CN108732464A - 海底观测网海缆故障在线诊断和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底观测网海缆故障在线诊断和定位方法，包括：（1）获取海底观测网电力系统拓扑结构；（2）利用传感器获取海岸基站和海底主基站处的电压、电流值；（3）通过对传感器获得的电压、电流值进行实时监测，判断故障是否发生；（4）状态估计求解分支单元处的电压和电流值；（5）分析电力系统故障后的拓扑结构；（6）实现故障定位。本发明可以实现海底观测网海缆不同类型故障的诊断和实时在线定位。

Description

海底观测网海缆故障在线诊断和定位方法

技术领域

本发明属于海洋观测技术领域，涉及一种用于海底观测网海缆故障在线诊断和定位的方法。

背景技术

海底观测网采用直流(DC，Direct Current)系统。海岸基站为整个系统供电，提供数千伏的高压直流电，经光电复合通信海缆传输至海底主基站，海底主基站内的高压直流变换器将高压直流电转换为数百伏的中压直流电。海底主基站与仪器平台相连，仪器平台中设计有观测仪器适配器，将中压直流电变换为48V以内不同规格的低压直流电，供电给科学仪器。由于海底观测网的特殊地理位置，特别是深海海底，海缆故障检测难度大、维修成本高，因此准确诊断和定位海缆故障，显得尤为重要。

海底观测网海缆故障可以分为低阻故障和高阻故障。低阻故障是指海缆相对海水的绝缘电阻变小，使得至少有一个海底主基站的最低启动电压不能满足。高阻故障是指海缆相对海水的绝缘电阻变小，海底主基站全部能正常工作，但是至少有一个海底主基站不能满载工作。

目前故障在线诊断方式多采用行波法，当故障发生时，在故障点附加电源的作用下，线路上将出现接近于光速传播的电压和电流行波，根据初始波到达检测母线的时间和来自于故障点反射波到达检测母线的时间差进行故障定位。大规模海底观测网主干海缆中安装有中继器和分支器，这两种设备会反射行波，因此难以用行波法定位故障。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于海底观测网海缆故障在线诊断和定位方法，无论海底观测网海缆发生低阻故障或高阻故障，都可以实现对故障实时在线的准确定位。

本发明提出的一种海底观测网海缆故障在线诊断和定位方法，用于对海底观测网主干缆发生故障时进行检测和定位，具体步骤如下：

(1)系统根据海底观测网的建设信息，获取海底观测网电力系统拓扑结构；所述拓扑结构由海岸基站、分支单元和海底主基站组成，分支单元和海底主基站数量相同，均为若干个，海岸基站与分支单元之间、相邻的分支单元之间通过主干缆连接，每个分支单元通过分支缆与相应的海底主基站连接；

(2)步骤(1)中所述海岸基站和海底主基站内安装的电压传感器和电流传感器分别测量海岸基站和海底主基站的电压值和电流值，并将所得的电压值和电流值发送给数据采集模块；

(3)数据采集模块的探测模块判断当前时刻海岸基站或海底主基站的电压值和电流值是否有变化，若有变化，判断该变化是否超过阈值，若超过阈值，则认为电力系统海缆发生故障，所述故障产生故障电阻和故障电流，需进一步对故障电阻和故障电流进行分析定位；若变化没有超过阈值，则认为当前没有故障，不进行故障定位操作；

(4)对步骤(3)中判断故障发生后，进行第一次状态估计，求解每个分支单元处的电压值和电流值；

(5)根据第一次状态估计得到的分支节单元处的电压值和电流值，先对步骤(3)故障进行预判断，确定故障发生在哪两个相邻分支单元之间，以此确定故障发生后电力系统的拓扑结构，具体为：

