CN102426323A - 行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，包括：将用于定位的特征参数生成采样点的图形；将所述图形中的波峰对应的波形设为入射脉冲，然后在所述图形中查找与该入射脉冲匹配的波形；根据该匹配波形与入射脉冲计算入射波与反射波的时间差。本发明还提供一种行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置，通过本发明的技术，计算出单端行波法定位中所需的入射波与反射波之间的时间差，得到的时间差的参数值的结果更加准确，整个过程实现自动计算，无需测试人员靠经验和直觉去标定入射波与反射波，便于工作人员判断，避免了因人为失误而造成的经济损失，降低了人力消耗的成本。

Description

行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法及装置

技术领域

本发明涉及电力电缆局部放电检测技术，特别涉及一种行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法及装置。

背景技术

传输线路如电力电缆、光纤，发生故障时会表现出不同程度物理特性的改变。传输线路进行故障点测量的目的首先是要了解传输线路正常使用时所表现出的特征情况，与当前运行状态下的特征值进行比对，第二是如果发现异常情况，则要找出故障点的所在位置。对于运行中的传输线路可以将放电严重的部分更换掉，确保线路安全运行；对于正在制造中的传输介质若发现某段有严重缺陷后，一方面可以发现工艺中的问题，另一方面可以去除不合要求的那段长度，不至于造成整盘传输介质的报废。而传输线路故障定位是排除传输线路故障的前提条件，准确的传输线路故障定位可以缩短发现故障点的时间，有利于快速排除故障，减小由传输线路故障带来的损失。

现有技术中针对各个领域的定位方法复杂多样，目前运用于故障定位的方法主要有以下几种：行波法故障定位、用于电力电缆能量搜索算法故障定位和运用于电话电缆的GPS故障行波定位方法等。

能量搜索算法对电力电缆进行定位的方法，定位误差为厘米级，但当故障点产生的信号在传播路径中发生折、反射时，该法定位的有效性较差。

GPS故障行波定位方法对电话电缆进行故障定位，是基于双端行波法一种定位方法。在线路双端检测故障产生的初始行波，利用行波到达双端的时间差和波速通过计算来得到故障距离。而双端行波法的关键问题是要解决时间同步的问题，相关领域的专家提出利用GPS的同步时钟输出，能够实现两端定位装置精确到一微秒的时间同步。但两端需要通讯联系和GPS系统来实现时间同步，投资比较大。

行波法故障定位主要包括单端行波法和双端行波法。而其中由于单端行波法定位的成本比双端行波法定位的成本低，目前已经得到了普遍的应用。

参见图1所示，图1是采用单端行波法定位中的线路的信号传输模型结构示意图，入射波的传输路径为D到A，反射波的传输路径为D到B(B处发生反射)再到A，采集信号的装置均在A端。电缆长度L＝r₁+r₂，则入射波的传输距离为r₁，反射波的传输距离为(r₁+2r₂)。

参见图2所示，由于单端行波法定位运用到的参数除了线路长度L，波形在线路中的传输波速V这两个可测量的参数外，最重要的是在同一端接收到入射脉冲与反射脉冲之间的定位时间差ΔT。所以准确计算ΔT成为了单端行波法定位精度的关键。

由于多数反射回波不是稳态连续波，能量不够稳定，导致不易检测存在定时上的误差。波形在线路的传输过程中采集到的信号有入射波、反射波、入射波的反射波、反射波的反射波和其它干扰信号，现有的单端行波法定位中，计算时间差的方法，通常是测量信号具有特征的某一点的时间，然后直接将不同接收点的对应时间进行相减，很难做到采集到的原始信号与反射信号之间的同步，由同一个故障点产生的入射波和反射波很难匹配正确，受干扰的影响经常出现虚假的特征点，从而影响时延的测量精度，容易导致计算存在误差，使得所计算入射波与反射波之间的时间差的结果准确性较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法及装置，解决了目前单端行波法定位过程中所计算入射波与反射波之间的时间差的结果准确性较低的问题。

