CN106841911A - 一种电缆故障时的暂态行波信号识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电缆发生故障时产生的暂态行波信号识别方法及装置。该方法包括：获取并显示暂态行波的输出信号；对脉冲信号进行频谱分析获得频域信号；对频域信号进行带通滤波获得带通频域信号；对带通频域信号进行时域分析获得时域信号，并获取时域信号中的目标信号；依据标准放电信号的特征判断目标信号是否为电缆发生故障时的暂态行波信号。本发明依据电力电缆输出信号中的脉冲信号与正弦信号的相位的相关性，将脉冲信号中的目标信号和干扰信号进行初步分离，并通过目标信号和标准放电信号的特征进行对比，确定该目标信号是否为电缆发生故障时的暂态行波信号，避免了将干扰信号误认为电缆发生故障时的暂态行波信号，提高了故障定位准确度。

Description

一种电缆故障时的暂态行波信号识别方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种电缆发生故障时的暂态行波信号识别方法及装置。

背景技术

目前使用的电力点故障定位技术，都是在故障电力电缆停电后，通过相关的设备离线测量故障距离，即离线测距。离线的故障测距方法能够解决大部分电缆故障的定位查找问题，但也存在许多缺点，例如测距时间过长、高阻故障点难以击穿燃弧等。电力电缆在运行中发生的部分故障是瞬时性的故障，对于高阻故障或闪络性故障，利用离线故障测距方法对故障点定位时，需将电缆故障点以高压脉冲或高压直流的方式击穿，高电压对测试设备、电缆和测试人员都会造成安全隐患。

电缆在线故障定位方法能够有效的弥补离线测量的缺陷和不足，电力电缆发生故障的时候，故障节点会在很宽的频带内同时产生电压行波与电流行波信号，产生的行波信号将会沿着电缆线路传播，在遇到故障点、电缆的端点等波阻抗不连续点的时候，行波将会发生折射与反射。故障的在线定位是通过安装在电缆单端或两端的电缆故障暂态行波测试装置对电压行波或电流行波的记录信息来计算获取故障点的位置。

由于干扰信号也属于行波信号，检测电力电缆的输出信号中是否包括暂态行波信号来判断电缆是否发生故障的方法，很容易将干扰信号误认为暂态行波信号，导致降低通过获取暂态行波进行电缆故障在线定位的准确度及精确度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电缆发生故障时的暂态行波信号识别方法及装置，以提高对暂态行波信号进行检测的精确度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明的一个方面是提供一种电缆发生故障时的暂态行波信号识别方法，包括：

S101：获取并显示电力电缆的输出信号，所述输出信号包括脉冲信号和正弦信号，其中脉冲信号包括与所述正弦信号的相位相关的目标信号；

S102：对所述脉冲信号进行频谱分析获得频域信号；

S103：对所述频域信号以预定中心频率和预定带宽进行带通滤波获得带通频域信号；

S104：对所述带通频域信号进行时域分析获得时域信号，并获取所述时域信号中的所述目标信号；

S105：依据标准暂态行波的特征判断所述目标信号是否为电缆发生故障时的暂态行波信号。

本发明的另一个方面是根据电缆发生故障时暂态行波信号识别方法，提供一种相应的暂态行波信号识别装置，包括：

（1）获取显示模块，用于测量并显示电力电缆的输出信号，所述输出信号包括脉冲信号和正弦信号，所述脉冲信号包括与所述正弦信号的相位相关的目标信号；获取显示模块分为采样电路，保护电路，精密衰减放大电路以及滤波电路，经过处理以后局放信号进入ADC（模拟数字转换器）进行模数转换，ADC输出数字信号进入处理单元进行复杂数字信号处理。采样电路：由多级阻容网络组合成50欧姆输入阻抗，适应传感器要求；保护电路：采用多个放电管组成，防止现场输入超量程的信号，损坏采集设备；

（2）频谱分析模块，用于对所述脉冲信号进行频谱分析获得频域信号；信号频谱很宽，为了更真实的采样处理更高频段信号，采样频率达100Msps，采集电路带宽达30MHz；根据不同的使用场景局放信号大小跨度很大，要求采集电路有很宽的动态范围和很高的灵敏度，既能将很小的局放信号采集出来又能保证大信号不失真的采样，整个数据采集电路动态范围超过100dB，采集电路灵敏度可达-68dBm；信号大小随着时间在变化，同时考虑外界电晕等各种电磁辐射，采集电路需要根据输入信号进行动态增益控制，对于外部冲击高压需要有抑制和保护功能。整个模块由三大部分组成:接收单元、操作单元、应用程序，接收单元主要负责将信号经过转换后进行数据处理，操作系统作为应用程序和硬件的中间层，应用程序采用快速傅里叶FFT算法，完成频域信号分析，获得对应的频谱图。

