海底光电复合缆低阻故障点定位方法.pdf

第 12 卷第 4 期2023 年 7 月网络新媒体技术Vol.12 No.4Jul.2023海底光电复合缆低阻故障点定位方法李光炬 栾韶泽 甘维明 刘 鹏 邢 锰(中国科学院声学研究所 南海研究站海口 570105中国科学院大学北京 100049)摘要:海底光电复合缆低阻故障点定位是实现长期、实时、原位观测海洋的海底观测网的关键基础,然而海洋环境的复杂性增加了海底光电复合缆低阻故障点定位的难度,如何快速而有效地定位低阻故障点,对于降低海底光电复合缆维护成本与提高海底观测网输电的可靠性至关重要。该文通过仿真软件 PSCAD/EMTDC 建立海底观测网单极直流输电模型,利用该模型模拟海缆发生低阻故障时产生的暂态电流定位故障点。首先,采用离散小波变换模极大值提取暂态电流的幅值突变信息,然后通过暂态电流的主频分量计算暂态电流的传播速度,最后由暂态电流的幅值突变信息与传播速度计算出海缆的故障距离。实验结果表明,利用暂态电流可快速、有效定位海缆低阻故障点,在海底光电复合缆故障距离20 km 的故障点定位误差均小于 150 m。可为近岸海底光电复合缆的低阻故障点定位提供一种有效方法。关键词:海底光电复合缆,低阻故障点,暂态电流,离散小波变换模极大值,故障点定位DOI:10.20064/ki.2095-347X.2023.04.006Low Impedance Fault Location of Submarine Photoelectric Composite CableLI Guangju,LUAN Shaoze,GAN Weiming,LIU Peng,XING Meng(Hainan Acoustics Laboratory,Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Haikou,570105,China,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100049,China)Abstract:Low impedance fault location of submarine photoelectric composite cable is the key basis for the seafloor observation network,which can realize long-term,real-time and in-situ observation of ocean.However,the complex ocean environment makes it diffi-cult to effectively locate the low impedance fault of submarine photoelectric composite cable.Therefore,its critical to quickly and ef-fectively locate the low impedance fault,which will reduce the maintenance cost of submarine photoelectric composite cable and im-prove the transmission reliability of the seafloor observation network.In this paper,a monopole DC transmission model of the seafloorobservation network is established by PSCAD/EMTDC.The transient current generated by low impedance fault of submarine cable issimulated and utilized to locate the fault.Firstly,the amplitude mutation information of transient current is exploited by the discretewavelet transform modulus maxima.Then,the propagation speed of transient current is calculated by the main frequency component oftransient current.Finally,the fault distance is calculated