CN103487722A - 基于tdr的分布式电缆状态检测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实时线缆管网状态监测的***，特别是利用先进的TDR(时域反射)技术和计算机算法，通过数字信号处理方法获得线缆管网实时工作状态以及故障定位的***，在配电柜上增加TDR模组以及3G／4G通信模组，实时采集线缆管网的反射信号并且将其转换为数字信号，将数据通过3G／4G模组发送到数据中心，数据中心通过小波变换、最佳相似性等算法，获得线缆管网的工作状态，实时定位故障地点，并且发出相应的报警与提示信息，与故障点周边的其他市政设施实现联动。

Description

基于TDR的分布式电缆状态检测***

技术领域

本发明涉及集成电路、电路硬件设计和嵌入式软件设计、PC软件以及算法设计、通信领域，特别是一种实时线缆管网状态监测的***，利用先进的TDR(时域反射)技术和计算机算法，通过数字信号处理方法获得线缆管网实时工作状态以及故障定位的***，在配电柜上增加TDR模组以及3G/4G通信模组，实时采集线缆管网的反射信号并且将其转换为数字信号，将数据通过3G/4G模组发送到数据中心，数据中心通过小波变换、最佳相似性等算法，获得线缆管网的工作状态，实时定位故障地点，并且发出相应的报警与提示信息，与故障点周边的其他市政设施实现联动。

技术背景

当前的线缆状态检测，采用集中式信号发生器和分布式信号接收方式，接收端通过信号是否连续，来判断线缆是否导通。整个***需要在目前所有的负载上更改，而且当需要更多关于线缆状态以及相应的负载状态分析等工作时，需要针对所有的负载进行二次设计和施工，增值业务几乎无法提供。当前***如图1所示。

连接关系如下：配电箱内增加信号发生器，配电箱出5根电缆：3根相线A、B、C，零线N、以及地线PE；负载接3线电缆：3根相线中的一根、零线、地线，同时在负载内增加信号接收机、无线通信模组。

工作过程如下：正常工作状态下，配线箱内的信号发生器连续发送信号，而负载内的信号接收机能够连续接收到信号；当线缆被截断时，全部或者部分负载内的接收机的信号将中断，从而使无线通信模组发出报警信号。

目前的方式在设计上简单，但是实施困难，工作量巨大而且标准不统一，各种负载的工作环境恶劣，使得相关设备的寿命很短，或者需要额外的成本进行改进。

传统方法的缺点为：

功能单一，仅能够检测线缆的通断状态；

实施难度大，需要根据不同的负载设计相应的接收机、通信模组等；

不能够迅速精确定位线缆故障点，仅能够参照负载位置大致判断；

成本高，针对以亿计的各种不同负载进行更改，总体成本太高；

不能够预测线缆以及负载的工作状态，维护工作不具备针对性和预防性：

无法识别不同的负载以及各个厂家设备材料的质量；

无法识别安装施工的质量问题以及进行预防性改进；

不适合在复杂的环境下工作。

本发明内容

本发明是通过如下方法实现的。

如图2所示为基于TDR的线缆状态监测***终端硬件，连接关系为：4个信号耦合模组分别与3根相线、1根零线，以及4个HPF模组、1个驱动模组连接，地线分别与4个耦合模组连接，4个ADC模组分别与4个HPF模组连接，MCU模组分别与4个ADC模组，以及SDRAM模组、传感器模组、GPS/北斗模组、3G/4G模组连接，1～100M信号发生器与驱动模组连接，开关电源与充电模组、充电电池构成电源模组，给整个***供电。

工作原理如下：1～100MHz信号发生器产生脉冲信号，经过驱动模组以及信号耦合后发送到5根线缆上：3根相线、1根零线、1根地线，耦合模组同时接收线缆上回传的脉冲反射波，将原生脉冲以及反射脉冲发送到HPF模组，经处理后进入ADC模组转换为数字信号。

数字信号存储在SDRAM内，MCU将4根线缆(3根相线、1根零线)上的多次测量数据进行平均，然后根据最大相似算法，计算4根电缆上的数据与预置数据的差别，如果没有差别，则继续进行持续的测量，如果检测到差别，则启动报警程序，将相关数据通过3G/4G模组发送到数据中心。

