CN111220880A - 一种地下电缆时间同步装置、故障定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地下电缆时间同步装置、故障定位系统及方法，所述地下电缆时间同步装置包括信号发射器和信号接收器，所述信号发射器和所述信号接收器分别安装于同一电缆的两端，且与所述电缆铠装连接，所述信号发射器用于将同步信号注入电缆铠装，所述信号接收器用于从所述电缆铠装接收所述同步信号。所述故障定位系统包括所述地下电缆时间同步装置，还包括故障录波装置，所述故障录波装置用于录取电缆中的至少两处行波信号。本发明能够有效避免恶略天气及设备安装位置对授时精度的影响，无需进行特有同步线的布线，利用电缆固有的铠装，传递同步信号，在保证授时精度的同时有效降低了材料和人工成本。

Description

一种地下电缆时间同步装置、故障定位系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电缆领域，具体涉及一种地下电缆时间同步装置、故障定位系统及方法。

背景技术

随着经济的快速增长，城市电缆网络规模日益增大，但是随着时间的推移，电缆逐渐老化带来的故障也逐年增加。为了及时了解电网的运行情况，分析故障产生的原因及准确定位故障产生的位置，必须实时、完整、准确记录电网运行过程中各种突发事件发生的时间信息，因而电网设备之间进行同步授时非常重要。当前电网设备之间进行同步授时主要有两种方式，一种是GPS授时，一种是同步线授时。

GPS授时是利用GPS卫星搭载的高精度原子钟，产生基准信号和时间标准，提供覆盖全球的时间服务，其授时精度高达20亿分之一秒，是目前使用最广泛最普遍的技术。GPS授时系统主要是利用GPS精准对时的特点来实现装置的统一对时，GPS接收器在任一时刻同时接收其视野范围内4～8颗卫星信号，经过处理后输出时间信号。GPS授时不需要布线，授时精度高，但是受天气和安装位置影响大，阴雨天会出现授时精度降低甚至不能授时的情况，进而导致电缆故障定位失效。

同步线授时技术是在需要进行时间同步的设备之间安装同步线，该技术同步时间精准，不受天气及安装位置的影响，但是需要进行人工布线，材料成本和人工成本高，同时当同步线需要埋的地下时，要求同步线具有高抗腐蚀性，对同步线的质量要求高。

申请号为201711249223.1的中国发明专利申请公开了一种基于时间同步的故障定位系统、方法和装置，其中所述系统包括第一同步路由装置，用于为第二同步路由装置提供第一时钟信号；所述第二同步路由装置，与所述第一同步路由装置连接，用于根据所述第一时钟信号使所述第二同步路由装置的第二时钟信号与所述第一时钟信号同步，以及所述第二同步路由装置之间的始终信号同步；同步定位装置，与所述第二同步路由装置连接，用于根据所述第二同步路由装置输出的时钟信号获取电缆中的电缆数据；监控主机，通过所述第一同步路由装置、所述第二同步路由装置与所述同步定位装置连接，用于对所述电缆数据进行处理，确定故障发生的位置。该系统可以解决双端监测设备时钟同步性能差导致不能对电缆的故障点进行精确定位的问题，但是其第一同步路由装置与第二同步路由装置之间通过以太网传输时钟信号，需要设置以太网基础设施为系统运行提供保障，且时间同步速度易受网络传输速度的影响。

发明内容

为解决现有技术中存在的以上技术问题中的至少一个，本发明提供了一种地下电缆时间同步装置。

一种地下电缆时间同步装置，包括信号发射器和信号接收器，所述信号发射器和所述信号接收器分别安装于同一电缆的两端，且与所述电缆铠装连接，所述信号发射器用于将同步信号注入电缆铠装，所述信号接收器用于从所述电缆铠装接收所述同步信号。

