★ 赵晨，李林桓，林伟，王瑞凯 国网河南省电力公司汤阴县供电公司

★ 苗桂喜 国网河南省电力公司安阳供电公司

关键词：户外配网；电缆接头；在线监控；监控装置

1  引言

随着电力系统规模的不断扩大和智能化程度的提高，配网电缆接头作为连接电力网络的重要部件，其运行状态的稳定性直接影响着整个电力系统的安全性与可靠性。然而，由于户外配网电缆接头长期暴露在复杂的自然环境中，受到温度变化、湿度影响以及电气负载波动的综合作用，接头部位极易发生局部过热、绝缘老化等问题，进而导致设备故障甚至大范围停电。如何实现对配网电缆接头运行状态的实时监控和故障预警，成为保障电力系统安全运行的关键技术之一[1]。

本文对监控装置的架构设计、核心功能及性能分析进行了详细论述，对其在提升配网设备安全性和运行效率方面的重要价值进行了展示，并通过实验验证了监控装置的实际应用效果。

2  户外配网电缆接头在线监控装置的设计

户外配网电缆接头在线监控装置的设计依托于SoC（System on Chip，系统级芯片）架构，旨在提高电力配网系统的稳定性与安全性。 SoC架构将处理器、存储器和转换器集成，通过定制硬件提升了系统计算能力，降低了功耗，解决了传统软件程序难以应对的问题，从而有效提升了监控装置的工作性能[2]。 SoC架构如图1所示。

图1 SoC架构图

根据图1可知， SoC架构采用了分开存储的指令集和数据集结构，通过SRAM进行数据程序编辑，确保系统高效运行。系统设有256GB的存储空间和128KB的数据空间，确保海量数据的实时存储与处理。然而，SRAM会在掉电情况下丢失数据，影响装置正常运行， 因此增加了FLASH芯片来保证数据的持久存储。在上电操作时， FLASH芯片能与SRAM连接，确保系统能够稳定启动并进行后续数据处理。

为了进一步提升系统性能，架构利用PLL进行时钟倍频操作，获取更高频率的工作时钟，并通过APB连接ADC控制模块，支持FPU浮点运算。模块集成使数据处理和电池管理更加高效。系统配备了定时器、串口模块和看门狗等功能，实现了设备的实时监控与故障检测，进一步提高了系统的可靠性[3]。

在数据处理方面，该设计采用了AndesCore N10芯片，这是一款32位高性能处理器软核，能够完成复杂的音频与数据分析，确保了电池信息能够顺利传输并实现自动化控制。通过这一设计，电缆接头的状态监控能够更加精准，可实时发现潜在故障。

户外配网电缆接头在线监控装置的处理器采用了N1068A-S处理器，这款处理器具备优异的数据处理能力，能够有效支持复杂的数据计算和实时控制需求。N1068A-S处理器采用5级流水线结构，能够高效地处理不同格式的数据指令，并通过32位寄存器进行精确的数据计算。其内建的DSP扩展指令与处理器接口紧密连接，支持不同地址空间的数据总线，从而提高了数据传输的效率和精度[4]。

N1068A-S 处理器结构如图2所示。

图2 N1068A-S处理器结构

通过引入N1068A-S处理器， SoC架构的性能得到显著提升。系统能够通过AndeStar™ V3指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）执行程序代码，提升了数据处理效率，减少了数据延迟，确保了实时信息的快速读取。这一设计不仅加速了数据控制，还通过精确的数据延迟分析和优化，提高了系统的实时响应能力，解决了信息读取过程中存在的数据延迟问题。

处理器还具备先占式数据中断功能，能够即时获得信息输入结果，并通过嵌入式程序对跳跃位置进行优化，以实现不同终端的数据存储和处理。内部的ADC模块与控制器配合，可完成信息采集和数据中断判断，最终通过SRAM进行数据存储和复位操作，确保电缆接头的在线监控能够高效、准确地完成数据处理和实时监控任务[5]。

监控装置的复位操作过程如图3所示。

图3 监控装置复位操作过程

监控装置的复位操作过程确保了系统能够在数据存储或错误发生时进行有效的恢复。根据数据复位操作流程可知，首先，变电站通过与主线和副线的连接，启动数据复位操作。此过程中，装置将内部的数据存储到SRAM中，确保数据的持久性和稳定性。 一旦所有信息成功存入SRAM，系统将通过数据中断信号通知MCU进行后续操作。

MCU在接收到中断信号后，通过配置DMA （Direct Memory Acces，直接存储器访问）源数据地址和目标信息，触发数据清除操作。这一过程中，系统内部的数据会被清空，确保无效数据不会影响后续的工作流程。数据清除后，APB总线负责将清除的数据连接到适当的模块，实现DMA信息搬移，进一步完成数据的分析处理。