（3）带通滤波模块，用于对所述频域信号以预定中心频率和预定带宽进行带通滤波获得带通频域信号；滤波由FPGA数字滤波实现。完全由软件控制，不需要任何附加的硬件，使滤波设置更加灵活方便，有效地消除了各个通道之间由于硬件差异引起的信号变化。将信号转换成并行数字信号，进入FPGA进行数字信号处理和分析，高阶高滚降系数数字滤波器对时域信号进行滤波，去除固定频率干扰和外界环境噪声，运用复杂算法实现噪声抑制和信号分析。

（4）时域分析模块，用于对所述带通频域信号进行时域分析获得时域信号，并获取所述时域信号中的所述目标信号；由于信号很微小，接入放大回路将此微小的脉冲信号放大，保证输出脉冲信号在指示回路上得到足够明显的波形、幅值、放电次数等的显示，信号进行预处理，信号放大、信号滤波、去除均值、去除趋势项，在应用程序上对信号的各种时域参数、指标估计、计算等时域统计分析。

（5）判断模块，用于依据由模拟电缆故障收集存储的标准暂态行波信号的特征判断所述目标信号是否为电缆发生故障时的暂态行波信号。可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

标准暂态行波信号由实验室模拟获得，在实验室模拟各种电缆故障，接地、短路、断线，高阻、低阻、闪络故障，在屏蔽室内接收行波信号作为标准暂态行波信号，经过应用程序进行分析，存储参数以备比较。

本发明具有的优点和有益效果：

本发明提供的电缆发生故障时的暂态行波信号识别方法及装置，依据电力电缆故障时测量得到信号中的脉冲信号与正弦信号的相位的相关性，将脉冲信号中的目标信号和干扰信号进行初步分离，并通过目标信号和标准暂态行波信号的特征进行对比，进一步确定该目标信号是否为电缆发生故障时的暂态行波信号，相比于只检测电力电缆的输出信号中是否包括暂态行波信号来判断电缆是否发生故障的方法，避免了将干扰信号误认为暂态行波信号，提高了对暂态行波信号进行检测的精确度。

附图说明

图1为本发明电缆发生故障时的暂态行波信号识别方法流程图；

图2为本发明电缆发生故障时的输出信号显示图；

图3为本发明实施例提供的频域信号图；

图4为本发明实施例提供的时域信号图；

图5为本发明实施例提供的目标信号的波形图；

图6为本发明电缆发生故障时的暂态行波信号识别装置的结构框图；

图7为本发明另一实施方式电缆发生故障时的暂态行波信号识别装置的结构框图。

具体实施方式

一种电缆发生故障时的暂态行波信号识别方法，该方法的具体步骤如下：

S101：测量获取并显示电力电缆故障输出信号，所述输出信号包括脉冲信号和正弦信号，所述脉冲信号包括与所述正弦信号的相位相关的目标信号；

所述获取并显示电力电缆的输出信号包括：获取所述输出信号中所述脉冲信号的幅值和相位，连续累积显示由所述幅值和所述相位组成的二维坐标点。

本发明实施例通过高频传感器和硬件采集处理电路将运行中的电力电缆的输出信号采集到暂态行波信号识别装置中，该暂态行波信号识别装置还与计算机相连，由所述计算机分析处理软件显示该电力电缆的输出信号。

如图2所示，该输出信号包括正弦信号和以散点形式显示的脉冲信号，以散点形式显示脉冲信号的具体信号处理过程为：获取脉冲信号出现时刻，以及该时刻的脉冲信号的幅值和相位，以幅值和相位为坐标点，在二维坐标图中显示该坐标点。由于脉冲信号的频率远大于正弦信号的频率，因而在正弦信号的一个周期内将出现非常多的脉冲信号对应的坐标点，且在不同时刻可能会出现坐标相同的点。在散点图中，打点次数越多，该坐标点颜色越深，由此得到如图2所示的不同灰度等级的散点图。根据暂态行波信号与正弦信号的相位有关，而干扰信号与正弦信号的相位无关的判断原则，由图2中脉冲信号与正弦信号的相位的相关性可以将暂态行波信号和干扰信号进行初步分离，本发明实施例将脉冲信号中包括的与所述正弦信号的相位相关的信号作为待确定的目标信号。