(5.1)依次计算各个相邻分支单元之间海缆的故障判断因子η；

(5.2)当某段海缆的故障判定因子满足0<η<1时，认为该段海缆发生故障；如不满足0<η<1，则认为该段海缆没有故障，计算下一段海缆的故障判断因子；

(5.3)分析故障发生后电力系统的拓扑结构；

(6)将步骤(5)得到的故障位置作为未知量，结合步骤(5.3)故障发生后的拓扑结构进行第二次状态估计，得到故障发生的确定位置；

(7)结合海底观测网铺设信息和GIS系统，将步骤(6)得到的故障发生的确定位置显示在地图上，方便进一步的维修工作。

本发明中，利用进行两次状态估计实现故障定位，具体为：

(1)步骤(4)中进行第一次状态估计时，将海岸基站和海底主基站可以获取的电压值和电流值等值作为已知量，将海底观测网分支单元处的电压值和电流值作为未知量，根据电力系统拓扑结构和基尔霍夫定律构建电力系统测量方程(1)；

z₁＝h₁(x)+υ₁(1)

式中z₁表示已知量，x表示未知量，h₁(·)表示根据系统拓扑结构和基尔霍夫定律得到的已知量与未知量之间的关系式，ν₁表示残差；

(2)步骤(6)中第二次状态估计时，将海岸基站和海底主基站可以获取的电压值和电流值等值作为已知量，未知量为分支单元处的电压值、故障距离、故障电流，根据故障发生后电力系统拓扑结构和基尔霍夫定律构建电力系统测量方程(2)；

z₂＝h₂(x)+υ₂(2)

式中z₂表示已知量，x表示未知量，h₂(·)表示根据系统拓扑结构和基尔霍夫定律得到的已知量与未知量之间的关系式，ν₂表示残差；

(3)分别建立第一次状态估计所需的目标函数(3)和第二次状态估计所需的目标函数(4):

J₁(x)＝[z₁-h₁(x)]^TR₁ ^-1[z₁-h₁(x)](3)

J₂(x)＝[z₂-h₂(x)]^TR₂ ^-1[z₂-h₂(x)](4)

式中J1(x)、J2(x)分别表示第一次和第二次状态估计的目标函数，R^-1与测量误差相关量σ_i ²相关，测量误差可以根据测量所用的传感器的参数获得。

目标函数是两次二次状态估计未知量所追求的目标,认为未知量使得该函数的值最小时所得到的未知量结果，即为第一次状态估计和第二次状态估计的结果；

(4)为未知量赋予初始值后，进行迭代计算，当迭代结果满足使所设立的目标函数值最小时即可输出结果。

本发明中，步骤(5)中引入故障判定因子η，判断相邻分支单元之间的海缆是否发生故障，η表达式如下：

其中，i表示分支单元的编号，V_i表示第i个分支单元处的电压值，由状态估计获得；I_m表示分支单元i-1与i之间的主干缆上的电流，I_n表示分支单元i+1与i+2之间的主干缆上的电流。I_m、I_n的可以根据海岸基站、水下主基站的电流值及基尔霍夫定律求得。

本发明提出的海底观测网海缆故障在线诊断和定位方法采用的故障在线诊断和定位系统，由探测模块、数据预处理模块、故障判断模块、状态估计模块、拓扑识别模块、故障定位模块、故障显示模块组成，探测模块的输出端连接数据预处理模块的输入端，数据预处理模块的输出端分别连接状态估计模块的输入端和故障判断模块的输入端，故障判断模块经过判断，若没有发生故障，故障判断模块的输出端连接探测模块的输入端，如果发生故障，故障判断模块的输出端连接拓扑识别模块的输入端，拓扑识别模块的输出端连接故障定位模块的输入端，故障定位模块的输出端连接故障显示模块的输入端，其中：

探测模块，用于检测海岸基站和海底主基站处的电压、电流值，并将电压、电流值发送给数据预处理模块；

数据预处理模块，用于将探测模块传送来的数据进行剔除不良数据、统计法减小测量数据误差等处理，处理好的数据发送至状态估计模块和故障判断模块；

状态估计模块，用于根据预处理后的数据和电力系统拓扑结构，计算分支单元处的电压电流值，并将分支单元的电压、电流数据发送至故障判断模块；

故障判断模块，用于根据预处理后的数据和分支单元数据判断电力系统是否发生故障，预处理后的数据和分支单元数据构成当前时刻的电力系统状态数据，将当前时刻获取的电力系统状态数据与历史数据相比较，如果当前数据变化超过设定阈值，则电力系统可能发生了故障，需进行拓扑识别和故障定位，将电力系统电压、电流数据发送至拓扑识别模块，如果没有超过阈值，则认为没有发生故障；

