CN112946616A - 基于行波的电缆长度测量装置 - Google Patents

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CN112946616A CN202110123701.4A CN202110123701A CN112946616A CN 112946616 A CN112946616 A CN 112946616A CN 202110123701 A CN202110123701 A CN 202110123701A CN 112946616 A CN112946616 A CN 112946616A
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邰彬
姚瑶
彭发东
金杨
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Abstract

本发明公开了一种基于行波的电缆长度测量装置，包括：电压生成模块、数据采集模块和数据处理模块；其中，电压生成模块的输出端与待测电缆的第一端连接；数据采集模块的输入端与待测电缆的第一端连接；电压生成模块用于向待测电缆的第一端输入脉冲电压，以使待测电缆的第二端反射脉冲反射波；数据采集模块用于采集脉冲反射波的波形；数据处理模块用于根据脉冲电压和脉冲反射波的波形计算脉冲电压入射波形和脉冲反射波的波形的起始时间，得到行波在待测电缆中的传播时间，并根据波速和传播时间得到待测电缆的长度。本发明公开的一种基于行波的电缆长度测量装置，能够提高电缆长度的测量精度和测量效率。

Description

基于行波的电缆长度测量装置
技术领域
本发明涉及电力***技术领域，尤其涉及一种基于行波的电缆长度测量装置。
背景技术
在电力***中，电缆是传送电力、传递信息和制造各种电机、电器、仪表、实现电磁能量转换不可缺少的基础器材，具有不占地面空间、不受外界环境影响、运行简单方便、维护工作少运行费用低等优点，被广泛地应用于国民经济的各个领域。
现有技术中，电缆在生产和经营中要对其净含量进行计量检验，而实际上由于电缆长度计量需整卷进行，不方便测量，不少厂家和商家都没有按照国家标准和管理方法中规定的允许长度计量误差进行，这使得市面上存在的电缆计量问题日益严重。
而随着电缆线路的普及和发展，电缆路径的延长，部分电缆在城市建设中被破坏并维修等，使得电缆的布局在初始布局的基础上不断发生变化。电缆的铺设、扩展与维修一般由电网公司交由施工方来进行，电缆布局的变化有时不能实时地反映到电网公司的电缆分布图上，这就导致电网公司所存的电缆分布图与实际电缆分布不相符，这为电缆线路的进一步发展、电缆布局的规划和电缆故障检修等造成了极大的不便。因此，需要一种能够提高测量精度和效率的电缆长度的测量方法。
发明内容
本发明实施例提供一种基于行波的电缆长度测量装置，能够提高电缆长度的测量精度和测量效率。
本发明实施例一提供一种基于行波的电缆长度测量装置，包括：电压生成模块、数据采集模块和数据处理模块；其中，所述电压生成模块的输出端与待测电缆的第一端连接；所述数据采集模块的输入端与所述待测电缆的第一端连接；所述数据处理模块分别与所述电压生成模块和所述数据采集模块连接；
所述电压生成模块用于向所述待测电缆的第一端输入脉冲电压，以使所述待测电缆的第二端反射脉冲反射波；
所述数据采集模块用于采集所述脉冲反射波的波形；
所述数据处理模块用于根据所述脉冲电压和所述脉冲反射波的波形计算脉冲电压入射波形和所述脉冲反射波的波形的起始时间，得到行波在所述待测电缆中的传播时间，并根据波速和所述传播时间得到所述待测电缆的长度。
作为上述方案的改进，还包括：衰减探头和限压模块；其中，所述衰减探头的输入端与所述待测电缆的第一端连接，所述衰减探头的输出端与所述限压模块的输入端连接，所述限压模块的输出端与所述数据采集模块的输入端连接。
作为上述方案的改进，还包括：电压控制模块；其中，所述电压控制模块与所述电压生成模块连接；所述电压控制模块用于控制所述电压生成模块输出的所述脉冲电压的幅值、触发方式和触发时间。
作为上述方案的改进，还包括：存储模块；其中，所述存储模块与所述数据处理模块连接；所述存储模块用于存储所述脉冲电压、所述脉冲反射波的波形和得到的所述待测电缆的长度。
作为上述方案的改进，还包括：显示模块；其中，所述显示模块分别与所述数据处理模块、所述电压控制模块和所述存储模块连接；所述显示模块用于显示所述脉冲电压的波形、所述脉冲反射波的波形、得到的所述待测电缆的长度、波速选择界面、脉冲电压的幅值控制界面和功能按键。
