CN108333475A - 一种非接触式的故障定位信号处理方法 - Google Patents

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马强
谭超
甘兴林
王超
高明科
王丽君
翟金磊
李可赛
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Abstract

本发明涉及一种非接触式的故障定位信号处理方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、信号接收；步骤2、逐级处理接收的信号；步骤3、发送逐级处理后的信号；步骤4、在CPU内对转换后的信号进行频谱分析；步骤5、通过有用信号的电压值以及预先在CPU内设置好的标定系数，换算出有用信号的电流值，再传输至用户显示设备进行显示；本发明解决了传统方法产生的测量精度差、抗干扰性能差问题，通过直接获得的感应电动势，结合标定系数直接可以得到交流电流值；通过信号链与自适应算法的设计，提高了测量的稳定性与准确性，使得故障定位更加方便与直观；通过逐级处理信号，降低信噪比，降低与减少无用信号产生的干扰，提高了测量精度。

Description

一种非接触式的故障定位信号处理方法
技术领域
本发明涉及配电网单相接地故障巡查技术领域，具体的说是一种智能离线式单相接地故障定位系统及方法。
背景技术
基于S信号注入法的单相接地故障定位仪，目前在行业里与市场上已经得到了广泛而又富有成效的应用，无论从理论研究还是到设备的研发都相对较为成熟，由于不同制造厂家针对故障点定位着眼点与侧重点不同，致使在同样的定位方法下出现了采用不同的故障点定位方案的设备的出现，部分设备侧重于故障定位准确度而忽略了用户体验，部分设备又侧重了用户体验而牺牲了产品的性能，无论采用何种解决方案但依据S信号注入法的原理是相同的，在使用S信号注入法进行故障点定位时，由于需要对注入的S信号的电流分布以及强度进行测量才能进一步确定故障点的位置，所以对测量设备的依赖不言而喻，直到目前为止行业内基于S信号注入法的接地故障定位依然在采用传统的接触式测量方案，目前接地故障定位仪采用的测量方法大多基于开口或可闭合CT的测量方案，被测电流导线需放入CT环内，测量精度与抗干扰能力较强，但是故障点定位应用中测量S信号强度时却需要登杆操作。考虑到测量装置现场使用的方便性问题，对单相导线和三相导线中电流可以通过罗氏线圈进行测量。导线附近的局部磁场与导线中流过的电流有关，因此，可以通过测量该磁场间接得到导线中电流。
基于此，针对上述现状中存在的局限性，本发明提出了一种能够提供准确故障定位、提高测量稳定性的非接触式的故障定位信号处理方法。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种能够提供准确故障定位、提高测量稳定性的非接触式的故障定位信号处理方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种非接触式的故障定位信号处理方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、信号接收，采集导线在罗氏线圈出口产生的感应电动势并接收信号；
步骤2、逐级处理接收的信号，依次对接收的信号进行前级放大器前置放大、滤波器一级滤波、后级放大器放大和次级滤波器二级滤波操作；
步骤3、发送逐级处理后的信号，将信号由数模转换单元ADC进行数模转换得到转换后的信号并输入到CPU中；
步骤4、在CPU内对转换后的信号进行频谱分析，经过自适应算法处理后，得到有用信号的电压值；
步骤5、通过有用信号的电压值以及预先在CPU内设置好的标定系数，换算出有用信号的电流值，再传输至用户显示设备进行显示。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1中接收的信号包括信号导线在罗氏线圈出口产生的感应电动势和外部噪声在罗氏线圈出口产生的噪音感应电动势，所述感应电动势为微伏量级的感应电动势。
本发明的更进一步改进在于，所述外部噪声包括空间背景噪声和测量系统噪声，所述空间背景噪声包括未停电的同杆架设线路产生的噪声，所述测量系统噪声包括测量系统的板基噪声。
本发明的更进一步改进在于，所述信号导线在罗氏线圈出口产生的感应电动势为有用信号，所述外部噪声在罗氏线圈出口产生的噪音感应电动势为无用信号。
本发明的进一步改进在于，所述步骤4中的自适应算法具体为，在一定时间内对测量到的所有FFT值进行剔除较大值、较小值并把剩余值进行平均值求解，通过公式
计算得到Vsouttrue，
其中，Vsouttrue为趋近于真实的有用信号的电压值，Vsout(i)为第i个FFT测量的有效电压值，n为剩余值的总数量。
本发明的进一步改进在于，所述步骤5中标定系数为修正后的电流值与感应电动势比值，所述修正为调整测量系统的输入与输出产生的变化。
本发明的进一步改进在于，步骤1、2、3、4和5中使用的装置为高精密器件。
