CN101359058A - 远距离进行目标管线全特征分析的检测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种远距离进行待测电缆全特征分析的检测方法及其装置，可基于电压、电流、幅值、方向和相位信号等对多回路运行的待测电缆进行全特征分析，具有多路信号同时采集、在不断电情况下高准确性识别同源同体传递信号与同源异体感应干扰信号，以及自带工况条件评定的唯一性识别待测电缆的优点。通过发射装置向管线加载固定频率的音频信号，然后在检测端一次性采集该区块所有电缆的全部信号，接收装置在获取上述信号后进行滤波、放大等处理，取等于发射频率的信号与基准信号进行比较，经数字处理、比较计算后，得到各组信号的电流值、各回路电阻值、各采集信号相位角及其和基准信号的相位偏移度，与已知电缆基准信号具有相同特征的电缆即为该种电缆。
Description
一、技术领域
本发明属于电力检测领域，涉及一种专门用于多回路(并行)运行电缆远距离探测中进行高准确性唯一性识别目标管线及相位的全特征分析的方法及设备。
二、背景技术
在我国的电网建设中，电缆入地敷设已成为一种电力部门或公司普遍采用并越来越成为一种趋势，在长达数十年的建设中，由于年代久远、人员变更、城市建设等原因，地下电缆的数据资料与实际工况不一致的情况越来越多，国内外也开发了大量的非开挖电缆寻踪仪、探测仪用于电缆检测。我们通过资料检索，市场调查分析，了解到目前电缆检测技术研究大多侧重于寻踪探测，而在实际工作中，由于电缆的敷设方法错综复杂，轨迹相同的电缆并行情况非常多，在标识缺失、轨迹不明的情况下要实现准确区分相当困难。
公告日为2007年9月12日，公告号为CN100337126C的发明专利“金属管线探测中判断跟踪正误和鉴别管线的方法和装置”公开了一种能进行电缆判断的方法，其具体实施办法是信号发射装置向管线注入两种频率的音频信号，信号接收装置沿电缆的已知路径接收上述音频信号的磁场信号，并对这两个频率的信号进行放大，取上述信号中高频信号的包络为相位基准信号，将相位基准信号和低频信号转换成数字信号，经处理后，得到低频信号和相位基准信号的相位差，在对已知路径段进行相位差记忆后，再对待测管线未知路径段进行探测，根据相位差是否变化和变化的量，判断跟踪是否错误或鉴别是否正确，并由指示器进行明确指示。该方法在一定程度上可以进行三相同轴电缆判断，但是该方法根据发射机和接收机在测试前进行同步设置，然后根据每一个仪器中各自时钟基准进行运算判断，存在着较大的时点漂移，在一定时间后(实际使用约30分钟)或发射机和接收机工作区块温差过大，漂移积累会超过误差的允许范围；在实际使用中由于电缆工况的复杂性(包括回路电阻过大，电缆长距离敷设，测量时间过长，不同工况点温差过大等因素)，加上自身时钟基准的误差，导致无法识别甚至误判的可能性经常发生，其实用性和有效性并不理想。同时我们也注意到采用该办法对三相异轴的电缆无法进行识别。
在管线/电缆的对应识别中，传统上采用的方法是通过将感应线圈环绕电缆一周，根据待测电缆的信号在环绕过程中的强弱变化来判断，而并行电缆没有这种变化，据此可以判断目标电缆的类型。使用这种方式进行识别时，需要检测人员具备丰富的现场经验才可以实施，而且由于信号微弱，误判的情况非常多，可行性和可靠性较差。
另外，也有通过向电缆导体注入直流脉冲信号的方式进行检测的方法，该方法准确性较高，但只有在停电检修或解开接地桩的情况下才可以实施，前者(停电检修的情况下)对测量的工况条件要求较高，实施难度大；而后者(解开接地桩的情况下)对运行设备和测量人员的安全性有很大影响，可行性较差。
针对上述问题，本发明提出了一种全新、迅速、可行、安全，并且在不断电情况下高准确性识别同源同体传递信号和同源异体感应干扰信号，且自带工况条件评定、可针对多回路运行电缆远距离探测中(大于2公里，理论上可以实现数百公里)进行唯一性判断目标电缆的方法及装置，用以在不断电的情况下对远距离电缆进行全特征分析，以满足各种电缆管线复杂、相互干扰严重、多条并行且不具备停电检测的工作条件和环境下对电缆检测的要求。
三、发明概述
1.本发明一种待测电缆高准确性识别检测方法，于对待测电缆进行高准确性识别检测，通过对待测电缆施加一电信号后，对接收所回馈电信号的全过程进行电压、电流、幅值、方向、相位角和相位差等全特征分析从而判断待测电缆的类型，其中使用信号发射装置发射电信号、使用信号接收装置来接收信号，所接收的信号通过A/D转换、放大、补偿、同步等处理后与基准电缆数据进行比较以确定其类型；其特征在于其中包括下列步骤：
在电缆运行不断电或使用中的情况下，信号发射装置向待测电缆加载固定频率音频信号；
信号接收装置对待测电缆进行非接触式音频信号采集并进行放大；
通过对待测电缆中电压、电流的测算，计算回路电阻，根据所计算的电阻数值进行回路工况预测；
根据该工况预测值，通过信号发射装置和信号接收装置之间的传输回馈信号进行发射信号的增益调节；
