CN113049918A - 电缆多点软故障的故障程度评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
电缆多点软故障的故障程度评估方法及系统，解决了现有技术无法对电缆多点软故障的故障程度的进行准确评估的问题，本发明包括：输入待测电缆的S参数，确定待测电缆阻抗突变位置和数量，及阻抗突变位置在单一阻抗微变点条件下的散射参数矩阵，建立散射参数的数据集
d表示单一阻抗微变点的阻抗变化程度；利用
对S参数进行数据拟合，并计算拟合后的数值与实测S参数的误差，当误差超过设置的范围，改变d值进行下一次迭代，当误差在范围内，确定待测电缆中单一阻抗微变点条件下的散射矩阵特征Si；根据Si推导各个单一阻抗微变点处的反射系数，结合电缆的固有特征阻抗，计算各阻抗突变段的特征阻抗值。
Description
技术领域
本发明涉及一种电缆多点软故障的故障程度评估方法及系统，属于电缆软故障检测技术领域。
背景技术
电缆作为现代社会中信息和能量传输的重要载体，广泛应用于通信，电力传输，自动控制等领域。随着整个社会电气化和信息化程度的加深，电缆的使用量和使用场景也越来越广泛，以电缆和连接器构成的电气互联系统(EWIS)已经成为飞机、高铁列车组、汽车以及船舶等现代装备的重要子系统，负责装备中各子部分的能量与信号联通，EWIS的可靠性关乎整个系统和装备的安全性。而EWIS中的电缆常常敷设于管道内部，依据现有技术对其检测维护起来十分困难，其可靠性性难以得到有效保证。
EWIS中电缆的故障是一个长期的演化过程，往往是从电缆的擦伤和局部老化发展而来的，这一演化过程可能会持续数年之久，而一旦发展为硬故障将会立即引起系统故障甚至停机，造成严重的后果。电缆的故障可分为硬故障与软故障两种，硬故障包括短路与断路，其特点是立即引发系统故障，危害性强；软故障则不会立即产生严重后果，但是会进一步演化为硬故障，主要表现包括绝缘老化，外力挤压，擦伤等，是电缆安全运行的主要威胁。因此我们希望在电缆早期软故障的演化过程中对其故障程度进行准确评估，及时排除故障隐患，保证系统的可靠安全运行。
经过多年的技术发展，现在对电缆硬故障的定位与检测已经不存在困难，对于电缆早期软故障的检测也取得了长足的进步，但对早期软故障的检测只能实现对故障的检出，对故障程度的准确评估还存在困难。电缆故障程度是通过其故障处阻抗相比于电缆固有特征阻抗的变化率来表征的，目前故障程度的评估方法主要以反射法为主。使用时域反射法(TDR)时，脉冲发生器向待测电缆注入脉冲信号，然后使用高速数据采集卡记录入射信号和反射信号的信息，然后通过故障处对注入信号的反射强度来评估故障程度，但该方法仅在故障程度较大的情况下可行，当故障程度较低，电缆的阻抗变化率低，对信号的反射弱，同时反射信号受到衰减和背景噪声的影响，无法提取有效信息，最终导致无法实现故障程度的评估。因此急需一种新的技术方法来实现电缆故障程度的评估，在实际工程应用中，故障点往往是多发的，即一根电缆上存在不同位置的多个软故障点。从实际工程应用的需求出发，希望可以在软故障刚出现，故障程度微弱的情况下实现故障程度的评估，同时该方法还要具备对多个软故障点的故障程度评估。
发明内容
针对现有技术无法对电缆多点软故障的故障程度的进行准确评估的问题，本发明提供一种电缆多点软故障的故障程度评估方法及系统。
本发明的一种电缆多点软故障的故障程度评估方法，所述方法包括：
步骤一、输入待测电缆的S参数；
步骤二、根据S参数确定待测电缆阻抗突变位置和数量，并确定阻抗突变位置在单一阻抗微变点条件下的散射参数矩阵
并建立散射参数的数据集，i表示电缆中单一阻抗微变点的序号，d表示单一阻抗微变点的阻抗变化程度；
步骤三、利用步骤二建立的数据集
对实测的S参数进行数据拟合，并计算拟合后的数值与实测S参数的误差，当误差超过设置的误差范围，改变d值进行下一次迭代，当误差在允许范围内，确定待测电缆中各阻抗突变位置的散射参数作为单一阻抗微变点条件下的散射矩阵特征Si；
