CN202794431U - 海底电缆故障监测装置 - Google Patents

Abstract

海底电缆故障监测装置，包括故障选线单元（D）、行波测距单元（C）、通信单元（G）和主站单元（H），其特征在于变电所（E）内安装故障选线单元（D）和行波测距单元（C），在线路对端（F）安装行波测距单元（C），故障选线单元（D）和行波测距单元（C）的暂态数据传到当地处理机，当地处理机可将数据通过通讯单元（G）上传至主站单元（H），其中行波测距单元（C）接入所有海底电缆出线(L1、L2、……Ln)的三相电流或电压，故障选线单元（D）分别接入变电所内的母线三相电压、母线的零序电压和各条海底电缆出线的零序电流。本实用新型海底电缆故障位置监测准确，抗干扰能力强，自动化程度高。

Description

海底电缆故障监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种海底电缆故障监测装置，属于电缆故障监测领域。 

背景技术

海底电缆故障监测装置可以在线实时的监测电网的运行状态，对单相接地故障线路做出准确判断及对故障位置精确定位。确保及时的处理故障，减小电网停电范围，缩短停电时间，提高海上电力自动化水平和供电可靠性。 

目前已经有了一些电缆故障监测装置，但主要采用直流叠加法，直流分量法，在线 法，光纤测温法，低频叠加法等。这些装置均具有如下不足：精度低，易受干扰，测量误差大。因此，设计一种抗干扰能力强，测量精度高，简单实用的海底电缆在线故障监测装置，已成为急需解决的一项任务。 

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：设计一种能够在线实时监测海底电缆运行状况的装置，在线给出单相接地故障线路及故障位置的电缆故障监测装置。 

本实用新型所采用的技术方案是：海底电缆故障监测装置，其特征在于：包括故障选线单元（D）、行波测距单元（C）、通信单元（G）和主站单元（H），其特征在于变电所（E）内安装故障选线单元（D）和行波测距单元（C），在线路对端（F）安装行波测距单元（C），故障选线单元（D）和行波测距单元（C）的暂态数据传到当地处理机，当地处理机可将数据通过通讯单元（G）上传至主站单元（H），其中行波测距单元（C）接入所有海底电缆出线(L1、L2、……Ln)的三相电流或电压，故障选线单元（D）分别接入变电所内的母线三相电压、母线的零序电压和各条海底电缆出线的零序电流。 

故障选线单元（D）的故障选线CPU设有定值整定、参数输入、故障启动、形成故障数据文件。故障选线结果空接点上传、协调各个子板的工作的程序控制和数据远传程序。 

行波测距单元（C）的行波测距CPU设有电流或电压行波数据的存储及处理、人机接口与当地处理机和主站通信、信息上传的控制程序。 

对时单元设有高精度时钟信息、GPS传输、同步记录下行波启动元件被触发时刻、检测到故障行波初脉冲贴上时间标签的程序控制及由串行口传给故障选线CPU和行波测距CPU程序。 

通信单元（G）采用公共电话网作为暂态数据传输通道，与继电保护和其它自动化单元保持绝对的独立性，避免相互影响。 

主站单元（H）安装于控制中心，可收集故障选线单元和行波测距单元的瞬时和永久故障检测信息，可实现单相接地故障选线和定位，具有故障分析、统计以及远程配置和诊断等功能。 

本实用新型的工作原理为： 

故障选线单元（D）利用故障暂态信息选线，即在特征频段内故障线路零序电流幅值最大，极性与健全线路相反，零序电流和无功功率在故障线路中从线路流向母线，而健全线路中从母线流向线路，构成暂态零序电流幅值比较法，暂态零序电流极性比较法，暂态零序电流方向法和暂态无功功率方向法。故障选线单元监测母线三相电压、母线零序电压和线路零序电流，系统单相接地故障时，该单元采集母线三相电压、母线零序电压和线路暂态电流的数据，采用预设的暂态零序电流幅值比较法、暂态零序电流极性比较法、暂态零序电流方向法和暂态无功功率方向法的几种组合进行选线。由于暂态零序电流幅值比稳

态值大几倍到几十倍，检测灵敏度和可靠性高，同时，暂态方法不受消弧线圈和不稳定电弧影响，间歇性接地时检测效果更好，不受系统规模和线路结构变化的影响，利用多种方法选线，互为补充，结果更可靠，采用普通电压电流互感器，不需要安装专用耦合设备和其他高压设备。可永久保留故障数据、处理结果等故障信息。数据可远传，可实现远程故障诊断。

行波测距单元（C）利用全球定位单元作为同步时间单元，通过高速采集单元记录线路故障的行波数据，采用小波分析技术实现故障行波波形数据的分析处理，以测量故障行波脉冲传到两端母线的时间差测距，即双端测距法为基础，同时提供对所接入线路的单端测距分析，即测量故障行波脉冲在母线与故障点来回反射的时间测距。测量精度高，克服了阻抗测距法存在的精度受弧光电阻，线路换位不换位，互感器误差等因素影响的缺陷，利用来自电流互感器的暂态电流行波信号，不需要特殊的信号耦合设备。使用独立于CPU的超高速数据采集单元，记录并缓存暂态行波信号，解决了CPU速度慢，不适应采集处理暂态行波信号的困难。采用LED显示器，显示装置的时间、日期 、定值输入，装置运行状态与装置内部故障信息。当被测线路故障时，装置自动捕捉故障数据，自动存储。并通过通讯口将记录的数据自动传给主站单元供分析处理使用。故障测距单元可储存最新的八次故障八条线路的电流/电压行波波形，设有掉电保护，所有的记录数据在装置失电时均不会丢失。 

