CN111366813B - 一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电缆故障定位领域，涉及一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法、装置及系统；所述方法包括一路参考信号发送至示波器的第一通道；另一路测试信号通过T连接器发送至待测电缆，在待测电缆的故障点处产生反射信号，将反射信号与待测电缆中的噪声返回至T连接器后，与测试信号混叠成叠加信号，并发送至示波器的第二通道；计算第一通道与第二通道所接收信号的互相关熵；将互相关熵进行傅里叶变换，得到相关熵谱；将频域加权后的相关熵谱进行傅里叶反变换，得到加权后的相关熵；从相关熵中通过峰值检测确定电缆故障的相关峰时延，根据信号在电缆中的传输速度计算出发生电缆故障的位置。本发明可在脉冲噪声环境下实现准确的故障定位。

Description

一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法、装置及系统
技术领域
本发明属于电缆故障定位领域，涉及一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法、装置及系统。
背景技术
随着社会的快速发展，电力电缆被广泛的应用在各行各业中，占据了重要的地位。然而，受到自然和各种人为的干扰，电缆出现故障的几率也大大增加，这将对电力系统的正常运行带来很大的隐患，甚至造成严重的经济损失，因此，如何在电缆出现故障时快速的确定故障位置，对恢复电力系统的正常运行有重大意义。
时域反射法因为其测量简便、上手简单、无需建立测量模型等特点而成为电缆故障定位的主要方法之一。基于相关计算的反射测量法作为时域反射法的一种类型，其测试信号具有白噪声均值为零、相关性良好等特点，可以对电缆进行在线检测，且具有一定的抗噪能力。目前，符合该类型的测试信号有伪随机序列、扩频伪随机序列以及混沌信号等。
在实际的电力电缆中，往往充斥着大量的脉冲噪声，此时，使用基于相关计算的反射测量法进行故障定位，会使得其性能严重下降，甚至完全失效，这将严重影响电缆的故障定位。原因主要是因为传统的相关计算是一种基于二阶统计量的时延估计算法，而脉冲噪声不能用二阶统计量来描述，因此，传统的基于二阶统计量的方法都不能在脉冲噪声环境下适用。近年来，相关熵的概念被提出，并推出了最大相关熵准则，形成了比较完备的理论体系。相关熵与相关函数的全局相似性不同，是具有局部相似性的方法，对脉冲噪声具有抑制作用。
现有的电缆故障定位技术方案中，主要是将具有类噪声特性、相关性良好的信号作为测试信号发送到待测电缆中，在故障点会产生反射信号，接收到反射信号后与测试信号进行互相关计算，互相关计算公式为R(τ)＝E[x(t)y(t+τ)]，可以在不同的时延τ处比较测试信号(x(t))和反射信号(y(t+τ))的相似性，当时延τ等于两信号之间的时延d时，互相关计算出现尖锐的相关峰值。然后将计算得到的互相关函数进行峰值检测，根据峰值所在的时延，和电缆中信号传输的速度，可以计算出故障点的距离。
但上述现有技术方案存在的问题是：反射信号和测试信号进行的互相关计算是一种基于二阶统计量的时延估计算法，但是二阶统计量并不能对于脉冲噪声并不适用，因此，该方法的性能在脉冲噪声环境下会严重下降，甚至完全失效。
发明内容
为了解决现有的电缆故障定位技术在脉冲噪声环境下性能严重降低，甚至失效的问题，因此，本专利将基于相关熵发明一种脉冲噪声环境下的故障定位方案，该方案在基于相关法的反射测量法的基础上，结合相关熵的局部相似性对脉冲噪声进行抑制，实现了脉冲噪声环境下的故障定位。具体的，本发明解决上述技术问题，采用了一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法、装置及系统，该方法、装置及系统在脉冲噪声环境下仍然具有较高的精度。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法，所述方法包括：
信号源经过功分器产生两路信号；
一路信号作为参考信号发送至示波器的第一通道；
另一路信号作为测试信号通过T连接器发送至待测电缆，在待测电缆的故障点处产生反射信号，将反射信号与待测电缆中的噪声叠加，返回至T连接器后，与T连接器处的测试信号混叠生成叠加信号，将叠加信号发送至示波器的第二通道；
