基于Cortex-M4的電纜物聯(lián)感知終端設(shè)計(jì)及應(yīng)用

雍明超,王偉杰,王 磊,李俊剛,張少明,魏 勇,王全海

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450001)

0 引言

目前地下電力電纜已逐漸取代架空線成為城市電力傳輸?shù)闹饕ǖ?，?duì)城市供電安全具有決定性的作用。在電力電纜日常運(yùn)維中，以下3種情況對(duì)電力電纜的運(yùn)維造成很大的困難：一是電力電纜一旦出現(xiàn)故障，處理麻煩且停電時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)生活[1-2]；二是由于電纜運(yùn)維人員的增加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上電纜建設(shè)的速度，導(dǎo)致電力電纜運(yùn)檢工作面臨巨大壓力；三是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電力電纜護(hù)套的金屬被人為盜割或破壞的現(xiàn)象，對(duì)電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大隱患。因此國(guó)內(nèi)外電力運(yùn)行公司及設(shè)備廠商陸續(xù)推出了電力電纜監(jiān)測(cè)終端設(shè)備，對(duì)電力電纜的智能運(yùn)維、設(shè)備安全均起到良好的推進(jìn)作用。但是通過(guò)近年來(lái)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果分析，還存在以下問(wèn)題：一是現(xiàn)有終端廠家多采用PowerPC、Zynq等芯片進(jìn)行終端的開(kāi)發(fā)，具有價(jià)格昂貴、體積較大、安裝不便等問(wèn)題；二是相對(duì)于保護(hù)控制設(shè)備，終端的運(yùn)行環(huán)境存在高溫、高濕甚至水浸的情況，造成運(yùn)行可靠性較差、經(jīng)常發(fā)生設(shè)備損壞，難以有效指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)維[3-5]。

基于此，采用基于Cortex-M4內(nèi)核的工業(yè)級(jí)高性能的核心芯片，設(shè)計(jì)了電力電纜物聯(lián)感知終端，完成一個(gè)防火分區(qū)內(nèi)電力電纜護(hù)層電流、運(yùn)行電流、接頭溫度等的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和功能分析。

1 終端應(yīng)用及硬件方案

1.1 終端應(yīng)用方案

電力隧道或綜合管廊區(qū)域內(nèi)可根據(jù)電纜回路數(shù)量及防火分區(qū)布局配置多套電力電纜物聯(lián)感知終端，實(shí)現(xiàn)電力電纜實(shí)時(shí)狀態(tài)感知及智能分析。結(jié)果通過(guò)RS485統(tǒng)一上送至該防火分區(qū)區(qū)域采集控制通信單元或通過(guò)IEC104直接上送電纜監(jiān)控系統(tǒng)[6]。其應(yīng)用方案如圖1所示。

圖1 應(yīng)用方案圖

1.2 終端硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

終端硬件由CPU模塊、通信模塊、串口接入模塊、交流采集模塊、開(kāi)入開(kāi)出模塊等部分組成[7],其硬件構(gòu)成圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

硬件提供7路電流互感器(包括4路0～300 A，變比300/5，3路0～1 000 A，變比1 000/5)輸入接口，負(fù)責(zé)護(hù)層電流、總接地電流、運(yùn)行電流外部數(shù)據(jù)采集。配置3路光耦隔離的24 V開(kāi)入，2路RS485串口通信模塊，支持波特率范圍1 200～115 200 bps可調(diào)整。具有1路4G通信接口及1路以太網(wǎng)口用于對(duì)外交互。同時(shí)設(shè)計(jì)了3路24 V電源輸出為外部傳感器供電。

1.2.2 CPU模塊電路設(shè)計(jì)

CPU硬件模塊采用基于Cortex-M4內(nèi)核的國(guó)產(chǎn)GD32F450芯片為核心處理器。GD32F450主頻達(dá)到200 MHz，并提供了完整的DSP指令集、并行計(jì)算能力和專(zhuān)用浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)來(lái)滿足高級(jí)計(jì)算需求。CPU內(nèi)置3個(gè)多通道12位速度達(dá)到2.6 MSPS的高速ADC、8個(gè)UART高速串口、內(nèi)部Flash最大3 072 KB、內(nèi)部RAM最大512 KB。CPU模塊硬件結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 CPU模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

1.2.3 交流采集模塊電路設(shè)計(jì)

交流采集模塊采用5 A/2.5 mA規(guī)格的板載電流互感器，把一次側(cè)的護(hù)層環(huán)流電流(300 A/5 A)及運(yùn)行電流(1 000 A/5 A)的交流值轉(zhuǎn)換為mA級(jí)小信號(hào)，再經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓值。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、基準(zhǔn)抬升、電壓跟隨等處理，把最終的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換到0.5～2.5 V范圍內(nèi)，再輸入到CPU芯片內(nèi)置的單端A/D采樣端口進(jìn)行信號(hào)還原、數(shù)值計(jì)算[7]。交流采集硬件電路如圖4所示。

