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,，導致輸電線路上的電力電纜經常被盜取,。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，準確,、快速地定位故障位置,，及時修復損壞，減少國家經濟損失,，對電力公司來說至關重要,。

    電纜狀態(tài)檢測技術包括電壓電流監(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,，一些學者提出了電力電纜保護的新途徑,，例如：基于地理信息系統和紅外熱成像技術的電力電纜防盜系統^[7]；根據電力是否轉移到線端的方法^[8],，設計的公路用電力電纜防盜系統,；由于負荷的相對穩(wěn)定，根據電纜系統阻抗突變^[9]設計的系統,；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,，在電力系統中得到了廣泛的應用，一些部門甚至制定了一系列相應的標準來推廣應用^[11],。然而電力電纜一旦被切斷,，線路故障將立即發(fā)生,。由于傳統的監(jiān)測方法不能滿足電力系統在安全性和可靠性方面的要求。本文利用脈寬調制（PWM）波設計了一種電力電纜監(jiān)測系統,，其占空比和周期可以根據監(jiān)測電纜的長度自動調整,。同時，利用現代通信技術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生PWM波信號監(jiān)測電纜狀態(tài)的基礎,，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)控系統向電纜端發(fā)送低占空比的PWM波信號,。當高振幅信號(相當于脈沖信號)在傳輸中通過電纜接頭或截止時，高振幅信號將產生反射,。通過測量產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,。因此,，應該分析電纜中高振幅信號傳播的基本特性。當高電平信號在電纜中傳播時,，應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,。在引用文獻中^[12], 特征阻抗的取值范圍從10 Ω~ 40 Ω,。當電纜中的高電平信號與具有負載阻抗的阻抗失配點z₂組合時, 以復數形式體現的反射和折射分別以系數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,。這一點的信號產生全反射,，將產生大量的能量,。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,，β為電纜中波的相位延遲系數。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的三相交聯聚乙烯絕緣電纜進行實驗驗證,，并通過MATLAB運行分析。

    如圖1所示,，頻率較低時,，衰減系數隨頻率增加較大；而當頻率較高時,，衰減系數隨頻率變化不大,。如圖2所示, 相位常數隨頻率近似線性增加。然而這兩個參數將導致信號失真,。

    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,。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。通過設置適當的閾值電壓,，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，脈寬調制周期T=t₃-t₁,，產生的電壓和反射的電壓波之間的時間差Δt=t₂-t₁,。假設信號電纜中的傳播速度為v，電纜的距離可由下式確定：

2  系統設計

    電力電纜狀態(tài)監(jiān)測系統的工作流程圖如圖4所示,。該系統由微控制器,、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內核,、ARM CortexTM-M332位RISC內核、控制單元( FPU ),、直接存儲器存取單元( DMA ),、12位D/A轉換器、采樣率高達10 MSPS的12位A/D轉換器和頻率范圍高達144 MHz的高級定時器組成,。DMA單元可以將高速數據從外圍設備傳輸到內存,，大大提高了系統速度。微控制器在高性能,、實時性,、數字信號處理、高集成度等方面具有顯著優(yōu)勢,。系統的核心部分是硬件設計和軟件設計,，硬件設計包括PWM產生電路和接收電路，軟件設計負責整個系統的同步,。

2.1  PWM產生電路

    當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產生電路的占空比和幅度應該在特定點上可以進行調整。PWM傳輸電路主要由三部分組成：二階低通有源濾波器電路,、多路復用器電路,、脈沖驅動電路。D/A轉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的能力，為多路復用器處理提供了可靠保障,。而微控制器產生的PWM波對多路復用器進行控制,。由于電纜是容性負載，因此需要大電流,。來自開關的PWM信號不能激活電纜負載，因此脈沖驅動電路被設計成輸出大電流,。當驅動電路的輸出電阻與電纜的特性阻抗匹配時,，系統將產生最大能量,，PWM設計流程圖如圖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,，電路結構框圖如圖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反射信號的幅度嚴重低于第一信號,，也就是說,，反射波經過3次反射和傳輸后衰減。因此,，在用PWM波計算電纜長度時,，通過設置適當的閾值，可以濾除2次和3次反射信號的干擾,。A/D轉換器用于采集產生的和反射的信號的幅度,。如果信號幅度超過設定范圍，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轉換采集模塊采集產生和反射的信號,。此外,，微控制器將區(qū)分是否出現信號堆棧。計時器的測量精度取決于其頻率,。軟件設計采用雙頻技術,，定時器頻率達到144 MHz。換句話說,，系統的精度是7 ns,。所有測量數據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,。軟件設計流程圖如圖7所示。

3  實驗結果

    在實驗室進行測試,，以驗證所提出的電纜線路防盜監(jiān)控系統的性能,、效率和可靠性。實驗中使用了兩根交聯聚乙烯電纜(型號：YJV₂₂-8.7/15 3×50 ),。電纜的金屬護套與系統的接地GND連接在一起,。PWM傳輸的這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個芯分別標為1#,、2#和3#,，并通過連接或斷開電纜進行測試，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,，并與裝置結果進行比較,，實驗結果記錄見表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的測量精度造成的,。當所提出的系統檢測到電纜測量長度小于初始值時,，系統的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內反復檢查,，以確認電纜狀態(tài)是否斷裂或切斷,。

4  結論

    本文設計并提出了一種基于PWM技術的電力電纜損傷監(jiān)測系統。該系統誤差小于3 %，該誤差是由于樣機采用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,，該系統可以測量10～1 000 000 m范圍內的電纜長度，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. 重慶市計量質量檢測研究院,，重慶 401123,；

2. 國家筆記本電腦質量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401123,；

3. 重慶市電器檢測工程技術研究中心,，重慶 401123）