智能电缆故障系统定位技术及电网新材料应用的研究

胡超强 黄应敏 邹科敏 邵源鹏 高伟光

摘要：为了有效及时地排除电缆线系统故障，人们研发出来电缆线故障定位系统，便于电缆维护检修工人能够在第一时间对电缆线故障点精确定位。文章将围绕“智能电缆故障系统定位技术的研究”这一话题，结合现有的电缆故障系统定位理论及定位技术，介绍了一种新的智能电缆故障定位仪的整体设计、硬件设计及软件设计。智能电缆故障定位仪具有很高的安全性能和智能化水平，其研发目的就是为了能够在电缆线出现故障时，及时、准确测量出故障点，从而迅速排查出故障点，消除电路故障。此外，智能电网还实现了其在计算机技术与新材料技术、新能源技术之间的有效融合，涉及到新型节能材料、新型电工绝缘材料、新型智能材料，这是电力行业一次跨越式的产业变革。

关键词：电缆故障问题;智能定位技术;电缆故障定位仪;硬软件设计

中图分类号：TM734文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）11-0174-04

一般来说，对电缆故障精确定位要经历3个环节：电缆故障性质诊断环节、电缆故障测距环节、电缆故障定点环节。电缆故障性质诊断环节能够确定电缆故障的类型与严重性，这是电缆故障检测维修人员选择测距与定点方法的基本依据。电缆故障测距环节，又被成为“粗测”，是指粗略测出发生故障的电缆的大体位置。电缆故障定点环节又称为“精测”，要求能够准确探测出电缆线发生的故障点。本文以化工材料光导纤维为原料，试图设计出一款新型电缆故障探测仪，使之同时兼具有探测精度高、功能齐全、体积小、便携、方便使用、長期稳定运行等优点。

1智能电缆故障定位仪基本设计思想

在进行新型智能电缆故障定位仪设计时，考虑到设计的智能电缆故障定位仪需要同时兼具自动记录、自动存储、自动显示、支持与PC机智能通讯等基本功能，在没计的过程中，将其硬件组成和软件组成按照各自执行的功能不同，将其分为若干个子模块，并逐一进行优化调试。最终的智能电缆故障定位仪设计流程如图1所示。由图1可知，在本设计中，故障电缆的被测电压信号是经过电压传感器转换后得到了与之对应的电压信号。转换后的故障电缆电压信号经过A/D模数转换和单片机处理后得到详细的故障电缆电压数据。最终该数据可以由数码管显示出来，进一步传送到PC机上后，便可以在PC机终端进一步存储、加工、复用。

具体而言，本设计中提到的智能电缆故障定位仪具有如下4个特点：①具备数据处理功能。该新型智能电缆故障定位仪能够在PC机终端系统对故障电缆电压数据实时存储于运算分析，这是其性能上的一大优势。②输出形式多元。本设计可以将故障电缆传输过来的电压信号及故障点位置显示在PC机的LED显示屏上，此外，电缆检修维护人员还能够通过左右两个发光的二极管来判断电桥的平衡状态，以此来决定电位器的调节方向，从而使电桥快速达到平衡。③通讯接口为USB接人设计。④定位系统运用了isplsi-1016可编程逻辑器件，将硬件软件系统联合在一起，为最终的系统调试带来了巨大便利。

2智能电缆故障定位仪硬件设计分析

新型智能电缆故障定位仪硬件设计主要包括电源电路设计、A/D转换电路、LED显示电路、USB传输电路几个核心部分。下面针对各个环节作进一步详细分析。

2.1单片机的选择

单片机是指把微型计算机的主要功能区块集中在一个芯片上的单芯片微型计算机，种类繁多，功能也十分多样，是智能定位仪设计系统中的核心设备。本设计中选用AT89C52作为定位仪的单片机。AT89C52型单片机是一种功耗较低、处理性能优的微处理器，其内含8k字节的可编程Flash存储器的CMOS8位微处理器，是一种可擦除的电子元件。具体而言，选择AT89C52作为单片机具有Flash存储器为8K字节，并且可以重复编程，并且存储器可擦除，次数在1000次以上，数据有效保存时间在10年以上。此外，AT89C52单片机还具有256字节内部数据存储器、32条内部可编程的I/O线、16位定时器和计数器有三组以及6个向量源。

