CN102435916A - 基于sopc技术的电缆故障在线检测与定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于SOPC技术的电缆故障在线检测与定位装置，包括带NIOS II软核的FPGA模块、高速DA模块、信号调理模块、隔离耦合模块和高速AD模块，其中，FPGA模块产生用于电缆故障检测的检测信号，经过高速DA模块转换为模拟信号，再经过信号调理模块转换为合适幅值的检测信号，经过隔离耦合模块耦合到处于工作状态的被测电缆中，同时从隔离耦合模块接收电缆故障点的反射信号，经过高速AD模块转换为数字信号送入构建有NIOS II软核的FPGA模块中经过相关运算与故障检测与定位算法得到被测电缆的故障类型及故障距离信息。此装置可实现对电缆故障的实时检测与定位，具有测试准确、测试精度高、抗干扰能力强、集成度高等特点。

Description

基于SOPC技术的电缆故障在线检测与定位装置

技术领域

本发明属于电工技术领域，特别涉及一种针对电缆故障的在线检测与定位装置。

背景技术

电力化、信息化社会的发展使得作为能量和信息传递媒介的电缆的应用范围越来越广泛，航空航天、公共运输、家居生活都离不开电缆提供电力的传输和信号的传送。在这些应用领域中，电缆常常深埋于地下、墙体中、汽车和航空航天器的结构之中，而不像传统的输配电线路大量使用高架线，电线裸露在外，这样的安装方式给电缆故障的检测与维护带来了很大的麻烦。

电缆长期处于振动、辐射、冷热等复杂的环境下工作，随着时间的增长，会出现绝缘磨损、老化、腐蚀等电缆破损情况，继而导致出现短路、断路、电弧等不可复现的间断性故障，最终导致电缆的短路、断路故障。

为了解决电缆故障，电缆故障的检测与定位工作就成了必须解决的问题。现阶段，国内外的电缆故障检测与定位大量采用阻抗法和时域反射法，这两种方法都是离线检测。

最初的电缆故障粗测工作，是利用电桥平衡测试原理进行的。用电桥原理测试电缆故障距离，曾是上世纪六七十年代普遍采用的方法。到了2000年以后，使用电桥法测试原理的仪器还继续使用并且有所发展，这种方法历史时间长，电路实现简单，成本和体积都容易控制，但是这种方法测量时必须对电缆两端同时操作，对操作人员要求较高且操作麻烦，测量精度受人为因素影响较大。

应用时域反射技术进行电缆故障定位的测量原理经过十多年的发展已经成熟，目前被广泛应用于电缆故障的检测与定位当中，该方法测量时只需一人单端操作，测量仪表自动完成故障距离和故障类型的判定，基本不受人为因素的影响，但是这种方法由于入射的检测信号采用单一的直流电压脉冲，因而易受干扰，测量精度较差，且只能应用于离线电缆故障的检测与判断中。

综上所述，现阶段的电缆故障检测与定位方法只能够对电缆故障进行离线的检测与定位，对于电缆上出现的短路、断路、电弧等不可复现的间断性故障不能够进行很好的检测与定位，从而给电缆的安全运行带来了极大的隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种基于SOPC技术的电缆故障在线检测与定位装置，其可实现对电缆故障的实时检测与定位，具有测试准确、测试精度高、抗干扰能力强、集成度高等特点。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种基于SOPC技术的电缆故障在线检测与定位装置，包括带NIOS II软核处理器的FPGA模块、高速DA模块、信号调理模块、隔离耦合模块和高速AD模块，其中，FPGA模块产生用于电缆故障检测的检测信号，经过高速DA模块转换为模拟信号，再经过信号调理模块转换为合适幅值的检测信号，经过隔离耦合模块耦合到处于工作状态的被测电缆中，同时从隔离耦合模块接收电缆故障点的反射信号，经过高速AD模块转换为数字信号送入构建有NIOS II软核处理器的FPGA模块中经过相关运算与故障检测与定位算法得到被测电缆的故障类型及故障距离信息。

