基于光信息同步的双端行波故障测距研究

刘 邦，曲鸿春，王亚坤，冯 豆，姚庭镜，王高洁，蒋 冬

（国网安徽省电力有限公司亳州供电公司，安徽 亳州 236000）

0 引言

光纤技术传输信息量大，适合强磁等环境下的抗干扰采集，成为坚强智能电网和电力物联网建设的强力支撑之一［1-4］。结合了光纤和电力传输技术的光电复合电缆在电力系统建设尤其是智能变电站建设中发挥了越来越大的作用［5-7］，为保证电网安全运行，要求能够快速准确地检测出光电复合电缆的故障点并恢复运行［8-10］。

当光电复合电缆出现故障时，在故障点会产生向光电复合电缆两端以光速传播的行波［11-13］。传统方法利用行波到达电缆一端或两端的时间值，来计算故障点到电缆一端或两端的距离，从而定位故障点。其中，单端行波测距原理由于行波波形捕捉难度大，可靠性差，应用时具有一定难度；双端行波测距原理简单，相对于单端测距准确可靠，但对两端系统时间的同步精度有较高要求，通常采用两端加装GPS装置的方法来实现同步，该方法成本较高且较易受环境影响。

为了快速准确地检测出光电复合电缆的故障点，减少地形环境等因素对GPS定位的影响，本文提出在光电复合电缆两端设置信息特征识别软件模块，代替原有双端行波故障测距方法需要加装的GPS等同步装置，基于光信息同步实现双端行波故障测距，快速准确地检测出光电复合电缆的故障点。采用该方法提高了检测准确性和可靠性。

1 光电复合电缆智能检测方案

当变电站现场装设的光电复合电缆出现故障时，需要快速有效地检测出故障并恢复运行。在光电复合电缆两端加装智能检测装置，当电缆出现故障时，依靠智能检测装置内部的线路行波检测模块和信息特征识别模块，来准确检测故障点。

线路正常工作时，智能检测装置不动作，即检测装置不影响线路正常运行。线路发生故障时，智能检测装置的线路行波检测模块检测到行波信号，开启基于光信息同步的双端行波故障测距模式。在故障测距模式下，装设在线路两端的信息特征识别模块利用复合电缆的光纤通路，分别发送和接收具有一定特征的光信息，来判断光纤链路是否通畅，并根据光纤链路的通畅情况，对双端行波检测模块进行时间同步或基于光信息获知故障点位置信息。光电复合电缆智能检测系统框图如图1所示。

图1 光电复合电缆智能检测系统框图

2 基于光信息同步的故障测距方法

基于光信息同步的双端行波故障测距装置，在光电复合电缆两端设置信息特征识别模块，来代替GPS装置实现同步，能在不明显增加装置成本的基础上，快速准确地检测出光电复合电缆的故障点。

2.1 双端行波测距原理

电缆、架空线路等具有分布参数，当发生故障时，故障处具有等效电源效果。等效电源会给线路分布电容充电，产生向线路两端传播的电压和电流行波。行波波速与线路截面积无关，只与导体绝缘介质有关，例如纸质绝缘介质的电缆线路上行波以160m／μs传播［14-16］。由于线路分界点处阻抗明显变化，在行波传播到此后就会产生反射和折射。双端行波测距利用行波在分界点处的反射来完成故障测距，如图2所示。

采用双端行波测距时，需在电缆线路两端都安装行波检测装置，通过检测两端第一个行波到达时间差来计算故障点位置。计算公式如下：

式中：lMN为线路总长；lMF为故障点距M端距离；tWM、tWN分别为行波信号到达M端和N端的时刻；c为行波在该线路的传播速度。

图2 电缆线路双端行波故障测距原理图

2.2 基于光信息的对时同步

由双端行波测距原理可知，要精确计算出故障点的位置，需测量行波到达两端时刻的精确差值。双端行波测距一般采用两端加装GPS装置的方法来实现时间同步，成本高且易受环境影响。在光电复合电缆两端设置信息特征识别模块，用信息特征识别软件代替GPS等硬件同步装置，来实现电缆两端检测模块的时间同步，不明显增加硬件成本且不易受环境因素干扰。