2.2isplsi-1016可编程逻辑器件

ISP是一种新型可编程器件，它有效地消除了传统PLD系统的功能和连接上的局限性，在板级、系统级设计、制造、编程方面十分便利。此外，ISP可编程逻辑器件的应用提高了硬件设计系统的灵活性，从而便于修改与更新换代。isplsi-1016可编程逻辑器件的组成结构如下：

2.2.1集总布线区

集总布线区位于可编程器件的正中央，并且通过固定的方式将芯片内部各种逻辑关系连接在一起，以集中供设计人员使用其功能。集总布线区的特点是它允许来自万能逻辑块的输出或者I/O单元的输入与万能逻辑块的输入连接，并且芯片内人任何万能逻辑输出都可以作为其他万能逻辑块的输入。同理，各个I/0引脚的输入可以作为所有万能逻辑块的任意一个输入。

2.2.2万能逻辑块

万能逻辑块是isplsi-1016可编程逻辑器件的基本结构单元，每个isplsi-1016可编程逻辑器件内部共有16个万能逻辑块。万能逻辑块与逻辑阵列、乘积项之间可以共享，共同组成4输出逻辑宏单元。通常万能逻辑块有物种常见的组态模式，分别是标准组态模式、高速直通组态模式、异或逻辑组态模式、单个乘积项组态模式、混合组态模式。

2.2.3巨型块

巨型块是isplsi-1016可编程逻辑器件中某一相关部分的总称。对于不同型号、不同系列的isplsi器件，其内含巨型块的数目也各不相同。以本设计中使用到的isplsi-1016可编程逻辑器件为例，它含有2个巨型块。每一个巨型块是均是由8个万能逻辑快和1个输出布线区，以及16个I/O单元、2个专用输出、1个公共乘积项组成。

2.2.4输入总线

输入总线是isplsi-1016可编程逻辑器件内负责信号输入的主要功能区域，一般来说，可编程逻辑器件内部的信号输入主要有2种处理方式。①将可编程逻辑器件内的每个I/O单元直接与集总布线区连接，这样一来，可编程逻辑器件内部的每一个万能逻辑块都能够选取每个I/O单元输入。②将每个巨型块的两个专用的输入与巨型块的8个万能逻辑块直接连接在一起。本设计中选择第二种连接方式。

2.2.5输出布线

顾名思义，输出布线区能够将各种通过I/O输人口输入到可编程逻辑器件内的信号通过万能逻辑块导出到相应的I/O单元系统，它是一种用于连接沟通万能逻辑块和I/O单元系统之间的可程序化控制的互联阵列。本设计所用输出布线结合具体的设计输入工况与线路引脚配置，自主对输出布线区编写相应的程序。本设计的最大优点在于消除了I/O连接单元和万能逻辑块之间固化的顺序对应关系，这便使得万能逻辑块和外部引脚的程序编写可以分开独立进行。在实际的操作过程中，不需要改变外部引脚的情况，就能够直接修改或者重新设计芯片内部的逻辑功能。

2.3数模转换电路设计

2.3.1选择A/D转换器

根据智能电缆故障定位仪的整体设计可以看出，PC机终端采集的实际上是故障电缆电压信号的模拟量，它不能够直接被送人单片机中，否则单片机将不能够正确识别、读取电压信号反馈的实际信息。这就要求在系统的信号采集端和单片机的信号处理段接人一段A/D转换，以此来确保单片机把从故障电缆上采集到的连续变化的模拟量转换成单片机可以处理的离散的数字量。目前使用较多的A/D转换电路模型有多种，包括计数比较型、逐次逼近型、双积分型等。A/D转换器的选择指标主要有处理速度、处理精度、价格等。以本设计为例，在充分地考虑到工况需要的情况下，选用的转换器类型为ADC0809，其A/D转换器即为逐次逼近型，8位，输入方式是单通道，转换时间10us，电源电压为+5V。

2.3.2选择ADC0809和ATCB9C52的接口

本设計中二者之间的接口采用等待延时方式。

2.4LED显示电路设计

在LED显示方式的选择上主要有静态显示和动态显示两种。在本设计中优先选择了静态设计，即当LED显示某个字符时，其对应的二极管将会处于恒定导通或者截止状态，直到下一个字符开始显示。处于静态显示工作状态的LED显示器，内部的各个位点的共阴极接地，阳极接+5V电源，并且每一个位点都是直接与一个8位的锁存器输出口连接，且各个位点相互独立，已经输出便维持不变。静态LED显示编程过程简易，便于管理，。

