基于DSP+FPGA的高壓電纜故障定位系統(tǒng)的研究

王志立++夏傳鯤

摘 要：針對(duì)高壓電纜故障如何做出精確定位問題，設(shè)計(jì)了基于脈沖注入的局部放電定位法的高壓電纜故障定位裝置。該裝置以DSP+FPGA雙CPU為核心，在電纜本體或者屏蔽接地線上安裝高頻電磁耦合傳感器，局部放電（PD）脈沖信號(hào)在電纜屏蔽層中會(huì)被感應(yīng)到，經(jīng)FPGA處理模塊反應(yīng)與DSP控制傳輸送至后臺(tái)管理軟件，可快速精確判斷電纜故障所在位置。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析證明了該裝置的有效性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：高壓電纜 脈沖注入 局部放電 故障定位

中圖分類號(hào)：TH762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）11（b）-0036-03

Abstract： Aiming at the problem of how to locate the fault of high-voltage cable， this paper introduces a high-voltage cable fault locating device based on partial injection discharge. The device uses the DSP + FPGA dual CPU as the core to sense the partial discharge （PD） pulse signal in the cable shielding layer through the high frequency electromagnetic coupling sensor installed on the shielding grounding wire or the cable body， The FPGA processing module response and DSP control transmission to the background management software， can quickly and accurately determine the point where the cable fault. The validity and accuracy of the method are proved by laboratory and field test.

Key Words： High-voltage cable； Pulse injection； Partial discharge； Fault location

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，高壓電纜已經(jīng)變成供電系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分。相對(duì)于傳統(tǒng)的架空線路，利用電纜對(duì)電力進(jìn)行傳輸具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如：更加安全、受環(huán)境影響小、深埋于地下有利于城市空間的利用以及廠礦的布局等。因此，電纜在供電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高壓供電事故中，電纜故障引發(fā)的事故約占事故總數(shù)的半數(shù)以上。如果故障點(diǎn)的確切位置不能被及時(shí)查找出，快速檢修就無法完成，會(huì)造成停電、停產(chǎn)等一系列問題，帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)于減少甚至避免高壓電纜故障的發(fā)生，故障點(diǎn)怎樣被快速地、有效地找到并修復(fù)至關(guān)重要。

高壓電纜的故障定位方法同樣包括兩種，分別為時(shí)域反射法（TDR）和基于脈沖注入的局部放電定位法。兩種定位方法都是以局部放電為基礎(chǔ)，不同點(diǎn)就是后者需要在運(yùn)行的電纜運(yùn)行注入脈沖信號(hào)。

時(shí)域反射法的基本原理就是以局部放電（PD）脈沖為依據(jù)，利用PD信號(hào)在電纜介質(zhì)中的傳播和反射特性，在電纜的一端接地線上連接電流傳感器，通過測(cè)量PD脈沖的入射波與反射波的時(shí)間差，同時(shí)根據(jù)電纜的總長和傳播速度最終確定電纜的故障點(diǎn)。但由于脈沖信號(hào)在傳播過程中的衰減、反射和頻散，導(dǎo)致單純的時(shí)域反射法很難應(yīng)用于長距離的電纜故障定位。

基于脈沖注入的局部放電定位法克服了時(shí)域反射法檢測(cè)靈敏度差的特點(diǎn)，利用脈沖收發(fā)器技術(shù)，在電纜的監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)加裝高頻耦合互感器和脈沖收發(fā)器，當(dāng)高頻耦合互感器檢測(cè)到高于局放閥值的PD脈沖信號(hào)時(shí)，脈沖收發(fā)器向電纜注入高幅值的脈沖信號(hào)，來代替電纜本身發(fā)出的PD脈沖，通過測(cè)量注入脈沖的入射及反射時(shí)差確定電纜的故障位置。

綜合考慮，基于雙端脈沖注入的局部放電電纜故障定位方法，它克服了單端脈沖法定位精度不高的問題，同時(shí)采用硬件濾波去噪設(shè)計(jì)保證了低頻脈沖信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，使得高壓電纜故障定位精度得到了很好的保證。

