CN110672986B - 一种用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***，由超窄脉冲发生模块、阻抗匹配电路、脉冲信号检测模块和主控模块组成。超窄脉冲发生模块生成纳秒级超窄脉冲信号；阻抗匹配电路根据电缆特性阻抗调整装置输出阻抗；脉冲信号检测模块使用高带宽程控运放和高速模数转换器对窄脉冲信号进行采集；主控模块完成***控制、数据处理，结合小波变换和互相关算法，对原始数据进行降噪、非线性误差补偿和反射波波头识别。可降低近端测试盲区，减少重影反射，提高故障定位分辨率，可远程联网有助于实现泛在电力设备物联网。

Description

一种用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***

技术领域

本发明属于电缆故障测试领域，尤其涉及一种用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，电力电缆由于具有优越的电气性能、便于敷设等优点，在当前电力网络中的应用越来越广泛。电力电缆铺设数量增加以及运行负荷和时间的不断增长，因电力电缆发生故障而引发的电力事故也越来越多。在电力电缆铺设时，一般都是将电缆直接埋入地下或放置于电缆沟中，且电缆有多层保护材料包裹，一旦故障发生，寻找故障点变得十分困难。利用脉冲时域反射原理可以实现电缆故障位置的无损检测，因此用于电缆故障定位的脉冲发生和检测装置在电缆故障定位中非常重要。

在电缆故障定位过程中，脉冲宽度直接关系到电缆故障定位的精度和测试盲区。脉冲宽度过大，导致测量时近端盲区增加，若在近端存在故障点，故障点反射直接被盲区覆盖，导致无法识别故障位置，同时由于脉冲宽度大，降低了故障识别定位精度；而使用纳秒级窄脉冲，可减小由于脉冲宽度带来的近端测试盲区，提高分辨率。传统的脉冲发生器多采用隧道二极管或雪崩晶体管产生所需脉冲。隧道二极管可产生短时脉冲，上升沿可达皮秒级别，但其产生的电压幅值仅为毫伏级别；利用晶体管的雪崩效应，可以在瞬间产生高速脉冲，多个雪崩晶体管串并联可以实现大功率脉冲输出，常用于固定脉宽的大功率脉冲的生成。同时，使用隧道二极管或雪崩晶体管产生的脉冲多为上升边沿较快而下降沿缓慢的单边脉冲，脉冲宽度较大，造成故障定位误差较大，而且实现调整脉冲宽度需要较为复杂的电路设计，无法依据被测电缆长度直接调整脉冲宽度。另外传统仪器在脉冲检测时多采用电阻直接分压对脉冲幅值进行衰减，而后使用三极管电压跟随器送入运放和模数转换电路，脉冲信号在此过程中高频失真较为严重，导致故障定位精度较低。

目前国内相关仪器多采用固定输出阻抗设计，无法根据电缆特性阻抗调整输出阻抗，当电缆中存在多个接头或多个故障点时，容易发生多次反射重影显示，造成故障点或接头位置的误判。另外，在故障定位方面，多数相关仪器采集数据后只进行简单的滤波处理，就直接进行故障波形显示，而故障距离依靠操作人员目测的方式进行计算，存在较大定位误差，同时，在进行长距离电缆故障定位时，由于电缆损耗的存在，脉冲反射信号微弱，很难直接通过目测方法进行定位。

综上所述，现有设备存在的问题是：脉冲发生电路较为复杂，且很难直接依据被测电缆长度产生宽度和幅值可调的纳秒级脉冲，导致电缆故障定位时近端盲区过大，分辨率低；脉冲检测电路带宽较低且无高频补偿，造成信号采集过程中失真严重；无法依据电缆特性阻抗调整装置输出阻抗，容易导致故障点的误判；不具备故障位置自动定位功能，目测法误差较大。

发明内容

针对现有设备存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***，由超窄脉冲发生模块、阻抗匹配电路、脉冲信号检测模块和主控模块四部分组成，其中：

超窄脉冲发生模块，由高频变压整流电路、MOSFET及其驱动电路、电容储能电路组成，用于超窄脉冲信号发生；利用数字逻辑电路结合电容储能式脉冲发生器原理生成超窄脉冲；

阻抗匹配电路，用于根据被测电缆特性阻抗调整装置的输出阻抗，将脉冲信号最大功率发送至被测电缆，减小脉冲失真，同时减少由于电缆中多个故障和接头引起脉冲信号的多次反射；

脉冲信号检测模块，由无源衰减电路、程控运放电路和A/D转换电路组成，用于对输入信号进行检测；使用电容对衰减过程中的高频损失进行补偿，减小脉冲信号的高频失真，利用高速高带宽器件对接收的脉冲信号进行采集，经过模数转换后输入主控模块；