本发明的进一步改进在于，所述用户显示设备为与CPU通信连接的液晶显示屏。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了传统方法产生的测量精度差、抗干扰性能差问题，通过直接获得的感应电动势，结合标定系数直接可以得到交流电流值，简单方便；通过信号链与自适应算法的设计，提高了测量的稳定性与准确性，使得故障定位更加方便与直观；通过逐级处理信号，降低信噪比，降低与减少无用信号产生的干扰，提高了测量精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的工作原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种非接触式的故障定位信号处理方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、信号接收，采集导线在罗氏线圈出口产生的感应电动势并接收信号；
步骤2、逐级处理接收的信号，依次对接收的信号进行前级放大器前置放大、滤波器一级滤波、后级放大器放大和次级滤波器二级滤波操作；
步骤3、发送逐级处理后的信号，将信号由数模转换单元ADC进行数模转换得到转换后的信号并输入到CPU中；
步骤4、在CPU内对转换后的信号进行频谱分析，经过自适应算法处理后，得到有用信号的电压值；
步骤5、通过有用信号的电压值以及预先在CPU内设置好的标定系数，换算出有用信号的电流值，再传输至用户显示设备进行显示。
具体实施时，所述步骤1中接收的信号包括信号导线在罗氏线圈出口产生的感应电动势和外部噪声在罗氏线圈出口产生的噪音感应电动势，所述感应电动势为微伏量级的感应电动势。
具体实施时，所述外部噪声包括空间背景噪声和测量系统噪声，所述空间背景噪声包括未停电的同杆架设线路产生的噪声，所述测量系统噪声包括测量系统的板基噪声。
具体实施时，所述信号导线在罗氏线圈出口产生的感应电动势为有用信号，所述外部噪声在罗氏线圈出口产生的噪音感应电动势为无用信号。
具体实施时，所述步骤4中的自适应算法具体为，在一定时间内对测量到的所有FFT值进行剔除较大值、较小值并把剩余值进行平均值求解，通过公式
计算得到Vsouttrue，
其中，Vsouttrue为趋近于真实的有用信号的电压值，Vsout(i)为第i个FFT测量的有效电压值，n为剩余值的总数量。
具体实施时，所述步骤5中标定系数为修正后的电流值与感应电动势比值，所述修正为调整测量系统的输入与输出产生的变化。
设有如下参数，ξ为初始标定系数，n为罗氏线圈的匝数，S为罗氏线圈面积，δ为被测电流磁场穿过罗氏线圈有效面积与S的比值，μ为真空磁导率，f为被测电流频率，H为被测信号导线距离线圈中心距离，通过公式
计算得到ξ。
由于测量系统的输入与输出存在一个线性的关系，存在修正标定系数ξ’，所以标定系数为ξ和ξ’的乘积。
具体实施时，步骤1、2、3、4和5中使用的装置为高精密器件，减少噪音的产生。
具体实施时，所述用户显示设备为与CPU通信连接的液晶显示屏。
本发明的工作原理为：
在距10KV架空线路10米的地面对到线上交流22Hz特征电流进行测量时，罗氏线圈中产生的的产应电动势信号非常微弱，在被测特征电流给定最大40mA，测量距离给定H＝10米，罗氏线圈直径D＝25mm，线圈匝数＝3000，假设磁通与线圈正交，那么在线圈上产生的感应电动势大小可以由下式求得
通过计算发现在10米开外感应的信号强度仅仅在微伏级(uV),这样的信号强度在某种程度上小于通常意义上测量系统的板基噪声，在加之被测导线周围假设存在未停电的同杆架设线路，那么在线圈中同样会感应出工频感应电动势，以40A负荷电流为例，在线圈中同样感应出工频感应电动势Erms(50Hz)将会是Erms(22Hz)的1000倍，那么有用信号将完全被淹没在噪声当中，因此信号链设计的初始条件：
条件①：VSin被测量为微伏量级(uV)
条件②：信噪比SNRin：
对于上述信号链初始条件，设定装置最大测量量程100mA，并且要求其测量精度达到±1mA，那么要达到这样精度要求，通过信号链调理后的信噪比SNR至少达到40dB。
在ADC基准电压选择3.3V条件下，通过信号链电路需将信号链初始条件①②根据测量的100mA量程(对应ADC基准3.3V电压)调整到以下目标：
条件③：
条件④：SNRout＝40dB
从条件①、②到条件③、④的过程通过信号链完成，很显然完成这个过程必须通过放大器与滤波器来实现。由于信号链初始条件信噪比过小，若采用集中放大，集中滤波方案进行处理，会出现干扰信号幅值Vn在进入滤波器输入之前达到电源轨而出现饱和失真情况，再通过滤波器后产生有用信号Vs频率段噪声谐波叠加在有用信号之上，采用逐级放大逐级滤波方案对信号进行调理，它的好处在于信号进次级滤波器时，信噪比已经得到了很大的改善，同时信号幅度不至于出现饱和失真情况，在次级滤波器滤波后信噪比SNR能够满足条件④幅值再通过后级放大电路调理到条件③的要求，然后再输入至数模转换单元(ADC)进行采样，由于装置测量范围为100mA，达到1mA的分辨率，8位ADC即可满足设计要求。
