專利名稱：基于sopc技術的電纜故障在線檢測與定位裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電工技術領域，特別涉及一種針對電纜故障的在線檢測與定位裝置。
背景技術：
電力化、信息化社會的發(fā)展使得作為能量和信息傳遞媒介的電纜的應用范圍越來越廣泛，航空航天、公共運輸、家居生活都離不開電纜提供電力的傳輸和信號的傳送。在這些應用領域中，電纜常常深埋于地下、墻體中、汽車和航空航天器的結構之中，而不像傳統(tǒng)的輸配電線路大量使用高架線，電線裸露在外，這樣的安裝方式給電纜故障的檢測與維護帶來了很大的麻煩。電纜長期處于振動、輻射、冷熱等復雜的環(huán)境下工作，隨著時間的增長，會出現(xiàn)絕緣磨損、老化、腐蝕等電纜破損情況，繼而導致出現(xiàn)短路、斷路、電弧等不可復現(xiàn)的間斷性故障，最終導致電纜的短路、斷路故障。為了解決電纜故障，電纜故障的檢測與定位工作就成了必須解決的問題。現(xiàn)階段， 國內外的電纜故障檢測與定位大量采用阻抗法和時域反射法，這兩種方法都是離線檢測。最初的電纜故障粗測工作，是利用電橋平衡測試原理進行的。用電橋原理測試電纜故障距離，曾是上世紀六七十年代普遍采用的方法。到了 2000年以后，使用電橋法測試原理的儀器還繼續(xù)使用并且有所發(fā)展，這種方法歷史時間長，電路實現(xiàn)簡單，成本和體積都容易控制，但是這種方法測量時必須對電纜兩端同時操作，對操作人員要求較高且操作麻煩，測量精度受人為因素影響較大。應用時域反射技術進行電纜故障定位的測量原理經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)成熟，目前被廣泛應用于電纜故障的檢測與定位當中，該方法測量時只需一人單端操作，測量儀表自動完成故障距離和故障類型的判定，基本不受人為因素的影響，但是這種方法由于入射的檢測信號采用單一的直流電壓脈沖，因而易受干擾，測量精度較差，且只能應用于離線電纜故障的檢測與判斷中。綜上所述，現(xiàn)階段的電纜故障檢測與定位方法只能夠對電纜故障進行離線的檢測與定位，對于電纜上出現(xiàn)的短路、斷路、電弧等不可復現(xiàn)的間斷性故障不能夠進行很好的檢測與定位，從而給電纜的安全運行帶來了極大的隱患。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題，是針對前述背景技術中的缺陷和不足，提供一種基于SOPC技術的電纜故障在線檢測與定位裝置，其可實現(xiàn)對電纜故障的實時檢測與定位，具有測試準確、測試精度高、抗干擾能力強、集成度高等特點。本發(fā)明為解決以上技術問題，所采用的技術方案是一種基于SOPC技術的電纜故障在線檢測與定位裝置，包括帶NIOS II軟核處理器的FPGA模塊、高速DA模塊、信號調理模塊、隔離耦合模塊和高速AD模塊，其中，F(xiàn)PGA模塊產(chǎn)生用于電纜故障檢測的檢測信號，經(jīng)過高速DA模塊轉換為模擬信號，再經(jīng)過信號調理模塊轉換為合適幅值的檢測信號，經(jīng)過隔離耦合模塊耦合到處于工作狀態(tài)的被測電纜中，同時從隔離耦合模塊接收電纜故障點的反射信號，經(jīng)過高速AD模塊轉換為數(shù)字信號送入構建有OTOS II軟核處理器的FPGA模塊中經(jīng)過相關運算與故障檢測與定位算法得到被測電纜的故障類型及故障距離信息。