CN109541403B

CN109541403B - 基于时域反射法定位电线上的故障位置的方法和电路布置

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Publication number: CN109541403B
Application number: CN201811107162.XA
Authority: CN
Inventors: 埃克哈德·布洛克曼
Original assignee: Bender GmbH and Co KG
Current assignee: Bender GmbH and Co KG
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: CN109541403A; US10809292B2; DE102017216771A1; US20190086466A1; EP3462194A1; EP3462194B1

Abstract

本发明涉及用于基于时域反射法定位电线上的故障位置的方法和电路布置。一种方法包括：生成长度为M的伪随机脉冲序列；通过限制伪随机脉冲序列的频谱从伪随机脉冲序列生成理想发送信号；通过可变的可预设的发送放大率来发送理想发送信号；在发送理想发送信号的同时，通过第一可设置接收放大率接收和记录实际发送信号；将第一可设置接收放大率切换为大于第一可设置接收放大率的第二可设置接收放大率；通过第二可设置接收放大率接收反射信号；计算接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间的互相关函数；通过利用信号传播观察评估互相关函数来确定电线上的故障位置。

Description

基于时域反射法定位电线上的故障位置的方法和电路布置

技术领域

本发明涉及用于基于时域反射法定位电线上的故障位置的方法和电路布置。

目前描述的方法和电路布置用于通过使用时域反射法的方法定位电线上的干扰位置，特别是定位绝缘故障。

背景技术

已知的时域反射法的方法基于将测量脉冲(发送信号)馈送到线路中并基于线路干扰接收反射脉冲(反射信号)并且关于所述反射脉冲的持续时间和振幅评估所述反射脉冲以便定位线路上的故障位置。

以电阻抗变化的形式的每个干扰位置(其是指长度并且在同质线路上是恒定的)导致特征阻抗的不连续性，即，阻抗故障不匹配。

在不连续的位置(故障位置)处，朝干扰位置延伸的所供应的测量脉冲的一部分被反射，并且返回的反射信号被生成，该反射信号可以被捕获作为线路上干扰位置存在的定量和定性规范。特别地，当扩展速度已知时，故障位置的距离可以通过相关计算和通过确定信号传播延迟来确定。

基于时域反射法的已知概念的缺点在于，通常提供的发送信号具有与电线的电源阻抗(电线的两个导体之间的环路阻抗)不相适应的振幅。

发送信号的高放大率确实具有良好的信噪比的优点，但是在电气设备的常规操作期间可以导致高的EMC总负载(电磁兼容性)。为了遵守EMC阈值，需要发送信号的低放大率，这也涉及较低的信噪比。

此外，由于在使用时域反射法方法时在电网的连续操作期间可以预期较长的测量时间以便通过信号平均消除由操作和由当前消费者引起的干扰影响，因此会迫使电源操作员将电气设备离线以便定位故障。

此外，已知方法使用具有良好相关特性的脉冲序列，例如，它的自相关函数(ACF)(峰形自相关函数)的不同最大值。但是，由于与信号理论有关的原理，这些信号固有地包括宽频谱。这种频谱扩展使线路在宽带尺度上受到EMC干扰。

另一个缺点是电线的材料常数具有频率依赖性(色散)，这导致特别是宽带信号中的延迟失真。由于发送的信号脉冲的模糊，因此在延迟确定中出现不确定性。

此外，已知的时域反射法的概念基于在信号生成器中生成的未处理的伪随机脉冲序列(PN序列或最大长度序列)与接收到的反射信号之间形成互相关。在这种上下文中，脉冲失真(诸如经由被耦合到发送侧的电网、经由复值电网阻抗、经由被耦合到接收器侧的电网，以及经由线路的低通效应的脉冲失真)的系统效应没有被考虑，并且可能导致错误的评估。

发明内容

因此，本发明的目的是设计一种基于时域反射法并且使得能够在考虑电线上的电磁兼容性和扩展条件的同时可靠地定位电线上的故障位置的方法和系统。

该目的通过根据时域反射法的方法在电线上定位故障位置的第一方法来实现，该第一方法具有以下方法步骤：生成长度为M的伪随机脉冲序列；通过限制伪随机脉冲序列的频谱从伪随机脉冲序列生成理想发送信号；利用可变的可预设的发送放大率来发送理想发送信号；在发送理想发送信号的同时，利用第一可设置接收放大率接收和记录实际发送信号；将第一可设置接收放大率切换为大于第一可设置接收放大率的第二可设置接收放大率；利用第二可设置接收放大率接收反射信号；计算接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间的互相关函数；以及通过利用信号传播观察评估互相关函数来确定电线上的故障位置。

