CN104406510A - 一种基于经验包络法ee的电缆长度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于经验包络法EE的电缆长度及故障点的测量方法，测量系统包括显示器、计算机数据处理模块、单片机、控制面板和脉冲发射装置，单片机接受控制面板命令，控制脉冲发射装置发出低压脉冲行波，单片机接收传回的反射波，将离散数据传送给计算机数据处理模块，计算机数据处理模块采用经验模态分解EMD和经验包络法EE确定反射波到达的时间，从而计算得到电缆的长度。通过采用低压脉冲法，避免了对电缆的损害，通过控制脉冲宽度，避免入射波和反射波重叠，并且能够精确测定反射波到达的时刻，从而精确测定电缆长度及故障点位置。

Description

一种基于经验包络法EE的电缆长度测量方法

技术领域

本发明涉及电缆长度测量领域，具体涉及一种基于经验包络法EE的电缆长度及故障点测量方法。

背景技术

目前，电缆长度以及故障测量的方法包括电桥法、脉冲电压法、脉冲电流法、二次脉冲法等。

电桥法缺点是不适用于高阻故障、闪络性故障，因为故障电阻很高的情况下，电桥里电流很小，一般灵敏度的仪器，很难探测；电桥法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度等原始技术资料，当一条电缆线路内是由导体材料或截面不同的电缆组成时，还要进行换算，电桥法还不能测量三相短路或断路故障。随着新技术的不断进步，现在现场上电桥法用得越来越少。

脉冲电压法的缺点主要有：仪器通过一个电容电阻分压器分压测量电压脉冲信号，仪器与高压回路有电耦合，很容易发生高压信号串入，造成仪器损坏，安全性差；在利用闪测法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串一个电阻或电感以产生电压信号，增加了接线的复杂性，且降低了电容放电时加在故障电缆上的电压，使故障点不容易击穿；在故障放电时，特别是进行冲闪法测试时，分压器藕合的电压波形变化不尖锐，难以分辨。

脉冲电流法存在盲区，有时波形不够明显，需要靠人为判断，仪器误差较大。

二次脉冲法的缺点是：所用仪器较多；由于故障点电阻要降到很小的数值，如果故障点受潮严重，故障点击穿过程较长，测试时间相应增加；故障点维持低阻状态的时间不确定，施加二次脉冲的控制有难度。

近年来，随着行波理论的不断完善和小波变换、数学形态学等理论的不断发展，脉冲行波测距技术得到了较快发展，但是因为电缆的距离比较短又埋于地下，行波传播过程更为复杂，要达到几米的精确测距，需要克服更多的困难。同时小波变换主要基于傅里叶分析，不可避免具有傅里叶分析的局限性。

通过以上分析，我们可以得知在测距原理上存在的问题：一般性质的长导线，无法承受上述一些故障测试方法所加的高电压。若在低压电力电缆上用高压电桥法、脉冲直流法、冲击法来进行测距，都可能产生损坏。

在现有的技术和产品中，有几个技术难点还没有得到彻底解决。

第一个问题是盲区问题，当在测量点附近发生故障时，由于入射波与反射波之间的重叠，使第一个反射波无从识别。第二个问题是反射波到达时间的问题，由于行波是一种全频域信号，在导线中传输的过程中将发生衰减，而且不同频率的信号其衰减程度和速度也不同，频率越高，传播速度越快，其衰减也越严重，导致行波波形在传播过程中产生扭曲、变形，以哪一点作为反射波到达的时刻，将直接影响测距的精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种基于经验包络法EE的电缆长度及故障点测量方法，通过采用低压脉冲法，避免了对电缆的损害，通过控制脉冲宽度，避免入射波和反射波重叠，并且能够精确测定反射波到达的时刻，从而精确测定电缆长度及故障点位置。

