电力电缆故障精确定点检测系统设计

王磊

摘 要：本文结合内蒙古乌海电业局滨河供电分局的工作实践，提出了一种基于电磁感应传感器以及压电传感器的双传感器电力电缆故障精确定点检测系统设计方案。在简单说明总体设计思路的条件下，以硬件部分以及软件程序部分为切入点，对这一电力电缆故障精确定点检测系统的具体设计方案进行了阐述与介绍，以供参考。

关键词：电力电缆;故障精确定点检测;信号降噪

引言：为了确保能够第一时间发现电力电缆实际运行中所发生故障的位置，对相应位置信息实施精确点定位是必然选择，而由于在故障检测过程中所产生、采集到的声音信号极容易受到外界环境多种因素的干扰，所以需要设计一种能够完成声音信号背景降噪的系统展开对电力电缆故障精确定点检测任务的系统。

一、电力电缆故障精确定点检测系统的总体设计思路分析

在本次设计的电力电缆故障精确点检测系统中，其主要包括压电传感器、电磁感应传感器、跨步电压金属探针、滤波放大电路、隔离放大电路、核心板（集成ARM Cotter-A9处理器、SDRAM、Flash等资源）等结构。在实际的运行过程中，主要实现对路径的检测，并显示声磁时间差以及跨步电压信息，输出背景噪音以及音频等等。在跨步电压金属探针的支持下，可以完成对跨步电压信号的接收，经过隔离放大电路后，所有采集到的信号会被隔离与放大;通过LCD能够显示出跨步电压大小以及方向信息。

二、电力电缆故障精确定点检测系统的硬件设计

（一）信号调理电路

对于跨步电压金属探针、电磁感应传感器以及压电传感器来说，其所接收到的模拟信号相对微弱，因此要利用信号调理電路处理相应信号，并以此获取到信噪比更高的信号;将该完成处理后的信号传递至A/D转换器中，即可实现模数转换，为后续处理提供更好支持[1]。其中，针对磁场信号，其能够更为简单的被检测到，且不容易受到其他因素干扰，所以可以经过放大电路处理后即可传递至后续应用分析操作。而针对声音信号，其普遍为低频信号（频率维持在15kHz以下），因此需要应用灵敏度更高的压电传感器（频响范围稳定在0.2-2kHz）进行接收。但是，压电传感器一般存在着内电阻相对较高的情况，所以必须要加设电荷放大器（使用前置操作）实施调理，促使电荷量转变为电压量之后在进行后续处理。基于这样的前置处理，导致声音信号受到多种因素干扰的现象更加常见，所以要加设低通滤波器实施滤波处理。

在施加于电力电缆中的脉冲高压信号呈现出增高的趋势时，故障点周围一般会生成瞬时跨步电压，由于其数值相对较高，所以容易导致仪器损坏。为了避免这一问题的发生，设置隔离放大电路实施对跨步电压金属探针接收到的信号展开调理。

（二）A/D转换电路

处理器与外界模拟信号之间依托A/D转换电路实现连接，实践中，主要将模拟信号转换成数字量，并传递至CPU展开后续处理。在本次系统设计中，选用型号为AD7689的A/D转换芯片，结合SPI接口的加设，能够对配置寄存器、接收转换完成的数据实施直接写入。

在实际的系统运行过程中，一共存在6路需要A/D转换芯片的支持完成数模转换。其中，压电传感器所采集的声音信号经过滤波放大后连接至两路通道，分别实现对冲击放电声起始点的判断，以及在算法的支持下完成背景降噪;电磁感应传感器设置数量为两个，横向放置一个、竖向放置一个，其所采集到的磁场信号在通过放大处理后连接至两路通道，主要承担起3对电力电缆路径实施检测的任务;对于使用横向放置方法引入电磁感应传感器来说，其所采集到的磁场信号会再次经过放大处理，并连接至单独的一条通道，主要承担起是否接收冲击放电磁场信号、起始点的判断职责;跨步电压金属探针所采集到的电压信号在经过隔离放大处理后连接至独立的一条通道，主要承担起对跨步电压大小、极性进行计算的任务。

