纜系海底觀測網(wǎng)遠程電能監(jiān)控系統(tǒng)

呂 楓，周懷陽，岳繼光，何 斌

（1.同濟大學 海洋與地球科學學院，上海200092；2.同濟大學 電子與信息工程學院，上海201804）

纜系海底觀測網(wǎng)是近年來國際上提出的海洋科學基礎(chǔ)設(shè)施，其主要由海岸基站、光電復合通信海纜、水下基站和觀測平臺等組成.纜系觀測網(wǎng)的設(shè)計壽命通常在25年左右，受該類海纜長期絕緣性能的限制，其直流輸電電壓通常為-10kV以內(nèi)，而海纜總長可達數(shù)千公里，因此可覆蓋較大范圍的海底區(qū)域.相對于傳統(tǒng)的船基科考方式，纜系觀測網(wǎng)可將較為充裕的電能從陸地持續(xù)輸送給分布在海底的大量科學儀器，因此可大大擴展海洋科學觀測的時空尺度［1-2］.

由于體積受限和可靠性考慮，纜系觀測網(wǎng)采用的海纜及其分支單元（branching unit，BU）中無法安裝遙測和遙信模塊，因此其相對陸地電網(wǎng)具有較低的可觀測性，而特殊的地理位置又使其具有較低的可達性，導致維修周期很長.為提高觀測網(wǎng)的用能效率和運行可靠性，須從系統(tǒng)設(shè)計、運行模式和控制方式等方面綜合考慮，針對其物理架構(gòu)特點設(shè)計遠程電能監(jiān)控系統(tǒng)（power monitoring and control system，PMACS），實現(xiàn)類似陸地電網(wǎng)中能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）以及監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相關(guān)功能［3-4］.

當前國內(nèi)外有關(guān)纜系觀測網(wǎng)的研究尚處在起步階段，特別是針對其遠程電能監(jiān)控技術(shù)的研究較少且無系統(tǒng).國外主要是美國華盛頓大學初步研究了觀測網(wǎng)的相關(guān)電能監(jiān)控方法［5-7］，針對早期提出的采用自治式BU的觀測網(wǎng)方案.國內(nèi)主要是浙江大學和同濟大學等單位初步研究和開發(fā)了PMACS控制器相關(guān)軟硬件［8-9］，但文中尚未涉及系統(tǒng)層面的研究.本文設(shè)計了觀測網(wǎng)PMACS的總體結(jié)構(gòu)，介紹了數(shù)據(jù)采集、負載管理和網(wǎng)絡分析三個子系統(tǒng)的主要功能和相互關(guān)系，研究了時間同步方案、供電優(yōu)化策略以及狀態(tài)估計和故障定位等網(wǎng)絡分析方法，可為未來國家海底觀測網(wǎng)的設(shè)計和運行提供參考.

1 纜系觀測網(wǎng)PMACS的總體結(jié)構(gòu)

在纜系觀測網(wǎng)中，海岸基站內(nèi)的高壓直流遠供設(shè)備（power feeding equipment，PFE）將陸地電網(wǎng)提供的工頻交流電能變換為恒定電壓的高壓直流電能后，通過主干海纜、BU和分支海纜輸送給各個水下基站.水下基站內(nèi)的高壓直流變換器將該高壓輸電電能（通常為-2～-10kV）降壓變換為觀測設(shè)備適配器（science instrument interface module，SIIM）所需的中壓配電電能（通常為300～400V），再由SIIM將中壓電能降壓變換為觀測設(shè)備（science instrument，SI）直接可用的低壓電能（通常為48V以內(nèi)）.因此，纜系觀測網(wǎng)的物理架構(gòu)如圖1所示.在實際工程中，須按照可靠性和經(jīng)濟性的原則，根據(jù)海底觀測區(qū)域的具體范圍和環(huán)境特點，合理選擇鏈式、環(huán)式、兩端供電式或網(wǎng)型等拓撲結(jié)構(gòu).