在信号发射装置和信号接收装置进行远距离高精度授时(加入时间信号)同步，根据所获得的数据来确定待测电缆的类型。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中加载的是固定频率的电信号。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中加载的是固定频率的音频信号。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中加载的是固定频率且带有自动增益调节功能的音频信号。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中的信号发射装置和信号接收装置是通过信号耦合方式向待测电缆进行信号的加载和采集。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置向待测电缆进行音频信号的加载和信号接收装置对待测电缆进行音频信号的采集是以非接触的方式进行的。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置向待测电缆进行音频信号的加载和信号接收装置对待测电缆进行音频信号的采集是以非接触的方式进行的。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置和信号接收装置之间是通过无线方式传输回馈信号的。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中确定待测电缆的类型的确定步骤包括：
定义步骤，对待测电缆进行部分特定特征的定义；
A/D转换，对接收的音频信号并进行A/D转换；
MCU处理，取数字信号进入MCU进行同步处理；
计算步骤，对待测电缆信号的相关数据进行计算，通过事先的模拟电路理论分析和实验数据，设定判断程序和基准信号；
比较步骤，将计算得到的数据与基准信号进行比较；
输出步骤，根据比较结果确定待测电缆的类型并输出。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中对待测电缆进行部分特定特征的定义中，该特定特征可以是首端相位角。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中所计算的待测电缆信号的相关数据中，三相异轴电缆是对相位角进行计算，三相同轴电缆是计算出接收信号与发射信号之间的偏移度。
进一步，根据本发明的另一发明目的，对满足相位偏移度同一特征的待测电缆判定为三相同轴电缆，根据相位角一致的特征确定待测电缆为三相异轴电缆。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中的回路工况预测步骤包括：
判定步骤，判定回路电阻值符合运算精度要求；
补偿步骤，通过自动增益补偿实现传递的音频信号拥有足够的强度，避免被干扰噪音淹没，从而保证信号接收装置可以采集到足够强度的电流幅值；
处理步骤，进行准确运算以达到正确判断的要求；
识别步骤，通过远距离高精度授时同步，实现高精度计算相位角和相位差，以准确识别待测电缆；
存储步骤，存储实验过程中对工况模拟电路和实验数据分析的结果；
比较步骤，判断电缆回路中容抗效应是否导致相位超前特征明显，对接收信号和基准信号相位差设定宽容度，以提高测量的有效性和对实际工况的适应性。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测方法中的接收装置可以对多路信号同时进行采集。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测方法可以在不断电情况下高准确性区分同源同体传递信号和同源异体感应干扰信号。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测方法可在自带工况条件评定的针对多回路并行运行的情况下，远距离对待测电缆进行高准确性的唯一性识别。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置为基准音频信号发射装置。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置至少包括音频信号产生单元、MCU中央处理器、回馈信号无线接收单元、自动增益调节单元、高精度授时接收单元、信号合成单元、功率放大单元和输出单元。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中音频信号产生单元产生固定频率的音频信号，回馈信号无线接收单元接收自接收装置发出的回馈信号，并由MCU中央处理器对发射信号进行自动增益补偿调节，信号合成单元将低频信号和接收的高精度授时信号合成，进行初始同步，经过功率放大单元进行功率放大，再经输出单元作最终的基准音频信号输出。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号接收装置至少包括音频信号接收装置、过滤整理单元、功率放大单元、MCU中央处理器、回馈信号无线发射单元、高精度授时接收单元、模式控制单元和信息显示器。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中音频信号接收装置采集电缆传递的信号后经过滤整理单元滤波处理，取其与发射信号相同的频率信号进行放大、降噪整理，如果信号强度足够，进行授时同步进入MCU中央处理器进行运算判断；
如果信号强度不够，低于设定值，则激发回馈信号无线发射单元发射增益调整信号，调整发射装置的发射功率和电压，形成足够强度和高清晰度的传递信号，其后进行授时同步进入MCU中央处理器进行运算判断；