通过执行根据本发明的第一方法，该目的还通过用于定位电线上的故障位置的第一电路布置来实现，该第一电路布置的特征在于：用于生成伪随机脉冲序列的信号生成器；用于限制伪随机脉冲序列的频谱的滤波单元；具有可变的可预设的发送放大率和发送耦合电路的发送放大器；具有可变的可预设且可切换的接收放大率和接收耦合电路的接收放大器；用于计算接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间的互相关函数的相关接收器；以及用于确定电线上的故障位置的评估单元。

为此，在信号生成器中生成长度为M的伪随机脉冲序列。该脉冲序列是时间上受限的时间连续信号并且由使用长度为M的二进制伪随机码序列进行评估的M个方波脉冲序列组成。这样的码序列导致脉冲序列的相关特性(在时域中)，该特性的特征在于期望的峰形自相关函数。但是，如此构造的脉冲序列也包括可以导致线路上的宽带EMC干扰影响的频谱扩展。

为了减弱这些干扰，通过限制频谱生成用于从伪随机脉冲序列馈送到电线中的理想发送信号–经由发送距离上的干扰影响的进一步脉冲失真仍然在该位置处未被考虑。

限制频带的另一个优点是对发送和接收放大器的带宽要求低。

带内限制的理想发送信号可以是窄带低通信号或窄带带通信号。

优选地，在与软件相关的数字滤波单元中限制频谱。

在下一个步骤中，理想发送信号由使用可变的可预设发送放大率的发送放大器经由电线上的发送耦合开关来切换。

具有可变的可预设发送振幅的这种有源发送耦合的优点尤其在于可以调节相应出现的电网阻抗，以在电磁兼容性(EMC)的意义上包含线路绑定的干扰负载。

理想发送信号在被供应和传输时经历变换过程，所述变换过程的特征主要在于发送耦合电路中的脉冲失真，复值电网阻抗中的脉冲失真和接收耦合电路中的脉冲失真。

目前本发明的基本思想是基于不使用伪随机脉冲序列作为与接收到的反射信号的相关性的参考，而是使用已从理想发送信号导出并且已经考虑供电位置处的脉冲失真的实际发送信号。

在发送理想发送信号的同时，经由有源接收耦合电路通过第一可设置接收放大率接收并记录已经由脉冲失真更改的理想发送信号作为实际发送信号。

然后，将反射信号与已经失真的发送信号相关，而不是与通常使用的伪随机脉冲序列相关。由于相关性是两个信号的相似性的规范，因此实际发送信号的使用导致具有不同明确最大值的互相关函数，并因此导致可靠的评估。

在发送理想发送信号的同时，通过第一可设置接收放大率来接收实际发送信号，该第一可设置接收放大率被测量使得在接收放大器中不产生超控，因为与接收到的反射信号相比，接收到的实际发送信号包括未由于线路衰减而被削弱的振幅。

在接收到实际发送信号之后，在接收放大器中将第一可设置接收放大率切换为大于第一可设置接收放大器的第二可设置接收放大率。因此，适应随后到达的削弱的反射信号。接收放大器在非常短的切换阶段中在发送理想发送信号之后直接进行放大器的切换。

随后，在相关接收器中计算接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间的互相关函数。

在评估单元中，通过利用信号传播观察评估互相关函数来确定电线上的故障位置。

作为使用伪随机脉冲序列的替代，脉冲序列由两个不同的连续部分序列组成，这两个部分序列由彼此互补的码序列形成，其中从相应部分序列计算出的两个连续的相关函数被相加用于确定故障位置。

互补码的特殊性在于总是出现交替成对发送的两个不同码。各个码的自相关函数包含旁瓣，但两个码的自相关函数之和不具有任何旁瓣，这有利于在不利的信噪比中识别最大值。

此外，通过将高于可设置阈值频率的频谱设置为傅立叶频谱的零值来限制频谱范围中的伪随机脉冲序列的频谱。

替代地，可以通过使用可设置阈值频率的低通滤波来限制时域中的伪随机脉冲序列的频谱。

本发明的目的还通过第二方法来实现，该第二方法具有以下方法步骤：从具有高斯形包络曲线的谐波信号生成时间上受限的理想发送信号；通过可变的可预设的发送放大率来发送理想发送信号；在发送理想发送信号的同时，通过第一可设置接收放大率接收和记录实际发送信号；将第一可设置接收放大率切换为大于第一可设置接收放大率的第二可设置接收放大率；通过第二可设置接收放大率接收反射信号；计算接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间的互相关函数；以及通过利用传播观察评估互相关函数来确定电线上的故障位置。

与其中具有伪随机脉冲序列的理想发送信号的不可避免的频谱扩展通过利用低通滤波的随后的频谱形成被抑制的第一方法对比，具有高斯形包络曲线的谐波信号(带通信号)在第二方法中被用作理想发送信号。

