智能電纜故障系統(tǒng)定位技術(shù)及電網(wǎng)新材料應(yīng)用的研究

胡超強 黃應(yīng)敏 鄒科敏 邵源鵬 高偉光

摘要：為了有效及時地排除電纜線系統(tǒng)故障，人們研發(fā)出來電纜線故障定位系統(tǒng)，便于電纜維護檢修工人能夠在第一時間對電纜線故障點精確定位。文章將圍繞“智能電纜故障系統(tǒng)定位技術(shù)的研究”這一話題，結(jié)合現(xiàn)有的電纜故障系統(tǒng)定位理論及定位技術(shù)，介紹了一種新的智能電纜故障定位儀的整體設(shè)計、硬件設(shè)計及軟件設(shè)計。智能電纜故障定位儀具有很高的安全性能和智能化水平，其研發(fā)目的就是為了能夠在電纜線出現(xiàn)故障時，及時、準確測量出故障點，從而迅速排查出故障點，消除電路故障。此外，智能電網(wǎng)還實現(xiàn)了其在計算機技術(shù)與新材料技術(shù)、新能源技術(shù)之間的有效融合，涉及到新型節(jié)能材料、新型電工絕緣材料、新型智能材料，這是電力行業(yè)一次跨越式的產(chǎn)業(yè)變革。

關(guān)鍵詞：電纜故障問題;智能定位技術(shù);電纜故障定位儀;硬軟件設(shè)計

中圖分類號：TM734文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0174-04

一般來說，對電纜故障精確定位要經(jīng)歷3個環(huán)節(jié)：電纜故障性質(zhì)診斷環(huán)節(jié)、電纜故障測距環(huán)節(jié)、電纜故障定點環(huán)節(jié)。電纜故障性質(zhì)診斷環(huán)節(jié)能夠確定電纜故障的類型與嚴重性，這是電纜故障檢測維修人員選擇測距與定點方法的基本依據(jù)。電纜故障測距環(huán)節(jié)，又被成為“粗測”，是指粗略測出發(fā)生故障的電纜的大體位置。電纜故障定點環(huán)節(jié)又稱為“精測”，要求能夠準確探測出電纜線發(fā)生的故障點。本文以化工材料光導(dǎo)纖維為原料，試圖設(shè)計出一款新型電纜故障探測儀，使之同時兼具有探測精度高、功能齊全、體積小、便攜、方便使用、長期穩(wěn)定運行等優(yōu)點。

1智能電纜故障定位儀基本設(shè)計思想

在進行新型智能電纜故障定位儀設(shè)計時，考慮到設(shè)計的智能電纜故障定位儀需要同時兼具自動記錄、自動存儲、自動顯示、支持與PC機智能通訊等基本功能，在沒計的過程中，將其硬件組成和軟件組成按照各自執(zhí)行的功能不同，將其分為若干個子模塊，并逐一進行優(yōu)化調(diào)試。最終的智能電纜故障定位儀設(shè)計流程如圖1所示。由圖1可知，在本設(shè)計中，故障電纜的被測電壓信號是經(jīng)過電壓傳感器轉(zhuǎn)換后得到了與之對應(yīng)的電壓信號。轉(zhuǎn)換后的故障電纜電壓信號經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機處理后得到詳細的故障電纜電壓數(shù)據(jù)。最終該數(shù)據(jù)可以由數(shù)碼管顯示出來，進一步傳送到PC機上后，便可以在PC機終端進一步存儲、加工、復(fù)用。

具體而言，本設(shè)計中提到的智能電纜故障定位儀具有如下4個特點：①具備數(shù)據(jù)處理功能。該新型智能電纜故障定位儀能夠在PC機終端系統(tǒng)對故障電纜電壓數(shù)據(jù)實時存儲于運算分析，這是其性能上的一大優(yōu)勢。②輸出形式多元。本設(shè)計可以將故障電纜傳輸過來的電壓信號及故障點位置顯示在PC機的LED顯示屏上，此外，電纜檢修維護人員還能夠通過左右兩個發(fā)光的二極管來判斷電橋的平衡狀態(tài)，以此來決定電位器的調(diào)節(jié)方向，從而使電橋快速達到平衡。③通訊接口為USB接人設(shè)計。④定位系統(tǒng)運用了isplsi-1016可編程邏輯器件，將硬件軟件系統(tǒng)聯(lián)合在一起，為最終的系統(tǒng)調(diào)試帶來了巨大便利。

