CN111624437A - 一体式综合地下电缆维护检测方法、检测系统及检测仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地下电缆检测技术领域，公开了一种一体式综合地下电缆维护检测方法、检测系统及检测仪器，对接收的电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号进行处理，对处理后的磁场信号、声音信号和泄露电流信号再进行一体式的电缆路径检测、电缆故障点检测。本发明较传统单一功能的路径仪、定点仪具有更多的应用场景；通过简单的操作即可切换成不同的工作模式，以便针对不同的检测需求快速切换到对应的方法进行检测；采用模拟信号调理和数字信号处理使得仪器具有较强的抗干扰能力和信号处理能力；本发明能够解决采用声磁同步法时冲击放电声音信号被背景噪声干扰造成无法有效检测电缆故障点的问题。
Description
技术领域
本发明属于地下电缆检测技术领，尤其涉及一种一体式综合地下电缆维护检测方法、检测系统及检测仪器。
背景技术
目前，城市敷设电力传输线缆多采用地埋式电力电缆，由于电缆埋于地下，考虑到电网改造、电缆搬迁可能会使原有的图纸资料不能正确反映地下电缆的敷设路径，一旦电缆出现故障，如果电缆路径信息不够明确和故障查找不准确，就会拖延修复电缆故障的时间，造成人们生活的不便与巨大的经济损失。
地下电缆故障检测首先需要确定电缆故障类型；然后根据电缆故障类型对故障点距离进行粗测；粗测后，用路径仪确定电缆路径；最后根据不同故障类型，选择合适的检测方法进行故障点位置的精确查找。其中故障类型确定和故障点粗测方法成熟，所需时间较短。而电缆路径检测和故障点位置精确查找耗费时间较长，是电缆故障检测技术的薄弱环节。
现有针对电缆路径检测和故障点检测的方法及仪器主要有：1、针对电缆路径检测目前国内生产的仪器主要是基于电磁法的检测原理，通过多组线圈的组合对地埋电缆周围的磁场进行探测，其中题目为《基于单片机的电缆路径检测系统的研究》的论文通过比较两个磁感应传感器接收的磁场信号的强弱来确定电缆的左右位置，这种方法可以进行简单、有效的测量，但抗干扰性差。2、针对电缆故障点检测使用的方法主要有：
(1)声测法，目前基本被声磁同步法取代。
(2)音频感应法，由于在故障点前后接收的信号幅值变化不明显，且该方法只适用于占电缆故障总数10％的少量的低阻故障，目前应用也相对较少。
(3)声磁同步法，目前应用较多，适用于占电缆故障总数90％之多的高阻及闪络性故障，制约该方法的主要因素是故障点放电产生的声音信号十分微弱，易被周围环境噪声干扰，针对这个问题，文献《基于声磁同步原理电力电缆故障定位的研究》中设计了滤波电路对声音信号进行滤波处理，并通过鉴频识别模块选取特定频率的声音信号，该方法在高信噪比和放电声音信号平稳的情况下检测效果理想，但故障点放电声音并非单一频率信号，具有较宽的频带范围，在低信噪比和有色噪声污染下，对放电声音信号频谱有较大影响，另外通过耳机测听放电声音的大小也是判断距离故障点远近的有效方法，因此需要尽量保留放电声音信号中重要的频谱分量。
(4)跨步电压法，适用于直埋电缆外层护套绝缘故障的故障定点，此故障下难以产生放电声音，声磁同步法不适用。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)检测方法和实现功能单一，没有采取抑制外界干扰的措施，信号处理能力弱，整体效率不高。
(2)传统检测方法应用场景稀少；无法有效解决采用声磁同步法时冲击放电声音信号被背景噪声干扰造成无法有效检测电缆故障点。
解决以上问题及缺陷的难度为：要实现对磁场、声音、电位差等多种信号的实时检测和处理，并对处理结果进行实时显示及输出，同时要检测按键按下情况，根据用户输入实现相应功能及交互界面的转换，由于多任务且实时性要求较高单核心处理器难以实时完成，进而采用两个处理器分为上下位机来分解任务，为满足任务的实时性和处理器间数据的实时传输，加大了硬件设计和编程难度；电缆检测的现场环境复杂多样，存在诸多干扰，需要检测设备具有较强的抗干扰能力和较高的可靠性；对于电缆故障点冲击放电产生的声音信号，其本身能量比较微弱，再经过土壤等介质传播造成一定衰减，使得传声器接收到的信号非常微弱，加之周围背景噪声的干扰，增加了对冲击放电声音信号的检测难度，进而影响了故障点检测精度。解决以上问题及缺陷的意义为：综合电缆路径检测和电缆故障点检测方法于一体，根据检测需求快速切换，能够避免更换不同检测设备完成相应检测需求所耗费的时间，减少成本；实现声磁同步法和跨步电压法两种电缆故障点检测方法，能够应对电缆高阻及闪络性故障和外层护套绝缘故障的定点检测；结合模拟信号调理和数字信号处理，能够提高系统的抗干扰能量和检测精度；采用多频带谱减法实现声音信号的背景降噪，在削弱混合的背景噪声的同时，尽量保证声音信号频谱的完整性，改善人耳测听到的放电声音的效果，提高对放电声音的辨识度，同时能够使采用频带方差特征判断放电声音信号的起始端点更准确，进而使计算的声磁时间差值更稳定，提高检测效果。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种一体式综合地下电缆维护检测方法、检测系统及检测仪器。