MCU中央处理器通过预设程序对该信号进行处理，计算电流信号幅值、回路电阻、信号相位值、与基准信号相位差，经逻辑判断后分别在信息显示器进行对应显示，模式控制单元根据三相同轴、三相异轴的电缆选择控制MCU中央处理器的运算模式。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测方法能对远距离并行的包括一桥多线的多回路运行电缆进行准确的唯一性识别。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测装置在检测端一次性采集该区块所有电缆的全部信号，包括目标信号、感应信号、干扰信号、同源旁路信号等。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中授时同步装置使用的授时同步技术包括GPS时钟无线同步、中国北斗星定位授时技术、RCT无线授时技术、原子钟或同源晶振时钟近距离无线或有线同步。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中确定了待测电缆后通过液晶显示单元输出显示。
进一步，根据本发明的另一发明目的，对液晶显示单元采用总线驱动方式进行驱动，以节约MCU的时序开销，减少电源损耗，以延长使用时间。
进一步，根据本发明的另一发明目的，在该检测方法中，信号发射装置可在电缆不断电或使用中的情况下，向待测电缆加载电信号，也即该检测方法可在电缆不断电或使用中的情况下进行检测。
2.本发明还提供一种远距离进行待测电缆全特征分析的检测装置，用于对待测电缆进行高准确性识别检测，通过对待测电缆施加一电信号后，对接收所回馈电信号的全过程进行电压、电流、幅值、方向、相位角和相位差等全特征分析从而判断待测电缆的类型，该装置包括信号发射装置和信号接收装置，其中使用信号发射装置向待测电缆加载电信号、使用信号接收装置对待测电缆进行信号采集并放大，所接收的信号通过A/D转换、放大、补偿、同步等处理后与基准电缆数据进行比较以确定其类型；其特征在于该装置还包括：
计算装置，通过对待测电缆中电压、电流的测算，计算回路电阻；
预测装置，根据所计算的电阻数值进行回路工况预测；
增益调节装置，根据该工况预测值，通过信号发射装置和信号接收装置之间的传输回馈信号进行发射信号的增益调节；
授时同步装置，在信号发射装置和信号接收装置之间进行远距离高精度授时(加入时间信号)同步；
确定装置，根据所获得的数据来确定待测电缆的类型。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中加载的是固定频率的电信号。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中加载的是固定频率的音频信号。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中加载的是固定频率且带有自动增益调节功能的音频信号。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中的信号发射装置和信号接收装置是通过信号耦合方式向待测电缆进行信号的加载和采集。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置向待测电缆进行音频信号的加载和信号接收装置对待测电缆进行音频信号的采集是以非接触的方式进行的。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置向待测电缆进行音频信号的加载和信号接收装置对待测电缆进行音频信号的采集是以非接触的方式进行的。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置和信号接收装置之间是通过无线方式传输回馈信号的。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中确定待测电缆的类型的确定装置包括：
定义装置，对待测电缆进行部分特定特征的定义；
A/D转换器，对接收的音频信号并进行A/D转换；
MCU，取数字信号进入MCU进行同步处理；
计算装置，对待测电缆信号的相关数据进行计算，通过事先的模拟电路理论分析和实验数据，设定判断程序和基准信号；
比较装置，将计算得到的数据与基准信号进行比较；
输出装置，根据比较结果确定待测电缆的类型并输出。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中对待测电缆进行部分特定特征的定义中，该特定特征可以是首端相位角。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中所计算的待测电缆信号的相关数据中，三相异轴电缆是对相位角进行计算，三相同轴电缆是计算出接收信号与发射信号之间的偏移度。
进一步，根据本发明的另一发明目的，对满足相位偏移度同一特征的待测电缆判定为三相同轴电缆，根据相位角一致的特征确定待测电缆为三相异轴电缆。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中的回路工况预测装置包括：
判定装置，判定回路电阻值符合运算精度要求；
补偿装置，通过自动增益补偿实现传递的音频信号拥有足够的强度，避免被干扰噪音淹没，从而保证信号接收装置可以采集到足够强度的电流幅值；
处理器，进行准确运算以达到正确判断的要求；
识别装置，通过远距离高精度授时同步，实现高精度计算相位角和相位差，以准确识别待测电缆；
存储器，存储实验过程中对工况模拟电路和实验数据分析的结果；