传感器模组内含加速度传感器、振动传感器、箱体门禁传感器等，当检测到数据异常，则启动报警程序，将相关数据通过3G/4G模组发送到数据中心。

GPS/北斗模组获得整个模组所在位置信息，安装后位置相对固定。当位置由变化时，则启动报警程序，将相关数据通过3G/4G模组发送到数据中心。

开关电源、充电模组、充电电池构成电源模组，给整个模组提供电力。

如图3所示，检测模组与电力电缆的连接方式，4个相同的信号耦合与HPF模组，具有同样的输入输出端口。相线A与信号耦合与HPF1模组的VHAP端口连接，相线B与信号耦合与HPF2模组的VHAP端口连接，相线C与信号耦合与HPF3模组的VHAP端口连接，零线N与信号耦合与HPF4模组的VHAP端口连接，地线与4个信号耦合与HPF模组的VHAN端口连接。

信号耦合与HPF1模组的VAP和VAN端口，形成相线A原生脉冲与反射脉冲的差分输出，信号耦合与HPF2模组的VAP和VAN端口，形成相线B原生脉冲与反射脉冲的差分输出，信号耦合与HPF3模组的VAP和VAN端口，形成相线C原生脉冲与反射脉冲的差分输出，信号耦合与HPF4模组的VAP和VAN端口，形成零线N原生脉冲与反射脉冲的差分输出。

如图4所示，TDR模组的耦合与HPF电路，连接关系为：端口VHAP与电容C2、电感L1串联后与变压器T的副边上端连接，端口VHAN与电容C1、电感L2串联后与变压器T的副边下端连接，变压器原边上端与电容C3、晶体管Q2集电极、电阻R7连接，变压器原边下端与电容C4、晶体管Q3集电极、电阻R6连接，变压器中间抽头与电容C3、C4，电阻R3、晶体管Q1射极、全差分运算放大器FDopAMP共模输入端连接，VCC与晶体管Q1集电极、晶体管Q2射极、电阻R1连接，GND与晶体管Q3射极、电阻R2、R3连接，电阻R5与反相器输出端以及晶体管Q2基极连接，电阻R4反相器输入端、晶体管Q3基极以及信号输入端Pulse连接，齐纳管Z1与Z2背靠背连接，Z1与R7、C5连接，Z2与R6、C8连接，电阻R9、R11串联，R9与电容C5、C6、C7连接，R11与电容C8、C9、C10连接，全差分运算放大器输入端负极与C7、R10连接，全差分运算放大器输入端负极与C10、R12连接，全差分运算放大器输出端负极VAN与C9、R12连接，全差分运算放大器输出端正极VPN与C6、R10连接。

工作原理如下：

电阻R1、R2将VCC分压施加在晶体管Q1基极，晶体管Q1射极提供近似VCC/2电平在变压器中间抽头，并且给全差分运算放大器提供共模输入电压，当Pulse输入为低电平时，晶体管Q2、Q3截止，在变压器原边的上下端呈现高阻状态，变压器处于接收模式。

电容C1、C2、电感L1、L2与变压器T构成带通滤波器，电容C5、C6、C7、C8、C9、C10，电阻R9、R10、R11、R12以及全差分运算放大器FDopAMP形成HPF模块。

接收信号自VHAP、VHAN接收，经过带通滤波器后，在变压器原边产生差分信号，经过R6、R7输入全差分HPF，最终全差分运算放大器输出端形成差分输出VAP、VAN。

齐纳管Z1、Z2针对异常大信号进行嵌压，防止对后部电路的损伤。

当Pulse电压为高时，晶体管Q2、Q3导通，电流流经变压器，最终在变压器副边产生输出脉冲VHAP-VHAN，脉冲信号同时通过电阻R6、R7，经过HPF产生输出VAP-VAN。