圖4 交流采集硬件電路圖

1.2.4 串口接入模塊電路設(shè)計(jì)

串口接入模塊用于電纜接頭測(cè)溫等數(shù)據(jù)的接入。電路采用半雙工差分線路收發(fā)器ISO3082DWR芯片進(jìn)行隔離處理，芯片傳輸速度可達(dá)200 Kbps且兼容RS485和RS422方式。處理后的數(shù)據(jù)輸入到CPU模塊的UART端口進(jìn)行分析計(jì)算，其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 串口接入模塊電路圖

2 終端軟件設(shè)計(jì)

終端軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，包含引導(dǎo)程序、平臺(tái)程序、應(yīng)用程序[8]。應(yīng)用程序基于平臺(tái)的API進(jìn)行開(kāi)發(fā)。應(yīng)用程序框架如圖6所示。

圖6 應(yīng)用程序框架

應(yīng)用程序采用容器技術(shù)把各模塊封裝成獨(dú)立的app實(shí)現(xiàn)[9-11]，終端根據(jù)業(yè)務(wù)功能劃分為開(kāi)關(guān)量處理app、護(hù)層電流分析app、防盜割分析app、接頭溫度分析app、通信處理app等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 交流參量計(jì)算

采用全周傅氏算法對(duì)電力電纜的護(hù)層電流、總接地電流和運(yùn)行電流等交流量進(jìn)行實(shí)部與虛部計(jì)算。每周波采樣點(diǎn)數(shù)可通過(guò)配置設(shè)置，典型的有每周波24點(diǎn)、32點(diǎn)、64點(diǎn)等。全周傅氏算法計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Ure、Uim分別為實(shí)部、虛部；U[i]為交流采樣值；Hc[i]、Hs[i]分別為實(shí)部濾波系數(shù)和虛部濾波系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算出的實(shí)部與虛部的值即可計(jì)算出電流采樣值信號(hào)的基波分量的幅值。

其中濾波系數(shù)求取如式(2)所示。

(2)

2.2 邊緣計(jì)算算法分析

護(hù)層電流分析預(yù)警、接頭溫度分析等邊緣計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法綜合多種參量進(jìn)行綜合分析。在進(jìn)行邊緣計(jì)算前，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗去除可能的干擾點(diǎn)等預(yù)處理，常用的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法有識(shí)別脈沖干擾的滑動(dòng)平均算法、最小二乘法、基于概率統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)處理算法等[11-12]。根據(jù)終端的軟硬件資源和電力電纜監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)情況，采用滑動(dòng)窗中值濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。經(jīng)滑動(dòng)窗中值濾波得到的處理后數(shù)據(jù)作為后續(xù)邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)源。

2.2.1 護(hù)層電流分析預(yù)警算法

通過(guò)采集三相護(hù)層電流、一路總接地電流和三相運(yùn)行電流實(shí)現(xiàn)環(huán)流超限、電流突變、三相不平衡和負(fù)荷比越限等就地分析預(yù)警功能。根據(jù)電力電纜故障的嚴(yán)重程度給出“注意狀態(tài)”、“故障狀態(tài)”分級(jí)預(yù)警。

下面僅以護(hù)層電流越限為例說(shuō)明分析預(yù)警的具體算法邏輯，當(dāng)某相護(hù)層電流值大于設(shè)定的“注意狀態(tài)”而未達(dá)到“故障狀態(tài)”閾值時(shí)，可以認(rèn)為某一相護(hù)層電流越限，其邏輯原理圖如圖7所示。

圖7 護(hù)層電流越限判別邏輯圖

同理，可以得出電流突變、三相不平衡和負(fù)荷比越限的算法邏輯。對(duì)這幾種情況進(jìn)行綜合，可抽象出“注意狀態(tài)”預(yù)警判據(jù)綜合公式。設(shè)Ihc為護(hù)層電流，Ifh為運(yùn)行電流，Ihc.max為護(hù)層電流最大值，Ihc.min為護(hù)層電流最小值，Ihc.A為A相護(hù)層電流，Ihc.B為B相護(hù)層電流，Ihc.C為C相護(hù)層電流，Iset1、Iset3、Iset5、Iset7、Iset9為護(hù)層電流“注意狀態(tài)”定值，|ΔIhc|為護(hù)層電流變化量，則判據(jù)公式如式(3)所示。

(3)

當(dāng)滿足式(3)任何一項(xiàng)條件且無(wú)“故障狀態(tài)”告警，判斷為護(hù)層電流達(dá)到需要注意的狀態(tài)。

同理可以得出護(hù)層電流越限“故障狀態(tài)”告警邏輯。對(duì)各種狀態(tài)進(jìn)行綜合，設(shè)Ifhset為運(yùn)行電流有流定值，Iset、Iset2、Iset4、Iset6、Iset8、Iset10為護(hù)層電流“故障狀態(tài)”定值。則可以得出“故障狀態(tài)”判據(jù)公式，如式(4)所示。