一种行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，包括以下步骤：

将用于定位的特征参数生成采样点的图形；

分别将所述图形中的波峰对应的波形设为入射脉冲，然后在所述图形中查找与该入射脉冲匹配的波形；

根据该匹配波形与入射脉冲计算入射波与反射波的时间差。

一种行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置，包括：

图形生成单元，用于将用于定位的特征参数生成采样点的图形；

脉冲匹配单元，用于分别将所述图形中的波峰对应的波形设为入射脉冲，然后在所述图形中查找与该入射脉冲匹配的波形；

时间差计算单元，用于根据该匹配波形与入射脉冲计算入射波与反射波的时间差。

与现有技术相比，本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的技术，从采集到的入射波及反射波的数据进行分析，利用入射脉冲与反射脉冲之间的特征联系来确定脉冲对间的时间差，计算出单端行波法定位中所需的入射波与反射波之间的时间差，得到的时间差的参数值的结果更加准确，整个过程实现自动计算，无需测试人员靠经验和直觉去标定入射波与反射波，便于工作人员判断，避免了因人为失误而造成的经济损失，降低了人力消耗的成本。

附图说明

图1所示的为线路的信号传输模型结构示意图；

图2是用于定位的特征参数的基本信息示意图；

图3是本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法流程示意图；

图4是行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法的一个实施例的流程图；

图5是实施例中的多维数组的示意图；

图6是实施例中的匹配脉冲对过程的流程示意图；

图7是本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置的结构示意图；

图8是行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的技术，在于计算ΔT过程中，与常规的行波法定位采用脉冲形式的入射波进行测量，计算入射波对应的入射脉冲与相应的反射脉冲之间的时间差即可以确定入射波与反射波之间的时间差。

下面结合附图和实施例对本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法作详细描述。

一种行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，如图3所示，包括步骤：

将用于定位的特征参数生成采样点图形，该图形包括了入射脉冲的波形与反射脉冲的波形；

分别将所述图形中的波峰对应的波形设为入射脉冲，然后在所述图形中查找与该入射脉冲匹配的波形(即反射脉冲)；

根据该匹配波形与入射脉冲计算入射波与反射波的时间差。

为了更加清晰本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，下面结合附图和较佳实施例作更详细的阐述。

在一实施例中，对于所述分别将所述图形中的波峰对应的波形设为入射脉冲过程，进一步地，首先将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序；然后以波峰皮库量的降序，分别将所述波峰对应的波形设为入射脉冲。

当传输线路为电力电缆时，信号的幅值用皮库量表征，皮库量是表征电力电缆故障严重程度的重要指标。

参见图4，图4是本实施例的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法流程示意图，包括：

S1、将用于定位的特征参数生成采样点的图形；优选地，将上述定位参数在界面上显示，生成采样点的图形，纵轴表示皮库量，横轴表示采样点，便于后面查找入射脉冲及其匹配的反射脉冲；其中，所述特征参数可以包括波速、衰减系数、电缆长度、电缆接头的位置等参数。

S2、对生成的图形进行滤波预处理；具体地，由于定位参数中不仅包括有用信号(故障位置产生的信号)还包括随机噪声，各种干扰造成的干扰信号，所以，在将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序前，对图形进行滤波预处理可以滤除这些干扰信号，优选地，滤波预处理包括小波滤波、带通滤波或阈值去噪。

在本实施例中，采用阈值去噪的方式，预设阀值判决上述图形，将低于所述预设阀值的波形滤除，即只对阈值及其以上的波形进行处理。对于预设阈值，可以根据本专利使用者的实际情况而定，其原则是去掉干扰信号的同时尽可能多的保留有用信号。