优选的是，所述信号发射器通过夹钳与电缆铠装连接，用于将所述同步信号耦合至所述电缆铠装。

在上述任一方案中优选的是，所述信号发射器通过导线与电缆铠装连接，用于将所述同步信号直接注入所述电缆铠装。

在上述任一方案中优选的是，所述信号接收器通过夹钳与电缆铠装连接，用于从所述电缆铠装耦合接收所述同步信号。

在上述任一方案中优选的是，所述信号接收器通过导线与电缆铠装连接，用于从电缆铠装直接接收所述同步信号。

在上述任一方案中优选的是，所述信号接收器包括信号放大滤波单元、AD采集单元、高精度晶振时钟校准单元、数据处理单元中的至少一种，用于对所述同步信号进行采集并确定脉冲个数和触发时间，进而确定同步时间差。

在上述任一方案中优选的是，所述同步信号为周期性发射的单脉冲电压信号或单脉冲电流信号。

在上述任一方案中优选的是，所述同步信号的发射周期为工频周期的倍数。

在上述任一方案中优选的是，所述同步信号为周期性发射的多脉冲电压信号或多脉冲电流信号。

在上述任一方案中优选的是，所述信号发射器包括升压单元，用于调整所述同步信号的发射功率。

本发明的第二方面提供了一种地下电缆故障定位系统，其包括所述地下电缆时间同步装置，还包括故障录波装置，所述故障录波装置用于录取电缆中的至少两处行波信号，且其录取电缆行波信号的位置不超过信号发射器注入同步信号和信号接收器接收所述同步信号之间的电缆范围。

优选的是，所述故障录波装置包括第一故障录波装置和第二故障录波装置，所述第一故障录波装置安装于所述信号发射器端，用于录取所述同步信号注入电缆铠装位置处的行波信号，所述第二故障录波装置安装于所述信号接收器端，用于录取所述同步信号接收位置处的行波信号。

在上述任一方案中优选的是，所述第一故障录波装置与所述信号发射器集成一体安装，和/或，所述第二故障录波装置与所述信号接收器集成一体安装。

在上述任一方案中优选的是，所述地下电缆故障定位系统还包括控制中心，所述控制中心与所述故障录波装置通信连接，所述故障录波装置将录取的行波信号上传所述控制中心，所述控制中心根据接收的数据进行分析处理，对电缆故障进行定位。

在上述任一方案中优选的是，所述信号接收器将确定的同步时间发送至所述故障录波装置或者发送至控制中心。

本发明的第三方面提供了一种地下电缆故障定位方法，用于所述的电缆故障定位系统，包括步骤：

信号发射器发射同步信号；

信号接收器接收所述同步信号；

确定同步时间差；

故障录波装置录取电缆中的行波信号；

行波信号中包括故障行波时，根据同步时间差及故障录波装置录取的行波信号确定故障位置。

在上述任一方案中优选的是，所述同步信号为周期性发射的单脉冲电压信号或单脉冲电流信号。

在上述任一方案中优选的是，所述同步信号的发射周期为工频周期的倍数。

在上述任一方案中优选的是，所述同步信号为周期性发射的多脉冲电压信号或多脉冲电流信号。

在上述任一方案中优选的是，所述信号接收器对接收的同步信号进行处理后确定同步时间差。

在上述任一方案中优选的是，所述信号接收器将其确定的同步时间差发送至故障录波装置或者控制中心。

在上述任一方案中优选的是，所述故障录波装置将其接收的同步时间差及录取的行波信号发送至控制中心。

在上述任一方案优选的是，所述控制中心根据接收的同步时间差及行波信号确定电缆故障位置。

在上述任一方案优选的是，所述控制中心还可以根据接收的行波信号对电缆故障类型进行分析，确定电缆故障类型。

本发明的地下电缆时间同步装置、故障定位系统及方法能够有效避免恶略天气及设备安装位置对授时精度的影响，电缆故障时，对故障的定位更加准确；无需进行特有同步线的布线，利用电缆固有的铠装，传递同步信号，在保证授时精度的同时有效降低了材料和人工成本；同时，因为同步信号在电缆中的行波速度快，设备间时间同步的速度快，对故障定位的精度更高。

