配電網電纜故障在線監測及定位系統

郭自剛 徐天樂 陳玉林 王 光 陳 俊

配電網電纜故障在線監測及定位系統

郭自剛 徐天樂 陳玉林 王 光 陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

本文開發一套配電網電纜故障在線監測及定位系統，可實現局部放電監測預警、護層環流監測預警、行波選線、行波測距功能。系統采用高精度對時同步技術，通道間和裝置間同步采集，可同時監測多回路、多相電纜；采用無死區記錄和行波啟動確認技術，可以準確記錄故障原始波形，方便故障分析與處理；采用行波波頭準確識別和測距模式選擇技術，提高電纜故障定位的準確性。該系統集成度高，適用于復雜的配電網系統，具有較高的推廣價值。

配電網電纜；在線監測；局部放電（PD）；行波選線；行波定位（TWFL）

0 引言

電纜線路具有供電可靠性高、安全性好、不占地面空間等優勢，已經成為城市配電網建設的主要方向，并逐漸在鋼鐵、石化、煤礦等工礦企業電網中廣泛應用。配電網系統中電纜敷設環境復雜隱蔽，分支眾多，一旦發生電纜故障，不易定位，給故障的排查和檢修帶來諸多不便。目前通用做法是利用配電網自動化系統或故障指示器等設備定位出故障區段，然后在設備停電后再采用離線式測距設備定位故障點，整個過程需要花費大量時間和人力[1-5]。因此，現場用戶更加關注在線監測或定位系統的應用及發展。

現有的配電網電纜故障在線監測或定位系統通常在各條電纜上布置各種傳感器和監測裝置，分別監測局部放電、護層環流、故障行波等信息，然后將各裝置采集的數據上送到主站進行分析處理。文獻[6]采用脈沖電流法并結合配電網電纜連接方式，實現10kV電纜的局部放電檢測及定位。文獻[7]提出一種電纜接地環流在線監測系統，采集電纜護層接地環流和表面溫度，通過通用分組無線服務（general packet radio service, GPRS）網絡發送到上位機進行分析處理和展示。文獻[8]提出一種小電流接地系統故障選線方法，根據方向行波能量的大小關系提高故障支路與健全支路的區分度，實現對故障線路的可靠識別。文獻[9]提出一種配電網單相接地故障檢測與定位系統，利用零模電壓判斷是否發生故障，并選用 B型行波法對故障進行測距。由于配電網電纜分支眾多，上述各類監測裝置功能單一，導致全站監測裝置數量眾多且接線復雜，存在監測信息分散的缺陷；另外，不同裝置之間采集不同步，也會影響監測分析結果的準確性和可靠性。

本文提出一套配電網電纜故障在線監測及定位系統，采用高集成“四合一”方案，可實現故障前的局部放電監測預警、護層環流監測預警，故障后的行波選線、行波測距功能。該系統采用高精度對時同步技術、行波可靠啟動和無死區記錄技術、行波波頭準確識別和測距模式選擇技術，系統集成度高，適用于復雜的配電網系統。

1 系統架構

1.1 整體架構

配電網電纜故障在線監測及定位系統由三部分構成，包括監測定位裝置、主站和通信網絡。對于城市配電網，監測定位裝置一般安裝在環網柜、變電站母線處，主站一般安裝在控制中心，監測定位裝置和主站之間可以通過光纖網或無線網絡通信，監測定位裝置之間通過高精度全球定位系統（global position system, GPS）或北斗對時系統進行時鐘同步。城市配電網系統架構如圖1所示。

圖1 城市配電網系統架構

對于工礦企業電網，監測定位裝置和主站一般安裝在就地的屏柜，監測定位裝置和主站之間可以通過光纖網或以太網通信，監測定位裝置之間通過外部時鐘源實現精確時間同步。以35kV電壓等級電纜為例，工礦企業電網系統架構如圖2所示。