本发明是这样实现的，一种一体式综合地下电缆维护检测方法，包括：
对接收的电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号进行处理，对处理后的磁场信号、声音信号和泄露电流信号再进行一体式的电缆路径检测、电缆故障点检测。
进一步，所述电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号的接收方法包括：通过三个高频磁耦合传感器接收电缆的磁场信号及故障点冲击放电产生的磁场信号，通过一个传声器接收声音信号，通过两个金属探针接收泄露电流在地表形成的电位差信号；
所述三个高频磁耦合传感器中第一高频磁耦合传感器环心轴线垂直于下位机核心板卡布置，接收垂直方向上的磁场信号，第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器环心轴线平行于下位机核心板卡布置，接收水平方向上的磁场信号，所述下位机核心板卡在检测时与被测地表面平行放置。
进一步，所述电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号处理方法包括：
(1)接收的两个水平方向上和一个垂直方向上的三路磁场信号通过下位机核心板卡进行滤波、放大处理后传输至A/D模数转换单元，A/D模数转换单元将转换的数字信号传输至DSP处理器进行数字信号处理，采用IIR数字滤波算法对特定频率磁场信号进行提取，基于高频磁耦合传感器的布置特点及其理论公式推导和计算方法，得到地埋电缆的位置信息，并通过USB将处理结果传送到上位机核心板卡，然后上位机核心板卡将接收到的数据通过LCD显示屏进行实时显示；
(2)接收的水平方向上和垂直方向上的两路磁场信号和一路声音信号通过下位机核心板卡进行滤波、放大处理后传输至A/D模数转换单元，A/D模数转换单元将转换的数字信号传输至DSP处理器进行数字信号处理，采用多频带谱减算法对声音信号进行背景降噪处理，采用频带方差特征判断放电声音信号的起始端点，并计算磁场信号强度、声音信号能量和声磁时间差，然后通过USB 将处理结果传送到上位机核心板卡，上位机核心板卡将接收到的磁场信号强度、声音信号能量和声磁时间差数据通过LCD显示屏进行实时显示，将接收到的声音信号数据发送到音频输出模块，通过耳机进行播放；
(3)接收的电位差信号通过上位机核心板卡进行隔离放大处理后传输至 A/D模数转换单元，A/D模数转换单元将转换的数字信号传输至DSP处理器进行数字信号处理，得到电位差信号的脉冲波形和信号强度，并通过LCD显示屏进行实时显示。
进一步，所述步骤(1)中，所述IIR数字滤波采用级联型IIR带通滤波，所述特定频率由路径检测时注入电缆中正弦信号的频率确定，所述基于高频磁耦合传感器的布置特点及其理论公式推导和计算方法包括：电缆左右位置的判断、检测仪器与电缆路径偏转夹角计算；
所述电缆左右位置的判断，是通过第一高频磁耦合传感器和第二高频磁耦合传感器的组合实现的；当电缆中通有电流I时，在距电缆水平距离x和垂直距离h空间处的一点产生的磁场强度在水平方向上和垂直方向上的磁场强度分量分别为：
其中，u0为真空中介质的磁导率，u0＝4π×10-7H/m；
检测仪器与电缆路径偏转夹角计算是通过第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的组合实现的；当检测仪器位于地下电缆的正上方时，第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器产生的感应电动势分别为：
其中，N2和N3分别是第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的线圈匝数，S2和S3分别是第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的线圈截面积，h为第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器到电缆的垂直距离，x为第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器到电缆的水平距离，θ2和θ3分别为第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器与电缆之间的夹角；
由于将第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器按其环心轴线相互垂直布置，则θ2和θ3的关系为：
θ2+θ3＝90°；
那么，由上式得到：
第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的线圈匝数和线圈截面积相等，则检测仪器与电缆的夹角为：
进一步，所述步骤(2)中，所述多频带谱减算法对声音信号进行背景降噪处理中，加窗处理的窗函数为汉明窗，窗长为256个数据点，前导无声段为初始采样声音信号的前10帧数据，采用梅尔刻度，将一帧声音信号频谱分成4个子频带；
