智能電纜故障系統定位技術及電網新材料應用的研究

胡超強 黃應敏 鄒科敏 邵源鵬 高偉光

摘要：為了有效及時地排除電纜線系統故障，人們研發出來電纜線故障定位系統，便于電纜維護檢修工人能夠在第一時間對電纜線故障點精確定位。文章將圍繞“智能電纜故障系統定位技術的研究”這一話題，結合現有的電纜故障系統定位理論及定位技術，介紹了一種新的智能電纜故障定位儀的整體設計、硬件設計及軟件設計。智能電纜故障定位儀具有很高的安全性能和智能化水平，其研發目的就是為了能夠在電纜線出現故障時，及時、準確測量出故障點，從而迅速排查出故障點，消除電路故障。此外，智能電網還實現了其在計算機技術與新材料技術、新能源技術之間的有效融合，涉及到新型節能材料、新型電工絕緣材料、新型智能材料，這是電力行業一次跨越式的產業變革。

關鍵詞：電纜故障問題;智能定位技術;電纜故障定位儀;硬軟件設計

中圖分類號：TM734文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0174-04

一般來說，對電纜故障精確定位要經歷3個環節：電纜故障性質診斷環節、電纜故障測距環節、電纜故障定點環節。電纜故障性質診斷環節能夠確定電纜故障的類型與嚴重性，這是電纜故障檢測維修人員選擇測距與定點方法的基本依據。電纜故障測距環節，又被成為“粗測”，是指粗略測出發生故障的電纜的大體位置。電纜故障定點環節又稱為“精測”，要求能夠準確探測出電纜線發生的故障點。本文以化工材料光導纖維為原料，試圖設計出一款新型電纜故障探測儀，使之同時兼具有探測精度高、功能齊全、體積小、便攜、方便使用、長期穩定運行等優點。

1智能電纜故障定位儀基本設計思想

在進行新型智能電纜故障定位儀設計時，考慮到設計的智能電纜故障定位儀需要同時兼具自動記錄、自動存儲、自動顯示、支持與PC機智能通訊等基本功能，在沒計的過程中，將其硬件組成和軟件組成按照各自執行的功能不同，將其分為若干個子模塊，并逐一進行優化調試。最終的智能電纜故障定位儀設計流程如圖1所示。由圖1可知，在本設計中，故障電纜的被測電壓信號是經過電壓傳感器轉換后得到了與之對應的電壓信號。轉換后的故障電纜電壓信號經過A/D模數轉換和單片機處理后得到詳細的故障電纜電壓數據。最終該數據可以由數碼管顯示出來，進一步傳送到PC機上后，便可以在PC機終端進一步存儲、加工、復用。

具體而言，本設計中提到的智能電纜故障定位儀具有如下4個特點：①具備數據處理功能。該新型智能電纜故障定位儀能夠在PC機終端系統對故障電纜電壓數據實時存儲于運算分析，這是其性能上的一大優勢。②輸出形式多元。本設計可以將故障電纜傳輸過來的電壓信號及故障點位置顯示在PC機的LED顯示屏上，此外，電纜檢修維護人員還能夠通過左右兩個發光的二極管來判斷電橋的平衡狀態，以此來決定電位器的調節方向，從而使電橋快速達到平衡。③通訊接口為USB接人設計。④定位系統運用了isplsi-1016可編程邏輯器件，將硬件軟件系統聯合在一起，為最終的系統調試帶來了巨大便利。

2智能電纜故障定位儀硬件設計分析

新型智能電纜故障定位儀硬件設計主要包括電源電路設計、A/D轉換電路、LED顯示電路、USB傳輸電路幾個核心部分。下面針對各個環節作進一步詳細分析。

2.1單片機的選擇

單片機是指把微型計算機的主要功能區塊集中在一個芯片上的單芯片微型計算機，種類繁多，功能也十分多樣，是智能定位儀設計系統中的核心設備。本設計中選用AT89C52作為定位儀的單片機。AT89C52型單片機是一種功耗較低、處理性能優的微處理器，其內含8k字節的可編程Flash存儲器的CMOS8位微處理器，是一種可擦除的電子元件。具體而言，選擇AT89C52作為單片機具有Flash存儲器為8K字節，并且可以重復編程，并且存儲器可擦除，次數在1000次以上，數據有效保存時間在10年以上。此外，AT89C52單片機還具有256字節內部數據存儲器、32條內部可編程的I/O線、16位定時器和計數器有三組以及6個向量源。

