基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統研究

摘要：由于目前缺乏相應的監測技術，地下電纜線路出現異常運行狀態無法被及時發現，久而久之易演變成大故障，最終只能通過更換地下電纜進行修復，耗費大量的人力、物力。鑒于此，開發了一種基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統，利用熱傳導原理測量地下電纜表面溫度，通過測量溫度的高低判斷地下電纜的過載運行情況和異常運行狀態，并對異常運行的異常點進行預測，輔助供電人員開展異常運行電纜的檢修工作，以節省人力、物力。

關鍵詞：STM32；地下電纜；異常運行狀態；檢測系統

中圖分類號：TP277? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0052-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.014

0? ? 引言

供電線路布局主要采用架空線路和地下電纜線路兩種形式。地下電纜線路布局的好處是相比架空線路故障率更低，運行可靠性更高。但地下電纜線路由于不是明線布局，正常情況下無法憑肉眼觀察到其異常狀態，目前缺乏對地下電纜線路的監測技術，地下電纜線路出現異常運行狀態無法被及時發現，久而久之易演變成大故障[1]，最終只能通過更換地下電纜進行修復，搶修成本極大，且耗費大量的人力、物力。因此，加強地下電纜監測技術的開發是目前供電系統的重要工作之一。

本文開發了一種基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統，該系統利用熱傳導原理測量地下電纜表面溫度，通過測量溫度的高低判斷地下電纜的過載運行情況和異常運行狀態，并對異常運行的異常點進行預測，輔助供電人員開展異常運行電纜的檢修工作。該系統能及時發現地下電纜線路的異常運行狀態并提醒供電人員針對性安排檢修工作，節省了大量人力、物力。

1? ? 基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統開發與選型

1.1? ? 下位機微機系統選型

現階段，微機系統多種多樣，例如51系列單片機、STM系列單片機和PLC等。該系統下位機開發需要一個主機攜帶多個子機，最多子機數達20個，為滿足該系統下位機的開發需求，下位機微機系統必須具備足夠的運行速度。STM32系統的運行速度是72 M/s，相比于51系列單片機12 M/s的運行速度和PLC 100次/s的運行速度，具有極大的優勢。同時STM32系統具有上百個IO口，能滿足多個子機硬件上的連接。綜上，該系統下位機開發采用STM32系統。

1.2? ? 通信方式選擇

現階段，通信方式多種多樣，例如載波通信、無線通信和RS485通信等。該系統下位機開發需要一個主機攜帶多個子機，并且通信距離較長，最長需達到800 m。除此之外，由于是在地下管道內進行通信，信號衰減較大，干擾較多，對通信的穩定性有很高要求，所以該系統的下位機裝置內部通信不適合選用無線通信，無線通信適用于下位機與上位機之間的通信。再者該系統下位機裝置安裝于電纜表面，所以無法通過在電纜線路中加上載波調制信號進行載波通信。RS485通信距離最遠可達1 200多m，同時具有很強的抗干擾能力，在進行遠程通信時還可通過485中繼器加強傳輸的信號[2]；而且RS485通信在常規設置情況下可以實現一個主機攜帶31個子機，特殊處理條件下子機數最多可達400個，符合該系統下位機開發要求。

1.3? ? 電纜異常監測量選擇

地下電纜異常運行的監測量有局部放電監測、電纜載流量監測、護層電流監測和表層溫度監測等[3]，其中絕大多數監測量需要全線布置測量裝置，否則容易造成監測遺漏。但全線布置監測裝置不僅安裝難度大，而且需要耗費大量資金，不具備經濟效益。而溫度具有熱傳導性，即使異常點處沒有安裝測溫裝置，經過一定時間的熱傳導，相鄰的測溫裝置也能監測到電纜溫度異常。因此，該系統開發采用電纜表層溫度作為監測量。

1.4? ? 上位機開發

上位機選用C#編程語言開發一個軟件界面，C#具有模塊化編程功能，易于操作。上位機主要功能是通過無線通信接收轄區內各下位機裝置發送的電纜異常運行狀態信息，并發送短信給各電纜線路段所綁定的設備主人。

2? ? 基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統現場布置

基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統下位機裝置現場布置圖如圖1所示。

為了便于后續檢修，在填埋地下電纜時會預留電纜井打通地下電纜管道與地面。在設計電纜線路時，直線鋪設電纜時每隔40 m設置一個電纜井，在電纜拐彎處另設電纜井。基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統以架空線路轉接電纜線路的電纜井為起點，直線方向上每隔20個電纜井作為一個整體安裝一套完整的下位機裝置，并在電纜拐角處另立起點重新以直線方向的20個電纜井為間隔裝設下位機裝置，在直線電纜的末端，不足20個電纜井的距離也單獨裝設一套下位機裝置。基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統工作原理圖如圖2所示。

下位機裝置在起點電纜井底部安裝一套STM32系統，STM32系統內設置好該下位機裝置所監測的電纜線路段名稱，并作為該下位機裝置的數據交換和處理中心，主要處理各個測溫裝置傳入的溫度數據，并根據檢測溫度判斷該段電纜的運行狀態以及是否存在故障，最后將檢測結果通過無線信號上傳給上位機。

在每一個電纜井正下方電纜上各安裝一個測溫裝置，并依次排序，序號最多排到20，測溫裝置自帶RS485通信協議，滿足RS485通信條件，在測溫裝置測量到電纜表面溫度后，通過RS485通信將溫度數據傳入STM32系統進行綜合處理。為保證測溫裝置遠程傳輸數據的完整性，避免因傳輸路徑過長而導致信號衰減影響系統的最終判斷，下位機裝置在第二個電纜井至最后一個電纜井的底部分別安裝一個485中繼器，用于對傳輸路徑上的485信號進行接收和再發送，并在下位機裝置終端處串入一個120 Ω電阻，以保證傳輸信號不過度衰減。

