文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.082
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(jì)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(jì)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(diǎn),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(jì)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(jì)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,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與具有負(fù)載阻抗的阻抗失配點(diǎn)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(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,并且信號的大部分能量將通過電纜接頭傳播,。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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并通過MATLAB運(yùn)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(diǎn)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)拈撝惦妷海瑑H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(jì)
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(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(shí)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(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,,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(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(jì)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(jì)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(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(jì)算電纜長度時,通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝?,可以濾除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(jì)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(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(jì)時器的測量精度取決于其頻率。軟件設(shè)計(jì)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(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: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(shí)驗(yàn)測試演示中是通過的,,如圖8所示。
從實(shí)驗(yàn)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(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(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄見表1,。
從表1可以看出,電纜的測量長度和實(shí)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(yùn)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(jì)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(jì)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(yàn)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)