基于STM32的地下电缆异常状态检测系统研究

引言

供电线路布局主要采用架空线路和地下电缆线路两种形式。地下电缆线路布局的好处是相比架空线路故障率更低，运行可靠性更高。但地下电缆线路由于不是明线布局，正常情况下无法凭肉眼观察到其异常状态，目前缺乏对地下电缆线路的监测技术，地下电缆线路出现异常运行状态无法被及时发现，久而久之易演变成大故障[1]，最终只能通过更换地下电缆进行修复，抢修成本极大，且耗费大量的人力、物力。因此，加强地下电缆监测技术的开发是目前供电系统的重要工作之一。

本文开发了一种基于STM32的地下电缆异常状态检测系统，该系统利用热传导原理测量地下电缆表面温度，通过测量温度的高低判断地下电缆的过载运行情况和异常运行状态，并对异常运行的异常点进行预测，辅助供电人员开展异常运行电缆的检修工作。该系统能及时发现地下电缆线路的异常运行状态并提醒供电人员针对性安排检修工作，节省了大量人力、物力。

1基于STM32的地下电缆异常状态检测系统开发与选型

1.1下位机微机系统选型

现阶段，微机系统多种多样，例如51系列单片机、STM系列单片机和PLC等。该系统下位机开发需要一个主机携带多个子机，最多子机数达20个，为满足该系统下位机的开发需求，下位机微机系统必须具备足够的运行速度。STM32系统的运行速度是72 M/s，相比于51系列单片机12 M/s的运行速度和PLC 100次/s的运行速度，具有极大的优势。同时STM32系统具有上百个IO口，能满足多个子机硬件上的连接。综上，该系统下位机开发采用STM32系统。

1.2通信方式选择

现阶段，通信方式多种多样，例如载波通信、无线通信和RS485通信等。该系统下位机开发需要一个主机携带多个子机，并且通信距离较长，最长需达到800 m。除此之外，由于是在地下管道内进行通信，信号衰减较大，干扰较多，对通信的稳定性有很高要求，所以该系统的下位机装置内部通信不适合选用无线通信，无线通信适用于下位机与上位机之间的通信。再者该系统下位机装置安装于电缆表面，所以无法通过在电缆线路中加上载波调制信号进行载波通信。RS485通信距离最远可达1 200多m，同时具有很强的抗干扰能力，在进行远程通信时还可通过485中继器加强传输的信号[2]；而且RS485通信在常规设置情况下可以实现一个主机携带31个子机，特殊处理条件下子机数最多可达400个，符合该系统下位机开发要求。

1.3电缆异常监测量选择

地下电缆异常运行的监测量有局部放电监测、电缆载流量监测、护层电流监测和表层温度监测等[3]，其中绝大多数监测量需要全线布置测量装置，否则容易造成监测遗漏。但全线布置监测装置不仅安装难度大，而且需要耗费大量资金，不具备经济效益。而温度具有热传导性，即使异常点处没有安装测温装置，经过一定时间的热传导，相邻的测温装置也能监测到电缆温度异常。因此，该系统开发采用电缆表层温度作为监测量。

1.4上位机开发

上位机选用C#编程语言开发一个软件界面，C#具有模块化编程功能，易于操作。上位机主要功能是通过无线通信接收辖区内各下位机装置发送的电缆异常运行状态信息，并发送短信给各电缆线路段所绑定的设备主人。

2基于STM32的地下电缆异常状态检测系统现场布置

基于STM32的地下电缆异常状态检测系统下位机装置现场布置图如图1所示。

为了便于后续检修，在填埋地下电缆时会预留电缆井打通地下电缆管道与地面。在设计电缆线路时，直线铺设电缆时每隔40 m设置一个电缆井，在电缆拐弯处另设电缆井。基于STM32的地下电缆异常状态检测系统以架空线路转接电缆线路的电缆井为起点，直线方向上每隔20个电缆井作为一个整体安装一套完整的下位机装置，并在电缆拐角处另立起点重新以直线方向的20个电缆井为间隔装设下位机装置，在直线电缆的末端，不足20个电缆井的距离也单独装设一套下位机装置。基于STM32的地下电缆异常状态检测系统工作原理图如图2所示。

下位机装置在起点电缆井底部安装一套STM32系统，STM32系统内设置好该下位机装置所监测的电缆线路段名称，并作为该下位机装置的数据交换和处理中心，主要处理各个测温装置传入的温度数据，并根据检测温度判断该段电缆的运行状态以及是否存在故障，最后将检测结果通过无线信号上传给上位机。

