CN109919336A - 基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置及方法，属于电力系统故障测距技术领域。技术方案是：信号源（1）与耦合器（2）的测量端口连接，耦合器（2）与滤波放大器（3）、IFS积分点火电路模型（4）和DSP处理器（5）依次连接；DSP处理器（5）分别与存储模块（6）和通讯模块（7）连接；耦合器（2）与被测架空线（8）连接；IFS积分点火电路模型包含整流器（41）、积分器(42）、比较器（43）、计数器（44）和正负检测电路（45），整流器、积分器、比较器和计数器依次连接，正负检测电路与计数器连接。本发明通过采用SDDR/SSTDR技术，避免了使用高精度GPS授时信号，降低成本，提高测距精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置及方法，属于电力系统故障测距技术领域。
背景技术
架空线是实现发电厂、变电所和用户连接的纽带，在整个输电和配电环节具有着重要作用，因此架空线路的检测和维护非常重要。为了能准确及时的检测架空线路的故障、减少因架空线路故障带来的经济损失，故障的精确定位有着较大意义。
现有的应用较为广泛的为行波仪，行波仪能实现故障测距功能，在变电所检测故障产生的暂态信号，进而根据接收到的暂态信号的时间及其波速得出相应的传播距离，即得出故障点位置。行波检测法可分为A，B，C，D，E，F等多种检测方法，其中双端法检测精度较高。但对于10km左右长度的线路，基于单端法的行波仪的测距精度只有70m左右。理论上，对于10km左右长度的线路，基于GPS同步的双端行波法的测距精度能达到13m。但由于GPS精确同步难以实现，测距精度往往达几十米。同时采集的数据存在大量的冗余信息。虽然在传输前可以进行压缩，但依旧给采集及存储设备带来巨大的压力，增大了功耗，这样一来，配网中的每个变电所都需配备昂贵的高功耗行波仪，测距精度却不高，性价比较低。
发明内容
本发明目的是提供一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置及方法，通过采用SDDR/SSTDR（序列时域反射法/扩展频域时域反射法）（Sequence timedomain reflectometry/ spread sequence timedomain reflectometry）技术，避免了使用高精度GPS授时信号，降低成本，提高测距精度，同时压缩感知技术的引入降低了采样频率和存储数据量，进一步降低整体成本和功耗，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置，包含信号源、耦合器、滤波放大器、IFS积分点火电路模型、DSP处理器、存储模块和通讯模块，所述信号源的输出端与耦合器的测量端口连接，耦合器的检测端口与滤波放大器、IFS积分点火电路模型和DSP处理器（微处理器）依次连接；DSP处理器分别与存储模块和通讯模块连接；耦合器的测量端口和检测端口与被测架空线连接；IFS积分点火电路模型包含整流器、积分器、比较器、计数器和正负检测电路，整流器、积分器、比较器和计数器依次连接，正负检测电路的输出端与计数器的输出端连接。
所述被测架空线的非被测端设有阻波器。
所述信号源产生的信号为伪随机序列，频率在1MHz-100MHz。
一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距方法，包含以下步骤：
向架空线发射频率为f、扫描时间为Δt的信号，随后接收架空线返回的反射信号，将反射信号依次经过滤波放大器、IFS积分点火电路模型和DSP处理器的相关运算，得到时延Δt1，根据公式可计算得到故障点离测量端口的距离d，其中Δt1为发射信号到接收到反射信号的时延，v为被测架空线的波速。
本专利申请涉及的信号源、耦合器、滤波放大器、DSP处理器、存储模块、通讯模块、阻波器、整流器、积分器、比较器、计数器和正负检测电路等为本领域公知公用的技术内容，本领域普通技术人员可以根据要求在市场上购买或自行组装。
本发明的有益效果是：通过采用SDDR/SSTDR技术，避免了使用高精度GPS授时信号，降低成本，提高测距精度，同时压缩感知技术的引入降低了采样频率和存储数据量，进一步降低整体成本和功耗。
附图说明
图1 是本发明的结构示意图；
图2是本发明的测试状态示意图；
图3是本发明的IFS积分点火电路模型原理图；
图4是IFS电路的采样原理图；
图5是模型原始信号与重构信号对比图；
图6是经相关运算后故障距离测试结果图；
图中：信号源1、耦合器2、滤波放大器3、IFS积分点火电路模型4、DSP处理器5、存储模块6、通讯模块7、被测架空线8、阻波器9、基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置10、整流器41、积分器42、比较器43、计数器44、正负检测电路45。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明技术方案作进一步详细的说明。
一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置，包含信号源1、耦合器2、滤波放大器3、IFS积分点火电路模型4、DSP处理器5、存储模块6和通讯模块7，所述信号源1的输出端与耦合器2的测量端口连接，耦合器2的检测端口与滤波放大器3、IFS积分点火电路模型4和DSP处理器5依次连接；DSP处理器5分别与存储模块6和通讯模块7连接；耦合器2的测量端口和检测端口与被测架空线8连接；IFS积分点火电路模型4包含整流器41、积分器42、比较器43、计数器44和正负检测电路45，整流器41、积分器42、比较器43和计数器44依次连接，正负检测电路45的输出端与计数器44的输出端连接。