比较装置，判断电缆回路中容抗效应是否导致相位超前特征明显，对接收信号和基准信号相位差设定宽容度，以提高测量的有效性和对实际工况的适应性。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测装置中的接收装置可以对多路信号同时进行采集。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测装置可以在不断电情况下高准确性区分同源同体传递信号和同源异体感应干扰信号。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测装置可在自带工况条件评定的针对多回路并行运行的情况下，远距离对待测电缆进行高准确性的唯一性识别。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置为基准音频信号发射装置。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置至少包括音频信号产生单元、MCU中央处理器、回馈信号无线接收单元、自动增益调节单元、高精度授时接收单元、信号合成单元、功率放大单元和输出单元。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中音频信号产生单元产生固定频率的音频信号，回馈信号无线接收单元接收自接收装置发出的回馈信号，并由MCU中央处理器对发射信号进行自动增益补偿调节，信号合成单元将低频信号和接收的高精度授时信号合成，进行初始同步，经过功率放大单元进行功率放大，再经输出单元作最终的基准音频信号输出。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号接收装置至少包括音频信号接收装置、过滤整理单元、功率放大单元、MCU中央处理器、回馈信号无线发射单元、高精度授时接收单元、模式控制单元和信息显示器。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中音频信号接收装置采集电缆传递的信号后经过滤整理单元滤波处理，取其与发射信号相同的频率信号进行放大、降噪整理，如果信号强度足够，进行授时同步进入MCU中央处理器进行运算判断；
如果信号强度不够，低于设定值，则激发回馈信号无线发射单元发射增益调整信号，调整发射装置的发射功率和电压，形成足够强度和高清晰度的传递信号，其后进行授时同步进入MCU中央处理器进行运算判断；
MCU中央处理器通过预设程序对该信号进行处理，计算电流信号幅值、回路电阻、信号相位值、与基准信号相位差，经逻辑判断后分别在信息显示器进行对应显示，模式控制单元根据三相同轴、三相异轴的电缆选择控制MCU中央处理器的运算模式。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测装置能对远距离并行的包括一桥多线的多回路运行电缆进行准确的唯一性识别。
进一步，根据本发明的另一发明目的，该检测装置在检测端一次性采集该区块所有电缆的全部信号，包括目标信号、感应信号、干扰信号、同源旁路信号等。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中授时同步装置使用的授时同步技术包括GPS时钟无线同步、中国北斗星定位授时技术、RCT无线授时技术、原子钟或同源晶振时钟近距离无线或有线同步。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中确定了待测电缆后通过液晶显示单元输出显示。
进一步，根据本发明的另一发明目的，对液晶显示单元采用总线驱动方式进行驱动，以节约MCU的时序开销，减少电源损耗，以延长使用时间。
进一步，根据本发明的另一发明目的，其中信号发射装置可以在电缆不断电或使用中的情况下，向待测电缆加载电信号，也即该检测装置可以在电缆不断电或使用中的情况下对待测电缆进行检测。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1、现有的以非开挖形式对地下电缆进行寻踪检测的设备都是基于电磁感应原理来进行测量判断的，如果待测电缆回路电阻过大，比如接地缺损、接地不良、电缆老化、防护层破损、接头受潮等因素，都会引起信号过度衰减甚至无信号，测量结果就会出现判断不明甚至错误，而现有的检测设备不具备工况条件判断能力，检测人员单纯以最终信号作为测量依据，带有很大的不确定性，无法准确判定目标电缆。本发明采用电缆回路工况预评定设计，判定回路电租值是否符合运算精度要求，并且通过自动增益补偿使传递的音频信号拥有足够的强度，避免过度分流、衰减或被干扰噪音淹没，从而保证接收装置可以采集到强度足够的电流幅值，从而进行准确运算以达到正确判断的要求，有效实现安全、准确、快速、操作简便测量要求。该装置还具备节电功能，有效地延长了室外测量的工作时间。目前市场上通常使用的电缆检测仪器功率都在15W-25W，用自有电池，在实际测量工作中都普遍存在连续工作时间短，工作效率低的情况，本发明可以有效解决该缺陷。
2、在电缆运行(也包括非运行)工况下，通过远距离(大于2公里，理论上可以实现数百公里)高精度授时同步技术(包括但不限于GPS时钟无线同步、中国北斗星定位授时技术、RCT无线授时技术、原子钟或同源晶振时钟近距离无线或有线同步)，实现高精度计算相位角(三相异轴)和相位差(三相同轴)，可以进行准确识别目标电缆；