作为上述方案的改进，所述显示模块还用于响应所述功能按键的触发指令，并使所述数据处理模块和所述电压控制模块执行所述触发指令。
作为上述方案的改进，还包括：通信端口；其中，所述数据采集模块通过所述通信端口与所述数据处理模块连接；所述电压控制模块通过所述通信端口与所述电压生成模块连接。
作为上述方案的改进，通过下式计算所述待测电缆的长度：
Figure BDA0002921739030000031
式中，l为所述待测电缆的长度，t0为所述脉冲电压的输入时刻，t1为采集到的所述脉冲反射波的时刻；v为行波在所述待测电缆中的传播速度。
本发明实施例提供的一种基于行波的电缆长度测量装置，具有如下有益效果：
通过在电缆的线芯和屏蔽层施加一定脉宽的矩形脉冲电压，采集起始脉冲波和来回反射的脉冲波，即行波在电缆中的传播过程，通过计算得到起始波和第一次采集到反射波的波形起始时间的时间差，从而根据波速和时间差来计算得到电缆的长度；通过限压模块和衰减探头防止被测信号电压过大带来对设备的损伤，需搭配一起使用。通过存储模块采集模块通过通信端口输送的数据，存储其他数据；通过电压控制模块，根据用户的要求控制电压生成模块的输出电压；通过显示模块显示数据处理后的波形、测量结果、配置信息和功能按键；相比于现有技术，本申请只需要对电缆端部进行操作，并且电源的电压幅值和脉宽以及波速可根据实际情况调节，具有操作简单、测量时间短、适用范围广和精度高的优点。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种基于行波的电缆长度测量装置的结构示意图。
图2是本发明一具体实施方式提供的一种基于行波的电缆长度测量装置的结构示意图。
图3是本发明另一具体实施方式提供的一种基于行波的电缆长度测量装置的结构示意图。
图4是本发明另一具体实施方式提供的一种基于行波的电缆长度测量装置的结构示意图。
图5是本发明另一具体实施方式提供的一种基于行波的电缆长度测量装置的结构示意图。
图6是本发明一具体实施方式提供的一种基于行波的电缆长度测量装置的原理框图。
图7是本发明一具体实施方式提供的一种基于行波的电缆长度测量装置的上位机软件界面示意图。
图8是本发明一具体实施方式提供的一种基于行波的电缆长度测量装置在现场测试时的布置图。
图9是本发明一具体实施方式提供的一种基于行波的电缆长度测量装置的测试结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明实施例一提供的一种基于行波的电缆长度测量装置的结构示意图，包括：电压生成模块10、数据采集模块20和数据处理模块30；其中，电压生成模块10的输出端与待测电缆1的第一端连接；数据采集模块20的输入端与待测电缆1的第一端连接；数据处理模块30分别与电压生成模块10和数据采集模块20连接；
电压生成模块10用于向待测电缆1的第一端输入脉冲电压，以使待测电缆1的第二端反射脉冲反射波；
数据采集模块20用于采集脉冲反射波的波形；
数据处理模块30用于根据脉冲电压和脉冲反射波的波形计算脉冲电压入射波形和脉冲反射波的波形的起始时间，得到行波在待测电缆1中的传播时间，并根据波速和传播时间得到待测电缆1的长度。
具体地，电压生成模块10在电缆的线芯和屏蔽层施加一定脉宽的矩形脉冲电压，并且为了适应不同的测试对象，其输出脉冲电压的幅值和脉宽可调，电压生成方式有单次触发和重复触发两种。矩形脉冲电源的生成原理是蓄电池对充电线路先充电后放电，充电线路可等效为电容，生成的矩形脉冲电压幅值取决于充电线路放电时电压的大小，控制充电电压即可控制输出脉冲电压的幅值。充电线路的长度决定输出矩形脉冲电压的脉宽，脉宽与波速之积为充电线路的长度，设计多段不同长度的充电线路，在各充电线路间选择或对它们进行串联输出，即可实现控制输出脉宽的功能。电压输出模块内置阻抗匹配模块，阻抗不匹配会导致起始波形出现高频波动，在测试较短电缆和数据处理时带来很大的影响，根据测试电缆对象的不同，用户可选择不同大小的阻抗接入测试对象。
具体地，数据采集模块20用于采集基于行波法电缆末端发射波，使用数据采集卡以一定的速率采集，其采集方式有单次脉冲电缆长度波形采集和重频脉冲电缆长度波形采集两种。
具体地，数据处理模块30根据不同类型电缆中行波波速的差异，选择不同档位固定波速；对数据采集模块20输入的波形进行数字滤波，以便计算选定的脉冲入射波形和接收到的末端反射波形的起始时间，得到行波在电缆来回传播的时间，结合选定的行波波速，得到电缆长度测量结果。