附图说明

图1为按照本发明的地下电缆时间同步装置的一优选实施例的结构示意图。

图2为按照本发明的地下电缆时间同步装置的另一实施例的结构示意图。

图3为按照本发明的地下电缆时间同步装置的再一实施例的结构示意图。

图4为按照本发明的地下电缆时间同步装置的第四实施例发射同步信号的示意图。

图5为按照本发明的地下电缆故障定位系统的一优选实施例进行故障定位的示意图。

图6为按照本发明的地下电缆故障定位系统的如图5所示实施例采用的所述地下电缆故障定位方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作详细说明。应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分具体实施方式，而并非全部的实施方式，本领域普通技术人员基于本发明所例举的实施例，在没有付出创造性劳动的前期下所做出的其他实时方式，都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种地下电缆时间同步装置，包括信号发射器11和信号接收器12，所述信号发射器11和所述信号接收器12分别安装于同一电缆的两端，且与所述电缆铠装10连接，所述信号发射器11用于将同步信号注入电缆铠装10，所述同步信号沿电缆铠装行波至所述信号接收器处时，所述信号接收器12从所述电缆铠装10接收所述同步信号。所述信号发射器11通过夹钳13将所述同步信号耦合至所述电缆铠装10，所述信号接收器12通过夹钳13与电缆铠装10连接，用于从所述电缆铠装10耦合接收所述同步信号。

所述信号接收器12包括信号放大滤波单元、AD采集单元、高精度晶振时钟校准单元、数据处理单元中的至少一种，所述信号放大滤波单元用于对接收的同步信号进行放大及滤波，所述AD采集单元用于将采集的模拟信号转换为数字信号，所述高精度晶振时钟校准单元和数据处理单元用于确定同步信号的个数和触发时间，进而确定同步时间差。

所述同步信号可以是周期性发射的单脉冲电压信号，也可以是周期性发射的单脉冲电流信号，可以是周期性发射的多脉冲电压信号，也可以是周期性发射的多脉冲电流信号。同步信号采用单脉冲信号，时间同步难度小，精度高，但是抗干扰能力不如多脉冲信号；同步信号采用多脉冲信号，时间同步难度大，精度低，但是抗干扰能力强。

所述同步信号为周期性发射的单脉冲电压信号，其发射周期为工频周期的倍数，这是因为信号接收器12的电子元件之间存在差异性导致其接收同步信号的时间会出现些许偏差，而采用工频周期的倍数为周期发射同步信号可以有效减小所述偏差带来的影响。当时间同步精度要求不是特别高的时候，也可以采用其他的周期发射同步信号。鉴于我国工频周期为20ms，在本实施例中，同步信号的周期采用20ms倍数。也可以根据其他国家或者地区的工频周期调整同步信号发射周期。

所述信号发射器11中设置有升压单元，用于对所述同步信号的发射功率进行调整，调整后所述同步信号的发射功率可以达到较大的变化范围，满足信号发射器11与信号接收器12之间不同电缆长度的需求，保证信号接收器12与信号发射器11之间电缆长度过长时，信号接收器12也可以有效接收到所述同步信号，进行时间同步。

所述夹钳采用当前电力电缆行业通用的夹钳即可，如广泛用于电力电缆识别仪的夹钳或者用于从高压线路取电的夹钳，只要所述夹钳可以将所述同步信号耦合至所述电缆铠装或者可以从电缆铠装耦合接收所述同步信号即可。所述夹钳与所述信号发射器11和/或所述信号接收器12采用导线直接连接，或者在所述信号发射器11和/或所述信号接收器12设置插接口，所述夹钳通过插接的方式与所述信号发射器11和/或所述信号接收器12连接。关于夹钳的结构、工作原理、与电缆的连接方式等并非本申请的创新点，在此不做特别说明，具体可以参照现有技术进行了解。

