東淄博 255087）

隨著高壓電纜在城市輸電網(wǎng)的大量應(yīng)用，其總體故障次數(shù)也越來越多。高壓電纜故障后如何快速實(shí)現(xiàn)故障定位并及時進(jìn)行故障維修是擺在工程技術(shù)人員面前的一個難題[1]。

基于行波原理的雙端電纜故障在線測距技術(shù)，是根據(jù)電纜線路長度參數(shù)及線路上行波傳播速度，利用故障行波浪涌到達(dá)測量端的絕對時間之差[2]，確定故障點(diǎn)的位置，經(jīng)過國內(nèi)相關(guān)廠家進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證明，基于該原理的行波測距技術(shù)可以解決高壓電纜故障時快速在線測距的技術(shù)需求。

1 測距原理

電力電纜發(fā)生不同原因故障時，其故障點(diǎn)會產(chǎn)生故障電壓信號和故障電流信號，故障信號以行波方式沿線路向電纜兩頭傳播。如圖1 所示，F(xiàn)點(diǎn)發(fā)生故障時，記其故障發(fā)生時間為T0，此故障產(chǎn)生的行波信號向電纜兩頭傳播，到達(dá)兩頭的時間分別記為TA和TB，以上時間都為絕對時間。

圖1 電力電纜故障示意圖

根據(jù)邊界條件，故障點(diǎn)到兩端的距離L1和L2可由下列公式（1）、（2）計(jì)算獲得。

在式（3）中，L為電纜線路長度，根據(jù)相關(guān)文檔可以獲得，v是故障行波沿電纜線路傳播的速度[3]（v與電纜的介電和磁導(dǎo)特性有關(guān)系）。

經(jīng)過變換，故障距離可由式（4）、（5）計(jì)算得到：

L1和L2和分別為故障點(diǎn)距離A端和B端的距離。

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)除線路全長可由文檔獲得外，需要在電纜兩頭采集電纜故障后傳播到的信號，并對信號進(jìn)行處理以獲得到達(dá)的絕對時間；因此，裝置需要獲得高度精準(zhǔn)的時間信號以標(biāo)志故障信號，此時間信號由獨(dú)立的時間信號處理模塊提供，并滿足高精準(zhǔn)度（20 ns）的要求。

2 高精度對時技術(shù)研究

高壓電纜故障在線定位，要求測距誤差控制在幾米范圍以內(nèi)[4]，因此，雙端對時的衛(wèi)星同步時鐘誤差需控制在幾十納秒以內(nèi)，這樣才能保障高壓電纜的在線故障定位精度要求，文中測距誤差采用2 m，對時精度采用20 ns。因此，如何獲取高精準(zhǔn)的時間源信號、對時間基準(zhǔn)信號進(jìn)行優(yōu)化、保證時間信號的高分辨率為必要的基礎(chǔ)條件。

目前用于架空線路的行波測距技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)維要求，測距分辨率一般要求為150 m，因此，在進(jìn)行雙端配置時，時間同步信號達(dá)到1 μs 的精度即可。電力系統(tǒng)現(xiàn)在所采用時間同步裝置按照技術(shù)規(guī)范，其精度為1 μs，即使進(jìn)行優(yōu)化，也不會高于100 ns，不能滿足于文中電纜測距要求。

該文研究的基于多信源（北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS 導(dǎo)入系統(tǒng)）輸入的電力系統(tǒng)納秒級授時技術(shù)[5-6]，在進(jìn)行優(yōu)化處理后，其授時精度可達(dá)到20 ns。該技術(shù)中對于時鐘外來信源處理回路、本地信源性能優(yōu)化控制、信號傳輸回路、時間信號接收及處理回路進(jìn)行了深入分析研究并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對信號的類型進(jìn)行了優(yōu)化[7]，實(shí)現(xiàn)了20 ns 時間同步精度。

3 技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)

3.1 利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為時間源

文中采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的多信源實(shí)現(xiàn)優(yōu)于20 ns 的信號源接收[8]，并配合時間信號處理模塊中本地信源[9]（恒溫晶振）進(jìn)行信號鎖定及修訂，從源頭上保證了信源的穩(wěn)定和可靠。

北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)當(dāng)下實(shí)現(xiàn)了全球服務(wù)和GPS 系統(tǒng)提供精度近似的衛(wèi)星信號。該文基于多衛(wèi)星系統(tǒng)信源進(jìn)行裝置精準(zhǔn)定位，以修正信號傳輸距離帶來的誤差，同時利用多星信源優(yōu)化算法[10]，對所鎖衛(wèi)星信號進(jìn)行綜合比對，最后采用精度3×10-10晶振作為輔助，在本地進(jìn)行信號修正，以保證輸出時間信號的高準(zhǔn)確度。

3.2 對傳導(dǎo)路徑的優(yōu)化及控制

考慮到時間信號在傳輸過程中會發(fā)生頻散和畸變，文中對同信號受傳導(dǎo)路徑的影響進(jìn)行了深入分析，對傳導(dǎo)路徑進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)[11]，使得整個時間信號在傳導(dǎo)過程中的頻散和畸變可以量化，最后可以根據(jù)量化數(shù)據(jù)進(jìn)行信號還原。

