工业以太网交换机在电缆局放在线检测系统的应用

工业以太网交换机在电缆局放在线检测系统的应用

摘要：交联聚乙烯(XLPE)电缆局放在线监测系统监测点越来越多，针对系统的扩展本文提出基于工业以太网交换机，模块化设计，采用光纤进行主网冗余连接，辅助采用交换机的串口完成采集系统的电源控制，通过TCP/IP协议通过远程控制各采集系统，完成电缆局放在线监测系统的升级，该系统结构简单，成本低，对于长距离、多回路的高压电缆局放检测积极意义。 关键词：电缆局放；工业以太网交换机；FPGA；信号采集

1. 引言

目前国内城市供电电缆化率在逐步提高，每回电缆长度也越来越长，电压等级也由原来的10kV提高到220kV，甚至更高，但对于电力隧道和管井内主干电缆的管理还处于计划检修阶段，一般采用定期进行主绝缘和交叉互联系统的预防性试验以及测温测负荷的方法对电缆的运行状况进行检查。近几年国内外已积极开发电缆在线监测设备和研究开发监测技术，通过检测参量进行分析与诊断。 XLPE电缆在运行的故障前期，有明显的特征局部放电信号，通过收集不同的特征局部放电信号，分析局部放电信号中所携带的电缆老化信息来得到电缆的老化状态，研制出一种局部放电检测系统，通过对一回或多回电缆同时在接头附近多点进行监测，并进行数据处理分析，对电缆接头绝缘进行绝缘诊断。系统中应用了工业以太网交换机，对系统结构升级优化。

2. 系统原理

系统采用模块化设计，其单点测试系统原理如图1所示。

图1系统原理图

通过安装在电缆接头两端本体上的高频电流大传感器和安装在交叉互联线上的高频电流小传感器，来耦合电缆接头处的脉冲电流信号；耦合到的脉冲信号通过同轴电缆传送至前端处理采集单元即检测装置，对模拟信号经过放大、模拟数字转换后变成数据信号再通过光

缆，采用TCP/IP协议传送至数据处理服务器。数据处理服务器对信号进行极性鉴别后获得电缆接头处的放电信号。将计算获得的放电数据写入到数据库中，经多次采集（一般测量50 个工频周期）后，从数据库提取数据进行谱图分析和数据报表，并在虚拟检测系统的面板上显示。

本系统结构为分布式，图1为电缆单相的测试连接图，同样其他两相数据同时进入检测装置，可对A、B、C三相数据同时处理。工业以太网交换机使数据服务器和检测装置通过光口、网口、串口通信，可以对多个检测装置进行控制，对相应的接头处的数据存放到数据服务器。该系统具有结构简单、扩展方便，系统可靠性高等优点。图2为扩展后系统框图。

图2扩展系统框图

3. 硬件结构设计

本系统主要由传感器、检测装置、工业以太网交换机和数据服务器构成。 3.1传感器

传感器完成局放信号的获取。本电缆局放在线监测系统所使用的传感器是宽频带罗戈夫斯基(Rogowski)线圈型电流传感器，当电缆中产生的PD信号通过接头时，向外发射出电磁波，在电缆本体和交叉互联线上的传感器都能耦合向外泄露的电磁波，从而在线圈的二次侧输出局部放电信号。传感器选用超微晶材料作为Rogowski线圈的磁芯，有高磁导率、磁芯损耗低、高温稳定性好的特点。传感器采用钳式结构设计，安装时可将传感器自连接处分开。 工频同步相位传感器采用国产柔性互感器，钳式结构设计，方便在电缆沟中电缆本体上安装，通过耦合电缆工频电流信号，经过积分变换电路提取电压相位，给信号采集提供触发信号。传感器图如下：

