CN110346690B - 基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电缆监测技术领域，更具体地，涉及基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统及方法，海缆靠近第一终端处及第一接地线连接有主机，海缆靠近第二终端处及第二接地线连接有从机，主机连接有服务器，主机和从机间通过通讯光纤通讯，主机和从机间连接有用于给主机发送方波脉冲的脉冲传输光纤；当海缆发生击穿时，击穿点产生第一故障行波脉冲向主机传输、第二故障行波脉冲向从机传输，从机检测第二故障行波脉冲后发送方波脉冲，方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至主机。本发明主机根据检测到的第一故障行波脉冲和方波脉冲之间的时间差值实现在线测距，且对主机检测到的方波脉冲进行延迟，解决了系统测试盲区，实现海缆全长范围高精度的故障测距。

Description

基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电缆监测技术领域，更具体地，涉及基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统及方法。

背景技术

海底电缆时跨海域联网工程建设的重要组成部分，在实现电网国际化、区域电网互联进程中起着重要作用。近年来，随着经济水平的提高，各海岛及陆地对电能的需求越来越多，全国电网许多区域建设并且在建大量海底电缆及海上风电。在海底电缆运维方面，在海底电缆高精度监测、检测，以及海底电缆发生故障后故障位置预警、故障点快速定位等，由于缺乏相关的技术标准和仪器设备，问题较为突出。

目前，海底电缆状态监测主要是环流、测温，只能检测电缆运行状态的环流和温度，不能对故障位置预警；海底的扰动监测可以对故障位置预警，但由于信号模式识别处理不好、抗干扰性差，导致扰动监测的误报率高，对维护工作造成很大的干扰；有在输电线路分布式安装行波测距终端，每隔10到20km安装一个终端，采集故障电流行波，应用GPS对时，通过4G网络传送信号到主站，通过主站来判定故障距离，时间分辨在几个微秒以上，测距误差在几百米到几千米以上，测试精度低，成本高，而有些高压电缆终端站在地下，信号屏蔽根本无法接收GPS信号，导致该方法无法使用；有中国专利CN201210297818.5通过光纤将第一终端和第二终端连接测距，分辨率为纳秒级别，可满足精度要求，但设计高分辨率的同步时钟，技术难度和成本较高不易推广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统及方法，基于光纤脉冲传输，在从机检测到故障行波脉冲后发送方波脉冲到主机，主机根据检测到的故障行波脉冲和方波脉冲之间时间差值实现在线测距，适于长距离海缆故障测距，且具有较高的故障查找效率、较短的停电时间及较好的供电可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统，所述海缆的两端分别设有与电气设备的第一终端和第二终端，所述第一终端通过第一接地线接地设置，所述第二终端通过第二接地线接地设置；所述海缆靠近第一终端处及第一接地线连接有主机，所述海缆靠近第二终端处及第二接地线连接有从机，所述主机连接有服务器，所述主机和从机间通过通讯光纤通讯，所述主机和从机间连接有用于给主机发送方波脉冲的脉冲传输光纤；当海缆存在击穿点时，击穿点产生第一故障行波脉冲向主机传输、第二故障行波脉冲向从机传输，所述从机检测到第二故障行波脉冲后发送方波脉冲，方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至主机。

本发明的基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统，第一故障行波脉冲通过海缆传输至主机，方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至主机，主机根据检测到的第一故障行波脉冲和方波脉冲之间的时间差值实现在线测距，而非根据检测到的第一故障行波脉冲和第二故障行波脉冲之间的时间差值进行测距，对主机检测到的方波脉冲进行延迟，解决了系统测试盲区，实现海缆全长范围高精度的故障测距。

进一步地，所述主机包括顺次连接的第一故障行波取样传感器、第一信号处理电路、第一计数单元、第一处理单元及第一通信单元：

所述第一故障行波取样传感器安装于第一终端，用于接收第一故障行波脉冲；

所述第一信号处理电路用于对第一故障行波取样传感器耦合的第一故障行波脉冲进行保护、滤波及整形；

所述第一计数单元内置有时间延迟单元，在接收到第一故障行波脉冲时计数开始，在接收到方波脉冲经时间延迟单元延时后计数终止；

所述第一处理单元与第一通信单元双向信号连接，所述第一通信单元用于主机从机之间的通讯。

当击穿点F出现在第二终端或靠近第二终端时，因脉冲沿海缆传播速度比在光纤传播速度慢，从机检测到第二故障行波脉冲后通过脉冲传输光纤率先达到主机而会导致无法计算击穿点的发生位置。因而，本发明在第一技术单元内置时间延迟单元，对主机检测到的方波脉冲进行延迟，从而避免故障位置的测试盲区，以实现海缆全长范围高精度的故障测距。