通信单元（G）可以是TCP/IP网络，也可以是公共电话网络。本装置采用公共电话网作为暂态数据传输通道，能够与继电保护和其它自动化单元保持绝对的独立性，避免相互影响。接地故障暂态选线信号和故障行波测距信号的实时结果、装置运行状态和故障实时录波等数据通过通信单元上传。 

    主站单元（H）安装于控制中心，主要收集各个终端的瞬时和永久故障检测信息，实现故障选线和定位，在故障处理程序中读取故障选线和行波测距单元的中央处理器（CPU）中的暂态启动报告，并通过公共电话网与线路对端的行波测距单元交换启动数据，具有故障分析、统计以及远程配置和诊断等功能。进而自动显示故障选线和行波故障测距结果，包括故障线路、故障发生时间、故障线路名称、故障类型、故障距离等信息，然后向值班人员发出告警信号。同时提供故障管理功能，即历史信息查询、统计和故障重演等。 

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：利用暂态电气量特征且采用多种方法综合选线，互为补充，结果更可靠，利用全球定位单元作为同步时间单元，定位更精确。装置不受线路参数、线路互感、互感器误差、电网运行方式变化、故障位置、故障类型、大地电阻率及一些较强干扰因素的影响，具有自动识别故障的能力，监测过程自动化程度高。 

附图说明

图1是本实用新型的原理图； 

图2是选线、定位单元的结构图。

图1中：L1、L2、……Ln为监测的海底电缆线路，A为Ⅰ段母线，B为Ⅱ段母线，C为行波测距单元，D为故障选线单元，E为变电所，F为线路对端，G为通信单元，H为主站单元，I为开关。 

图2中D为故障选线单元，C为行波测距单元。 

具体实施方式

如图1所示： 

在变电所（E）内安装故障选线单元（D）和行波测距单元（C），在线路对

端（F）安装行波测距单元（C）。行波测距单元接入所有海底电缆出线 (L1、L2、……Ln)线路电流/电压，故障选线单元分别接入变电所内的母线三相电压、母线的零序电压和各条海底电缆出线的零序电流。主站单元（H）通过通信单元（G）获得故障选线单元（D）和行波测距单元（C）的数据后实现故障分析、统计以及远程配置和诊断自动显示故障选线和行波测距结果等功能，同时该海底电缆故障监测装置可监测多段并联母线及多条出线的运行状态。

如图2中D所示： 

选线单元CPU是故障选线单元的核心，由它实现定值整定、系统参数的输入，故障启动，形成故障数据文件，故障选线结果空接点上传，协调各个子板的工作，实现机间通信、LED显示和键盘控制等功能。

高速数据采集单元实现故障检测，故障数据的采集、记录和处理，并把采集到的数据传送给中央处理单元暂时保存。 

对时单元负责把由GPS同步时钟提供的GPS时间信息传送给选线单元。 

选线单元的故障启动元件通过比较检测到的零序电压的幅值是否超过整定门槛值来判定故障是否发生，其门槛值取决于线路电压等级和电流互感器的变比。 

当选线单元监测到的零序电压瞬时值超越预设门槛，高速数据采集单元立即冻结高精度时钟的当前时间信息，并激活中央处理单元中的定时电路。故障选线CPU读取本次触发的时间信息后释放高精度时钟，故障选线CPU对触发初始时段的暂态数据进行处理，以判断本次触发是否有效，若有效则向当地处理机发出主动上报信号。当地处理机采用预设选线方法即暂态零序电流幅值比较法、暂态零序电流极性比较法、暂态零序电流方向法和暂态无功功率方向法的 

组合进行选线，其中选线结果、故障发生时刻和电压电流波形等可在当地处理机中显示，同时当地处理机将故障数据通过电话线传输至主站。

如图2中C所示： 

行波测距CPU，由它实现故障电流/电压行波数据的存储及处理、人机接口等功能。

高速数据采集单元（采样频率1MHz）实现故障检测，行波故障数据的采集、记录和处理，并把结果传送给行波测距CPU。 

对时单元把由GPS同步时钟提供的GPS时间信息传送给行波测距单元，同时记录下行波启动元件被触发的时刻，为检测到的故障行波初始脉冲贴上时间标签，并经由串行口传送给行波测距CPU，用于实现双端测距并作为事故后故障分析的时间依据。 

当地处理机由一台工控机构成，它负责接收、存储来自故障选线单元和行波测距单元的暂态启动报告，并与安装在线路对端的行波测距单元交换启动数据，从而自动给出故障线路和行波故障测距结果。电流/电压行波波形、第一个故障行波波头到达时间等信息亦可直接通过通信口上传或通过电话网等通信介质远传给主站，供进一步存储、分析使用 