3、采用宽容度设定，根据现有的物理学理论，回路的容抗效应导致相位偏移超前，回路的感抗效应导致相位偏移滞后，而在实际工况条件，电缆回路中容抗效应导致相位超前特征明显，感抗效应导致相位滞后特征几乎为零可以忽略，根据这一原理，对接收信号和基准信号相位差设定宽容度，以提高测量的有效性和对实际工况的适应性。
四、附图说明
以下通过附图和实施例对本发明做进一步说明：
图1为本发明的检测方法和步骤流程图；
图2为本发明的实际工况连接模拟图；
图3为本发明的根据实际工况绘制的基本电路原理图；
图4为本发明的发射装置流程图；
图5为本发明的接收装置流程图；
图6为本发明中使用的UAF 42的内部结构图；
图7为本发明的液晶显示部分的电路连接图；
图8为本发明的二级滤波放大及增益调节电路图。
图9为本发明的液晶显示部分的出现的一个界面。
图10为用户正常关机时的界面。
图11为电池电量低，已经影响到测量准确性，设备自动关机时的界面
五、具体实施方式
图1所表述的是本发明所提供的专门用于多回路(并行)运行电缆远距离探测中进行高准确性唯一性识别目标管线及相位的检测方法和步骤流程，其特征是：
1、在电缆运行工况下，发射机通过信号耦合方式向管线进行非接触加载固定频率并带有自动增益调节功能的音频信号；
2、接收机采用信号耦合方式对待测电缆进行非接触采集音频信号并进行放大；
3、通过电压、电流的计算，测算回路电阻，进行回路工况预评定；
4、根据工况预评定值，通过接收机和发射机之间的无线方式传输回馈信号进行发射信号的增益调节；
5、在发射机、接收机进行远距离高精度授时同步，对三相异轴电缆进行首端相位角定义；
6、对接收的音频信号并进行A/D转换，取数字信号进入MCU进行同步处理；对三相异轴电缆计算信号的相位角，对三相同轴电缆计算与基准信号的偏移度；
7、根据法拉第电磁感应定律，电场与磁场转换过程中，当穿过回路的磁通量发生变化时，回路中的感生电动势ε感的大小和穿过回路的磁通量变化率成正比，即
当磁通量增加时，
这时ε感为负值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相向；当磁通量减少时，这时ε感为正值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相同的原理，设定判断程序，假设加载信号的感应电流方向为正方向，则由该电缆交变磁通感应到相邻电缆上产生的电流为负方向，电流方向与信号加载电缆相反。由于实际工况(电缆容抗、感抗)的差异，留有一定余量，通过事先的模拟电路理论分析和实验数据，设定判断程序，满足同一电缆特征相位偏移度特征的电缆判定为目标电缆(三相同轴)；
8、根据相位角一致的特征确定电缆对应关系(三相异轴)。
在其中的回路工况预评定环节中，先确定待测电缆回路电阻小于一个一定的范围，以满足根据本方法所建立的计算模型精确范围。信号加载装置通过与金属管线封闭环绕的信号圈发射固定频率为4kHz的音频信号，并且通过GPS授时技术，将该信号与PPS脉冲的上升沿同步。根据法拉第电磁感应定律，通过磁通感应在待测电缆金属层上形成感生电流，在采集端收集电流信号，通过对电压、电流值的测量运算，判断该电缆回路电阻，如符合回路电阻小于100欧姆要求，则判定该电缆工况条件满足本测量算法的要求，可保证计算判断的准确性，允许进入后续测量程序；如果工况条件不满足，则进行提示进行工况分析并相应调整。
在工况条件满足但仍然存在电流信号低于设定值的现象的情况下，可判断为过度衰减，则激发回馈增益调整信号，调整发射装置的发射功率和电压，形成足够强度和高清晰度的传递信号。回路工况预评定的可靠性是准确测量的基础。
所接收的信号必须先经滤波、放大、降噪整理，才能与所发射的信号进行比较，这里选择带通滤波技术进行处理。通过带通滤波技术滤去高于4kHz和低于4kHz的干扰波，得到需要的4kHz音频波。这个任务就由带通滤波器UAF 42来完成，UAF 42兼具滤波和放大功能，可一次性完成滤波和放大的作用，直接得到足够强度和清晰度的发射波形。
然后对上述信号进行高精度授时同步，高精度授时同步是准确测量的关键。信号接收装置通过同步技术(包括但不限于GPS时钟无线同步、中国北斗星定位授时技术、RCT无线授时技术、原子钟或同源晶振时钟近距离无线或有线同步)采集精确的时钟同步基准信号；根据4kHz的信号频率，其相位特征判断所采用的同步信号比较必须达到50ns的授时精度要求；考虑目前技术的成熟性和精度要求，本装置采用GPS时钟无线同步授时技术，使用GPS模块输出的PPS脉冲实现发射和接收的同步，由于发射的频率(4kHz)比较高，所以使用1s脉冲输出的PPS完全可以满足需要。同时附带一个功能就是采集工作地区的经纬度，以便工作人员做轨迹测量的功能拓展。
我们最后选择了芬兰的iTrax03-02系列GPS模块，iTrax03-02是目前世界上体积小、功耗低的GPS OEM板，其尺寸仅为26mm×26mm×4.7mm，休眠时功耗仅为80uW，连续导航时不超过110mW，并且其从休眠到导航定位仅为8秒钟，具有极快的信号获取引擎。iTrax03-02采用芯片嵌入设计，直接集成在PCB板上，最大限度地节省了空间，可更加灵活地进行产品的形态设计，保证了产品结构上的一致化。从iTrax03-02的接口来看，其自带了2个UART接口，可接收NMEA0183格式的数据和二进制的iTack格式数据，其中iTack数据可输出伪短值、星历值和其他一些原始数据。为方便产品开发商的设计，iTrax03-02上还带有16位的GPIO和SPI接口，可方便地对其进行控制和扩展存储空间。iTrax03-02内嵌8Mbit的Flash存储器，可用于存储中间定位数据，并为授时应用提供极高的精度，精度为20ns。