采集的故障点冲击放电产生带噪声音信号为y(n)，n为采样点数，加窗处理后得到第i帧信号为yi(n)，做离散傅里叶变换DFT后为Yi(k)(k＝0,1,…,M-1)，其中M为帧长，幅值为|Yi(k)|，前导无声段的噪声平均能量为
将声音信号频谱分成N个不重叠的频带，每个频带内进行谱减：
式中bj、ej分别表示第j个频带的起始频率和截至频率，
为谱减后的功率谱，δj为第j个频带的调整因子，αj为第j个频带的过减因子，值根据该频带的信噪比进行计算：
SNRj为第j个频带的信噪比，计算公式如下：
对于谱减后出现负值的功率谱按下式进行处理：
式中β为补偿因子。
进一步，所述步骤(2)中，所述频带方差特征判断放电声音信号的起始端点，是利用第i帧多频带谱减法去噪后的频谱
计算第i帧频谱方差Di：
其中Ei是第i帧频谱的平均值：
进一步，所述电缆路径检测方法采用电磁法，采用968Hz或9.36kHz或 81.75kHz其中之一的频率的正弦信号作为信号源注入被测电缆，通过第一高频磁耦合传感器和第二高频磁耦合传感器的组合检测电缆左右位置，通过第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的组合测量检测仪器与地下电缆的夹角，实现罗盘功能；
所述电缆故障点检测方法包括声磁同步法电缆故障点检测和跨步电压法电缆故障点检测；
所述声磁同步法电缆故障点检测方法包括：采用高压激励脉冲信号作为信号源通入被检查电缆，在电缆故障点被高压激励脉冲信号击穿时产生冲击放电磁场信号和冲击放电声音信号，通过磁棒线圈采集电磁场信号，通过压电传感器采集声音信号；通过检测到冲击放电磁场信号与检测到冲击放声音信号之间的时间差的大小以及测听到的冲击放声音的大小，判断距离电缆故障点的远近；
所述跨步电压法电缆故障点检测方法包括：采用高压激励脉冲信号作为信号源通入被检查电缆，通过金属探针A和B相距距离0.5-1.2m插入地面并沿电缆路径方向依次检测，移动探针过程中保持探针A和B的插入顺序不变；当把金属探针A和B放在信号发射端和故障点之间，故障点冲击放电时在金属探针 A和B之间形成的电位差为固定相位的瞬态衰减信号，采集的数据经过信号处理得到该瞬态衰减信号的信号强度和相位信息进而确定信号波形，通过仪器显示信号强度和波形；相同条件下，当把金属探针A和B放在故障点和电缆终端之间，仪器显示的波形极性翻转，根据检测的信号强度判断故障点相对测试点的方向，根据信号波形的极性变化情况判断故障点位置，当前后两次显示波形发生翻转，可以确定故障点位于两次测试点之间。
本发明的另一目的在于提供一种一体式综合地下电缆维护检测系统包括：
三个高频磁耦合传感器，为带铁氧体磁芯线圈，动态量程大于110dB，用于接收电缆的磁场信号及故障点冲击放电产生的磁场信号；
传声器，为压电式传声器，动态量程大于104dB，用于采集声音信号；
两个金属探针，用于与上位机的探针接口相连接，接收泄露电流在地表形成的电位差信号；长为150mm。
耳机，将接收到的音频信号进行播放；
上位机核心板卡，将接收到的数据进行处理和实时显示；
下位机核心板卡，用于接收三路磁场信号、一路声音信号并通过模拟信号调理和数字信号处理后将处理结果传输至上位机核心板卡。
进一步，所述上位机核心板卡包括：
金属探针接口，用于连接金属探针；
隔离放大单元，用于隔离和放大金属探针采集的电位差信号；
A/D模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；
DSP处理器，用于工作模式设置，电位差信号处理，以及接收下位机信号处理的结果，控制和协调上位机其它模块；
LCD显示模块，用于显示人机交互界面以及各工作模式下的检测结果；
按键模块，用于操作人机交互界面；
音频输出模块，用于声音信号输出；
电源模块，为上位机其它模块供电；
所述下位机核心板卡包括：
滤波放大单元，用于滤除高频干扰和放大高频磁耦合传感器采集的磁场信号和压电传感器采集的声音信号；
A/D模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；
DSP处理器，用于处理高频磁耦合传感器采集的磁场信号和压电传感器采集的声音信号，接收上位机下传的命令以及将处理结果传输至上位机，控制和协调下位机其它模块；