拓扑识别模块，用于根据电力系统状态数据确定故障发生后电力系统新的拓扑结构，并将拓扑信息和电力系统状态数据传送至故障定位模块；

故障定位模块，用于根据电力系统状态数据和故障发生后的拓扑结构进行故障定位，将定位结果发送至故障显示模块；

故障显示模块，用于将故障定位的结果进行显示。

本发明海底观测网海缆故障在线诊断和定位方法，利用海岸基站和海底主基站的电压、电流值，发现电力系统异常，分析故障发生后电力系统拓扑结构的变化以及故障发生的具体位置。本发明的优点在于只要海岸基站和海底主基站的电压、电流值能够实时获取，就可以实现海底观测网海缆故障的实时在线诊断和定位，且定位误差<1km。

附图说明

图1为本发明所涉及的海底观测网电力系统结构示意图；

图2为本发明所涉及的海底观测网海缆故障时简化等效电路示意图；

图3为本发明故障在线诊断和定位方法流程示意图；

图4为本发明故障在线诊断和定位方法中状态估计流程示意图；

图5为本发明故障在线诊断和定位方法中分析电力系统故障后拓扑结构流程示意图；

图6为本发明故障在线诊断和定位系统的结构示意图。

图中标号：1为海岸基站节点，2为第一分支单元节点，3为第二分支单元节点，4为第三分支单元节点，5为第一海底主基站节点，6为第二海底主基站节点，7为第三海底主基站节点，8为探测模块，9为数据预处理模块，10为状态估计模块，11为故障判断模块，12为拓扑识别模块，13为故障定位模块，14为故障显示模块。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

本发明利用海底观测网电力系统可以测得的相关电压、电流信息，实时监测主干缆是否有故障发生。一旦发生故障，系统随即启动故障分析模块，进行故障定位，并最终向用户进行显示。下面结合附图与实施例详细解释本发明。

实施例1：本发明所涉及的海底观测网电力系统结构如图1所示：

海底观测网电力系统由海岸基站、分支单元、海底主基站、负载、主干缆及分支缆组成，海岸基站为整个电力系统提供数千伏高压直流电，分支缆与主干缆通过分支单元相连。海岸基站、海底主基站都安装有电压、电流测量装置，通过通信系统将电压、电流信息传送至数据采集模块。分支单元内部没有通信系统，数据采集系统无法获得分支单元处的电压电流信息。

本发明所涉及的海底观测网海缆故障时的等效电路示意图如图2所示：

海岸基站节点1通过主干缆连接分支单元节点，所述分支单元节点由第一分支单元节点2、第二分支单元节点3和第三分支单元节点4依次通过主干缆相连，主干缆之间连接有光中继器；每个分支单元节点和相应的海底主基站节点相连；即第一分支单元节点2通过分支缆连接第一海底主基站节点5，第二分支单元节点3通过分支缆连接第二海底主基站节点6，第三分支单元节点4通过分支缆连接第三海底主基站节点7；海底主基站及与海底主基站相连的负载简化为恒功率负载。假设第一分支单元节点2、第二分支单元节点3之间的海缆发生故障，故障点为f点，故障点与海水之间产生故障电阻和故障电流。

本发明的故障在线诊断和定位方法的步骤如图3所示：

(1)系统根据海底观测网的建设信息，获取海底观测网电力系统拓扑结构，即分析图1的电力系统拓扑结构。

(2)海岸基站和海底主基站内安装的传感器获取相应的电压、电流值，发送给系统。

(3)判断当前时刻海岸基站和海底主基站的电压、电流值是否有变化，若有变化判断该变化是否超过阈值，若超过阈值，则认为电力系统海缆发生故障，需进一步对故障进行诊断定位；若变化没有超过阈值，则认为当前没有故障，不进行故障在线诊断定位操作。

(4)当判断故障发生后，将海底观测网分支单元处的电压和电流值作为未知量，进行第一次状态估计，求解得到分支单元处的电压和电流值。在实施例中，分支单元2、3、4处的电压、电流值为未知量。

