新型電纜護(hù)層環(huán)流實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李忠柱，張 冰，牛洪海，瞿 亮，吳 健，任晨曦，王哲蓓

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，南京 211102）

0 引言

隨著國內(nèi)城市建設(shè)的不斷發(fā)展，高壓架空線路已無法適應(yīng)當(dāng)前城市建設(shè)規(guī)劃的要求。與架空線路相比，電纜隧道不僅能夠節(jié)約城市空間，還能夠避免雷電天氣和人為因素帶來的電力事故的發(fā)生，因此電纜隧道的建設(shè)規(guī)模及長度不斷增加[8-10]。

然而，高壓電纜長期處于地下隧道內(nèi)，隨著時間的推移，電纜絕緣層逐漸老化，還可能由于施工原因?qū)е聶C(jī)械損傷，這些都對城市的供電帶來安全隱患[11-15]。高壓電纜正常運行時如果有電流流過，會在電纜金屬護(hù)層中感應(yīng)出電壓，為了保證運行安全同時抑制電纜護(hù)層接地環(huán)流，電纜金屬護(hù)層一般采用單端接地或交叉互聯(lián)的方法進(jìn)行接地。因此，當(dāng)電纜的絕緣狀態(tài)良好時，護(hù)層環(huán)流接近于零。但是，當(dāng)絕緣護(hù)層老化或破損導(dǎo)致金屬護(hù)層發(fā)生多點接地時，接地環(huán)流會很大，甚至可能與電纜線芯電流達(dá)到同一數(shù)量級。因此，通過監(jiān)測電纜護(hù)層的接地環(huán)流，不僅可以監(jiān)測電力電纜金屬護(hù)層自身的狀態(tài)，也可以監(jiān)測主絕緣的品質(zhì)狀態(tài)和高壓電力電纜的其他故障[1]。

1 電纜護(hù)層環(huán)流實時監(jiān)測需求分析

電力電纜部署在地下電纜隧道中，隧道內(nèi)具備強(qiáng)電磁干擾、隱蔽性、潮濕性等特征，電力電纜運行在一個相對危險的環(huán)境內(nèi)，在其運行過程中因為環(huán)境的惡劣變化而導(dǎo)致絕緣狀態(tài)惡化，甚至起火、斷裂等故障，從而引起更大范圍的事故。

電力電纜外護(hù)層具有保護(hù)和絕緣作用，其完整性是電纜安全運行的保證[2]。因此，應(yīng)對電力電纜的監(jiān)測尤其重要，而根據(jù)電網(wǎng)公司的運行規(guī)范和檢修經(jīng)驗，電力電纜的護(hù)層環(huán)流是表征電纜故障的重要指標(biāo)。針對電纜護(hù)層環(huán)流的實現(xiàn)監(jiān)測是電力電纜監(jiān)測的必備功能，下面針對電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測的需求進(jìn)行全面分析，以便設(shè)計和實現(xiàn)的環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)具備更好的應(yīng)用價值[3-7]。

護(hù)層環(huán)流的監(jiān)測主要由實時監(jiān)測綜合監(jiān)控軟件、電流互感器、電流采集裝置、采集裝置外殼構(gòu)成，實時監(jiān)測綜合監(jiān)控軟件應(yīng)部署于人員值守的位置組屏安裝，電流互感器應(yīng)布置于接地箱位置，電流采集裝置和采集裝置外殼應(yīng)靠近電流互感器布置，以保證采集精度和實時性。根據(jù)電纜隧道內(nèi)電力電纜的特征合理設(shè)計電流采集裝置，同時還應(yīng)設(shè)計所有電流采集裝置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保障綜合監(jiān)控軟件可以直接全景獲悉電纜隧道內(nèi)所有電流采集裝置的所有實時數(shù)據(jù)。針對以上需求，需要對電纜護(hù)層環(huán)流實時監(jiān)測提出以下需求（見表1）。

表1 中全面分析了電纜護(hù)層環(huán)流實時監(jiān)測的各類需求，對電纜護(hù)層環(huán)流實施檢查系統(tǒng)的總體方案的設(shè)計，硬件和軟件設(shè)計均提出了較高的要求。下面針對以上兩個部分分別進(jìn)行介紹，從而實現(xiàn)電纜護(hù)層環(huán)流實現(xiàn)監(jiān)測的各類需求。

2 系統(tǒng)總體方案

上一章節(jié)對電纜護(hù)層環(huán)流實時監(jiān)測的需求進(jìn)行了詳細(xì)地分析和設(shè)計要點分解，然而要實現(xiàn)上述設(shè)計，需要設(shè)計一個可靠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將前端感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_主站系統(tǒng)，才能將零散的設(shè)備及模塊形成一個整體。下面針對電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測的需求，設(shè)計一套電纜護(hù)層環(huán)流實時監(jiān)測總體架構(gòu)，具體如圖1 所示。