S102：对所述脉冲信号进行频谱分析获得频域信号；

对步骤S101中的脉冲信号进行频谱分析，具体为采用傅里叶变换将时域的脉冲信号转换为如图3所示的频域信号。

S103：对所述频域信号以预定中心频率和预定带宽进行带通滤波获得带通频域信号；

如图3所示的频域信号占据了较宽的频率范围，本发明实施例以预定中心频率4.99MHz和预定带宽2.5MHz对频域信号进行带通滤波获得带通频域信号，即以预定中心频率4.99MHz为中心截取并保留预定带宽2.5MHz范围内的频域信号。

S104：对所述带通频域信号进行时域分析获得时域信号，并获取所述时域信号中的所述目标信号；

对步骤S103截取后的预定中心频率4.99MHz、预定带宽2.5MHz范围内的频域信号进行时域分析具体为傅里叶反变换获得如图4所示的时域信号，并获取该时域信号中的步骤S101提及的目标信号。

S105：依据标准暂态行波信号的特征判断所述目标信号是否为暂态行波信号。

如图5所示是从步骤S104的时域信号中获取到的一个目标信号，且该目标信号已经经过了放大显示，该目标信号的幅值、主瓣宽度、旁瓣宽度都可以从图5中获知，将上述特征与标准暂态行波信号的特征进行对比，对比的相似度达到一定阈值，此阈值根据目标信号于标准暂态行波信号的幅值、主瓣宽度、旁瓣宽度基本达到一致，有很明显的区别于背景或其他的干扰信号。则判定该目标信号为暂态行波信号，即电力电缆的输出信号中存在暂态行波信号。

相比于只检测电力电缆的输出信号中是否包括脉冲信号来判断有无暂态行波信号的方法，本发明实施例避免了将干扰信号误认为暂态行波信号，提高了对暂态行波信号进行检测的准确度及精确度。

在上述实施例的基础上，对脉冲信号进行频谱分析获得频域信号之前，还包括：去除所述脉冲信号中的所述第二干扰信号。

由于干扰信号属于脉冲信号，且干扰信号一直存在于电力电缆的故障输出信号中，而目标信号并不是一直存在。因此，本发明将与该目标信号同时出现的干扰信号作为第一干扰信号，将与该目标信号不同时出现的干扰信号作为第二干扰信号。在对所述脉冲信号进行频谱分析获得频域信号之前去除所述第二干扰信号，由于第二干扰信号占据特定频段，所以只需在时域中去除电力电缆的输出信号中该特定频段的信号，即可将第二干扰信号去除。

对频域信号以预定中心频率和预定带宽进行带通滤波，由此获得的带通频域信号，用于去除所述脉冲信号中的所述第一干扰信号。

由于在时域中第一干扰信号和目标信号同时出现，对第一干扰信号和目标信号进行频谱分析分别转变成频域信号时，依据第一干扰信号和目标信号在频域中占据的频率范围不同，就可将第一干扰信号集中的频率范围滤除掉，具体是对所述频域信号以预定中心频率和预定带宽进行带通滤波获得带通频域信号，即第一干扰信号集中的频率范围在预定带宽之外，通过带通滤波便可滤除大量的第一干扰信号。

在本发明实施例的基础上，所述频谱分析为傅里叶变换，所述时域分析为傅里叶反变换。

本发明实施例通过在时域中将与目标信号不同时出现的第二干扰信号去掉，在频域中将与目标信号同时出现的第一干扰信号集中的频率范围滤除掉，减少了干扰信号对检测暂态行波信号的影响，进一步提高了对暂态行波信号进行检测的精确度及准确度。

图6为本发明实施例提供的电缆发生故障时产生的暂态行波信号识别装置的结构框图；本发明实施例提供的电缆发生故障时产生的暂态行波信号识别装置可以执行暂态行波信号识别方法实施例提供的处理流程，如图6所示，电缆发生故障时产生的暂态行波信号识别装置60包括获取显示模块61、频谱分析模块62、带通滤波模块63、时域分析模块64和判断模块65，其中，获取显示模块61用于获取并显示电力电缆的输出信号，所述输出信号包括脉冲信号和正弦信号，所述脉冲信号包括与所述正弦信号的相位相关的目标信号；频谱分析模块62用于对所述脉冲信号进行频谱分析获得频域信号；带通滤波模块63用于对所述频域信号以预定中心频率和预定带宽进行带通滤波获得带通频域信号；时域分析模块64用于对所述带通频域信号进行时域分析获得时域信号，并获取所述时域信号中的所述目标信号；判断模块65用于依据标准暂态行波的特征判断所述目标信号是否为暂态行波信号。

图7为本发明另一实施例提供的电缆发生故障时产生的暂态行波信号识别装置的结构图；在图6对应的实施例基础上，所述脉冲信号还包括第一干扰信号和第二干扰信号，所述第一干扰信号与所述目标信号同时出现，所述第二干扰信号与所述目标信号不同时出现；所述暂态行波信号识别装置60还包括去除模块66，用于去除所述脉冲信号中的所述第二干扰信号。