主控模块，由处理器及***电路、故障定位软件组成，用于完成整个***人机交互、软件控制和数据算法处理，结合小波变换和互相关算法，进行降噪、非线性误差补偿和反射波波头识别。

根据本发明，所述的高频变压整流电路对FPGA输出的高频时钟进行整流滤波，产生幅值可调的电压并对电容储能电路充电；

所述的MOSFET及驱动电路利用FPGA逻辑生成的脉宽可调的超窄数字脉冲，控制高速栅极驱动器驱动MOSFET开关，同时栅极驱动器隔离数字信号和模拟信号防止脉冲信号干扰；

所述的电容储能电路对数字脉冲信号进行调理放大，以产生宽度和幅值可调的超窄低压负脉冲。

进一步，所述的无源衰减电路利用电阻分压原理进行幅值衰减，并采用电容补偿衰减过程中的高频损失；

所述的程控运放电路控制A/D芯片的输入电压幅值，A/D转换芯片为400MSPS并行模数转换芯片。

优选地，所述的处理器及***电路包括基于嵌入式Linux***的ARM处理器及其***电路、基于Nios II软核处理器的Cyclon III系列FPGA芯片及其***电路、以及集成的无线通信模块；其中，ARM处理器及其***电路完成整个***控制和人机交互，无线通信模块用于接入网络，实现远程数据获取和设备控制；FPGA芯片及其***电路用于解析ARM处理器指令，控制超窄脉冲生成和信号数据采集，ARM处理器与FPGA芯片通过SPI总线接口进行数据通信；

所述的故障定位软件完成数据的算法处理，及处理后数据的显示和故障定位识别。

进一步地，所述的无线通信模块包括蓝牙、WiFi和4G等通信模块组成，利用无线联网模块将所采集的信号数据远程传入后台***，并接收来自远程控制端的指令和数据处理结果。

所述的故障定位软件包括数据处理算法，数据波形显示与故障定位，数据处理算法针对反射信号进行降噪、电缆衰减和色散引起的非线性误差补偿、反射波波头识别，处理后的数据利用故障定位软件进行波形显示和故障类型及位置识别。

所述数据处理算法步骤如下：

第一步：利用小波阈值法对FPGA采集到的原始信号进行降噪处理；

第二步：针对长距离电缆反射信号过小、衰减色散现象引起的非线性误差所导致的故障定位误差大问题，运用动态互相关法分析降噪后的数据，对反射信号进行非线性误差补偿；

第三步：通过小波模极大值法进行反射信号波头识别，确定入射脉冲与反射脉冲时间间隔。

所述动态互相关法为：

脉冲信号在电缆中传播时，其频率响应函数为：

H(ω)＝exp[-2γ(ω)l] (1)

其中，γ(ω)为电缆传播常数，l为脉冲信号往返长度，R、L、G、C分别为单位长度电缆的电阻、电感、电导、电容；

针对电缆中脉冲信号的衰减规律，对简单的互相关函数进行改进：

其中，x_t(t)为与时间相关的参考函数；

依据传输长度vt/2时的频率响应函数，将时间跨度t的信号表示为X₀(ω)H_t(ω)并引入相位延迟可得x_t(t)在频域中计算公式：

X_t(ω)＝X₀(ω)exp[-γ(ω)vt]exp(+jωt) (4)

其后，在时域中求解x_t(t)，进一步求出R'_xy(τ)，并对数据进行互相关处理。

本发明的用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***，带来的技术效果在于：利用超窄脉冲发生器可以产生宽度和幅值可调的纳秒级超窄脉冲，减小了近端测试盲区，提高了***故障定位分辨率；通过阻抗匹配电路调整***输出阻抗，减小脉冲输出失真，消除了多次反射造成的重影；结合小波变换和动态互相关分析处理算法对采集到的数据进行处理，利用软件自动定位，减小了定位误差。

附图说明

图1是本发明的用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***的结构框图；

图2是实施例提供的故障定位软件示意图；

图3是实施例提供的数据处理算法流程图。

图中的标记分别表示：1、超窄脉冲发生模块；2、阻抗匹配电路；3、脉冲信号检测模块；4、主控模块。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

如图1所示，本实施例给出一种用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***，由超窄脉冲发生模块1、阻抗匹配电路2、脉冲信号检测模块3和主控模块4组成；其中：

超窄脉冲发生模块1，由高频变压整流电路、MOSFET及其驱动电路、电容储能电路组成，用于超窄脉冲信号发生；超窄脉冲发生模块1是整个装置的信号基础，结合MOSFET管的高速开关特性，对FPGA输出的纳秒级超窄数字脉冲进行调理放大，产生纳秒级宽度、幅值可调的超窄低压负脉冲信号；