圖1 纜系海底觀測網(wǎng)的物理架構(gòu)Fig.1 Physical structure of cabled seafloor observatory networks

PMACS的核心功能是海底電力系統(tǒng)的遠程監(jiān)測、分析與控制.PMACS采集的數(shù)據(jù)有海岸基站、水下基站和SIIM的供電狀態(tài)（包括電壓值、電流值和開關(guān)狀態(tài)），以及各海底設(shè)備內(nèi)部的多點溫度值、濕度值和壓力值等環(huán)境參數(shù).PMACS根據(jù)采集的電力系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合海底電網(wǎng)實際數(shù)學模型，通過狀態(tài)估計和故障定位等網(wǎng)絡分析功能，估計運行狀態(tài)、預測運行趨勢和提供運行對策，并控制所有內(nèi)部負載和外部負載的供電，從而提高觀測網(wǎng)的用能效率和運行可靠性.

從結(jié)構(gòu)上看，PMACS可采用三層客戶端/服務器模型：底層為水下基站和岸基PMACS控制器，負責采集相應的觀測網(wǎng)電力系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行PMACS服務器發(fā)布的控制指令；中間層為PMACS服務器，負責管理和存儲觀測網(wǎng)電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)，并發(fā)布PMACS控制臺的控制命令；頂層為PMACS控制臺和客戶端，負責從PMACS服務器獲得觀測網(wǎng)電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，此外通過PMACS控制臺可發(fā)送控制指令.觀測網(wǎng)PMACS的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示.圖中，HVDC表示高壓直流（high voltage direct current），UTC表示協(xié)調(diào)世界時（universal time coordination）.

圖2 PMACS的總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of the PMACS

從功能上看，PMACS可分為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（data acquisition subsystem，DAS）、負載管理子系統(tǒng)（load management subsystem，LMS）和網(wǎng)絡分析子系統(tǒng)（network analysis subsystem，NAS），相互關(guān)系如圖3所示.DAS是PMACS和觀測網(wǎng)物理系統(tǒng)的接口，為LMS和NAS實時采集電力系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并向電力系統(tǒng)發(fā)送控制信號；LMS利用DAS提供的觀測網(wǎng)電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)執(zhí)行PMACS調(diào)度決策，向DAS發(fā)送電力系統(tǒng)控制指令，并向NAS發(fā)送負載供電狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時獲得滿足電力系統(tǒng)安全約束的供電限制值；NAS利用DAS和LMS提供的觀測網(wǎng)電力系統(tǒng)信息進行電網(wǎng)分析與輔助決策，向DAS發(fā)送量測質(zhì)量信息，并向LMS提供負載供電限制值.

圖3 PMACS三個子系統(tǒng)關(guān)系圖Fig.3 Diagram of the PMACS’three subsystems

2 數(shù)據(jù)采集

PMACS數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)類型主要有電網(wǎng)參數(shù)、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù).電網(wǎng)參數(shù)主要為各海纜段的長度及其單位長度海纜參數(shù)、海底電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)以及所有保護和報警閾值等.實時數(shù)據(jù)主要為各開關(guān)狀態(tài)量以及電壓值和電流值等模擬量，由PMACS控制器測量后通過海底光纖通信系統(tǒng)發(fā)送到DAS.

采樣時刻是電力系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的重要屬性，PMACS需要同一時間斷面的測量數(shù)據(jù)，才能有效地分析海底電網(wǎng)的實際狀態(tài).陸地電力系統(tǒng)的各量測單元通常可采用全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）的衛(wèi)星信號實現(xiàn)時間同步，而觀測網(wǎng)中只有岸基可接受GPS信號，因此將時間服務器設(shè)置在岸基內(nèi)，而控制器、服務器和控制臺/客戶端之間采用網(wǎng)絡對時方式實現(xiàn)時間同步，可采用的時間同步協(xié)議主要有網(wǎng)絡時間協(xié)議（network time protocol，NTP）和 IEEE 1588 等精確時間協(xié)議（precision time protocol，PTP）.其中，NTP 的授時精度可達數(shù)十毫秒，PTP的授時精度可達微秒級，而實際精度與同步源和網(wǎng)絡路由有關(guān).PMACS的授時方案如圖4所示，其中所有設(shè)備統(tǒng)一采用世界協(xié)調(diào)時（universal time coordinated，UTC）.授時周期一般以小時為單位，而在兩次授時之間，PMACS控制器可采用高穩(wěn)定時鐘芯片結(jié)合恒溫晶振實現(xiàn)高精度守時.