如圖1 所示，整體架構(gòu)設(shè)計分為3 層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層。核心的采集單元部署在網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)感知層的數(shù)據(jù)收集、處理與邏輯計算，同時將處理計算完成的結(jié)果上送至平臺層展示。圖2 詳細(xì)說明了護(hù)層環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成，主要包括電流互感器、電流采集裝置、高防護(hù)等級外殼和綜合監(jiān)控。電流互感器安裝于高壓電纜護(hù)層接地線上，測量電纜護(hù)層接地環(huán)流信息；電流采集裝置與電流互感器輸出連接并采集電流互感器輸出的接地環(huán)流信息，通過高防護(hù)等級外殼能夠?qū)﹄娏鞑杉b置進(jìn)行防護(hù)；綜合監(jiān)控主機(jī)放置于主控室，通過光纖網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)與電流采集裝置的通訊模塊相連接，對接收到的護(hù)層接地環(huán)流信息進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和故障報警功能，以此實現(xiàn)隧道電纜護(hù)層接地環(huán)流在線監(jiān)測功能。

表1 電纜護(hù)層環(huán)流實時監(jiān)測需求類別Table 1 Cable sheath circulation real-time monitoring needs category

圖1 電纜護(hù)層環(huán)流實時監(jiān)測總體架構(gòu)Fig.1 Cable sheath circulation real-time monitoring of the overall structure

圖2 護(hù)層環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 The composition of the shield circulation monitoring system

圖3 電流采集裝置的模塊設(shè)計Fig.3 Module design of current acquisition device

3 電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測的硬件和軟件設(shè)計

3.1 電流采集裝置

根據(jù)上一章的總體方案可以看出，整個監(jiān)測系統(tǒng)最核心的是電流采集裝置，它的數(shù)據(jù)收集、處理與邏輯計算能力直接影響了整個系統(tǒng)的功能和效率。本文針對電流采集裝置的硬件部分進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計，采用模塊化的設(shè)計理念，實現(xiàn)電流采集裝置的各功能單元，具體如圖3 所示。

如圖3 所示，電流采集裝置的功能模塊主要包括電源模塊、交流采樣模塊、CPU 模塊、開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊和鍵盤及液晶顯示模塊。

根據(jù)第1 章的需求分析中，高集成度、高EMC 性能的要求，整個裝置集成了電源、通訊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出等模塊于一體，減少了安裝設(shè)備數(shù)量，同時盡可能縮小設(shè)備的尺寸，尤其關(guān)注設(shè)備的厚度方面，以免設(shè)備安裝后影響隧道內(nèi)的正常人員通行。同時考慮元器件EMC 性能，合理布置PCB 的元器件，以適應(yīng)高EMC 的性能要求。電源模塊按照第1 章需求分析的要求支持交直流寬范圍（110V/220V）的電壓供電方案電源輸入，同時支持低至12V 的供電，考慮方便CT 取電、電池后備電源以及太陽能供電方案的實現(xiàn)，在保證性能要求的前提下，選取低功耗原件，優(yōu)化了硬件設(shè)計，將裝置的功耗降到最低。軟件上配合觸發(fā)間歇性休眠模式，保證在后備電池容量固定的情況下，支持更長時間的工作。

圖4 高防護(hù)等級外殼的前面板視圖Fig.4 Front panel view of the high protection class enclosure

圖5 高防護(hù)等級外殼的接線面板視圖Fig.5 Wiring panel view of high protection class housing

針對對時模塊和輸入模塊按照需求分析中的內(nèi)容，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)對時和專用對時裝置的對時接口，能夠接收北斗或GPS 對時信號，保證在事故分析階段的時間信息準(zhǔn)確。針對沒有網(wǎng)絡(luò)對時設(shè)備和專用對時裝置的情況，硬件上支持直接接入蘑菇頭的方案，使對時更可靠，精度更準(zhǔn)；設(shè)計的開關(guān)量輸入模塊與CPU 模塊的DSP 核連接，負(fù)責(zé)采集外部輸入的開關(guān)量信號，開關(guān)量信號支持電壓等級包括24V、48V、110V 和220V；設(shè)計的模擬量輸入模塊與CPU 模塊的DSP 核連接，負(fù)責(zé)采集外部輸入的4mA ～20mA 電流信號或0V ～10V 電壓信號。

交流采樣模塊的輸入與電流互感器輸出連接，負(fù)責(zé)對輸入的電流信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和低通濾波，調(diào)理為-10V ～+10V的電壓信號，從而輸入CPU 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、邏輯計算等后續(xù)流程。CPU 模塊包括高性能處理器模塊、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電子盤和通訊模塊等。高性能處理器模塊包括DSP 核和ARM 核，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)管理；A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與交流采樣模塊輸出連接，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳輸給DSP 核進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；電子盤主要負(fù)責(zé)程序文件、配置文件和定值文件的備份；通訊模塊與ARM 核連接，具備以太網(wǎng)和RS485 標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，負(fù)責(zé)與綜合監(jiān)控主機(jī)通訊。鍵盤及液晶顯示模塊與CPU 模塊的ARM 核連接，可通過鍵盤及液晶顯示模塊查看裝置信息及修改定值。