电源模块，为下位机其它模块供电。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述一体式综合地下电缆维护检测方法的一体式综合地下电缆维护检测仪器。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述一体式综合地下电缆维护检测方法，包括：对接收的电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号进行处理，对处理后的磁场信号、声音信号和泄露电流信号再进行一体式的电缆路径检测、电缆故障点检测。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明综合利用电缆的感应电磁场信号及其故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号实现电缆路径检测、声磁同步法电缆故障点检测和跨步电压法电缆故障点检测一体式的地下电缆维护检测方法；通过高频磁耦合传感器接收磁场信号；通过压电式传声器接收声音信号；通过一对金属探针接收泄露电流在地表形成的电位差信号；结合模拟信号调理和数字信号处理的方法，采用IIR数字滤波实现对特定频率磁场信号的提取，采用多频带谱减算法实现声音信号的背景降噪，采用频带方差特征判断放电声音信号的起始端点。本发明综合多种信号采集与处理方法，实现一体式电缆维护检测仪器，信号处理能力强、抗干扰性好、检测精度高。
相比于现有技术，本发明的优点进一步包括：
本发明综合利用电缆的感应电磁场信号及其故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号实现一体式的电缆路径检测、声磁同步法电缆故障点检测和跨步电压法电缆故障点检测，使得本发明较于传统单一功能的路径仪、定点仪具有更多的应用场景；通过简单的操作即可切换成不同的工作模式，以便针对不同的检测需求快速切换到对应的方法进行检测；采用模拟信号调理和数字信号处理使得仪器具有较强的抗干扰能力和信号处理能力；采用IIR数字滤波算法对特定频率磁场信号进行提取，能够有效排除其它频率磁场信号的干扰，如50Hz工频干扰；采用多频带谱减算法实现背景降噪结合频带方差特征判断放电声音信号的起始端点，能够有效解决采用声磁同步法时冲击放电声音信号被背景噪声干扰造成无法有效检测电缆故障点的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测系统示意图。
图3是本发明实施例提供的判断电缆左右位置的方法示意图。
图4是本发明实施例提供的计算检测仪器与电缆路径偏转夹角的方法示意图。
图5是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测仪器上位机核心板卡工作流程图。
图6是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测仪器下位机核心板卡工作流程图。
图7是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测仪器电缆路径检测工作模式时现场采集的磁场信号。
图8是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测仪器跨步电压法工作模式时现场采集的电位差信号。
图9是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测仪器声磁同步法工作模式时现场采集的冲击放电磁场信号。
图10是本发明实施例提供的未经多频带谱减算法处理的冲击放电声音信号时域图和时频图。
图11是本发明实施例提供的声音信号未经降噪处理的频带方差值图。
图12是本发明实施例提供的声音信号经过多频带谱减法降噪处理的频带方差值图。
图13是本发明实施例提供的经过谱减算法处理的冲击放电声音信号时域图和时频图。
图14是本发明实施例提供的经过多频带谱减算法处理的冲击放电声音信号时域图和时频图。
图中：1、第一高频磁耦合传感器；2、第二高频磁耦合传感器；3、第三高频磁耦合传感器。
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。
现有技术检测方法和实现功能单一，没有采取抑制外界干扰的措施，信号处理能力弱，整体效率不高。传统检测方法应用场景稀少；无法有效解决采用声磁同步法时冲击放电声音信号被背景噪声干扰造成无法有效检测电缆故障点。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种一体式综合地下电缆维护检测方法、检测系统及检测仪器，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种一体式综合地下电缆维护检测方法，包括：
S101，对接收的电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号进行处理。
S102，对处理后的磁场信号、声音信号和泄露电流信号再进行一体式的电缆路径检测、电缆故障点检测。
所述电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号的接收方法包括：通过三个高频磁耦合传感器接收电缆的磁场信号及故障点冲击放电产生的磁场信号，通过一个传声器接收声音信号，通过两个金属探针接收泄露电流在地表形成的电位差信号。
所述三个高频磁耦合传感器中第一高频磁耦合传感器环心轴线垂直于下位机核心板卡布置，接收垂直方向上的磁场信号，第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器环心轴线平行于下位机核心板卡布置，接收水平方向上的磁场信号，所述下位机核心板卡在检测时与被测地表面平行放置。