圖4 PMACS的授時方案Fig.4 Time-synchronization scheme of the PMACS

3 負載管理

PMACS通過LMS控制各級負載的供電通斷，調(diào)節(jié)岸基PFE的輸出電壓，并將各狀態(tài)量與其閾值相比較，超過其閾值則代表觀測網(wǎng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過流和過溫等異常狀態(tài)，需要發(fā)出警告或發(fā)布相應的控制指令.

由于海纜總長較長，必須考慮海纜上的電壓損耗與功率損耗.為確保觀測網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定，并盡可能多地輸送電能到海底，若岸基PFE的最高輸出電壓為USS，則海底變換器正常工作的輸入電壓UUS的范圍約為0.5USS～USS［10］.因此，LMS的執(zhí)行結(jié)果需要確保所有水下基站的輸入電壓滿足該限制條件.假設(shè)PFE的輸出功率和海纜的載流能力不是限制因素，則觀測網(wǎng)的帯載能力主要由PFE的輸出電壓、電網(wǎng)拓撲和海纜電阻決定.

隨著觀測網(wǎng)的擴展和負載量的增加，或當部分海纜段因故障被隔離后造成電力系統(tǒng)帯載能力降低時，可能會導致其帶載運行時無法滿足穩(wěn)定性約束.為高效利用觀測網(wǎng)的有限電能，并盡可能地覆蓋較廣的海底觀測區(qū)域，需要為LMS合理設(shè)計負載管理策略，其基本運行流程圖如圖5所示.

圖5 LMS的運行流程圖Fig.5 Operational flow chart of the LMS

PMACS的負載管理本質(zhì)上是非線性優(yōu)化問題.陸地EMS的負載管理通常采用基于成本和效益優(yōu)化的方法［11］，而觀測網(wǎng)的總體目標是利用有限的電能滿足盡可能多的科學需求，因此LMS的目標是在滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定性約束的前提下優(yōu)化海底負載的功率供給，可將所有海底負載設(shè)置為若干優(yōu)先級，優(yōu)先滿足高優(yōu)先級的負載供電.基于這種思路，文獻［12］提出了基于序列二次規(guī)劃的負載管理算法，將負載優(yōu)先級處理為優(yōu)化目標函數(shù)的權(quán)重值，優(yōu)化目標為確保觀測網(wǎng)提供的功率盡可能滿足負載功率需求和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性約束，較為有效地解決了負載管理問題.

當某個海底觀測區(qū)域出現(xiàn)地震、風暴潮或火山噴發(fā)等重要科學現(xiàn)象時，可增加該處高優(yōu)先級負載占總功率的比例，實現(xiàn)電能的靈活分配.

4 網(wǎng)絡分析

PMACS的NAS主要包含狀態(tài)估計、模型修正和故障定位等功能模塊.NAS采用的電力網(wǎng)絡靜態(tài)模型由海底電網(wǎng)拓撲和各段海纜阻值決定.假設(shè)觀測網(wǎng)有N個分支節(jié)點，且以流入水下基站的電流方向為正，則其電網(wǎng)數(shù)學模型可用節(jié)點電壓方程表示為I=Y·U，展開為

式中：I為節(jié)點電流向量；U為節(jié)點電壓向量；Y為節(jié)點導納矩陣；N為節(jié)點數(shù).