其中，利用帶NIOS II軟核處理器的FPGA模塊產(chǎn)生檢測所用的高頻檢測信號，該高頻檢測信號為m序列與正弦波1 1的調制信號，m序列利用硬件描述語言實現(xiàn)，正弦波信號的產(chǎn)生基于帶NIOS II軟核處理器的FPGA模塊內部自帶的存儲器，采用查表的方式實現(xiàn)，并利用產(chǎn)生的正弦波的二進制序列的最高位作為產(chǎn)生m序列的驅動時鐘，從而使得正弦波的頻率與m序列的頻率相同，實現(xiàn)準確的1 1調制。采用上述方案后，本發(fā)明具有以下有益效果(1)利用FPGA來實現(xiàn)電纜故障檢測信號的產(chǎn)生，使得檢測信號的產(chǎn)生具有可編程的特性，從而使得其能夠靈活的應用于各種長度電纜的測試，使得測試具有更大的靈活性；(2)能夠實現(xiàn)對電纜中出現(xiàn)的不可復現(xiàn)的間斷性短路、斷路、電弧故障的檢測；(3)隔離耦合模塊能夠實現(xiàn)對被測裝置與待測電纜的電氣隔離，同時將檢測信號耦合到被測的電纜中；(4)利用FPGA實現(xiàn)故障檢測算法，由于FPGA并行處理的能力，使得該檢測裝置具有很強的實時性；(5)將檢測信號產(chǎn)生及電纜故障檢測與定位算法集中于FPGA內部實現(xiàn)，大大提高了檢測裝置的靈活性及集成度；(6)可以實現(xiàn)對低頻電力電纜和高頻信號電纜的檢測，通用性強；(7)利用NIOS II軟核處理器實現(xiàn)本系統(tǒng)，減少了裝置上所用器件的數(shù)量，可以大大減小板上面積，提高系統(tǒng)的集成度、可靠度，同時由于采用軟核實現(xiàn)，可以實現(xiàn)不間斷的升級與維護。


圖1是本發(fā)明基本工作原理示意圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)構成原理框圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖4是基于FPGA的電纜故障檢測信號產(chǎn)生原理框圖5是頻域相關運算的實現(xiàn)框圖6是用于故障檢測與定位的檢測信號調制示意圖7是檢測信號的自相關運算波形；
圖8是該方法用于低頻電力電纜故障檢測與定位的結果波形圖9是該方法用于高頻信號電纜故障檢測與定位的結果波形圖10是加入電弧檢測檢測功能的電纜故障在線檢測與定位系統(tǒng)工作流程圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。
本發(fā)明提供一種基于SOPC (System On Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng))技術的電纜故障在線檢測與定位裝置，從功能來分類，包括檢測信號產(chǎn)生模塊、檢測信號調理模塊、信號隔離耦合模塊、反射信號調理與采樣模塊和故障類型判斷與定位模塊，下面將分別介紹。檢測信號產(chǎn)生模塊主要由FPGA及高速DA構成，在FPGA內部利用硬件描述語言產(chǎn)生m序列，利用FPGA內部存儲器，采用查表的方式生成頻率與m序列片碼率相同的正弦波信號，再利用硬件描述語言將產(chǎn)生的m序列與正弦波進行調制，最后將FPGA產(chǎn)生的調制信號送到高速DA，轉換成模擬檢測信號。檢測信號調理模塊主要由高速運算放大器構成，其主要是對DA轉換后的模擬檢測信號幅值進行調理，使得其滿足檢測信號幅值要求。信號隔離耦合模塊由隔離變壓器、耐高壓電容、TVS(瞬態(tài)抑制二極管)和穩(wěn)壓管構成，該模塊主要完成的功能是將檢測信號耦合到被測電纜當中，并接受電纜故障點的反射信號，同時實現(xiàn)強弱信號的隔離。