实施例2

如图2所示，一种地下电缆时间同步装置，包括信号发射器11和信号接收器12，所述信号发射器11和所述信号接收器12分别安装于同一电缆的两端，且与所述电缆铠装10连接，所述信号发射器11用于将同步信号注入电缆铠装10，所述同步信号沿电缆铠装行波至所述信号接收器处时，所述信号接收器12从所述电缆铠装10接收所述同步信号。

与实施例一所不同的是，所述信号发射器11通过夹钳13将所述同步信号耦合至所述电缆铠装10，所述信号接收器12通过导线与电缆铠装10直接连接，用于从所述电缆铠装10直接接收所述同步信号。所述信号接收器12引出两根导线，其中一根导线直接与电缆铠装10连接，另一根导线与电缆接地辫14连接，本领域技术人员公知，所述电缆接地辫14是与电缆铠装10连接的。

与实施例一所不同的是，所述信号接收器12还包括通信单元，用于与其他设备进行数据传输，将其确定的同步时间差发送给其他设备，也用于当时间同步失败时，向控制中心发送报警信息。

实施例3

如图3所示，一种地下电缆时间同步装置，与实施例二所不同的是，所述信号发射器11通过导线与电缆铠装10连接，用于将所述同步信号直接注入所述电缆铠装10，所述信号接收器12通过夹钳13与电缆铠装10连接，用于从所述电缆铠装10耦合接收所述同步信号。

实施例4

如图4所示，一种地下电缆时间同步装置，与实施例二所不同的是，所述信号发射器11通过导线与电缆铠装10连接，用于将所述同步信号直接注入所述电缆铠装10，所述信号接收器12通过导线与电缆铠装10直接连接，用于从所述电缆铠装10直接接收所述同步信号。

信号发射器11与信号接收器12安装完成之后，所述信号发射器11与所述信号接收器12之间电缆的长度L即为已知量。信号在电缆铠装中的行波速度V，虽然不同型号的电缆，速度V有所差别，但是针对同一型号的电缆，信号行波速度V是已知的，而地下电缆时间同步装置安装之后，该对应电缆的型号也就已知了。

信号发射器11在T1时刻发射一单脉冲信号，信号接收器12在T2时刻接收到该单脉冲信号，那么T2-T 1＝L/V，应当理解，信号接收器12在T2时刻接收的同步信号是信号发射器11在T1时刻发射的，信号发射器11发射同步信号与信号接收器12接收该同步信号之间存在时间差L/V。根据时间差L/V即可实现时间同步，进而对电缆故障进行精确定位。

实施例5

如图5所示，一种地下电缆故障定位系统，其包括所述地下电缆时间同步装置，还包括故障录波装置，所述故障录波装置用于录取电缆中的至少两处行波信号，且其录取电缆行波信号的位置不超过信号发射器11注入同步信号和信号接收器12接收所述同步信号之间的电缆范围。

在本实施例中，所述故障录波装置包括第一故障录波装置61和第二故障录波装置62，所述第一故障录波装置61安装于所述信号发射器端61，用于录取所述同步信号注入电缆铠装10位置处的行波信号，所述第二故障录波装置62安装于所述信号接收器端12，用于录取所述同步信号接收位置处的行波信号。

在本实施例中，所述第一故障录波装置61与所述信号发射器11分体式安装，所述第二故障录波装置62与所述信号接收器11分体式安装。

在本实施例中，所述地下电缆故障定位系统还包括控制中心，所述控制中心与所述第一故障录波装置61、第二故障录波装置62通信连接，所述第一故障录波装置61、第二故障录波装置62将录取的行波信号上传所述控制中心，所述信号接收器还将其确定的同步时间差发送至所述同步中心，所述控制中心根据接收的行波信号和同步时间差进行分析处理，对电缆故障进行定位。同时，所述控制中心还可以根据接收的行波信号，对电缆故障类型进行分析，确定电缆故障类型。