4.1 狀態(tài)估計

由于系統(tǒng)存在測量誤差和數(shù)據(jù)丟包，觀測網(wǎng)實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)可能不精確或不齊全.為建立可靠而完整的數(shù)據(jù)庫，除了從硬件上提高測量單元的精度，從軟件上可采用狀態(tài)估計技術(shù).

加權(quán)最小二乘法（weighted least square，WLS）算法是電力系統(tǒng)狀態(tài)估計的經(jīng)典算法，其程序簡單、收斂性好、估計質(zhì)量高，但計算量大、使用內(nèi)存多、計算時間長.雖然觀測網(wǎng)的覆蓋范圍較廣，但與陸地電力系統(tǒng)相比，其節(jié)點數(shù)相對較少（通常為數(shù)十個以內(nèi)），因此可采用 WLS算法進行狀態(tài)估計［13］.

在纜系觀測網(wǎng)中，可觀測量為水下基站測量所得的電壓向量UUS和電流向量IUS以及岸基測量所得的電壓向量USS和電流向量ISS，假設(shè)待估計量為BU節(jié)點處的電壓向量UBU，可建立可觀測量與待估計量的聯(lián)系為xm=H·x，展開得：

式（4）擴展后即為BU節(jié)點電壓向量的狀態(tài)估計公式：

若DAS采集的數(shù)據(jù)中存在粗差，可采用加權(quán)殘差法或標準化殘差法進行檢測和辨識，排除粗差后重新進行狀態(tài)估計，或采用抗差WLS算法實現(xiàn)對測量粗差的直接抑制［14］.

4.2 模型修正

PMACS采用的電網(wǎng)模型由各海纜段等效串聯(lián)電阻組成的向量R和各BU內(nèi)部的開關(guān)狀態(tài)組成的矩陣S決定.在設(shè)計階段，電網(wǎng)模型采用設(shè)計拓撲和海纜制造商提供的標稱參數(shù)值R0.在運行階段，海纜的實際參數(shù)值R1會隨著周圍環(huán)境的變化而變化，因此可能導致R0與R1之間存在較大的誤差.若不更新電網(wǎng)參數(shù)，可能造成狀態(tài)估計和故障定位等模塊的分析結(jié)果精度下降，從而降低觀測網(wǎng)的運行可靠性和提高海纜維修巡檢的成本.

假設(shè)原電力網(wǎng)絡模型為

總體上看，深海水溫較為穩(wěn)定，而淺海水溫波動較大，如位于杭州灣口外東海內(nèi)陸架的小衢山試驗站測得該處海水年溫度變化可高達25℃左右［15］.由于銅導體的典型溫度系數(shù)約為0.4%·℃-1，若環(huán)境溫度變化25℃，則海纜阻值變化約10%.

陸地EMS系統(tǒng)中的參數(shù)估計算法主要有殘差靈敏度分析方法和增廣狀態(tài)向量方法［16］.而在觀測網(wǎng)中的某段海纜參數(shù)發(fā)生較大變化后，會在測量值中反映，造成穩(wěn)定的誤差.由電網(wǎng)模型可得，節(jié)點p和節(jié)點q的注入電流分別為

式中：Ypq為節(jié)點p和q之間的電導；Up為節(jié)點p的電壓，其他類推.

可得該段海纜的等效電導變化量ΔYpq為

觀測網(wǎng)電力系統(tǒng)運行拓撲由所有BU的開關(guān)狀態(tài)決定.通常每個電切換型BU的原理結(jié)構(gòu)可等效為S1、S2和S3三個繼電器，如圖6所示.每個繼電器均有閉合、斷開和接地三種狀態(tài)，用于隔離存在故障的海纜段或水下基站，觀測網(wǎng)可通過這種海纜分段繼電保護方式來提高容錯能力.

圖6 電切換型分支單元的簡化等效結(jié)構(gòu)Fig.6 Simplified equivalent structure of the branching units with power switching

由于體積受限和可靠性考慮，BU無繼電器狀態(tài)反饋功能，因此PMACS無法分析實時結(jié)線.當某個BU存在故障時，其繼電器的實際狀態(tài)可能與其預期狀態(tài)不一致，從而可能導致海底電網(wǎng)的實際拓撲與預期拓撲不一致，從而危害觀測網(wǎng)的運行可靠性.