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PLD系統的功能和連接上的局限性，在板級、系統級設計、制造、編程方面十分便利。此外，ISP可編程邏輯器件的應用提高了硬件設計系統的靈活性，從而便于修改與更新換代。isplsi-1016可編程邏輯器件的組成結構如下：

2.2.1集總布線區

集總布線區位于可編程器件的正中央，并且通過固定的方式將芯片內部各種邏輯關系連接在一起，以集中供設計人員使用其功能。集總布線區的特點是它允許來自萬能邏輯塊的輸出或者I/O單元的輸入與萬能邏輯塊的輸入連接，并且芯片內人任何萬能邏輯輸出都可以作為其他萬能邏輯塊的輸入。同理，各個I/0引腳的輸入可以作為所有萬能邏輯塊的任意一個輸入。

2.2.2萬能邏輯塊

萬能邏輯塊是isplsi-1016可編程邏輯器件的基本結構單元，每個isplsi-1016可編程邏輯器件內部共有16個萬能邏輯塊。萬能邏輯塊與邏輯陣列、乘積項之間可以共享，共同組成4輸出邏輯宏單元。通常萬能邏輯塊有物種常見的組態模式，分別是標準組態模式、高速直通組態模式、異或邏輯組態模式、單個乘積項組態模式、混合組態模式。

2.2.3巨型塊

巨型塊是isplsi-1016可編程邏輯器件中某一相關部分的總稱。對于不同型號、不同系列的isplsi器件，其內含巨型塊的數目也各不相同。以本設計中使用到的isplsi-1016可編程邏輯器件為例，它含有2個巨型塊。每一個巨型塊是均是由8個萬能邏輯快和1個輸出布線區，以及16個I/O單元、2個專用輸出、1個公共乘積項組成。

2.2.4輸入總線

輸入總線是isplsi-1016可編程邏輯器件內負責信號輸入的主要功能區域，一般來說，可編程邏輯器件內部的信號輸入主要有2種處理方式。①將可編程邏輯器件內的每個I/O單元直接與集總布線區連接，這樣一來，可編程邏輯器件內部的每一個萬能邏輯塊都能夠選取每個I/O單元輸入。②將每個巨型塊的兩個專用的輸入與巨型塊的8個萬能邏輯塊直接連接在一起。本設計中選擇第二種連接方式。

2.2.5輸出布線

顧名思義，輸出布線區能夠將各種通過I/O輸人口輸入到可編程邏輯器件內的信號通過萬能邏輯塊導出到相應的I/O單元系統，它是一種用于連接溝通萬能邏輯塊和I/O單元系統之間的可程序化控制的互聯陣列。本設計所用輸出布線結合具體的設計輸入工況與線路引腳配置，自主對輸出布線區編寫相應的程序。本設計的最大優點在于消除了I/O連接單元和萬能邏輯塊之間固化的順序對應關系，這便使得萬能邏輯塊和外部引腳的程序編寫可以分開獨立進行。在實際的操作過程中，不需要改變外部引腳的情況，就能夠直接修改或者重新設計芯片內部的邏輯功能。

2.3數模轉換電路設計

2.3.1選擇A/D轉換器

根據智能電纜故障定位儀的整體設計可以看出，PC機終端采集的實際上是故障電纜電壓信號的模擬量，它不能夠直接被送人單片機中，否則單片機將不能夠正確識別、讀取電壓信號反饋的實際信息。這就要求在系統的信號采集端和單片機的信號處理段接人一段A/D轉換，以此來確保單片機把從故障電纜上采集到的連續變化的模擬量轉換成單片機可以處理的離散的數字量。目前使用較多的A/D轉換電路模型有多種，包括計數比較型、逐次逼近型、雙積分型等。A/D轉換器的選擇指標主要有處理速度、處理精度、價格等。以本設計為例，在充分地考慮到工況需要的情況下，選用的轉換器類型為ADC0809，其A/D轉換器即為逐次逼近型，8位，輸入方式是單通道，轉換時間10us，電源電壓為+5V。

2.3.2選擇ADC0809和ATCB9C52的接口

本設計中二者之間的接口采用等待延時方式。

2.4LED顯示電路設計

在LED顯示方式的選擇上主要有靜態顯示和動態顯示兩種。在本設計中優先選擇了靜態設計，即當LED顯示某個字符時，其對應的二極管將會處于恒定導通或者截止狀態，直到下一個字符開始顯示。處于靜態顯示工作狀態的LED顯示器，內部的各個位點的共陰極接地，陽極接+5V電源，并且每一個位點都是直接與一個8位的鎖存器輸出口連接，且各個位點相互獨立，已經輸出便維持不變。靜態LED顯示編程過程簡易，便于管理，。