時間模塊輸出信號分為電信號和光信號兩種，在采用光信號時，其傳輸距離可精準(zhǔn)測量[12]，但在采用電信號時，其信號波形受傳導(dǎo)路徑特性影響很大。當(dāng)授時模塊和被授時模塊在一個箱體內(nèi)里，盡量減少傳輸距離，縮短兩者之間的傳導(dǎo)路徑長度，同時對于信號回路的抗干擾性能進(jìn)行優(yōu)化，減少外來噪音影響。在通過電纜進(jìn)行傳輸時，信號受電纜固有參數(shù)、長度及路徑等影響，會發(fā)生衰減和頻散[13-14]，文中采用高頻信號通透性好的電纜，并盡量減少長度，增加屏蔽功能，同時對信號的衰減和頻散加以計(jì)算。

3.3 對被授時模塊進(jìn)行優(yōu)化

針對被授時模塊，考慮到接收到的信號受傳導(dǎo)路徑影響已發(fā)生畸變和頻散，因此需要對接收到的信號進(jìn)行再生處理，即根據(jù)信號和傳導(dǎo)路徑的特性，還原初始信號，保證信號的原始信息不會變化，實(shí)現(xiàn)20 ns 級的對時精度。

授時電路接收到時間信號后，需要對信號進(jìn)行正確識別[15]，授時回路在進(jìn)行時間信號識別前，先對波形進(jìn)行優(yōu)化處理，主要基于數(shù)字算法處理時間信號起始沿，去除可能引入的干擾或噪音信號；然后，根據(jù)傳導(dǎo)路徑，反向計(jì)算各頻率分量的衰減，并根據(jù)衰減特性，進(jìn)行波形再生，使得接近授時信號波形。工程實(shí)現(xiàn)流程如圖2 所示。

圖2 工程實(shí)現(xiàn)流程圖

4 具體實(shí)施方式及驗(yàn)證

4.1 實(shí)施方式

該文研發(fā)了用于電纜在線測距用的時間信號處理模塊，此模塊結(jié)構(gòu)合理，體積小，可以作為一個單元單獨(dú)工作，也可以集成在需要授時的裝置中。此模塊接收衛(wèi)星信號作為時間信號源，并輸出高準(zhǔn)確度的時間信號。同時，對信號傳導(dǎo)路徑、被授時模塊及裝置進(jìn)行升級優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了信號的無畸變接收，以保證實(shí)現(xiàn)20 ns 的時間同步精度。

4.2 精度驗(yàn)證

對于時鐘精度和同步性驗(yàn)證，需要到專門機(jī)構(gòu)采用高精度的計(jì)量核準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行測試，但由于文中對時間精度的要求是基于電纜在線測距需求，可以利用信號觸發(fā)及對已知電纜的測距結(jié)果，由測距結(jié)果的實(shí)際誤差，來驗(yàn)證時鐘信號精度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

具體進(jìn)行驗(yàn)證時，可采用固定長度、已知參數(shù)（波速度）電纜，采用兩端各配置一臺信號采集與處理模塊（含時間模塊）模式（如圖3）和單端配置兩臺信號采集與處理模塊（含時間信號處理模塊）的模式（如圖4），每一臺信號采集與處理模塊配備一套傳感器，同時采用高分辨率示波器。

圖3 信號采集與處理模塊分別在電纜兩端

圖4 信號采集與處理模塊分別在電纜同端

通過高壓信號發(fā)生器電纜加壓，模擬故障點(diǎn)放電來實(shí)施驗(yàn)證，此時信號采集與處理模塊啟動，通過傳感器采集故障信息并為此信息打上時標(biāo)。

采用單端雙臺配置時，比較兩臺裝置采集到的信號時間信息和信號數(shù)據(jù)一致性關(guān)系，從理論上講，兩臺裝置從采集信號中獲得的時間信息應(yīng)當(dāng)一致，同時，其采集到的信號也就和輸入信號一致。

當(dāng)雙端各配置一臺時，除了比較兩臺裝置采集到的信號時間信息，同時計(jì)算故障點(diǎn)位置，可以獲得裝置的時間精度信息。

4.3 現(xiàn)場驗(yàn)證

2019 年4 月22 日，對某電廠新敷設(shè)的35 kV 線路進(jìn)行故障測距，該測試線全長約為10 375 m，在電纜線路兩端配置在線測距裝置。安裝裝置后，電纜在投入運(yùn)行三天后擊穿，雙端在線測距裝置動作，采集到故障波形。具體采集到的波形如圖5 所示。

圖5 雙端波形分析圖

故障距一端的距離為8 395 m，距另一端的距離為1 980 m。按測距結(jié)果找到故障點(diǎn)為一電纜接頭，去除約3 m 的故障接頭，再采用儀器從兩端進(jìn)行測距[16]，距離分別為8 393.6 m 和1 978.8 m，驗(yàn)證測得的故障距離誤差在2 m 以內(nèi)，證明了對時精度滿足了20 ns 的要求。

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了針對電纜在線測距要求用的時間同步信號接收、處理模塊，并對信號傳導(dǎo)路徑進(jìn)行了優(yōu)化升級，根據(jù)傳導(dǎo)路徑對信號傳輸造成頻散的特性，被授時模塊對接收到的時間信號逆處理，以獲得優(yōu)化再生后波形，保證能夠準(zhǔn)確識別出精準(zhǔn)的時間信號。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場驗(yàn)證，結(jié)果表明，文中時間同步精度達(dá)到了電力電纜在線測距要求，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場需要。