在地下電纜的管理維護、城市的規(guī)劃改建中，要求快速而精確地查明地下電纜位置、延伸路徑以及深度，明確電纜的具體位置信息。國網(wǎng)常熟市供電公司的研究人員李映橋、王學(xué)冬、徐青龍、汪飛，在2020年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，研究設(shè)計的城市地下電纜路徑檢測系統(tǒng)以電磁法為主要理論基礎(chǔ)，建立電纜空間等效模型，推導(dǎo)場強分量公式。
創(chuàng)新點在于利用場強頻率傳導(dǎo)進行信號傳輸，應(yīng)用極值法代入Matlab軟件進行仿真分析，能夠精準探測線圈周圍磁場大小及方向改變情況，利用雙線圈法進行公式推導(dǎo)得到電纜埋地深度。在系統(tǒng)的軟硬件實施上，通過ARM控制模塊代入Keil軟件算法進行輸出，能夠直觀清晰地呈現(xiàn)地下電纜的路徑軌跡和埋藏深度，提升智能化程度。最后通過實測試驗進一步驗證系統(tǒng)的可行性。
現(xiàn)如今電力電纜已經(jīng)逐步取代架空輸電線路成為城市電網(wǎng)體系中的主要傳輸方式。隨著電力電纜在城市中的廣泛應(yīng)用，許多問題隨之突顯出來。當(dāng)前很多城市為了加快推進現(xiàn)代化進程都在進行城市規(guī)劃改建的項目，迫切需要了解地下電纜網(wǎng)絡(luò)的分布，避免在改建過程中因不慎挖斷電纜造成不必要的損失。
施工中由于沒有提前預(yù)判地下電纜的位置及埋深而將電纜挖斷的情況屢見不鮮，造成的后果是輕則中斷居民和企業(yè)的電力供應(yīng)，重則造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失。2015年4月，浙江省臺州市三門縣的挖掘工人在魚塘施工過程中，不慎將地下的一根通電運行狀態(tài)下的甬臺溫電信光纜挖斷，造成3條長途干線大容量波分系統(tǒng)中斷時間達129min，直接損失13.3萬余元，中斷通信的電路損失達1459.25萬元。
出于對安全性和經(jīng)濟性的雙重考慮，在地下電纜的管理維護、城市的規(guī)劃改建上要求簡單、快速而精確地查明地下電纜位置及深度，明確電纜位置信息。目前國內(nèi)外對于埋地電纜的檢測技術(shù)發(fā)展相對成熟，國外發(fā)達國家的檢測技術(shù)以探地雷達法為主，探測精度高，但成本較高且操作復(fù)雜；國內(nèi)的檢測技術(shù)多以電磁法為基礎(chǔ)研究設(shè)計，性價比較高，但由于傳感方式受干擾程度較大，探測精度較低。
本文研究設(shè)計的城市地下電纜路徑檢測系統(tǒng)以電磁法為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用信號接收和發(fā)射裝置進行場強頻率傳導(dǎo)，有效提升檢測精度，在軟硬件上應(yīng)用改進算法使得系統(tǒng)進一步提升智能化程度。
1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外發(fā)達國家對于地下電纜探測技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展多年，其中以英國雷迪公司為代表設(shè)計生產(chǎn)的RD400系列和RD432系列地下管線探測儀處于世界領(lǐng)先水平，其以探地雷達法為理論基礎(chǔ)，采用傳輸天線向地下待測目標發(fā)射高頻電磁脈沖信號，根據(jù)地下反射得到的雷達波進行探測。探測儀器的頻率和精度較高，智能化程度高，對周圍復(fù)雜環(huán)境抗干擾能力強，但是儀器價格昂貴，對儀器的操作者要求較高。
我國在這方面起步較晚，但發(fā)展很快，目前技術(shù)相對成熟。其中最有知名度的是西安華傲通訊公司基于電磁法設(shè)計研發(fā)的GXY便攜式電纜檢測儀，但其內(nèi)部主要的元器件大多來自進口，儀器價格相對較高，缺乏自主研發(fā)能力。目前對于地下電纜的探測方法有充電法、電磁感應(yīng)法和探地雷達法，基本原理及特點見表1。
表1 電纜常見探測方法
分析上述幾種探測方法，電磁感應(yīng)法若選擇合理的信號傳感方式，可以有效地提高檢測精度和抗干擾能力，且成本較低。城市地下電纜路徑檢測系統(tǒng)就是以電磁感應(yīng)法為基礎(chǔ)研究設(shè)計的。
2 理論研究與分析（略）