进一步地，通过下式计算待测电缆1的长度：
Figure BDA0002921739030000051
式中，l为待测电缆1的长度，t0为脉冲电压的输入时刻，t1为采集到的脉冲反射波的时刻；v为行波在待测电缆1中的传播速度。
具体地，行波在同一类型的电缆中波速接近恒定，当行波传输到电缆的末端时，由于电缆的末端开路导致行波在电缆末端会发生全反射，通过采集全反射波到达测量端的时间即可计算出整个电缆的长度。假设在t＝t0时在电缆的线芯和屏蔽层输入矩形脉冲电压，t＝t1时刻在脉冲的输入端数据采集模块20采集到电缆末端处的反射波，设行波在电缆中的传播速度为v，则电缆的长度为
Figure BDA0002921739030000061
根据此原理可测量波速接近恒定的电缆长度。在实际使用中，由于测试电缆的型号或运行年限不一样，其波速也不同；接收到的起始脉冲波形和第一次反射波形的具有一定的上升沿，需要确定这两个波形的起始时间。因此，急需一套可以实现波速人为选择，自动计算且人为可调的选定起始脉冲波形和第一次反射波形的起始时间，直观显示测量过程和结果的基于行波法测量长度的***。其中，所显示的内容为：显示处理后的波形、计算选定的起始脉冲波形和第一次接收到的反射波形的起始时间坐标(t＝t0和t＝t1)、测得的电缆长度l、波速v选择界面、电压幅值V控制界面和功能按键。
行波在电缆中来回传播时会发生衰减和形变，这一现象在更长的电缆中体现更明显，测试的电缆对象越长输入的矩形脉冲电压的幅值或脉宽需要越大，因此输入的矩形脉冲电压需根据测试对象来确定。考虑衰减作用后，输入矩形脉冲电压的幅值可达kV级别，而数据采集装置的耐压很小，为V级，因此在波形的测量端和数据采集装置的输入端之间需要限压装置，用于防止电压过大带来对数据采集装置的损伤。提高了使用的安全性和可靠性，同时，提高输入脉冲电压的幅值，可测量的电缆长度范围增大，提高了使用的适用性。
进一步地，参见图2，还包括：衰减探头40和限压模块50；其中，衰减探头40的输入端与待测电缆1的第一端连接，衰减探头40的输出端与限压模块50的输入端连接，限压模块50的输出端与数据采集模块20的输入端连接。
具体地，限压模块50与衰减探头40一起使用，作用在波形的输出端和数据采集模块20的输入端中间，用于防止电压过大带来对数据采集模块20的损伤，提高设备的安全性和可靠性。同时，可以提高输入脉冲电压的幅值，***可测量的电缆长度范围增大，提高了***使用的适用性。
进一步地，参见图3，还包括：电压控制模块60；其中，电压控制模块60与电压生成模块10连接；电压控制模块60用于控制电压生成模块10输出的脉冲电压的幅值、触发方式和触发时间。
进一步地，参见图4，还包括：存储模块70；其中，存储模块70与数据处理模块30连接；存储模块70用于存储脉冲电压、脉冲反射波的波形和得到的待测电缆1的长度。
具体地，具备存储每次采集数据的功能，以便查看历史波形；存储数据处理模块30的波速信息。
进一步地，参见图5，还包括：显示模块80；其中，显示模块80分别与数据处理模块30、电压控制模块60和存储模块70连接；显示模块80用于显示脉冲电压的波形、脉冲反射波的波形、得到的待测电缆1的长度、波速选择界面、脉冲电压的幅值控制界面和功能按键。
进一步地，显示模块80还用于响应功能按键的触发指令，并使数据处理模块30和电压控制模块60执行触发指令。
具体地，当用户在显示界面上按下触发功能按键时，生成的指令一方面会传送到电压生成模块10，另一方面会传送到数据采集模块20，使数据采集卡处于等待触发状态。同时将数据采集卡的触发方式设置为上升沿触发，为防止误触发，将触发电平设置为输出脉冲电压幅值的30％，为防止波形置顶，设置延时10ns。采集完毕后数据采集模块20通过通信端口90将数据发送到上位机软件，并由数处理模块进行处理。
数据处理模块30计算选定的脉冲入射波形和接收到的末端反射波形的起始时间，可得到行波在电缆来回传播时间，结合选定的波速，得到测得的电缆长度结果。该测量结果和选定的波速以及的两个起始时间坐标一起输出到显示模块80上。
选定的波速人为可调，数据处理模块30内置电缆类型数据库，选定波速时使用者可以直接调用数据库，选择所需的电缆类型及其对应的波速；使用者也可以根据自身需求，自定义电缆类型及其波速，并保存在数据库中；当选定波速后，使用者可以在显示模块80的显示界面中手动输入波速以进行调整。