2智能電纜故障定位儀硬件設(shè)計分析

新型智能電纜故障定位儀硬件設(shè)計主要包括電源電路設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換電路、LED顯示電路、USB傳輸電路幾個核心部分。下面針對各個環(huán)節(jié)作進一步詳細分析。

2.1單片機的選擇

單片機是指把微型計算機的主要功能區(qū)塊集中在一個芯片上的單芯片微型計算機，種類繁多，功能也十分多樣，是智能定位儀設(shè)計系統(tǒng)中的核心設(shè)備。本設(shè)計中選用AT89C52作為定位儀的單片機。AT89C52型單片機是一種功耗較低、處理性能優(yōu)的微處理器，其內(nèi)含8k字節(jié)的可編程Flash存儲器的CMOS8位微處理器，是一種可擦除的電子元件。具體而言，選擇AT89C52作為單片機具有Flash存儲器為8K字節(jié)，并且可以重復(fù)編程，并且存儲器可擦除，次數(shù)在1000次以上，數(shù)據(jù)有效保存時間在10年以上。此外，AT89C52單片機還具有256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、32條內(nèi)部可編程的I/O線、16位定時器和計數(shù)器有三組以及6個向量源。

2.2isplsi-1016可編程邏輯器件

ISP是一種新型可編程器件，它有效地消除了傳統(tǒng)PLD系統(tǒng)的功能和連接上的局限性，在板級、系統(tǒng)級設(shè)計、制造、編程方面十分便利。此外，ISP可編程邏輯器件的應(yīng)用提高了硬件設(shè)計系統(tǒng)的靈活性，從而便于修改與更新?lián)Q代。isplsi-1016可編程邏輯器件的組成結(jié)構(gòu)如下：

2.2.1集總布線區(qū)

集總布線區(qū)位于可編程器件的正中央，并且通過固定的方式將芯片內(nèi)部各種邏輯關(guān)系連接在一起，以集中供設(shè)計人員使用其功能。集總布線區(qū)的特點是它允許來自萬能邏輯塊的輸出或者I/O單元的輸入與萬能邏輯塊的輸入連接，并且芯片內(nèi)人任何萬能邏輯輸出都可以作為其他萬能邏輯塊的輸入。同理，各個I/0引腳的輸入可以作為所有萬能邏輯塊的任意一個輸入。

2.2.2萬能邏輯塊

萬能邏輯塊是isplsi-1016可編程邏輯器件的基本結(jié)構(gòu)單元，每個isplsi-1016可編程邏輯器件內(nèi)部共有16個萬能邏輯塊。萬能邏輯塊與邏輯陣列、乘積項之間可以共享，共同組成4輸出邏輯宏單元。通常萬能邏輯塊有物種常見的組態(tài)模式，分別是標準組態(tài)模式、高速直通組態(tài)模式、異或邏輯組態(tài)模式、單個乘積項組態(tài)模式、混合組態(tài)模式。

2.2.3巨型塊

巨型塊是isplsi-1016可編程邏輯器件中某一相關(guān)部分的總稱。對于不同型號、不同系列的isplsi器件，其內(nèi)含巨型塊的數(shù)目也各不相同。以本設(shè)計中使用到的isplsi-1016可編程邏輯器件為例，它含有2個巨型塊。每一個巨型塊是均是由8個萬能邏輯快和1個輸出布線區(qū)，以及16個I/O單元、2個專用輸出、1個公共乘積項組成。

2.2.4輸入總線

輸入總線是isplsi-1016可編程邏輯器件內(nèi)負責信號輸入的主要功能區(qū)域，一般來說，可編程邏輯器件內(nèi)部的信號輸入主要有2種處理方式。①將可編程邏輯器件內(nèi)的每個I/O單元直接與集總布線區(qū)連接，這樣一來，可編程邏輯器件內(nèi)部的每一個萬能邏輯塊都能夠選取每個I/O單元輸入。②將每個巨型塊的兩個專用的輸入與巨型塊的8個萬能邏輯塊直接連接在一起。本設(shè)計中選擇第二種連接方式。

