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摘要：近年来，我国电力系统运行环境日趋复杂，电力电缆绝缘在线监测系统技术要求逐步增加，为了全面满足人们对于电力系统应用需求，电力电缆绝缘在线监测技术的应用以及系统的构筑逐步发展完善。本文介绍电力电缆在线监测系统的总体设计及软硬件设计，模拟试验证明，该系统能够有效判断电力电缆是否有绝缘老化或者击穿现象出现。
关键词：电力电缆；绝缘；在线监测；故障诊断；系统
1 电力电缆绝缘监测系统总体设计
电力电缆绝缘监测系统原理如图1 所示。
现场监测单元需要达到一定的精度，但是一味地追求高精度会造成设计成本的增加，因此需要在系统的稳定性与精度之间找到一个合理的平衡点。通过各项指标的分析，监测单元的测量精度一般定为0.2 级。
2 监测系统硬件设计
现场监测单元主要由微处理器（ARM 构架的LPC2214）、FPGA、信号调理电路以及液晶显示等部分组成。ARM 平台系统结构图如图2 所示。
ARM 架构的微处理器能够支持实时仿真与跟踪32 位的CPU，LPC2214 是有极低功耗，32 位的定时器以及9 个以上的外部中断。微处理器在系统中的主要作用是采集、调理信号以及对存储进行相关的控制，处理故障信号，提取特征与运算参数，和上位机保持通信，上传所检测出来的参数信息，以利于上位机综合评估电力电缆的运行情况，进而为电力电缆的绝缘性提供量化依据。系统采用MAX485 芯片实现上位机和现场检测单元之间的通信连接。MAX485 芯片主要是由可控驱动器与可控接收器两部分组成。
2.1 电流传感器与信号调理电路设计
考虑到系统中接地电流较大，采用穿心式电流传感器，这种传感器不仅可以达到精度标准，同时还可以确保监测装置的电气安全性。通过比较分析，WBI513C0 型电流传感器符合系统的要求。穿心式输入可以保证测试装置的安全性；跟踪电流源输出有利于对信号进行分析；输入频率25～5kHz 适用于工频信号的采样。在信号调理电路设计中， 由于故障电流信号的输出最高达到100mA，所以需要增加电流或电压转换器，借助运算放大器把电压放大到合适的范围，然后输送到后续电路。后续电路需要设计低通滤波器，因为接地线电流具有高频干扰性，采用低通滤波器可以降低干扰性，还可以确保锁相环输入稳定的波形，避免频谱混叠。
2.2 锁相环电路与A/D 转换电路设计
对接地线电流作频谱分析可以较为准确地得到基地线电流基波分量，一般采用DFT 运算来获取。在进行频谱分析时，需要解决频谱混叠及频谱泄露问题。对于频谱混叠问题， 可以采用前置低通滤波器的设计来解决，对于频谱泄露问题，只要保证窗口函数的宽度是基波周期的整数倍，就可以避免此问题的发生。由于锁相环精度性高、稳定性好，因此频率跟踪误差很小，而且准确度也高。锁相环的基本组成如图3 所示。A/D 转换电路采用MAX199 芯片。
3 监测系统软件设计
3.1 现场监测单元程序
监测系统软件设计主要包括现场监测单元程序与后台微机管理程序。现场监测单元程序主要是从数据采集装置中读取相关的数据，经过处理后将其保存在存储器里，上位机统计、分析上传上来的数据，对电力电缆的故障进行分析和判断。现场检测单元程序的操作系统为μC/OS-II， 它主要由串口通信中断程序、数据采集管理程序以及数据处理程序等组成。其中串口中断程序流程如图4 所示。
3.2 后台微机管理程序
电力电缆绝缘在线监测系统上位机采用Lab-VIEW 软件编程， 在软件编程中提出了结构化数据流程图模型，可以实现数据采集和处理以及图形显示和操作。采用模块化框架结构，将监测管理程序分为主界面层、应用层以及功能支持层。主界面是一个显示与操作面板；应用层具有数据采集、故障判据、数据查询以及数据打印等功能；支持层传输及调用主程序和各个模块之间的数据流程图模型，可以实现数据采集和处理以及图形显示和操作。采用模块化框架结构，将监测管理程序分为主界面层、应用层以及功能支持层。主界面是一个显示与操作面板；应用层具有数据采集、故障判据、数据查询以及数据打印等功能；支持层传输及调用主程序和各个模块之间的数据流。
3.2.1 主程序
主程序由系统设置、数据查询、数据采集、报表打印、超限报警以及系统退出等模块组成。为了使系统更简单直观，用户界面采用全中文设计，功能选择通过按键方式实现，4 个按键实现参数设置、手动采集、历史数据以及表格打印等功能。参数设置主要是对波特率及串口的通道的设置；手动采集功能提供了对接地线电流的实时测量手段；历史数据功能提供了便利的存储数据查询操作；表格打印功能可以把存储的历史数据连续打印出来。
