摘 要： 設(shè)計(jì)一種基于分布式參數(shù)模型查找電纜故障點(diǎn)系統(tǒng)，以Nios Ⅱ軟核處理器和所需的外設(shè)IP核嵌入到FPGA中為硬件架構(gòu)，移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)為軟件體系，實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)，具有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 電纜；反射；分布參數(shù)；片上系統(tǒng)
“十二五”期間，國(guó)家將投巨資進(jìn)行電網(wǎng)升級(jí)改造，如何做到迅速查找電纜故障點(diǎn)并予以修復(fù)，是智能電網(wǎng)建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
電纜在運(yùn)行過(guò)程中，易受砸、壓、碰以及有害物質(zhì)的腐蝕，發(fā)生漏電、短路、斷線等故障。電纜的故障是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，因電纜斷路、短路引發(fā)的各類(lèi)重大事故的案例屢見(jiàn)不鮮。另外，電纜鋪設(shè)具有隱蔽性，傳輸距離較長(zhǎng)，查找故障點(diǎn)十分困難。
本文利用電力電纜的分布式參數(shù)特征，在反射法基礎(chǔ)上，以SoPC為硬件，設(shè)計(jì)了一種電力電纜故障點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位電力電纜故障，提高現(xiàn)場(chǎng)故障判斷的準(zhǔn)確性、快速性，對(duì)于用電安全具有重要意義，應(yīng)用前景廣泛。
1 分布參數(shù)模型檢測(cè)電纜故障點(diǎn)原理
為檢測(cè)電纜故障類(lèi)型及其位置，在電纜上發(fā)送的信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于電纜長(zhǎng)度，即可把電纜看成分布參數(shù)模型[1]，若電纜分布式參數(shù)沿線均勻，則電纜上信號(hào)電壓通解為：
利用長(zhǎng)線終端開(kāi)路、短路等不同情況，反射系數(shù)也不同，來(lái)判斷故障類(lèi)型，進(jìn)而判斷故障點(diǎn)大致位置。
比較圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，信號(hào)電壓和電流峰值位置不同，阻抗的性質(zhì)也不同，將反射信號(hào)波形顯示出來(lái)，通過(guò)波形可判斷故障性質(zhì)。
利用信號(hào)的傳播速度，測(cè)出發(fā)送、接收信號(hào)的時(shí)間差Δt，即可通過(guò)L=ν·Δt/2，計(jì)算出故障點(diǎn)位置。其中，ν為發(fā)射信號(hào)的傳播速度。
2 電纜故障點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備的硬件架構(gòu)
以SoPC為硬件，電纜故障點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖3所示。NiosⅡ軟核CPU及各種所需的外設(shè)均通過(guò)SoPC Builder集成在一片F(xiàn)PGA中[3]，構(gòu)成本系統(tǒng)所需硬件的可重構(gòu)部分，實(shí)現(xiàn)真正的可編程片上系統(tǒng)。為了在低成本情況下完成預(yù)定功能，選擇了Cyclone FPGA系列器件中的EP1C6。EP1C6無(wú)論是從邏輯資源還是存儲(chǔ)器均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
2.1 主要IP核設(shè)計(jì)
(1)UART內(nèi)核：通用異步接收器/發(fā)送器。UART內(nèi)核執(zhí)行RS-232協(xié)議，它為FPGA上的嵌入式系統(tǒng)和外部設(shè)備提供了串行字符流的通信方式。
帶Avalon接口[4]的JTAG-UART內(nèi)核還提供Nios CPU系統(tǒng)到PC機(jī)的連接通路，通過(guò)JTAG-UART在PC機(jī)上調(diào)試Nios CPU所需要的程序，并通過(guò)監(jiān)控程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制。
(2)PIO內(nèi)核：并行輸入/輸出內(nèi)核。它提供Avalon從控制器端口到通用I/O口間的映射接口。該IP核是常規(guī)的外設(shè)控制接口。通過(guò)PIO，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量讀取，鍵盤(pán)輸入，對(duì)LED、LCD等外設(shè)進(jìn)行控制。SoPC Builder中提供了PIO內(nèi)核，可以很容易將PIO內(nèi)核集成到SoPC Builder生成的系統(tǒng)中。
(3)EPCS內(nèi)核：帶Avalon接口的EPCS設(shè)備控制器內(nèi)核。EPCS包含1 KB的片內(nèi)存儲(chǔ)器。該IP核允許NiosⅡ系統(tǒng)訪問(wèn)EPCS串行配置芯片，管理FPGA配置數(shù)據(jù)，主要用于存儲(chǔ)程序代碼或一些非易失性數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中用于波形存儲(chǔ)。