反射信號調理采樣模塊主要由高速運放構成的反射信號調理電路及高速AD(模數(shù)轉換器)構成，反射信號調理電路將反射信號調理成符合AD輸入要求的信號送入高速 AD,經(jīng)AD轉換為數(shù)字量后送入后級信號處理電路。故障類型判斷與定位模塊主要在FPGA內部完成，該模塊將由FPGA產(chǎn)生的檢測信號與檢測到的反射信號進行互相關運算，將運算結果送入FPGA內部構成的NIOS II軟核處理器中故障類型的判斷及故障距離的計算，并將計算結果通過通訊模塊送入上位機。以下將就本發(fā)明的硬件結構進行說明。圖1為本裝置對電纜故障進行檢測與定位的基本工作原理示意圖，其工作的基本原理如下通過向待測電纜發(fā)射m序列與正弦波一比一的調制信號x(t)，由故障引起的阻抗不匹配會引起行波的反射，將檢測到的反射信號SkXa-Ti)(其中ak為反射信號幅值，Ti 為反射信號到達測試點時相對于入射信號的延遲時間)與延遲時間τ的入射信號χα-τ) 進行互相關運算，通過改變延遲時間τ，使相關器輸出達到最大，根據(jù)相關運算的性質可知，此時有τ =TyTi即為故障點所對應的反射時間。移位τ的入射信號與反射信號互相關運算的表達式可以表示如下
rTrxy= \0S χ({ _ Γ) · CikXQ-T1 )dt圖2為整個電纜故障在線檢測與定位裝置的系統(tǒng)構成框圖。該裝置由FPGA模塊、 高速DA、信號調理電路、隔離耦合單元、高速AD以及存儲單元構成。FPGA內部實現(xiàn)功能又可以分為NIOS II軟核處理器、檢測信號產(chǎn)生、相關運算以及其他一些邏輯控制功能。FPGA內部構建的NIOS II軟核處理器是一種32位軟核處理器，其主要用來實現(xiàn)對相關運算模塊的結果進行處理，得到最終的電纜故障的類型及故障距離，同時完成存儲單元的控制、上位機的通訊以及整個系統(tǒng)中各個模塊的統(tǒng)籌調度。檢測信號的產(chǎn)生在FPGA內部實現(xiàn)，其主要用來實現(xiàn)檢測信號。相關運算模塊也在 FPGA內部實現(xiàn)，其主要用來實現(xiàn)對原有入射信號和檢測到的反射信號的相關運算，存儲單元的作用是作為NIOS II處理器工作的內存及數(shù)據(jù)存儲區(qū)。高速DA將FPGA內部檢測信號模塊產(chǎn)生的檢測信號轉換為可供檢測使用的模擬檢測信號，經(jīng)過信號調理電路調理成符合測試要求的測試信號，通過隔離耦合電路耦合到被測試的在線電纜中，高速AD將電纜故障點的反射信號轉換為數(shù)字量后送給FPGA內部相關運算模塊進行相關運算。圖3為本系統(tǒng)的總體工作流程圖，系統(tǒng)上電復位后，NIOS II處理器完成初始狀態(tài)的設置及檢測參數(shù)的設置，之后開始進行電纜故障的掃描與檢測。首先由NIOS II軟核處理器向信號檢測控制模塊、高速AD發(fā)送使能信號，對兩個功能模塊使能，使得兩個模塊同時開始工作，即當檢測信號開始發(fā)送的同時，高速AD也同時開始采樣，保證發(fā)送完一個檢測信號周期的同時，能夠同時采樣到一個檢測信號周期的信號，該信號包括檢測信號及阻抗不連續(xù)點的反射信號，是這兩者信號的疊加。當發(fā)送完一個檢測信號周期，同時也完成一個檢測周期的AD采樣后，停止向待測電纜發(fā)送檢測信號，由NIOS II軟核處理器控制互相關運算模塊對一個周期的檢測信號及AD采樣信號進行互相關運算，當相關運算模塊運算結束后，NIOS II軟核處理器讀取相關運算的結果，并調用故障類型及定位算法對電纜的故障類型及故障距離進行運算，運算結束后，NIOS II軟核處理器向上位機發(fā)送最終電纜故障的類型及故障的距離，至此完成一次電纜故障的檢測與定位。