DC-2000 电缆绝缘监测及故障预警定位系统-深圳市东宸智造科技有限公司

产品详情

一、前言

电力供电系统是大型用电企业运行的动力来源，而电缆是供电系统中的动力传输网线。据统计，在全部停电事故中，电缆故障的因素占到 70%左右。在供电安全保护措施不断进步的今天，由电缆组成的输电网络的安全可靠性，已经成为整个供电体系中的后一块短板。

由于电缆铺设在地下，常年经受潮湿、雨水浸泡等恶劣条件，电缆绝缘状态深受不良环境影响；而用电负荷的特性，还存在电压波动、谐波等对电缆绝缘介质的耗损；电缆绝缘材质随时间老化，以及负荷波动、外力损坏等其他因素的影响，造成电缆故障时常发生，威胁着企业的安全生产。

随着企业运行过程自动化水平的不断提高，任何一次停电事故都会给企业造成严重的经济损失，有的是因为停电时间过长造成的，有则的是直接事故造成的损失。除了经济损失因素外，停电事故往往也会造成重大生产责任事故，成为企业安全生产必须要重视的因素。

在不断提高生产效率，强调自动化和智能化生产过程的今天，变电站无人值守逐步成为趋势，“电力电缆智能监测保护装置 ”恰好弥补了安全生产后一个被忽视的环节，堵住了停电事故中重要的一个漏洞。

因此，建设“电力电缆智能监测保护装置 ”，能够预防和大幅度降低电力输配电的故障，对提高生产效率和降低维护成本都具有现实意义。

电缆自适应保护装置，是未来无人值守变电站必不可少的保护类技术措施。

二、技术方案

1、暂态树枝放电

电力电缆在运行过程中发生绝缘不良接地故障之前，往往存在一段时间内的暂态放电（瞬时燃弧）的接地现象，这种暂态放电的持续时间很短，大多小于2ms，然后不用人工干预就可以恢复原状（我们称之为“可恢复故障”）。这些暂态瞬时性接地故障大都由绝缘老化发展而成，达到一定程度后会导致电缆击穿。在稳态接地发生之前这样的瞬时接地故障都会持续一段时间，直至实质性的稳态接地故障发生。

试验证明，电缆绝缘老化、绝缘不良，直至绝缘击穿，是一个由一系列暂态放电离散事件构成的渐进式的变化过程。

交联聚乙烯电缆 XLPE 接地故障的产生和发展过程如下表：

DJ-2000“电力电缆智能监测保护装置 ”，在深入研究电缆绝缘状态下降过程中的暂态放电信号的基础上，采集和分析的暂态放电信号传播方向、频率、幅值和能量等特征量进行分析、处理和建模，特别是引入和运用高频自适应采样滤波技术，设计形成具有自主知识产权的新一代电缆保护技术，实现对电缆绝缘接地状态的保护和预判；同时利用电力行波测距技术、行波选线技术对绝缘薄弱点进行电缆故障选线、测距定位，提前发现电力电缆的绝缘不良隐患并及时预报，实现对电缆的保护作用。

主要应用场合：6KV、10KV、35KV 交联聚乙烯 XLPE 电缆。适用于单芯电缆、三芯电缆绝缘下降初期树枝放电引发的绝缘薄弱点的预警，包括电缆绝缘状态、外护套绝缘状态的保护措施，三芯电缆相对相、单相或多相接地等接地故障预警。

2、设计方案

“电力电缆智能监测保护装置 ”是新一代智能化电缆绝缘智能保护的安全技术措施，采用先进的暂态高频信号诊断技术，通过研究电缆暂态放电行波信号的传播方向、频率、幅值和能量等特征向量，在原有的行波测距技术基础上，在 10～100MHz之间设计多通道信号采集，运用自适应滤波、并行处理技术，更准确、全面地采集暂态放电信息，大大提高电缆绝缘状态分析判断的准确率，实现了电缆的保护作用。

图 2 电缆自适应保护装置设计流程图

“电缆绝缘自适应保护系统 ”的设计架构如下图 3：

图 3 系统的架构

系统由两大部分组成：信号采集、信号处理和诊断系统软件三部分。

（1）信号采集

信号采集终端安装在电缆接地屏蔽线上，采集电缆绝缘不良时暂态放电形成的泄露电流、单芯电缆外护套环流数值，并通过信号线缆连接至系统的处理模块。

（2）信号处理

信号处理模块安装在系统的主机柜中，这些内容包括：智能综合处理模块、电压信号处理模块和电流信号处理模块、环流信号处理模块。主要功能是为系统提供标准的直流电源、网络通讯和信号处理等。