(4)三態(tài)總線橋：該IP核是Avalon和Avalon-Tri BUS總線以及Avalon和Wishbone總線的橋接控制器，用于連接兩種不同總線。考慮A/D轉(zhuǎn)換器等外設(shè)需要自行開(kāi)發(fā)I2C配置接口，這些外設(shè)不能直接連到Avalon總線上，需要通過(guò)橋接控制器并以IP核的形式通過(guò)SoPC Builder連接到系統(tǒng)的Avalon總線上。
2.2 信號(hào)的收發(fā)
2.2.1 信號(hào)的產(chǎn)生與發(fā)送
從微波理論可知，發(fā)送信號(hào)的頻率越高越接近于長(zhǎng)線理論[5]，即滿(mǎn)足電纜分布式參數(shù)沿線均勻條件。但信號(hào)頻率越高，線路的高頻損耗越大，信號(hào)容易畸變，給檢測(cè)也會(huì)帶來(lái)困難。在SoPC中，信號(hào)的產(chǎn)生以及信號(hào)的頻率和幅度可方便地由軟件調(diào)整。實(shí)驗(yàn)測(cè)定，若測(cè)距在10 km左右，信號(hào)的頻率大約在1.5 MHz~150 MHz為宜。
考慮到SoPC器件的驅(qū)動(dòng)能力微弱，不能直接發(fā)送給被測(cè)電纜，必須要經(jīng)過(guò)一定的放大，故末端采用高頻變壓器加上高頻晶體管射極驅(qū)動(dòng)電路的形式。
2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
采用Analog Devices公司的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9481，該轉(zhuǎn)換器采樣頻率可達(dá)200 MHz，具有高速、低功耗、體積小的特點(diǎn)。適合高采樣頻率和寬帶寬的場(chǎng)合。為解決信號(hào)小不易檢測(cè)的矛盾，應(yīng)加入前置放大級(jí)。參考AD9481數(shù)據(jù)手冊(cè)，采用了AC耦合、雙極性放大器接法。
3 電纜故障點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備的軟件開(kāi)發(fā)
軟件系統(tǒng)體系主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植、應(yīng)用級(jí)代碼編寫(xiě)等部分。為了方便用戶(hù)編程，NiosⅡ IDE提供了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在新建工程時(shí)NiosⅡ IDE會(huì)根據(jù)SoPC Builder對(duì)系統(tǒng)硬件配置自動(dòng)生成一個(gè)定制的HAL，即硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫(kù)。基于HAL系統(tǒng)庫(kù)的軟件工程的創(chuàng)建和管理與NiosⅡ IDE緊密相關(guān)，圖4為NiosⅡ IDE工程結(jié)構(gòu)[6]。
一個(gè)NiosⅡ IDE工程包括兩個(gè)工程：用戶(hù)應(yīng)用程序工程和HAL系統(tǒng)庫(kù)工程。用戶(hù)應(yīng)用程序工程中包含所有的用戶(hù)代碼文件，最終的可執(zhí)行映象由此工程生成。HAL系統(tǒng)庫(kù)工程中包含所有與硬件處理器相關(guān)的接口信息，系統(tǒng)庫(kù)工程基于用戶(hù)定制的NiosⅡ處理器系統(tǒng)，由SoPC Builder自動(dòng)生成.ptf文件。
HAL應(yīng)用程序接口(API)與ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)綜合在一起，可以使用類(lèi)似Ｃ語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)來(lái)訪問(wèn)硬件設(shè)備或文件，如printf()、fopen()等，而無(wú)須關(guān)心底層硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
在實(shí)驗(yàn)室條件下，用該系統(tǒng)對(duì)1 000 m的電纜進(jìn)行多次模擬測(cè)試，包括短路和開(kāi)路情況，所顯示的故障類(lèi)型正確，故障點(diǎn)距離均方根誤差E<1%，表明該系統(tǒng)具有良好的精度。但實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際的電纜敷設(shè)環(huán)境差別較大，實(shí)際的敷設(shè)環(huán)境和故障現(xiàn)象要復(fù)雜得多，電纜運(yùn)行可能出現(xiàn)既非短路又非開(kāi)路情況，如漏電故障。此時(shí)，反射回的信號(hào)呈現(xiàn)行駐波的方式，這種工作模式需要提高系統(tǒng)的靈敏度，可以從提高設(shè)備的抗干擾能力和合理調(diào)節(jié)發(fā)送信號(hào)的頻率兩個(gè)方面予以改進(jìn)。
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