電力電纜故障精確定點檢測系統設計

王磊

摘 要：本文結合內蒙古烏海電業局濱河供電分局的工作實踐，提出了一種基于電磁感應傳感器以及壓電傳感器的雙傳感器電力電纜故障精確定點檢測系統設計方案。在簡單說明總體設計思路的條件下，以硬件部分以及軟件程序部分為切入點，對這一電力電纜故障精確定點檢測系統的具體設計方案進行了闡述與介紹，以供參考。

關鍵詞：電力電纜;故障精確定點檢測;信號降噪

引言：為了確保能夠第一時間發現電力電纜實際運行中所發生故障的位置，對相應位置信息實施精確點定位是必然選擇，而由于在故障檢測過程中所產生、采集到的聲音信號極容易受到外界環境多種因素的干擾，所以需要設計一種能夠完成聲音信號背景降噪的系統展開對電力電纜故障精確定點檢測任務的系統。

一、電力電纜故障精確定點檢測系統的總體設計思路分析

在本次設計的電力電纜故障精確點檢測系統中，其主要包括壓電傳感器、電磁感應傳感器、跨步電壓金屬探針、濾波放大電路、隔離放大電路、核心板（集成ARM Cotter-A9處理器、SDRAM、Flash等資源）等結構。在實際的運行過程中，主要實現對路徑的檢測，并顯示聲磁時間差以及跨步電壓信息，輸出背景噪音以及音頻等等。在跨步電壓金屬探針的支持下，可以完成對跨步電壓信號的接收，經過隔離放大電路后，所有采集到的信號會被隔離與放大;通過LCD能夠顯示出跨步電壓大小以及方向信息。

二、電力電纜故障精確定點檢測系統的硬件設計

（一）信號調理電路

對于跨步電壓金屬探針、電磁感應傳感器以及壓電傳感器來說，其所接收到的模擬信號相對微弱，因此要利用信號調理電路處理相應信號，并以此獲取到信噪比更高的信號;將該完成處理后的信號傳遞至A/D轉換器中，即可實現模數轉換，為后續處理提供更好支持[1]。其中，針對磁場信號，其能夠更為簡單的被檢測到，且不容易受到其他因素干擾，所以可以經過放大電路處理后即可傳遞至后續應用分析操作。而針對聲音信號，其普遍為低頻信號（頻率維持在15kHz以下），因此需要應用靈敏度更高的壓電傳感器（頻響范圍穩定在0.2-2kHz）進行接收。但是，壓電傳感器一般存在著內電阻相對較高的情況，所以必須要加設電荷放大器（使用前置操作）實施調理，促使電荷量轉變為電壓量之后在進行后續處理。基于這樣的前置處理，導致聲音信號受到多種因素干擾的現象更加常見，所以要加設低通濾波器實施濾波處理。

在施加于電力電纜中的脈沖高壓信號呈現出增高的趨勢時，故障點周圍一般會生成瞬時跨步電壓，由于其數值相對較高，所以容易導致儀器損壞。為了避免這一問題的發生，設置隔離放大電路實施對跨步電壓金屬探針接收到的信號展開調理。

（二）A/D轉換電路

處理器與外界模擬信號之間依托A/D轉換電路實現連接，實踐中，主要將模擬信號轉換成數字量，并傳遞至CPU展開后續處理。在本次系統設計中，選用型號為AD7689的A/D轉換芯片，結合SPI接口的加設，能夠對配置寄存器、接收轉換完成的數據實施直接寫入。

在實際的系統運行過程中，一共存在6路需要A/D轉換芯片的支持完成數模轉換。其中，壓電傳感器所采集的聲音信號經過濾波放大后連接至兩路通道，分別實現對沖擊放電聲起始點的判斷，以及在算法的支持下完成背景降噪;電磁感應傳感器設置數量為兩個，橫向放置一個、豎向放置一個，其所采集到的磁場信號在通過放大處理后連接至兩路通道，主要承擔起3對電力電纜路徑實施檢測的任務;對于使用橫向放置方法引入電磁感應傳感器來說，其所采集到的磁場信號會再次經過放大處理，并連接至單獨的一條通道，主要承擔起是否接收沖擊放電磁場信號、起始點的判斷職責;跨步電壓金屬探針所采集到的電壓信號在經過隔離放大處理后連接至獨立的一條通道，主要承擔起對跨步電壓大小、極性進行計算的任務。

