智能電纜故障系統(tǒng)定位技術(shù)及電網(wǎng)新材料應(yīng)用的研究

胡超強(qiáng) 黃應(yīng)敏 鄒科敏 邵源鵬 高偉光

摘要：為了有效及時(shí)地排除電纜線系統(tǒng)故障，人們研發(fā)出來(lái)電纜線故障定位系統(tǒng)，便于電纜維護(hù)檢修工人能夠在第一時(shí)間對(duì)電纜線故障點(diǎn)精確定位。文章將圍繞“智能電纜故障系統(tǒng)定位技術(shù)的研究”這一話題，結(jié)合現(xiàn)有的電纜故障系統(tǒng)定位理論及定位技術(shù)，介紹了一種新的智能電纜故障定位儀的整體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。智能電纜故障定位儀具有很高的安全性能和智能化水平，其研發(fā)目的就是為了能夠在電纜線出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量出故障點(diǎn)，從而迅速排查出故障點(diǎn)，消除電路故障。此外，智能電網(wǎng)還實(shí)現(xiàn)了其在計(jì)算機(jī)技術(shù)與新材料技術(shù)、新能源技術(shù)之間的有效融合，涉及到新型節(jié)能材料、新型電工絕緣材料、新型智能材料，這是電力行業(yè)一次跨越式的產(chǎn)業(yè)變革。

關(guān)鍵詞：電纜故障問(wèn)題;智能定位技術(shù);電纜故障定位儀;硬軟件設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM734文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）11-0174-04

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)電纜故障精確定位要經(jīng)歷3個(gè)環(huán)節(jié)：電纜故障性質(zhì)診斷環(huán)節(jié)、電纜故障測(cè)距環(huán)節(jié)、電纜故障定點(diǎn)環(huán)節(jié)。電纜故障性質(zhì)診斷環(huán)節(jié)能夠確定電纜故障的類(lèi)型與嚴(yán)重性，這是電纜故障檢測(cè)維修人員選擇測(cè)距與定點(diǎn)方法的基本依據(jù)。電纜故障測(cè)距環(huán)節(jié)，又被成為“粗測(cè)”，是指粗略測(cè)出發(fā)生故障的電纜的大體位置。電纜故障定點(diǎn)環(huán)節(jié)又稱(chēng)為“精測(cè)”，要求能夠準(zhǔn)確探測(cè)出電纜線發(fā)生的故障點(diǎn)。本文以化工材料光導(dǎo)纖維為原料，試圖設(shè)計(jì)出一款新型電纜故障探測(cè)儀，使之同時(shí)兼具有探測(cè)精度高、功能齊全、體積小、便攜、方便使用、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。

1智能電纜故障定位儀基本設(shè)計(jì)思想

在進(jìn)行新型智能電纜故障定位儀設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)的智能電纜故障定位儀需要同時(shí)兼具自動(dòng)記錄、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)顯示、支持與PC機(jī)智能通訊等基本功能，在沒(méi)計(jì)的過(guò)程中，將其硬件組成和軟件組成按照各自執(zhí)行的功能不同，將其分為若干個(gè)子模塊，并逐一進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試。最終的智能電纜故障定位儀設(shè)計(jì)流程如圖1所示。由圖1可知，在本設(shè)計(jì)中，故障電纜的被測(cè)電壓信號(hào)是經(jīng)過(guò)電壓傳感器轉(zhuǎn)換后得到了與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的故障電纜電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)處理后得到詳細(xì)的故障電纜電壓數(shù)據(jù)。最終該數(shù)據(jù)可以由數(shù)碼管顯示出來(lái)，進(jìn)一步傳送到PC機(jī)上后，便可以在PC機(jī)終端進(jìn)一步存儲(chǔ)、加工、復(fù)用。

