0  引言

    近年來(lái)，隨著新變電站的發(fā)展，輸電線路和電力電纜的安全和可靠性是電力公司面臨的主要問(wèn)題^[1-3]。由于銅材是電力電纜中價(jià)值最貴的材料，導(dǎo)致輸電線路上的電力電纜經(jīng)常被盜取。此外，在道路、建筑物、地下隧道等施工過(guò)程中，電纜容易造成斷裂。因此，一旦電纜被切斷時(shí)，準(zhǔn)確、快速地定位故障位置，及時(shí)修復(fù)損壞，減少國(guó)家經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)電力公司來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

    電纜狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)包括電壓電流監(jiān)測(cè)方法和電力線載波通信方法^[4-6]。電壓電流監(jiān)測(cè)法用于檢測(cè)電力電纜線路是否斷線。電容法主要根據(jù)振蕩器輸出頻率判斷電纜是否損壞。電力線載波通信方法由是否檢測(cè)到信號(hào)決定。此外，一些學(xué)者提出了電力電纜保護(hù)的新途徑，例如：基于地理信息系統(tǒng)和紅外熱成像技術(shù)的電力電纜防盜系統(tǒng)^[7]；根據(jù)電力是否轉(zhuǎn)移到線端的方法^[8]，設(shè)計(jì)的公路用電力電纜防盜系統(tǒng)；由于負(fù)荷的相對(duì)穩(wěn)定，根據(jù)電纜系統(tǒng)阻抗突變^[9]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)；還有一種諧振電容和電感監(jiān)測(cè)電力電纜狀況的方法^[10]。

    上述方法大多基于行波理論，由于其傳播速度快、識(shí)別精度高等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，一些部門甚至制定了一系列相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推廣應(yīng)用^[11]。然而電力電纜一旦被切斷，線路故障將立即發(fā)生。由于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法不能滿足電力系統(tǒng)在安全性和可靠性方面的要求。本文利用脈寬調(diào)制（PWM）波設(shè)計(jì)了一種電力電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其占空比和周期可以根據(jù)監(jiān)測(cè)電纜的長(zhǎng)度自動(dòng)調(diào)整。同時(shí)，利用現(xiàn)代通信技術(shù)GPRS來(lái)監(jiān)測(cè)電纜的狀態(tài)。

1  原理分析

    通過(guò)脈沖信號(hào)的傳播特性產(chǎn)生PWM波信號(hào)監(jiān)測(cè)電纜狀態(tài)的基礎(chǔ)，由于脈沖電壓中高頻分量的波長(zhǎng)等于電纜長(zhǎng)度，脈沖信號(hào)在電纜中的傳播時(shí)間不能忽略^[12]。監(jiān)控系統(tǒng)向電纜端發(fā)送低占空比的PWM波信號(hào)。當(dāng)高振幅信號(hào)(相當(dāng)于脈沖信號(hào))在傳輸中通過(guò)電纜接頭或截止時(shí)，高振幅信號(hào)將產(chǎn)生反射。通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生的信號(hào)和反射信號(hào)之間的時(shí)間差，就可以計(jì)算電纜的長(zhǎng)度。

    一旦警報(bào)啟動(dòng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便可以檢測(cè)到電纜已被切斷。然而，電纜接頭處的反射信號(hào)將會(huì)干擾所監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，應(yīng)該分析電纜中高振幅信號(hào)傳播的基本特性。當(dāng)高電平信號(hào)在電纜中傳播時(shí)，應(yīng)考慮電纜的特性阻抗，可由式（1）給出：

其中，U_i為輸入電壓, I_i為輸入電流。在引用文獻(xiàn)中^[12], 特征阻抗的取值范圍從10 Ω~ 40 Ω。當(dāng)電纜中的高電平信號(hào)與具有負(fù)載阻抗的阻抗失配點(diǎn)z₂組合時(shí), 以復(fù)數(shù)形式體現(xiàn)的反射和折射分別以系數(shù)ρ和T表示，計(jì)算公式如下：

其中，U_r為反射電壓，而U_t為傳輸電壓。電纜接頭處的接觸電阻非常小，因此，此處的接觸電阻Z₂≈Z₁，而ρ≈0， T≈1，并且信號(hào)的大部分能量將通過(guò)電纜接頭傳播。而在該點(diǎn)的電纜截止處的等效阻抗Z₂≈∞，ρ≈1，T≈0。這一點(diǎn)的信號(hào)產(chǎn)生全反射，將產(chǎn)生大量的能量。通過(guò)比較反射信號(hào)的幅度就可以識(shí)別電纜的狀態(tài)。高電平信號(hào)可以被轉(zhuǎn)換成不同頻率的電壓信號(hào)，通過(guò)傅里葉變換和傳輸線性方程，可得到以下表達(dá)式：