阻抗匹配电路2，与超窄脉冲发生模块1和脉冲信号检测模块3相连，依据被测电缆特性阻抗调整装置的输出阻抗，将脉冲信号最大功率发送至被测电缆，减小脉冲失真，同时减少由于电缆中多个故障和接头引起脉冲信号的多次反射；

脉冲信号检测模块3，利用高速高带宽器件对接收的脉冲信号进行采集，经过模数转换后输入主控模块4，用于后续处理，其主要包括无源衰减电路、程控运放电路、A/D转换电路；

主控模块4，与超窄脉冲发生模块1和脉冲信号检测模块3相连，完成整个***人机交互、软件控制和数据算法处理，结合小波变换和互相关算法，进行降噪、非线性误差补偿和反射波波头识别，其主要包括处理器及***电路、故障定位软件。

请继续参见图1，超窄脉冲发生模块1利用数字逻辑电路结合电容储能式脉冲发生器原理生成超窄脉冲，高频变压整流电路对FPGA输出的高频时钟进行整流滤波，产生幅值可调的电压并对电容储能电路充电；MOSFET及驱动电路利用FPGA逻辑生成的脉宽可调的超窄数字脉冲，控制高速栅极驱动器驱动MOSFET开关，同时栅极驱动器隔离数字信号和模拟信号防止脉冲信号干扰；电容储能电路对数字脉冲信号进行调理放大，以产生宽度和幅值可调的超窄低压负脉冲。

无源衰减电路采用电阻分压原理，并结合补偿电容补偿衰减过程中的高频损失，通过程序控制运放电路放大倍数，调整输入A/D转换芯片的电压幅值，本实施例中，A/D转换芯片选择400MSPS并行模数转换芯片。

本实施例中，处理器及***电路包括基于嵌入式Linux***的ARM处理器及其***电路、基于Nios II软核处理器的Cyclon III系列FPGA芯片及其***电路、以及集成的无线通信模块；其中，ARM处理器及其***电路完成整个***控制和人机交互，无线通信模块用于接入网络，实现远程数据获取和设备控制；FPGA芯片及其***电路用于解析ARM处理器指令，控制超窄脉冲生成和信号数据采集，ARM处理器与FPGA芯片通过SPI总线接口进行数据通信；

故障定位软件结合小波变换和互相关算法，对所采集数据进行降噪、电缆衰减和色散引起非线性误差补偿、反射波波头识别处理，然后进行数据的显示和故障定位识别。

如图2是本实施例的故障定位软件示意图，故障定位软件主要任务是完成数据的算法处理，及处理后数据的显示和故障定位识别。

设置的测量参数通过SPI驱动层发送到FPGA，NIOS II软件对参数进行解析后，控制脉冲输出和反射信号采集，并将数据放入FIFO，然后数据通过SPI驱动发送到主控软件，主控软件接收数据后，进行算法处理、故障定位和波形显示。

图3为本实施例的数据处理算法流程图，其主要包括以下步骤：

S101：利用小波阈值法对FPGA采集到的原始信号进行降噪处理；

S102：运用动态互相关法分析降噪后的数据，对反射信号进行补偿；

S103：通过小波模极大值法进行反射信号波头识别，确定入射脉冲与反射脉冲时间间隔。

在一个优选实施例中，运用动态互相关法分析降噪后的数据，对反射脉冲信号进行补偿，其主要包括：

脉冲信号在电缆中传播时，遇到阻抗突变点会发生反射，由于电缆存在损耗，会导致反射信号幅值减小宽度变大，其频率响应函数为：

H(ω)＝exp[-2γ(ω)l] (1)

其中，γ(ω)为电缆传播常数，l为脉冲信号往返长度，R、L、G、C分别为单位长度电缆的电阻、电感、电导、电容；

针对电缆中脉冲信号的衰减规律，对简单的互相关函数进行改进：

其中，x_t(t)为与时间相关的参考函数；

假设H_t为传输长度vt/2时的频率响应函数，依据电缆频率响应函数可得：

H_t(ω)＝exp[-γ(ω)vt]

将时间跨度t的信号表示X₀(ω)H_t(ω)，并引入相位延迟可得x_t(t)在频域中计算公式：

X_t(ω)＝X₀(ω)H_t(ω)exp(+jωt) (4)

求出R'_xy(τ)，对数据进行互相关处理。

本实施例给出的用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***，利用超窄脉冲发生器可以产生宽度和幅值可调的纳秒级超窄脉冲，减小了近端测试盲区，提高了***故障定位分辨率；通过阻抗匹配电路调整***输出阻抗，减小脉冲输出失真，消除了多次反射造成的重影；结合小波变换和动态互相关分析处理算法对采集到的数据进行处理，利用软件自动定位，减小了定位误差，可远程联网有助于实现电力设备物联网。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明不限于上述实施例，凡在本发明的技术方案所作的任何添加、等同替换和改进等，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***，其特征在于，由超窄脉冲发生模块(1)、阻抗匹配电路(2)、脉冲信号检测模块(3)、主控模块(4)组成；其中：

