基于分布式參數(shù)電路模型檢測(cè)電纜故障*

丁曉貴，錢 萌，江晉劍

（安慶師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 安慶 246011）

基于分布式參數(shù)電路模型檢測(cè)電纜故障*

丁曉貴，錢 萌，江晉劍

（安慶師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 安慶 246011）

設(shè)計(jì)一種基于分布式參數(shù)模型查找電纜故障點(diǎn)系統(tǒng)，以NiosⅡ軟核處理器和所需的外設(shè)IP核嵌入到FPGA中為硬件架構(gòu)，移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)為軟件體系，實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)，具有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景。

電纜；反射；分布參數(shù)；片上系統(tǒng)

“十二五”期間，國(guó)家將投巨資進(jìn)行電網(wǎng)升級(jí)改造，如何做到迅速查找電纜故障點(diǎn)并予以修復(fù)，是智能電網(wǎng)建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

電纜在運(yùn)行過程中，易受砸、壓、碰以及有害物質(zhì)的腐蝕，發(fā)生漏電、短路、斷線等故障。電纜的故障是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，因電纜斷路、短路引發(fā)的各類重大事故的案例屢見不鮮。另外，電纜鋪設(shè)具有隱蔽性，傳輸距離較長(zhǎng)，查找故障點(diǎn)十分困難。

本文利用電力電纜的分布式參數(shù)特征，在反射法基礎(chǔ)上，以SoPC為硬件，設(shè)計(jì)了一種電力電纜故障點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位電力電纜故障，提高現(xiàn)場(chǎng)故障判斷的準(zhǔn)確性、快速性，對(duì)于用電安全具有重要意義，應(yīng)用前景廣泛。

1 分布參數(shù)模型檢測(cè)電纜故障點(diǎn)原理

為檢測(cè)電纜故障類型及其位置，在電纜上發(fā)送的信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于電纜長(zhǎng)度，即可把電纜看成分布參數(shù)模型[1]，若電纜分布式參數(shù)沿線均勻，則電纜上信號(hào)電壓通解為：

利用長(zhǎng)線終端開路、短路等不同情況，反射系數(shù)也不同，來判斷故障類型，進(jìn)而判斷故障點(diǎn)大致位置。

若電纜正常工作，根據(jù)最大功率傳遞定理，為達(dá)到傳輸效率最佳，一般有 ZL≈Z0，由（3）式可得，反射系數(shù)ΓL≈0，信號(hào)無反射，信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)呈行波[2]工作狀態(tài)。

當(dāng)傳輸線終端短路，即 ZL=0，由（3）式可得，反射系數(shù) ΓL=-1，信號(hào)呈駐波工作狀態(tài)，終端的入射波將被全反射，此時(shí)電壓為 u（z，t）=ui（z，t）=A1e-αzcos（ωt-βz），波形如圖1所示。其中圖1（a）是信號(hào)電壓和電流波形，圖1（b）是不同位置時(shí)阻抗性質(zhì)，圖1（c）是阻抗模型。

當(dāng)傳輸線終端開路，一般有 ZL=∞，由式（3）可得，反射系數(shù)ΓL=1，信號(hào)也呈駐波工作狀態(tài)，但波形有別于短路狀況，如圖2所示。

比較圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，信號(hào)電壓和電流峰值位置不同，阻抗的性質(zhì)也不同，將反射信號(hào)波形顯示出來，通過波形可判斷故障性質(zhì)。

利用信號(hào)的傳播速度，測(cè)出發(fā)送、接收信號(hào)的時(shí)間差 Δt，即可通過 L=ν·Δt/2，計(jì)算出故障點(diǎn)位置。 其中，ν為發(fā)射信號(hào)的傳播速度。

2 電纜故障點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備的硬件架構(gòu)

以SoPC為硬件，電纜故障點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖3所示。NiosⅡ軟核CPU及各種所需的外設(shè)均通過SoPC Builder集成在一片F(xiàn)PGA中[3]，構(gòu)成本系統(tǒng)所需硬件的可重構(gòu)部分，實(shí)現(xiàn)真正的可編程片上系統(tǒng)。為了在低成本情況下完成預(yù)定功能，選擇了Cyclone FPGA系列器件中的EP1C6。EP1C6無論是從邏輯資源還是存儲(chǔ)器均能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 主要IP核設(shè)計(jì)

（1）UART內(nèi)核：通用異步接收器/發(fā)送器。UART內(nèi)核執(zhí)行RS-232協(xié)議，它為FPGA上的嵌入式系統(tǒng)和外部設(shè)備提供了串行字符流的通信方式。

帶Avalon接口[4]的JTAG-UART內(nèi)核還提供Nios CPU系統(tǒng)到PC機(jī)的連接通路，通過JTAG-UART在PC機(jī)上調(diào)試Nios CPU所需要的程序，并通過監(jiān)控程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制。

（2）PIO內(nèi)核：并行輸入/輸出內(nèi)核。它提供Avalon從控制器端口到通用I/O口間的映射接口。該IP核是常規(guī)的外設(shè)控制接口。通過PIO，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量讀取，鍵盤輸入，對(duì)LED、LCD等外設(shè)進(jìn)行控制。SoPC Builder中提供了PIO內(nèi)核，可以很容易將PIO內(nèi)核集成到SoPC Builder生成的系統(tǒng)中。

（3）EPCS內(nèi)核：帶Avalon接口的EPCS設(shè)備控制器內(nèi)核。EPCS包含1 KB的片內(nèi)存儲(chǔ)器。該IP核允許NiosⅡ系統(tǒng)訪問EPCS串行配置芯片，管理FPGA配置數(shù)據(jù)，主要用于存儲(chǔ)程序代碼或一些非易失性數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中用于波形存儲(chǔ)。