(5)根据状态估计得到的分支单元处的电压、电流值，分析故障发生后电力系统新的拓扑结构，即分析图2的电力系统拓扑结构。

(6)将故障位置作为未知量，结合故障发生后的拓扑结构，即图2的拓扑结构，进行第二次状态估计，得到故障发生的位置。

(7)结合海底观测网铺设信息和GIS系统，将故障位置显示在地图上，方便进一步的维修工作。

本发明故障在线诊断和定位方法中状态估计的步骤如图4所示：

(1)第一次状态估计时，将海岸基站和海底主基站可以获取的电压、电流值和海缆电阻等值作为已知量，将海底观测网分支单元处的电压、电流值作为未知量。在图2所给实施例中，将V₁、I₁₂、V₅、I₂₅、V₆、I₂₆、V₇、I₄₇、R₁₂、R₂₃、R₃₄、R₂₅、R₃₆、R₄₇作为已知量，将V₂、V₃、V₄、I₂₃、I₃₄作为未知量，根据图1的电力系统拓扑结构和基尔霍夫定律构建电力系统测量方程，其中V_i表示节点i处的电压，I_ij、R_ij表示节点i、j之间的电流和电阻值，ν_i表示第i个方程的残差。电力系统测量方程构建如下：

z＝h(x)+υ (1)

式中z表示已知量，x表示未知量，h(·)表示根据系统拓扑结构和基尔霍夫定律得到的已知量与未知量之间的关系式，ν表示残差。

结合图2实施例，电力系统测量方程构建如下：

(2)第二次状态估计时，已知量不变，未知量为分支单元处的电压、电流值以及故障距离，即将第一分支单元2、第二分支单元3、第三分支单元4的电压值V₂、V₃、V₄，第一分支单元2到故障点的距离与第一分支单元2到第二分支单元3的距离之比m，流经故障电阻的电流I_f作为未知量，根据图2电力系统拓扑结构和基尔霍夫定律构建电力系统测量方程如下：

故障距离即可表示为m*(乘号)第一分支单元2到第二分支单元3的距离。

(3)设立目标函数，认为当未知量x满足该函数时所得到的值即为状态估计的结果。目标函数构建如下：

J(x)＝[z-h(x)]^TR^-1[z-h(x)]→min (4)

式中z表示已知量，x表示未知量，R^-1与测量误差相关量σ_i ²相关，h(·)表示根据系统拓扑结构和基尔霍夫定律得到的已知量与未知量之间的关系式。测量误差可以根据测量所用的传感器的参数获得。

(4)为未知量赋予初始值后，迭代计算公式(2)，当未知量满足目标函数后输出结果。

本发明故障在线诊断和定位方法中分析电力系统故障后拓扑结构的步骤如图5所示：

(1)在未进行拓扑结构分析时，认为观测网拓扑结构没有发生变化。引入故障判断因子η，η表达式如下：

其中，i表示分支单元的编号，V_i表示第i个分支单元处的电压值，由状态估计获得；I_m表示分支单元i-1与i之间的主干缆上的电流，I_n表示分支单元i+1与i+2之间的主干缆上的电流。I_m、I_n的可以根据海岸基站、水下主基站的电流值及基尔霍夫定律求得。在本实施例中，i＝1,2,3。当i＝1时I_m表示海岸基站的输出电流，i＝3时，I_n表示节点4、7之间的电流。

(2)依次计算各个相邻分支单元之间主干缆海缆段的故障判断因子η。

(3)当某段海缆的故障判定因子满足0<η<1时，认为该段海缆发生故障；如不满足0<η<1则认为该段海缆没有故障，计算下一段海缆的故障判断因子。在本实施例中，i＝1时，η＝1；i＝2时，0<η<1；i＝3时，η＝0。所以判断故障发生在节点2、3之间。

(4)海缆发生故障，意味着海缆相对海水电阻变小，电力系统多了一条支路，该支路的负载为故障电阻。本实施例中，第二分支单元2、第三分支单元3段海缆发生故障，相当于形成了一条支路，故障点对海水电阻即为故障电阻。根据这个特征，故障发生后电力系统的拓扑结构由图1转变为图2。

