引言

供電線路布局主要采用架空線路和地下電纜線路兩種形式。地下電纜線路布局的好處是相比架空線路故障率更低，運(yùn)行可靠性更高。但地下電纜線路由于不是明線布局，正常情況下無法憑肉眼觀察到其異常狀態(tài)，目前缺乏對地下電纜線路的監(jiān)測技術(shù)，地下電纜線路出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)無法被及時發(fā)現(xiàn)，久而久之易演變成大故障[1]，最終只能通過更換地下電纜進(jìn)行修復(fù)，搶修成本極大，且耗費(fèi)大量的人力、物力。因此，加強(qiáng)地下電纜監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)是目前供電系統(tǒng)的重要工作之一。

本文開發(fā)了一種基于STM32的地下電纜異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用熱傳導(dǎo)原理測量地下電纜表面溫度，通過測量溫度的高低判斷地下電纜的過載運(yùn)行情況和異常運(yùn)行狀態(tài)，并對異常運(yùn)行的異常點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測，輔助供電人員開展異常運(yùn)行電纜的檢修工作。該系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)地下電纜線路的異常運(yùn)行狀態(tài)并提醒供電人員針對性安排檢修工作，節(jié)省了大量人力、物力。

1基于STM32的地下電纜異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)開發(fā)與選型

1.1下位機(jī)微機(jī)系統(tǒng)選型

現(xiàn)階段，微機(jī)系統(tǒng)多種多樣，例如51系列單片機(jī)、STM系列單片機(jī)和PLC等。該系統(tǒng)下位機(jī)開發(fā)需要一個主機(jī)攜帶多個子機(jī)，最多子機(jī)數(shù)達(dá)20個，為滿足該系統(tǒng)下位機(jī)的開發(fā)需求，下位機(jī)微機(jī)系統(tǒng)必須具備足夠的運(yùn)行速度。STM32系統(tǒng)的運(yùn)行速度是72 M/s，相比于51系列單片機(jī)12 M/s的運(yùn)行速度和PLC 100次/s的運(yùn)行速度，具有極大的優(yōu)勢。同時STM32系統(tǒng)具有上百個IO口，能滿足多個子機(jī)硬件上的連接。綜上，該系統(tǒng)下位機(jī)開發(fā)采用STM32系統(tǒng)。

1.2通信方式選擇

現(xiàn)階段，通信方式多種多樣，例如載波通信、無線通信和RS485通信等。該系統(tǒng)下位機(jī)開發(fā)需要一個主機(jī)攜帶多個子機(jī)，并且通信距離較長，最長需達(dá)到800 m。除此之外，由于是在地下管道內(nèi)進(jìn)行通信，信號衰減較大，干擾較多，對通信的穩(wěn)定性有很高要求，所以該系統(tǒng)的下位機(jī)裝置內(nèi)部通信不適合選用無線通信，無線通信適用于下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。再者該系統(tǒng)下位機(jī)裝置安裝于電纜表面，所以無法通過在電纜線路中加上載波調(diào)制信號進(jìn)行載波通信。RS485通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)1 200多m，同時具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在進(jìn)行遠(yuǎn)程通信時還可通過485中繼器加強(qiáng)傳輸?shù)男盘朳2]；而且RS485通信在常規(guī)設(shè)置情況下可以實(shí)現(xiàn)一個主機(jī)攜帶31個子機(jī)，特殊處理條件下子機(jī)數(shù)最多可達(dá)400個，符合該系統(tǒng)下位機(jī)開發(fā)要求。

1.3電纜異常監(jiān)測量選擇

地下電纜異常運(yùn)行的監(jiān)測量有局部放電監(jiān)測、電纜載流量監(jiān)測、護(hù)層電流監(jiān)測和表層溫度監(jiān)測等[3]，其中絕大多數(shù)監(jiān)測量需要全線布置測量裝置，否則容易造成監(jiān)測遺漏。但全線布置監(jiān)測裝置不僅安裝難度大，而且需要耗費(fèi)大量資金，不具備經(jīng)濟(jì)效益。而溫度具有熱傳導(dǎo)性，即使異常點(diǎn)處沒有安裝測溫裝置，經(jīng)過一定時間的熱傳導(dǎo)，相鄰的測溫裝置也能監(jiān)測到電纜溫度異常。因此，該系統(tǒng)開發(fā)采用電纜表層溫度作為監(jiān)測量。