下位機裝置的監測范圍為起點電纜井往前20 m處至終點電纜井往后20 m處，監測范圍全長最長800 m，小于RS485的最大通信距離，符合數據傳輸要求。在下位機裝置判斷出監測電纜線路段出現異常狀態時，下位機裝置將異常狀態的電纜線路段名稱、異常類型、異常點等信息發送給上位機，上位機在接收到數據后，在上位機界面上顯示，并通過短信形式發送到該電纜線路段所指定的設備主人的手機上，提醒設備主人及時處理電纜異常狀態。

3? ? 基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統軟件設計

在電力系統中，所選電纜的絕緣材質不同、橫截面不同、過流能力不同，其耐熱程度也不同，電纜絕緣層耐熱表如表1所示。

電纜在正常運行狀態下，其表面溫度為30～50 ℃，在此統一電纜正常運行表面溫度均值θ0為40 ℃，以便后續對電纜異常狀態的異常點進行判斷。該系統的軟件設計思路是當電纜溫度在允許長時間運行最高溫度θ1以下時，判斷電纜處于正常運行狀態；當電纜溫度介于允許長時間運行最高溫度θ1到允許短時過載運行最高溫度θ2之間時，判斷電纜處于過載狀態；當電纜溫度大于允許短時過載運行最高溫度θ2時，判斷電纜處于異常運行狀態。

基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統軟件流程圖如圖3所示。

設定變量i，用于區分各個測溫裝置，其中θi為各個測溫裝置測量到的電纜表面溫度；設定允許長時間運行最高溫度θ1和允許短時過載運行最高溫度θ2，θ1和θ2均為定值，根據所監測的電纜線路段的材質提前在STM32系統內查表設置；設定定值END，END為該下位機裝置內測溫裝置的總數值，最大為20；設定定時器計時時間為T；設定熱傳導率λ、電纜直徑d和電纜正常運行表面溫度均值θ0，三者均為定值，λ和d依據電纜的實際選材在STM32系統內進行設定，θ0設定為40 ℃；設定熱傳導速度為V，熱傳導距離為ΔS，異常點位置為S，三者用于計算預測電纜異常運行狀態下的異常點。

首先i從1開始，判斷θi是否介于θ1和θ2之間。如果θi介于θ1和θ2之間，判斷該段電纜處于過載狀態，STM32系統將該段電纜線路段名稱、電纜過載狀態和第i號測溫裝置的測量溫度發送給上位機，上位機顯示該電纜線路段過載信息并發送短信給相應的設備主人。如果θi不介于θ1和θ2之間，則i自加1后重復上述判斷，直到i大于END時，跳出循環向下繼續執行。

接著將i重新置為1，判斷θi是否大于θ2。當θi大于θ2時，啟動定時器T進行計時。判斷θi-1或者θi+1是否有一個大于θ2，如果沒有，重復判斷，直到θi-1或者θi+1有一個大于θ2時，關閉定時器T。當θi-1大于θ2時，判斷電纜出現異常狀態并且異常點在第i號電纜井前方，電纜異常點S預測公式如下式所示：

通過上述公式推測出電纜異常點在第i號電纜井前方S m處。當i為1時，屏蔽上一級下位機裝置對i=END的測溫裝置的監測，并將上一級下位機裝置i=END的測溫裝置的監測溫度數據作為判斷該級下位機裝置1號異常點預測中的θi-1。

當θi+1>θ2時，判斷電纜出現異常狀態并且異常點在第i號電纜井后方，電纜異常點S預測公式如下式所示：

通過上述公式推測出電纜異常點在第i號電纜井后方S m處。當i=END時，屏蔽下一級下位機裝置對i=1的測溫裝置的監測，并將下一級下位機裝置i=1的測溫裝置的監測溫度數據作為判斷該級下位機裝置END號異常點預測中的θi+1。

在判斷出電纜出現異常運行狀態后，STM32系統將該段電纜線路段名稱、電纜存在異常運行狀態的異常點預測位置和第i號測溫裝置的測量溫度發送給上位機，上位機在接收到信息后顯示電纜線路段名稱及其對應的異常運行異常點位置，并發送短信給相應設備主人。若θi≤θ2，則i自加1后重復判斷θi是否大于θ2，直到i>END時，跳出循環向下執行。

4? ? 結束語

基于STM32的地下電纜異常狀態檢測系統利用熱傳導原理測量地下電纜表面溫度，通過測量溫度的高低判斷地下電纜的過載運行情況和異常運行狀態，并對異常運行的異常點進行預測。該系統能及時發現地下電纜線路的異常運行狀態，及時提醒供電人員針對性安排檢修工作，節省了大量人力、物力。

[參考文獻]

[1] 曹流.高壓電纜故障原因與對策分析[J].電子技術，2022，51（12）：298-299.

[2] 李蔭瓏，丘珊珊.RS485總線通信異常分析及解決方法[J].質量與認證，2021（增刊1）：123-125.

[3] 施立，郝雙程，陳智慧.10 kV電力電纜常見故障快速查找及防范措施[J].農村電工，2022，30（11）：42.

收稿日期：2023-04-28

作者簡介：江嘉欣（1989—），男，廣東揭陽人，工程師，研究方向：配電線路運行管理。