(4)

滿足式(4)任何一項(xiàng)條件，即可判斷為護(hù)層電流達(dá)到“故障狀態(tài)”而觸發(fā)相應(yīng)的告警信息。

2.2.2 接頭溫度分析預(yù)警算法

對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理剔除干擾數(shù)據(jù)后的接頭溫度分析處理，主要有以下3種情況下的分析判別：一是接頭溫度越限告警，即當(dāng)測(cè)量接頭溫度最大值或平均值超過(guò)告警閾值時(shí)啟動(dòng)告警；二是接頭溫度突變?cè)较薷婢?，?dāng)任意相溫度最大值與平均值差值超過(guò)告警值時(shí)啟動(dòng)告警；三是接頭溫度不平衡越限告警，當(dāng)測(cè)量接頭溫度任意兩相之間溫度差超過(guò)告警值時(shí)啟動(dòng)告警。針對(duì)以上3種情況，可以抽象出接頭溫度故障狀態(tài)預(yù)警判據(jù)公式，如式(5)所示。

(5)

式中：Tn為護(hù)層接頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)n處實(shí)時(shí)溫度；|ΔTn|為相鄰測(cè)量周期內(nèi)溫度變化量；|ΔTφ|為相鄰相之間的護(hù)層接頭溫度差值；Tset為護(hù)層接頭溫度不同情況下的設(shè)定值。

滿足式(5)任何一項(xiàng)條件，即可判斷為接頭溫度達(dá)到“故障狀態(tài)”而觸發(fā)相應(yīng)的告警信息。

2.2.3 電纜防盜割分析預(yù)警算法

針對(duì)電力電纜盜割現(xiàn)象，提出了通過(guò)融合開(kāi)關(guān)量、護(hù)層電流值和運(yùn)行電流值，綜合判別電纜是否被盜割的算法判據(jù)[6]。算法原理圖如圖8所示。

圖8 防盜割監(jiān)測(cè)的邏輯判斷框圖

從圖8可知，當(dāng)防盜割開(kāi)入觸發(fā)而護(hù)層電流和運(yùn)行電流均為0的情況下，判定電纜被破壞和盜割，此種判據(jù)適應(yīng)電纜未投入運(yùn)行時(shí)的工況。而電纜運(yùn)行后可以采用2組判據(jù)進(jìn)行判別：一是當(dāng)防盜割開(kāi)入觸發(fā)、護(hù)層電流為0而運(yùn)行電流存在時(shí)，也可以認(rèn)為電纜接地護(hù)層被破壞或人為盜割；二是當(dāng)防盜割開(kāi)入未動(dòng)作，而任一相護(hù)層電流消失且運(yùn)行電流存在可以觸發(fā)電纜盜割預(yù)警。

3 試驗(yàn)分析

該終端成功通過(guò)集中測(cè)試、第三方機(jī)構(gòu)的型式檢驗(yàn)及防爆合格檢驗(yàn)，在試驗(yàn)中及實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)異常和故障。終端分別在常溫(27 ℃)、-25 ℃、+70 ℃ 3種情況下對(duì)電纜接頭溫度、護(hù)層環(huán)流和運(yùn)行電流進(jìn)行精度測(cè)試，結(jié)果分別如表1和表2所示。從測(cè)試結(jié)果分析，三相接頭溫度在27 ℃、-25 ℃、+70 ℃3種情況下，其誤差在高溫時(shí)最大為1.95 %，在常溫和低溫下誤差在1.5%以下，其性能滿足要求。對(duì)護(hù)層環(huán)流和總護(hù)層接地環(huán)流施加200 A的測(cè)試電流，其誤差在常溫、低溫、高溫環(huán)境下均在1.5%以下。對(duì)運(yùn)行電流施加1 000 A的測(cè)試電流，其誤差在低溫運(yùn)行條件下最大，最大值為1.58%。綜上，接頭溫度、護(hù)層環(huán)流、運(yùn)行電流的誤差均在要求范圍內(nèi)，能準(zhǔn)確反映電纜運(yùn)行狀況。

表1 接頭溫度監(jiān)測(cè)精度測(cè)試結(jié)果

表2 電流監(jiān)測(cè)精度測(cè)試結(jié)果

同時(shí)對(duì)護(hù)層電流越限告警、三相不平衡告警、電流突變告警、電纜接頭溫度異常預(yù)警、線纜盜割報(bào)警等邊緣計(jì)算功能及防水防爆性能進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，均滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高壓電力電纜運(yùn)維的迫切要求，設(shè)計(jì)了一種監(jiān)測(cè)精度高、可靠性好且具有防爆功能的電力電纜物聯(lián)感知終端，終端可用于電力隧道、綜合管廊電力艙的電纜狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及智能分析。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，該終端性能指標(biāo)均滿足要求，并成功應(yīng)用于天津某電力隧道、江西某綜合管廊電力艙工程，具有很好的應(yīng)用前景。