by the amplitude mutation information and propagation speed of transient cur-rent.The experimental results demonstrate that low impedance fault of submarine cable can be located quickly and effectively by transi-ent current,and the fault location error is less than 150 m when the fault distance is less than 20 km.This work can provide an effec-tive means for locating the low impedance fault of nearshore submarine photoelectric composite cable.Keywords:submarine photoelectric composite cable,low impedance fault,transient current,discrete wavelet transform modulus maxi-ma,fault location本文于 2023-01-13 收到,2023-01-29 收到修改稿。海南省重点研发计划项目(编号:ZDYF2020201),中国科学院海洋信息技术创新研究院创新前瞻项目(编号:CXQZ201705)。4 期李光炬 等:海底光电复合缆低阻故障点定位方法0引言海底光电复合缆(以下简称“海缆”)作为电能与信息的传输载体广泛应用于海底观测网1,如我国东海小衢山海底观测系统、南海海底观测网试验系统等均依靠海缆来实现长期、原位、实时与高分辨地观测海洋2。但海缆长期处在复杂海洋环境中,以及受人为因素作用引发海缆绝缘层破损形成故障点,故障点的铜导体与海水之间的接触电阻很小,导致海底观测网海缆发生低阻故障2。由于海缆所处的海洋环境极为复杂,使得海缆低阻故障点定位存在较大困难,在国内外均是研究难点2。目前普遍采用阻抗法定位海缆低阻故障点,但阻抗法对海缆线路参数的准确度要求过高,很难准确计算海水温度对海缆阻值的影响,使得阻抗法的低阻故障点定位误差大3-7。在实际工程中采用人工巡视、海洋拖鱼、水下机器人探测等检测手段8定位海缆低阻故障点,但这些检测手段受到海上作业窗口、维修费用、维修技术复杂等因素影响,当海缆长度增加时这些检测手段过于耗时耗力,不能快速找到海缆低阻故障点。本文通过搭建海底观测网单极直流输电模型,利用该模型模拟海缆发生低阻故障时产生的暂态电流定位故障点,其目的是为了探讨一种快速、有效的海缆低阻故障点定位方法。首先,根据海底观测网单极直流输电电路搭建海底观测网单极直流输电模型并获取暂态电流,采用离散小波变换模极大值提取暂态电流的幅值突变信息,然后通过暂态电流的主频分量计算出暂态电流在海缆线路中的传播速度,最后根据暂态电流的幅值突变信息与传播速度定位海缆故障点。实验结果表明,通过暂态电流可快速、有效定位海缆低阻故障点,且具有较高的海缆故障点定位精度。这对节省海缆的维护成本与提高海底观测网电力系统输电的可靠性具有重要意义。1海底光电复合缆故障原理图 1海底观测网单极直流输电电路图如图 1 所示为海底观测网单极直流输电电路,由海岸基站的高压馈电设备(Power Feeding Equipment,PFE)、长度为 20 km 的海缆、水下负载组成,并以海水作为输电回路形成单极负高压输电电路。PFE 为海底观测网提供 10 kV高压直流电,经海缆载体传输至水下基站,由水下基站直流变换器将 10 kV 高压直流电转换成 375 V 与 48 V 的低压直流电供水下基站与科学负荷使用。若海缆某点 N 发生低阻故障时,则海底观测网电力系统出现停电故障,其故障等效电路如图 2(a)所示,由正常负荷电路(见图 2(b)与故障附加电路(见图 2(c)叠加构成。海底观测网海缆正常运行时(见图 2(b)的稳态电流 Im表示为式(1)。Im=U0Rp+Rl(1)其中,U0为 PFE 的输出电压;Rp为海缆总电阻;Rl为水下负载电阻,其值为 8 k。在图 2(c)中的故障处 N产生与故障前该处电压 U0大小相等、方向相反的故障电压 UN,在 UN作用下 N 处形成初始暂态电流 IF0,并向海缆 M 端与 N 端往返传播直到进入稳态。IF0在传播过程中遇到阻抗不匹配处(M 处、N 处)时发生折反射导致 IF0的幅值突变。