本发明提供的一种基于经验包络法EE的电缆长度测量方法，应用于包括显示器、计算机数据处理模块、单片机、控制面板和脉冲发射装置的测量系统中，包括如下方法：

单片机接受控制面板上的按键输入命令，控制脉冲发射装置发出低压脉冲行波；

进一步，单片机接收传回的反射波，通过处理将离散数据传送给计算机数据处理模块；

进一步，计算机数据处理模块采用经验模态分解EMD和经验包络法EE确定反射波到达的时间；

所述的经验模态分解EMD步骤如下：

输入原始信号s(t)，根据原始信号s(t)的所有局部极值点，计算出包络线均值为m。

将包络线均值为m从原始信号s(t)中分离出去，得到h＝s(t)-m。

确定原始信号s(t)的所有局部极值点，用三次样条曲线将局部极大值点拟合成上包络线，将局部极小值点拟合成下包络线，取上下包络线均值为m。

判断h是否满足固有模态函数IMF条件，若不满足，将h作为输入信号s(t)，重复上述步骤，若满足，执行下一步。

得到c＝h做为一个固有模态函数IMF分量，将c从s(t)中分离出来得到r，即r＝s(t)-c。

判断r是否满足终止条件，若不满足，将r作为输入信号s(t)，重复上述步骤，若满足，计算结束。

所述的经验包络法EE的步骤如下：

输入固有模态函数IMF的单分量信号x(t)，

判断单分量信号x(t)是否为FM信号，若不是，对单分量信号x(t)进行经验调幅调频AM-FM分解，得到FM部分的F(t)，若是直接对F(t)求导，得到F'(t)。

对所述F'(t)进行经验调幅调频AM-FM分解，得到包络部分a(t)，求得瞬时频率f(t)＝a(t)/2π，确定反射波到达的时间。

最后根据反射波到达的时间，运用L＝vΔt/2，计算得到电缆的长度，将计算结果输送到显示器。

所述的经验调幅调频AM-FM分解方法步骤如下：

输入所述固有模态函数IMF的单分量信号x(t)；

求得所述|x(t)|的极大值；

利用三次样条插值拟合极大值点，得到包络函数a_i(t)；

判断是否满足a_i(t)≤1，若不满足，将x(t)＝x(t)/a_i(t)作为输入信号，重复上述步骤，若满足，进行下一步；

得到FM部分的F(t)＝x₁(t)/a(t)，a(t)＝a₁(t)a₂(t)...a_n(t)，n＝i。

由于断线故障断线电阻较大，故障点电阻对波阻抗之比较大，可得几乎100％的反射波幅值，而其它由于不均匀性造成的反射波的幅值很小，利用此方法能够识别故障点的反射波和其它由于不均匀性造成的反射波，从而精确测量故障点的位置。

本发明的有益效果在于，通过采用低压脉冲法，避免了对电缆的损害，能方便灵活地控制脉冲宽度，避免入射波和反射波重叠。并且通过对低压脉冲行波进行经验模态分解EMD，采用经验包络法EE求取已分解固有模态函数IMF的瞬时频率，能够精确测定反射波到达的时刻，从而精确测定电缆长度及故障点位置。

附图说明

图1所示为本发明所述方法流程图；

图2所示为本发明实施例经验模态分解EMD步骤流程图。

图3所示为本发明实施例经验包络法EE步骤流程图。

图4所示为本发明实施例经验调幅调频AM-FM分解步骤流程图。

图5所示为本发明实施例经验模态分解EMD结果图。

图6所示为本发明实施例经验包络法EE提取信号的瞬时频率图。

具体的实施方式

下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

本发明的测量方法是首先向电缆导线首端注入脉冲电压信号，电压信号可以选择阶跃电压或脉冲电压，通过测量入射电压行波和反射行波的时间差来进行测距。

$L=\frac{\mathrm{v\Δt}}{2}$

其中，L为故障距离或电缆总长度，Δt为入射行波和反射行波之间的时间差，v为行波在电缆中的传播速度。该方法简单直观，不需要知道电缆的准确长度。根据脉冲发射波法还可以识别电缆接头与分接点的位置，测试简单，操作容易，且精度高。该方法可用于电缆低阻和断路故障测距或用于电缆全长测量，这类故障占所有电缆故障的10％，在电缆故障测距中具有举足轻重的作用。

