新型电缆护层环流实时监测系统的设计与实现

李忠柱，张 冰，牛洪海，瞿 亮，吴 健，任晨曦，王哲蓓

（南京南瑞继保工程技术有限公司，南京 211102）

0 引言

随着国内城市建设的不断发展，高压架空线路已无法适应当前城市建设规划的要求。与架空线路相比，电缆隧道不仅能够节约城市空间，还能够避免雷电天气和人为因素带来的电力事故的发生，因此电缆隧道的建设规模及长度不断增加[8-10]。

然而，高压电缆长期处于地下隧道内，随着时间的推移，电缆绝缘层逐渐老化，还可能由于施工原因导致机械损伤，这些都对城市的供电带来安全隐患[11-15]。高压电缆正常运行时如果有电流流过，会在电缆金属护层中感应出电压，为了保证运行安全同时抑制电缆护层接地环流，电缆金属护层一般采用单端接地或交叉互联的方法进行接地。因此，当电缆的绝缘状态良好时，护层环流接近于零。但是，当绝缘护层老化或破损导致金属护层发生多点接地时，接地环流会很大，甚至可能与电缆线芯电流达到同一数量级。因此，通过监测电缆护层的接地环流，不仅可以监测电力电缆金属护层自身的状态，也可以监测主绝缘的品质状态和高压电力电缆的其他故障[1]。

1 电缆护层环流实时监测需求分析

电力电缆部署在地下电缆隧道中，隧道内具备强电磁干扰、隐蔽性、潮湿性等特征，电力电缆运行在一个相对危险的环境内，在其运行过程中因为环境的恶劣变化而导致绝缘状态恶化，甚至起火、断裂等故障，从而引起更大范围的事故。

电力电缆外护层具有保护和绝缘作用，其完整性是电缆安全运行的保证[2]。因此，应对电力电缆的监测尤其重要，而根据电网公司的运行规范和检修经验，电力电缆的护层环流是表征电缆故障的重要指标。针对电缆护层环流的实现监测是电力电缆监测的必备功能，下面针对电缆护层环流监测的需求进行全面分析，以便设计和实现的环流监测系统具备更好的应用价值[3-7]。

护层环流的监测主要由实时监测综合监控软件、电流互感器、电流采集装置、采集装置外壳构成，实时监测综合监控软件应部署于人员值守的位置组屏安装，电流互感器应布置于接地箱位置，电流采集装置和采集装置外壳应靠近电流互感器布置，以保证采集精度和实时性。根据电缆隧道内电力电缆的特征合理设计电流采集装置，同时还应设计所有电流采集装置的网络架构，保障综合监控软件可以直接全景获悉电缆隧道内所有电流采集装置的所有实时数据。针对以上需求，需要对电缆护层环流实时监测提出以下需求（见表1）。

表1 中全面分析了电缆护层环流实时监测的各类需求，对电缆护层环流实施检查系统的总体方案的设计，硬件和软件设计均提出了较高的要求。下面针对以上两个部分分别进行介绍，从而实现电缆护层环流实现监测的各类需求。

2 系统总体方案

上一章节对电缆护层环流实时监测的需求进行了详细地分析和设计要点分解，然而要实现上述设计，需要设计一个可靠的网络结构，将前端感知数据传输到后台主站系统，才能将零散的设备及模块形成一个整体。下面针对电缆护层环流监测的需求，设计一套电缆护层环流实时监测总体架构，具体如图1 所示。

如图1 所示，整体架构设计分为3 层：感知层、网络层、平台层。核心的采集单元部署在网络层，负责感知层的数据收集、处理与逻辑计算，同时将处理计算完成的结果上送至平台层展示。图2 详细说明了护层环流监测系统的构成，主要包括电流互感器、电流采集装置、高防护等级外壳和综合监控。电流互感器安装于高压电缆护层接地线上，测量电缆护层接地环流信息；电流采集装置与电流互感器输出连接并采集电流互感器输出的接地环流信息，通过高防护等级外壳能够对电流采集装置进行防护；综合监控主机放置于主控室，通过光纤网络或无线网络与电流采集装置的通讯模块相连接，对接收到的护层接地环流信息进行数据显示、数据存储、数据分析和故障报警功能，以此实现隧道电缆护层接地环流在线监测功能。

表1 电缆护层环流实时监测需求类别Table 1 Cable sheath circulation real-time monitoring needs category

图1 电缆护层环流实时监测总体架构Fig.1 Cable sheath circulation real-time monitoring of the overall structure

图2 护层环流监测系统构成Fig.2 The composition of the shield circulation monitoring system

图3 电流采集装置的模块设计Fig.3 Module design of current acquisition device

3 电缆护层环流监测的硬件和软件设计

3.1 电流采集装置

根据上一章的总体方案可以看出，整个监测系统最核心的是电流采集装置，它的数据收集、处理与逻辑计算能力直接影响了整个系统的功能和效率。本文针对电流采集装置的硬件部分进行详细的设计，采用模块化的设计理念，实现电流采集装置的各功能单元，具体如图3 所示。