（4）三態(tài)總線橋：該IP核是Avalon和Avalon-Tri BUS總線以及Avalon和Wishbone總線的橋接控制器，用于連接兩種不同總線。考慮A/D轉(zhuǎn)換器等外設(shè)需要自行開發(fā)I2C配置接口，這些外設(shè)不能直接連到Avalon總線上，需要通過橋接控制器并以IP核的形式通過SoPC Builder連接到系統(tǒng)的Avalon總線上。

2.2 信號(hào)的收發(fā)

2.2.1 信號(hào)的產(chǎn)生與發(fā)送

從微波理論可知，發(fā)送信號(hào)的頻率越高越接近于長(zhǎng)線理論[5]，即滿足電纜分布式參數(shù)沿線均勻條件。但信號(hào)頻率越高，線路的高頻損耗越大，信號(hào)容易畸變，給檢測(cè)也會(huì)帶來困難。在SoPC中，信號(hào)的產(chǎn)生以及信號(hào)的頻率和幅度可方便地由軟件調(diào)整。實(shí)驗(yàn)測(cè)定，若測(cè)距在10 km左右，信號(hào)的頻率大約在1.5 MHz～150 MHz為宜。

考慮到SoPC器件的驅(qū)動(dòng)能力微弱，不能直接發(fā)送給被測(cè)電纜，必須要經(jīng)過一定的放大，故末端采用高頻變壓器加上高頻晶體管射極驅(qū)動(dòng)電路的形式。

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

采用Analog Devices公司的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9481，該轉(zhuǎn)換器采樣頻率可達(dá)200 MHz，具有高速、低功耗、體積小的特點(diǎn)。適合高采樣頻率和寬帶寬的場(chǎng)合。為解決信號(hào)小不易檢測(cè)的矛盾，應(yīng)加入前置放大級(jí)。參考AD9481數(shù)據(jù)手冊(cè)，采用了AC耦合、雙極性放大器接法。

3 電纜故障點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備的軟件開發(fā)

軟件系統(tǒng)體系主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植、應(yīng)用級(jí)代碼編寫等部分。為了方便用戶編程，NiosⅡ IDE提供了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在新建工程時(shí)NiosⅡ IDE會(huì)根據(jù)SoPC Builder對(duì)系統(tǒng)硬件配置自動(dòng)生成一個(gè)定制的HAL，即硬件抽象層（HAL）系統(tǒng)庫(kù)?；贖AL系統(tǒng)庫(kù)的軟件工程的創(chuàng)建和管理與NiosⅡ IDE緊密相關(guān)，圖4為 NiosⅡ IDE工程結(jié)構(gòu)[6]。

一個(gè)NiosⅡ IDE工程包括兩個(gè)工程：用戶應(yīng)用程序工程和HAL系統(tǒng)庫(kù)工程。用戶應(yīng)用程序工程中包含所有的用戶代碼文件，最終的可執(zhí)行映象由此工程生成。HAL系統(tǒng)庫(kù)工程中包含所有與硬件處理器相關(guān)的接口信息，系統(tǒng)庫(kù)工程基于用戶定制的NiosⅡ處理器系統(tǒng)，由SoPC Builder自動(dòng)生成.ptf文件。

HAL應(yīng)用程序接口（API）與ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)綜合在一起，可以使用類似C語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)來訪問硬件設(shè)備或文件，如 printf（）、fopen（）等，而無須關(guān)心底層硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，用該系統(tǒng)對(duì)1 000 m的電纜進(jìn)行多次模擬測(cè)試，包括短路和開路情況，所顯示的故障類型正確，故障點(diǎn)距離均方根誤差 E＜1%，表明該系統(tǒng)具有良好的精度。但實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際的電纜敷設(shè)環(huán)境差別較大，實(shí)際的敷設(shè)環(huán)境和故障現(xiàn)象要復(fù)雜得多，電纜運(yùn)行可能出現(xiàn)既非短路又非開路情況，如漏電故障。此時(shí)，反射回的信號(hào)呈現(xiàn)行駐波的方式，這種工作模式需要提高系統(tǒng)的靈敏度，可以從提高設(shè)備的抗干擾能力和合理調(diào)節(jié)發(fā)送信號(hào)的頻率兩個(gè)方面予以改進(jìn)。

[1]王新穩(wěn)，李萍，李延平.微波技術(shù)與天線[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]戴軍.現(xiàn)代微波與天線測(cè)量技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]周立功.SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]Altera Corportion.Cyclone device handbook（All Sections）.2005.

[5] OTA H， ICHIHARA M， MIYAMOTO N， etal.Application and Test of long-distance 275 kV XLPE cable lines[J].IEEE.Transactions on Power Delivery，1995，10（2）：567-579.

[6]楊浩，林爭(zhēng)輝，鞠海，等.基于嵌入式處理器軟核的DVB_S基帶處理系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2005，31（6）：203-205.

Seeking fault points of electric cable based on distributing parameter model

Ding Xiaogui，Qian Meng，Jiang Jinjian

（Department of Computer and Information，Anqing Normal College，Anqing 246011，China）

Seeking and repairing fault points of electric cable is an importance item in building intelligentized electricity net.Judging fault by reflect signal and signal round trip time.Design a device based on distributing parameter model.In this device，Nios II soft CPU core and peripheral’s IP core are embedded in FPGA，the μC/OS-II real-time operating system is replanted.The device realizes fault seeking.It has fine applicability and application prospect.

electric cable；reflect；distributing parameter；SoPC

TP277

A

1674-7720（2011）03-0076-03

安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2010A231）

2010-09-10）

丁曉貴，男，1971年生，副教授，碩士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與智能控制。