PDF《海底观测网光电复合缆开路故障识别及区间定位方法》

海缆是水下电能输送到接驳 盒的载体, 本文不考虑分支单元与接驳盒之间的海 缆开路故障;

分支单元是主干海缆与分支海缆的交 叉点, 具有海缆故障隔离功能;

接驳盒将传输的高压 转换成低压为科学仪器提供电能并具有故障检测隔 离的功能[

9 G

1 1 ] . 海底观测网输电系统架构主要有3种结构: 树 形结构、 环状结构、 网状结构.由于网状结构具有负 载能力强、 抗故障能力强的优点, 本文提出了一种典 型的单环网状的海底观测网输电的拓扑结构.拓扑 结构见图1, 该结构包括

2 个岸基站、

1 1 个分支单 元、 9个接驳盒, 分支单元通过海缆构成网状结构. 岸基站供电设备采用恒压直流电源, 具有易于 实现分支的优点, 输出的额定电压1 0k V;

海缆选用 国际通用的光电复合缆, 额定载流量1 0A, 由于分 析直流系统稳定的运行状态, 因此海缆的阻抗只考 虑电阻的影响, 海缆的电阻与海缆的长度成正比, 比151第3 9卷第1 0期2015年5月2 5日Vol.39N o .

1 0 M a y2 5,

2 0

1 5 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 4

0 3

0 5

0 0

6 例系数K=1Ω / k m;

接驳盒处的负载选用恒功率负 载模拟科学仪器. 图1 海底观测网供电模型 F i g .

1 P o w e rm o d e l o f s e a f l o o ro b s e r v a t o r yn e t w o r k

2 海缆开路故障识别 由于岸基站不能直接获得分支单元处的电压、 电流值, 只能利用接驳盒内测量的电压、 电流值进行 状态估计[

1 1 ] .根据海底观测网络的供电结构, 利用 基尔霍夫电压、 电流定律可写出状态估计方程[

1 2 ] : Zm e a s =H x+ v (

1 ) 式中: Zm e a s 为测量向量, 即接驳盒的电压值、 电流值;

x 为状态估计向量, 即分支单元处的电压值;

H 为测 量函数矩阵, 即与供电网络结构和阻抗参数相关的 常数矩阵;

v 为测量误差向量, 假设误差服从均值为

0、 方差为σ

2 的正态分布. 采用加权最小二乘法准则建立目标函数: J( x) =( Zm e a s -H x) T R-1 ( Zm e a s -H x) (

2 ) 式中: R 为以σ

2 为对角元素的测量误差方差阵. 由于海底观测网电力系统为线性系统, 可以对 目标函数J( x) 直接求偏导数, 当偏导数等于零时, 状态量的估计值x 为最优.偏导数方程如下: ? J( x) ? x =-2 HT R-1 Zm e a s +2 HT R-1 H x (

3 ) 可得状态估计解为: x=( HT R-1 H) -1 HT R-1 Zm e a s (

4 ) 残差灵 敏度矩阵W=I-H ( HT R-1 H ) -1 ? HT R-1 , 平均残差Rm a r为所有测量向量与测量估计 向量之差的平均. Rm a r=

1 n ∑ n i=1 ( z i-Hi x) =

1 n ∑ n i=1 ( Wi Zm e a s ) =

1 n ∑ n i=1 v i (

5 ) 式中: Wi 为W 矩阵的第i 行行向量;

z i 为测量向量 Zm e a s 的第i行元素;

Hi 为测量函数矩阵H 的第i 行 行向量;

n 为测量向量的个数.在准确的网络结构 下, 由于传感器的测量误差的均值v - =0, 因此所求 出的Rm a r=0. 海底观测网海缆出现开路故障, 导致网络结构 有变化, 则测量函数矩阵 H 出现偏差, 状态估计模 型变成如下形式: Zm e a s =Ht x+ v=( H+B) x+ v=H x+( B x+ v) (

6 ) 式中: H 为开路故障前网络结构对应的测量函数矩 阵.当出现开路故障后, 供电系统实际运行的网络 结构对应的测量函数矩阵为 Ht, 而用于计算的则是 矩阵 H.矩阵B 表示Ht 与H 之间的差异, 这里把 它称作测量函数矩阵 H 的补偿矩阵. 式( 6) 与式(1) 相比较,据此求得x的估计值x^和平均残差R ^m a r分别为: x ^= x t+( HT R-1 H) -1 HT R-1 ( B x t+ v) (