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基于分布式参数电路模型检测电缆故障

丁晓贵;钱萌;江晋剑

【摘要】设计一种基于分布式参数模型查找电缆故障点系统,以NiosⅡ软核处理

器和所需的外设IP核嵌入到FPGA中为硬件架构,移植μC/OS-Ⅱ实时操作系统为

软件体系,实现故障的检测,具有广泛的适用性和良好的应用前景.

【期刊名称】《微型机与应用》

【年(卷),期】2011(030)003

【总页数】3页(P76-78)

【关键词】电缆;反射;分布参数;片上系统

【作者】丁晓贵;钱萌;江晋剑

【作者单位】安庆师范学院计算机与信息学院,安徽安庆,246011;安庆师范学院计

算机与信息学院,安徽安庆,246011;安庆师范学院计算机与信息学院,安徽安

庆,246011

【正文语种】中文

【中图分类】TP277

“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。

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。

若电缆正常工作，根据最大功率传递定理，为达到传输效率最佳，一般有ZL≈Z0，

由（3）式可得，反射系数ΓL≈0，信号无反射，信号源发出的信号呈行波[2]工作

状态。

当传输线终端短路，即ZL=0，由（3）式可得，反射系数ΓL=-1，信号呈驻波工

作状态，终端的入射波将被全反射，此时电压为u（z，t）=ui（z，t）=A1e-

αzcos（ω-tβz），波形如图1所示。其中图1（a）是信号电压和电流波形，图1

（b）是不同位置时阻抗性质，图1（c）是阻抗模型。

当传输线终端开路，一般有ZL=∞，由式（3）可得，反射系数ΓL=1，信号也呈

驻波工作状态，但波形有别于短路状况，如图2所示。

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。

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SoPCBuilder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CycloneFPGA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。

（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NiosCPU系统到PC机的连接通路，

通过JTAG-UART在PC机上调试NiosCPU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。SoPCBuilder中提供了PIO内核，可以

很容易将PIO内核集成到SoPCBuilder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1KB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，