電流護(hù)層環(huán)流監(jiān)測作為電力系統(tǒng)重要監(jiān)控系統(tǒng)，通訊模塊的設(shè)計上考慮了所有通用的電力通訊規(guī)約，包括IEC61850、IEC103、101、modbus-tcp 等，可以實現(xiàn)與其他監(jiān)控系統(tǒng)的兼容，同時在一些通信線纜敷設(shè)不方便的特殊區(qū)域需支持無線通訊，設(shè)計了通用的物聯(lián)網(wǎng)采集方案，包含5G、4G、LORA 等，較好地適應(yīng)了通信線纜敷設(shè)不方便的特殊區(qū)域應(yīng)用。

3.2 高防護(hù)等級外殼

根據(jù)第1 章需求分析中高防護(hù)等級需求，電流采集裝置外殼為全封閉一體化結(jié)構(gòu)，如圖4 和圖5 所示。采用鑄鋁金屬材料，具有很好的電磁屏蔽作用，與外部接口采用防水接頭，防護(hù)等級達(dá)到IP68，整體具有防塵、防水和抗電磁干擾功能。同時設(shè)備內(nèi)部所有PCB 板卡全面考慮三防處理，保證了電流采集裝置在電纜隧道復(fù)雜的運行環(huán)境中可靠運行。

3.3 故障判別

電流采集裝置最大可采集9 路電流信號。電流采集裝置可設(shè)置護(hù)層環(huán)流與線芯電流比值的報警門檻，當(dāng)比值超過門檻時裝置發(fā)出報警信號。由于不同電壓等級、不同區(qū)域?qū)τ谧o(hù)層環(huán)流的邏輯判斷均有所不同，裝置設(shè)計了可編程可定義報警定值的功能，能夠自定義數(shù)學(xué)運算和邏輯運算，實現(xiàn)復(fù)雜故障的判別。主要分為環(huán)流越限報警、環(huán)流與運行電流比值越限告警、環(huán)流變化報警3 個部分：

1）環(huán)流越限告警

裝置設(shè)電纜護(hù)層環(huán)流越限告警，當(dāng)護(hù)層環(huán)流告警投入（可自定義）控制字為“1”，且裝置采集的電纜護(hù)層環(huán)流值高于護(hù)層環(huán)流告警定值（可自定義）時，經(jīng)護(hù)層環(huán)流告警時間（可自定義）延時報護(hù)層環(huán)流告警信號。

2）環(huán)流與運行電流比值越限告警

裝置設(shè)電纜護(hù)層環(huán)流與運行電流比值越限告警，當(dāng)環(huán)流比值告警投入（可自定義）控制字為“1”，且運行電流大于環(huán)流比值告警低電流閉鎖定值（可自定義），裝置采集的電纜護(hù)層環(huán)流與對應(yīng)運行電流比值高于環(huán)流比值告警定值（可自定義）時，經(jīng)環(huán)流比值告警時間（可自定義）延時報環(huán)流與運行電流比值告警信號。

3）環(huán)流變化告警

裝置設(shè)電纜護(hù)層環(huán)流變化告警，當(dāng)環(huán)流變化告警投入（可自定義）控制字為“1”，且裝置采集的電纜護(hù)層環(huán)流滿足以下條件之一，報環(huán)流變化告警信號；當(dāng)突變量消除后延時1s 返回。判據(jù)的條件為：

◇ 本相環(huán)流有流，且環(huán)流值1 個周波內(nèi)的變化量高于環(huán)流變化告警門檻系數(shù)（可自定義）*1 周波前環(huán)流值時。

◇ 本相環(huán)流值1 個周波內(nèi)的變化量高于環(huán)流變化告警門檻絕對值（可自定義）。

4 結(jié)論

電力電纜的重要性正越來越受到電力公司的關(guān)注，為有效監(jiān)測電力電纜的護(hù)層環(huán)流，本文設(shè)計了一種新型電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)，采用感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層的3 層結(jié)構(gòu)對電力電纜的護(hù)層環(huán)流進(jìn)行實時地全方位監(jiān)測，尤其在電流采集裝置的設(shè)計上充分考慮隧道內(nèi)的環(huán)境和可靠性需求，從高集成度、高EMC 性能、供電方案、低功耗、對時模塊、輸入模塊、軟件邏輯可編程、通信模塊、高防護(hù)等級9 個方面進(jìn)行了深化設(shè)計和實現(xiàn)，適應(yīng)了不同現(xiàn)場、不同環(huán)境的各種需求，并在北京、廣州、合肥、雄安新區(qū)等地數(shù)10 個電纜隧道監(jiān)控項目的應(yīng)用，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。