计算出第一通道与第二通道所接收的信号的互相关熵；其中，第一通道所接收的信号为参考信号，第二通道所接收的信号为叠加信号；该叠加信号包括测试信号、反射信号以及噪声信号的叠加；
将互相关熵进行傅里叶变换，得到相关熵谱；
将频域加权后的相关熵谱进行傅里叶反变换，得到加权后的相关熵；
从所述加权后的相关熵中通过峰值检测确定电缆故障的相关峰时延，根据信号在电缆中的传输速度计算出发生电缆故障的位置。
在本发明的第二方面，本发明还提出了一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位装置；所述装置包括：
故障测距装置、功分器、T连接器以及低压宽带耦合器；所述故障测距装置通过D/A数模接口/模块/转换器连接功分器的输入端，通过A/D模数接口/模块/转换器连接功分器的输出端；所述功分器的输出端还连接T连接器；所述T连接器连接低压宽带耦合器；所述低压宽带耦合器连接待测电缆。
在本发明的第三方面，本发明提出了一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位系统，所述系统包括：
存储器以及处理器；
所述存储器，用于存储所述计算模块中每个单元的一个或多个程序；
所述处理器用于调用计算模块中每个单元的一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述处理器执行，使得所述处理器实现对所述计算模块中每个单元的调用。
本发明的有益效果：
本发明将现有技术中的互相关熵计算替换为相关熵的计算，利用相关熵的局部相似性来抑制脉冲噪声，可以在脉冲噪声环境下实现准确的故障定位。
本发明通过加权函数来提高时延估计的精度，即提高故障定位的准确度。
本发明利用相关性良好、类噪声的测试信号进行故障检测，可以在0db的高斯噪声环境下具有良好的性能。
本发明利用相关性良好、类噪声的测试信号可以在电缆中有其他传输信号的环境下进行测试，不会对电缆中的其他传输信号造成干扰。
本发明所提出的方法、装置及系统的实现简便，易于应用，具有很强的适用性。
附图说明
图1为本发明的一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法的流程图；
图2为本发明进行信号处理的框图；
图3为本发明的一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位装置；
图4为本发明中故障测距装置一个实施例的结构图；
图5为本发明中计算模块一个实施例的结构图；
图6为本发明中延时与相关熵的仿真图。
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，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请提供的脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法、装置及系统，可以应用于如下应用环境中。在一种低压电网的环境中，可以通过控制中心对多条电缆上的传感器、故障检测装置等设备进行控制，待测电缆和控制中心通过电力线载波进行通信(PLC)。待测电缆可以通过传感器采集电缆的当前环境数据和当前运行数据，并将当前环境数据和当前运行数据发送给控制中心，当存在待测电缆出现故障时，电缆的当前运行数据发生变化，控制中心对变化的数据进行判断，确定待测电缆出现故障，将故障检测命令通过PLC下发至待测电缆终端的电缆故障定位装置，电缆故障定位装置受到命令后，对电缆进行故障检测，并将检测数据上传至控制中心，控制中心对检测数据进行处理，确定故障位置，将故障位置信息发送至故障检修人员终端，由故障检修人员对故障进行处理。
其中，控制中心可以但不限于通过上位机实现，故障检修人员终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法，所述方法包括：
信号源经过功分器产生两路信号；
一路信号作为参考信号发送至示波器的第一通道；
另一路信号作为测试信号通过T连接器发送至待测电缆，在待测电缆的故障点处产生反射信号，将反射信号与待测电缆中的噪声叠加，返回至T连接器后，与T连接器处的测试信号混叠生成叠加信号，将叠加信号发送至示波器的第二通道；
计算出第一通道与第二通道所接收的信号的互相关熵；
将互相关熵进行傅里叶变换，得到相关熵谱；