例如，若预设阈值为a，滤除特征参数中皮库量小于a的数据，则结合显示的图形，找出所有大于等于a的波峰，其中，a值的确定可以从特征参数中，局部放电信号量大于零的数据求平均值再乘以6即为特征阀值a。

对于波峰的确定方法，可以如下：即波峰的前一个点和后一点均小于波峰的值，查找波峰的方法也可以直接调用matlab中的求峰值点的算法。

通过在排序前对图形作进一步滤波预处理，消除了随机干扰和噪声对计算过程的影响。

S3、将经过滤波预处理的图形中的波峰按皮库量的大小进行排序；优选地，为了便于后面查找入射脉冲及其匹配的反射脉冲，可以以多维数组的形式保存排序后的波峰，如图5所示，设置一个N行3列的数组，标识符N为对图形进行阈值去噪处理后保留下来的波峰的个数，采样点数n是局部放电信号的采样点数目，皮库量p是波峰的皮库量值。

S4、匹配脉冲对；具体地，按照波峰皮库量大小的降序，先后分别将波峰对应的波形设为入射脉冲，然后在采样点的图形中查找与该入射脉冲匹配的波形(即反射脉冲)，即可得到波形匹配的入射脉冲与反射脉冲的脉冲对。

对于具体匹配过程，优选地，可以利用信号与信息处理中的相关性分析和线性近似来确定脉冲对，具体如下：

提取采样点的图形中的入射脉冲的波形与其它波峰对应的波形；其中波峰对应的左边一个零点和右边第二个零点之间的波形即为该波峰对应的波形。

利用相关函数计算该入射脉冲波形所述其它波峰的波形之间的相关系数，根据该相关系数查找与该入射脉冲匹配的波形。

对于根据相关函数查找反射脉冲方法，具体地，在相关系数小于1的波形中，相关系数值最大的波形即为反射脉冲。

进一步地，可以在计算入射脉冲与其它波峰对应的波形的相关函数前，先计算该入射脉冲和其它波峰对应的波形之间的波形衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配要求的波形，缩小匹配的范围。

更进一步地，还可以在计算波形衰减系数前先将反射脉冲的匹配时间间隔范围设置为(0，2L/V)，缩小匹配的范围。

下面对本实施例的匹配脉冲对过程做详细描述，参见图6所示，图6是优选的匹配脉冲对过程的流程图。

S401、提取入射脉冲波形与其它波峰对应的波形；其中，将入射脉冲波形表示为X₁(t)，将其它波峰的波形表示为X₂(t)。

S402、将匹配的时间间隔范围锁定在(0，2L/V)，即限定入射脉冲与反射脉冲之间相差的点数在(0，2L/VΔt)之内；根据波形在电缆中的传输理论，反射脉冲是由入射脉冲在阻抗不匹配的地方发生反射，方向发生改变的波形。反射脉冲与入射脉冲之间的绝对距离不会超过线路的两倍长度，当且仅当故障位置在始端时，两个脉冲之间的绝对距离才会为2L，即入射脉冲与反射脉冲的时间间隔应在(0，2L/V)内，在这之外的波形可能为入射脉冲的反射脉冲、反射脉冲的反射脉冲或干扰信号。通过上述限制，我们保留了有用信号的脉冲对，也去除了其它一些背景噪声，这样就可以缩小匹配的范围。

S403、计算波形衰减系数，即计算波形在电缆中传输的衰减系数；由于波形在电缆的传播过程中受到电阻损耗、介质损耗、集肤效应的影响会产生衰减，其衰减系数用局部放电量与传输距离的关系来表征：

$\mathrm{\α}=\frac{\ln (U_2/U_1)}{S_2-S_1}$

其中，波形α为衰减系数，U₂、U₁分别是波形在电缆中传播的前后局部放电量，S₂、S₁波形在电缆中传播的前后的位置。

S404、确定符合衰减要求的波形，具体地，在上述限定的时间间隔(0，2L/V)范围内，根据该波形衰减系数α确定符合所述匹配波形要求的波形，其算式可以表示如下：

$-\mathrm{\α}=\frac{\ln \left(f\left(n_2\right)\right)-\ln \left(f\left(n_1\right)\right)}{(n_2-n_1)\mathrm{V\Δt}}$