IF0在海缆线路 MN 中的传播网格如图 3 所示,lMN为故障处 N 到 M 端的距离,假设 M端接收到的 IF(t)分别由 IF0传播至 M 端的暂态电流分量 IF1(t)与故障处 N 反射暂态电流分量 IF2(t)组成,则海缆故障发生时 IF1(t)比 IF2(t)先到达 M 端。假设海缆的单位长度电阻、电感、电容、电导分别为 R0、L0、C0、G0,则海缆特性阻抗 Zc、IF0在海缆线路的传播衰减系数 r、IF0在海缆中的传播速度 v9分别为式(2)-式(4)所示。34网络新媒体技术2023 年图 2海底观测网海缆故障等效电路图图 3暂态电流的传播网格图Zc=R0+jL0G0+jC0(2)r=(R0+jL0)(G0+jC0)(3)v=1/L0C0(4)根据式(2)得到 IF0在 M 处、N 处的反射系数与折射系数分别为式(5)-式(8)。M=(Zc-Zm)/(Zc+Zm)(5)M=(-2Zm)/(Zc+Zm)(6)N=Zc/(Zc+2RN)(7)N=-2RN/(Zc+2RN)(8)其中,M与 M分别表示 M 处的反射系数与折射系数,N与 N分别表示 N 处的反射系数与折射系数,Zm与Zn分别表示 M 端与 N 端的特性阻抗,RN为海缆故障处 N 的铜导体与海水之间的接触电阻。因图 2(c)的 M端接地,故 Zm=0,所以 M=1,此时 IF0在 M 端发生全反射,导致 IF0传播至 M 端时其值为入射暂态电流的两倍9。假设 IF0的初始幅值为 IM0,则有式(9)。IM0=(-UN)/(Zc+2RN)(9)联合式(2)-式(9)推导出 IF1(t)与 IF2(t)分别为式(10)、式(11)。IF1(t)=2IM0e-rlMN t-lMNv()(10)IF2(t)=4IM0Ne-3rlMN t-3lMNv()(11)所以 M 端接收到的暂态电流 IF(t)为式(12)。IF(t)=IF1(t)+IF2(t)(12)由式(9)-式(12)可知 IF(t)的幅值突变信息由 IF1(t)与 IF2(t)组成,幅值突变信息包含了幅值突变特征和与其对应的幅值突变时间,且 IF(t)的幅值突变信息与 lMN有关,其幅值突变信息随 lMN的增大而发生变化。可通过本文暂态电流幅值突变信息提取方法来提取 IF(t)的幅值突变特征所对应的幅值突变时间,然后代入式(13)计算出海缆的故障距离 lMN,如式(13)所示。lMN=v(t2-t1)/2(13)其中,t1为 N 处产生的初始暂态电流到达 M 端的时间(即 IF1(t)的幅值突变时间),t2为 N 处反射暂态电流到达 M 端的时间(即 IF2(t)的幅值突变时间)。2暂态电流幅值突变信息提取方法经上述理论推导可知暂态电流是一个幅值突变的、具有奇异性的非平稳信号,采用常见的时域分析法(如求导数法与相关法)与频率分析法(如匹配滤波器法与主频率法)等均不能精确描述暂态电流10,而小444 期李光炬 等:海底光电复合缆低阻故障点定位方法波变换具有在时域、频域表征信号局部突变信息的性质,它不仅能够检测信号奇异性的强弱,还可以聚焦信号的任意局部细节,适用于非平稳信号的信息提取11。由于离散小波变换具有简单、快速、信息非冗余等优点,且与模极大值结合可有效提取非平稳信号中的幅值突变信息,因此采用离散小波变换模极大值提取 IF(t)的幅值突变信息。本文定义 IF(t)的离散小波变换为式(14)所示。W,IF(j,k)=1aj+-IF(t)(a-jt-k)dt(14)图 4IF(t)的离散小波变换过程图其中,()L2(R)为小波基,缩放因子 a 与平移因子 是整数分解尺度 j 的函数。IF(t)的离散小波变换过程如图 4 所示,首先通过低通滤波器L 实现对 IF(t)的逼近,并通过高通滤波器 H 提取IF(t)的细节信息,然后通过隔点插零的方式进行滤波器 插 值,最 后 得 到 的 分 解 信 号 表 达 式 为式(15)所示。IF(t)=Aj+ji=1Di(15)其中,A 为低频分量,D 为高频分量。滤波器 L 与 H 由频率分辨率不同的正交基函数组成,其分解表达式为式(16)。c=Ljcjxj+1=Hjcj(16)其中,c 为尺度系数,xj+1为细节系数。由式(16)可知,通过高通滤波器 H 提取 IF(t)的细节信息为小波细节系数。在分解尺度为 j 条件下,若对于任意 k(k(k0-,k0+)有式(17)。|W,IF(j,k)|W,IF(j,k0)|(17)则 k0称为离散小波变换在分解尺度 j 下的模极大值点,W,IF(j,k0)称为离散小波变换的模极大值。因此,采用式(17)提取小波细节系数的模极大值点,可得到 IF(t)幅值突变特征所对应的幅值突变时间。