下面结合图1，来详细介绍本发明提供的一种基于经验包络法EE的电缆长度测量方法，具体步骤如下：

步骤S100单片机接受控制面板上的按键输入命令，控制脉冲发射装置发出低压脉冲行波。

脉冲宽度越大对于远距离测量更为有利，但较宽的脉冲又会导致测量盲区的增加，从减小盲区的角度看，发送脉冲宽度窄一些好，但脉冲愈窄，它所包含的高频成分愈丰富，而线路高频损耗大，使反射脉冲幅值过小，畸变严重，影响较长导线的长度测量效果。为解决这一问题，脉冲反射仪器把脉冲宽度分成几个范围，根据测量导线较长或较短来选择脉冲宽度，测量导线愈长，脉冲愈宽。本发明的脉冲发射装置提供测试所用的源脉冲，此装置可调整脉冲宽度，而且调整还比较灵活，不用改变硬件仅仅通过软件就可以方便的调整，这样对于导线长度测量的应用将更为方便、灵活。

步骤S200单片机接收传回的反射波，通过处理将离散数据传送给计算机数据处理模块。

步骤S300计算机数据处理模块采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)和经验包络法(Empirical envelope method，EE)确定反射波到达的时间。

步骤S400根据反射波到达的时间，运用L＝vΔt/2，计算得到电缆的长度，将计算结果输送到显示器。

经验模态分解EMD往往被称为是一个“筛选”过程，这个筛选过程依据信号特点自适应地把任意一个复杂信号分解为一列固有模态函数IMF。如图2所示，所述的经验模态分解EMD步骤如下：

步骤S301输入原始信号s(t)，根据原始信号s(t)的所有局部极值点，计算出包络线均值为m。

步骤S302将包络线均值为m从原始信号s(t)中分离出去，得到h＝s(t)-m。

确定原始信号s(t)的所有局部极值点，用三次样条曲线将局部极大值点拟合成上包络线，将局部极小值点拟合成下包络线，取上下包络线均值为m。

步骤S303判断h是否满足固有模态函数IMF条件，若不满足，重复步骤S310，若满足，执行下一步。

步骤S304得到c＝h做为一个固有模态函数IMF分量，将c从s(t)中分离出来得到r，即r＝s(t)-c。

步骤S305判断r是否满足终止条件，若不满足，将r作为输入信号，执行步骤S310，若满足，计算结束。

经n次循环可得到n个固有模态函数IMF分量。将n个固有模态函数IMF分量从原始s(t)中分离出来得到残余分量为如果满足分解信号的上下包络线足够小，且残余分量r为一单调函数。此时循环终止，由此可得到n个固有模态函数IMF分量和残余分量r。

经验包络法EE是基于信号的经验调幅调频AM-FM分解提出的，计算简单方便，不需要繁杂的程序和极值点处的特殊处理，只要应用两次经验AM-FM分解和一次求导即可。如图3所示，所述的经验包络法EE的具体步骤如下：

步骤S306输入固有模态函数IMF的单分量信号x(t)，

步骤S307判断单分量信号x(t)是否为FM信号，若不是，进行下一步，若是，执行步骤S309。

步骤S308对单分量信号x(t)进行经验调幅调频AM-FM分解，得到FM部分的F(t)。

步骤S309对F(t)求导，得到F'(t)。

步骤S310对所述F'(t)进行经验调幅调频AM-FM分解，得到包络部分a(t)，求得瞬时频率f(t)＝a(t)/2π，由此确定反射波到达的时间。

如图4所示，所述的经验调幅调频AM-FM分解方法具体步骤如下：

步骤S3081输入固有模态函数IMF的单分量信号x(t)；

步骤S3082求得|x(t)|的极大值；

经验调幅调频AM-FM分解是诺顿-黄等提出的一种把一般单分量信号特别是固有模态函数IMF分解成为调幅调频形式的方法，经验调幅调频AM-FM分解是经验包络法EE的核心。