具體而言，本設(shè)計(jì)中提到的智能電纜故障定位儀具有如下4個(gè)特點(diǎn)：①具備數(shù)據(jù)處理功能。該新型智能電纜故障定位儀能夠在PC機(jī)終端系統(tǒng)對(duì)故障電纜電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于運(yùn)算分析，這是其性能上的一大優(yōu)勢(shì)。②輸出形式多元。本設(shè)計(jì)可以將故障電纜傳輸過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)及故障點(diǎn)位置顯示在PC機(jī)的LED顯示屏上，此外，電纜檢修維護(hù)人員還能夠通過(guò)左右兩個(gè)發(fā)光的二極管來(lái)判斷電橋的平衡狀態(tài)，以此來(lái)決定電位器的調(diào)節(jié)方向，從而使電橋快速達(dá)到平衡。③通訊接口為USB接人設(shè)計(jì)。④定位系統(tǒng)運(yùn)用了isplsi-1016可編程邏輯器件，將硬件軟件系統(tǒng)聯(lián)合在一起，為最終的系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)了巨大便利。

2智能電纜故障定位儀硬件設(shè)計(jì)分析

新型智能電纜故障定位儀硬件設(shè)計(jì)主要包括電源電路設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換電路、LED顯示電路、USB傳輸電路幾個(gè)核心部分。下面針對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)作進(jìn)一步詳細(xì)分析。

2.1單片機(jī)的選擇

單片機(jī)是指把微型計(jì)算機(jī)的主要功能區(qū)塊集中在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)，種類(lèi)繁多，功能也十分多樣，是智能定位儀設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的核心設(shè)備。本設(shè)計(jì)中選用AT89C52作為定位儀的單片機(jī)。AT89C52型單片機(jī)是一種功耗較低、處理性能優(yōu)的微處理器，其內(nèi)含8k字節(jié)的可編程Flash存儲(chǔ)器的CMOS8位微處理器，是一種可擦除的電子元件。具體而言，選擇AT89C52作為單片機(jī)具有Flash存儲(chǔ)器為8K字節(jié)，并且可以重復(fù)編程，并且存儲(chǔ)器可擦除，次數(shù)在1000次以上，數(shù)據(jù)有效保存時(shí)間在10年以上。此外，AT89C52單片機(jī)還具有256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、32條內(nèi)部可編程的I/O線、16位定時(shí)器和計(jì)數(shù)器有三組以及6個(gè)向量源。

2.2isplsi-1016可編程邏輯器件

ISP是一種新型可編程器件，它有效地消除了傳統(tǒng)PLD系統(tǒng)的功能和連接上的局限性，在板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、制造、編程方面十分便利。此外，ISP可編程邏輯器件的應(yīng)用提高了硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的靈活性，從而便于修改與更新?lián)Q代。isplsi-1016可編程邏輯器件的組成結(jié)構(gòu)如下：

2.2.1集總布線區(qū)

集總布線區(qū)位于可編程器件的正中央，并且通過(guò)固定的方式將芯片內(nèi)部各種邏輯關(guān)系連接在一起，以集中供設(shè)計(jì)人員使用其功能。集總布線區(qū)的特點(diǎn)是它允許來(lái)自萬(wàn)能邏輯塊的輸出或者I/O單元的輸入與萬(wàn)能邏輯塊的輸入連接，并且芯片內(nèi)人任何萬(wàn)能邏輯輸出都可以作為其他萬(wàn)能邏輯塊的輸入。同理，各個(gè)I/0引腳的輸入可以作為所有萬(wàn)能邏輯塊的任意一個(gè)輸入。

2.2.2萬(wàn)能邏輯塊

萬(wàn)能邏輯塊是isplsi-1016可編程邏輯器件的基本結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)isplsi-1016可編程邏輯器件內(nèi)部共有16個(gè)萬(wàn)能邏輯塊。萬(wàn)能邏輯塊與邏輯陣列、乘積項(xiàng)之間可以共享，共同組成4輸出邏輯宏單元。通常萬(wàn)能邏輯塊有物種常見(jiàn)的組態(tài)模式，分別是標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)模式、高速直通組態(tài)模式、異或邏輯組態(tài)模式、單個(gè)乘積項(xiàng)組態(tài)模式、混合組態(tài)模式。