所述故障录波装置在电力系统已经有所应用，关于故障录波装置的结构、工作原理、连接方式等并非本申请的创新点，在此不做特别说明，具体可以参照现有技术进行了解。

实施例6

如图6所示，一种地下电缆故障定位方法，用于实施例5所述的电缆故障定位系统，包括步骤：

S50：信号发射器发射同步信号；

S51：信号接收器接收所述同步信号；

S52：确定同步时间差；

S53：故障录波装置录取电缆中的行波信号；

S54：行波信号中包括故障行波时，根据同步时间差及故障录波装置录取的行波信号确定故障位置。

在本实施例中优选的是，所述同步信号为周期性发射的单脉冲电压信号，且所述同步信号的发射周期为20ms的倍数。

如图5所示，对于某一电缆，信号发射器11向电缆铠装10注入同步信号位置处与信号接收器12从电缆铠装10接收所述同步信号位置处之间电缆的长度Lm，对于该型号电缆，行波速度为Vm/us，则第一录波装置61与第二录波装置62之间的同步时间差T为L/V。第一录波装置61的行波采样频率为F1MHZ，第二录波装置的62的行波采样频率为F2MHZ，因此，在某一同步周期内，当第一录波装置61采样第L/V*F 1+1个点的时候，第二录波装置62才开始采样第1个点。某一时刻，在离第一录波装置61距离L1m位置处，电缆发生故障(图中采用闪电符号表示)，故障行波从故障点向两侧传播，第一录波装置61采样X个点后开始记录故障行波的第一个采样点，第二录波装置62采样Y个点后开始记录故障行波的第一个采样点。我们得到以下关系：

L1+L2＝L………………………… (1)

T＝L/V…………………………… (2)

(L1-L2)/V＝X/F 1-Y/F2-T……………… (3)

由此，可以确定L1＝X*V/(2*F1)-Y*V/(2*F2)，即确定故障发生位置。

例如，已知L的距离为32km，行波速度为200m/us，第一故障录波设备的采样频率F1MHZ和第二故障录波设备的采样频率F2MHZ均为1MHZ，在某一同步周期内，第一故障录波设备采样230个点后，开始采集到故障行波的第一个采样点，第二故障录波设备采样90个点后，开始采集到故障行波的第一个采样点，由此可以确定，L1为14km，L2为18km，即精确定位了电缆故障位置。

对上述定位结果进行验证。在同步周期内，因为第一故障录波设备与第二故障录波设置之间电缆的长度为32km，行波速度为200m/us，那么同步信号从第一录波装置处行波至第二录波装置处用时为160us，因为第一故障录波设备的采样频率F1MHZ和第二故障录波设备的采样频率F2MHZ均为1MHZ，即，第一故障录波设备和第二故障录波设备均每1us采样1个点。在一个同步周期内，当第一故障录波设备采样160个点后，采样第161个点时，第二故障录波设备才开始采样本同步周期内的第一个点。第一故障录波设备采样的第231个点是其记录的故障行波的第一个点，第二故障录波设备采样的第91个点是其记录的故障行波的第一个点，也就是说，故障行波到第一故障录波设备用时比到第二故障录波设备用时少20us。根据上面的定位结果，L 1为14km，L2为18km，故障行波到第一故障录波设备用时为70us，到第二故障录波设备用时为90us，故障行波到第一故障录波设备用时比到第二故障录波设备用时正好少20us，说明对故障的定位是正确的。

实施例7

一种地下电缆故障定位系统，与实施例5所不同的是，所述第一故障录波装置61与所述信号发射器11集成一体，形成发射端设备，同时具备发射同步信号、采集电缆中行波信号以及上传行波信号的功能；所述第二故障录波装置62与所述信号接收器12集成一体，形成接收端设备，同时具备接收同步信号、确定同步时间差、采集电缆中行波信号以及上传行波信号及同步时间差的功能。

在本实施例中，控制中心与多组发射端设备和接收端设备连接，形成分布式电缆故障定位系统，用于对电缆网络中的多条电缆进行故障定位。当需要进行故障定位的电缆数目较大时，可以设置多个控制中心，每个控制中心负责一定数量的电缆故障定位以及对电缆故障类型进行分析，确定电缆故障类型。