1 基于雙端脈沖注入的局部放電故障定位方法基本原理

基于雙端脈沖注入的局部放電故障定位方法其基本原理就是在高壓電力電纜的首末兩端安裝高頻傳感器，當(dāng)電纜的任何一處出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部放電脈沖，同時(shí)脈沖會(huì)以一定的速度向故障點(diǎn)的兩側(cè)傳播。其中一側(cè)經(jīng)過一定距離的傳播直接反饋到電流傳感器；另一側(cè)則需要經(jīng)過電纜非傳感器一端的反射，再經(jīng)過整段電纜的傳播被電流傳感器所接收。最終通過計(jì)算兩個(gè)信號(hào)接收的時(shí)間差具體確定高壓電力電纜故障點(diǎn)的具體位置，該方案其原理圖如圖1所示。

基于脈沖注入的局部放電發(fā)對(duì)高壓電纜進(jìn)行故障定位時(shí)，電纜介質(zhì)中發(fā)射低壓脈沖如圖1所示。低壓脈沖在電纜介質(zhì)中的傳播，當(dāng)介質(zhì)不同時(shí)會(huì)發(fā)生透射和反射現(xiàn)象。在這里媒介就是電纜介質(zhì)中阻抗不匹配點(diǎn)，一般情況下不匹配點(diǎn)由電纜接頭、短路或者斷路等情況引起的。這樣可以根據(jù)低壓脈沖在電纜中遇到阻抗不匹配或者不連續(xù)點(diǎn)反射計(jì)算時(shí)間完成故障定位。向電纜中發(fā)射低壓脈沖，在電纜特性阻抗不連續(xù)位置低壓脈沖會(huì)將脈沖發(fā)射到電纜的發(fā)射端，利用定位儀器計(jì)算出發(fā)射脈沖和反射脈沖之間的時(shí)間差。時(shí)間差為脈沖來回一次的時(shí)間。根據(jù)電纜數(shù)據(jù)計(jì)算出低壓脈沖在電纜媒介中傳播的波速，利用低壓脈沖法定位原理公式計(jì)算定位距離，計(jì)算公式如下：

（1）

在高壓電纜出現(xiàn)故障點(diǎn)而產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，兩端的傳感器會(huì)收到兩個(gè)局部放電信號(hào)，第二個(gè)信號(hào)是反方向的信號(hào)，可以忽略不計(jì)，只需考慮電纜兩端互感器接收第一個(gè)信號(hào)的時(shí)間差，局部放電信號(hào)監(jiān)測(cè)仿真圖如圖2所示。endprint

針對(duì)高壓電纜可能出現(xiàn)的電纜低阻、斷路、短路故障，基于低壓脈沖注入的局部放電定位法具有很好的效果，操作簡單方便，原理清晰[3]。

在基于低壓脈沖注入的局部放電定位法進(jìn)行電纜故障定位的系統(tǒng)中，色散及衰減對(duì)位置的影響有了顯著改善。對(duì)比常用的單端TDR法，局部放電脈沖信號(hào)有更短的傳播距離[5]。阻抗對(duì)局部放電脈沖信號(hào)的影響也會(huì)減小，對(duì)PD脈沖擁有更高的識(shí)別度。在實(shí)際應(yīng)用中，存在通信傳輸與時(shí)間同步的難題，因此，對(duì)硬件的設(shè)計(jì)有很高的要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于低壓脈沖注入的局部放電定位法設(shè)計(jì)。其原理是以高頻電磁耦合局部放電法為基礎(chǔ)，高壓線路不與系統(tǒng)直接連接，通過在電纜本體或屏蔽接地線上安裝高頻電磁耦合傳傳感器，局部放電（PD）脈沖信號(hào)在電纜屏蔽層中會(huì)被感應(yīng)到。故障定位系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，主要由3個(gè)層次組成，分別由：由光纖通信單元、高頻電磁耦合互感器、采集與處理單元及上位機(jī)軟件系統(tǒng)組成。因通信故障造成的故障定位系統(tǒng)中斷可以通過光纖雙回路通信技術(shù)有效避免，實(shí)現(xiàn)變電站高壓電纜的遠(yuǎn)程同步在線定位?？傮w系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

現(xiàn)場(chǎng)采集單元的功能是通過高頻電流傳感器將接地電纜上的局放信號(hào)提取出來，經(jīng)過放大和過濾電路后送往數(shù)模轉(zhuǎn)化電路，從而轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，其核心硬件部分由FPGA+DSP雙CPU組成。FPGA主要完成現(xiàn)場(chǎng)大量高速數(shù)據(jù)處理，DSP主要完成光纖通信控制和輸入輸出。為保證高壓電纜故障定位系統(tǒng)中的硬件兼容性，系統(tǒng)中通信單元硬件設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)采集單元采用相同的硬件構(gòu)件。