经授时同步的信号进行A/D转换，把模拟信号转变为数字信号，进入MCU中央处理器进行运算判断，在MCU内部进行一系列复杂运算后，计算得到感应波形的幅值、电流、和相位角或相位差，然后根据所得到的电流、电阻和相位关系来进行电缆唯一性的鉴别，这一点是准确测量的核心。
对三相异轴电缆类型，相位角一致的为目标电缆。
对三相同轴电缆类型，则对上述参数进行逻辑处理和特征比较，必须同时满足下列条件的：
1)工况条件要求回路电阻小于100欧姆；
2)电流值必须介于0.95Imax和Imax之间(全部电缆信号电流最大值)；
3)相位特征(偏移度)必须在1.2π-2.0π之间；
三条件同时满足的可以准确判定发射信号电流与采集信号方向一致为目标电缆，并由指示器进行明确指示。
图2为实际工况连接模拟图，在电力电缆的敷设中，按施工标准要求外金属护层(护套、铠装)两端良好接地，金属护层内、外都还有一至二层绝缘层，与导电芯线和大地分别绝缘，发射信号就是利用外金属护层(铠装层)进行传递。
信号发射装置通过信号耦合方式向管线/电缆加载经过授时的4kHz频率的基准音频电流信号，我们定义为I1，在远端测量点采集的电流信号定义为I1’，外层金属护层(护套、铠装)两端良好接地形成回路，信号电流I1’就通过该护层流动传递，流经远端经接地回流到发射端，我们把经大地回流的电流定义为I1”。
同时，电流I1’在外层金属护层传递过程中，根据电磁理论，交变电流产生交变的磁通，由于外层金属护层之外没有金属屏蔽层，该交变的磁通可以向外辐射并在相邻的电缆外层金属护层形成反方向的感应电流(根据左手法则和右手法则的转化，此为公开并已成熟的电工原理，在此不详加阐述，可参见教科书或工具书)。无论施加电信号的电缆与相邻电缆之间位置如何，或者相邻电缆之间感应电流相互影响有多大，相邻电缆与施加电信号的电缆之间的电流方向始终是相反的，我们把经相邻电缆外金属护层感应的电流定义为I2’。
如果相邻电缆外金属护层没有两端接地，则形不成回路，I2’＝0。…
依此类推，如果目标电缆周边相邻多条电缆，则分别定义为I2’，I3’……
由于电缆外金属护层(除了两端外)与大地绝缘，我们可以把这种状态模拟成在电路上并接一个大电容。
由于电缆外层金属护层为旋转缠绕的金属导体，加上电缆在敷设过程中也可能发生自身旋转扭曲和相互缠绕，我们可以把这种状态模拟成在电路上串接一个大电感。
不同电缆的两端接地无论接地端是否连接，还是接地端距离远近，我们可以把这种状态模拟成共同接地。
根据实际工况模拟出来的基本电路原理见图3。
图3为根据实际工况绘制的基本电路原理，根据该电路图，如果在目标电缆的发射端加载基准音频信号I1，在接收端采集的信号为I1’，考虑到电缆与大地电容效应而产生的容抗漏电流，经过现场实际测量，容抗漏电流与电缆主电流I1’相比要小得多，基本可以忽略；同时发明所涉及的技术核心为加载主电流的电流方向与感应电流的电流方向相反，因此对容抗漏电流及大地回流电流的大小不作详细展开及定量分析，实际操作中，根据检测距离的远近，距离越近，经大地回流的电流比容抗漏电流大得越多，因此近距离时可以忽略容抗漏电流的影响；而当距离越来越远时，经大地回流的电流和容抗漏电流虽然都会因距离而衰减，但是经放大后容抗漏电流会对经大地回流的电流产生更大的噪声，影响检测的结果，因此，在几百公里以下的距离中我们可以得出I1≈I1’≈I2’+I3’+I4’+……，由此可以知道I’在接收端所有电缆采集信号中其数值是最大的，那么可以通过信号接收装置接收到的感应电流I’幅值来作为唯一性判断的依据之一。
如果目标电缆相邻只有一条电缆并行，则I1’≈I2’；
同时，从该电路图工作原理我们可以判断基准音频信号I1和I1’是同方向的，I1和感应电流I2’、I3’、……的电流方向是相反的。由于I是一个经过高精度授时的4kHz频率的信号，通过接收装置所采集到经电缆外层金属护层传递的信号，在实现高精度同步授时的条件下，完全可以通过MCU中央处理器的计算判断其I1’相位角或与基准音频信号I1的相位差，因此可以利用相位特征来判断电缆的唯一性。
图4为发射装置流程图，信号发射装置为基准音频信号发射装置，其至少包括音频信号产生单元、MCU中央处理器、回馈信号无线接收单元、自动增益调节单元、高精度授时接收单元、信号合成单元、功率放大单元和输出单元，音频信号产生单元产生固定频率的音频信号，回馈信号无线接收单元接收回馈信号并由MCU中央处理器对发射信号进行自动增益补偿调节，信号合成单元将低频信号和接收的高精度授时信号合成，进行初始同步，经过功率放大单元进行功率放大，再经输出单元作最终的基准音频信号输出。
首先由音频信号产生单元产生4kHz音频信号，幅值为200V，在信号合成单元与GPS授时信号叠加后，该信号在PPS脉冲的上升沿同步，然后由功率放大单元进行功率放大输出到信号发生钳，对待测电缆进行信号加载。
如果电缆外层金属护层回路电阻过大，接收装置接收到的电流信号I’过小，低于设定值，则会激发增益调整信号，信号发射装置的回馈信号无线接收单元接收到该信号后，通过MCU中央处理器控制自动增益调节单元进行功率调节，提高发射功率和输出电压值，促使从电缆外层金属护层传递的电流I’升高达到测量所要求的数值。
如果发射输出功率经过增益调整到100W，输出电压为200V，接收端所采集的I’仍然过小，则可以判断回路工况不符合测量条件(比如一端未接地或缺损，电流从外绝缘护层破损处流出、两端接地但接地电阻非常大等因素)，通过显示“工况不符”，提示工作人员对工况不符原因进行排查解决，以避免错误判断。