其中，利用带NIOS II软核处理器的FPGA模块产生检测所用的高频检测信号，该高频检测信号为m序列与正弦波1∶1的调制信号，m序列利用硬件描述语言实现，正弦波信号的产生基于带NIOS II软核处理器的FPGA模块内部自带的存储器，采用查表的方式实现，并利用产生的正弦波的二进制序列的最高位作为产生m序列的驱动时钟，从而使得正弦波的频率与m序列的频率相同，实现准确的1∶1调制。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

(1)利用FPGA来实现电缆故障检测信号的产生，使得检测信号的产生具有可编程的特性，从而使得其能够灵活的应用于各种长度电缆的测试，使得测试具有更大的灵活性；

(2)能够实现对电缆中出现的不可复现的间断性短路、断路、电弧故障的检测；

(3)隔离耦合模块能够实现对被测装置与待测电缆的电气隔离，同时将检测信号耦合到被测的电缆中；

(4)利用FPGA实现故障检测算法，由于FPGA并行处理的能力，使得该检测装置具有很强的实时性；

(5)将检测信号产生及电缆故障检测与定位算法集中于FPGA内部实现，大大提高了检测装置的灵活性及集成度；

(6)可以实现对低频电力电缆和高频信号电缆的检测，通用性强；

(7)利用NIOS II软核处理器实现本系统，减少了装置上所用器件的数量，可以大大减小板上面积，提高系统的集成度、可靠度，同时由于采用软核实现，可以实现不间断的升级与维护。

附图说明

图1是本发明基本工作原理示意图；

图2是本发明的系统构成原理框图；

图3是本发明的系统工作流程图；

图4是基于FPGA的电缆故障检测信号产生原理框图；

图5是频域相关运算的实现框图；

图6是用于故障检测与定位的检测信号调制示意图；

图7是检测信号的自相关运算波形；

图8是该方法用于低频电力电缆故障检测与定位的结果波形图；

图9是该方法用于高频信号电缆故障检测与定位的结果波形图；

图10是加入电弧检测检测功能的电缆故障在线检测与定位系统工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种基于SOPC(System On Programmable Chip，片上可编程系统)技术的电缆故障在线检测与定位装置，从功能来分类，包括检测信号产生模块、检测信号调理模块、信号隔离耦合模块、反射信号调理与采样模块和故障类型判断与定位模块，下面将分别介绍。

检测信号产生模块主要由FPGA及高速DA构成，在FPGA内部利用硬件描述语言产生m序列，利用FPGA内部存储器，采用查表的方式生成频率与m序列片码率相同的正弦波信号，再利用硬件描述语言将产生的m序列与正弦波进行调制，最后将FPGA产生的调制信号送到高速DA，转换成模拟检测信号。

检测信号调理模块主要由高速运算放大器构成，其主要是对DA转换后的模拟检测信号幅值进行调理，使得其满足检测信号幅值要求。

信号隔离耦合模块由隔离变压器、耐高压电容、TVS(瞬态抑制二极管)和稳压管构成，该模块主要完成的功能是将检测信号耦合到被测电缆当中，并接受电缆故障点的反射信号，同时实现强弱信号的隔离。

反射信号调理采样模块主要由高速运放构成的反射信号调理电路及高速AD(模数转换器)构成，反射信号调理电路将反射信号调理成符合AD输入要求的信号送入高速AD，经AD转换为数字量后送入后级信号处理电路。

故障类型判断与定位模块主要在FPGA内部完成，该模块将由FPGA产生的检测信号与检测到的反射信号进行互相关运算，将运算结果送入FPGA内部构成的NIOS II软核处理器中故障类型的判断及故障距离的计算，并将计算结果通过通讯模块送入上位机。

以下将就本发明的硬件结构进行说明。

图1为本装置对电缆故障进行检测与定位的基本工作原理示意图，其工作的基本原理如下：通过向待测电缆发射m序列与正弦波一比一的调制信号x(t)，由故障引起的阻抗不匹配会引起行波的反射，将检测到的反射信号a_kx(t-T_i)(其中a_k为反射信号幅值，T_i为反射信号到达测试点时相对于入射信号的延迟时间)与延迟时间τ的入射信号x(t-τ)进行互相关运算，通过改变延迟时间τ，使相关器输出达到最大，根据相关运算的性质可知，此时有τ＝T_i，T_i即为故障点所对应的反射时间。移位τ的入射信号与反射信号互相关运算的表达式可以表示如下：