本发明电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号处理方法包括：
(1)接收的两个水平方向上和一个垂直方向上的三路磁场信号通过下位机核心板卡进行滤波、放大处理后传输至A/D模数转换单元，A/D模数转换单元将转换的数字信号传输至DSP处理器进行数字信号处理，采用IIR数字滤波算法对特定频率磁场信号进行提取，基于高频磁耦合传感器的布置特点及其理论公式推导和计算方法，得到地埋电缆的位置信息，并通过USB将处理结果传送到上位机核心板卡，然后上位机核心板卡将接收到的数据通过LCD显示屏进行实时显示；
(2)接收的水平方向上和垂直方向上的两路磁场信号和一路声音信号通过下位机核心板卡进行滤波、放大处理后传输至A/D模数转换单元，A/D模数转换单元将转换的数字信号传输至DSP处理器进行数字信号处理，采用多频带谱减算法对声音信号进行背景降噪处理，并计算磁场信号强度、声音信号能量和声磁时间差，然后通过USB将处理结果传送到上位机核心板卡，上位机核心板卡将接收到的磁场信号强度、声音信号能量和声磁时间差数据通过LCD显示屏进行实时显示，将接收到的声音信号数据发送到音频输出模块，通过耳机进行播放；
(3)接收的电位差信号通过上位机核心板卡进行隔离放大处理后传输至 A/D模数转换单元，A/D模数转换单元将转换的数字信号传输至DSP处理器进行数字信号处理，得到电位差信号的脉冲波形和信号强度，并通过LCD显示屏进行实时显示。
所述步骤(1)中，所述IIR数字滤波采用级联型IIR带通滤波，所述特定频率由路径检测时注入电缆中正弦信号的频率确定，所述基于高频磁耦合传感器的布置特点及其理论公式推导和计算方法包括：电缆左右位置的判断、检测仪器与电缆路径偏转夹角计算；
所述电缆左右位置的判断，是通过第一高频磁耦合传感器和第二高频磁耦合传感器的组合实现的；当电缆中通有电流I时，在距电缆水平距离x和垂直距离h空间处的一点产生的磁场强度在水平方向上和垂直方向上的磁场强度分量分别为：
其中，u0为真空中介质的磁导率，u0＝4π×10-7H/m；
检测仪器与电缆路径偏转夹角的计算是通过第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的组合实现的；当检测仪器位于地下电缆的正上方时，第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器产生的感应电动势分别为：
其中，N2和N3分别是第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的线圈匝数，S2和S3分别是第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的线圈截面积，h为第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器到电缆的垂直距离，x为第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器到电缆的水平距离，θ2和θ3分别为第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器与电缆之间的夹角；
由于将第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器按其环心轴线相互垂直布置，则θ2和θ3的关系为：
θ2+θ3＝90° (3)；
那么，由上式得到：
第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的线圈匝数和线圈截面积相等，则检测仪器与电缆的夹角为：
所述步骤(2)中，所述多频带谱减算法对声音信号进行背景降噪处理中，加窗处理的窗函数为汉明窗，窗长为256个数据点，前导无声段为初始采样声音信号的前10帧数据，采用梅尔刻度，将一帧声音信号频谱分成4个子频带。
采集的故障点冲击放电产生带噪声音信号为y(n)，n为采样点数，加窗处理后得到第i帧信号为yi(n)，做离散傅里叶变换DFT后为Yi(k)为帧长， k＝0,1,…,M-1,M，幅值为|Yi(k)|，前导无声段的噪声平均能量为
将声音信号频谱分成N个不重叠的频带，每个频带内进行谱减：
式中bj、ej分别表示第j个频带的起始频率和截至频率，
为谱减后的功率谱，δj为第j个频带的调整因子，αj为第j个频带的过减因子，值根据该频带的信噪比进行计算：
SNRj为第j个频带的信噪比，计算公式如下：
对于谱减后出现负值的功劳谱按下式进行处理：
式中β为补偿因子。
所述步骤(2)中，所述频带方差特征判断放电声音信号的起始端点，是利用第i帧多频带谱减法去噪后的频谱
计算第i帧频谱方差Di：
其中Ei是第i帧频谱的平均值：
如图2所示，是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测系统包括：
第一高频磁耦合传感器、第二高频磁耦合传感器、第三高频磁耦合传感器、压电式传声器、金属探针A、金属探针B、耳机、上位机核心板卡、下位机核心板卡。