1.4上位機(jī)開發(fā)

上位機(jī)選用C#編程語言開發(fā)一個軟件界面，C#具有模塊化編程功能，易于操作。上位機(jī)主要功能是通過無線通信接收轄區(qū)內(nèi)各下位機(jī)裝置發(fā)送的電纜異常運(yùn)行狀態(tài)信息，并發(fā)送短信給各電纜線路段所綁定的設(shè)備主人。

2基于STM32的地下電纜異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)現(xiàn)場布置

基于STM32的地下電纜異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)下位機(jī)裝置現(xiàn)場布置圖如圖1所示。

為了便于后續(xù)檢修，在填埋地下電纜時會預(yù)留電纜井打通地下電纜管道與地面。在設(shè)計電纜線路時，直線鋪設(shè)電纜時每隔40 m設(shè)置一個電纜井，在電纜拐彎處另設(shè)電纜井。基于STM32的地下電纜異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)以架空線路轉(zhuǎn)接電纜線路的電纜井為起點(diǎn)，直線方向上每隔20個電纜井作為一個整體安裝一套完整的下位機(jī)裝置，并在電纜拐角處另立起點(diǎn)重新以直線方向的20個電纜井為間隔裝設(shè)下位機(jī)裝置，在直線電纜的末端，不足20個電纜井的距離也單獨(dú)裝設(shè)一套下位機(jī)裝置。基于STM32的地下電纜異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

下位機(jī)裝置在起點(diǎn)電纜井底部安裝一套STM32系統(tǒng)，STM32系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置好該下位機(jī)裝置所監(jiān)測的電纜線路段名稱，并作為該下位機(jī)裝置的數(shù)據(jù)交換和處理中心，主要處理各個測溫裝置傳入的溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)檢測溫度判斷該段電纜的運(yùn)行狀態(tài)以及是否存在故障，最后將檢測結(jié)果通過無線信號上傳給上位機(jī)。

在每一個電纜井正下方電纜上各安裝一個測溫裝置，并依次排序，序號最多排到20，測溫裝置自帶RS485通信協(xié)議，滿足RS485通信條件，在測溫裝置測量到電纜表面溫度后，通過RS485通信將溫度數(shù)據(jù)傳入STM32系統(tǒng)進(jìn)行綜合處理。為保證測溫裝置遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的完整性，避免因傳輸路徑過長而導(dǎo)致信號衰減影響系統(tǒng)的最終判斷，下位機(jī)裝置在第二個電纜井至最后一個電纜井的底部分別安裝一個485中繼器，用于對傳輸路徑上的485信號進(jìn)行接收和再發(fā)送，并在下位機(jī)裝置終端處串入一個120Ω電阻，以保證傳輸信號不過度衰減。

下位機(jī)裝置的監(jiān)測范圍為起點(diǎn)電纜井往前20 m處至終點(diǎn)電纜井往后20 m處，監(jiān)測范圍全長最長800 m，小于RS485的最大通信距離，符合數(shù)據(jù)傳輸要求。在下位機(jī)裝置判斷出監(jiān)測電纜線路段出現(xiàn)異常狀態(tài)時，下位機(jī)裝置將異常狀態(tài)的電纜線路段名稱、異常類型、異常點(diǎn)等信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后，在上位機(jī)界面上顯示，并通過短信形式發(fā)送到該電纜線路段所指定的設(shè)備主人的手機(jī)上，提醒設(shè)備主人及時處理電纜異常狀態(tài)。

3基于STM32的地下電纜異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

在電力系統(tǒng)中,所選電纜的絕緣材質(zhì)不同、橫截面不同、過流能力不同，其耐熱程度也不同，電纜絕緣層耐熱表如表1所示。

電纜在正常運(yùn)行狀態(tài)下，其表面溫度為30~50節(jié)，在此統(tǒng)一電纜正常運(yùn)行表面溫度均值θ0為40節(jié)，以便后續(xù)對電纜異常狀態(tài)的異常點(diǎn)進(jìn)行判斷。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路是當(dāng)電纜溫度在允許長時間運(yùn)行最高溫度θ1以下時，判斷電纜處于正常運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)電纜溫度介于允許長時間運(yùn)行最高溫度θ1到允許短時過載運(yùn)行最高溫度θ2之間時，判斷電纜處于過載狀態(tài)；當(dāng)電纜溫度大于允許短時過載運(yùn)行最高溫度θ2時，判斷電纜處于異常運(yùn)行狀態(tài)。