$r_{\mathrm{xy}}={\∫}_0^{T_s}x(t-\mathrm{\τ})\·a_{k}x(t-T_i)\mathrm{dt}$

图2为整个电缆故障在线检测与定位装置的系统构成框图。该装置由FPGA模块、高速DA、信号调理电路、隔离耦合单元、高速AD以及存储单元构成。

FPGA内部实现功能又可以分为NIOS II软核处理器、检测信号产生、相关运算以及其他一些逻辑控制功能。

FPGA内部构建的NIOS II软核处理器是一种32位软核处理器，其主要用来实现对相关运算模块的结果进行处理，得到最终的电缆故障的类型及故障距离，同时完成存储单元的控制、上位机的通讯以及整个系统中各个模块的统筹调度。

检测信号的产生在FPGA内部实现，其主要用来实现检测信号。相关运算模块也在FPGA内部实现，其主要用来实现对原有入射信号和检测到的反射信号的相关运算，存储单元的作用是作为NIOS II处理器工作的内存及数据存储区。

高速DA将FPGA内部检测信号模块产生的检测信号转换为可供检测使用的模拟检测信号，经过信号调理电路调理成符合测试要求的测试信号，通过隔离耦合电路耦合到被测试的在线电缆中，高速AD将电缆故障点的反射信号转换为数字量后送给FPGA内部相关运算模块进行相关运算。

图3为本系统的总体工作流程图，系统上电复位后，NIOS II处理器完成初始状态的设置及检测参数的设置，之后开始进行电缆故障的扫描与检测。首先由NIOS II软核处理器向信号检测控制模块、高速AD发送使能信号，对两个功能模块使能，使得两个模块同时开始工作，即当检测信号开始发送的同时，高速AD也同时开始采样，保证发送完一个检测信号周期的同时，能够同时采样到一个检测信号周期的信号，该信号包括检测信号及阻抗不连续点的反射信号，是这两者信号的叠加。当发送完一个检测信号周期，同时也完成一个检测周期的AD采样后，停止向待测电缆发送检测信号，由NIOS II软核处理器控制互相关运算模块对一个周期的检测信号及AD采样信号进行互相关运算，当相关运算模块运算结束后，NIOS II软核处理器读取相关运算的结果，并调用故障类型及定位算法对电缆的故障类型及故障距离进行运算，运算结束后，NIOS II软核处理器向上位机发送最终电缆故障的类型及故障的距离，至此完成一次电缆故障的检测与定位。

图4为FPGA实现故障检测信号的原理框图，本检测系统所用的检测信号为1∶1的BPSK(Binary Phase Shift Keying)信号，晶振的输入作为系统全局时钟，作为整个系统工作的时间基准。晶振的外部输入时钟经过PLL锁相模块倍频后作为信号产生模块的基准时钟，利用该时钟基准作为信号检测模块中正弦波产生模块(Direct Digital Synthesizer，直接数字合成模块，简称DDS)的时钟基准，产生调制需要的载波正弦波。由于产生的检测波形为调制比为1∶1的BPSK信号，即要求载波正弦波的频率与调制波m序列的片码率相同，在本设计中，为了达到这样的要求，利用正弦波的最高位产生的时钟脉冲作为m序列产生模块的基准时钟，产生m序列，最后经过调制模块产生所需要的调制比为1∶1的BPSK检测信号。

图5为本系统所采用的频域相关运算实现框图，时域相关运算是根据相关运算的定义公式直接实现的相关运算，由于其中有移位相乘的过程，因而其数据的存储空间和运算量都非常大，运算速度较非常缓慢，这对系统的实时性影响较大，从而影响了电缆故障在线检测与定位的性能，因此，本发明采用FPGA并行处理的强大处理能力，利用基于FFT的频域相关运算，使得相关运算的处理速度大大提高，从而使得系统的实时性大大增强，采用基于FFT的频域相关运算的计算公式如下：

$r\left(n\right)=\mathrm{IFFT}\left[R\left(k\right)\right]=\mathrm{IFFT}[X\left(k\right)Y*\left(k\right)]=\frac{1}{N}\mathrm{FFT}[X*\left(k\right)Y\left(k\right)]$