图3 高频电流传感器 图4工频触发传感器

3.2检测装置

检测装置一般安装在电缆隧道内或沟道旁的防水箱内，是监测系统中最重要的设备，完成信号输入端保护，信号选通、信号程控放大、信号滤波等硬件调理，随后进入数据采集系统，基于FPGA的三通道同步高频采集卡，A/D转换精度：12位；采样速率：100KS/s--100MS/s采样率可选；存储深度：板卡存储深度16MB；满足局放脉冲信号采集要求。检测装置硬件框图如图5。

图5检测装置硬件框图 3.3工业以太网交换机

工业以太网交换机为电缆局放在线监测系统扩展升级提供了支持。MIEN3205C是为工业通信前端数据接入而开发的一款新一代工业以太网交换机，MIEN3205C在接口上除了支持传统的2个百兆光口+3个百兆电口之外，扩展了2路RS232、RS485、CANBus总线，彻底为工业通信现场解决了从接入层开始就统一的以太网传输和设备管理平台。原来的系统结构为单台或便携式设备，通过应用MIEN3205C工业以太网交换机扩展了的系统测量点，对一回或多回线路设计为一个系统，对每个检测装置采用网口和采集卡通讯，串口控制装置电源的开断，光口完成整个系统的组网，环网冗余，稳定可靠。

MIEN3205C工业以太网交换机硬件模块结构及实物图如下图6。

图6交换机硬件模块图及实物图

MIEN3205C工业以太网交换机通过上位机网管，可提供高级管理功能，CPU 芯片实现交换机的高级管理功能配置、远程管理以及对故障的诊断监测，SDRAM 和FLASH 实现交换机中程序和数据的存储管理。例如有 MW-Ring、虚拟局域网、IGMP Snooping、速率控制、端口镜像、静态MAC地址转发表、故障报警、继电器告警和固件在线升级等一系列的常用高

级管理功能。MW-Ring能够提供链路冗余备份的以太网络，提供以太网通信链路断开后自恢复功能，其恢复时间低于20毫秒。可使用任何普通百兆或者千兆口进行组环，以提供更快的恢复速率和通信带宽。交换模块选用工业级芯片，整体具有－40 ℃～85 ℃宽温范围，符合电缆局放在线监测系统要求。

4. 软件设计

系统软件采用美国NI公司的LabVIEW7.1图形化编程软件编制而成,数据存储采用微软SQL Server2005数据库，运行环境为Windows2003系统，软件运行于数据服务器上。

电缆局部放电在线监测系统的软件分为三部分：数据采集模块、数据分析模块和趋势图模块。主要实现如下功能：对前端各点局部放电信号的在线数据采集、局放数据的软件抗干扰处理、局部放电的谱图显示及对局放数据进行数据库存储，生成指定时间段内的设备局放发展趋势图并壳进行历史数据的查询。本软件能实现局部放电常规功能的自动化在线检测，简化工作人员操作。结构如图7所示。

在采集参数设定模块中对工业以太网交换机的IP地址进行设置，使其和FPGA采集卡的IP在一个网段内，又不相互冲突。通过TCP/IP协议对交换机的串口发布命令来控制采集系统的电源通断，程序设定为每个监测点测试时电源闭合，采集系统上电，通过TCP/IP协议和检测装置的采集卡进行通讯，完成信号采集后本监测点电源断开，再进行下一个监测点的过程，根据设置时间循环工作。

5. 结束语

本文介绍了工业以太网交换机在电缆局放在线监测系统的应用，实际系统已在供电局电缆隧道内运行，此隧道内为两回110kV线路，总长在10公里，共安装18个监测点，系统运行稳定，正常。因隧道长，内部环境苛刻，采用工业以太网交换机后使系统结构简单，远距离光纤传输，抗干扰能力提高，又能降低成本，使系统能更好的推广应用，带来非常好的社会效益和经济效益。

参考文献

1、 廖雁群．XLPE电力电缆接头局部放电在线检测技术研究 [D]．西安交通大学，2008．

2、 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

术，2002，21(1)：3841．

3、 贺威, 胡晓娅. 基于ARM和DSP的多通道局部放电检测系统设计[J]. 计算机与数字工程, 2013, (1). 4、