所述被测架空线8的非被测端设有阻波器9。
所述信号源1产生的信号为伪随机序列，频率在1MHz-100MHz。
一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距方法，包含以下步骤：
向架空线发射频率为f、扫描时间为Δt的信号，随后接收架空线返回的反射信号，将反射信号依次经过滤波放大器、IFS积分点火电路模型和DSP处理器的相关运算，得到时延Δt1，根据公式可计算得到故障点离测量端口的距离d，其中Δt1为发射信号到接收到反射信号的时延，v为被测架空线的波速。
在实际应用中，信号源1，用于产生检测信号，并将其发送至耦合器；
耦合器2，用于接收信号源发射的信号，并将信号传输到测量端口；包含匹配网络，减少发射端到被测端口的反射；同时接收检测端口传来的反射信号并送至滤波放大器；
滤波放大器3，将接收到的反射信号进行滤波，放大并传输至IFS积分点火电路模型；
IFS积分点火电路模型4，将滤波放大的反射信号，进行稀疏采样，并将模拟信号转化为数字信号，传输到DSP处理器；
DSP处理器5，处理从IFS积分点火电路模型接收到的数据，将信号源发射的信号和接收的反射信号进行相关运算，计算时延，得出故障距离，将数据发送至存储模块和通信模块；
通信模块6，将DSP传输至通信模块的数据传送至上位机；
存储模块7，将DSP传输至存储模块的信息进行存储。
上述技术方案中信号源产生的信号为伪随机序列，频率在1MHz~100MHz。
其中数据压缩采集，采用IFS积分点火电路模型，要使压缩采集的信号能精确重构，无损还原，需要满足两个条件，一是数据应是稀疏的。二是测量矩阵和稀疏变换矩阵的不相关。由于采用STDR/SSTDR技术，信号源1发射的信号本身在频域是稀疏的，同时由于IF电路采样起点、间隔随信号幅值和频率自适应调节，也是一种随机采样，符合了和稀疏基不相关的条件。三是对压缩采集的数据如何进行精确重构。重构算法有很多种，本专利采用的是直接重构算法进行信号重构。图3表示了压缩感知的具体过程。
输入信号x(t)经过通过整流将输入信号变成正信号，经积分器后与比较器中的阈值比较：当信号低于负阈时，输出为0；当信号大于阈值，输出为正脉冲。正脉冲信号连接计数器，当正脉冲数超出计数器设定的阈值l时，触发器输出1的数字信号。触发器和正负检测电路输出相乘后形成最后的输出脉冲序列y[m]。
积分点火电路（IF）的采样原理图如图4所示，若采样连续的时间间隔为t mi 到t mi+1 ，同时要与比较器中的阈值进行比较，那么则有：
式（1）中：其中原始信号x(t)可以写为下式：
根据式（1）和式（2）可以推出：
在积分点火电路（IF）的模型中，积分模块能够随着原始信号的变化而变化其采样点，因此有着随机特性，即能够满足压缩感知理论中的约束等距性质（RIP）。对于IFS系统来说，其输出脉冲是在间隔中的首个脉冲，那么则有：
式（4）中的y[m]与模拟信息转换器(AIC)系统中的y[m]相似，也是压缩后所得测量信号，但是积分点火电路（IFS）系统中所输出的y[m]是幅值为1的离散脉冲信号，因此无需量化步骤，那么可以推出：
从以上几个式子中能够看出压缩感知的模式，可得到感知矩阵，令，将与式（5）同时带入式（4）可得：
为广义矩阵，可根据以上式子编制与积分点火电路（IFS）模型相对应的重构算法，图5为重构信号和原始信号对比图。
本发明还公开了一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置的检测方法，向架空线发射频率为f、扫描时间为Δt的信号，随后接收架空线返回的反射信号，将反射信号依次经过滤波放大器、IFS积分点火电路模型和DSP处理器的相关运算，得到时延Δt1，根据公式（7）可计算得到故障点离测量端口的距离d：
其中Δt1为发射信号到接收到反射信号的时延，v为被测架空线的波速。
如图6所示，实际故障距离为510m，经本专利所述装置测距为507m，误差3m，精度极高。
Claims (4)
1.一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置，其特征在于：包含信号源（1）、耦合器（2）、滤波放大器（3）、IFS积分点火电路模型（4）、DSP处理器（5）、存储模块（6）和通讯模块（7），所述信号源（1）的输出端与耦合器（2）的测量端口连接，耦合器（2）的检测端口与滤波放大器（3）、IFS积分点火电路模型（4）和DSP处理器（5）依次连接；DSP处理器（5）分别与存储模块（6）和通讯模块（7）连接；耦合器（2）的测量端口和检测端口与被测架空线（8）连接；IFS积分点火电路模型（4）包含整流器（41）、积分器(42）、比较器（43）、计数器（44）和正负检测电路（45），整流器（41）、积分器(42）、比较器（43）和计数器（44）依次连接，正负检测电路（45）的输出端与计数器（44）的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置，其特征在于：所述被测架空线（8）的非被测端设有阻波器（9）。
3.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距装置，其特征在于：所述信号源（1）产生的信号为伪随机序列，频率在1MHz-100MHz。
4.一种基于压缩感知数据采集的非侵入式配电网故障测距方法，其特征在于包含以下步骤：向架空线发射频率为f、扫描时间为Δt的信号，随后接收架空线返回的反射信号，将反射信号依次经过滤波放大器、IFS积分点火电路模型和DSP处理器的相关运算，得到时延Δt1，根据公式可计算得到故障点离测量端口的距离d，其中Δt1为发射信号到接收到反射信号的时延，v为被测架空线的波速。
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