显示模块80显示的两个起始时间坐标可调，两个起始时间坐标值由数据处理模块30计算得来，在输出模块可以根据需求人为地左右调节两个选定的起始时间坐标，数据处理模块30实时地根据调节的幅度读取对应的时间坐标并反映在显示模块80。
进一步地，还包括：通信端口90；其中，数据采集模块20通过通信端口90与数据处理模块30连接；电压控制模块60通过通信端口90与电压生成模块10连接。
具体地，电压控制模块60是通过通信端口90施加控制指令，有电压生成模块10输出脉冲电压幅值控制指令和输出脉冲电压触发控制指令两种。控制指令的大小时三个字节，第一个字节代表指令类型，后两个字节表示指令内容。控制幅值时，后两字节表示希望的幅值大小，当指令传送到测量电缆长度装置时，单片机控制电压生成模块10的对充电线路充电的直流电压的幅值，从而控制输出脉冲的幅值；控制触发时间时，指令的后两字节无影响，指令传送到装置时，单片机控制充电线路与测试电缆间开关的闭合，即触发脉冲电压。
电压控制模块60反过来会向上位机软件反馈其电压状态，包括，连线状态：电压生成模块10是否与被测电缆对象连接正确；充电状态：充电线路是否已经完全充电，完全充电后使用者才能触发脉冲电压；电压大小：实际充电电压和控制指令不能做到完全一致，需反映显示真实的输入脉冲电压幅值；蓄电池状态：反映用于供电的蓄电池剩余电量。
行波在电缆中来回传播时会发生衰减和形变，这一现象在更长的电缆中体现地更为明显，要求测试的电缆对象越长电压生成模块10输出的矩形脉冲电压的幅值或脉宽越大。因此，在需要电压生成模块10幅值和脉宽可调的同时，也需要限压模块50的作用，来保护数据采集模块20，同时提高装置的可靠性、安全性和适用性。
为进一步说明本发明实施例对于电缆长度测量的作用，现结合附图和具体实例详述如下：
参见图6，为本发明实施例的原理框图。首先根据被测电缆对象需求，在上位机软件中设置输入脉冲电压的幅值、脉宽和工作模式(单次/重频)，对应的，设置数据采集模块20的工作模式。电缆末端处的全反射波经过探头后通过数据采集模块20，一次采集结束后，数据采集模块20将数据通过通信端口90发送到上位机软件中的数据处理模块30。数据处理模块30计算传播时间后，在存储模块70调用波速数据库，或者从显示模块80的显示界面读取使用者输入的波速，将最终测量结果和波形经显示模块80显示。电压控制模块60中的配置信息也实时地经过显示模块80显示。具体地，数据处理模块30、电压控制模块60、存储模块70和显示模块80搭载于上位机中。
图7是本发明实施例上位机软件界面图。波形显示界面，显示采集到的行波在电缆上来回传播一次的波形经过数据处理模块30处理后的波形，波形上标出了计算得到的选定起始波形和第一次接收到的反射波形的起始时间坐标，使用者可左右拖动光标来进行调整，调整后的变化将实时显示。电缆型号界面，使用者可以调用内置数据库选择合适的电缆型号，每种电缆型号对应一种波速。波速校正界面，使用者在选定波速后可通过此界面手动输入所需波速，达到调整波速的目的。电压设置界面：使用者在此界面输入希望输入脉冲电压的幅值，设置完成后电压控制模块60发送控制指令到装置中。电缆长度界面：用于显示最终的测量结果，不可直接修改，只能通过修改测量过程中的物理量来间接修改。恢复波形功能按键：用于调用存储模块70中的历史测量波形和配置信息，并显示。保存波形功能按键：用于保存当前的波形图像和配置信息至存储模块70中。触发功能按键：触发脉冲电压的开关。状态显示框：用于显示整个***的状态，有连线状态、充电线路的充电状态、电压大小和蓄电池电量。
图8是本发明一具体实施方式提供的一种基于行波的电缆长度测量装置在现场测试时的布置图，将测量电缆长度装置的电压生成模块10的输出端与被测电缆对象相连接；数据采集模块20经限压模块50和探头连接到被测电缆对象；用数据传输线连接装置和上位机中的软件，并在软件上完成操作。本实验的现场测试对象为标称长度为38m的电缆，通过查表，行波在此电缆中的传播速度为169m/ms，将装置中的波速选为对应的档位。t0为选定的入射脉冲波的起始时间，t1为选定的接收到的第一次反射波的起始时间，根据行波法可以计算出电缆的长度。计算得到的时间差Δt＝0.4524ms，
Figure BDA0002921739030000101
与标称误差在1％以内，测试结果如图9所示。
本发明实施例提供的一种基于行波的电缆长度测量装置、装置及存储介质，具有如下有益效果：