将频域加权后的相关熵谱进行傅里叶反变换，得到加权后的相关熵；
从所述加权后的相关熵中通过峰值检测确定电缆故障的相关峰时延，根据信号在电缆中的传输速度计算出发生电缆故障的位置。
在一个实施例中，在信号源产生信号之前，需要选择优质的信号源发出信号，该信号要求具有类噪声、相关性良好的特点，本实施例所选择的测试信号为STDR(伪随机序列)、SSTDR(伪随机序列进行扩频后的信号)、CTDR(混沌信号)中任意一种。
另外，基于相关法的反射测量法所选择的测试信号为高精度、宽频谱且具有良好相关性的混沌信号，对于其他的实施例，也可以选择其他满足白噪声均值为零、相关性良好等特点的测试信号。
根据所要求的测试精度设定测试信号的发送频率，测试信号的发送频率决定每个码元(序列单元)的持续时间，其关系为：
Figure BDA0002413736950000051
其中t的单位为秒，f的单位为Hz，测试精度和码元的持续时间关系为
Figure BDA0002413736950000052
v为信号在电缆中的传输速度。
在一个实施例中，本发明中在故障定位之前进行信号处理的过程如图2所示，也即是经过功分器将信号源分为两路，其中一路为参考信号Sref发送至示波器的第一通道，另外一路为测试信号S0，经过一T型连接器后发送至待测电缆，在故障点产生反射信号Sret，和电缆中的噪声n叠加，返回至T连接器，与T型连接器处的测试信号S0生成叠加信号，发送至示波器的第二通道。示波器将两通道的信号进行同步采样，数据传输至数据处理部分(比如PC端)进行信号处理。
将第一通道与第二通道所接收的两路信号进行互相关熵的计算，计算公式为：
Vσ(τ)＝E[kσ(x1(t)-x2(t+τ))]
其中，
Figure BDA0002413736950000061
kσ[·]为高斯核函数，σ为核长，E[·]表示求均值；x1(t)表示第一通道接收到的参考信号；x2(t+τ)表示第二通道接收到的叠加信号。
然后将互相关熵函数进行傅里叶变换，得到相关熵谱，傅里叶变换公式为
Figure BDA0002413736950000062
在一个实施例中，为了更好的提高时延估计精度，即提高故障定位的精度，本发明采取加权的方式；具体的，在傅里叶变换后，进行频域加权，即将加权函数和上式得到的公式相乘，加权函数主要根据实际需求来选择，目前主流的加权函数有如表1所示，
表1常用加权函数
Figure BDA0002413736950000063
Figure BDA0002413736950000071
表1中，各个加权函数中包含的G11(ω)为其中一个信号的自相关函数，G22(ω)为另一个信号的自相关熵，G12(ω)为两个信号的互相关熵，γ12(ω)为模平方相干函数，表达式为：|G12(ω)|2/(G11(ω)G22(ω))。自相关熵是互相关熵函数中两信号相同时的计算结果。基本互相关CC表示原式与1相乘，即原式不变；互功率谱相位CSP等价于白化滤波，可以锐化相关熵峰值，但在信号能量较小，或信噪比较低时，误差会增大；平滑相干变换SCOT可以同时考虑双通道的影响，但也会展宽相关熵峰值；最大似然ML根据信噪比的高低赋予不同的权值，从而抑制噪声，但需要信号的先验知识。
在一个优选实施例中，在频域加权中所选择的加权函数为PHAT加权函数，对于其他的实施例，可以根据实际需求对加权函数进行选择。
加权后再将相关熵谱进行傅里叶反变换，其公式为
Figure BDA0002413736950000072
将得到的计算结果进行峰值检测，找到故障相关峰对应的时间延迟为s，则故障位置为
Figure BDA0002413736950000073
本发明实施例中提供一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位装置，所述装置如图3所示，包括故障测距装置、功分器、T连接器以及低压宽带耦合器；所述故障测距装置通过D/A数模接口/模块/转换器连接功分器的输入端，通过A/D模数接口/模块/转换器连接功分器的输出端；所述功分器的输出端还连接T连接器；所述T连接器连接低压宽带耦合器；所述低压宽带耦合器连接待测电缆。
该装置主要包含以下功能：