系統(tǒng)以電磁感應(yīng)原理為主要理論基礎(chǔ)，利用地下電纜與周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性差異這一特性，建立空間磁場的等效模型，應(yīng)用畢奧-薩伐爾定律，通過幾何關(guān)系和假設(shè)條件推導(dǎo)其空間磁場強度，分析線圈在磁場中的感應(yīng)電動勢。
應(yīng)用極值法將數(shù)據(jù)代入Matlab軟件進行仿真分析，通過峰值和谷值的極值點確定地下電纜的方位走勢。通過雙線圈法和幾何關(guān)系推導(dǎo)出地下電纜的埋藏深度。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
電纜路徑檢測系統(tǒng)硬件部分選用ARM STM32F103CET6和電磁探測模塊組成核心控制系統(tǒng)，應(yīng)用外掛的GPS模塊將探測到的電纜路徑方位和埋藏深度等信息轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標形式，并將結(jié)果存儲在E2PROM里，根據(jù)需要在LED顯示屏上顯示或者通過數(shù)據(jù)采集模塊與電腦進行通信，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并對其進行整體分析。
整個系統(tǒng)由CPU、顯示模塊、電磁處理模塊、預(yù)處理模塊等4大部分組成。其中CPU為ARM單片機STM32F103CET6；4個模塊分別為預(yù)處理模塊、輸出輸入模塊（鍵盤、LCD顯示屏和揚聲器）、存儲模塊（E2PROM、Flash）以及數(shù)據(jù)采集模塊（電磁處理模塊），4個模塊均由ARM單片機進行總體控制?？刂葡到y(tǒng)的整體構(gòu)架如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)硬件原理框圖
如圖7所示，ARM單片機自帶的12位/16通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器將對接收到的頻率信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。輸入輸出模塊包含揚聲器、LCD和鍵盤3個部分。電磁模塊通過振蕩電路對測量線圈產(chǎn)生激勵，進而產(chǎn)生交變磁場，感應(yīng)到線纜時，使得磁場產(chǎn)生畸變，需要經(jīng)過2個AD處理通道進行信號的預(yù)處理，將結(jié)果反饋給ARM單片機。
系統(tǒng)通信模塊包含E2PROM和GPS，其中E2PROM是信號存儲模塊，負責(zé)將信息存儲并進行遠端傳輸；GPS對電纜位置進行精確定位，將位置信息轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標形式。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
程序設(shè)計采用高級語言C語言，在開機后系統(tǒng)進行初始化自檢模式，ARM單片機片的STM32F103CET6模塊開始對反饋接收到的頻率信號進行AD轉(zhuǎn)換；通過對電磁處理模塊的信號采集和處理，在結(jié)束一個采樣周期后，由單片機完成數(shù)據(jù)分析，得到并顯示測量點的磁場強度，同時根據(jù)磁場強度的變化量判斷其出現(xiàn)峰值或谷值時的極值點，揚聲器將磁場強度的大小反映在聲頻音量的大小上。
單片機采用定時器方式實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換、場強過限報警及數(shù)值顯示，程序不斷地循環(huán)實現(xiàn)不間斷測量。系統(tǒng)的E2PROM和Flash存儲模塊將檢測到的數(shù)據(jù)信息進行采集和存儲，通過輸出模塊傳輸?shù)竭h程PC終端，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析。
采用通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）與GPS模塊進行通信實現(xiàn)設(shè)備的定位以及經(jīng)緯度的獲取。GPS模塊的主要作用是將系統(tǒng)接收到的頻率信號轉(zhuǎn)化為地理坐標形式，便于操作者尋找到電纜的具體方位，同時也便于后期對數(shù)據(jù)信息的處理分析。ARM單片機與UART通信的程序框圖如圖8所示。
圖8 UART與GPS通信程序框圖
