0  引言

    近年來，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題^[1-3]。由于銅材是電力電纜中價值最貴的材料，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、地下隧道等施工過程中，電纜容易造成斷裂。因此，一旦電纜被切斷時，準(zhǔn)確、快速地定位故障位置，及時修復(fù)損壞，減少國家經(jīng)濟(jì)損失，對電力公司來說至關(guān)重要。

    電纜狀態(tài)檢測技術(shù)包括電壓電流監(jiān)測方法和電力線載波通信方法^[4-6]。電壓電流監(jiān)測法用于檢測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到信號決定。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)計的公路用電力電纜防盜系統(tǒng)；由于負(fù)荷的相對穩(wěn)定，根據(jù)電纜系統(tǒng)阻抗突變^[9]設(shè)計的系統(tǒng)；還有一種諧振電容和電感監(jiān)測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、識別精度高等優(yōu)點，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)計了一種電力電纜監(jiān)測系統(tǒng)，其占空比和周期可以根據(jù)監(jiān)測電纜的長度自動調(diào)整。同時，利用現(xiàn)代通信技術(shù)GPRS來監(jiān)測電纜的狀態(tài)。

1  原理分析

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

    一旦警報啟動，監(jiān)測系統(tǒng)便可以檢測到電纜已被切斷。然而，電纜接頭處的反射信號將會干擾所監(jiān)測系統(tǒng)。因此，應(yīng)該分析電纜中高振幅信號傳播的基本特性。當(dāng)高電平信號在電纜中傳播時，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與具有負(fù)載阻抗的阻抗失配點z₂組合時, 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，并且信號的大部分能量將通過電纜接頭傳播。而在該點的電纜截止處的等效阻抗Z₂≈∞，ρ≈1，T≈0。這一點的信號產(chǎn)生全反射，將產(chǎn)生大量的能量。通過比較反射信號的幅度就可以識別電纜的狀態(tài)。高電平信號可以被轉(zhuǎn)換成不同頻率的電壓信號，通過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的失真程度。為了得到變化曲線，考慮對8.7/10 kV的三相交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜進(jìn)行實驗驗證，并通過MATLAB運行分析。

    如圖1所示，頻率較低時，衰減系數(shù)隨頻率增加較大；而當(dāng)頻率較高時，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。然而這兩個參數(shù)將導(dǎo)致信號失真。

    本文重點研究并開發(fā)了單端測量電纜長度的方法及監(jiān)測系統(tǒng)。第一反射波在減小畸變波引起的誤差方面是測量中最好的。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝惦妷?，僅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測量電纜長度的示意圖如圖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間差Δt=t₂-t₁。假設(shè)信號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

    電力電纜狀態(tài)監(jiān)測系統(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、信號接收電路、報警電路(包括GPRS )和LCD (用戶界面)組成。微控制器由高性能浮點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的高級定時器組成。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、實時性、數(shù)字信號處理、高集成度等方面具有顯著優(yōu)勢。系統(tǒng)的核心部分是硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計包括PWM產(chǎn)生電路和接收電路，軟件設(shè)計負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的同步。

2.1  PWM產(chǎn)生電路

    當(dāng)一段電纜在任意點被切斷時，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，反射信號和傳輸信號將會混合，在這種情況下，電力電纜的長度將無法測量。當(dāng)高電平信號的寬度較窄時，信號在傳輸中會發(fā)生畸變，影響測量精度。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。來自開關(guān)的PWM信號不能激活電纜負(fù)載，因此脈沖驅(qū)動電路被設(shè)計成輸出大電流。當(dāng)驅(qū)動電路的輸出電阻與電纜的特性阻抗匹配時，系統(tǒng)將產(chǎn)生最大能量，PWM設(shè)計流程圖如圖5所示。

2.2  接收電路

    信號接收器電路用于獲得PWM反射信號，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。一個信號通過濾波器送入微控制器中的高速A/D轉(zhuǎn)換器，另一個信號通過比較器送入微控制器中控制器的定時器。由于傳輸電路設(shè)計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反射信號的透射率為T≈1，反射率為ρ≈0，因此第2和第3反射信號的幅度嚴(yán)重低于第一信號，也就是說，反射波經(jīng)過3次反射和傳輸后衰減。因此，在用PWM波計算電纜長度時，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝担梢詾V除2次和3次反射信號的干擾。A/D轉(zhuǎn)換器用于采集產(chǎn)生的和反射的信號的幅度。如果信號幅度超過設(shè)定范圍，可以斷定發(fā)射信號占空比過大，發(fā)射信號和反射信號疊加在一起，即需要控制器減小發(fā)射信號的脈寬。計時器用來記錄產(chǎn)生的信號和反射信號的上升沿時間，分別為t₁、t₂，可以得到信號傳輸時間。

2.3  軟件設(shè)計

    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。此外，微控制器將區(qū)分是否出現(xiàn)信號堆棧。計時器的測量精度取決于其頻率。軟件設(shè)計采用雙頻技術(shù)，定時器頻率達(dá)到144 MHz。換句話說，系統(tǒng)的精度是7 ns。所有測量數(shù)據(jù)均由直接存儲器存取模塊保存，減少了硬件本身的測量誤差。此外，用戶界面也集成在軟件中。通過用戶界面，操作員可以設(shè)置報警功能、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)計流程圖如圖7所示。

3  實驗結(jié)果

    在實驗室進(jìn)行測試，以驗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。實驗中使用了兩根交聯(lián)聚乙烯電纜(型號：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@些信號在電纜芯和實驗測試演示中是通過的，如圖8所示。

    從實驗結(jié)果來看，信號通過電纜的傳播速度為170 m/μs，電纜的3個芯分別標(biāo)為1#、2#和3#，并通過連接或斷開電纜進(jìn)行測試，以監(jiān)測電纜在不同故障發(fā)生情況下的狀態(tài)。例如，在第一步中，將點1和點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)備測量電纜的長度。第三步，用卷尺測量電纜長度，并與裝置結(jié)果進(jìn)行比較，實驗結(jié)果記錄見表1。

    從表1可以看出，電纜的測量長度和實際長度之間存在差異。測量長度的最大誤差為3 %。這種誤差是由于傳播中的波失真和系統(tǒng)的測量精度造成的。當(dāng)所提出的系統(tǒng)檢測到電纜測量長度小于初始值時，系統(tǒng)的GPRS模塊將向運行變電站總部發(fā)出報警信息。報警過程需要在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)計并提出了一種基于PWM技術(shù)的電力電纜損傷監(jiān)測系統(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，并且在傳播過程中存在波形失真等因素造成的。理論上，該系統(tǒng)可以測量10～1 000 000 m范圍內(nèi)的電纜長度，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. 重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶 401123；

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

3. 重慶市電器檢測工程技術(shù)研究中心，重慶 401123）