所述带通滤波模块63具体用于去除所述脉冲信号中的所述第一干扰信号。

所述获取显示模块61具体用于获取所述输出信号中所述脉冲信号的幅值和相位，连续累积显示由所述幅值和所述相位组成的二维坐标点。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

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单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）或处理器执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电缆发生故障时的暂态行波信号识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101：获取并显示电缆的输出信号，所述输出信号包括脉冲信号和正弦信号，所述脉冲信号包括与所述正弦信号的相位相关的目标信号；

S102：对所述脉冲信号进行频谱分析获得频域信号；

S103：对所述频域信号以预定中心频率和预定带宽进行带通滤波获得带通频域信号；

S104：对所述带通频域信号进行时域分析获得时域信号，并获取所述时域信号中的所述目标信号；

S105：依据标准放电信号的特征判断所述目标信号是否为电缆发生故障时的暂态行波信号。

2.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述脉冲信号还包括第一干扰信号和第二干扰信号，所述第一干扰信号与目标信号同时出现，所述第二干扰信号与目标信号不同时出现；

对所述脉冲信号进行频谱分析获得频域信号之前，还包括：去除所述脉冲信号中的第二干扰信号。

3.根据权利要求2所述的识别方法，其特征在于，对所述频域信号以预定中心频率和预定带宽进行带通滤波获得带通频域信号，用于去除所述脉冲信号中的第一干扰信号。

4.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，步骤S101中获取并显示电缆的输出信号包括：获取所述输出信号中脉冲信号的幅值和相位，连续累积显示由幅值和相位组成的二维坐标点。

5.根据权利要求1-4任一项所述的识别方法，其特征在于，所述频谱分析为傅里叶变换，所述时域分析为傅里叶反变换。

6.一种电缆发生故障时的暂态行波信号识别装置，其特征在于，包括：

获取显示模块，用于获取并显示电力电缆的输出信号，所述输出信号包括脉冲信号和正弦信号，所述脉冲信号包括与所述正弦信号的相位相关的目标信号；获取显示模块分为采样电路，保护电路，精密衰减放大电路以及滤波电路，经过处理以后局放信号进入ADC进行模数转换，ADC输出数字信号进入处理单元进行复杂数字信号处理；

频谱分析模块，用于对所述脉冲信号进行频谱分析获得频域信号；整个模块包括以下三部分:接收单元、操作单元、应用程序，接收单元负责将信号经过转换后进行数据处理，操作系统作为应用程序和硬件的中间层，应用程序采用快速傅里叶FFT算法，完成频域信号分析，获得对应的频谱图；

带通滤波模块，用于对所述频域信号以预定中心频率和预定带宽进行带通滤波获得带通频域信号滤波由FPGA数字滤波实现；

时域分析模块，用于对所述带通频域信号进行时域分析获得时域信号，并获取所述时域信号中的所述目标信号，即将带通频域信号接入放大回路将信号放大，保证输出脉冲信号在指示回路上得到波形、幅值、放电次数显示，信号进行预处理，信号放大、信号滤波、去除均值、去除趋势项，在应用程序上对信号的时域参数、指标估计、计算等时域统计分析；

判断模块，用于依据标准放电信号的特征判断所述目标信号是否为电缆发生故障时产生的暂态行波信号，通过程序指令相关的硬件来完成。

7.根据权利要求6所述的电缆发生故障时的暂态行波信号识别装置，其特征在于，所述脉冲信号还包括第一干扰信号和第二干扰信号，所述第一干扰信号与所述目标信号同时出现，所述第二干扰信号与所述目标信号不同时出现；

所述电缆发生故障时的暂态行波信号识别装置还包括去除模块，用于去除所述脉冲信号中的所述第二干扰信号，去除模块由触发、滤波电路组成，在软件上调整一个触发阈值，当所采集到的脉冲信号幅值低于此触发阈值时，将不进行采集，有效地去除第二干扰信号。

8.根据权利要求7所述的电缆发生故障时的暂态行波信号识别装置，其特征在于，所述带通滤波模块具体用于去除所述脉冲信号中的所述第一干扰信号。

9.根据权利要求6所述的暂态行波信号识别装置，其特征在于，所述获取显示模块具体用于获取所述输出信号中所述脉冲信号的幅值和相位，连续累积显示由所述幅值和所述相位组成的二维坐标点。

10.根据权利要求6所述的电缆发生故障时的暂态行波信号识别装置，其特征在于，所述频谱分析为傅里叶变换，所述时域分析为傅里叶反变换。