文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.082
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?lài)?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(mén)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,Ui為輸入電壓, Ii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,Ur為反射電壓,而Ut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?,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(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(mén)≈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?,可以濾除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(lèi)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。
參考文獻(xiàn):
[1] NAKAMURA M, NANAYAKKARA N, HATAZAKI H, et al. Reliability analysis of submarine power cables and determination of external mechanical protections[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1992, 7(2): 895-902.
[2] TUINEMA B W, RUEDA J L, LOU V D S. Reliability of transmission links consisting of overhead lines and underground cables[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(3): 1251-1260.
[3] ISHIHARA J, SUZUKI H, SAKUMA S, et al. Improvement in reliability of extrusion type molded joint for 275 kV XLPE cable[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1992, 7(4): 1735-1744.
[4] JANG S I, KIM K H. An islanding detection method for distributed generations using voltage unbalance and total harmonic distortion of current[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19(2): 745-752.
[5] HOHN J W, ZIPP J A, BAUMGARTNER E A. Power line carrier practices and experiences[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1995, 10(2): 639-646.
[6] 張能. 基于電力線載波低壓電纜防盜方案[J]. 電子測(cè)試, 2009(6): 45-48.
[7] 徐國(guó)鳳, 席忠華, 高云輝, 等. 基于GIS和紅外技術(shù)的電纜防盜系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)電信息, 2013(12): 160-161.
[8] 鄒小春, 李茂華. 公路電纜防盜報(bào)警技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)[J]. 公路交通技術(shù), 2010(3): 131-134.
[9] 余臻.基于阻抗突變測(cè)量的電纜防盜新機(jī)制的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2012(2): 377-382.
[10] 周會(huì)峰,曾祥君,鄧豐,等.輸電線路故障行波網(wǎng)絡(luò)定位新方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2013(19): 93-99, 2013.
[11] 劉慧海,張曉莉,姜博, 等. 行波故障測(cè)距裝置的檢測(cè)與評(píng)價(jià)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015(1): 145-149.
[12] 劉洋,劉忠,姜波,等. 高壓電纜故障分析與檢測(cè)方法[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015(1): 107-111.
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)