本发明故障在线诊断和定位系统是与上述方法对应的系统，如图6所示，包括：

探测模块8，用于检测海岸基站和海底主基站处的电压、电流值，并将电压、电流值发送给数据预处理模块；

数据预处理模块9，用于将探测模块传送开的数据进行剔除不良数据、统计法减小测量数据误差等处理，处理好的数据发送至状态估计模块和故障判断模块；

状态估计模块10，用于根据预处理后的数据和电力系统拓扑结构，计算分支单元处的电压电流值，并将分支单元的电压、电流数据发送至故障判断模块；

故障判断模块11，用于根据预处理后的数据和分支单元数据判断电力系统是否发生故障，预处理后的数据和分支单元数据构成当前时刻的电力系统状态数据，将当前时刻获取的电力系统状态数据与历史数据相比较，如果当前数据变化超过设定阈值，则电力系统可能发生了故障，需进行拓扑识别和故障定位，将电力系统电压、电流数据发送至拓扑识别模块，如果没有超过阈值，则认为没有发生故障；

拓扑识别模块12，用于根据电力系统状态数据确定故障发生后电力系统新的拓扑结构，并将拓扑信息和电力系统状态数据传送至故障定位模块；

故障定位模块13，用于根据电力系统状态数据和故障发生后的拓扑结构进行故障定位，将定位结果发送至故障显示模块；

故障显示模块14，用于将故障定位的结果进行显示。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种海底观测网海缆故障在线诊断和定位方法，用于对海底观测网主干缆发生故障时进行检测和定位，其特征在于，具体步骤如下：

(1)系统根据海底观测网的建设信息，获取海底观测网电力系统拓扑结构；所述拓扑结构由海岸基站、分支单元和海底主基站组成，分支单元和海底主基站数量相同，均为若干个，相邻的分支单元通过主干缆连接，每个分支单元通过分支缆与相应的海底主基站连接；

(2)步骤(1)中所述海岸基站和海底主基站内安装的电压传感器和电流传感器分别测量海岸基站和海底主基站的电压值和电流值，并将所得的电压值和电流值发送给数据采集模块；

(3)数据采集模块的探测模块判断当前时刻海岸基站或海底主基站的电压值和电流值是否有变化，若有变化，判断该变化是否超过阈值，若超过阈值，则认为电力系统海缆发生故障，故障产生故障电阻和故障电流，需进一步对故障电阻和故障电流进行分析定位；若变化没有超过阈值，则认为当前没有故障，不进行故障定位操作；

(4)对步骤(3)中判断故障发生后，进行第一次状态估计，求解每个分支单元处的电压值和电流值；

(5)根据第一次状态估计得到的分支节单元处的电压值和电流值，先对步骤(3)故障进行预判断，确定故障发生在哪两个相邻分支单元之间，以此确定故障发生后电力系统的拓扑结构，具体为：

(5.1)依次计算各个相邻分支单元之间海缆的故障判断因子η；

(5.2)当某段海缆的故障判定因子满足0<η<1时，认为该段海缆发生故障；如不满足0<η<1，则认为该段海缆没有故障，计算下一段海缆的故障判断因子；

(5.3)分析故障发生后电力系统的拓扑结构；

(6)将步骤(5)得到的故障位置作为未知量，结合步骤(5.3)故障发生后的拓扑结构进行第二次状态估计，得到故障发生的确定位置；

(7)结合海底观测网铺设信息和GIS系统，将步骤(6)得到的故障发生的确定位置显示在地图上，方便进一步的维修工作。

2.根据权利要求1所述的故障在线诊断和定位方法，其特征在于，利用进行两次状态估计实现故障定位，具体为：

(1)步骤(4)中进行第一次状态估计时，将海岸基站和海底主基站可以获取的电压值和电流值等值作为已知量，将海底观测网分支单元处的电压值和电流值作为未知量，根据电力系统拓扑结构和基尔霍夫定律构建电力系统测量方程(1)；

z₁＝h₁(x)+υ₁ (1)