圖2 工礦企業電網系統架構

1.2 監測定位裝置硬件架構

監測定位裝置硬件架構如圖3所示，包括給裝置供電的電源板卡、中央處理器（center processing unit, CPU）板卡、環流信號監測板卡、電壓行波監測板卡、電流行波監測板卡、對時板卡，各板卡均通過高速總線相連，并通過高速總線傳遞信息。監測定位裝置可以外接采樣所需的高頻傳感器、環流傳感器和母線電壓互感器（potential transformer, PT）二次信號。其中，高頻傳感器可以根據現場情況配置局部放電高頻傳感器或電流行波傳感器，接入電流行波監測板卡后經過處理形成局部放電信號或電流行波信號。單臺監測定位裝置最多支持24條配電網電纜的環流信號、電流行波信號或局部放電信號的接入，還可支持兩段母線三相和零序電壓行波信號的接入。

圖3 監測定位裝置硬件架構

2 主要功能

2.1 局部放電監測預警

國內外研究成果和運行經驗表明：交聯聚乙烯（cross linked polyethylene, XLPE）電力電纜絕緣介質的樹枝狀老化能夠決定電纜的使用壽命，建議采用局部放電測量等有效手段來定量分析電纜絕緣的樹枝狀老化程度[10]。

通過在電纜終端的屏蔽層接地線上安裝高頻傳感器，用于采集局部放電信號；高頻傳感器和監測定位裝置之間通過同軸電纜相連。該監測方案可以對電纜終端頭和電纜本體進行局部放電監測。

當局部放電的幅值、頻次有異常變化時，監測系統及時發出警報，還可通過監視局部放電信號的長期變化趨勢，進行趨勢報警，在電纜故障前提前發出警告。

2.2 護層環流監測預警

當電纜正常帶電運行時，會在電纜的金屬護層上感應出環流，正常情況下護層環流很小。當發生電纜外護套絕緣下降、接地不良、金屬護層接地錯誤等問題時，護層環流會異常增大，對電纜運行安全造成威脅。

護層環流傳感器安裝在電纜終端的金屬屏蔽層接地線上，用于采集護層環流信號，然后送給監測定位裝置。

當護層環流有異常變化時監測系統及時發出警報，還可通過監視護層環流的長期變化趨勢，進行趨勢報警，保障電纜安全運行。

2.3 行波選線

對于中性點非有效接地系統，當變電站的母線上發生單相接地或同一母線上所接的多條饋線之一發生單相接地故障時，單純依靠零序電壓無法判斷故障線路[11]。

小電流接地系統尤其是經消弧線圈接地系統，單相接地故障特征不明顯，基于穩態零序電流的選線算法無法準確選取。由于單相接地故障的暫態過程很短，基于暫態零序電流的選線算法，要求裝置采樣率很高，且能準確提取暫態的故障特征，才能保證接地故障選線的準確率。

基于行波暫態波形和小波算法的接地故障選線技術，分析行波暫態波形的幅值和極性特征，本文研制的系統可以準確區分故障點位于母線還是某條電纜，實現接地故障選線。

2.4 行波測距

現場排查電纜故障往往需要花費大量人力物力，精確定位故障點能夠有效減輕人工巡線的負擔并縮短排查時間，減少停電導致的經濟損失，具有重大意義。

故障引起的電磁場突變沿線路行進，稱為行波，行波測距原理如圖4所示。

圖4 行波測距原理

利用行波往返于故障點的時間差，可以實現單端行波測距。

利用行波到達線路兩端的時間差，可以實現雙端行波測距。

3 關鍵技術研究

配電網電纜分支眾多，行波的折反射比架空線更加復雜。架空線的行波測距只需定位到兩桿塔之間，要求精度幾百米；而修復地下電纜時要挖開土壤，要求定位精度在20m以內。這些因素都增加了配電網電纜的在線測距難度。

針對上述難點，需要研究高精度對時同步、行波可靠啟動和無死區記錄、行波波頭準確識別和測距模式選擇等關鍵技術。

3.1 高精度對時同步

XLPE電纜的行波波速約為200m/μs，由行波測距公式（1）和式（2）可知，為了滿足電纜定位精度在20m以內的要求，需要提高對時精度至0.2μs以內。

監測定位裝置對時板卡支持外接GPS/北斗時鐘信號，也支持接入外部時鐘源的B碼（inter range instrumentation group-B, IRIG-B）信號。對時板卡硬件采用溫補晶振來提高時鐘精度，軟件對秒脈沖（pulses per second, PPS）的邊沿抖動進行算法補 償[11]，然后通過低延遲時鐘總線，輸出PPS時鐘給不同的行波監測板卡。行波監測板卡通過現場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）芯片控制高速模數轉換器（analog digital converter, ADC）芯片對行波信號進行25MHz的高速采樣，所采集的數據可打上精度為40ns的時間標簽。各行波監測板卡的波形數據送到CPU板卡后會進行波形對齊處理，確保不同板卡之間、同一板卡的不同通道之間數據采集同步。