由于信号链初始条件有用信号Vs的信号幅度为微伏级μV信号，而板基噪声信号幅度一般也在nV-μV级，而且空间背景环境存在着各种频率段噪声统统会叠加到信号链输入端，在信号链处理信噪比SNR时，空间背景与板基噪声中与有用信号Vs同频段的信号(22Hz)同样的混入到用信号当中得到了放大处理，由于空间背景噪声与板基噪声变化毫无规律，这一点将造成滤波器输出信号呈现调幅波形状态，这进一步造成测量的不稳定性，为了减小由于硬件与环境这些客观因素造成测量稳定性问题，在信号链设计器件选型时尽可能选择高精密器件以减少板基噪声引起的信号噪声波动，在使用方法上尽可能避开复杂电磁环境对测量的影响。尽管如此这种类调幅信号也不能完全得到有效的处理，因此还需要从软件算法上进行优化处理。
采用FFT(快速傅里叶变换)，可以实现对被测信号的频谱分析，得到被测信号中各个频率点的幅值，由于有用的信号Vs为22Hz,那么FFT最小频率分辨率至少要达到22Hz,在FFT中根据某点n所表示的频率Fn＝(n-1)×Fs/N，(其中Fs采样频率，N为FFT变换点数)由上面的公式可以看出，Fn所能分辨到频率为Fs/N，如果做64点FFT，那么要达到22Hz分辨率，采样频率Fs＝Fn×N＝1408Hz。若做采样频率Fs＝1048Hz的64点FFT，我们将会得到一个64点的FFT复数输出结果，且每一个点的频率由下面公式Fn＝(n-1)×Fs/N＝(n-1)1048/64求得，由这个公式可知22H频率对应n＝2即为第二个点，其结果为a+bj，其中a为实部，b为虚部，通过被测信号峰值An与向量a+bj的关系就可以计算出An，通过An与有效值关系便可以计算出Vsout。
尽管采用FFT进行频谱分析但依旧无法解决上述类调幅信号造成的稳定性问题，因此在计算完FFT后测量结果会高低波动，鉴于此，采用中位值滤波算法即波谷填充法，简单的说就是在一定时间内对测量到的所有FFT值进行剔除较大值、较小值并把剩余值进行平均值求解，以达到波形平滑的目的，理论上讲测量时间越长计算的值将越趋近于真实值，把趋近于真实的值用VSouttrue表示，第i个FFT测量的有效值结果用Vsout(i)表示，那么通过下面公式就可以计算出VSouttrue。
由于被测电流信号Irms与VSin呈现线性关系，VSin与Vsouttrue也呈现线性关系，那么Irms与Vsouttrue呈现线性关系，那么只需要通过标定系数K，便可换算出被测特征22Hz的交流电流Irms＝Vsouttrue×K。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种非接触式的故障定位信号处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、信号接收，采集导线在罗氏线圈出口产生的感应电动势并接收信号；
步骤2、逐级处理接收的信号，依次对接收的信号进行前级放大器前置放大、滤波器一级滤波、后级放大器放大和次级滤波器二级滤波操作；
步骤3、发送逐级处理后的信号，将信号由数模转换单元ADC进行数模转换得到转换后的信号并输入到CPU中；
步骤4、在CPU内对转换后的信号进行频谱分析，经过自适应算法处理后，得到有用信号的电压值；
步骤5、通过有用信号的电压值以及预先在CPU内设置好的标定系数，换算出有用信号的电流值，再传输至用户显示设备进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式的故障定位信号处理方法，其特征在于：所述步骤1中接收的信号包括信号导线在罗氏线圈出口产生的感应电动势和外部噪声在罗氏线圈出口产生的噪音感应电动势，所述感应电动势为微伏量级的感应电动势。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式的故障定位信号处理方法，其特征在于：所述外部噪声包括空间背景噪声和测量系统噪声，所述空间背景噪声包括未停电的同杆架设线路产生的噪声，所述测量系统噪声包括测量系统的板基噪声。
4.根据权利要求2所述的一种非接触式的故障定位信号处理方法，其特征在于：所述信号导线在罗氏线圈出口产生的感应电动势为有用信号，所述外部噪声在罗氏线圈出口产生的噪音感应电动势为无用信号。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式的故障定位信号处理方法，其特征在于：所述步骤4中的自适应算法具体为，在一定时间内对测量到的所有FFT值进行剔除较大值、较小值并把剩余值进行平均值求解，通过公式
计算得到Vsouttrue，
其中，Vsouttrue为趋近于真实的有用信号的电压值，Vsout(i)为第i个FFT测量的有效电压值，n为剩余值的总数量。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式的故障定位信号处理方法，其特征在于：所述步骤5中标定系数为修正后的电流值与感应电动势比值，所述修正为调整测量系统的输入与输出产生的变化。
7.根据权利要求1所述的一种非接触式的故障定位信号处理方法，其特征在于：步骤1、2、3、4和5中使用的装置为高精密器件。
8.根据权利要求1所述的一种非接触式的故障定位信号处理方法，其特征在于：所述用户显示设备为与CPU通信连接的液晶显示屏。
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