其中上位机核心板卡包括：金属探针接口、隔离放大单元、A/D数模转换单元、DSP处理器、电源模块、音频输出模块、按键模块、LCD显示模块；
其中下位机核心板卡包括：滤波放大单元、A/D数模转换单元、DSP处理器、电源模块。
上位机核心板卡和下位机核心板卡通过USB数据线连接，实现数据传输。
如图3所示，是本发明实施例提供的判断电缆左右位置的方法示意图。
如图4所示，是本发明实施例提供的计算检测仪器与电缆路径偏转夹角的方法示意图。
如图5所示，是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测仪器上位机核心板卡的工作流程图。
如图6所示，是本发明实施例提供的一体式综合地下电缆维护检测仪器下位机核心板卡的工作流程图。
下面结合具体应用中各工作模式下现场采集相应信号实现对应功能的原理及其应用效果作详细的描述。
(一)、电缆路径检测
如图7所示，是在电缆两侧各进行一次信号采集得到的数据，采用9360Hz 频率的正弦信号作为信号源通入被检查电缆，通过第一高频磁耦合传感器和第二高频磁耦合传感器的组合接收电缆周围产生的磁场信号的垂直分量H1和水平分量H2；在电缆的一侧，H1和H2的极性相同，如图7电缆右侧约50cm处采集的数据所示；在电缆的另一侧，H1和H2的极性相异，如图7电缆左侧约50cm 处采集的数据所示，依据这一特征实现电缆左右位置检测；通过第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器中产生的感应电动势ε2和ε3，按公式(5)计算检测仪器与电缆路径的偏转夹角。
(二)、跨步电压法电缆故障定点
如图8所示，是在电缆故障点两侧各进行一次信号采集得到的数据，采用 16kV高压激励脉冲信号作为信号源通入被检查电缆，在距电缆故障点约1m处的一侧，将金属探针A和B相距距离0.5-1.2m沿电缆路径方向插入地面(其中金属探针A在靠近故障点的一侧)，另一端与上位机的探针接口相连接，进行信号采集，从采集的数据中取12.5ms包含一个脉冲信号得到图8中的信号1；在距电缆故障点约1m处的另一侧，进行同样的操作，不同之处在于，此次金属探针 B在靠近故障点的一侧，及移动过程中保持金属探针A/B插入位置的顺序不变，从采集的数据中取12.5ms包含一个脉冲信号得到图8中的信号2。对比图8中的信号1和信号2，脉冲信号波形极性刚好相反，说明在故障点两侧检测的跨步电压信号波形极性会发生翻转，依据这一特征实现跨步电压法电缆故障点检测。
(三)、声磁同步法
如图9、10所示，是在电缆故障点约4m处采集的冲击放电磁场信号和冲击放电声音信号，其中图9为磁场信号，图10为未经背景降噪处理的声音信号。在进行数据采集时同样采用16kV高压激励脉冲信号作为信号源通入被检查电缆，在电缆故障点被高压激励脉冲信号击穿时产生冲击放电磁场信号和冲击放电声音信号，通过高频磁耦合传感器采集电磁场信号，通过压电传感器采集声音信号。通过计算冲击放电磁场信号和冲击放声音信号之间的时间差的大小以及测听到的冲击放声音的大小，来判断距离电缆故障点的远近。
下面通过对比实验，比较声音信号未经降噪处理、经过文献《冲击放电信息检测及其背景噪声抑制研究》中所采用的谱减法降噪处理和经过本发明所采用的多频带谱减算法降噪处理的时域波形及其时频图来进一步说明本发明的应用效果。
未经背景降噪处理的声音信号时域波形图和时频图如图10所示，通过16kV 高压激励脉冲信号击穿电缆故障点产生冲击放电声，距电缆故障点约4m处并在一定背景噪声的环境下进行声音信号数据的采集。从图10中的时频图可以看出整个时频谱上都充斥着噪声谱，降低了放电声的辨识度，从图11声音信号未经降噪处理的频带方差值图可以看出，噪声的存在使得放电声起止端点的频带方差值有较大的波动，从而造成计算的声磁时间差不稳定。经过文献《冲击放电信息检测及其背景噪声抑制研究》中所采用的谱减法降噪处理后声音信号的时域波形图和时频图如图13所示，从图中可以看出该算法能够有效去除背景噪声，但带来了“音乐噪声”的问题(时频图中随机分布的孤立的谱峰，这些峰值听起来就像帧与帧之间频率随机变化的多频音，一般被称为“音乐噪声”)；采用多频带谱减算法降噪处理后声音信号的时域波形及其时频图如图14所示，从图中可以看出该算法不仅能够有效去除背景噪声，而且不会产生扰人的“音乐噪声”，以获得更好的测听效果；将声音信号经过多频带谱减降噪处理后，计算的频带方差值如图12所示，去除了噪声干扰，使得放电声起止端点的频带方差值更平稳，从而使计算的声磁时间差值波动小，有利于对故障点位置的判定。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种一体式综合地下电缆维护检测方法，其特征在于，所述一体式综合地下电缆维护检测方法包括：对接收的电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号进行处理，对处理后的磁场信号、声音信号和泄露电流信号再进行一体式的电缆路径检测、电缆故障点检测。