（3）诊断软件系统

系统的诊断软件是整个系统的核心，包括安装在机柜中的上位机服务器和显示器，一般地系统都以工控机作为上位机服务器。

3、系统实现的功能

“电力电缆智能监测保护装置 ”实现了电缆保护的两大定位功能：

①绝缘薄弱点的预警，

②绝缘故障点的定位。

系统提出预警/告警的依据是通过一个设定的能量阈值实现的，这个能量阈值是指在一定的时间内采集到的电信号的频率、幅值、放电电量综合设定的。同时，系统还通过行波分析技术实现了绝缘薄弱点/故障点的选线和绝缘问题点的测距定位功能，具体功能列表如下：

4、系统的技术指标

系统的技术指标包括两部分，一部分是设计指标，是指系统设计的参数指标；另一部分是系统实现的技术指标，系统在实际应用这经过测量取得的性能指标。在系统的设计指标中，典型的特征是系统采用了 10～100MHz 的采样频率（不同于以往的单一采样频率），自适应滤波技术针对一定范围内的电流行波信号进行分析，从而达到了系统要求的的预警/告警的灵敏度、测距与选线精度等性能指标。

设计指标	性能参数	技术指标	性能参数
电压信号采样频率	100KHz×4 路	故障告警准确率	≥97%
电流信号采样频率	20MHz×16 路	故障选线准确率	≥99%
环流信号采样频率	10KHz×15 路（仅单芯电缆）	故障定位[敏感词]度	≤5m
系统用电方式	AC 220V ±10%，50Hz。	故障测距范围	≥15km
装置内通讯方式	Lan/RJ45，100MHz	测试盲区	≤7.5m
对外通讯接口	RJ45/光口/4G 无线	适用环境温度	-25～+65℃
系统上位机	研祥 IPC-820，显示屏 19.5"	在线安全运行	>80000 小时
系统平台并发请求数	256 个	页面响应时间	≤1.0s
系统具有	可扩展性、易操作性。	系统安全性	防火墙防止入侵、DDOS 攻击

表 2 装置的技术指标

三、系统的配置参数

“电力电缆智能监测保护装置 ”原有的行波分析技术基础上，采用新的自适应滤波和并行处理技术，更大范围地捕捉电缆绝缘下降过程中暂态放电的频率、幅值及能量信息，大大提高了监测的准确率。以下是系统关键部件、模块的性能指标参数：

1、信号采集终端

（1）电流信号采集终端

安装在电缆接地屏蔽线上，采集因电缆绝缘下降引起的暂态放电电流信号。每根电缆配置 1 个。技术指标：

①量程：0～50mA（AC），[敏感词]度：±1%；

②带宽：100KHz～5MHz；

③输出阻抗：50Ω;