步骤S3083利用三次样条插值拟合极大值点，得到包络函数a_i(t)；

步骤S3084判断是否满足a_i(t)≤1，若不满足，将x(t)＝x(t)/a_i(t)作为输入信号，执行步骤S3081，若满足，进行下一步；

步骤S3085得到FM部分的F(t)＝x₁(t)/a(t)，a(t)＝a₁(t)a₂(t)...a_n(t)，n＝i。

本方法属于低压脉冲反射法的一种，也特别适用于电缆故障点位置的测量。由于断线故障断线电阻较大，故障点电阻对波阻抗之比较大，可得几乎100％的反射波幅值，而其它由于不均匀性造成的反射波的幅值很小，利用此方法能够识别故障点的反射波和其它由于不均匀性造成的反射波，从而精确测量故障点的位置。

下面利用此方法测量一个长度为10km的电缆，通过这一实例来验证上述方法的有效性，测量方法如下：

已知此电缆的各项参数为下表1所示：

表1：电缆各项参数值

长度/(km)	10
		[L1 L0]/(mH/m)	[8.8936×10-5  1.5347×10-4]
[C1 C0]/(μF/m)	[2.811×10-4  1.529×10-4]

由此可以求取行波在电缆中的传播速度为：

$v=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}=\frac{1}{\sqrt{2.811\×{10}^7\×8.8936\×{10}^{-5}}}\≈2.0\×{10}^5\mathrm{km}/s$

首先向电缆导线首端注入低压脉冲行波；

单片机接受回传的反射波；

计算机数据处理模块对此反射波进行处理，得到经验模态分解EMD结果图，如图5所示，和经验包络法EE提取信号的瞬时频率图，如图6所示；

从图6中可以看出第一个反射波，到达测量端的时刻是1×10-4s，通过公式L＝vΔt/2可以计算出电缆线路的长度为10km。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (4)

1.一种基于经验包络法EE的电缆长度及故障点测量方法，应用于包括显示器、计算机数据处理模块、单片机、控制面板和脉冲发射装置的测量系统中，其特征在于，包括如下步骤：

所述单片机接收所述控制面板上的按键输入命令，控制所述脉冲发射装置发出低压脉冲行波；

所述单片机接收传回的反射波，通过处理将离散数据传送给所述计算机数据处理模块；

所述计算机数据处理模块采用经验模态分解EMD和经验包络法EE确定反射波到达的时间；

根据所述反射波到达的时间，计算得到电缆的长度或故障点的位置，将计算结果输送到所述显示器。

2.如权利要求1所述的一种基于经验包络法EE的电缆长度及故障点测量方法，其特征在于，所述经验模态分解EMD步骤包括：

输入原始信号s(t)，根据所述原始信号s(t)的所有局部极值点，计算出包络线均值为m；

将所述包络线均值m从所述原始信号s(t)中分离出去，得到h＝s(t)-m；

判断所述h是否满足固有模态函数IMF条件，若不满足，将h作为输入信号s(t)，重复上述步骤，若满足，执行下一步；

得到c＝h为一个固有模态函数IMF单分量，将所述c从s(t)中分离出来得到r，即r＝s(t)-c；

判断所述r是否满足终止条件，若不满足，将所述r作为输入信号s(t)，重复上述步骤，若满足，计算结束。

3.如权利要求1所述的一种基于经验包络法EE的电缆长度测量方法，其特征在于，所述的经验包络法EE的步骤包括：

输入所述固有模态函数IMF的单分量信号x(t)；

判断所述单分量信号x(t)是否为FM信号，若不是，对单分量信号x(t)进行经验调幅调频AM-FM分解，得到FM部分的F(t)。若是，直接对F(t)求导，得到F'(t)；

对所述F'(t)进行经验调幅调频AM-FM分解，得到包络部分a(t)，求得瞬时频率f(t)＝a(t)/2π。

4.如权利要求3所述的一种基于经验包络法EE的电缆长度测量方法，其特征在于，所述的经验调幅调频AM-FM分解方法步骤如下：

输入所述固有模态函数IMF的单分量信号x(t)；

求得所述|x(t)|的极大值；

利用三次样条插值拟合极大值点，得到包络函数a_i(t)；

判断是否满足a_i(t)≤1，若不满足，将x(t)＝x(t)/a_i(t)作为输入信号x(t)，重复上述步骤，若满足，进行下一步；

得到FM部分的F(t)＝x₁(t)/a(t)，a(t)＝a₁(t)a₂(t)...a_n(t)，n＝i。