2.2.3巨型塊

巨型塊是isplsi-1016可編程邏輯器件中某一相關(guān)部分的總稱(chēng)。對(duì)于不同型號(hào)、不同系列的isplsi器件，其內(nèi)含巨型塊的數(shù)目也各不相同。以本設(shè)計(jì)中使用到的isplsi-1016可編程邏輯器件為例，它含有2個(gè)巨型塊。每一個(gè)巨型塊是均是由8個(gè)萬(wàn)能邏輯快和1個(gè)輸出布線區(qū)，以及16個(gè)I/O單元、2個(gè)專(zhuān)用輸出、1個(gè)公共乘積項(xiàng)組成。

2.2.4輸入總線

輸入總線是isplsi-1016可編程邏輯器件內(nèi)負(fù)責(zé)信號(hào)輸入的主要功能區(qū)域，一般來(lái)說(shuō)，可編程邏輯器件內(nèi)部的信號(hào)輸入主要有2種處理方式。①將可編程邏輯器件內(nèi)的每個(gè)I/O單元直接與集總布線區(qū)連接，這樣一來(lái)，可編程邏輯器件內(nèi)部的每一個(gè)萬(wàn)能邏輯塊都能夠選取每個(gè)I/O單元輸入。②將每個(gè)巨型塊的兩個(gè)專(zhuān)用的輸入與巨型塊的8個(gè)萬(wàn)能邏輯塊直接連接在一起。本設(shè)計(jì)中選擇第二種連接方式。

2.2.5輸出布線

顧名思義，輸出布線區(qū)能夠?qū)⒏鞣N通過(guò)I/O輸人口輸入到可編程邏輯器件內(nèi)的信號(hào)通過(guò)萬(wàn)能邏輯塊導(dǎo)出到相應(yīng)的I/O單元系統(tǒng)，它是一種用于連接溝通萬(wàn)能邏輯塊和I/O單元系統(tǒng)之間的可程序化控制的互聯(lián)陣列。本設(shè)計(jì)所用輸出布線結(jié)合具體的設(shè)計(jì)輸入工況與線路引腳配置，自主對(duì)輸出布線區(qū)編寫(xiě)相應(yīng)的程序。本設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)在于消除了I/O連接單元和萬(wàn)能邏輯塊之間固化的順序?qū)?yīng)關(guān)系，這便使得萬(wàn)能邏輯塊和外部引腳的程序編寫(xiě)可以分開(kāi)獨(dú)立進(jìn)行。在實(shí)際的操作過(guò)程中，不需要改變外部引腳的情況，就能夠直接修改或者重新設(shè)計(jì)芯片內(nèi)部的邏輯功能。

2.3數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2.3.1選擇A/D轉(zhuǎn)換器

根據(jù)智能電纜故障定位儀的整體設(shè)計(jì)可以看出，PC機(jī)終端采集的實(shí)際上是故障電纜電壓信號(hào)的模擬量，它不能夠直接被送人單片機(jī)中，否則單片機(jī)將不能夠正確識(shí)別、讀取電壓信號(hào)反饋的實(shí)際信息。這就要求在系統(tǒng)的信號(hào)采集端和單片機(jī)的信號(hào)處理段接人一段A/D轉(zhuǎn)換，以此來(lái)確保單片機(jī)把從故障電纜上采集到的連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的離散的數(shù)字量。目前使用較多的A/D轉(zhuǎn)換電路模型有多種，包括計(jì)數(shù)比較型、逐次逼近型、雙積分型等。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇指標(biāo)主要有處理速度、處理精度、價(jià)格等。以本設(shè)計(jì)為例，在充分地考慮到工況需要的情況下，選用的轉(zhuǎn)換器類(lèi)型為ADC0809，其A/D轉(zhuǎn)換器即為逐次逼近型，8位，輸入方式是單通道，轉(zhuǎn)換時(shí)間10us，電源電壓為+5V。