当行波故障定位单元所监视的任一路暂态信号瞬时超过设定的硬件门槛值时，高速数据采集单元立即冻结高精度时钟的当前时间信息，并激活中央处理单元中的定时电路。行波测距单元CPU读取本次触发的时间信息后释放高精度时钟，行波测距单元CPU对触发初始时段的暂态数据进行处理，以判断本次触发是否有效，若有效则向当地处理机发出主动上报信号。当地处理机接收到来自行波测距单元CPU的主动上报信号后即进入故障处理程序。系统在故障处理

程序中读取行波测距单元CPU中的暂态启动报告，并通过公共电话网与线路对端的行波测距单元交换启动数据，通过计算行波到达线路两端的时间差进行故障定位，并可自动显示行波故障测距结果，包括故障发生时间、故障类型、故障距离等信息，同时当地处理机将故障数据通过电话线传输至主站。当地处理机还能够接收通过行波测距单元的键盘输入的故障暂态触发时间，并自动计算和显示双端行波故障测距结果。

具体操作步骤为：在正常运行过程中，故障选线单元（D）和行波测距单元（C）内的硬件逻辑控制回路对各通道信号按设定的采样顺序和采样频率自动进行高速采样(每个通道的采样频率为1 MHz)和A/D转换，且将A/D转换结果自动高速写入当前循环存储器(CRAM)中。 

当选线单元监测到的零序电压瞬时值超越预设门槛，高速数据采集单元立即冻结高精度时钟的当前时间信息，并激活中央处理单元中的定时电路。故障选线CPU读取本次触发的时间信息后释放高精度时钟，故障选线CPU对触发初始时段的暂态数据进行处理，以判断本次触发是否有效，若有效则向当地处理机发出主动上报信号。当地处理机采用预设选线方法进行选线，并可显示选线结果、故障发生时刻和电压电流波形等。同时当地处理机将故障数据通过电话线传输至主站，如果故障持续时间超过一定时间则上报选线结果，否则认为瞬时性故障。 

与此同时系统所监视的任一路暂态信号瞬时值超过设定的硬件门槛值时，行波故障测距高速数据采集单元中模拟比较回路的输出信号(触发信号)将立即冻结高精度时钟的当前时间信息(含微秒数)，并激活中央处理单元插件中的采集控制定时电路，经过一定时间(约几个毫秒)后高速数据采集电路自动停止工作， 

同时向行波故障测距CPU发出一外部中断信号。行波测距CPU在暂态触发外部中断服务程序中读取本次触发的时间信息后释放高精度时钟，并对触发初始时段的暂态数据进行处理，以判断本次触发是否有效。如果本次触发有效，则置启动标志。当行波测距CPU在主循环中检测到启动标志后即进入故障处理程序，在故障处理程序中将触发后系统所记录的所有暂态数据以及部分触发前的数据转存到系统存储区，进而形成包含暂态波形数据在内的启动报告，然后通过串行口向当地处理机发出主动上报信号。当地处理机接收到来自行波故障测距中央处理单元的主动上报信号后即进入故障处理程序。系统在故障处理程序中读取行波故障测距中央处理单元中的暂态启动报告，并通过公共电话网与线路对端的行波故障测距单元交换启动数据，进而自动显示行波故障测距结果，包括故障发生时间、故障距离等信息，然后向值班人员发出告警信号，并向主站报告。当地处理机还能够接收通过键盘输入以及通过行波综合分析系统下发的由故障线路对端的行波采集与处理系统所记录的故障暂态触发时间，并自动计算和显示双端行波故障测距结果。

当地处理机中的故障选线、故障测距结果和暂态波形数据以标准数据库的形式存放在系统硬盘中，并可随时接受主站单元的查询和调取。 

Claims (4)

1.一种海底电缆故障监测装置，其特征在于：包括故障选线单元（D）、行波测距单元（C）、通信单元（G）和主站单元（H），其特征在于变电所（E）内安装故障选线单元（D）和行波测距单元（C），在线路对端（F）安装行波测距单元（C），故障选线单元（D）和行波测距单元（C）的暂态数据传到当地处理机，当地处理机可将数据通过通讯单元（G）上传至主站单元（H），其中行波测距单元（C）接入所有海底电缆出线 (L1、L2、……Ln)的三相电流或电压，故障选线单元（D）分别接入变电所内的母线三相电压、母线的零序电压和各条海底电缆出线的零序电流。

2.根据权利要求1所述的海底电缆故障监测装置，其特征在于：故障选线单元（D）的故障选线CPU设有定值整定、参数输入、故障启动、形成故障数据文件。

3.根据权利要求1所述的海底电缆故障监测装置，其特征在于：通信单元（G）采用公共电话网作为暂态数据传输通道，与继电保护和其它自动化单元保持绝对的独立性。

4.根据权利要求1所述的海底电缆故障监测装置，其特征在于：主站单元（H）安装于控制中心。

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