3实验3.1暂态电流的获取与特性分析利用电磁暂态仿真软件 PSCAD/EMTDC 搭建与图 1 对应的海底观测网单极直流输电模型如图 5 所示。使用-10 kV 直流高压源模拟 PFE,A 为安装在海岸基站 M 端的暂态电流传感器。由叠加理论可知,海底观测网海缆正常运行时 N 处的电压值为 10 kV,当发生低阻故障时 N 处等效于叠加一个与故障前幅值相等、方向相反的电压源 UN,在 UN的作用下形成暂态电流以传播速度 v 由 N 处沿海缆线路进行往返传播,并由 A采集获得暂态电流。由于频率相关模型可以表示海缆线路完整的频率相关性,在电力系统的分析与计算中具有非常高的精度,因此海缆线路模型采用分布参数频率相关模型。图 5 中简化前的海缆结构由光纤单元、磷化钢丝内铠装层、铜导体、聚乙烯绝缘层、镀锌钢丝外铠装层与 PP 绳外被层构成,可将内铠装层视为不导电的绝缘介质,并对海缆光纤单元、内铠装层与导体进行简化,简化后海缆结构由铜导体、绝缘层、外铠装层与外被层构成,并采用简化后的海缆结构建立海缆结构模型。由于海缆的敷设环境近似于海缆外表被海水覆盖,建模时需要考虑实际环境的海水温度对海缆电气参数的影响。假设图 5 中的海缆位于水深小于 20 m的某南海浅海区域,在温度分布上均属于表层海水,其表层海水全面平均温度值 c 约为 27.8 12,可根据式(18)与式(19)计算出海缆单位长度电阻 R0,而海水温度对海缆单位长度电感 L0与单位长度电容 C0影响较小(可忽略不计),L0、C0与海缆单位长度电导 G0的值分别为 0.398 mH/km、0.190 uF/km 与 4 500 S/km,海缆结构的具体参数如表 1 所示。由于海缆发生低阻故障时,故障处 N 的铜导体与海水之间的接触电阻很54网络新媒体技术2023 年小,因此建模时 RN的值取 5。在模型中暂态电流的采样频率设为 2 MHz,仿真时长 0.2 s,故障模块启动时间为 0.1 s,可通过设置不同的 lMN来获得不同的暂态电流。R0=c/s(18)c=201+ap(c-20)(19)其中,c为海缆铜导体处在温度 c 时的电阻率;s 为海缆铜导体的横截面积;20为海缆铜导体在 20 时的电阻率,且 20=16.8 mm2/km;ap为海缆铜导体电阻的温度系数,且 ap=0.003 82/。图 5海底观测网单极直流输电模型图表 1海缆参数结构参数参数值铜导体电阻率/m1.68E-08绝缘层相对介电常数2.32相对导磁率1外铠装层电阻率/m2.20E-08相对导磁率1外被层相对介电常数2.30相对导磁率1图 6不同故障距离的暂态电流图由海底观测网单极直流输电模型获得 lMN分别为 3 km、7 km、10 km、20 km 的暂态电流如图 6 所示,暂态电流的幅值随 lMN的增大而发生衰减,且幅值突变特征趋于平缓。由式(10)-式(12)可知暂态电流的传播过程与时间、距离有关,当暂态电流传播一段距离并发生折反射后,其幅值将发生衰减与突变特征趋于平缓。对图 6 中的暂态电流进行快速傅里叶变换得到的结果如图 7 所示,可知暂态电流是由不同频率分量组成的宽频非平稳信号,各频率分量的幅值衰减程度不同,高频分量衰减快而低频分量衰减慢,且故障距离不同的暂态电流其频率分布存在差异。进一步采用基于广义 Morse 小波的连续小波变换13对图 6 中的暂态电流进行时-频分解,其结果如图 8 所示,可知不同故障距离的暂态电流具有不同程度的时-频差异性,展现了时间-频率-幅值突变-故障距离-极性等信息,且这些信息主要集中在频带 2 kHz 300 kHz 内。通过深入挖掘频带 2 kHz 300 kHz 内暂态电流的幅值突变信息,进而实现海底观测网海缆低阻故障点定位。由于暂态电流的不同频率分量在海缆线路中的 v 不同,若 v 采用历史经验值往往会导致故障定位精度下降14,15。考虑到暂态电流是一个宽频信号,其幅值越大的频率分量到达海岸基站 M 端的暂态电流传感器的能量就越集中,因此从频带 2 kHz 300 kHz 中提取暂态电流能量最集中的频率分量(即主频分量),并准644 期李光炬 等:海底光电复合缆低阻故障点定位方法确计算出该主频分量的传播速度作为暂态电流的 v,有益于提高海缆低阻故障点定位的精度。从海底观测网单极直流输电模型中获取 lMN为 20 km 的原始暂态电流如图 9(a)所示,其中 t 为暂态电流的故障时间,对应的时-频域波形如图 9(b)所示,通过提取图 9(b)频带 2 kHz 300 kHz 内的主频分量为图 10 所示,从图 9(b)中可以观察到与图 10 一致的主频分量为 3.667 kHz,且主频分量对应的故障时间 t 为 0.000 105 5 s,根据已知的 lMN与 t 计算出暂态电流的传播速度 v 约为 190 km/ms。