进一步地，所述从机包括顺次连接的第二故障行波取样传感器、第二信号处理电路、第二计数单元、第二处理单元及第二通信单元：

所述第二故障行波取样传感器安装于第二终端，用于接收第二故障行波脉冲；

所述第二信号处理电路用于对第二故障行波取样传感器耦合的第二故障行波脉冲进行保护、滤波及整形；

所述第二计数单元内置有脉冲处理单元，用于接收第二故障行波脉冲进行处理后产生方波脉冲，所述方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至第一计数单元；

所述第二处理单元与第二通信单元双向信号连接，所述第二通信单元通过通讯光纤与第一处理单元通讯。

不同于现有技术中，直接通过在第一终端和第二终端处检测脉冲信号的时间差计算击穿点位置，本发明基于光纤脉冲传输技术，在从机检测到第一故障行波脉冲后发送方波脉冲到主机，而主机根据检测到的第一故障行波脉冲和方波脉冲之间时间差值实现在线测距，有效避免击穿点在海缆中点、海缆端点等测试盲区。

本发明还提供了基于光纤脉冲传输的海缆故障测距方法，包括以下步骤：

S10.当海缆上出现击穿点F时，击穿点F处产生第一故障行波脉冲向主机传输、产生第二故障行波脉冲向从机传输；

S20.主机接收步骤S10中所述第一故障行波脉冲的时间记为第一时刻T₁，同时从机接收步骤S10中所述第二故障行波脉冲，并产生方波脉冲；

S30.步骤S20中所述方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至主机，主机接收方波脉冲经延时T_D后记为第二时刻T₂；

S40.根据步骤S20中第一时刻T₁、步骤S30中第二时刻T₂计算时间差值ΔT，并由时间差值计算海缆故障位置。

本发明的基于光纤脉冲传输的海缆故障测距方法，基于光纤脉冲传输技术，在从机检测到故障行波脉冲后发送方波脉冲到主机，而主机根据检测到的故障行波脉冲和方波脉冲之间时间差值实现在线测距；对主机检测到的方波脉冲进行延迟，解决了系统测试盲区的问题，实现海缆全长范围高精度的故障测距。

优选地，步骤S40中，所述时间差值按下式计算：

式中，L为电缆总长，L_x为击穿点F产生的第一故障行波脉冲到达主机的路程，ν_o为脉冲在光纤的传播速度，ν为脉冲在电缆的传播速度，L_x为击穿点F距主机的距离，ΔT为时间差值，T_D为主机检测到方波脉冲后延迟时间；由此可变形为下式用以计算击穿点F的位置：

式中，

单位为μs；

单位为μs。

优选地，所述时间差值ΔT可由主机的第一计数单元通过计数值按下式计算得到：

式中，时间差值ΔT单位为μs；n为第一计数单元的计数值；f为第一计数单元振荡频率，单位为Hz。

优选地，主机检测到方波脉冲后延迟时间T_D满足条件

当击穿点发生在第二终端时，若不采取时间延时，则方波脉冲先于第一故障行波脉冲到达主机，且方波脉冲领先第一故障行波脉冲时间为

此时测距系统工作系统失效；本发明设置延时时间，以避免系统测试盲区。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统及方法，第一故障行波脉冲通过海缆传输至主机，方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至主机，主机根据检测到的第一故障行波脉冲和方波脉冲之间的时间差值实现在线测距，且对主机检测到的方波脉冲进行延迟，解决系统测试盲区，实现海缆全长范围高精度的故障测距。

附图说明

图1为实施例一中基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统的结构示意图；

图2为实施例一中基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统的测试原理图；

图3为实施例一中主机和从机的结构示意图；

图4为实施例一中第一计数单元的工作原理图；

图5为实施例二中基于光纤脉冲传输的海缆故障测距方法的流程图；

图6为实施例二中基于光纤脉冲传输的海缆故障测距方法的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

如图1至图4所示为本发明的基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统的实施例，所述海缆的两端分别设有与电气设备的第一终端和第二终端，所述第一终端通过第一接地线接地设置，所述第二终端通过第二接地线接地设置；所述海缆靠近第一终端处及第一接地线连接有主机，所述海缆靠近第二终端处及第二接地线连接有从机，所述主机连接有服务器，所述主机和从机间通过通讯光纤通讯，所述主机和从机间连接有用于给主机发送方波脉冲的脉冲传输光纤；当海缆存在击穿点时，击穿点产生第一故障行波脉冲向主机传输、第二故障行波脉冲向从机传输，所述从机检测到第二故障行波脉冲后发送方波脉冲，方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至主机。本实施例的海缆中间没有交叉，两端直接接地，有利于故障行波脉冲向第一终端、第二终端传播。