其中，最大的波峰为入射脉冲对应的采样点数为n₁，对应的皮库量q₁＝f(n₁)，匹配的反射脉冲对应的采样点数为n₂，对应的皮库量q₂＝f(n₂)，按上述公式要求找出所有可能的反射脉冲，记录其对应的局部放电信息。

S405、计算相关函数，即利用相关函数计算该入射脉冲的波形和其它波峰对应的波形之间的相关系数。具体地，该技术是利用相关函数之间的相关性分析入射波与反射波间的相似程度，表征入射脉冲波形与其它波峰对应的波形之间的相似性，计算公式可以表示为：

$\mathrm{\ρ}={\∫X}_1\left(t\right)X_2\left(t\right)\mathrm{dt}/{\left[{\∫X}_1^2\left(t\right)\mathrm{dt}{\∫X}_2^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}$

其中，ρ是相关系数，X₁(t)是入射脉冲波形，X₂(t)是其它波峰对应的波形。

S406、根据该相关系数查找与该入射脉冲匹配的波形(即反射脉冲)；具体地，在相关系数小于1的波形中，相关系数值最大的波形即为反射脉冲。

优选地，具体实现过程可以如下方法实现：

入射脉冲波形X₁(t)对应长度为S，构造与S长度相同的窗函数，对整个文件中的数据截取相同长度的数据B1，’B2……Bn

调用matlab中的求相关系数的函数corrcoef，分别求A与B1、B2、B3、Bn之间的相关系数，corrcoef(A，B1)，corrcoef(A，B2)，corrcoef(A，B3)……corrcoef(A，Bn)是对称矩阵。

比较corrcoef(A，B1)，corrcoef(A，B2)，corrcoef(A，B3)……corrcoef(A，Bn)反对角线上绝对值的大小，取其中值最大的Bi即为所求的反射脉冲。

S5、根据上述匹配得到的入射脉冲与反射脉冲对，计算脉冲对之间的时间差，就可以得到准确的入射波与反射波之间的时间差。具体地，可以包括如下步骤：

S501、判断步骤S4是否找到与入射脉冲匹配的反射脉冲，若是，进入步骤S502；若否，进入步骤S503。

S502、记录该反射脉冲对应的采样点，记录入射脉冲的波峰对应皮库量q₁和对应的采样点n₁，同时记录反射脉冲对应的采样点n₂，根据n₁、n₂和采样间隔Δt即可计算出时间差ΔT。

S503、将步骤S3中排序的波峰，选择下一个波峰对应的波形设为入射脉冲，再对该入射脉冲进行匹配，直至所有波峰匹配完为止。

下面结合附图和实施例，对基于本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置作详细描述。

参加图7所示，图7是本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置的结构示意图，包括：

图形生成单元，用于将用于定位的特征参数生成采样点的图形，

脉冲匹配单元，用于分别将所述图形中的波峰对应的波形设为入射脉冲，然后在所述图形中查找与该入射脉冲匹配的波形；

时间差计算单元，用于根据该匹配波形与入射脉冲计算入射波与反射波的时间差。

参加图8所示，图8是本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置较佳实施例的结构示意图。

优选地，在所述脉冲匹配单元前还包括波峰排序单元，用于将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序；进一步地，在所述波峰排序单元前还连接滤波单元；该滤波单元用于对所述图形进行滤波处理。

对于滤波处理的方式，包括小波滤波、带通滤波或阈值去噪等；优选地，采用阈值去噪的方式，预设阀值判决所述图形，将低于预设阀值的波形滤除。

对于脉冲匹配单元，优选地，包括波形提取模块、衰减处理模块以及相关处理模块；其工作原理是：

所述波形提取模块，用于提取入射脉冲的波形和其它波峰的波形；

所述衰减处理模块，用于计算波形在电缆中传输的衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配波形衰减要求的波形；