假設(shè)BU內(nèi)所有繼電器閉合為預期狀態(tài)（正常狀態(tài)），則當三個繼電器中有一個繼電器發(fā)生誤開故障且不接地時，為良性故障.良性故障不影響觀測網(wǎng)的正常運行，也未改變電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu).當BU內(nèi)三個繼電器中至少有兩個繼電器發(fā)生誤開故障且不接地時，為功能故障，如圖7所示.功能故障通常會影響觀測網(wǎng)的正常運行：功能故障1和2會導致相應的水下基站停止運行，故障1還可能降低海底電力系統(tǒng)的帶載能力；功能故障3和4通常會降低海底電力系統(tǒng)的帶載能力，不過該BU對應的水下基站仍可能正常運行.為減小對系統(tǒng)的擾動，PMACS一般需在觀測網(wǎng)運行時辨識拓撲.

圖7 分支單元的功能故障類型Fig.7 Functional fault types of the branching units

拓撲辨識通常可采用平均絕對殘差法，但狀態(tài)測量誤差、海纜參數(shù)誤差和BU繼電器故障均會使測量值與估計值之間產(chǎn)生平均絕對殘差（mean absolute residual，MAR），為消除測量誤差和參數(shù)誤差的影響，文獻［7］利用MAR對岸基PFE輸出電壓的靈敏度來判斷繼電器故障.該方法的缺點是，若假設(shè)拓撲與運行拓撲不一致，需要遍歷所有可能的拓撲故障來驗證，計算較為繁瑣，且需要變化PFE輸出電壓，對系統(tǒng)有一定的擾動.實際上，拓撲錯誤相當于大的參數(shù)錯誤，因此拓撲辨識方法也可采用類似參數(shù)估計的方法.若計算所得ΔYpq→Ypq，則說明該段海纜的兩端對應的BU可能存在誤開故障.

4.3 故障定位

海纜故障可分為電學故障和光學故障.光學故障主要是光纖斷路或光中繼器故障，可通過海纜通信監(jiān)控系統(tǒng)（communications monitoring and control system，CMACS）檢測和定位.由于海纜的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境，工程經(jīng)驗表明電學故障發(fā)生的概率高于光學故障.電學故障可分為接地故障和開路故障，其中接地故障又可分為低阻故障和高阻故障.接地故障是海纜故障的主要形式，其主要原因為漁業(yè)拖網(wǎng)、船舶拋錨、自然災害和魚類撕咬等造成海纜絕緣損壞.

根據(jù)觀測網(wǎng)的特點，將三種海纜電學故障定義如下.低阻故障指海纜絕緣破損嚴重，即故障處銅導體與海水之間的接觸電阻較低，導致至少一個水下基站因輸入欠壓而停止運行.其中，短路故障是低阻故障的極端情況，可導致整個觀測網(wǎng)電壓崩潰，必須立即進入故障處理狀態(tài)，待故障隔離后岸基PFE方可正常供電.高阻故障指海纜絕緣破損不太嚴重，即破損處銅導體與海水之間的接觸電阻較高，此時所有水下基站仍能正常運行，但觀測網(wǎng)的帶載能力降低，且其安全運行裕量減小，可暫時不進入故障處理狀態(tài).開路故障指銅導體因外力作用在海纜內(nèi)部斷開，此時無法通過該海纜段傳輸電能，而導體對海絕緣電阻仍處于正常范圍.在海底環(huán)境中，海纜發(fā)生開路故障的同時必定伴隨著嚴重的低阻接地故障，因此若觀測網(wǎng)存在單純的海纜開路故障，實際上意味著海纜兩端的BU繼電器存在誤開故障.海纜運行狀態(tài)示意圖見圖8.圖中，Uf、If和Rf分別為故障點處的對地電壓、接地電流和接地電阻，Rpf和Rqf分別為BU＃p、＃q與故障點間的等效電阻，Rp、Rq分別為分支海纜p、q的等效電阻.