④绝缘性能：DC 6KV。

（2）环流信号采集终端

安装在单芯电缆接地屏蔽线上,采集单芯电缆外护套环流数值,每根单芯电缆配 1 个。技术指标：

①额定初级电流：5～400A AC；

②额定次级电压:0.333V AC；

③工作频率：50Hz～1KHz；

④传感器结构：开合式，内径≥40mm。

2、信号处理模块

（1）智能综合管理模块

负责电源管理并为各模块提供[敏感词]的电源，负责内外部网络通讯管理，以及系统监测的同步授时等。尺寸440×280×44mm，技术指标：

①输入电压: 220V±10%；②输出功率: 200W；

③同步授时精度：10ns；④通讯接口: RJ45/光口，100MHz。

（2）电压信号处理模块

采集母线PT 二次侧电压Ua、Ub、Uc及开口三角电压信号，每段母线配置 1 台。

尺寸 440×280×44mm，技术指标：

①采样频率：100KHz×4 路；

②功率：≤5W；

③工作电压：DC12V～15V；④通讯接口：RJ45，100MHz。

（3）电流信号处理模块

负责电缆绝缘故障时的泄露电流信号处理，每台多可处理 16 路电流信号，自适应滤波、小波变换在此执行。尺寸440×280×44mm，技术指标：

①电流信号采样频率：10～100MHz×16 路；

②功率：≤5W；

③工作电压：DC12V～15V；④通讯接口：RJ45，100MHz。

（4）环流信号处理模块

负责处理单芯电缆环流信号，每台多可处理 15 路环流信号。技术指标：

①采样频率：10KHz×15 路；

②功率：≤5W；

③工作电压：DC12V～DC15V；④通讯接口：RJ45，100MHz。

3、同步授时

高精度GPS授时10ns，可持续地自动校准，电缆传输时间测量技术实现了屏蔽非监控电缆（并联电缆）的脉冲，大大降低选线的误报率，提高行波测距的精度。

4、通信接口及传输规约

具备 2 个及以上独立的 100M 以太网接口；通信规约采用 103 规约或 61850 规约，并具有完善的自我描述功能。

5、抗干扰

系统具有抗干扰能力,可满足在强电场、强磁场等变电站环境下正常工作。

6、工作环境

环境气温： -25℃~+65℃,[敏感词]度： 0.5℃；。

相对湿度范围： 0～100%RH，[敏感词]度：3%RH。

[敏感词]相对湿度： 95％（日平均），90%（25℃) (月平均)。

耐地震能力：耐受烈度不超过 8 度。

空气污秽程度： Ⅲ。

7、系统的配置方案

以下是一个典型的三段母线下，8 个回路单芯电缆、24 根三芯电缆的系统配置表。

其中，8 个回路的单芯电缆统计为 8×3=24 根单芯电缆（单芯电缆每一相算一根），单芯电缆需要监测外护套环流数值来判断其外护套的绝缘状态。

序号	名称	型号	功能及参数	单位	数量
1	DJ-2000 上位机	DJ-2001	机柜：2200×800×600mm，含保护单元。颜色：灰。	套	1
		DJ-2002	本地上位机：工控机 IPC-820 研祥，显示器：19.5″。	套	1
		DJ-2003	通信模块：具备光纤、LAN、4G 无线通信功能。	套	1
		DJ-2004	专用监测软件：电缆绝缘故障预警分析软件。	套	1
		DJ-2005	远程监控：i7 处理器电脑 1 台，29″显示器 1 台。	套	1
2	智能综合管理模块	DM-201	负责电源管理、网络通讯监控、同步授时等。	台	1
3	电压信号处理模块	DM-202	负责电压信号处理，100KHz×4 路	台	3
4	电流信号处理模块	DM-203	负责电流信号处理，20MHz×16 路。	台	3
5	环流信号处理模块	DM-203	仅用于单芯电缆，负责处理外护套环流信号数值，判断外护套绝缘状态。10KHz×15 路。	台	1
6	高频信号采集终端	DT-201	安装在电缆接地屏蔽线上，每根电缆安装 1 个。	个	48
7	环流信号采集终端	DT-202	安装在单芯电缆屏蔽层接地线上，每根单芯电缆配置 1 个。	个	24
8	安装线缆	DF-201	SYV75-2-1× 16，16 芯同轴电缆。	米	300
			ZC-VVR/0.6/1KV-6×2.5，6 芯控制电缆。	米	250
			ZC-VVR/0.6/1KV-6×1.5，6 芯控制电缆。	米	350

表 3 电缆自适应保护系统配置明细表

四、装置的软件

软件开发基于平台 Spring MVC，操作系统为：Windows/CentOS，软件可运行于Windows 平台上。软件系统编程采用 Java 语言，PostgreSQL 数据库，Google 浏览器。软件开发运行的硬件要求：i5 8300CPU 或以上，内存8G 以上，硬盘 500G 以上。

1、软件系统的结构

整个软件系统主要分为监测管理系统、数据采集服务和数据库等三个部分：

软件的监控管理系统主要功能包括设置采集参数、对采集的数据进行分析和汇总，以图形和表格的方式显示汇总信息和数据波形，根据分析结果发出告警信号等；

软件的数据采集系统主要承担脉冲放电电流信号的采集、存储和处理工作；

系统数据库主要承担对系统运行参数和系统参数的存储以及对经过统计出的特征量和采集测量的原始数据进行存储。

监控管理系统：对系统前端采集到的行波电流信号进行分析和汇总，将数据加入到故障诊断模型大数据分析，将分析结果信息和数据波形以图形和表格的形式进行显示。

同时监管系统还将修改处理参数和采集参数的界面提供给用户。当监控管理系统接收到前端系统发出的告警信号后，系统将会以弹窗、蜂鸣发出告警信号。

图 4 软件系统结构

软件系统的架构分为：物理层和信息层，物理层主要包括数据采集与数据处理系统，针对物理量的电磁信号进行数据化处理。信息层主要包括对物理层处理后的信息进行建模和数据分析，形成信号波形曲线，对物理信息引起的事件进行诊断，推断或诊断出电缆的绝缘状态，是否出现绝缘接地故障。