樣機測試表明，本文設計的時鐘同步方案接口簡潔、結構可靠、時間準確度高，可以滿足配電網電纜定位準確度需求。

3.2 無死區記錄和行波啟動確認

為了檢測比較微弱的行波信號，行波啟動門檻通常設置得較為靈敏；但電網中的開關操作、負荷投切、雷擊導線等外部干擾，都可能導致行波誤啟動[12]。為了提高配電網電纜的定位精度，監測定位裝置對行波信號進行25MHz的高速采樣，導致行波數據緩存及傳輸壓力大，如果不采取措施，在外部干擾頻繁的情況下，監測定位裝置可能錯失真正的故障時刻，形成記錄死區。可通過如下兩項關鍵技術解決以上問題。

1）基于大容量雙倍速同步動態隨機存儲器（double data RAM, DDR）的二級緩存技術和總線傳輸技術，實現無死區記錄[12]。

首先，電流或電壓行波監測板卡的FPGA將行波采集數據實時推送到本板卡的大容量DDR進行一級數據循環緩存，可保存30ms以內的數據，使CPU板卡有足夠時間進行行波啟動確認。當行波監測板卡檢測到行波突變啟動時，FPGA將啟動前后的一段錄波數據（2～10ms）從一級循環緩存區搬運到DDR的二級緩存中，循環緩存最近16次行波錄波數據塊，以供行波監測板卡進行初步分析。最后，行波監測板卡將初步分析結果和有效的行波錄波數據塊通過裝置內部高速總線分幀傳輸到CPU板卡，最終保存到非易失性存儲介質中。

2）利用工頻電壓和保護啟動信息進行行波啟動確認。

在行波啟動后30ms內CPU板卡通過工頻電壓或保護啟動信號進行確認，當滿足零序電壓高、負序電壓高、相間電壓低等條件，或接收到保護裝置啟動信號時，才認為此次行波啟動是有效的，否則丟棄此次行波啟動的緩存數據。CPU板卡通知行波監測板卡只傳送有效的行波錄波數據塊，無效的行波數據在行波監測板卡上被自動循環覆蓋。

通過上述兩項關鍵技術，既可實現行波數據的無死區記錄，又可避免無效行波數據的傳輸和保存。

3.3 行波波頭準確識別和測距模式選擇

通過相模變換實現三相系統解耦，利用小波變換模極大值理論獲取故障行波波頭，模極大值點對應行波波頭的到達時刻[13]。由于采用3.1節所述的高精度對時同步技術，行波波頭的時間分辨率小于40ns，可以有效提高定位精度。

對于工礦企業電網，一般為單端電源供電，結構相對簡單，行波反射波較容易識別，可采用單端行波測距。對于母線上電纜饋線數量較多的情況，電流行波比電壓行波故障特征更明顯，采用單端電流行波測距方法定位故障；對于只帶負荷變壓器的單出線系統，電壓行波比電流行波故障特征更明顯，采用單端電壓行波測距方法定位故障[14]。

對于城市配電網，一般為環網供電，每個開閉所和環網柜均有多個電纜間隔，結構相對復雜，很難準確識別行波的反射波[15]，但行波的首波頭識別相對容易，宜采用雙端行波測距。如圖1所示，在每個開閉所和環網柜均安裝監測定位裝置，裝置外接GPS/北斗天線并進行高精度對時同步，然后將打上高精度時標的電流或電壓行波數據上送給主站。主站根據配電網電纜的拓撲結構分析行波暫態波形的幅值和極性特征，定位故障線路；最后對故障線路兩端進行雙端行波測距，從而準確定位故障位置。

4 試驗驗證

為驗證監測定位系統的性能，本文進行仿真測試和模擬電纜故障測試。

4.1 仿真測試

利用電力系統仿真軟件PSCAD進行35kV/10kV配電網電纜故障仿真測試，采用YJV32型電纜，銅芯導體截面積為300mm2，絕緣標稱厚度3.4mm，外徑42.4mm。針對城市配電網和工礦企業電網的架構，分別搭建仿真模型如圖5所示。