3.2.2 故障分析与诊断程序
电力电缆绝缘监测的主要目的是检测电缆的绝缘性能是否与系统运行的要求相符合。由于电缆绝缘性能涉及到的参数较多，电缆穿越的环境复杂，所以需要多层次、多参量综合分析与比对判断条件。数据从现场检测单元传到后台管理微机以后， 立即启动故障分析与判断程序， 对其进行分析与判断， 得到相关的特征值，其中“过渡期”电流意味着进入老化期时的电流，“危险期”电流则意味着将要击穿的电流。不同电缆型号的判别指标是不一样的，最后判断的结构也不相同。
3.3 系统的调试与模拟仿真试验
在线监测系统会受到实际工作环境中各种电磁信号的干扰，这些干扰降低了系统的测量精度，使系统无法执行正常的程序， 甚至可能导致系统的崩溃，所以采取一定的抗扰措施非常有必要。这些措施主要包括：优化系统的结构，尽可能地提高系统集成度，除去不必要的元器件； 在监测系统中加入过压保护电路，可以防止电流传感器过流所产生的过电压；串口通信采用光电隔离后输出，可以较好地消除接地回路的干扰，此外具有响应速度快、耐冲击的优点；采用数
字信号滤波技术消除干扰。
通过系统调试，大大降低了误差，提高了测量的精确度，使在线监测系统在实际运行中更可靠。模拟仿真试验表明，监测系统可简单方便地判断出电力电缆是否存在绝缘缺陷或发生了绝缘老化。
4 结束语
综上所述，电力电缆离线监测是一种预防性试验方法， 但存在多次试验容易造成电缆绝缘性能变差、停电进行试验容易导致供电中断以及容易对电缆造成“整流效应”等缺点，已不能够很好地适应电力供应的现实需要。电力电缆在线监测技术克服了离线监测技术的诸多不足，可以准确及时地对电缆进行科学的检测及维护，借助特征信号有效地判断电缆绝缘的情况， 进而提高电力电缆供电的安全性，降低事故率。
参考文献：
[1] 谈克雄，吕乔青.交联聚乙烯电缆绝缘的在线诊断技术
[2 ] 于将，杨斌.电力电缆绝缘的在线监测[J].华中电力，2000，13（3）：40-42
[3 ] 罗俊华，邱毓昌，马翠姣.基于局部放电频谱分析的XLPE 电力电缆在线监测技术[J].电工电能新技，2002，21（1）：38-41
[4 ] 张燕君，康瑞雪，娄俊波等.一种分布式光纤光栅电缆温度传感器激光与红外[J].2010，40（4）：405-408
关键词：电力电缆；绝缘；在线监测；故障诊断；系统
1 电力电缆绝缘监测系统总体设计
电力电缆绝缘监测系统原理如图1 所示。
现场监测单元需要达到一定的精度，但是一味地追求高精度会造成设计成本的增加，因此需要在系统的稳定性与精度之间找到一个合理的平衡点。通过各项指标的分析，监测单元的测量精度一般定为0.2 级。
2 监测系统硬件设计
现场监测单元主要由微处理器（ARM 构架的LPC2214）、FPGA、信号调理电路以及液晶显示等部分组成。ARM 平台系统结构图如图2 所示。
ARM 架构的微处理器能够支持实时仿真与跟踪32 位的CPU，LPC2214 是有极低功耗，32 位的定时器以及9 个以上的外部中断。微处理器在系统中的主要作用是采集、调理信号以及对存储进行相关的控制，处理故障信号，提取特征与运算参数，和上位机保持通信，上传所检测出来的参数信息，以利于上位机综合评估电力电缆的运行情况，进而为电力电缆的绝缘性提供量化依据。系统采用MAX485 芯片实现上位机和现场检测单元之间的通信连接。MAX485 芯片主要是由可控驱动器与可控接收器两部分组成。
2.1 电流传感器与信号调理电路设计
考虑到系统中接地电流较大，采用穿心式电流传感器，这种传感器不仅可以达到精度标准，同时还可以确保监测装置的电气安全性。通过比较分析，WBI513C0 型电流传感器符合系统的要求。穿心式输入可以保证测试装置的安全性；跟踪电流源输出有利于对信号进行分析；输入频率25～5kHz 适用于工频信号的采样。在信号调理电路设计中， 由于故障电流信号的输出最高达到100mA，所以需要增加电流或电压转换器，借助运算放大器把电压放大到合适的范围，然后输送到后续电路。后续电路需要设计低通滤波器，因为接地线电流具有高频干扰性，采用低通滤波器可以降低干扰性，还可以确保锁相环输入稳定的波形，避免频谱混叠。
2.2 锁相环电路与A/D 转换电路设计