脉冲Pulse的脉宽根据需要确定，原则是避免触发脉冲与反射信号之间的重叠，同时脉冲的频率范围与通道带宽匹配，一般设定脉宽为10ns～1us；脉冲周期为1～100us，根据需要确定，原则是避免触发脉冲与反射信号之间的重叠，同时脉冲的多次反射经过衰减后不再对后续的脉冲造成累积干扰。

HPF功能模块包括以下部件：电容C5、C6、C7、C8、C9、C10，电阻R9、R10、R11、R12以及全差分运算放大器FDopAMP。HPF可以配置成不同的类型，电阻R和电容C的数值根据需要确定，F0为转折频率，具体如下。

Besse1 HPF配置：R9＝R11＝0.73R，R10＝R12＝2.19R，C5＝C6＝C7＝C8＝C9＝C10＝C，F0＝1/(2πRC)；

Buttorwprth配置：R9＝R11＝0.467R，R10＝R12＝2.11R，C5＝C6＝C7＝C8＝C9＝C10＝C，F0＝1/(2πRC)：

Chebyshev配置：R9＝R11＝3.3R，R10＝R12＝0.215R，C5＝C6＝C7＝C8＝C9＝C10＝C，F0＝1/(2πRC)。

变压器T隔离高压，同时形成信号的收发和带宽控制。

本发明的优点为：

故障实时定位，定位准确，精确度根据需要确定；

总体成本低，仅需要在配电柜上增加模组即可；

能够识别线缆状态、线缆质量以及随时间变化的趋势；

能够识别不同线缆连接点质量；

能够识别不同的负载以及负载工作状态；

业务内容多样，根据需要增加增值业务简单，仅在数据中心计算机上增加相应软件；

通过相应的数据挖掘，支持线缆、负载的预防性维护。

附图说明。

图1：现在的线缆状态监测框架

图2：基于TDR的线缆状态监测***终端硬件

图3：检测模组与电力电缆的连接方式

图4：TDR模组的耦合与HPF电路

图5：市政路灯的连接模型

图6：TDR波形

图7：TDR***框架

图8：电缆中电磁波传播速度数据表

图9：基于6IS的故障报警

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详述。市政路灯的电缆呈现分布式结构，每一个配电柜与路灯之间的电缆成线状结构。

如图5所示市政路灯的连接模型，连接关系为：配电箱与5根电缆连接，相线A依次与一组电力电缆模型1、灯杆接点模型、灯杆电缆模型、灯具负载模型连接，相线B依次与一组电力电缆模型1、灯杆接点模型、灯杆电缆模型、灯具负载模型连接，相线C依次与一组电力电缆模型1、灯杆接点模型、灯杆电缆模型、灯具负载模型连接，零线N依次与三组电力电缆模型1、灯杆接点模型、灯杆电缆模型、灯具负载模型连接，地线PE连接根据需要而不同，一般与零线N的差别在于不接负载模型。

工作原理为：电缆在任何阻抗不连续的地方都有反射，电缆的线径变化、绝缘层材料以及厚度的变化、金属表面处理的不一致、机械弯曲、与其他电缆的接点等都会产生信号反射。

针对路灯从配电柜到灯具之间的连接，阻抗不匹配较大的点有几个：配电柜本身引出的电缆、路灯杆内部已经敷设好的电缆、灯具本身的输入阻抗、上述3种模型之间的2个接点。

根据电缆铺设中3相之间平衡的原则，3根相线与路灯的连接一般采取间隔配置：如路灯依次排好1、2、3、4、5、6、7......，则相线A连接1、4、7...，相线B连接2、5、8...，相线C连接3、6、9...，而一个配电柜下路灯的最佳配置数目为3的整数倍。

零线的配置与3根相线不同，每根灯杆都需要配置零线，以驱动路灯负载，因此零线在接入灯杆以及负载后，其电缆的阻抗不连续点要远大于3根相线，信号反射波形比3根相线上的波形更加复杂。

地线的配置与零线近似，只是地线仅提供灯具的外壳接地保护，不与负载连接；地线不是从高压电缆接入配电柜而延续的，而是从配电柜作为基准地引出的，因此配电柜需使用金属棒作为地线，打入地层较深的地方。