本系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)采集模塊使用ARM內(nèi)部自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，有2路信號采集通道，分別為峰值模式和谷值模式信號采集通道。信號通過ARM單片機，將頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，代入編寫好的公式程序中進行計算，將計算后得到的結(jié)果數(shù)據(jù)送給顯示屏進行顯示。
AD1和AD2數(shù)據(jù)采集通道分別負責(zé)對峰值模式和谷值模式下的數(shù)據(jù)進行采集處理。系統(tǒng)通過AD1數(shù)據(jù)采集通道將峰值模式下的電纜位置轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)參數(shù)輸出到AD2數(shù)據(jù)采集通道，進行谷值模式下的電纜方位精確定位，以數(shù)據(jù)和音頻雙重方式對信號進行輸出。AD數(shù)據(jù)采集部分程序框圖如圖9所示。
深度和電流的檢測是電纜處于谷值模式下來進行檢測的，該功能主要由單片機內(nèi)部的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter, ADC）來實現(xiàn)，系統(tǒng)通過ADC的相互轉(zhuǎn)換，進行數(shù)據(jù)處理后，將電動勢變化值及各項已知參數(shù)代入公式得到地下電纜的埋藏深度，將頻率信號電流代入傳輸線方程計算后得到地下電纜的交變電流。電纜埋藏深度和電流檢測模塊設(shè)計框圖如圖10所示。
圖9 ADC時序控制電路
圖10 電纜埋藏深度和電流檢測程序流程
5 系統(tǒng)組裝調(diào)試及實測分析
在完成系統(tǒng)各模塊的拼接組裝后，需要將所有模塊組合成一個完整的系統(tǒng)，對整體系統(tǒng)進行通電調(diào)試。為了完成對城市道路設(shè)施下的電纜現(xiàn)場實測，聯(lián)系到了市政相關(guān)部門，取得了馬路旁人行橫道處的一塊路面下敷設(shè)的電纜方位及埋深數(shù)據(jù)。
對長約3m的路面進行實測試驗，待測電纜上方覆有土壤和水泥方磚，電纜埋藏的實際深度為0.82m，電纜運行狀態(tài)為帶電導(dǎo)通狀態(tài)。
表2 現(xiàn)場實測試驗數(shù)據(jù)
通過誤差分析計算得到檢測裝置的水平位置的偏差0.14m，埋藏深度的偏差0.16m，滿足系統(tǒng)對于檢測精度的要求，后續(xù)將通過計算機匯編語言改進算法，進一步提升系統(tǒng)檢測精度。
試驗基本確定了所研究設(shè)計的城市地下電纜路徑檢測系統(tǒng)具有可行性，其理論方法和軟硬件部分的設(shè)計均滿足預(yù)期想法，實現(xiàn)了設(shè)計的基本要求和預(yù)想理念，達到了預(yù)期效果。在該試驗的基礎(chǔ)上，還進行了其他實測試驗，對敷設(shè)在變電所電纜溝內(nèi)的電力電纜，以及已知地下結(jié)構(gòu)分布的道路地下埋藏的電力電纜都進行了路徑和埋深的探測，均能較為準確直觀地檢測到地下電力電纜的路徑方位信息和埋藏深度信息。
6 結(jié)論
本文研究設(shè)計的城市地下電纜路徑檢測系統(tǒng)，在傳統(tǒng)檢測裝置的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進行改良優(yōu)化，利用場強頻率傳輸研究設(shè)計出電纜信號識別與采集系統(tǒng)，尤其是對系統(tǒng)的接收與發(fā)射信號模塊的創(chuàng)新應(yīng)用，提高了系統(tǒng)檢測的精準度。
本文設(shè)計了系統(tǒng)的硬件成品，編寫了主要核心模塊的軟件程序。使相關(guān)人員能夠快速、精準地明確地下電纜的位置、深度等相關(guān)信息，節(jié)省人力物力和查找時間，避免因挖斷地下電纜而造成的不必要事故。該系統(tǒng)應(yīng)用在需要探測的道路現(xiàn)場，攜帶方便，操作簡單，能夠快速精準地獲知地下電纜的準確方位、埋藏深度和電流等位置信息。
本文編自2020年第8期《電氣技術(shù)》，標題為“城市地下電纜路徑檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計”，作者為李映橋、王學(xué)冬、徐青龍、汪飛。