超窄脉冲发生模块(1)，由高频变压整流电路、MOSFET及其驱动电路、电容储能电路组成，用于超窄脉冲信号发生；利用数字逻辑电路结合电容储能式脉冲发生器原理生成宽度和幅值可调的纳秒级超窄脉冲；

阻抗匹配电路(2)，用于根据被测电缆特性阻抗调整装置的输出阻抗，将脉冲信号最大功率发送至被测电缆，减小脉冲失真，同时减少由于电缆中多个故障和接头引起脉冲信号的多次反射造成的重影；

脉冲信号检测模块(3)，由无源衰减电路、程控运放电路和A/D转换电路组成，用于对输入信号进行检测；使用电容对衰减过程中的高频损失进行补偿，减小脉冲信号的高频失真，利用高速高带宽器件对接收的脉冲信号进行采集，经过模数转换后输入主控模块(4)；

主控模块(4)，由处理器及***电路、故障定位软件组成，用于完成整个***人机交互、软件控制和数据算法处理，结合小波变换和动态互相关算法，进行降噪、非线性误差补偿和反射波波头识别；

所述的处理器及***电路包括基于嵌入式Linux***的ARM处理器及其***电路、基于NiosII软核处理器的CyclonIII系列FPGA芯片及其***电路、以及集成的无线通信模块；其中，ARM处理器及其***电路完成整个***控制和人机交互，无线通信模块用于接入网络，实现远程数据获取和设备控制；FPGA芯片及其***电路用于解析ARM处理器指令，控制超窄脉冲生成和信号数据采集，ARM处理器与FPGA芯片通过SPI总线接口进行数据通信；

所述的无线通信模块包括蓝牙、WiFi和4G通信模块组成，利用无线联网模块将所采集的信号数据远程传入后台***，并接收来自远程控制端的指令和数据处理结果，实现放在电力物联网；

所述的故障定位软件包括数据处理算法，数据波形显示与故障定位，数据处理算法针对反射信号进行降噪、电缆衰减和色散引起的非线性误差补偿、反射波波头识别，处理后的数据利用故障定位软件进行波形显示和故障类型及位置识别；

所述动态互相关法为：

脉冲信号在电缆中传播时，其频率响应函数为：

H(ω)＝exp[-2γ(ω)l] (1)

其中，γ(ω)为电缆传播常数，l为脉冲信号往返长度，R、L、G、C分别为单位长度电缆的电阻、电感、电导、电容；

针对电缆中脉冲信号的衰减规律，对简单的互相关函数进行改进：

其中，x_t(t)为与时间相关的参考函数；

依据传输长度vt/2时的频率响应函数，将时间跨度t的信号表示为X₀(ω)H_t(ω)并引入相位延迟可得x_t(t)在频域中计算公式：

X_t(ω)＝X₀(ω)exp[-γ(ω)vt]exp(+jωt) (4)

其后，在时域中求解x_t(t)，进一步求出R'_xy(τ)，并对数据进行互相关处理；所述的高频变压整流电路对FPGA输出的高频时钟进行整流滤波，产生幅值可调的电压并对电容储能电路充电；

所述的MOSFET及驱动电路利用FPGA逻辑生成的脉宽可调的超窄数字脉冲，控制高速栅极驱动器驱动MOSFET开关，同时栅极驱动器隔离数字信号和模拟信号防止脉冲信号干扰；

所述的电容储能电路对数字脉冲信号进行调理放大，以产生宽度和幅值可调的超窄脉冲；该超窄脉冲为脉宽幅值数字可控超窄低压负脉冲；

所述的无源衰减电路利用电阻分压原理进行幅值衰减，并采用电容补偿衰减过程中的高频损失；

所述的程控运放电路控制A/D芯片的输入电压幅值，所述数据处理算法步骤如下：

第一步：利用小波阈值法对FPGA采集到的原始信号进行降噪处理；

第二步：针对长距离电缆反射信号过小、衰减色散现象引起的非线性误差所导致的故障定位误差大问题，运用动态互相关法分析降噪后的数据，对反射信号进行非线性误差补偿；

第三步：通过小波模极大值法进行反射信号波头识别，确定入射脉冲与反射脉冲时间间隔。

2.如权利要求1所述的用于减小定位盲区提高分辨率的电缆故障定位***，其特征在于：所述A/D转换芯片为400MSPS并行模数转换芯片。

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