对接地线电流作频谱分析可以较为准确地得到基地线电流基波分量，一般采用DFT 运算来获取。在进行频谱分析时，需要解决频谱混叠及频谱泄露问题。对于频谱混叠问题， 可以采用前置低通滤波器的设计来解决，对于频谱泄露问题，只要保证窗口函数的宽度是基波周期的整数倍，就可以避免此问题的发生。由于锁相环精度性高、稳定性好，因此频率跟踪误差很小，而且准确度也高。锁相环的基本组成如图3 所示。A/D 转换电路采用MAX199 芯片。
3 监测系统软件设计
3.1 现场监测单元程序
监测系统软件设计主要包括现场监测单元程序与后台微机管理程序。现场监测单元程序主要是从数据采集装置中读取相关的数据，经过处理后将其保存在存储器里，上位机统计、分析上传上来的数据，对电力电缆的故障进行分析和判断。现场检测单元程序的操作系统为μC/OS-II， 它主要由串口通信中断程序、数据采集管理程序以及数据处理程序等组成。其中串口中断程序流程如图4 所示。
3.2 后台微机管理程序
电力电缆绝缘在线监测系统上位机采用Lab-VIEW 软件编程， 在软件编程中提出了结构化数据流程图模型，可以实现数据采集和处理以及图形显示和操作。采用模块化框架结构，将监测管理程序分为主界面层、应用层以及功能支持层。主界面是一个显示与操作面板；应用层具有数据采集、故障判据、数据查询以及数据打印等功能；支持层传输及调用主程序和各个模块之间的数据流程图模型，可以实现数据采集和处理以及图形显示和操作。采用模块化框架结构，将监测管理程序分为主界面层、应用层以及功能支持层。主界面是一个显示与操作面板；应用层具有数据采集、故障判据、数据查询以及数据打印等功能；支持层传输及调用主程序和各个模块之间的数据流。
3.2.1 主程序
主程序由系统设置、数据查询、数据采集、报表打印、超限报警以及系统退出等模块组成。为了使系统更简单直观，用户界面采用全中文设计，功能选择通过按键方式实现，4 个按键实现参数设置、手动采集、历史数据以及表格打印等功能。参数设置主要是对波特率及串口的通道的设置；手动采集功能提供了对接地线电流的实时测量手段；历史数据功能提供了便利的存储数据查询操作；表格打印功能可以把存储的历史数据连续打印出来。
3.2.2 故障分析与诊断程序
电力电缆绝缘监测的主要目的是检测电缆的绝缘性能是否与系统运行的要求相符合。由于电缆绝缘性能涉及到的参数较多，电缆穿越的环境复杂，所以需要多层次、多参量综合分析与比对判断条件。数据从现场检测单元传到后台管理微机以后， 立即启动故障分析与判断程序， 对其进行分析与判断， 得到相关的特征值，其中“过渡期”电流意味着进入老化期时的电流，“危险期”电流则意味着将要击穿的电流。不同电缆型号的判别指标是不一样的，最后判断的结构也不相同。
3.3 系统的调试与模拟仿真试验
在线监测系统会受到实际工作环境中各种电磁信号的干扰，这些干扰降低了系统的测量精度，使系统无法执行正常的程序， 甚至可能导致系统的崩溃，所以采取一定的抗扰措施非常有必要。这些措施主要包括：优化系统的结构，尽可能地提高系统集成度，除去不必要的元器件； 在监测系统中加入过压保护电路，可以防止电流传感器过流所产生的过电压；串口通信采用光电隔离后输出，可以较好地消除接地回路的干扰，此外具有响应速度快、耐冲击的优点；采用数
字信号滤波技术消除干扰。
通过系统调试，大大降低了误差，提高了测量的精确度，使在线监测系统在实际运行中更可靠。模拟仿真试验表明，监测系统可简单方便地判断出电力电缆是否存在绝缘缺陷或发生了绝缘老化。
4 结束语
综上所述，电力电缆离线监测是一种预防性试验方法， 但存在多次试验容易造成电缆绝缘性能变差、停电进行试验容易导致供电中断以及容易对电缆造成“整流效应”等缺点，已不能够很好地适应电力供应的现实需要。电力电缆在线监测技术克服了离线监测技术的诸多不足，可以准确及时地对电缆进行科学的检测及维护，借助特征信号有效地判断电缆绝缘的情况， 进而提高电力电缆供电的安全性，降低事故率。
参考文献：
[1] 谈克雄，吕乔青.交联聚乙烯电缆绝缘的在线诊断技术
[2 ] 于将，杨斌.电力电缆绝缘的在线监测[J].华中电力，2000，13（3）：40-42
[3 ] 罗俊华，邱毓昌，马翠姣.基于局部放电频谱分析的XLPE 电力电缆在线监测技术[J].电工电能新技，2002，21（1）：38-41
[4 ] 张燕君，康瑞雪，娄俊波等.一种分布式光纤光栅电缆温度传感器激光与红外[J].2010，40（4）：405-408