2.如权利要求1所述的一体式综合地下电缆维护检测方法，其特征在于，所述电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号的接收方法包括：通过三个高频磁耦合传感器接收电缆的感应电磁场信号及故障点冲击放电产生的磁场信号，通过一个传声器接收声音信号，通过两个金属探针接收泄露电流在地表形成的电位差信号；
所述三个高频磁耦合传感器中第一高频磁耦合传感器环心轴线垂直于下位机核心板卡布置，接收垂直方向上的磁场信号，第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器环心轴线平行于下位机核心板卡布置，接收水平方向上的磁场信号，所述下位机核心板卡在检测时与被测地表面平行放置。
3.如权利要求1所述的一体式综合地下电缆维护检测方法，其特征在于，所述电缆的感应电磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号处理方法包括：
(1)接收的两个水平方向上和一个垂直方向上的三路磁场信号通过下位机核心板卡进行滤波、放大处理后传输至A/D模数转换单元，A/D模数转换单元将转换的数字信号传输至DSP处理器进行数字信号处理，采用IIR数字滤波算法对特定频率磁场信号进行提取，基于高频磁耦合传感器的布置特点及其理论公式推导和计算方法，得到地埋电缆的位置信息，并通过USB将处理结果传送到上位机核心板卡，然后上位机核心板卡将接收到的数据通过LCD显示屏进行实时显示；
(2)接收的水平方向上和垂直方向上的两路磁场信号和一路声音信号通过下位机核心板卡进行滤波、放大处理后传输至A/D模数转换单元，A/D模数转换单元将转换的数字信号传输至DSP处理器进行数字信号处理，采用多频带谱减算法对声音信号进行背景降噪处理，采用频带方差特征判断放电声音信号的起始端点，并计算磁场信号强度、声音信号能量和声磁时间差，然后通过USB将处理结果传送到上位机核心板卡，上位机核心板卡将接收到的磁场信号强度、声音信号能量和声磁时间差数据通过LCD显示屏进行实时显示，将接收到的声音信号数据发送到音频输出模块，通过耳机进行播放；
(3)接收的电位差信号通过上位机核心板卡进行隔离放大处理后传输至A/D模数转换单元，A/D模数转换单元将转换的数字信号传输至DSP处理器进行数字信号处理，得到电位差信号的脉冲波形和信号强度，并通过LCD显示屏进行实时显示。
4.如权利要求3所述的一体式综合地下电缆维护检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述IIR数字滤波采用级联型IIR带通滤波，所述特定频率由路径检测时注入电缆中正弦信号的频率确定，所述基于高频磁耦合传感器的布置特点及其理论公式推导和计算方法包括：电缆左右位置的判断、检测仪器与电缆路径偏转夹角的计算；
所述电缆左右位置的判断，是通过第一高频磁耦合传感器和第二高频磁耦合传感器的组合实现的；当电缆中通有电流I时，在距电缆水平距离x和垂直距离h空间处的一点产生的磁场强度在水平方向上和垂直方向上的磁场强度分量分别为：
其中，u0为真空中介质的磁导率，u0＝4π×10-7H/m；
检测仪器与电缆路径偏转夹角的计算是通过第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的组合实现的；当检测仪器位于地下电缆的正上方时，第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器产生的感应电动势分别为：
其中，N2和N3分别是第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的线圈匝数，S2和S3分别是第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的线圈截面积，h为第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器到电缆的垂直距离，x为第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器到电缆的水平距离，θ2和θ3分别为第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器与电缆之间的夹角；
由于将第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器按其环心轴线相互垂直布置，则θ2和θ3的关系为：
θ2+θ3＝90°；
那么，由上式得到：
第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的线圈匝数和线圈截面积相等，则检测仪器与电缆的夹角为：
5.如权利要求3所述的一体式综合地下电缆维护检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述多频带谱减算法对声音信号进行背景降噪处理中，加窗处理的窗函数为汉明窗，窗长为256个数据点，前导无声段为初始采样声音信号的前10帧数据，采用梅尔刻度，将一帧声音信号频谱分成4个子频带；