最后将提取到的数据会以二进制（bin）格式存储在外部的FLASH中，以保证数据在设备掉电或重启后的持久性。这一系列操作确保了监控装置在面对突发情况或系统重启时，能够迅速恢复正常工作状态，保证了电缆接头的在线监控持续稳定运行，减少了系统故障对运行的影响。

在SoC架构中，为了提高数据处理速度和精度，装置外部配备了卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）加速计算模块。通过将二维卷积电路和池化电路与单片机连接，可形成加速链。这一加速链是网络加速单元的核心，能够有效提升数据处理效率，特别是在图像处理或信号分析中，可确保监控装置能够快速响应和处理复杂的数据。

装置内部的连接总线使用了AXI-S总线。这种总线具有高效的数据传输能力，能够将时钟源、复位源、主设备和从设备良好地连接在一起，确保数据流通畅。AXI-S总线不仅能高效地完成数据采样，还能保证复位信号在装置内部顺利传输，使得系统能够稳定运行，尤其是在低电平的ARESETn信号驱动下，设备能够正确复位。

在数据传输过程中，装置通过加速链进行数据参数的配置，确保计算任务能够迅速完成。当数据通过加速链处理后，计算结果被精确输出，并通过数据线传输到相应的终端或控制模块上展示出最终的数据信息。通过这一加速链结构，监控装置能够在实时数据采集和分析中表现出高效的处理能力，大大提升了整体系统的响应速度和精确度。

3  监控装置性能分析

3.1   数据处理性能

户外配网电缆接头在线监控装置在电力系统中的作用至关重要，尤其是在保障电力配网的稳定性和安全性方面。为了确保装置能够高效运行，进行性能分析时，必须考虑多个因素，包括数据处理能力、实时监控精度和系统稳定性[6]。装置的性能不仅与硬件构成相关，还与其采用的算法和通信机制紧密相关。

装置内的处理器采用了N1068A-S处理器，它通过5级流水线结构和32位寄存器对数据进行高效计算。该结构能够实现对不同格式数据指令的快速处理，从而提升了装置的实时响应能力。通过公式（1）进行数据计算：

其中，T为处理时间，n为指令数量，f为处理器频率。根据这一公式，N1068A-S处理器的高频率可以减少每条指令的处理时间，从而加快数据处理速度，提高系统的响应能力[7]。

3.2   实时监控性能

为了更好地应对复杂的电力数据，装置配备了CNN加速链，通过AXI-S总线连接卷积电路和池化电路，实现加速计算。这种加速链的作用是通过加快数据参数配置的速度，减少数据延迟，从而提高系统的实时监控性能。在加速链的工作过程中，数据经过CNN计算后，公式为式（2）：

其中，Y是输出，W是卷积核，X是输入数据，b是偏置项。该计算可以快速提取电缆接头的特征。通过分析卷积层提取的信息，装置能够精确识别电缆接头的状态，及时发现潜在问题，从而保证了系统的安全[8]。

3.3   数据存储和处理性能

装置内部还采用了数据存储和处理机制。在复位操作中，数据首先被存储到SRAM中，经过数据中断后，传送给MCU进行处理。数据传输过程中，使用DMA进行数据搬移，可减少CPU负担，并可提高整体系统的效率。通过APB总线连接，可确保数据流的顺畅传输，同时进行数据采样，可减少数据传输过程中的丢包率。

装置采用的AXI-S总线不仅负责高效的数据传输，还确保了系统的复位信号能够及时传输，避免了系统在异常情况下出现故障。通过主设备的驱动，系统能够自动识别并调整运行状态，使设备在发生错误或电力中断时能够快速恢复。在数据计算中，基于优化算法的引入，使装置的复位操作通过配置参数得以高效完成。每次数据操作后的复位时间通过公式（3）进行估算：

其中，Tr set是复位时间，vreset是复位电压，Ir set是复位电流。合理的复位操作确保了数据的准确性与系统的连续性。

户外配网电缆接头在线监控装置通过优化的硬件结构和精确的数据计算，不仅提高了实时监控的精度，还显著优化了系统稳定性和数据处理能力。

4 实验研究

为了验证本文提出的户外配网电缆接头在线监控装置的实际应用效果，我们进行了实验，以分析引入该装置前后的监控过程稳定性和监控数值准确率。监控稳定性实验结果如图4所示。