针对一般负载，接入的电缆是1根相线+零线，不同的负载造成的反射是不同的：反射波的振幅、反射波的相位、反射波中不同频率成分的不同衰减、不同频率成分的不同的相位变化等，采集数据后，通过挖掘数据中的此类信息，可以得到负载的种类、功率大小、使用年限、可靠性等数据。

如图6所示TDR波形，最左侧振幅最大的波形是原生脉冲，波形向右侧逐步展开4个反射波形，显示电缆连接的4个距离不同的负载造成的反射波形。

以峰值为检测的依据，则原生脉冲与4个反射波之间的递进时间间隔为100、50、50、30，时间单位50ns，以电缆上波速为1.8*10⁸m/s计算，得到

配电柜与第一个负载之间的距离为：100*50*10^-9*1.8*10⁸/2＝450m

第1个负载与第2个负载之间的距离：50*50*10^-9*1.8*10⁸/2＝225m

第2个负载与第3个负载之间的距离：50*50*10^-9*1.8*10⁸/2＝225m

第3个负载与第4个负载之间的距离：30*50*10^-9*1.8*10⁸/2＝135m

如图7所示TDR***框架，连接关系为：配电柜内置TDR通信模组与电信网络通过无线方式连接，电信网络与数据中心路由器通过光缆连接，路由器与数据库服务器(GIS服务器、路灯数据库、园林数据库、环境数据库等)通过光缆或者高速数据电缆连接，路灯以及配套工程管理与处警***通过光缆或者高速电缆与GIS服务器、路灯数据库服务器连接。

工作原理为：配电柜内置的TDR模组检测所辖线缆的状态，在约定的时间或者发生异常事件后，将相关数据通过3G/4G模组发送到电信网络，然后通过光缆发送到数据中心路由器，再转发到路灯数据库服务器。

路灯以及配套工程管理与处警***在接到数据后，立即调用小波变换等算法对数据进行分析，小波分析方法是一种窗口大小(即窗口面积)固定但形状可以改变，即时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频率部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。

电磁信号在电缆上传播时，遇到电缆阻抗不匹配的结合点(电缆的绝缘层、导体的横截面积变化、金属表面的致密度等发生变化)就发生反射，信号出现突变。在信号出现突变时，小波变换后的系数具有模极大值，通过对模极大值的检测来确定故障发生的时间。小波变换模极大值与信号的突变点相对应。将故障初始行波浪涌在较低尺度(较高频带)下的第一个小波变换模极大值点所对应的时刻作为行波到达时刻，可以准确地标定出行波波头起始点到达测量端的时间

在标定完成原生脉冲与故障点发生反射之间的时间间隔后，根据相应的波速传播速度，可以计算得到故障点距离信号发生器之间的距离。

电缆阻抗不同的点都会发生反射，并且部分反射中夹杂噪声，从而造成信号处理的难度增加。检测到的时域反射信号是由原始信号和噪声叠加而成，小波变换模极大值有可能是由检测噪声所产生，需要进行消噪预处理。

小波阈值去噪方法主要适用于信号中混有白噪声的情况；模极大值去噪根据信号与噪声在不同尺度上模极大值的传播特性不同，从所有小波变换模极大值中选择信号的模极大值而去除噪声的模极大值；小波系数相关性去噪根据信号与噪声的小波变换在不同尺度间的特点，通过将相邻尺度的小波系数直接相乘来增强信号，抑制噪声。

不同的增值业务需要不同的数据处理算法作支撑。

如图8所示电缆中电磁波传播速度数据表。电磁波行波波速与被测电缆的结构参数、介质参数、电导参数和环境温度等因素有关，高频时电缆中波速度可近似认为只与电缆的绝缘介质性质有关，而与导体芯线的材料与截面积无关。

电缆使用的绝缘材料不同，因此电磁波的波速不同。

电缆使用的绝缘材料在加工中的致密性等不同，不同厂家生产的同样的电缆，波速略有不同；电缆在敷设后，绝缘材料的老化速度不同，从而导致波速的变化；同样的材料由于加工工艺的不同，老化速度不同，从而导致波速的变化。