图6为m序列和正弦波1∶1调制波的波形，图7为其自相关波形。从图6中可以看出，m序列和正弦波的调制过程如下：当m序列输出高电平时，与其调制的正弦波保持相位不变；当m序列输出低电平时，与其调制的正弦波反相。从图7中可以看出，检测信号及m序列与正弦波1∶1的调制信号其自相关波形存在一定的旁瓣，其旁瓣周期为调制波m序列的片码周期Tc，由于调制比为1∶1，旁瓣周期也等于载波正弦波的周期Tsin，该旁瓣也是产生测量死区的因素，死区时间即为一个片码周期Tc，该测量死区的出现就限定了本系统所能测量的电缆的最小距离。

在电力电缆中，低频的电源信号相对于一般频率在MHz以上的入射检测信号而言频率相差非常大。当将入射信号耦合进入低频电力电缆中时，入射信号即加在原有的电源信号中，作为原有的电源信号的纹波。由于两个信号的频率相差特别的大，因而可以通过类似电力线载波通信中的电力线耦合装置将原有信号耦合到电力线中，并通过该耦合装置接收故障点的反射信号。从图8中可以看出，当电路正常工作时，不存在反射；当电路出现断路时，其反射波头与信号的自相关波头同相；短路时，与自相关运算波头反相。

当电缆中通入的信号为高频的通讯信号时，其和入射的检测信号的频率相差不是很大，两信号在带宽上已经出现重叠，但由于一般的通讯信号的频带较窄，而入射的检测信号的频带很宽，其带宽远大于通讯信号频带的的2倍以上，因而仍然能够从原有的信号中检测出入射到电缆中的信号及遇到故障点后的反射信号，从而对电缆进行准确的检测与定位。图9即为得到的最终的故障检测与定位结果，从该图上可以看出，在高频信号电缆发生故障时本系统仍然能够很准确的判断出故障类型并进行准确的定位。

图10为本系统对电缆中出现电弧故障时的实现流程图，对于电弧故障的在线检测与定位，由于其相对于电缆中出现的短路、断路等硬故障，其阻抗值是时变的，因而相对于硬故障的检测，对间断性故障电弧的检测可以通过连续不断向被测电缆中发送多次周期性的检测信号，在电缆正常时，对其反射信号与入射信号进行相关运算，将相关运算的结果取其平均值后作为基准测量曲线存储于存储单元中。当电缆中发生电弧故障时，由于连续不断地发射检测信号并与入射信号进行相关运算，可以得到多次相关运算结果，将得到的多次相关运算结果与存储于存储单元中的的基准曲线进行比较，如果相关运算反射波头是不断变化的，且反射波头的幅值超过一定值，从而就可以确定该故障类型为电弧故障，进而计算出阻抗变化点处相对于入射波头自相关峰值的延迟时间，再根据被测电缆的传输系数及测试波在电缆中的传播速度，从而求解出电弧故障点的位置。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于SOPC技术的电缆故障在线检测与定位装置，其特征在于：包括带NIOS II软核处理器的FPGA模块、高速DA模块、信号调理模块、隔离耦合模块和高速AD模块，其中，FPGA模块产生用于电缆故障检测的检测信号，经过高速DA模块转换为模拟信号，再经过信号调理模块转换为合适幅值的检测信号，经过隔离耦合模块耦合到处于工作状态的被测电缆中，同时从隔离耦合模块接收电缆故障点的反射信号，经过高速AD模块转换为数字信号送入构建有NIOS II软核处理器的FPGA模块中经过相关运算与故障检测与定位算法得到被测电缆的故障类型及故障距离信息。

2.如权利要求1所述的基于SOPC技术的电缆故障在线检测与定位装置，其特征在于：利用带NIOS II软核处理器的FPGA模块产生检测所用的高频检测信号，该高频检测信号为m序列与正弦波1∶1的调制信号，m序列利用硬件描述语言实现，正弦波信号的产生基于带NIOS II软核处理器的FPGA模块内部自带的存储器，采用查表的方式实现，并利用产生的正弦波的二进制序列的最高位作为产生m序列的驱动时钟，从而使得正弦波的频率与m序列的频率相同，实现准确的1∶1调制。

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