2.5USB传输电路设计

本设计采用的USB传输接口是PDIUSBDl2接口芯片，采用USB传输电路接口具备以下优点：①方便用户使用，具备自动识别、自动安装驱动和配置、支持静态接人等功能;②应用范围广泛;③成本低廉，升级方便。

3智能智能电缆故障定位仪软件设计分析

智能智能电缆故障定位仪软件系统设计流程，如图2所示。

4智能电缆定位仪的功能实现

相对于传统的人工巡查电缆检测，智能定位仪具有如下突出功能。①侵入检测功能。智能电缆侵入监测功能主要是面向于人为的电缆偷盗或破坏行为开发。一旦有上述情况发生，将会对智能电缆侧边的光缆内传输光束带来扰动，扰动信号经由传输线将振动信号传输至PC机终端系统的主机上，经过加工处理后，显示在显示屏上。实验结果表明，智能电缆定位仪该功能灵敏度很高，漏报率极低，测量距离大于20km，空间分辨率为±3m。②防区定位。当电缆发生故障时，智能电缆定位系统能够根据外部环境情况，自由设置报警防区，判定电缆故障的安全级别，这便有助于为电缆检修维护人员准确定位，提高光缆检修效率。③联动功能。智能电缆定位仪集中实现了电缆故障的监测、识别、定位、报警、威慑、制止等功能，还能够，联动相应位置视频摄像头，追踪侵入对象。

5智能电网新材料技术发展

与电力行业一样，材料工业也是国民经济的支柱型产业，电力行业新一轮产业变革势必是建立在互联网和新材料、新能源相结合之上的新型经济发展模式。研发出新型的电缆材料也是优化电网性能的关键。目前在智能电网系统中运用到的新材料主要包括新型节能材料、新型电工绝缘材料、新型智能材料3大类。

5.1新型节能材料

5.1.1高导铝合金

目前在电工铝合金导体材料的研究及应用环节，国内外较为著名的研发单位有日本住友电工、古河电工、意大利比瑞利公司、法国内克森公司及美国通用电缆公司、以及国家电网公司。例如，目前国际上推广使用较广的有高导电率的铝合金导线，其导电率在53%以上，抗拉强度IACS则在295MPa以上。在国内国家电网公司在2010-2015年间研发的钢芯62.5%的IACS高导电率硬铝绞线和钢芯58.5%IACS中强全铝合金节能导线在电路电压为110～500kV的电网线路中应用性能良好。

5.1.2磁性材料

在磁性材料的应用方面，国际上通用的选材取向是硅钢、配电变压器用非晶合金、高频软磁材料以及低磁钢材料等。例如，日本研发的0.18、0.20mm厚，磁感达到1.92T以上，铁损失率在0.6～0.85W/kg规格系列的取向硅钢，在电网系统中应用十分广泛。高性能磁性硅钢材料在电力电子设备中的有效应用，极大地提高了电网系统的能耗水平。我国国家电网公司研发的0.27mm、0.18mm取向硅钢在国际上的相关领域已经处于较为先进的水平。

5.2新型电工绝缘材料

一直以来，国际上的新型电工绝缘材料研发技术方面处于被发达国家垄断的状态，我国在这方面还相对薄弱。在电缆绝缘料方面，500kV直流电缆绝缘料主要被日本垄断;在热塑性绝缘材料方面，ABB公司已经成功实现热塑性固封极柱在中压开关领域的应用;电子设备封装材料中常用到的高耐热环氧封装绝缘材料和高导热硅胶灌封材料则被日、美等国占据。

5.3新型智能材料

智能材料主要用于接地网、输电线路、继电保护等环节，常用的智能材料有硅、石英、钛酸铅、氧化锌、记忆合金、碲化铅、碲化铋等传统智能材料。未来电网系统智能材料的应用将主要有两大方向，一个是传感元件微加工，另一个是计算机软件和补偿传感器性能的提升。

6结语

近几年来，随着我国城市化建设进程的进一步推进，城乡结合日益密切。城市化建设极大地推动力我国电力行业的蓬勃发展。在国家投入大量人力、物力、财力进行电网改造的同时，城市和乡村联网步伐稳步提升，电缆线路的增长也与日俱增。现如今，无论是大型重工业的生产运营，还是城乡居民的日常生活，或是城市大批量服务行业的正常运作，时时刻刻都离不开电力的正常供应。在供电系统中，电缆线故障问题一直以来都是电力系统的症结所在，属于电力系统中多发、易发的高频事故点。由此可见，开发应用并不断完善新型智能电缆故障定位仪对于供电网络安全、平稳地运行意义重大，不容小觑。