在具有低通效应的线路上，使用具有非常窄带频谱的脉冲可能是有利的，在这些脉冲中，组传播和线路衰减基本上只必须在一个频率中已知。具有高斯形包络曲线的谐波信号表现出这种特性，因为它们的频谱由于频率范围中的能量集中而受到强烈限制，并且与先前描述的低通信号形式相比没有达到接近0Hz。但是，窄频谱的代价是自相关函数的巨大模糊性，即，严重振荡的自相关函数。

第二方法的另外的方法步骤，即，发送理想发送信号、接收和记录实际发送信号、切换可设置接收放大率、接收反射信号、计算互相关函数和确定故障位置，与第一方法的方法步骤对应。

通过执行第二方法，该目的通过用于定位电线上的故障位置的第二电路布置来实现，该第二电路布置的特征在于：用于从具有高斯形包络曲线的谐波信号生成时间受限的理想发送信号的信号生成器；具有可变的可预设且可切换发送放大率和发送耦合电路的发送放大器；具有可变的可预设的接收放大率和接收耦合电路的接收放大器；用于计算接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间的互相关函数的相关接收器；以及用于确定电线上的故障位置的评估单元。

附图说明

实施例的其它有利特征从以下描述和附图中得出，附图通过示例描述了本发明的优选实施例。在下面，

图1图示了根据本发明的电路布置的功能框图，

图2a图示了依据最大序列具有频谱和自相关函数的伪随机脉冲序列，

图2b图示了在频率范围中具有频带限制的来自图2a的伪随机脉冲序列作为理想发送信号，

图2c图示了在时域中具有频带限制的来自图2a的伪随机脉冲序列作为理想发送信号，

图3a图示了具有基于互补码的自相关函数的伪随机脉冲序列，

图3b图示了在频率范围中具有频带限制的来自图3a的伪随机脉冲序列作为理想发送信号，

图4图示了具有高斯形包络曲线的谐波信号作为理想发送信号，以及

图5图示了实际发送信号。

具体实施方式

图1图示了根据本发明的用于识别电线2上的故障位置4的电路布置的功能框图。

在发送侧，电路布置包括用于生成长度为M的伪随机脉冲序列的信号生成器6，所述信号生成器6包括用于生成二进制伪随机码序列和用于从二进制伪随机码序列形成时间上连续的信号形式(波形信号)的码生成器和方波脉冲生成器。

该波形信号的频谱在滤波单元8中受到限制，使得在滤波单元8的输出端处，从理论上无限扩展的伪随机脉冲序列的频谱中产生窄带理想发送信号。

当使用具有高斯形包络曲线的谐波信号时，已经在信号生成器6中生成作为理想发送信号的谐波信号，并且省略了经由滤波单元8的频带限制。

理想发送信号经由发送放大器10通过可变的可预设发送放大率和作为高通执行的发送耦合电路12耦合到电线2中。

经由供电系统(未示出)向电线2供应电网阻抗Z。电网阻抗可能严重依赖于频率并且在时间上可变，并且影响实际发送信号的大小和形状，参见图5。

在接收侧，反射信号或者同样该发送信号(后者在发送根据本发明的理想发送信号时)，经由作为高通执行的接收耦合电路14和具有可变的可预设和可切换接收放大率的接收放大器16作为实际发送信号被接收。为此目的，在数据存储设备中记录接收到的实际发送信号用于在相关计算中使用。

在相关接收器18中，在接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间计算互相关函数。

评估单元20通过信号传播观察进行互相关函数的评估，以便确定电线上的故障位置。

功能块，特别是信号生成器6、滤波单元8、相关接收器18和评估单元20，被实现为或者微处理器或信号处理器上的软件实现，或者在数字功能组件中作为被编程的硬件，诸如在FPGA或ASIC中。

来自时域中长度为M＝31的最大序列的伪随机脉冲序列以及其频谱和其自相关函数在图2a中示出。伪随机脉冲序列确实具有扩展的宽带频谱，但也具有带不同窄最大值的有利的自相关特性。

图2b图示了来自图2a的伪随机脉冲序列作为在频率范围中具有频带限制的理想发送信号。通过在可设置的阈值频率之上设置为傅立叶频谱的零值来执行频带限制。作为阈值频率，脉冲频率被选择，其对应于符号持续时间的倒数值，该符号持续时间可以从M个单独脉冲的持续时间导出。

因此，可以看出，不同的频带限制确实导致时域中的过冲，但仅在自相关函数的最大值的非实质性扩展中有影响。

因此，即使具有被调整到电线上的扩展条件并且可以被容易放大的窄带EMC适合的发送信号，也可以在电线上可靠地定位故障位置。

类似的正效应由图2c中所示的经由借助于时域中的可设置阈值频率的低通滤波而具有频带限制的图2a中的伪随机脉冲序列引起。

在这种情况下，阈值也近似地与符号持续时间的倒数值对应。

在图3a中，图示了具有基于彼此互补的两个码的自相关函数的伪随机脉冲序列。所示的自相关函数从相应的伪随机脉冲序列(部分序列)的时间上连续检测到的自相关函数之和导出。因此，为了确定故障位置，首先通过最初发送的伪随机脉冲序列(基于第一码序列)形成反射信号的互相关函数，并且然后通过随后发送的伪随机脉冲序列(基于第二码序列)形成反射信号的互相关函数，并且随后两个互相关函数相加。