数据中心在得到不同时期的数据后，经过数据挖掘，可以得到相关的分析报告。

如图9所示基于GIS的故障报警。配电柜中安装TDR模组后，本身配置GPS/北斗装置，因此其安装位置会精确地显示在地图上，当电缆发生被盗等异常后，TDR模组将数据发送到数据中心，数据中心经过分析，计算发生线缆断裂处距离配电柜的距离，然后通过计算机程序得到故障发生的地点信息，显示在监控屏幕上。

在和市政的其他设施配套后，可以实现联动。如与公安的监控网络实现联动，可以实时调取故障发生地点的视频数据进行观察，进一步核实故障发生的原因。

本发明所述的***的增值业务，不同的业务需要不同频率以及不同波形的脉冲与之对应，同时，高端业务内容的加入需要使用更好的ADC芯片及其他部件：更高的转换速率、更高的转换精度、更低的噪声。

Claims (10)

1.本发明涉及一种实时线缆管网状态监测的***，特别是利用先进的TDR(时域反射)技术和计算机算法，通过数字信号处理方法获得线缆管网实时工作状态以及故障定位的***，它包括2个部分：在配电柜上增加TDR以及通信定位模组，在数据管理中心增加的故障定位与实时工作状态分析软件；TDR以及通信定位模组包括以下模块：脉冲信号发生器与驱动模组、信号耦合与HPF模组、ADC模组、MCU与SDRAM模组、传感器模组、通信模组、电源模组、定位模组。 

2.根据权利要求书1所述构造的脉冲信号发生器与驱动模组，其特征为：脉冲的周期根据需要设定，一般在1～100us；脉冲宽度根据线缆材料以及环境等因素设定，一般为10ns～1us；脉冲的波形根据需要可选，可以是方波、三角波、正弦波以及其他任意组合的波形；驱动模组能够根据需要将信号快速推送到线缆上，具备大电流驱动能力。 

3.根据权利要求书1所述构造的信号耦合与HPF模组，其特征为：耦合模组收发一体化，同时与强电是隔离的，当脉冲宽度变化时，需要调整变压器磁芯的位置来达到信道通带与脉冲对准；信号的参考基准为地线，三根相线与零线上的信号是相同的，HPF模组根据需要，可以通过调整器件参数，获得不同类型的HPF。 

4.根据权利要求书1所述构造的ADC模组，其特征为：ADC模组的转换速率与距离定位的精度相关，转换速率越快，定位精度越高；ADC模组的解析度与负载分析的业务内容相关，解析度越高，业务分析的内容越多越准确。 

5.根据权利要求书1所述的MCU与SDRAM模组，其特征为：MCU预置所辖分布式线缆的TDR波形，SDRAM实时采集所辖线缆的动态TDR波形；MCU将SDRAM内的多个动态TDR波形进行平均，并且与预置的TDR波形进行最大相似性运算：当动态波形与预置波形不相似时，MCU发送报警信息并且将动态数据上传。 

6.根据权利要求书1所述的传感器模组，其特征为：传感器针对内置TDR模组的箱体的运动加速度、振动、以及箱体门的开关状态进行检测，发现异常数据后，根据MCU指令将数据上传。 

7.根据权利要求书1所述的通信模组，其特征为：通信模组采用无线通信模式，采用电信数据服务模式双向收发数据。 

8.根据权利要求书1所述的定位模组，其特征为：利用GPS或者北斗模组计算TDR 模组所在的位置，位置变化时启动报警；在本身报警或者其他原因导致的报警发生时，将新位置信息上传。 

9.根据权利要求书1所述的电源模组，其特征为：在线缆处于带电工作时，由开关电源工作，电池处于充电以及待命状态；当线缆不带电或者故障无电状态时，由电池负责提供电力给整个TDR模组。 

10.根据权利要求书1所述的数据管理中心增加的故障定位与实时工作状态分析软件，其特征为：计算机预置线缆的GIS数据，在接收到报警信息以及相关数据后，根据小波变换等算法，确定哪个负载发生以及负载的异常工作状态，同时根据上报的GPS或者北斗定位数据，定位故障负载的具***置。 

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