現(xiàn)場(chǎng)局部放電信號(hào)和注入的低壓脈沖信號(hào)被FPGA芯片高速處理后，由DSP芯片及時(shí)通過光纖轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化成光電信號(hào)送往通信單元并最終送到上位機(jī)軟件系統(tǒng)，通過光纖傳輸信息能夠很大程度上避免周圍環(huán)境的噪聲和電磁干擾，提高現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)的精確度。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

信號(hào)的準(zhǔn)確采集和測(cè)量是十分重要的，通過互感器采集到局部放電模擬信號(hào)后，先進(jìn)行前置信號(hào)調(diào)理，再送給信號(hào)采集模塊。調(diào)理電路的作用是為了降低測(cè)量電纜局部放電過程中的電磁信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)噪聲等干擾，因此，調(diào)理電路具有濾波與放大的功能，同時(shí)為了使電流傳感器產(chǎn)生的電壓和后序電路的采集電壓匹配。為濾去高次諧波，必須在采樣保持回路以前使用低頻濾波器，此目的可以通過降低采樣率進(jìn)而降低對(duì)硬件芯片的選擇要求。此外，為了防止產(chǎn)生 “混疊效應(yīng)”，根據(jù)香農(nóng)定理，最高的信號(hào)頻率不能超過采樣頻率的1/2，低通濾波器的作用是為了濾除輸入信號(hào)中采樣頻率的高頻成分?，F(xiàn)場(chǎng)采集單元使用的是有源二階低通濾波器，電路圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)了基于DSP+FPGA的高壓電纜故障定位系統(tǒng)，利用該定位系統(tǒng)對(duì)國網(wǎng)鶴壁供電公司某變電站一根已確定發(fā)生絕緣故障的10kV高壓電纜線路進(jìn)行現(xiàn)在測(cè)試。設(shè)備調(diào)試圖如圖6所示，在試驗(yàn)之前，對(duì)電纜故障點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)行了標(biāo)注，上位機(jī)管理軟件顯示的局部放電波形如圖7所示。

由圖7可以得出結(jié)論：當(dāng)運(yùn)行的高壓電纜出現(xiàn)問題時(shí)，通過高頻耦合互感器可以檢測(cè)到局部放電波形，并且兩者在時(shí)域相位上具有明顯的錯(cuò)位關(guān)系，通過利用兩者間的時(shí)間差，可以達(dá)到對(duì)高壓電纜故障精確定位的作用。

4 結(jié)語

高壓電力電纜故障定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確度依賴系統(tǒng)對(duì)局部放電脈沖的識(shí)別度。為了能精確采集到局部放電信號(hào)，本文設(shè)計(jì)了DSP+FPGA雙CPU結(jié)構(gòu)的故障定位系統(tǒng)硬件。基于DSP+FPGA高壓電纜故障定位系統(tǒng)充分發(fā)揮了雙CPU結(jié)構(gòu)并行工作、分工合作的優(yōu)點(diǎn)。充分利用雙CPU的強(qiáng)大的運(yùn)算能力，通過高速數(shù)字處理FPGA完成數(shù)據(jù)采集工作，而DSP芯片主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理及輸入、輸出的控制工作。雙CPU之間通過雙口RAM、通信等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)之間通信，既具有較好的抗干擾性能，數(shù)據(jù)傳輸又具有高速率。試驗(yàn)證明該系統(tǒng)的有效性將故障點(diǎn)誤差縮小在5m范圍之內(nèi)，能滿足對(duì)高壓電纜故障定位的精度要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅進(jìn)圣.電力電纜量測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2011.

[2] 王一波.基于現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)的高壓電纜交流耐壓及局放技術(shù)應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)，2014.

[3] 樊磊.電纜故障自動(dòng)測(cè)試研究[D].西安電子科技大學(xué)，2010.

[4] 白媛.交聯(lián)聚乙烯電纜局部放電檢測(cè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海交通大學(xué)，2010.

[5] 郭麗軍，王澤忠，盧斌先.基于雙端不同步數(shù)據(jù)的故障定位的新算法研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，32（4）：9-12.

[6] 王建順.基于低壓脈沖法的煤礦高壓電力電纜故障定位研究[D].河南理工大學(xué)，2015.endprint