圖4為FPGA實現(xiàn)故障檢測信號的原理框圖，本檢測系統(tǒng)所用的檢測信號為1 1 的BPSK(Binary Phase Shift Keying)信號，晶振的輸入作為系統(tǒng)全局時鐘，作為整個系統(tǒng)工作的時間基準。晶振的外部輸入時鐘經(jīng)過PLL鎖相模塊倍頻后作為信號產(chǎn)生模塊的基準時鐘，利用該時鐘基準作為信號檢測模塊中正弦波產(chǎn)生模塊(Direct Digital Synthesizer，直接數(shù)字合成模塊，簡稱DDS)的時鐘基準，產(chǎn)生調制需要的載波正弦波。由于產(chǎn)生的檢測波形為調制比為1 1的BPSK信號，即要求載波正弦波的頻率與調制波m序列的片碼率相同，在本設計中，為了達到這樣的要求，利用正弦波的最高位產(chǎn)生的時鐘脈沖作為m序列產(chǎn)生模塊的基準時鐘，產(chǎn)生m序列，最后經(jīng)過調制模塊產(chǎn)生所需要的調制比為 1 1的BPSK檢測信號。圖5為本系統(tǒng)所采用的頻域相關運算實現(xiàn)框圖，時域相關運算是根據(jù)相關運算的定義公式直接實現(xiàn)的相關運算，由于其中有移位相乘的過程，因而其數(shù)據(jù)的存儲空間和運算量都非常大，運算速度較非常緩慢，這對系統(tǒng)的實時性影響較大，從而影響了電纜故障在線檢測與定位的性能，因此，本發(fā)明采用FPGA并行處理的強大處理能力，利用基于FFT的頻域相關運算，使得相關運算的處理速度大大提高，從而使得系統(tǒng)的實時性大大增強，采用基于FFT的頻域相關運算的計算公式如下K樣聊)]調零*帥*卿)]圖6為m序列和正弦波1 1調制波的波形，圖7為其自相關波形。從圖6中可以看出，m序列和正弦波的調制過程如下當m序列輸出高電平時，與其調制的正弦波保持相位不變；當m序列輸出低電平時，與其調制的正弦波反相。從圖7中可以看出，檢測信號及m序列與正弦波1 1的調制信號其自相關波形存在一定的旁瓣，其旁瓣周期為調制波 m序列的片碼周期Tc，由于調制比為1 1，旁瓣周期也等于載波正弦波的周期Tsin，該旁瓣也是產(chǎn)生測量死區(qū)的因素，死區(qū)時間即為一個片碼周期Tc，該測量死區(qū)的出現(xiàn)就限定了本系統(tǒng)所能測量的電纜的最小距離。在電力電纜中，低頻的電源信號相對于一般頻率在MHz以上的入射檢測信號而言頻率相差非常大。當將入射信號耦合進入低頻電力電纜中時，入射信號即加在原有的電源信號中，作為原有的電源信號的紋波。由于兩個信號的頻率相差特別的大，因而可以通過類似電力線載波通信中的電力線耦合裝置將原有信號耦合到電力線中，并通過該耦合裝置接收故障點的反射信號。從圖8中可以看出，當電路正常工作時，不存在反射；當電路出現(xiàn)斷路時，其反射波頭與信號的自相關波頭同相；短路時，與自相關運算波頭反相。當電纜中通入的信號為高頻的通訊信號時，其和入射的檢測信號的頻率相差不是很大，兩信號在帶寬上已經(jīng)出現(xiàn)重疊，但由于一般的通訊信號的頻帶較窄，而入射的檢測信號的頻帶很寬，其帶寬遠大于通訊信號頻帶的的2倍以上，因而仍然能夠從原有的信號中檢測出入射到電纜中的信號及遇到故障點后的反射信號，從而對電纜進行準確的檢測與定位。圖9即為得到的最終的故障檢測與定位結果，從該圖上可以看出，在高頻信號電纜發(fā)生故障時本系統(tǒng)仍然能夠很準確的判斷出故障類型并進行準確的定位。