所述相关处理模块，用于利用相关函数计算该入射脉冲的波形与其它的波峰波形之间的相关系数，根据所述相关系数查找与该入射脉冲匹配的波形(即反射脉冲)。

对于查找与入射脉冲匹配的波形的过程，具体地，在相关系数小于1的波形中，选择相关系数值最大的波形即为反射脉冲。

时间差计算单元计算反射脉冲的波峰与入射脉冲的波峰之间的时间差，即可以确定ΔT值，然后根据该时间差计算故障位置。

本实施例中的其它特征与上述实施例相同，在此不再赘述。

通过本发明的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的技术，可以在单端行波法定位中准确计算入射波与反射波之间的时间差ΔT，能够使得单端行波法定位中的定位结果更加准确。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，其特征在于，包括：

将用于定位的特征参数生成采样点的图形；

分别将所述图形中的波峰对应的波形设为入射脉冲，然后在所述图形中查找与该入射脉冲匹配的波形；

根据该匹配波形与入射脉冲计算入射波与反射波的时间差。

2.根据权利要求1所述的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，其特征在于，在所述分别将所述图形中的波峰对应的波形设为入射脉冲过程进一步包括：将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序，以波峰皮库量的降序，分别将所述波峰对应的波形设为入射脉冲。

3.根据权利要求2所述的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，其特征在于，在将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序前，还包括对所述图形进行滤波处理；

所述滤波处理的方式包括：小波滤波、带通滤波或阈值去噪；

其中，所述阈值去噪为预设阀值判决所述图形，将低于所述预设阀值的波形滤除。

4.根据权利要求1所述的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，其特征在于，所述匹配过程包括步骤：

提取入射脉冲的波形和其它波峰的波形；

利用相关函数计算该入射脉冲的波形与其它的波峰波形之间的相关系数，根据所述相关系数查找与该入射脉冲匹配的波形。

5.根据权利要求4所述的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，其特征在于，所述根据所述相关系数查找与该入射脉冲匹配的波形的方法包括：

在与入射脉冲的相关系数小于1的匹配波形中，选择相关系数值最大的波形。

6.根据权利要求4所述的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，其特征在于，所述计算入射脉冲和其他波形的相关函数前还包括：

计算波形在电缆中传输的衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配波形衰减要求的波形。

7.根据权利要求6所述的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的方法，其特征在于，所述计算波形衰减系数前还包括：

将反射脉冲的匹配的时间范围设置为(0，2L/V)，其中，L为电缆长度，V为波形在电缆中的传播速度。

8.一种行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置，其特征在于，包括：

图形生成单元，用于将用于定位的特征参数生成采样点的图形；

脉冲匹配单元，用于分别将所述图形中的波峰对应的波形设为入射脉冲，然后在所述图形中查找与该入射脉冲匹配的波形；

时间差计算单元，用于根据该匹配波形与入射脉冲计算入射波与反射波的时间差。

9.根据权利要求8所述的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置，其特征在于，在所述脉冲匹配单元前还连接波峰排序单元，所述波峰排序单元用于将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序；

在所述波峰排序单元前进一步还连接滤波单元，所述滤波单元用于对所述图形进行滤波处理。

10.根据权利要求8所述的行波法定位中计算入射波与反射波时间差的装置，其特征在于，所述脉冲匹配单元包括：

波形提取模块，用于提取入射脉冲的波形和其它波峰的波形；

衰减处理模块，用于计算波形在电缆中传输的衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配波形衰减要求的波形；

相关处理模块，用于利用相关函数计算该入射脉冲的波形与其它的波峰对应的波形之间的相关系数，根据所述相关系数查找与该入射脉冲匹配的波形。

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