监测软件系统应用功能包括：数据采集与数据处理，数据库与知识库，通讯管理，事件管理，数据与曲线，故障报警，及系统权限管理功能。

1.1）数据采集/数据处理

电缆监测软件系统本身不具备数据采集的管理功能，只具有应用的功能。数据采

集、处理、存储和对外传输均在物理层的监测装置中进行。信号采集终端采集到电磁信号后，系统会对信号进行放大、滤波和解析，形成有分析价值的数据充实进入数据库。

1.2）数据库/知识库管理

系统数据库为实时数据库，数据库支持按照专业、站点、设备、属性点等方式进行组织定义，数据库管理支持利用 SQL 语句进行查询和数据管理。

知识库是以往典型故障下的数据信息积累，也是大数据模型下数据信息与事件积累，是规范化的事件数据库。诊断系统的智能化就是不断建立知识库和运用知识库的过程积累。

软件系统的事件驱动模型，会根据采集的数据信息进行推理，得出有效的分析和判断结论。

1.3）通讯管理

通讯管理是监测系统安全有效运行的基础，主要是指物理层的信号数据传送，数据传输运行过程的相应机制。时钟是高频信号处理中基础的物理层要素，保证信号会被 [敏感词]地解析。

1.4）事件管理

事件管理用于报警、操作记录等综合管理功能，系统支持对事件的自定义功能，用户可以在线对定义的事件记录按照分类、区域、位置、优先级等进行过滤、搜索和查询。

系统要对所有操作进行日志记录，并支持系统操作记录的实时查询、打印、导出等功能。

1.5）数据曲线

数据曲线是数据信息在数学模型/大数据模型下的形成的数据集合，是时间驱动的数据积累。

系统提供数据曲线接口用于显示数据的趋势，系统内具备跨专业调用数据曲线的功能。每一条曲线显示的内容以及显示的方式可以预先定义的。趋势曲线可以显示过去的趋势即历史趋势，也可以显示当前时间(Real Time)的趋势即实时趋势。操作员可以设置每一个趋势的开始时间和持续时间。

1.6）故障报警

系统报警管理可以通过分析软件的弹窗、短消息、声光报警，有权限的操作员可以确认所管区域的报警，系统具有丰富的报警设置功能、风格和声音。

当一个新的报警产生时，这个报警条目将以红色闪烁出现，如果用户确认了这个报警，该条目将从报警窗口中消失，直到下一次被触发。显示和过滤的设置可以作为一个文件保存，下次可以直接调用该文件，方便操作员操作。

报警按需求分级管理，一级为异常报警，显示[敏感词]，表示电缆状态有偶发的绝缘故障信号，不连续不强烈，只需关注；二级为异常报警，显示橙色，表示电缆状态出现断续的绝缘异常现象，需要给予关注查看；三级告警为故障报警，显示为红色，表示电缆绝缘故障已经发生，需要立即采取有关安全措施，并查询故障点。

系统报警要按现场条件进行了个性化配置，操作人员也可以通过与供货厂商商议后报警门限值的修改和调整，包括报警声音、报警值等修改和更换操作。

1.7）权限管理

权限管理系统控制操作员的对系统的登录及处理不同功能数据的权限。用户可以通过权限控制配置界面为在某些工作站上有权限的用户分配角色，并且可以为每个角色分配不同的功能权限。普通访问者只有画面浏览的功能，操作员可以拥有所有操作权限但没有维护修改数据库画面的权限。

2、软件的功能指标

2.1 软件的功能

名称	功能	方式	说明
监测软件系统的功能	电缆运行图显示	屏幕显示	曲线、数据查询
	绝缘故障预警	波形、弹窗、声光	故障预警、选线和测距定位
	电缆环流报警	波形、弹窗、声光	单芯电缆
	数据存储与查询	屏幕显示	历史数据查询
	波形显示与查询	屏幕显示	历史波形查询
	日志记录	屏幕显示	查询
	权限管理	人工设置	安全管理
远程云服务	电子值班	日常值班员	电话、微信等咨询。
	远程技术支持	专家值班	共享信息，解决技术疑问。
	大数据分析	云服务[敏感词]数据共享	故障诊断智能化。