圖10為本系統(tǒng)對電纜中出現(xiàn)電弧故障時的實現(xiàn)流程圖，對于電弧故障的在線檢測與定位，由于其相對于電纜中出現(xiàn)的短路、斷路等硬故障，其阻抗值是時變的，因而相對于硬故障的檢測，對間斷性故障電弧的檢測可以通過連續(xù)不斷向被測電纜中發(fā)送多次周期性的檢測信號，在電纜正常時，對其反射信號與入射信號進行相關運算，將相關運算的結果取其平均值后作為基準測量曲線存儲于存儲單元中。當電纜中發(fā)生電弧故障時，由于連續(xù)不斷地發(fā)射檢測信號并與入射信號進行相關運算，可以得到多次相關運算結果，將得到的多次相關運算結果與存儲于存儲單元中的的基準曲線進行比較，如果相關運算反射波頭是不斷變化的，且反射波頭的幅值超過一定值，從而就可以確定該故障類型為電弧故障，進而計算出阻抗變化點處相對于入射波頭自相關峰值的延遲時間，再根據(jù)被測電纜的傳輸系數(shù)及測試波在電纜中的傳播速度，從而求解出電弧故障點的位置。以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于SOPC技術的電纜故障在線檢測與定位裝置，其特征在于包括帶NIOS II 軟核處理器的FPGA模塊、高速DA模塊、信號調理模塊、隔離耦合模塊和高速AD模塊，其中， FPGA模塊產(chǎn)生用于電纜故障檢測的檢測信號，經(jīng)過高速DA模塊轉換為模擬信號，再經(jīng)過信號調理模塊轉換為合適幅值的檢測信號，經(jīng)過隔離耦合模塊耦合到處于工作狀態(tài)的被測電纜中，同時從隔離耦合模塊接收電纜故障點的反射信號，經(jīng)過高速AD模塊轉換為數(shù)字信號送入構建有NIOS II軟核處理器的FPGA模塊中經(jīng)過相關運算與故障檢測與定位算法得到被測電纜的故障類型及故障距離信息。
2.如權利要求1所述的基于SOPC技術的電纜故障在線檢測與定位裝置，其特征在于 利用帶OTOS II軟核處理器的FPGA模塊產(chǎn)生檢測所用的高頻檢測信號，該高頻檢測信號為 m序列與正弦波1 1的調制信號，m序列利用硬件描述語言實現(xiàn)，正弦波信號的產(chǎn)生基于帶OTOS II軟核處理器的FPGA模塊內部自帶的存儲器，采用查表的方式實現(xiàn)，并利用產(chǎn)生的正弦波的二進制序列的最高位作為產(chǎn)生m序列的驅動時鐘，從而使得正弦波的頻率與m 序列的頻率相同，實現(xiàn)準確的1 1調制。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于SOPC技術的電纜故障在線檢測與定位裝置，包括帶NIOS II軟核的FPGA模塊、高速DA模塊、信號調理模塊、隔離耦合模塊和高速AD模塊，其中，F(xiàn)PGA模塊產(chǎn)生用于電纜故障檢測的檢測信號，經(jīng)過高速DA模塊轉換為模擬信號，再經(jīng)過信號調理模塊轉換為合適幅值的檢測信號，經(jīng)過隔離耦合模塊耦合到處于工作狀態(tài)的被測電纜中，同時從隔離耦合模塊接收電纜故障點的反射信號，經(jīng)過高速AD模塊轉換為數(shù)字信號送入構建有NIOS II軟核的FPGA模塊中經(jīng)過相關運算與故障檢測與定位算法得到被測電纜的故障類型及故障距離信息。此裝置可實現(xiàn)對電纜故障的實時檢測與定位，具有測試準確、測試精度高、抗干擾能力強、集成度高等特點。
文檔編號G01R31/11GK102435916SQ20111030838
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權日2011年10月12日
發(fā)明者王莉, 陳衛(wèi) 申請人:南京航空航天大學