（三）数据处理模块

在本系统的核心板内包含着数据处理模块，能够实现对复杂图形（2D图形、3D图形）、高质量音频展开处理的效果。对于该数据处理模块来说，其具有相对明显的集成性，且拥有良好的多媒体性能，因此可以为用户带来更加良好的使用体验。在本系统实际的运行过程中，主要应用该数据处理模块对A/D转换芯片所输出的磁场数据信号、冲击放电声音展开处理，以此达到降低声音信号噪的效果，并同时完成对声磁时间差的计算、电缆路径的判断、对LCD显示实施控制，最终依托人机交互实现对音频的输出等等。

（四）数据输出模块

对于数据输出模块而言，其主要承担着对经过CPU处理后的数字量信息展开输出操作的任务，用户可以将此作为依据，实现对电力电缆故障点位置的精准判断[2]。在数据输出模块中，可以细化为LCD输出单元以及音频输出单元这两个主要结构。其中，本系统主要选用TFT LCD（规格为3.5寸，分辨率为3220RGB×240）、一体化LCD驱动器作为LCD输出单元，通过对输入端PMW波的占空比实施调整变化，即可落实对LCD背光度的迅速调节。

三、电力电缆故障精确定点检测系统的软件设计

（一）驱动程序

在本系统的软件设计中，GPIO驱动设计与实现流程主要如下：将imx6_g pics节点设置于设备树内，同时设定属性名称并配置GPIO引脚;落实GPIO驱动文件的新建，并开设compatible属性用以匹配节点;创设probe函数，对节点设置的GPIO编号进行获取，实现申请GPIO、初始化GPIO等功能;创设ioctl函数，对相同调用命令实施定义，实现控制GPIO口电平的功能;编制Makeflie定义编译规则，应用make命令将驱动编译成ko内核模块;通过xftp将其移动到目标板，在xshell中应用insmod命令加载并调试;调试完成后将驱动移动至内核，利用内核配置命令配置到内核，编译生成dtb和zImage文件;通过mfgtools工具烧写到Flash[3]。

在本系统的软件设计中，LCD驱动设计与实现流程主要如下：在linux-imx4.1.15-r0内核中注入在NXP官方获取到的LCD 8080模式补丁;对mx sfb.c以及mx sfb.h文件进行修改，对ioctl函数实施重写;创建LCD控制器驱动ssd2119.c，实现用于初始化LCD寄存器、设置lcd接口模式和硬件参数的函数;配置设备树节点，编译成内核模块，并在完成调试后加载至内核中。

（二）应用程序

本系统的应用程序主流程如下所示：线程A进入启示阶段;实施初始化，新建并开启定时器与线程B;判断线程B是否发出信号，如“是”，则与该信号连接的槽函数将线程B处理得到的数据输出至LCD以及耳机，如“否”，跳过这一操作直接转入后续步骤;判断定时器是否出现超时问题，如“否”，则返回“判断线程B是否发出信号”这一操作，如“是”，则进入后续操作步骤;执行刷屏、电量、按键或是引脚电平的检测函数，如果检测到引脚或者是电量的电平存在变化，那么执行相关处理函数;判断长按关机键3秒或是电量电量低于5%，如“否”，则返回“判断线程B是否发出信号”这一操作，如“是”，则进入线程A与线程B的结束操作。

总结：综上所述，本文依托双传感器（电磁感应传感器以及压电传感器）进行了电力电缆故障精确检测系统的设计，细化设计了硬件部分，包括引入数模转换电路、信号调理电路、输出模块等等;细化设计了软件程序部分，包括驱动程序与应用程序，以此实现对故障检测中所采集到所到所有声音信号的降噪处理，进一步维护故障信号的精准程度。

参考文献：

[1]白晓斌，王亮，杨军，等.电力电缆故障精确定点检测系统设计[J].电线电缆，2021（03）：32-34+40.

[2]胡立锦，杨永全.基于机器视觉技术的电缆结构参数检测系统研究[J].四川电力技术，2020，43（06）：16-20.

[3]吴甜甜，楚彩虹，韦成杰.基于LabVIEW的电缆故障检测系统设计[J].信息与电脑（理论版），2020，32（22）：110-111.

（内蒙古乌海电业局滨河供电分局，内蒙古 乌海 016000）