图4 监控稳定性实验结果

实验结果表明，引入本文设计的户外配网电缆接头在线监控装置后，监控过程的稳定性得到了显著提升。在传统监控方式下，监控系统在电缆接头受到负载冲击或外部环境剧烈变化时，容易出现数据采集中断或延迟现象，导致监控过程的不连续性。而在实验组中，得益于装置内部采用的高效处理器和多模块协同架构，监控装置能够快速响应环境和负载的动态变化，通过优化的CNN加速链实时处理监测数据，并利用DMA搬移机制减少数据传输瓶颈，确保了监控信号的持续传输。统计显示，装置引入后，监控过程的平均稳定时间提高了约40%，数据采集频率的抖动幅度降低至传统方式的1/3，表明本文设计的监控装置在复杂环境下具备更高的稳定性和可靠性，为配网系统的安全运行提供了重要保障。

监控数值准确率实验结果如表1所示。

表1 监控准确率实验结果

实验结果显示，引入本文设计的户外配网电缆接头在线监控装置后，监控准确率在各时间段均有显著提升。加入装置前，准确率波动较大，平均值约为85.68%；而加入装置后，准确率整体趋于稳定，平均值提高至96.56%。特别是在前20分钟，准确率从85.81%和84.22%分别提升至98.24%和99.36%，表明装置在短时间内能够快速捕捉并准确分析接头运行状态。随着时间延长，准确率略有下降，但仍显著高于传统方式，说明装置在长期运行中保持了较高的稳定性和数据处理能力。总体来看，实验验证了装置在提高监控准确率方面的优越性，为配网系统的精准监控提供了有力支持。

5  结束语

本文针对传统监控方式存在的实时性差、稳定性不足等问题进行了优化改进，设计了一种基于SoC架构的户外配网电缆接头在线监控装置。通过集成高性能处理器、CNN加速链以及多模块协同工作机制，该装置实现了对电缆接头运行状态的精准监控与数据分析，有效提高了监控过程的稳定性和准确率。

实验结果表明，本文设计的监控装置在复杂环境条件下表现出了优异的性能，能够实时捕捉接头运行中的关键参数并进行快速处理，显著减少了监控中断和数据延迟现象，为电力配网系统的安全运行提供了技术支持。未来，随着物联网技术和人工智能算法的进一步发展，该装置还可扩展更多功能，如远程控制、智能诊断等，以进一步提升配网的智能化水平。 

作者简介：

赵   晨（1987-） ，男 ，河南内黄人 ，工程师 ，硕士 ，主要从事电气工程方面的研究。

李林桓（1990-） ，男 ，河南安阳人 ，工程师 ，硕士 ，主要从事控制工程方面的研究。

林   伟（1981-） ，男 ，江西宜丰人 ， 高级工程师 ，主要从事电气工程方面的研究。

王瑞凯（1997-） ， 男 ，河南内黄人 ，助理工程师 ，本科 ，主要从事电气工程方面的研究。

苗桂喜（1975-） ，男 ，河南安阳人 ，高级工程师 ，本科 ，主要从事电气工程方面的研究。

参考文献：

[1] 周幸, 皮云霞, 李敏, 等. 基于寿命数据分析的配网电缆冷缩中间接头受潮诊断模型设计[J]. 自动化与仪器仪表, 2023, (8) : 71 - 74.

[2] 黄丰. 用于户外架空线电缆头防护的监测系统设计及应用[J]. 光源与照明, 2024, (1) : 137 - 139.

[3] 郭耀栋, 赵一枫, 胡冉, 等. 配电网电缆接头SiR - XLPE绝缘界面热应力与击穿电压关系的实验与分析[J]. 内蒙古电力技术, 2023, 41 (4) : 46 - 53.

[4] 黄成龙, 赵一枫, 胡冉, 等. 10 kV电缆中间接头受潮XLPE - SiR绝缘界面放电演化分析[J]. 广东电力, 2024, 37 (6) : 120 - 128.

[5] 马煜, 史金刚, 佘强, 等. 基于时频域转换法的配网电缆冷缩中间接头受潮诊断研究[J]. 中国设备工程, 2023, (18) : 170 - 172.

[6] 何嘉弘, 何康, 董博文. 配网电缆接头内部缺陷电场特征研究及电树发展分析[J]. 电力工程技术, 2023, 42 (1) : 154 - 161.

[7] 郑隽杰, 周峰. 地下电缆接头局放监测及定位技术[J]. 中文科技期刊数据库(全文版)工程技术, 2023, (2) : 88 - 91.

[8] 桂俊峰, 刘岳楠, 逯华, 等. 10kV电缆接头典型缺陷局部放电类型模式识别[J]. 北京交通大学学报, 2023, 47 (3) : 140 - 148.

摘自《自动化博览》2026年第二期暨《工业控制系统信息安全专刊（第十二辑）》