式中z₁表示已知量，x表示未知量，h₁(·)表示根据系统拓扑结构和基尔霍夫定律得到的已知量与未知量之间的关系式，ν₁表示残差；

(2)步骤(6)中第二次状态估计时，将海岸基站和海底主基站可以获取的电压值和电流值等值作为已知量，未知量为分支单元处的电压值、故障距离、故障电流，根据故障发生后电力系统拓扑结构和基尔霍夫定律构建电力系统测量方程(2)；

z₂＝h₂(x)+υ₂ (2)

式中z₂表示已知量，x表示未知量，h₂(·)表示根据系统拓扑结构和基尔霍夫定律得到的已知量与未知量之间的关系式，ν₂表示残差；

(3)分别建立第一次状态估计所需的目标函数(3)和第二次状态估计所需的目标函数(4):

J₁(x)＝[z₁-h₁(x)]^TR₁ ^-1[z₁-h₁(x)] (3)

J₂(x)＝[z₂-h₂(x)]^TR₂ ^-1[z₂-h₂(x)] (4)

式中J1(x)、J2(x)分别表示第一次和第二次状态估计的目标函数，R^-1与测量误差相关量σ_i ²相关，测量误差可以根据测量所用的传感器的参数获得；

目标函数是两次二次状态估计未知量所追求的目标，认为未知量使得该函数的值最小时所得到的未知量结果，即为第一次状态估计和第二次状态估计的结果；

(4)为未知量赋予初始值后，进行迭代计算，当目标函数满足时输出结果。

3.根据权利要求1所述的故障在线诊断和定位方法，其特征在于步骤(5)中引入故障判定因子η，判断相邻分支单元之间的海缆是否发生故障，η表达式如下：

其中，i表示分支单元的编号，V_i表示第i个分支单元处的电压值，由状态估计获得；I_m表示分支单元i-1与i之间的主干缆上的电流，I_n表示分支单元i+1与i+2之间的主干缆上的电流；I_m、I_n的可以根据海岸基站、水下主基站的电流值及基尔霍夫定律求得。

4.一种如权利要求1所述的海底观测网海缆故障在线诊断和定位方法采用的故障在线诊断和定位系统，其特征在于：由探测模块、数据预处理模块、状态估计模块、故障判断模块、拓扑识别模块、故障定位模块、故障显示模块组成，探测模块的输出端连接数据预处理模块的输入端，数据预处理模块的输出端分别连接状态估计模块的输入端和故障判断模块的输入端，故障判断模块经过判断，若没有发生故障，故障判断模块的输出端连接探测模块的输入端，如果发生故障，故障判断模块的输出端连接拓扑识别模块的输入端，拓扑识别模块的输出端连接故障定位模块的输入端，故障定位模块的输出端连接故障显示模块的输入端，其中：

探测模块，用于检测海岸基站和海底主基站处的电压、电流值，并将电压、电流值发送给数据预处理模块；

数据预处理模块，用于将探测模块传送开的数据进行剔除不良数据、统计法减小测量数据误差等处理，处理好的数据发送至状态估计模块和故障判断模块；

状态估计模块，用于根据预处理后的数据和电力系统拓扑结构，计算分支单元处的电压电流值，并将分支单元的电压、电流数据发送至故障判断模块；

故障判断模块，用于根据预处理后的数据和分支单元数据判断电力系统是否发生故障，预处理后的数据和分支单元数据构成当前时刻的电力系统状态数据，将当前时刻获取的电力系统状态数据与历史数据相比较，如果当前数据变化超过设定阈值，则电力系统可能发生了故障，需进行拓扑识别和故障定位，将电力系统电压、电流数据发送至拓扑识别模块，如果没有超过阈值，则认为没有发生故障；

拓扑识别模块，用于根据电力系统状态数据确定故障发生后电力系统新的拓扑结构，并将拓扑信息和电力系统状态数据传送至故障定位模块；

故障定位模块，用于根据电力系统状态数据和故障发生后的拓扑结构进行故障定位，将定位结果发送至故障显示模块；

故障显示模块，用于将故障定位的结果进行显示。