实施例8

一种地下电缆故障定位系统，与实施例5所不同的是，所述第一故障录波装置61安装于同步信号注入电缆铠装和信号接收器接收同步信号位置之间且靠近同步信号注入电缆位置处，所述第二故障录波装置62安装于同步信号注入电缆铠装和信号接收器接收同步信号位置之间且靠近信号接收器接收同步信号位置处。根据同步时间差L/V以及第一故障录波装置61与第二故障录波装置62之间的电缆长度与信号发射器与信号接收器之间电缆长度，同样可以对电缆故障进行精确定位。

实施例9

一种地下电缆故障定位系统，与实施例5、6或7所不同的是，在第一故障录波装置61与第二故障录波装置62之间设置有至少一个其他故障录波装置，此种电缆故障定位系统适用于电缆长度较长或者需要对故障进行特别精确的定位的场景。控制中心首先根据第一故障录波装置61与第二故障录波装置62记录的行波信号，确定电缆故障位置，然后确定电缆故障位置两侧的最近故障录波装置，再然后根据故障位置两侧的最近故障录波装置记录的行波信号，进一步定位电缆故障位置，如此迭代，直至确定一个精确的定位结果。

需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应该理解：其可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。本申请文件中采用的术语“第一”、“第二”是用于区别类似的对象，而并非是用于限定对象之间的先后顺序，应当理解这类术语在特定的情况下可以进行互换而不会对本申请的技术方案产生影响。此外，术语“包括”、“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

Claims (10)

1.一种地下电缆时间同步装置，其特征在于：包括信号发射器和信号接收器，所述信号发射器和所述信号接收器分别安装于同一电缆的两端，且与所述电缆铠装连接，所述信号发射器用于将同步信号注入电缆铠装，所述信号接收器用于从所述电缆铠装接收所述同步信号。

2.如权利要求1所述的地下电缆时间同步装置，其特征在于：所述信号发射器通过夹钳与电缆铠装连接，用于将所述同步信号耦合至所述电缆铠装。

3.如权利要求1所述的地下电缆时间同步装置，其特征在于：所述信号发射器通过导线与电缆铠装连接，用于将所述同步信号直接注入所述电缆铠装。

4.如权利要求1所述的地下电缆时间同步装置，其特征在于：所述信号接收器通过夹钳与电缆铠装连接，用于从所述电缆铠装耦合接收所述同步信号。

5.如权利要求1所述的地下电缆时间同步装置，其特征在于：所述信号接收器通过导线与电缆铠装连接，用于从电缆铠装直接接收所述同步信号。

6.一种地下电缆故障定位系统，其特征在于：包括如权利要求1所述的地下电缆时间同步装置，还包括故障录波装置，所述故障录波装置用于录取电缆中的至少两处行波信号，且其录取电缆行波信号的位置不超过信号发射器注入同步信号和信号接收器接收所述同步信号之间的电缆范围。

7.如权利要求6所述的地下电缆故障定位系统，其特征在于：所述故障录波装置包括第一故障录波装置和第二故障录波装置，所述第一故障录波装置安装于所述信号发射器端，用于录取所述同步信号注入电缆铠装位置处的行波信号，所述第二故障录波装置安装于所述信号接收器端，用于录取所述同步信号接收位置处的行波信号。

8.如权利要求7所述的地下电缆故障定位系统，其特征在于：所述第一故障录波装置与所述信号发射器集成一体安装，和/或，所述第二故障录波装置与所述信号接收器集成一体安装。

9.一种地下电缆故障定位方法，其特征在于：用于如权利要求6所述的电缆故障定位系统，包括步骤：

信号发射器发射同步信号；

信号接收器接收所述同步信号；

确定同步时间差；

故障录波装置录取电缆中的行波信号；

行波信号中包括故障行波时，根据同步时间差及故障录波装置录取的行波信号确定故障位置。

10.如权利要求9所述的地下电缆故障定位方法，其特征在于：所述信号接收器对接收的同步信号进行处理后确定同步时间差。

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