2.2.5輸出布線

顧名思義，輸出布線區(qū)能夠?qū)⒏鞣N通過I/O輸人口輸入到可編程邏輯器件內(nèi)的信號通過萬能邏輯塊導(dǎo)出到相應(yīng)的I/O單元系統(tǒng)，它是一種用于連接溝通萬能邏輯塊和I/O單元系統(tǒng)之間的可程序化控制的互聯(lián)陣列。本設(shè)計所用輸出布線結(jié)合具體的設(shè)計輸入工況與線路引腳配置，自主對輸出布線區(qū)編寫相應(yīng)的程序。本設(shè)計的最大優(yōu)點在于消除了I/O連接單元和萬能邏輯塊之間固化的順序?qū)?yīng)關(guān)系，這便使得萬能邏輯塊和外部引腳的程序編寫可以分開獨立進行。在實際的操作過程中，不需要改變外部引腳的情況，就能夠直接修改或者重新設(shè)計芯片內(nèi)部的邏輯功能。

2.3數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

2.3.1選擇A/D轉(zhuǎn)換器

根據(jù)智能電纜故障定位儀的整體設(shè)計可以看出，PC機終端采集的實際上是故障電纜電壓信號的模擬量，它不能夠直接被送人單片機中，否則單片機將不能夠正確識別、讀取電壓信號反饋的實際信息。這就要求在系統(tǒng)的信號采集端和單片機的信號處理段接人一段A/D轉(zhuǎn)換，以此來確保單片機把從故障電纜上采集到的連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成單片機可以處理的離散的數(shù)字量。目前使用較多的A/D轉(zhuǎn)換電路模型有多種，包括計數(shù)比較型、逐次逼近型、雙積分型等。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇指標主要有處理速度、處理精度、價格等。以本設(shè)計為例，在充分地考慮到工況需要的情況下，選用的轉(zhuǎn)換器類型為ADC0809，其A/D轉(zhuǎn)換器即為逐次逼近型，8位，輸入方式是單通道，轉(zhuǎn)換時間10us，電源電壓為+5V。

2.3.2選擇ADC0809和ATCB9C52的接口

本設(shè)計中二者之間的接口采用等待延時方式。

2.4LED顯示電路設(shè)計

在LED顯示方式的選擇上主要有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。在本設(shè)計中優(yōu)先選擇了靜態(tài)設(shè)計，即當LED顯示某個字符時，其對應(yīng)的二極管將會處于恒定導(dǎo)通或者截止狀態(tài)，直到下一個字符開始顯示。處于靜態(tài)顯示工作狀態(tài)的LED顯示器，內(nèi)部的各個位點的共陰極接地，陽極接+5V電源，并且每一個位點都是直接與一個8位的鎖存器輸出口連接，且各個位點相互獨立，已經(jīng)輸出便維持不變。靜態(tài)LED顯示編程過程簡易，便于管理，。

2.5USB傳輸電路設(shè)計

本設(shè)計采用的USB傳輸接口是PDIUSBDl2接口芯片，采用USB傳輸電路接口具備以下優(yōu)點：①方便用戶使用，具備自動識別、自動安裝驅(qū)動和配置、支持靜態(tài)接人等功能;②應(yīng)用范圍廣泛;③成本低廉，升級方便。

3智能智能電纜故障定位儀軟件設(shè)計分析

智能智能電纜故障定位儀軟件系統(tǒng)設(shè)計流程，如圖2所示。

4智能電纜定位儀的功能實現(xiàn)

相對于傳統(tǒng)的人工巡查電纜檢測，智能定位儀具有如下突出功能。①侵入檢測功能。智能電纜侵入監(jiān)測功能主要是面向于人為的電纜偷盜或破壞行為開發(fā)。一旦有上述情況發(fā)生，將會對智能電纜側(cè)邊的光纜內(nèi)傳輸光束帶來擾動，擾動信號經(jīng)由傳輸線將振動信號傳輸至PC機終端系統(tǒng)的主機上，經(jīng)過加工處理后，顯示在顯示屏上。實驗結(jié)果表明，智能電纜定位儀該功能靈敏度很高，漏報率極低，測量距離大于20km，空間分辨率為±3m。②防區(qū)定位。當電纜發(fā)生故障時，智能電纜定位系統(tǒng)能夠根據(jù)外部環(huán)境情況，自由設(shè)置報警防區(qū)，判定電纜故障的安全級別，這便有助于為電纜檢修維護人員準確定位，提高光纜檢修效率。③聯(lián)動功能。智能電纜定位儀集中實現(xiàn)了電纜故障的監(jiān)測、識別、定位、報警、威懾、制止等功能，還能夠，聯(lián)動相應(yīng)位置視頻攝像頭，追蹤侵入對象。