结果显示了没有旁瓣并且因此可靠地确保确定故障位置的(总和)相关函数。

互补码的使用可以依据诸如EMC的实际方面和对线路上的扩展条件的调整进行修改，使得先前针对最大序列描述的测量针对频带限制进行，以便生成理想发送信号。

图3b以示例性的方式图示了通过将高于可设置阈值的频谱设置为傅里叶频谱的零值来进行频带限制。只能识别出自相关函数的最大值的略微扩展。

在图4中，图示了具有高斯形包络曲线的谐波信号。该信号如频谱表示所显示是窄带带通信号并因此满足关于EMC的要求和对线路上的扩展条件的调整。可以使用用于以简单的方式检测最大值的包络曲线接收器来评估与其连接的严重振荡的自相关函数。

图5图示了与伪随机脉冲序列(第一图中的方形信号形状)对比的实际发送信号(第一图中的圆角信号形状)以及具有理想发送信号的反射信号的所得互相关函数(第二图)或具有实际发送信号的反射信号的所得互相关函数(第三图)。如果从理想发送信号导出的实际发送信号而不是理想发送信号用于相关，则可以看到以互相关函数的明显且对称的最大值呈现自己的更有利的相关特性。这是因为：实际发送信号已经考虑了由于复值电网阻抗而导致的发送耦合开关中的脉冲失真和接收器耦合开关中的脉冲失真并且因此更类似于反射信号。

Claims

1.一种根据时域反射法的方法定位电线上的故障位置的方法，所述方法具有以下方法步骤：

生成长度为M的伪随机脉冲序列，

通过限制伪随机脉冲序列的频谱从伪随机脉冲序列生成理想发送信号，

通过可变的可预设的发送放大率来发送理想发送信号，

在发送理想发送信号的同时，通过第一可设置接收放大率接收和记录实际发送信号，

将第一可设置接收放大率切换为大于第一可设置接收放大率的第二可设置接收放大率，

通过第二可设置接收放大率接收反射信号，

计算接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间的互相关函数，

通过利用信号传播观察评估互相关函数来确定电线上的故障位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，伪随机脉冲序列从两个连续的部分序列生成，所述两个连续的部分序列由彼此互补的码序列组成，以及其特征在于，从相应的部分序列计算出的两个连续的相关函数被相加以确定故障位置。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

频谱范围内的伪随机脉冲序列的频谱通过将高于可设置极限频率的频谱设置为傅里叶频谱的零值来限制。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

时间范围内的伪随机脉冲序列的频谱通过使用可设置极限频率的低通滤波来限制。

5.一种根据时域反射法的方法定位电线上的故障位置的方法，所述方法具有以下方法步骤：

从具有高斯形包络曲线的谐波信号生成时间上受限的理想发送信号，

通过可变的可预设的发送放大率来发送理想发送信号，

通过第二可设置接收放大率接收反射信号，

通过利用传播观察评估互相关函数来确定电线上的故障位置。

6.一种用于执行根据权利要求1至4中任一项所述的用于定位电线上的故障位置的方法的电路布置，

其特征在于：

信号生成器，用于生成伪随机脉冲序列，

滤波单元，用于限制伪随机脉冲序列的频谱，

发送放大器，具有可变的可预设的发送放大率和发送耦合电路，

接收放大器，具有可变的可预设和可切换的接收放大率和接收耦合电路，

相关接收器，用于计算接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间的互相关函数；以及

评估单元，用于确定电线上的故障位置。

7.如权利要求6所述的电路布置，

其特征在于：

所述滤波单元被配置用于计算伪随机脉冲序列的傅立叶频谱和用于在频谱域中进行滤波。

8.如权利要求6所述的电路布置，

其特征在于：

所述滤波单元包括用于在时域中进行滤波的低通滤波器结构。

9.一种用于执行根据权利要求5所述的用于定位电线上的故障位置的方法的电路布置，

其特征在于：

信号生成器，用于从具有高斯形包络曲线的谐波信号生成时间上受限的理想发送信号，

发送放大器，具有可变的可预设和可切换的发送放大率和发送耦合电路，

接收放大器，具有可变的可预设的接收放大率和接收耦合电路，

相关接收器，用于计算接收到的实际发送信号和接收到的反射信号之间的互相关函数，以及

评估单元，用于确定电线上的故障位置。