采集的故障点冲击放电产生带噪声音信号为y(n)，n为采样点数，加窗处理后得到第i帧信号为yi(n)，做离散傅里叶变换DFT后为Yi(k)(k＝0,1,…,M-1)，其中M为帧长，幅值为|Yi(k)|，前导无声段的噪声平均能量为
将声音信号频谱分成N个不重叠的频带，每个频带内进行谱减：
式中bj、ej分别表示第j个频带的起始频率和截至频率，
为谱减后的功率谱，δj为第j个频带的调整因子，αj为第j个频带的过减因子，值根据该频带的信噪比进行计算：
SNRj为第j个频带的信噪比，计算公式如下：
对于谱减后出现负值的功率谱按下式进行处理：
式中β为补偿因子。
6.如权利要求3所述的一体式综合地下电缆维护检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述频带方差特征判断放电声音信号的起始端点，是利用第i帧多频带谱减法去噪后的频谱
计算第i帧频谱方差Di：
其中Ei是第i帧频谱的平均值：
7.如权利要求1所述的一体式综合地下电缆维护检测方法，其特征在于，所述电缆路径检测方法采用电磁法，采用968Hz或9.36kHz或81.75kHz其中之一的频率的正弦信号作为信号源注入被测电缆，通过第一高频磁耦合传感器和第二高频磁耦合传感器的组合检测电缆左右位置，通过第二高频磁耦合传感器和第三高频磁耦合传感器的组合测量检测仪器与地下电缆的夹角，实现罗盘功能；
所述电缆故障点检测方法包括声磁同步法电缆故障点检测和跨步电压法电缆故障点检测；
所述声磁同步法电缆故障点检测方法包括：采用高压激励脉冲信号作为信号源通入被检查电缆，在电缆故障点被高压激励脉冲信号击穿时产生冲击放电磁场信号和冲击放电声音信号，通过磁棒线圈采集电磁场信号，通过压电传感器采集声音信号；通过检测到冲击放电磁场信号与检测到冲击放声音信号之间的时间差的大小以及测听到的冲击放声音的大小，判断距离电缆故障点的远近；
所述跨步电压法电缆故障点检测方法包括：采用高压激励脉冲信号作为信号源通入被检查电缆，通过金属探针A和B相距距离0.5-1.2m插入地面并沿电缆路径方向依次检测，移动探针过程中保持探针A和B的插入顺序不变；当把金属探针A和B放在信号发射端和故障点之间，故障点冲击放电时在金属探针A和B之间形成的电位差为固定相位的瞬态衰减信号，采集的数据经过信号处理得到该瞬态衰减信号的信号强度和相位信息进而确定信号波形，通过仪器显示信号强度和波形；相同条件下，当把金属探针A和B放在故障点和电缆终端之间，仪器显示的波形极性翻转，根据检测的信号强度判断故障点相对测试点的方向，根据信号波形的极性变化情况判断故障点位置，当前后两次显示波形发生翻转，可以确定故障点位于两次测试点之间。
8.一种实施权利要求1～7任意一项所述的一体式综合地下电缆维护检测方法的一体式综合地下电缆维护检测系统，其特征在于，所述一体式综合地下电缆维护检测系统包括：
三个高频磁耦合传感器，为带铁氧体磁芯线圈，动态量程大于110dB，用于接收电缆的磁场信号及故障点冲击放电产生的磁场信号；
传声器，为压电式传声器，动态量程大于104dB，用于采集声音信号；
两个金属探针，与上位机的探针接口相连接，用于接收泄露电流在地表形成的电位差信号；
耳机，将接收到的音频信号进行播放；
上位机核心板卡，将接收到的数据进行处理和实时显示；
下位机核心板卡，用于接收三路磁场信号、一路声音信号并通过模拟信号调理和数字信号处理后将处理结果传输至上位机核心板卡；
所述上位机核心板卡包括：
金属探针接口，用于连接金属探针；
隔离放大单元，用于隔离和放大金属探针采集的电位差信号；
A/D模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；
DSP处理器，用于工作模式设置，电位差信号处理，以及接收下位机信号处理的结果，控制和协调上位机其它模块；
LCD显示模块，用于显示人机交互界面以及各工作模式下的检测结果；
按键模块，用于操作人机交互界面；
音频输出模块，用于声音信号输出；
电源模块，为上位机其它模块供电；
所述下位机核心板卡包括：
滤波放大单元，用于滤除高频干扰和放大高频磁耦合传感器采集的磁场信号和压电传感器采集的声音信号；
A/D模数转换单元，用于将模拟信号转换为数字信号；
DSP处理器，用于处理高频磁耦合传感器采集的磁场信号和压电传感器采集的声音信号，接收上位机下传的命令以及将处理结果传输至上位机，控制和协调下位机其它模块；
电源模块，为下位机其它模块供电。
9.一种应用权利要求1～7任意一项所述一体式综合地下电缆维护检测方法的一体式综合地下电缆维护检测仪器。
10.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1～7任意一项所述一体式综合地下电缆维护检测方法，包括：对接收的电缆的磁场信号及电缆故障点冲击放电产生的磁场信号、声音信号和泄露电流信号进行处理，对处理后的磁场信号、声音信号和泄露电流信号再进行一体式的电缆路径检测、电缆故障点检测。
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