其中，R₀、L₀、C₀分別分別代表每單位長(zhǎng)度電纜的電感、電容和電阻。而α為衰減系數(shù)，β為電纜中波的相位延遲系數(shù)。式(4)和式(5)可證明不同頻率在傳輸中具有不同程度的幅度衰減和相位延遲。因此，需要分析高電平信號(hào)的失真程度。為了得到變化曲線，考慮對(duì)8.7/10 kV的三相交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并通過(guò)MATLAB運(yùn)行分析。

    如圖1所示，頻率較低時(shí)，衰減系數(shù)隨頻率增加較大；而當(dāng)頻率較高時(shí)，衰減系數(shù)隨頻率變化不大。如圖2所示, 相位常數(shù)隨頻率近似線性增加。然而這兩個(gè)參數(shù)將導(dǎo)致信號(hào)失真。

    本文重點(diǎn)研究并開(kāi)發(fā)了單端測(cè)量電纜長(zhǎng)度的方法及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。第一反射波在減小畸變波引起的誤差方面是測(cè)量中最好的。通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝惦妷海瑑H獲得透射波和反射波。此外，電纜接頭處的反射波也被濾除。使用PWM測(cè)量電纜長(zhǎng)度的示意圖如圖3所示。

    從圖3可以看出，脈寬調(diào)制周期T=t₃-t₁，產(chǎn)生的電壓和反射的電壓波之間的時(shí)間差Δt=t₂-t₁。假設(shè)信號(hào)電纜中的傳播速度為v，電纜的距離可由下式確定：

2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    電力電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。該系統(tǒng)由微控制器、PWM傳輸電路、信號(hào)接收電路、報(bào)警電路(包括GPRS )和LCD (用戶界面)組成。微控制器由高性能浮點(diǎn)ARM CortexTM-M3 32位RISC內(nèi)核、ARM CortexTM-M332位RISC內(nèi)核、控制單元( FPU )、直接存儲(chǔ)器存取單元( DMA )、12位D/A轉(zhuǎn)換器、采樣率高達(dá)10 MSPS的12位A/D轉(zhuǎn)換器和頻率范圍高達(dá)144 MHz的高級(jí)定時(shí)器組成。DMA單元可以將高速數(shù)據(jù)從外圍設(shè)備傳輸?shù)絻?nèi)存，大大提高了系統(tǒng)速度。微控制器在高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、高集成度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)的核心部分是硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)包括PWM產(chǎn)生電路和接收電路，軟件設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的同步。

2.1  PWM產(chǎn)生電路

    當(dāng)一段電纜在任意點(diǎn)被切斷時(shí)，故障可能位于電力電纜的任意位置。如果產(chǎn)生的PWM占空比很大，反射信號(hào)和傳輸信號(hào)將會(huì)混合，在這種情況下，電力電纜的長(zhǎng)度將無(wú)法測(cè)量。當(dāng)高電平信號(hào)的寬度較窄時(shí)，信號(hào)在傳輸中會(huì)發(fā)生畸變，影響測(cè)量精度。因此，PWM產(chǎn)生電路的占空比和幅度應(yīng)該在特定點(diǎn)上可以進(jìn)行調(diào)整。PWM傳輸電路主要由三部分組成：二階低通有源濾波器電路、多路復(fù)用器電路、脈沖驅(qū)動(dòng)電路。D/A轉(zhuǎn)換器向二階低通濾波電路輸出0~3.3 V的雙向電壓，二階低通濾波電路濾除高頻分量。低通濾波器中的運(yùn)算放大器具有很強(qiáng)的能力，為多路復(fù)用器處理提供了可靠保障。而微控制器產(chǎn)生的PWM波對(duì)多路復(fù)用器進(jìn)行控制。由于電纜是容性負(fù)載，因此需要大電流。來(lái)自開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)不能激活電纜負(fù)載，因此脈沖驅(qū)動(dòng)電路被設(shè)計(jì)成輸出大電流。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻與電纜的特性阻抗匹配時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生最大能量，PWM設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