在每一个电缆井正下方电缆上各安装一个测温装置，并依次排序，序号最多排到20，测温装置自带RS485通信协议，满足RS485通信条件，在测温装置测量到电缆表面温度后，通过RS485通信将温度数据传入STM32系统进行综合处理。为保证测温装置远程传输数据的完整性，避免因传输路径过长而导致信号衰减影响系统的最终判断，下位机装置在第二个电缆井至最后一个电缆井的底部分别安装一个485中继器，用于对传输路径上的485信号进行接收和再发送，并在下位机装置终端处串入一个120Ω电阻，以保证传输信号不过度衰减。

下位机装置的监测范围为起点电缆井往前20 m处至终点电缆井往后20 m处，监测范围全长最长800 m，小于RS485的最大通信距离，符合数据传输要求。在下位机装置判断出监测电缆线路段出现异常状态时，下位机装置将异常状态的电缆线路段名称、异常类型、异常点等信息发送给上位机，上位机在接收到数据后，在上位机界面上显示，并通过短信形式发送到该电缆线路段所指定的设备主人的手机上，提醒设备主人及时处理电缆异常状态。

3基于STM32的地下电缆异常状态检测系统软件设计

在电力系统中,所选电缆的绝缘材质不同、横截面不同、过流能力不同，其耐热程度也不同，电缆绝缘层耐热表如表1所示。

电缆在正常运行状态下，其表面温度为30~50节，在此统一电缆正常运行表面温度均值θ0为40节，以便后续对电缆异常状态的异常点进行判断。该系统的软件设计思路是当电缆温度在允许长时间运行最高温度θ1以下时，判断电缆处于正常运行状态；当电缆温度介于允许长时间运行最高温度θ1到允许短时过载运行最高温度θ2之间时，判断电缆处于过载状态；当电缆温度大于允许短时过载运行最高温度θ2时，判断电缆处于异常运行状态。

基于STM32的地下电缆异常状态检测系统软件流程图如图3所示。

设定变量i，用于区分各个测温装置，其中θi为各个测温装置测量到的电缆表面温度；设定允许长时间运行最高温度θ1和允许短时过载运行最高温度θ2，θ1和θ2均为定值，根据所监测的电缆线路段的材质提前在STM32系统内查表设置；设定定值END，END为该下位机装置内测温装置的总数值，最大为20；设定定时器计时时间为T；设定热传导率λ、电缆直径d和电缆正常运行表面温度均值θ0，三者均为定值，λ和d依据电缆的实际选材在STM32系统内进行设定，θ0设定为40节；设定热传导速度为Ⅴ,热传导距离为ΔS，异常点位置为S，三者用于计算预测电缆异常运行状态下的异常点。

首先i从1开始，判断θi是否介于θ1和θ2之间。如果θi介于θ1和θ2之间，判断该段电缆处于过载状态，STM32系统将该段电缆线路段名称、电缆过载状态和第i号测温装置的测量温度发送给上位机，上位机显示该电缆线路段过载信息并发送短信给相应的设备主人。如果θi不介于θ1和θ2之间，则i自加1后重复上述判断，直到i大于END时，跳出循环向下继续执行。

接着将i重新置为1，判断θi是否大于θ2。当θi大于θ2时，启动定时器T进行计时。判断θi-1或者θi+1是否有一个大于θ2，如果没有，重复判断，直到θi-1或者θi+1有一个大于θ2时，关闭定时器T。当θi-1大于θ2时，判断电缆出现异常状态并且异常点在第i号电缆井前方，电缆异常点S预测公式如下式所示：

通过上述公式推测出电缆异常点在第i号电缆井前方Sm处。当i为1时，屏蔽上一级下位机装置对i=END的测温装置的监测，并将上一级下位机装置i=END的测温装置的监测温度数据作为判断该级下位机装置1号异常点预测中的θi-1。

当θi+1>θ2时，判断电缆出现异常状态并且异常点在第i号电缆井后方，电缆异常点S预测公式如下式所示：

通过上述公式推测出电缆异常点在第i号电缆井后方S m处。当i=END时，屏蔽下一级下位机装置对i=1的测温装置的监测，并将下一级下位机装置i=1的测温装置的监测温度数据作为判断该级下位机装置END号异常点预测中的θi+1。

在判断出电缆出现异常运行状态后，STM32系统将该段电缆线路段名称、电缆存在异常运行状态的异常点预测位置和第i号测温装置的测量温度发送给上位机，上位机在接收到信息后显示电缆线路段名称及其对应的异常运行异常点位置，并发送短信给相应设备主人。若θi三θ2，则i自加1后重复判断θi是否大于θ2，直到i>END时，跳出循环向下执行。

4结束语

基于STM32的地下电缆异常状态检测系统利用热传导原理测量地下电缆表面温度，通过测量温度的高低判断地下电缆的过载运行情况和异常运行状态，并对异常运行的异常点进行预测。该系统能及时发现地下电缆线路的异常运行状态，及时提醒供电人员针对性安排检修工作，节省了大量人力、物力。