（三）數據處理模塊

在本系統的核心板內包含著數據處理模塊，能夠實現對復雜圖形（2D圖形、3D圖形）、高質量音頻展開處理的效果。對于該數據處理模塊來說，其具有相對明顯的集成性，且擁有良好的多媒體性能，因此可以為用戶帶來更加良好的使用體驗。在本系統實際的運行過程中，主要應用該數據處理模塊對A/D轉換芯片所輸出的磁場數據信號、沖擊放電聲音展開處理，以此達到降低聲音信號噪的效果，并同時完成對聲磁時間差的計算、電纜路徑的判斷、對LCD顯示實施控制，最終依托人機交互實現對音頻的輸出等等。

（四）數據輸出模塊

對于數據輸出模塊而言，其主要承擔著對經過CPU處理后的數字量信息展開輸出操作的任務，用戶可以將此作為依據，實現對電力電纜故障點位置的精準判斷[2]。在數據輸出模塊中，可以細化為LCD輸出單元以及音頻輸出單元這兩個主要結構。其中，本系統主要選用TFT LCD（規格為3.5寸，分辨率為3220RGB×240）、一體化LCD驅動器作為LCD輸出單元，通過對輸入端PMW波的占空比實施調整變化，即可落實對LCD背光度的迅速調節。

三、電力電纜故障精確定點檢測系統的軟件設計

（一）驅動程序

在本系統的軟件設計中，GPIO驅動設計與實現流程主要如下：將imx6_g pics節點設置于設備樹內，同時設定屬性名稱并配置GPIO引腳;落實GPIO驅動文件的新建，并開設compatible屬性用以匹配節點;創設probe函數，對節點設置的GPIO編號進行獲取，實現申請GPIO、初始化GPIO等功能;創設ioctl函數，對相同調用命令實施定義，實現控制GPIO口電平的功能;編制Makeflie定義編譯規則，應用make命令將驅動編譯成ko內核模塊;通過xftp將其移動到目標板，在xshell中應用insmod命令加載并調試;調試完成后將驅動移動至內核，利用內核配置命令配置到內核，編譯生成dtb和zImage文件;通過mfgtools工具燒寫到Flash[3]。

在本系統的軟件設計中，LCD驅動設計與實現流程主要如下：在linux-imx4.1.15-r0內核中注入在NXP官方獲取到的LCD 8080模式補丁;對mx sfb.c以及mx sfb.h文件進行修改，對ioctl函數實施重寫;創建LCD控制器驅動ssd2119.c，實現用于初始化LCD寄存器、設置lcd接口模式和硬件參數的函數;配置設備樹節點，編譯成內核模塊，并在完成調試后加載至內核中。

（二）應用程序

本系統的應用程序主流程如下所示：線程A進入啟示階段;實施初始化，新建并開啟定時器與線程B;判斷線程B是否發出信號，如“是”，則與該信號連接的槽函數將線程B處理得到的數據輸出至LCD以及耳機，如“否”，跳過這一操作直接轉入后續步驟;判斷定時器是否出現超時問題，如“否”，則返回“判斷線程B是否發出信號”這一操作，如“是”，則進入后續操作步驟;執行刷屏、電量、按鍵或是引腳電平的檢測函數，如果檢測到引腳或者是電量的電平存在變化，那么執行相關處理函數;判斷長按關機鍵3秒或是電量電量低于5%，如“否”，則返回“判斷線程B是否發出信號”這一操作，如“是”，則進入線程A與線程B的結束操作。

總結：綜上所述，本文依托雙傳感器（電磁感應傳感器以及壓電傳感器）進行了電力電纜故障精確檢測系統的設計，細化設計了硬件部分，包括引入數模轉換電路、信號調理電路、輸出模塊等等;細化設計了軟件程序部分，包括驅動程序與應用程序，以此實現對故障檢測中所采集到所到所有聲音信號的降噪處理，進一步維護故障信號的精準程度。

參考文獻：

[1]白曉斌，王亮，楊軍，等.電力電纜故障精確定點檢測系統設計[J].電線電纜，2021（03）：32-34+40.

[2]胡立錦，楊永全.基于機器視覺技術的電纜結構參數檢測系統研究[J].四川電力技術，2020，43（06）：16-20.

[3]吳甜甜，楚彩虹，韋成杰.基于LabVIEW的電纜故障檢測系統設計[J].信息與電腦（理論版），2020，32（22）：110-111.

（內蒙古烏海電業局濱河供電分局，內蒙古 烏海 016000）