通过基于相关法的反射测量法对待测电缆测试，待测电缆为故障电力线缆，特性阻抗为120Ω，测量得知信号在电缆中的传播速度为1.73*108m/s，开路故障为35米处。测试信号由故障测距装置的信号源生成，再经过D/A数模接口/模块/转换器连接功分器的输入端，A/D模数接口/模块/转换器接收来自T连接器的两路信号，一路为参考信号，另一路为测试信号与反射信号(还包括噪声信号)的叠加。将两路信号由缓存器模块进行缓存，缓存完成后，将缓存数据送至计算模块，在计算模块中进行相关熵的计算，并在频域进行加权，对加权后的相关熵进行峰值检测，确定故障反射信号和测试信号的时延。
本实施例中，所述基于相关法的反射测量法选择的测试信号为混沌信号，其具有高精度、宽频谱且具有良好相关性的特性。
在一个实施例中，所述混沌信号源是通过PC端的system generator进行搭建，仿真成功后，将搭建的模型生成IP核，导入vivado中，设计顶层文件并进行管脚约束，综合、实现后生成比特流，将其导入到FPGA开发板中，实现混沌信号源的设计。
在一个实施例中，本发明中的故障测距装置可以通过FPGA开发板实现，故障测距装置结构如图4所示，所述故障测距装置包括信号源发生器、缓存器、计算模块以及输出模块；所述信号源发生器的输出端连接至D/A数模接口/模块/转换器；所述缓存器的输入端连接有A/D模数接口/模块/转换器；所述计算模块的输入端连接缓存器的输出端；所述输出模块的输入端连接计算模块的输出端。电缆出现故障后，通过信号源发生器将混沌信号发送至故障电缆，信号在故障点处产生反射波，在信号发送端对信号接收，通过故障测距装置的计算模块对接收到的数据进行计算。
在一个实施例中，测试信号由信号源发生器的混沌信号源生成，再经D/A数模接口/模块/转换器输出后经功分器分为两路，一路作为参考信号直接输入到FPGA的A/D模数接口/模块/转换器的一个端口进行采样，另一路作为测试信号经过低压宽带耦合器发送到待测电缆，在故障点处产生反射波，反射波反射回来，通过耦合器隔绝工频电压，经过T型连接器，导入到FPGA的A/D模数接口/模块/转换器的另一个端口进行采样，采样模块将数据导入到缓存器中，在缓存器中的数据达到预先设置的点数时，将数据导入到计算模块进行时延估计，确定故障点与测试点的距离。
在一个实施例中，所述计算模块结构如图5所示，缓存数据送至计算模块后，数据由信号接收单元进行接收，再由互相关熵计算单元进行相关熵函数的计算，经过傅里叶变换单元转换为相关熵谱，由加权单元对相关熵谱进行加权，再经傅里叶反变换单元将加权后的相关熵谱变回相关熵函数，再由峰值检测单元进行故障对应相关熵峰值的检测。该模块中依据的算法为基于广义相关熵的时延估计算法。
所述信号接收单元用于通过示波器接收参考信号和叠加信号；
所述互相关熵计算单元用于计算出参考信号和叠加信号的互相关熵；
所述傅里叶变换单元用于对互相关熵进行傅里叶变换，并得到相关谱熵；
所述加权单元用于对相关谱熵进行加权处理；
所述傅里叶反变换单元用于对加权处理后的相关熵进行傅里叶反变换得到相关熵；
峰值检测单元用于检测所述相关熵中的相关峰时延。
所述基于广义相关熵的时延估计算法主要包括：首先对参考信号和叠加信号进行互相关熵函数的计算，计算公式为Vσ(τ)＝E[kσ(x1(t)-x2(t+τ))]，其中
Figure BDA0002413736950000091
然后将互相关熵函数进行傅里叶变换，得到相关熵谱，再选定广义加权函数，本发明实施例中选定的加权函数为PHAT加权函数，其公式为
Figure BDA0002413736950000092
其中|G12(ω)|为两信号的互功率谱，然后将加权后的相关熵谱进行傅里叶反变换得到加权后的相关熵函数，通过峰值检测确定时延，进而确定故障准确位置，如图6所示，其时延为40，根据信号在电缆中传播的速度，可以计算出故障距离为34.6，测试误差为0.4米。
本发明实施例中，故障测距装置是基于FPGA进行设计的，对于其他的实施例，可以通过其他的方式进行故障测距装置的硬件设计。
当然，在本发明实施例中，测试场景是在含有大量脉冲噪声的低压电力线缆中，其特性阻抗为120Ω，对于其他的含有脉冲噪声的电缆，也可以通过本发明进行故障检测。
另外，本实施例给出了一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位系统，所述系统包括：
存储器以及处理器；
所述存储器，用于存储所述计算模块中每个单元的一个或多个程序；
所述处理器用于调用计算模块中每个单元的一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述处理器执行，使得所述处理器实现对所述计算模块中每个单元的调用。