2.5USB傳輸電路設計

本設計采用的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點：①方便用戶使用，具備自動識別、自動安裝驅動和配置、支持靜態接人等功能;②應用范圍廣泛;③成本低廉，升級方便。

3智能智能電纜故障定位儀軟件設計分析

智能智能電纜故障定位儀軟件系統設計流程，如圖2所示。

4智能電纜定位儀的功能實現

相對于傳統的人工巡查電纜檢測，智能定位儀具有如下突出功能。①侵入檢測功能。智能電纜侵入監測功能主要是面向于人為的電纜偷盜或破壞行為開發。一旦有上述情況發生，將會對智能電纜側邊的光纜內傳輸光束帶來擾動，擾動信號經由傳輸線將振動信號傳輸至PC機終端系統的主機上，經過加工處理后，顯示在顯示屏上。實驗結果表明，智能電纜定位儀該功能靈敏度很高，漏報率極低，測量距離大于20km，空間分辨率為±3m。②防區定位。當電纜發生故障時，智能電纜定位系統能夠根據外部環境情況，自由設置報警防區，判定電纜故障的安全級別，這便有助于為電纜檢修維護人員準確定位，提高光纜檢修效率。③聯動功能。智能電纜定位儀集中實現了電纜故障的監測、識別、定位、報警、威懾、制止等功能，還能夠，聯動相應位置視頻攝像頭，追蹤侵入對象。

5智能電網新材料技術發展

與電力行業一樣，材料工業也是國民經濟的支柱型產業，電力行業新一輪產業變革勢必是建立在互聯網和新材料、新能源相結合之上的新型經濟發展模式。研發出新型的電纜材料也是優化電網性能的關鍵。目前在智能電網系統中運用到的新材料主要包括新型節能材料、新型電工絕緣材料、新型智能材料3大類。

5.1新型節能材料

5.1.1高導鋁合金

目前在電工鋁合金導體材料的研究及應用環節，國內外較為著名的研發單位有日本住友電工、古河電工、意大利比瑞利公司、法國內克森公司及美國通用電纜公司、以及國家電網公司。例如，目前國際上推廣使用較廣的有高導電率的鋁合金導線，其導電率在53%以上，抗拉強度IACS則在295MPa以上。在國內國家電網公司在2010-2015年間研發的鋼芯62.5%的IACS高導電率硬鋁絞線和鋼芯58.5%IACS中強全鋁合金節能導線在電路電壓為110～500kV的電網線路中應用性能良好。

5.1.2磁性材料

在磁性材料的應用方面，國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，日本研發的0.18、0.20mm厚，磁感達到1.92T以上，鐵損失率在0.6～0.85W/kg規格系列的取向硅鋼，在電網系統中應用十分廣泛。高性能磁性硅鋼材料在電力電子設備中的有效應用，極大地提高了電網系統的能耗水平。我國國家電網公司研發的0.27mm、0.18mm取向硅鋼在國際上的相關領域已經處于較為先進的水平。

5.2新型電工絕緣材料

一直以來，國際上的新型電工絕緣材料研發技術方面處于被發達國家壟斷的狀態，我國在這方面還相對薄弱。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公司已經成功實現熱塑性固封極柱在中壓開關領域的應用;電子設備封裝材料中常用到的高耐熱環氧封裝絕緣材料和高導熱硅膠灌封材料則被日、美等國占據。

5.3新型智能材料

智能材料主要用于接地網、輸電線路、繼電保護等環節，常用的智能材料有硅、石英、鈦酸鉛、氧化鋅、記憶合金、碲化鉛、碲化鉍等傳統智能材料。未來電網系統智能材料的應用將主要有兩大方向，一個是傳感元件微加工，另一個是計算機軟件和補償傳感器性能的提升。

6結語

近幾年來，隨著我國城市化建設進程的進一步推進，城鄉結合日益密切。城市化建設極大地推動力我國電力行業的蓬勃發展。在國家投入大量人力、物力、財力進行電網改造的同時，城市和鄉村聯網步伐穩步提升，電纜線路的增長也與日俱增。現如今，無論是大型重工業的生產運營，還是城鄉居民的日常生活，或是城市大批量服務行業的正常運作，時時刻刻都離不開電力的正常供應。在供電系統中，電纜線故障問題一直以來都是電力系統的癥結所在，屬于電力系統中多發、易發的高頻事故點。由此可見，開發應用并不斷完善新型智能電纜故障定位儀對于供電網絡安全、平穩地運行意義重大，不容小覷。