图 7不同故障距离的暂态电流频率分布图图 8不同故障距离的暂态电流时-频域波形图图 9故障距离为 20 km 的原始暂态电流图图 10主频分量图3.2故障点定位结果与分析本文离散小波变换模极大值提取 IF(t)的幅值突变信息的优劣由 j 与()共同决定,但目前针对 j 与()的选取尚无完备的理论依据。若 j 的取值过小时则离散小波变换的分解频带宽度过大,会引入更多的频率干扰成分,若 j 的取值过大时则离散小波变换的分解频带过小,被分析的分解频带主频分量较低,会影响输电线路故障点定位精度10,16。考虑到 IF(t)的幅值突变信息主要分布在 2 kHz 300 kHz 内,本文 j 的取值为 5。对图 6 的 IF(t)使用不同的()进行离散小波变换得到第 5 阶小波细节系数如图 11 所示,当 lMN较小时,在 IF(t)的幅值突变信息明显的情况下,不同的()均能有效增强 IF(t)的幅值突变信息;当 lMN增大时,在 IF(t)的幅值突变信息不明显的情况下,haar 小波基增强 IF(t)的幅值突变信息的效果优于其他小波基,因此本文离散小波变换模极大值的小波基为 haar。采用 j=5 与()=haar 的离散小波变换模极大值提取图 6 中 IF(t)的幅值突变特征所对应的幅值突变时间,其结果如图 12 所示,可知离散小波变换模极大值均能有效提取 t1与 t2。将 t1、t2与 v 代入式(13)得到海缆低阻故障点的定位结果如表 2 所示,经统计得到海缆故障距离 lMN20 km 的低阻故障点定位误差均小于 150 m,说明了利用暂态电流可快速、有效定位近岸海缆的低阻故障点。74网络新媒体技术2023 年图 11不同小波基的暂态电流小波系数图图 12离散小波变换模极大值的暂态电流幅值突变时间提取结果图4结束语根据海底观测网单极直流输电电路建立了海底观测网单极直流输电模型,利用该模型模拟海缆发生低阻故障时产生的暂态电流来定位故障点。本文首先采用离散小波变换模极大值提取暂态电流的幅值突变时间,然后通过暂态电流的主频分量计算出暂态电流在海缆线路中的传播速度,最后利用暂态电表 2海缆低阻故障点定位结果lMN/kmt1/mst2/msv/(kmms-1)定位结果/km误差/km30.030 50.062 02.992 50.007570.028 00.102 01907.030 00.030 0100.028 50.134 510.070 00.070 0200.028 00.240 020.140 00.140 0流的幅值突变时间与传播速度定位海缆故障点。实验结果表明,利用暂态电流可快速、有效地定位海缆低阻故障点,在海缆故障距离20 km 内的故障点定位误差均小于 150 m,具有较高的故障点定位精度。这为近岸海底观测网海缆的故障点定位提供了依据。在未来的研究工作中,我们将采用实物海缆搭建海底观测网海缆低阻故障模拟实验平台,进一步研究更长距离海缆的低阻故障点定位方法,为大科学工程海底科学844 期李光炬 等:海底光电复合缆低阻故障点定位方法观测网的海缆故障点定位储备技术。参考文献1 李风华,路艳国,王海斌,等.海底观测网的研究进展与发展趋势J.中国科学院院刊,2019,34(3):321-330.2 海洋地质国家重点实验室(同济大学).海底科学观测的国际进展M.上海:同济大学出版社,2017:133-165.3 冯迎宾,刘文竹,杨昆,等.海底观测网海缆低阻抗故障识别及定位方法J.海洋技术学报,2020,39(5):39-45.4 Chan T,Liu C C,Howe B M,et al.Fault Location for the NEPTUNE Power SystemJ.IEEE Transactions on Power Systems,2007,22(2):522-531.5 Yang F,Lyu F.A novel fault location approach 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束洪春.配电网络故障选线M.北京:机械工业出版社,2008:121-132.作者简介李光炬,(1988-),男,助理研究员,主要研究方向:海底观测网海缆故障检测与信号处理。栾韶泽,(1998-),男,硕士研究生,主要研究方向:海底观测网海缆故障检测。甘维明,(1978-),男,研究员,主要研究方向:水声信号处理与水声设备研制。刘鹏,(1989-),男,副研究员,主要研究方向:智能信号处理。邢锰,(1972-),男,高级工程师,主要研究方向:海洋信息大数据处理与应用。为通信作者。94