基于分布式参数电路模型检测电缆故障

“十二五”期间，国家将投巨资进行电网升级改造，如何做到迅速查找电缆故障点并予以修复，是智能电网建设的一项重要内容。
　电缆在运行过程中，易受砸、压、碰以及有害物质的腐蚀，发生漏电、短路、断线等故障。电缆的故障是电力系统安全运行的薄弱环节，因电缆断路、短路引发的各类重大事故的案例屡见不鲜。另外，电缆铺设具有隐蔽性，传输距离较长，查找故障点十分困难。
　本文利用电力电缆的分布式参数特征，在反射法基础上，以SoPC为硬件，设计了一种电力电缆故障点检测系统，及时发现并定位电力电缆故障，提高现场故障判断的准确性、快速性，对于用电安全具有重要意义，应用前景广泛。
1 分布参数模型检测电缆故障点原理
　为检测电缆故障类型及其位置，在电缆上发送的信号波长远小于电缆长度，即可把电缆看成分布参数模型[1]，若电缆分布式参数沿线均匀，则电缆上信号电压通解为：

　利用长线终端开路、短路等不同情况，反射系数也不同，来判断故障类型，进而判断故障点大致位置。

                      
　比较图1和图2可以发现，信号电压和电流峰值位置不同，阻抗的性质也不同，将反射信号波形显示出来，通过波形可判断故障性质。
利用信号的传播速度，测出发送、接收信号的时间差Δt，即可通过L=ν·Δt/2，计算出故障点位置。其中，ν为发射信号的传播速度。
2 电缆故障点检测设备的硬件架构
　以SoPC为硬件，电缆故障点检测系统的硬件架构如图3所示。NiosⅡ软核CPU及各种所需的外设均通过SoPC Builder集成在一片FPGA中[3]，构成本系统所需硬件的可重构部分，实现真正的可编程片上系统。为了在低成本情况下完成预定功能，选择了Cyclone FPGA系列器件中的EP1C6。EP1C6无论是从逻辑资源还是存储器均能满足设计要求。

2.1 主要IP核设计
　(1)UART内核：通用异步接收器/发送器。UART内核执行RS-232协议，它为FPGA上的嵌入式系统和外部设备提供了串行字符流的通信方式。
带Avalon接口[4]的JTAG-UART内核还提供Nios CPU系统到PC机的连接通路，通过JTAG-UART在PC机上调试Nios CPU所需要的程序，并通过监控程序对整个系统的运行进行控制。
　(2)PIO内核：并行输入/输出内核。它提供Avalon从控制器端口到通用I/O口间的映射接口。该IP核是常规的外设控制接口。通过PIO，实现开关量读取，键盘输入，对LED、LCD等外设进行控制。SoPC Builder中提供了PIO内核，可以很容易将PIO内核集成到SoPC Builder生成的系统中。
　(3)EPCS内核：带Avalon接口的EPCS设备控制器内核。EPCS包含1 KB的片内存储器。该IP核允许NiosⅡ系统访问EPCS串行配置芯片，管理FPGA配置数据，主要用于存储程序代码或一些非易失性数据，本系统中用于波形存储。
(4)三态总线桥：该IP核是Avalon和Avalon-Tri BUS总线以及Avalon和Wishbone总线的桥接控制器，用于连接两种不同总线。考虑A/D转换器等外设需要自行开发I2C配置接口，这些外设不能直接连到Avalon总线上，需要通过桥接控制器并以IP核的形式通过SoPC Builder连接到系统的Avalon总线上。
2.2 信号的收发
2.2.1 信号的产生与发送
　从微波理论可知，发送信号的频率越高越接近于长线理论[5]，即满足电缆分布式参数沿线均匀条件。但信号频率越高，线路的高频损耗越大，信号容易畸变，给检测也会带来困难。在SoPC中，信号的产生以及信号的频率和幅度可方便地由软件调整。实验测定，若测距在10 km左右，信号的频率大约在1.5 MHz~150 MHz为宜。
考虑到SoPC器件的驱动能力微弱，不能直接发送给被测电缆，必须要经过一定的放大，故末端采用高频变压器加上高频晶体管射极驱动电路的形式。
2.2.2 A/D转换模块
    采用Analog Devices公司的8位模数转换器AD9481，该转换器采样频率可达200 MHz，具有高速、低功耗、体积小的特点。适合高采样频率和宽带宽的场合。为解决信号小不易检测的矛盾，应加入前置放大级。参考AD9481数据手册，采用了AC耦合、双极性放大器接法。
3 电缆故障点检测设备的软件开发
　软件系统体系主要包括嵌入式操作系统的移植、应用级代码编写等部分。为了方便用户编程，NiosⅡ IDE提供了设备驱动程序，在新建工程时NiosⅡ IDE会根据SoPC Builder对系统硬件配置自动生成一个定制的HAL，即硬件抽象层(HAL)系统库。基于HAL系统库的软件工程的创建和管理与NiosⅡ IDE紧密相关，图4为NiosⅡ IDE工程结构[6]。

　一个NiosⅡ IDE工程包括两个工程：用户应用程序工程和HAL系统库工程。用户应用程序工程中包含所有的用户代码文件，最终的可执行映象由此工程生成。HAL系统库工程中包含所有与硬件处理器相关的接口信息，系统库工程基于用户定制的NiosⅡ处理器系统，由SoPC Builder自动生成.ptf文件。
HAL应用程序接口(API)与ANSI C标准库综合在一起，可以使用类似Ｃ语言的库函数来访问硬件设备或文件，如printf()、fopen()等，而无须关心底层硬件实现细节。
　在实验室条件下，用该系统对1 000 m的电缆进行多次模拟测试，包括短路和开路情况，所显示的故障类型正确，故障点距离均方根误差E<1%，表明该系统具有良好的精度。但实验条件与实际的电缆敷设环境差别较大，实际的敷设环境和故障现象要复杂得多，电缆运行可能出现既非短路又非开路情况，如漏电故障。此时，反射回的信号呈现行驻波的方式，这种工作模式需要提高系统的灵敏度，可以从提高设备的抗干扰能力和合理调节发送信号的频率两个方面予以改进。
参考文献
[1] 王新稳，李萍，李延平.微波技术与天线[M].北京：电子工业出版社，2007.
[2] 戴军.现代微波与天线测量技术[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3] 周立功.SOPC嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[4] Altera Corportion. Cyclone device handbook(All Sections).2005.
[5] OTA H， ICHIHARA  M， MIYAMOTO N， et al. Application and Test of long-distance 275 kV XLPE cable lines[J]. IEEE. Transactions on Power Delivery， 1995， 10(2)： 567-579.
[6] 杨浩，林争辉，鞠海，等.基于嵌入式处理器软核的DVB_S基带处理系统[J].计算机工程，2005，31(6)：203-205.