5智能電網(wǎng)新材料技術(shù)發(fā)展

與電力行業(yè)一樣，材料工業(yè)也是國民經(jīng)濟的支柱型產(chǎn)業(yè)，電力行業(yè)新一輪產(chǎn)業(yè)變革勢必是建立在互聯(lián)網(wǎng)和新材料、新能源相結(jié)合之上的新型經(jīng)濟發(fā)展模式。研發(fā)出新型的電纜材料也是優(yōu)化電網(wǎng)性能的關(guān)鍵。目前在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中運用到的新材料主要包括新型節(jié)能材料、新型電工絕緣材料、新型智能材料3大類。

5.1新型節(jié)能材料

5.1.1高導(dǎo)鋁合金

目前在電工鋁合金導(dǎo)體材料的研究及應(yīng)用環(huán)節(jié)，國內(nèi)外較為著名的研發(fā)單位有日本住友電工、古河電工、意大利比瑞利公司、法國內(nèi)克森公司及美國通用電纜公司、以及國家電網(wǎng)公司。例如，目前國際上推廣使用較廣的有高導(dǎo)電率的鋁合金導(dǎo)線，其導(dǎo)電率在53%以上，抗拉強度IACS則在295MPa以上。在國內(nèi)國家電網(wǎng)公司在2010-2015年間研發(fā)的鋼芯62.5%的IACS高導(dǎo)電率硬鋁絞線和鋼芯58.5%IACS中強全鋁合金節(jié)能導(dǎo)線在電路電壓為110～500kV的電網(wǎng)線路中應(yīng)用性能良好。

5.1.2磁性材料

在磁性材料的應(yīng)用方面，國際上通用的選材取向是硅鋼、配電變壓器用非晶合金、高頻軟磁材料以及低磁鋼材料等。例如，日本研發(fā)的0.18、0.20mm厚，磁感達到1.92T以上，鐵損失率在0.6～0.85W/kg規(guī)格系列的取向硅鋼，在電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。高性能磁性硅鋼材料在電力電子設(shè)備中的有效應(yīng)用，極大地提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的能耗水平。我國國家電網(wǎng)公司研發(fā)的0.27mm、0.18mm取向硅鋼在國際上的相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)處于較為先進的水平。

5.2新型電工絕緣材料

一直以來，國際上的新型電工絕緣材料研發(fā)技術(shù)方面處于被發(fā)達國家壟斷的狀態(tài)，我國在這方面還相對薄弱。在電纜絕緣料方面，500kV直流電纜絕緣料主要被日本壟斷;在熱塑性絕緣材料方面，ABB公司已經(jīng)成功實現(xiàn)熱塑性固封極柱在中壓開關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用;電子設(shè)備封裝材料中常用到的高耐熱環(huán)氧封裝絕緣材料和高導(dǎo)熱硅膠灌封材料則被日、美等國占據(jù)。

5.3新型智能材料

智能材料主要用于接地網(wǎng)、輸電線路、繼電保護等環(huán)節(jié)，常用的智能材料有硅、石英、鈦酸鉛、氧化鋅、記憶合金、碲化鉛、碲化鉍等傳統(tǒng)智能材料。未來電網(wǎng)系統(tǒng)智能材料的應(yīng)用將主要有兩大方向，一個是傳感元件微加工，另一個是計算機軟件和補償傳感器性能的提升。

6結(jié)語

近幾年來，隨著我國城市化建設(shè)進程的進一步推進，城鄉(xiāng)結(jié)合日益密切。城市化建設(shè)極大地推動力我國電力行業(yè)的蓬勃發(fā)展。在國家投入大量人力、物力、財力進行電網(wǎng)改造的同時，城市和鄉(xiāng)村聯(lián)網(wǎng)步伐穩(wěn)步提升，電纜線路的增長也與日俱增。現(xiàn)如今，無論是大型重工業(yè)的生產(chǎn)運營，還是城鄉(xiāng)居民的日常生活，或是城市大批量服務(wù)行業(yè)的正常運作，時時刻刻都離不開電力的正常供應(yīng)。在供電系統(tǒng)中，電纜線故障問題一直以來都是電力系統(tǒng)的癥結(jié)所在，屬于電力系統(tǒng)中多發(fā)、易發(fā)的高頻事故點。由此可見，開發(fā)應(yīng)用并不斷完善新型智能電纜故障定位儀對于供電網(wǎng)絡(luò)安全、平穩(wěn)地運行意義重大，不容小覷。