圖8 海纜運行狀態(tài)Fig.8 Operation status of submarine cables

陸地電網(wǎng)中電力電纜的故障定位按照檢測原理主要分為阻抗法和行波法：阻抗法通過測量故障時測量端到故障點的阻抗，然后根據(jù)線路參數(shù)計算故障點的位置；行波法通過測量行波往返測量端和故障點的反射時間或者故障點行波到達線路兩端的傳播時間差，根據(jù)行波速率計算故障點的位置.實際工程中，阻抗法和行波法在交流系統(tǒng)中均有應用，而直流系統(tǒng)普遍采用行波法定位故障［17］.由于BU內(nèi)的繼電器及其串聯(lián)穩(wěn)壓管會對行波信號產(chǎn)生大量反射噪聲，且行波法測量距離有限，因此行波法無法有效應用于大規(guī)模觀測網(wǎng)的海纜故障定位.

當接地故障發(fā)生時，會在故障點處形成一定的故障電流.特別是發(fā)生低阻故障時，在PMACS的監(jiān)控下，岸基PFE會因輸出限流而降低輸出電壓，實現(xiàn)自動保護.發(fā)生接地故障時，為了觀測網(wǎng)的運行安全，PMACS通常調(diào)節(jié)PFE至低電壓，此時所有的水下基站均停止運行，且所有PFE的輸出電流總和約等于故障電流值.此時，通過CMACS不斷切換BU繼電器的狀態(tài)，PMACS同時監(jiān)測PFE輸出電流的變化，可確定故障點所在的海纜段.以圖1所示的觀測網(wǎng)為例，假設(shè)其采用常用的兩端供電式，若BU＃p和＃q之間存在一處海纜低阻故障，在確定故障海纜段后，通過CMACS重建電網(wǎng)拓撲如圖9所示，即等效于兩臺PFE直接連接到故障海纜.圖中，Iss1和Iss2分別表示水下基站PFE 1和2的輸出電流，USS1和USS2分別表示水下基站PFE 1和2的輸出電壓.

圖9 通過CMACS重建的電網(wǎng)拓撲Fig.9 Power grid topology reconfiguration by CMACS

重建帶故障海纜段的電網(wǎng)拓撲后，PMACS控制兩臺PFE分別運行，可得：

解上述方程得：

若定位結(jié)果接近某個BU，則應考慮BU內(nèi)部發(fā)生接地故障的可能性.若觀測網(wǎng)采用單個PFE，則可通過CMACS重建兩種故障電網(wǎng)拓撲，聯(lián)立兩個故障電網(wǎng)方程，實現(xiàn)故障定位.該法利用了電切換型BU的可控性，具有簡單有效的優(yōu)點.需要注意的是，在故障定位的過程中，PMACS需要確保PFE的輸出電流在安全閾值內(nèi).

5 結(jié)語與展望

為提高纜系海底觀測網(wǎng)的用能效率和運行可靠性，根據(jù)觀測網(wǎng)的物理架構(gòu)特點，本文設(shè)計了PMACS的總體結(jié)構(gòu)，說明了數(shù)據(jù)采集、負載管理和網(wǎng)絡分析這三個子系統(tǒng)的主要功能和相互關(guān)系，研究了時間同步方案、負載供電優(yōu)化策略和網(wǎng)絡分析算法.

通過理論分析，獲得了BU節(jié)點電壓向量的加權(quán)最小二乘狀態(tài)估計公式，提出了修正電網(wǎng)模型的新思路，并基于電切換型BU的可控性，提出了海纜接地故障定位的新方法.

纜系觀測網(wǎng)的技術(shù)風險大、建設(shè)成本高，下一步將建立多節(jié)點觀測網(wǎng)的中低壓簡化物理模型，用于初步檢驗PMACS在實際應用中的有效性.

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