如图3 所示，电流采集装置的功能模块主要包括电源模块、交流采样模块、CPU 模块、开关量输入模块、模拟量输入模块和键盘及液晶显示模块。

根据第1 章的需求分析中，高集成度、高EMC 性能的要求，整个装置集成了电源、通讯、数据采集、数据输出等模块于一体，减少了安装设备数量，同时尽可能缩小设备的尺寸，尤其关注设备的厚度方面，以免设备安装后影响隧道内的正常人员通行。同时考虑元器件EMC 性能，合理布置PCB 的元器件，以适应高EMC 的性能要求。电源模块按照第1 章需求分析的要求支持交直流宽范围（110V/220V）的电压供电方案电源输入，同时支持低至12V 的供电，考虑方便CT 取电、电池后备电源以及太阳能供电方案的实现，在保证性能要求的前提下，选取低功耗原件，优化了硬件设计，将装置的功耗降到最低。软件上配合触发间歇性休眠模式，保证在后备电池容量固定的情况下，支持更长时间的工作。

图4 高防护等级外壳的前面板视图Fig.4 Front panel view of the high protection class enclosure

图5 高防护等级外壳的接线面板视图Fig.5 Wiring panel view of high protection class housing

针对对时模块和输入模块按照需求分析中的内容，设计网络对时和专用对时装置的对时接口，能够接收北斗或GPS 对时信号，保证在事故分析阶段的时间信息准确。针对没有网络对时设备和专用对时装置的情况，硬件上支持直接接入蘑菇头的方案，使对时更可靠，精度更准；设计的开关量输入模块与CPU 模块的DSP 核连接，负责采集外部输入的开关量信号，开关量信号支持电压等级包括24V、48V、110V 和220V；设计的模拟量输入模块与CPU 模块的DSP 核连接，负责采集外部输入的4mA ～20mA 电流信号或0V ～10V 电压信号。

交流采样模块的输入与电流互感器输出连接，负责对输入的电流信号进行转换和低通滤波，调理为-10V ～+10V的电压信号，从而输入CPU 模块进行数据分析、逻辑计算等后续流程。CPU 模块包括高性能处理器模块、A/D 模数转换电路、电子盘和通讯模块等。高性能处理器模块包括DSP 核和ARM 核，分别进行数据处理和系统管理；A/D 模数转换电路与交流采样模块输出连接，将输入的模拟信号转换为数字信号并传输给DSP 核进行数据处理；电子盘主要负责程序文件、配置文件和定值文件的备份；通讯模块与ARM 核连接，具备以太网和RS485 标准通讯接口，负责与综合监控主机通讯。键盘及液晶显示模块与CPU 模块的ARM 核连接，可通过键盘及液晶显示模块查看装置信息及修改定值。

电流护层环流监测作为电力系统重要监控系统，通讯模块的设计上考虑了所有通用的电力通讯规约，包括IEC61850、IEC103、101、modbus-tcp 等，可以实现与其他监控系统的兼容，同时在一些通信线缆敷设不方便的特殊区域需支持无线通讯，设计了通用的物联网采集方案，包含5G、4G、LORA 等，较好地适应了通信线缆敷设不方便的特殊区域应用。

3.2 高防护等级外壳

根据第1 章需求分析中高防护等级需求，电流采集装置外壳为全封闭一体化结构，如图4 和图5 所示。采用铸铝金属材料，具有很好的电磁屏蔽作用，与外部接口采用防水接头，防护等级达到IP68，整体具有防尘、防水和抗电磁干扰功能。同时设备内部所有PCB 板卡全面考虑三防处理，保证了电流采集装置在电缆隧道复杂的运行环境中可靠运行。

3.3 故障判别

电流采集装置最大可采集9 路电流信号。电流采集装置可设置护层环流与线芯电流比值的报警门槛，当比值超过门槛时装置发出报警信号。由于不同电压等级、不同区域对于护层环流的逻辑判断均有所不同，装置设计了可编程可定义报警定值的功能，能够自定义数学运算和逻辑运算，实现复杂故障的判别。主要分为环流越限报警、环流与运行电流比值越限告警、环流变化报警3 个部分：

1）环流越限告警

装置设电缆护层环流越限告警，当护层环流告警投入（可自定义）控制字为“1”，且装置采集的电缆护层环流值高于护层环流告警定值（可自定义）时，经护层环流告警时间（可自定义）延时报护层环流告警信号。

2）环流与运行电流比值越限告警

装置设电缆护层环流与运行电流比值越限告警，当环流比值告警投入（可自定义）控制字为“1”，且运行电流大于环流比值告警低电流闭锁定值（可自定义），装置采集的电缆护层环流与对应运行电流比值高于环流比值告警定值（可自定义）时，经环流比值告警时间（可自定义）延时报环流与运行电流比值告警信号。

3）环流变化告警

装置设电缆护层环流变化告警，当环流变化告警投入（可自定义）控制字为“1”，且装置采集的电缆护层环流满足以下条件之一，报环流变化告警信号；当突变量消除后延时1s 返回。判据的条件为：

◇ 本相环流有流，且环流值1 个周波内的变化量高于环流变化告警门槛系数（可自定义）*1 周波前环流值时。

◇ 本相环流值1 个周波内的变化量高于环流变化告警门槛绝对值（可自定义）。

4 结论

电力电缆的重要性正越来越受到电力公司的关注，为有效监测电力电缆的护层环流，本文设计了一种新型电缆护层环流监测系统，采用感知层、网络层、平台层的3 层结构对电力电缆的护层环流进行实时地全方位监测，尤其在电流采集装置的设计上充分考虑隧道内的环境和可靠性需求，从高集成度、高EMC 性能、供电方案、低功耗、对时模块、输入模块、软件逻辑可编程、通信模块、高防护等级9 个方面进行了深化设计和实现，适应了不同现场、不同环境的各种需求，并在北京、广州、合肥、雄安新区等地数10 个电缆隧道监控项目的应用，具有广泛的推广应用价值。