本实施例在实施时，在从机检测到故障行波脉冲后发送方波脉冲到主机，而主机根据检测到的故障行波脉冲和方波脉冲之间时间差值实现在线测距；对主机检测到的方波脉冲进行延迟，解决了系统测试盲区的问题，实现海缆全长范围高精度的故障测距，提高故障查找效率，缩短停电时间，提高供电可靠性，具有很好的市场应用价值。

当击穿点F出现在第二终端或靠近第二终端时，因脉冲沿海缆传播速度比在光纤传播速度慢，从机检测到第二故障行波脉冲后通过脉冲传输光纤率先达到主机而会导致无法计算击穿点的发生位置。因而，本实施例在第一技术单元内置时间延迟单元，对主机检测到的方波脉冲进行延迟，从而避免故障位置的测试盲区，具体地：

如图2、图3所示，所述主机包括顺次连接的第一故障行波取样传感器、第一信号处理电路、第一计数单元、第一处理单元及第一通信单元：

所述第一故障行波取样传感器安装于第一终端的电缆本体上，要包含接地线，抗干扰好，且灵敏度高，用于接收第一故障行波脉冲；

所述第一信号处理电路用于对第一故障行波取样传感器耦合的第一故障行波脉冲进行保护、滤波及整形；

所述第一计数单元内置有时间延迟单元，在接收到第一故障行波脉冲时计数开始，在接收到方波脉冲经时间延迟单元延时后计数终止；

所述第一处理单元与第一通信单元双向信号连接，所述第一通信单元用于主机从机之间的通讯。

不同于现有技术中，直接通过在第一终端和第二终端处检测脉冲信号的时间差计算击穿点位置，本实施例在基于光纤脉冲传输技术，在从机检测到第一故障行波脉冲后发送方波脉冲到主机，而主机根据检测到的第一故障行波脉冲和方波脉冲之间时间差值实现在线测距，具体地：

如图3所示，所述从机包括顺次连接的第二故障行波取样传感器、第二信号处理电路、第二计数单元、第二处理单元及第二通信单元：

所述第二故障行波取样传感器安装于第二终端的电缆本体上，要包含接地线，抗干扰好，且灵敏度高，用于接收第二故障行波脉冲；

所述第二信号处理电路用于对第二故障行波取样传感器耦合的第二故障行波脉冲进行保护、滤波及整形；

所述第二计数单元内置有脉冲处理单元，用于接收第二故障行波脉冲进行处理后产生方波脉冲，所述方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至第一计数单元；

所述第二处理单元与第二通信单元双向信号连接，所述第二通信单元通过通讯光纤与第一处理单元通讯。

本实施例中，第一故障行波取样传感器、第二故障行波取样传感器可采集几千安到几十千安电缆短路电流高频部分作为故障行波信号，不饱和且具有优良的线性度；与现有具有信号保护、滤波及整形作用的信号处理电路相同，本实施例的第一信号处理电路、第二信号处理电路采用共模电感与电容、放电管、压敏电阻、TVS管组合式滤波保护电路，既能保证有效信号不失真，又能保护信号处理电路免受外界冲击损坏。

实施例二

如图5至图6所示为本发明的基于光纤脉冲传输的海缆故障测距方法的实施例，包括以下步骤：

S10.当海缆上出现击穿点F时，击穿点F处产生第一故障行波脉冲向主机传输、产生第二故障行波脉冲向从机传输；

S20.主机接收步骤S10中所述第一故障行波脉冲的时间记为第一时刻T₁，同时从机接收步骤S10中所述第二故障行波脉冲，并产生方波脉冲；

S30.步骤S20中所述方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至主机，主机接收方波脉冲经延时T_D后记为第二时刻T₂；

S40.根据步骤S20中第一时刻T₁、步骤S30中第二时刻T₂计算时间差值ΔT，并由时间差值计算海缆故障位置。

步骤S40中，所述时间差值按下式计算：

式中，L为电缆总长，L_x为击穿点F产生的第一故障行波脉冲到达主机的路程，ν_o为脉冲在光纤的传播速度，ν为脉冲在电缆的传播速度，L_x为击穿点F距主机的距离，ΔT为时间差值，T_D为主机检测到方波脉冲后延迟时间；由此可变形为下式用以计算击穿点F的位置：