2.2  接收電路

    信號(hào)接收器電路用于獲得PWM反射信號(hào)，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。電纜終端發(fā)射和反射的信號(hào)在所提出的電路中分為兩大部分，即分壓偏置電路和電壓跟隨電路。一個(gè)信號(hào)通過(guò)濾波器送入微控制器中的高速A/D轉(zhuǎn)換器，另一個(gè)信號(hào)通過(guò)比較器送入微控制器中控制器的定時(shí)器。由于傳輸電路設(shè)計(jì)的輸出阻抗值與電纜特性阻抗匹配程度較高，傳輸端口中第1反射信號(hào)的透射率為T≈1，反射率為ρ≈0，因此第2和第3反射信號(hào)的幅度嚴(yán)重低于第一信號(hào)，也就是說(shuō)，反射波經(jīng)過(guò)3次反射和傳輸后衰減。因此，在用PWM波計(jì)算電纜長(zhǎng)度時(shí)，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝担梢詾V除2次和3次反射信號(hào)的干擾。A/D轉(zhuǎn)換器用于采集產(chǎn)生的和反射的信號(hào)的幅度。如果信號(hào)幅度超過(guò)設(shè)定范圍，可以斷定發(fā)射信號(hào)占空比過(guò)大，發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)疊加在一起，即需要控制器減小發(fā)射信號(hào)的脈寬。計(jì)時(shí)器用來(lái)記錄產(chǎn)生的信號(hào)和反射信號(hào)的上升沿時(shí)間，分別為t₁、t₂，可以得到信號(hào)傳輸時(shí)間。

2.3  軟件設(shè)計(jì)

    本文所提出的軟件的主要功能是處理從接收電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路的定時(shí)器發(fā)送的信息。由于PWM波的作用，采用雙通道A/D轉(zhuǎn)換采集模塊采集產(chǎn)生和反射的信號(hào)。此外，微控制器將區(qū)分是否出現(xiàn)信號(hào)堆棧。計(jì)時(shí)器的測(cè)量精度取決于其頻率。軟件設(shè)計(jì)采用雙頻技術(shù)，定時(shí)器頻率達(dá)到144 MHz。換句話說(shuō)，系統(tǒng)的精度是7 ns。所有測(cè)量數(shù)據(jù)均由直接存儲(chǔ)器存取模塊保存，減少了硬件本身的測(cè)量誤差。此外，用戶界面也集成在軟件中。通過(guò)用戶界面，操作員可以設(shè)置報(bào)警功能、PWM的初始階段和占空比以及不同類型電纜線路中的傳播速度。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證所提出的電纜線路防盜監(jiān)控系統(tǒng)的性能、效率和可靠性。實(shí)驗(yàn)中使用了兩根交聯(lián)聚乙烯電纜(型號(hào)：YJV₂₂-8.7/15 3×50 )。電纜的金屬護(hù)套與系統(tǒng)的接地GND連接在一起。PWM傳輸?shù)倪@些信號(hào)在電纜芯和實(shí)驗(yàn)測(cè)試演示中是通過(guò)的，如圖8所示。

    從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，信號(hào)通過(guò)電纜的傳播速度為170 m/μs，電纜的3個(gè)芯分別標(biāo)為1#、2#和3#，并通過(guò)連接或斷開(kāi)電纜進(jìn)行測(cè)試，以監(jiān)測(cè)電纜在不同故障發(fā)生情況下的狀態(tài)。例如，在第一步中，將點(diǎn)1和點(diǎn)2視為一根整體電纜，用夾子連接。在第二步中，移除夾具以模擬電纜損壞情況，并由設(shè)備測(cè)量電纜的長(zhǎng)度。第三步，用卷尺測(cè)量電纜長(zhǎng)度，并與裝置結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄見(jiàn)表1。

    從表1可以看出，電纜的測(cè)量長(zhǎng)度和實(shí)際長(zhǎng)度之間存在差異。測(cè)量長(zhǎng)度的最大誤差為3 %。這種誤差是由于傳播中的波失真和系統(tǒng)的測(cè)量精度造成的。當(dāng)所提出的系統(tǒng)檢測(cè)到電纜測(cè)量長(zhǎng)度小于初始值時(shí)，系統(tǒng)的GPRS模塊將向運(yùn)行變電站總部發(fā)出報(bào)警信息。報(bào)警過(guò)程需要在5 s內(nèi)反復(fù)檢查，以確認(rèn)電纜狀態(tài)是否斷裂或切斷。

4  結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)并提出了一種基于PWM技術(shù)的電力電纜損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)誤差小于3 %，該誤差是由于樣機(jī)采用STM3S330VCT6作為微控制器，精度為7 ns，并且在傳播過(guò)程中存在波形失真等因素造成的。理論上，該系統(tǒng)可以測(cè)量10～1 000 000 m范圍內(nèi)的電纜長(zhǎng)度，從而可以滿足電力電纜防斷、防盜的安全監(jiān)控，該方法將有效提高偏遠(yuǎn)地區(qū)電力電纜的安全性。

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作者信息:

趙  軼1，2，3，胡國(guó)輝1，2，3，曹曉鋒1，3，劉  勇1，2，史  航1，2，3，余  波1，2，3

（1. 重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401123；

2. 國(guó)家筆記本電腦質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401123；

3. 重慶市電器檢測(cè)工程技術(shù)研究中心，重慶 401123）