2.2.1 电缆光纤链路正常情况下的测距

当光电复合电缆线路M端行波检测模块检测到行波信号时，记录对应时刻tM，即行波信号到达M端的时刻tWM，同时信息特征识别模块启动，识别电缆输入端信息特征；对端捕捉到对应的信息特征，记录信息达到时刻tN，即行波信号到达N端的时刻tWN。

依据信息到达复合电缆两端的顺序，并考虑光纤链路传输时延，来确定光信息到达光电复合电缆两端的时间差值Δti，计算公式如下：

式中：td为光纤链路传输时延，在铺设该光电复合电缆时，td可依据产品手册查询或者实测得到。

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光电复合电缆总长度lMN和光在光纤中的传播速度等参数可查或实测，这些量和光信息在该光纤链路传播的理论时间差值Δt′i具有如下关系：

根据公式（3）可得：

式中：c为行波在该线路中的传播速度，接近光速；n1为光纤的玻璃内芯光的折射率；φ为光从内芯射向外套发生全反射的临界角。这些量均可从光电复合电缆参数上查询获得。

以光电复合电缆信息输入端行波检测模块的系统时刻为参照时间，来精确计算行波到达电缆两端的时间差值。光电复合电缆信息输入端行波检测模块标记出的行波信号到达时刻tWM和信息表征时刻tM（实质上两者相同）直接可用。 依据式（2）和式（4），可与对端即光电复合电缆信息输出端对时。与M端信息表征标记时刻tM对应的同步时刻t′N，可依据式（2）和式（4）获得：

对输出端信息到达时刻tN和t′N进行修正对时，时间修正误差Δt为：

故障行波信号到达光电复合电缆两端的时间差值为 Δtw：

基于式（8）及双端行波测距原理，得到光电复合电缆故障点到两端的距离：

2.2.2 电缆光纤链路损坏情况下的测距

若光电复合电缆故障点产生较大形变，使电缆中线路和光纤链路一同损坏，此时电缆线路故障处即为光纤链路故障点。光纤链路两端光信息进入链路后，信息传输不到对端，而是到达故障点后会有微弱光信息反射并从同端折回。

当光电复合电缆信息输入端行波检测模块检测到行波信号时，同时信息特征识别模块启动，并记录对应时刻tM。光信息经光纤链路传输到故障点后折回，在tMR时刻该信息返回到本端。此种情况下对端捕捉不到对应的信息特征。

基于光信息在光纤链路中的传输速度与时间的关系，计算得到故障点到信息输入端的距离：

2.3 基于光信息同步的行波测距算法

光电复合电缆发生故障时，两端的行波检测模块会检测到行波信号，并采用基于光信息同步的双端行波测距算法来进行测距，算法流程图如图3所示。

图3 基于光信息同步的行波故障测距流程图

具体步骤如下：

1）线路两端行波检测模块检测到行波信号后，分别记录两端检测到行波信号的时刻tWM和tWN。

2）由信息特征识别模块去判别光电复合电缆的光纤链路是否损坏。如光电复合电缆光纤链路通信正常，无损坏，则由式（9）和式（10）来计算光电复合电缆故障点到两端的距离。

3）如光电复合电缆光纤链路通信不正常，则由式（11）来计算光电复合电缆故障点到信息输入端的距离。

3 方案仿真验证

依据双端行波故障测距原理，按图3所示的故障测距流程，在PSCAD中建立长5 km的光电复合电缆模型，仿真时间设定为0～0.5 s，计算步长设定为0.1 μs。在模型内设置3个故障点，故障点分别设定在距离M端3 km、2 km和1 km的位置，波速设为160 m／μs，检测系统时差设为10 μs（M端超前 N端）。两端检测到的行波初始时刻，依据本文算法计算故障点到M端的距离及故障定位距离误差如表1所示。

表1 复合电缆故障模型定位结果

仿真结果表明，基于光信息同步的双端行波故障测距方法可行，定位精度较高。

4 结语

在智能电网和电力物联网建设中，光纤技术由于性能优越，被广泛应用。当光电复合电缆发生故障时，需要快速准确地检测出故障点并恢复运行。本文针对光电复合电缆提出了基于光信息同步的双端行波故障测距方法，能快速准确地检测出光电复合电缆的故障点。该方法不需要加装GPS同步装置，具有环境适应性强、不明显增加成本等优点。