图5为接收装置流程图，信号接收装置至少包括音频信号接收装置、过滤整理单元、功率放大单元、MCU中央处理器、回馈信号无线发射单元、高精度授时接收单元、模式控制单元和信息显示器；音频信号接收装置采集电缆传递的信号后经过滤整理单元滤波处理，取其与发射信号相同的频率信号进行放大、降噪整理，如果信号强度足够，进行授时同步进入MCU中央处理器进行运算判断；如果信号强度不够，低于设定值，则激发回馈信号无线发射单元发射增益调整信号，调整发射装置的发射功率和电压，形成足够强度和高清晰度的传递信号，其后进行授时同步进入MCU中央处理器进行运算判断；MCU中央处理器通过预设程序对该信号进行处理，计算电流信号幅值、回路电阻、信号相位值、与基准信号相位差，经逻辑判断后分别在信息显示器进行对应显示，模式控制单元根据三相同轴、三相异轴的电缆选择控制MCU中央处理器的运算模式。
信号接收装置采集检测区域内各电缆的信号(注意：信号夹钳标注有方向，在发射端和接收端必须严格保持信号夹钳方向一致)，将各信号选择4kHz部分进行滤波、放大、降噪，并进行同步授时，在接收装置中含有和发射装置同等精度的GPS模块，用来产生基准的PPS秒同步脉冲信号，通过此同步脉冲信号，输入到MCU中央处理器计算出接收信号峰值相对于PPS同步脉冲信号的相位(也就是相对于发射信号的相位)，计算相同时点的信号幅值、信号相位角、与基准信号相位差，并将上述各数值分别在信息显示器进行对应显示；前面已经表述，根据现有的物理学理论和我们的实验数据，回路的容抗效应导致相位偏移超前；回路的感抗效应导致相位偏移滞后，而实际工况条件，电缆回路中容抗效应导致相位超前特征明显，感抗效应导致相位滞后特征几乎为零，取相位特征(偏移度)向前0-0.8π为宽容度许可值(宽容度设定，改变本数字范围将会改变测量精确度)；同时通过预设程序进行逻辑判断。
根据法拉第电磁感应定律，电场与磁场转换过程中，当穿过回路的磁通量发生变化时，回路中的感生电动势ε感的大小和穿过回路的磁通量变化率成正比，即
当磁通量增加时，
这时ε感为负值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相向；当磁通量减少时，
这时ε感为正值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相同的原理，设定判断程序，假设加载信号的感应电流方向为正方向，则由该电缆交变磁通感应到相邻电缆上产生的电流为负方向，电流方向与信号加载电缆相反。由于实际工况(电缆容抗、感抗)的差异，留有一定余量，通过事先的模拟电路理论分析和实验数据，设定判断程序，满足同一电缆特征相位偏移度特征的电缆判定为目标电缆(三相同轴)：
对三相异轴电缆类型，相位角一致的为目标电缆；
对三相同轴电缆类型，则对上述参数进行逻辑处理和特征比较，必须同时满足下列条件的：
1、工况条件要求回路电阻小于100欧姆；
2、电流值必须介于0.95Imax和Imax之间(全部电缆信号电流最大值)；
3、相位特征(偏移度)必须在1.2π-2.0π之间(宽容度设定)；
三条件同时满足的可以准确判定采集信号电流方向与发射信号电流方向一致，确定为目标电缆，电流值和相位特征(偏移度)不符合上述范围则表明采集信号电流方向与发射信号电流方向相反，并由指示器进行明确指示判断结果。
如果电缆外金属护层回路电阻过大，接收装置接收到的电流信号I’过小，低于设定值，则会激发增益调整信号，调整发射装置的输出功率，以提高采集端的电流信号。
下面对本电路设计中的主要单元选型及工作模式进一步说明：
可编程数字滤波器选用美国Burr-Brown公司的高集成度通用有源滤波器。它具有设计方便、使用灵活的特点。通过改变UAF 42的电路参数可以构成各种满足工程实际需要的滤波器。UAF 42具有以下特点(电路结构可参见附图)：
●通用性强，可根据需要设计成高通、低通、带通和带阻滤波器；
●设计简单，Burr-Brown公司为UAF 42专门设计了一个软件，从而可以方便灵活地设计各种不同类型的滤波器；
●具有高精度频率和高Q值；
●片内集成有1000pF±5％的电容。
调节滤波器的参数可以得到不同放大倍数的波形，为了适应不同电缆的需要，需要对获取到得感应信号进行放大或者缩小处理，这些功能仅仅需要简单修改UAF 42外围电阻就可以实现。利用ADG409切换开关进行切换，这样就得到了按照一定规律放大或者缩小的波形。借助于Burr-Brown公司的软件，结合实际工况，得到了图8所示的滤波放大电路原理图。
首先信号通过耦合电容从信号嵌进入UAF 42的输入端，为了防止静电和电击，在输入级加了瞬变二极管和稳压管，保护UAF 42，以保证系统的可靠性。信号进入UAF 42进行滤波和放大，首先是一级滤波和一级放大，放大倍数通过后面的电阻切换开关ADG409进行调节。通过MCU向ADG409的A0、A1发送不同的信号从S1A-S4A和S1B-S4B中各选取一个电阻进行增益调节。然后信号从UAF 42的OUT口输出，并进入到第二个UAF 42中进行二级滤波和二级放大，同理，通过UAF 42和ADG409的配合，得到最终的输出信号，此信号最后再输入到MCU的A/D端口进行模拟—数字的转变，通过MCU进行运算。如果MCU预分析此信号幅度不满足要求，则发送命令到ADG409进行增益调节，直到获得一个900mV-1700mV的正弦波信号。