通过在电缆的线芯和屏蔽层施加一定脉宽的矩形脉冲电压，采集起始脉冲波和来回反射的脉冲波，即行波在电缆中的传播过程，通过计算得到起始波和第一次采集到反射波的波形起始时间的时间差，从而根据波速和时间差来计算得到电缆的长度；通过限压模块和衰减探头防止被测信号电压过大带来对设备的损伤，需搭配一起使用。通过存储模块采集模块通过通信端口输送的数据，存储其他数据；通过电压控制模块，根据用户的要求控制电压生成模块的输出电压；通过显示模块显示数据处理后的波形、测量结果、配置信息和功能按键；相比于现有技术，本申请只需要对电缆端部进行操作，并且电源的电压幅值和脉宽以及波速可根据实际情况调节，具有操作简单、测量时间短、适用范围广和精度高的优点。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于行波的电缆长度测量装置，其特征在于，包括：电压生成模块、数据采集模块和数据处理模块；其中，所述电压生成模块的输出端与待测电缆的第一端连接；所述数据采集模块的输入端与所述待测电缆的第一端连接；所述数据处理模块分别与所述电压生成模块和所述数据采集模块连接；
所述电压生成模块用于向所述待测电缆的第一端输入脉冲电压，以使所述待测电缆的第二端反射脉冲反射波；
所述数据采集模块用于采集所述脉冲反射波的波形；
所述数据处理模块用于根据所述脉冲电压和所述脉冲反射波的波形计算脉冲电压入射波形和所述脉冲反射波的波形的起始时间，得到行波在所述待测电缆中的传播时间，并根据波速和所述传播时间得到所述待测电缆的长度。
2.如权利要求1所述的一种基于行波的电缆长度测量装置，其特征在于，还包括：衰减探头和限压模块；其中，所述衰减探头的输入端与所述待测电缆的第一端连接，所述衰减探头的输出端与所述限压模块的输入端连接，所述限压模块的输出端与所述数据采集模块的输入端连接。
3.如权利要求2所述的一种基于行波的电缆长度测量装置，其特征在于，还包括：电压控制模块；其中，所述电压控制模块与所述电压生成模块连接；所述电压控制模块用于控制所述电压生成模块输出的所述脉冲电压的幅值、触发方式和触发时间。
4.如权利要求3所述的一种基于行波的电缆长度测量装置，其特征在于，还包括：存储模块；其中，所述存储模块与所述数据处理模块连接；所述存储模块用于存储所述脉冲电压、所述脉冲反射波的波形和得到的所述待测电缆的长度。
5.如权利要求4所述的一种基于行波的电缆长度测量装置，其特征在于，还包括：显示模块；其中，所述显示模块分别与所述数据处理模块、所述电压控制模块和所述存储模块连接；所述显示模块用于显示所述脉冲电压的波形、所述脉冲反射波的波形、得到的所述待测电缆的长度、波速选择界面、脉冲电压的幅值控制界面和功能按键。
6.如权利要求5所述的一种基于行波的电缆长度测量装置，其特征在于，所述显示模块还用于响应所述功能按键的触发指令，并使所述数据处理模块和所述电压控制模块执行所述触发指令。
7.如权利要求5所述的一种基于行波的电缆长度测量装置，其特征在于，还包括：通信端口；其中，所述数据采集模块通过所述通信端口与所述数据处理模块连接；所述电压控制模块通过所述通信端口与所述电压生成模块连接。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的一种基于行波的电缆长度测量装置，其特征在于，通过下式计算所述待测电缆的长度：
Figure FDA0002921739020000021
式中，l为所述待测电缆的长度，t0为所述脉冲电压的输入时刻，t1为采集到的所述脉冲反射波的时刻；v为行波在所述待测电缆中的传播速度。
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Application publication date: 20210611

Assignee: Guangdong Electric Power Communication Technology Co.,Ltd.

Assignor: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE OF GUANGDONG POWER GRID Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980047738

Denomination of invention: Cable length measurement device based on traveling waves

License type: Common License

Record date: 20231121