2.3.2選擇ADC0809和ATCB9C52的接口

本設(shè)計(jì)中二者之間的接口采用等待延時(shí)方式。

2.4LED顯示電路設(shè)計(jì)

在LED顯示方式的選擇上主要有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。在本設(shè)計(jì)中優(yōu)先選擇了靜態(tài)設(shè)計(jì)，即當(dāng)LED顯示某個(gè)字符時(shí)，其對(duì)應(yīng)的二極管將會(huì)處于恒定導(dǎo)通或者截止?fàn)顟B(tài)，直到下一個(gè)字符開(kāi)始顯示。處于靜態(tài)顯示工作狀態(tài)的LED顯示器，內(nèi)部的各個(gè)位點(diǎn)的共陰極接地，陽(yáng)極接+5V電源，并且每一個(gè)位點(diǎn)都是直接與一個(gè)8位的鎖存器輸出口連接，且各個(gè)位點(diǎn)相互獨(dú)立，已經(jīng)輸出便維持不變。靜態(tài)LED顯示編程過(guò)程簡(jiǎn)易，便于管理，。

2.5USB傳輸電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的USB傳輸接口是PDIUSBDl2接口芯片，采用USB傳輸電路接口具備以下優(yōu)點(diǎn)：①方便用戶使用，具備自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)和配置、支持靜態(tài)接人等功能;②應(yīng)用范圍廣泛;③成本低廉，升級(jí)方便。

3智能智能電纜故障定位儀軟件設(shè)計(jì)分析

智能智能電纜故障定位儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，如圖2所示。

4智能電纜定位儀的功能實(shí)現(xiàn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的人工巡查電纜檢測(cè)，智能定位儀具有如下突出功能。①侵入檢測(cè)功能。智能電纜侵入監(jiān)測(cè)功能主要是面向于人為的電纜偷盜或破壞行為開(kāi)發(fā)。一旦有上述情況發(fā)生，將會(huì)對(duì)智能電纜側(cè)邊的光纜內(nèi)傳輸光束帶來(lái)擾動(dòng)，擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)由傳輸線將振動(dòng)信號(hào)傳輸至PC機(jī)終端系統(tǒng)的主機(jī)上，經(jīng)過(guò)加工處理后，顯示在顯示屏上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，智能電纜定位儀該功能靈敏度很高，漏報(bào)率極低，測(cè)量距離大于20km，空間分辨率為±3m。②防區(qū)定位。當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，智能電纜定位系統(tǒng)能夠根據(jù)外部環(huán)境情況，自由設(shè)置報(bào)警防區(qū)，判定電纜故障的安全級(jí)別，這便有助于為電纜檢修維護(hù)人員準(zhǔn)確定位，提高光纜檢修效率。③聯(lián)動(dòng)功能。智能電纜定位儀集中實(shí)現(xiàn)了電纜故障的監(jiān)測(cè)、識(shí)別、定位、報(bào)警、威懾、制止等功能，還能夠，聯(lián)動(dòng)相應(yīng)位置視頻攝像頭，追蹤侵入對(duì)象。

5智能電網(wǎng)新材料技術(shù)發(fā)展

與電力行業(yè)一樣，材料工業(yè)也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)，電力行業(yè)新一輪產(chǎn)業(yè)變革勢(shì)必是建立在互聯(lián)網(wǎng)和新材料、新能源相結(jié)合之上的新型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。研發(fā)出新型的電纜材料也是優(yōu)化電網(wǎng)性能的關(guān)鍵。目前在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)用到的新材料主要包括新型節(jié)能材料、新型電工絕緣材料、新型智能材料3大類(lèi)。