式中，

单位为μs；

单位为μs。

所述时间差值ΔT可由主机的第一计数单元通过计数值按下式计算得到：

式中，时间差值ΔT单位为μs；n为第一计数单元的计数值；f为第一计数单元振荡频率，单位为Hz。

当击穿点发生在第二终端时，若不采取时间延时，则方波脉冲先于第一故障行波脉冲到达主机，且方波脉冲领先第一故障行波脉冲时间为

此时测距系统工作系统失效；本发明设置延时时间，以避免系统测试盲区。因而，本实施例中主机检测到方波脉冲后延迟时间T_D满足条件：

本实施例中，时间差值ΔT上传至服务器，将上述基于光纤脉冲传输的海缆故障测距方法嵌于服务器的数据分析软件中，根据主机上传的时间差值，由上述方法计算、显示击穿点所在线路的具体位置，可产生预警信息并将数据和信息保存到数据库中。本实施例可结合实际线路图，将故障位置在线路图上显示出来并产生预警信息。

经过以上步骤，在从机检测到故障行波脉冲后发送方波脉冲到主机，而主机根据检测到的故障行波脉冲和方波脉冲之间时间差值实现在线测距；对主机检测到的方波脉冲进行延迟，解决了系统测试盲区的问题，实现海缆全长范围高精度的故障测距。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于光纤脉冲传输的海缆故障测距系统，所述海缆的两端分别设有与电气设备的第一终端和第二终端，所述第一终端通过第一接地线接地设置，所述第二终端通过第二接地线接地设置；其特征在于：所述海缆靠近第一终端处及第一接地线连接有主机，所述海缆靠近第二终端处及第二接地线连接有从机，所述主机连接有服务器，所述主机和从机间通过通讯光纤通讯，所述主机和从机间连接有用于给主机发送方波脉冲的脉冲传输光纤；当海缆存在击穿点时，击穿点产生第一故障行波脉冲向主机传输、第二故障行波脉冲向从机传输，所述从机检测到第二故障行波脉冲后发送方波脉冲，方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至主机；

所述主机包括顺次连接的第一故障行波取样传感器、第一信号处理电路、第一计数单元、第一处理单元及第一通信单元：

所述第一故障行波取样传感器安装于第一终端，用于接收第一故障行波脉冲；

所述第一信号处理电路用于对第一故障行波取样传感器耦合的第一故障行波脉冲进行保护、滤波及整形；

所述第一计数单元内置有时间延迟单元，在接收到第一故障行波脉冲时计数开始，在接收到方波脉冲经时间延迟单元延时后计数终止；延迟时间T_D满足条件

其中，L为电缆总长，ν_o为脉冲在光纤的传播速度，ν为脉冲在电缆的传播速度；

所述第一处理单元与第一通信单元双向信号连接，所述第一通信单元用于主机从机之间的通讯；

所述从机包括顺次连接的第二故障行波取样传感器、第二信号处理电路、第二计数单元、第二处理单元及第二通信单元：

所述第二故障行波取样传感器安装于第二终端，用于接收第二故障行波脉冲；

所述第二信号处理电路用于对第二故障行波取样传感器耦合的第二故障行波脉冲进行保护、滤波及整形；

所述第二计数单元内置有脉冲处理单元，用于接收第二故障行波脉冲进行处理后产生方波脉冲，所述方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至第一计数单元；

所述第二处理单元与第二通信单元双向信号连接，所述第二通信单元通过通讯光纤与第一处理单元通讯。

2.基于光纤脉冲传输的海缆故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10.当海缆上出现击穿点F时，击穿点F处产生第一故障行波脉冲向主机传输、产生第二故障行波脉冲向从机传输；

S20.主机接收步骤S10中所述第一故障行波脉冲的时间记为第一时刻T₁，同时从机接收步骤S10中所述第二故障行波脉冲，并产生方波脉冲；

S30.步骤S20中所述方波脉冲通过脉冲传输光纤传输至主机，主机接收方波脉冲经延时T_D后记为第二时刻T₂；其中，延迟时间T_D满足条件

其中，L为电缆总长，ν_o为脉冲在光纤的传播速度，ν为脉冲在电缆的传播速度；

S40.根据步骤S20中第一时刻T₁、步骤S30中第二时刻T₂计算时间差值ΔT，并由时间差值计算海缆故障位置。

3.根据权利要求2所述的基于光纤脉冲传输的海缆故障测距方法，其特征在于，步骤S40中，所述时间差值按下式计算：

式中，L为电缆总长，L_x为击穿点F产生的第一故障行波脉冲到达主机的路程，ν_o为脉冲在光纤的传播速度，ν为脉冲在电缆的传播速度，L_x为击穿点F距主机的距离，ΔT为时间差值，T_D为主机检测到方波脉冲后延迟时间；由此可变形为下式用以计算击穿点F的位置：

式中，

单位为μs；

单位为μs。

4.根据权利要求3所述的基于光纤脉冲传输的海缆故障测距方法，其特征在于，所述时间差值ΔT可由主机的第一计数单元通过计数值按下式计算得到：

式中，时间差值ΔT的单位为μs；n为第一计数单元的计数值；f为第一计数单元振荡频率，单位为Hz。

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