液晶显示器采用通用的12864型图形液晶显示器，以方便在屏幕上面显示图片和文字。液晶显示器采用KS108驱动芯片进行驱动，为了节约MCU的时序开销，决定采用总线驱动方式进行驱动。通过MCU产生液晶显示器所需要的时序来进行显示。为了使KS108时序和MCU配合，需要硬件方面的预处理。通过一个74HC00与非门产生液晶的E信号。图7中的芯片9435是控制液晶显示器背光用的，考虑到手持型设备的电源供应要尽可能的减少功耗，这里使用芯片9435PMOS的导通和断开来控制背光的打开和关闭，做到人性化设计。液晶的显示界面如图9所示。
现场测量工具要求简单、直观、易操作，我们设计主要的工作界面信息如下：
1.电阻值，该值为电缆回路的接地电阻，如果回路电阻过大，就需提高发射功率和电压，或提示其他处理；
2.电流，该值为当前测量电缆采集到的感应电流大小；
3.相位特征(偏移度)，该值为当前测量电缆采集到的波形信号相对于发射装置基准信号波形的超前或者滞后角度，这个为判断电缆唯一性最重要的依据；
4.电池电量，方便用户时刻观察电池电量，保证工作电压；
5.经纬度，显示此工作地的经纬度，方便工作人员做统计。
此时用户正常关机界面如图10所示。此时出现电池电量低，已经影响到测量准确性，设备自动关机界面如图11所示。
综上所述，我们认为本发明利用了当前最先进的多种技术基础(电磁理论、电工原理、高精度授时技术、微电子技术)进行开发和组合，结合《国家电网公司输变电工程典型设计》要求，根据我国地下电力电缆的实际敷设情况和结构特点，专门针对在非开挖、不停运的工作条件下，实现安全、可靠、迅速、高准确性识别目标电缆的唯一性和计算相位角的方法，并通过实验样机验证了本方法的有效性和可行性；解决了电力部门多年来未能有效解决的、现有检测手段和方法带有明显缺陷和不足的客观难题，为电力地下电缆普查、轨迹定位、故障点的快速查找判断，提供了有效、可靠的保证；并且在装置的开发设计上，充分体现了测量准确性、功能前瞻性、现场适应性、操作傻瓜型的设计理念，可广泛用于电力部门地下电缆复杂工况的准确识别和轨迹定位。
本发明并非仅限于在此明确描述的实施例。虽然先前的描述和附图描述了本发明的优选实施例，但是可以理解：在不脱离本发明的精神的情况下，在此可以产生各种附加、修改和替换。本领域普通技术人员很清楚：在不脱离本发明的精神或本质特性的情况下，可以以其他特殊形式、结构、布置、比例、以及利用其他元件、材料和部件来实现本发明。本领域的技术人员将意识到：本发明可以使用发明实际中使用的结构、布置、比例、材料以及部件和其他的许多修改，这些修改在不脱离本发明的原理的情况下而特别适应于特殊环境和操作需求。因此，当前公开的实施例在所有方面应被理解为说明性的而非对其请求保护的范围的限制。
Claims (10)
1.一种待测电缆高准确性识别检测方法，于对待测电缆进行高准确性识别检测，通过对待测电缆施加一电信号后，对接收所回馈电信号的全过程进行电压、电流、幅值、方向、相位角和相位差等全特征分析从而判断待测电缆的类型，其中使用信号发射装置发射电信号、使用信号接收装置来接收信号，所接收的信号通过A/D转换、放大、补偿、同步等处理后与基准电缆数据进行比较以确定其类型；其特征在于其中包括下列步骤：
在电缆运行不断电或使用中的情况下，信号发射装置向待测电缆加载固定频率音频信号；
信号接收装置对待测电缆进行非接触式音频信号采集并进行放大；
通过对待测电缆中电压、电流的测算，计算回路电阻，根据所计算的电阻数值进行回路工况预测；
根据该工况预测值，通过信号发射装置和信号接收装置之间的传输回馈信号进行发射信号的增益调节；
在信号发射装置和信号接收装置进行远距离高精度授时(加入时间信号)同步，根据所获得的数据来确定待测电缆的类型。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其中加载的是固定频率的电信号。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其中加载的是固定频率的音频信号。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其中加载的是固定频率且带有自动增益调节功能的音频信号。
5.据权利要求1或2所述的检测方法，其中的信号发射装置和信号接收装置是通过信号耦合方式向待测电缆进行信号的加载和采集。
6.根据权利要求3所述的检测方法，其中信号发射装置向待测电缆进行音频信号的加载和信号接收装置对待测电缆进行音频信号的采集是以非接触的方式进行的。
7.根据权利要求5所述的检测方法，其中信号发射装置向待测电缆进行音频信号的加载和信号接收装置对待测电缆进行音频信号的采集是以非接触的方式进行的。
8.根据权利要求3、5所述的检测方法，其中信号发射装置和信号接收装置之间是通过无线方式传输回馈信号的。
9.根据权利要求1-8所述的检测方法，其中确定待测电缆的类型的确定步骤包括：
定义步骤，对待测电缆进行部分特定特征的定义；
A/D转换，对接收的音频信号并进行A/D转换；
MCU处理，取数字信号进入MCU进行同步处理；
计算步骤，对待测电缆信号的相关数据进行计算，通过事先的模拟电路理论分析和实验数据，设定判断程序和基准信号；
比较步骤，将计算得到的数据与基准信号进行比较；
输出步骤，根据比较结果确定待测电缆的类型并输出。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其中对待测电缆进行部分特定特征的定义中，该特定特征可以是首端相位角。
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