5.1新型節(jié)能材料

5.1.1高導(dǎo)鋁合金

目前在電工鋁合金導(dǎo)體材料的研究及應(yīng)用環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外較為著名的研發(fā)單位有日本住友電工、古河電工、意大利比瑞利公司、法國(guó)內(nèi)克森公司及美國(guó)通用電纜公司、以及國(guó)家電網(wǎng)公司。例如，目前國(guó)際上推廣使用較廣的有高導(dǎo)電率的鋁合金導(dǎo)線，其導(dǎo)電率在53%以上，抗拉強(qiáng)度IACS則在295MPa以上。在國(guó)內(nèi)國(guó)家電網(wǎng)公司在2010-2015年間研發(fā)的鋼芯62.5%的IACS高導(dǎo)電率硬鋁絞線和鋼芯58.5%IACS中強(qiáng)全鋁合金節(jié)能導(dǎo)線在電路電壓為110～500kV的電網(wǎng)線路中應(yīng)用性能良好。

5.1.2磁性材料

在磁性材料的應(yīng)用方面，國(guó)際上通用的選材取向是硅鋼、配電變壓器用非晶合金、高頻軟磁材料以及低磁鋼材料等。例如，日本研發(fā)的0.18、0.20mm厚，磁感達(dá)到1.92T以上，鐵損失率在0.6～0.85W/kg規(guī)格系列的取向硅鋼，在電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。高性能磁性硅鋼材料在電力電子設(shè)備中的有效應(yīng)用，極大地提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的能耗水平。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司研發(fā)的0.27mm、0.18mm取向硅鋼在國(guó)際上的相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)處于較為先進(jìn)的水平。

5.2新型電工絕緣材料

一直以來(lái)，國(guó)際上的新型電工絕緣材料研發(fā)技術(shù)方面處于被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷的狀態(tài)，我國(guó)在這方面還相對(duì)薄弱。在電纜絕緣料方面，500kV直流電纜絕緣料主要被日本壟斷;在熱塑性絕緣材料方面，ABB公司已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)熱塑性固封極柱在中壓開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用;電子設(shè)備封裝材料中常用到的高耐熱環(huán)氧封裝絕緣材料和高導(dǎo)熱硅膠灌封材料則被日、美等國(guó)占據(jù)。

5.3新型智能材料

智能材料主要用于接地網(wǎng)、輸電線路、繼電保護(hù)等環(huán)節(jié)，常用的智能材料有硅、石英、鈦酸鉛、氧化鋅、記憶合金、碲化鉛、碲化鉍等傳統(tǒng)智能材料。未來(lái)電網(wǎng)系統(tǒng)智能材料的應(yīng)用將主要有兩大方向，一個(gè)是傳感元件微加工，另一個(gè)是計(jì)算機(jī)軟件和補(bǔ)償傳感器性能的提升。

6結(jié)語(yǔ)

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)城市化建設(shè)進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，城鄉(xiāng)結(jié)合日益密切。城市化建設(shè)極大地推動(dòng)力我國(guó)電力行業(yè)的蓬勃發(fā)展。在國(guó)家投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行電網(wǎng)改造的同時(shí)，城市和鄉(xiāng)村聯(lián)網(wǎng)步伐穩(wěn)步提升，電纜線路的增長(zhǎng)也與日俱增?，F(xiàn)如今，無(wú)論是大型重工業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，還是城鄉(xiāng)居民的日常生活，或是城市大批量服務(wù)行業(yè)的正常運(yùn)作，時(shí)時(shí)刻刻都離不開(kāi)電力的正常供應(yīng)。在供電系統(tǒng)中，電纜線故障問(wèn)題一直以來(lái)都是電力系統(tǒng)的癥結(jié)所在，屬于電力系統(tǒng)中多發(fā)、易發(fā)的高頻事故點(diǎn)。由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用并不斷完善新型智能電纜故障定位儀對(duì)于供電網(wǎng)絡(luò)安全、平穩(wěn)地運(yùn)行意義重大，不容小覷。