基于STM32的地下電纜異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

設(shè)定變量i，用于區(qū)分各個測溫裝置，其中θi為各個測溫裝置測量到的電纜表面溫度；設(shè)定允許長時間運(yùn)行最高溫度θ1和允許短時過載運(yùn)行最高溫度θ2，θ1和θ2均為定值，根據(jù)所監(jiān)測的電纜線路段的材質(zhì)提前在STM32系統(tǒng)內(nèi)查表設(shè)置；設(shè)定定值END，END為該下位機(jī)裝置內(nèi)測溫裝置的總數(shù)值，最大為20；設(shè)定定時器計時時間為T；設(shè)定熱傳導(dǎo)率λ、電纜直徑d和電纜正常運(yùn)行表面溫度均值θ0，三者均為定值，λ和d依據(jù)電纜的實(shí)際選材在STM32系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行設(shè)定，θ0設(shè)定為40節(jié)；設(shè)定熱傳導(dǎo)速度為Ⅴ,熱傳導(dǎo)距離為ΔS，異常點(diǎn)位置為S，三者用于計算預(yù)測電纜異常運(yùn)行狀態(tài)下的異常點(diǎn)。

首先i從1開始，判斷θi是否介于θ1和θ2之間。如果θi介于θ1和θ2之間，判斷該段電纜處于過載狀態(tài)，STM32系統(tǒng)將該段電纜線路段名稱、電纜過載狀態(tài)和第i號測溫裝置的測量溫度發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)顯示該電纜線路段過載信息并發(fā)送短信給相應(yīng)的設(shè)備主人。如果θi不介于θ1和θ2之間，則i自加1后重復(fù)上述判斷，直到i大于END時，跳出循環(huán)向下繼續(xù)執(zhí)行。

接著將i重新置為1，判斷θi是否大于θ2。當(dāng)θi大于θ2時，啟動定時器T進(jìn)行計時。判斷θi-1或者θi+1是否有一個大于θ2，如果沒有，重復(fù)判斷，直到θi-1或者θi+1有一個大于θ2時，關(guān)閉定時器T。當(dāng)θi-1大于θ2時，判斷電纜出現(xiàn)異常狀態(tài)并且異常點(diǎn)在第i號電纜井前方，電纜異常點(diǎn)S預(yù)測公式如下式所示：

通過上述公式推測出電纜異常點(diǎn)在第i號電纜井前方Sm處。當(dāng)i為1時，屏蔽上一級下位機(jī)裝置對i=END的測溫裝置的監(jiān)測，并將上一級下位機(jī)裝置i=END的測溫裝置的監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)作為判斷該級下位機(jī)裝置1號異常點(diǎn)預(yù)測中的θi-1。

當(dāng)θi+1>θ2時，判斷電纜出現(xiàn)異常狀態(tài)并且異常點(diǎn)在第i號電纜井后方，電纜異常點(diǎn)S預(yù)測公式如下式所示：

通過上述公式推測出電纜異常點(diǎn)在第i號電纜井后方S m處。當(dāng)i=END時，屏蔽下一級下位機(jī)裝置對i=1的測溫裝置的監(jiān)測，并將下一級下位機(jī)裝置i=1的測溫裝置的監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)作為判斷該級下位機(jī)裝置END號異常點(diǎn)預(yù)測中的θi+1。

在判斷出電纜出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)后，STM32系統(tǒng)將該段電纜線路段名稱、電纜存在異常運(yùn)行狀態(tài)的異常點(diǎn)預(yù)測位置和第i號測溫裝置的測量溫度發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)在接收到信息后顯示電纜線路段名稱及其對應(yīng)的異常運(yùn)行異常點(diǎn)位置，并發(fā)送短信給相應(yīng)設(shè)備主人。若θi三θ2，則i自加1后重復(fù)判斷θi是否大于θ2，直到i>END時，跳出循環(huán)向下執(zhí)行。

4結(jié)束語

基于STM32的地下電纜異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)利用熱傳導(dǎo)原理測量地下電纜表面溫度，通過測量溫度的高低判斷地下電纜的過載運(yùn)行情況和異常運(yùn)行狀態(tài)，并對異常運(yùn)行的異常點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。該系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)地下電纜線路的異常運(yùn)行狀態(tài)，及時提醒供電人員針對性安排檢修工作，節(jié)省了大量人力、物力。