圖5 PSCAD仿真模型

針對1號電纜（單芯）和8號電纜（三芯），分別在電纜首端、中間和尾端位置模擬單相接地故障；為了區分電纜接地和母線接地，還模擬了母線接地故障。部分仿真波形如圖6所示，其中橫軸是故障時間，縱軸是電流行波幅值，從上至下分別是5號電纜C相電流行波、6號電纜C相電流行波、1號電纜C相電流行波、8號電纜C相電流行波。

利用行波測距校驗儀對仿真波形數據進行故障回放，測試監測定位系統的行波選線性能，得到各種故障情況下的行波選線結果見表1。行波特征和仿真波形一致，驗證了該系統可以準確區分故障點位于母線還是某條電纜。

表1 行波選線結果

4.2 動模測試

為了測試監測定位系統的行波測距性能，搭建配電網電纜行波定位動模系統，該系統由兩臺配電網電纜故障監測定位裝置、501m試驗電纜（電纜型號ZC—YJVP2—0.6/1kV）、信號發生器、示波器、同步時鐘源五個部分及其之間的連接電纜組成。動模試驗系統結構如圖7所示。

分別設置故障點1，距試驗電纜首端375m處；故障點2，距試驗電纜首端450m處。信號發生器分別輸出脈沖信號到故障點1和故障點2來模擬電纜故障。兩臺配電網電纜故障監測定位裝置分別在電纜首端和尾端采集行波信號，利用同步時鐘源對兩臺裝置進行時鐘同步。首端和尾端的行波信號接入示波器，可以測定電纜的行波波速為206.8m/ms。在每個故障點均進行若干次測試，分別進行首端、尾端的單端行波測試和雙端行波測試，其中三次行波測距結果見表2。

圖7 動模試驗系統結構

表2 行波測距結果 單位: m

測試結果表明，無論是單端行波測距還是雙端行波測距，測距誤差均小于10m，雙端測距相比單端測距誤差更小，能夠滿足配電網電纜故障定位精度在20m以內的需求。

5 結論

本文提出了一套配電網電纜故障在線監測及定位系統，并通過仿真測試和模擬電纜故障測試驗證了該系統的可行性。本文得出結論如下：

1）該系統采用高集成“四合一”方案，可實現電纜故障前的局部放電監測預警、護層環流監測預警，故障后的行波選線、行波測距功能。

2）利用電纜首端電流初始行波的幅值和極性特征，可以實現單相接地故障選線，區分故障點是位于母線還是某條電纜。

3）針對不同的配電網電纜架構，可以選擇單端行波測距或雙端行波測距；針對母線上電纜饋線數量的不同，可選擇電流行波測距或電壓行波測距。

4）通過高精度對時同步、行波可靠啟動和無死區記錄、行波波頭準確識別和測距模式選擇等關鍵技術的應用，本系統的行波測距誤差小于10m，能夠滿足工程應用需求。

該系統集成度高，適用于復雜的配電網系統，可在線監視電纜的絕緣狀態，提前預警；電纜發生接地故障后可準確定位，有效減輕現場故障排查和檢修的工作量，具有較高的推廣價值。

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On-line monitoring and locating system for cable fault in distribution network

GUO Zigang XU Tianle CHEN Yulin WANG Guang CHEN Jun

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In this paper, a set of on-line monitoring and locating system for cable fault in distribution network is proposed, which includes the functions of partial discharge monitoring, sheath circulation monitoring, traveling wave fault line selection and traveling wave fault location. High precision time synchronization technology is adopted in this system to realize synchronous acquisition between channels and devices, and multi-loop and multi-phase cable can be monitored simultaneously. Reliable startup of traveling wave and non-dead zone recording technology are used to accurately record the original waveform of the fault, which is convenient for fault analysis and processing. The accurate identification and location mode selection technology of traveling wave is adopted to improve the accuracy of cable fault location. The system is highly integrated and suitable for complex distribution system, which has high popularization value.

distribution network cable; on-line monitoring; partial discharge (PD); traveling wave fault line selection; traveling wave fault location (TWFL)

2022-07-08

2022-08-19

郭自剛（1979—），男，湖北省隨州市人，碩士，高級工程師，從事電氣設備絕緣在線監測及故障診斷產品研究及開發工作。