可以理解的是，本发明的一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法、装置及系统的部分相关特征、实现方式或者实施例可以相互引用，本发明为了节约篇幅则不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法，其特征在于，包括：
信号源经过功分器产生两路信号；
一路信号作为参考信号发送至示波器的第一通道；
另一路信号作为测试信号通过T连接器发送至待测电缆，在待测电缆的故障点处产生反射信号，将反射信号与待测电缆中的噪声叠加，返回至T连接器后，与T连接器处的测试信号混叠生成叠加信号，将叠加信号发送至示波器的第二通道；
计算出第一通道与第二通道所接收的信号的互相关熵；
将互相关熵进行傅里叶变换，得到相关熵谱；
将频域加权后的相关熵谱进行傅里叶反变换，得到加权后的相关熵；
从所述加权后的相关熵中通过峰值检测确定电缆故障的相关峰时延，根据信号在电缆中的传输速度计算出发生电缆故障的位置。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法，其特征在于，所述信号源包括产生伪随机序列信号STDR、伪随机序列进行扩频后的信号SSTDR或混沌信号CTDR中任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法，其特征在于，所述第一通道与第二通道所接收的信号的互相关熵包括：
Vσ(τ)＝E[kσ(x1(t)-x2(t+τ))]；
其中，
Figure FDA0003327374830000011
kσ[·]为高斯核函数，σ为核长，E[·]表示求均值；x1(t)表示第一通道接收到的参考信号；x2(t+τ)表示第二通道接收到的叠加信号。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法，其特征在于，对相关熵谱进行频域加权所采用的计算函数包括基本互相关函数CC、平滑相干变换函数SCOT、互功率谱相位函数CSP或最大似然函数ML中任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位方法，其特征在于，所述计算出发生电缆故障的位置包括：
Figure FDA0003327374830000021
其中，L表示发生电缆故障的距离；v表示信号在电缆中的传输速度；s表示电缆故障的相关峰时延。
6.一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位装置，其特征在于，包括故障测距装置、功分器、T连接器以及低压宽带耦合器；所述故障测距装置通过D/A数模接口/模块/转换器连接功分器的输入端，通过A/D模数接口/模块/转换器连接功分器的一个输出端；功分器的另一个输出端连接T连接器；所述T连接器连接低压宽带耦合器；所述低压宽带耦合器连接待测电缆；
所述故障测距装置包括信号源发生器、缓存器、计算模块以及输出模块；所述信号源发生器的输出端连接至D/A数模接口/模块/转换器；所述缓存器的输入端连接有A/D模数接口/模块/转换器；所述计算模块的输入端连接缓存器的输出端；所述输出模块的输入端连接计算模块的输出端；
所述计算模块包括顺次连接的信号接收单元、互相关熵计算单元、傅里叶变换单元、加权单元、傅里叶反变换单元以及峰值检测单元；
所述信号接收单元用于通过示波器接收参考信号和叠加信号；
所述互相关熵计算单元用于计算出参考信号和叠加信号的互相关熵；
所述傅里叶变换单元用于对互相关熵进行傅里叶变换，并得到相关谱熵；
所述加权单元用于对相关谱熵进行加权处理；
所述傅里叶反变换单元用于对加权处理后的相关熵进行傅里叶反变换得到相关熵；
峰值检测单元用于检测所述相关熵中的相关峰时延。
7.一种脉冲噪声环境下的电缆故障定位系统，其特征在于，所述系统包括：
存储器以及处理器；
所述存储器，用于存储如权利要求6所述计算模块中每个单元的一个或多个程序；
所述处理器用于调用计算模块中每个单元的一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述处理器执行，使得所述处理器实现对如权利要求6所述计算模块中每个单元的调用。
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