步骤四、根据步骤三中确定的散射矩阵特征Si，推导各个单一阻抗微变点处的反射系数|Γi|；
步骤五、根据步骤四中的反射系数|Γi|，结合电缆的固有特征阻抗，计算各阻抗突变段的特征阻抗值。
作为优选，所述步骤三中，拟合后的数值为：
αi为表示
的系数，Nf表示阻抗微变点的数量；
拟合后的数值与实测S参数的误差为：
S表示实测S参数的值。
作为优选，所述步骤三中，αi的值由最小二乘估计给出。
作为优选，步骤四中，反射系数|Γi|为：
其中，N为待测电缆的端口数量；τk为第k个测量端口至阻抗微变点处的传递函数。
作为优选，所述步骤五中，根据步骤四中的反射系数|Γi|，结合电缆的固有特征阻抗，计算各阻抗突变段的特征阻抗值，具体为：
Zf表示阻抗突变段的特征阻抗值，ZC表示电缆的固有特征阻抗。
作为优选，τk通过健康电缆的传输线模型获取。
作为优选，所述步骤一中，使用矢量网络分析仪获取待测电缆的S参数。
作为优选，所述步骤二中，根据S参数使用TDR和时间反演的方法确定待测电缆阻抗突变位置和数量。
作为优选，所述步骤二中，利用电缆传输线模型确定阻抗突变位置的单一阻抗微变点条件下的散射参数矩阵
本发明还提供一种计算机可读的存储设备，所述存储设备存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如上述方法。
本发明还提供一种电缆多点软故障的故障程度评估系统，包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序实现上述方法。
本发明的有益效果：本发明可以实现对阻抗微变点特征阻抗的估计，从而实现对电缆多点软故障的故障程度的进行准确的评估，这将为各种设备中电缆的维护工作带来极大的便利。通过定量化的数据评估分析，实现对电缆健康状态的详细掌握，使用该方法同样也可以实现对电缆性能退化程度的评估，这将有利于及早发现电缆的故障隐患，极大提高系统运行的可靠性与安全性。
附图说明
图1为电缆阻抗不连续时信号传输情况；
图2为本发明的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
对于一根完好的电缆，其任意段的特征阻抗都是一致的；当受到外部因素影响或者发生故障时，受影响的位置电缆结构和材料属性发生改变时，其特征阻抗发生改变。如图1所示是电缆阻抗不连续时的信号传输情况，其中ZC是电缆固有的特征阻抗，其只受电缆的结构和材料影响；Zf是不连续段的阻抗。信号在阻抗连续段传输不会有反射，当遇到阻抗不连续时，一部分信号会被反射，剩下的一部分则继续传输，信号的反射强度与阻抗的突变程度呈正相关性，其相关性如式(1)所示，因此可以通过反射信号与入射信号强度之比估计阻抗突变段的阻抗，但该方法比较依赖反射强度。
式(1)是阻抗微变为一个点的情况，此时信号进入不连续段和离开不连续段时间极短，以至于可以忽略，此时该电缆的散射(S)参数如式(2)所示。
式中，τ1和τ2分别为信号从1端口和2端口传输到故障点所需要的时间，ω为注入信号的角频率，因此散射参数的取决于阻抗突变的位置和阻抗突变的程度。
但实际上，阻抗突变段不可能是一个理想的点，因此必须考虑到信号进入和离开突变段时的两次散射现象，此时从端口看去的反射系数是式(1)的一个函数
Γf＝F(Γ0) (3)
同样地，此时S参数为
S参数仍然取决于阻抗突变的位置和阻抗变化程度，因此可以通过S参数进行相关计算，倒推计算出电缆不连续处的阻抗变化情况，实现电缆故障阻抗变化的准确评估。本实施方式实现故障处阻抗变化程度的准确估计。由于S参数可以进行连续频率测量，而且对电缆阻抗的细微变化十分敏感，因此通过S参数获取的信息比反射法获取的更丰富，使用S参数的方法灵敏度将会更高，可以实现对阻抗的微小变化进行估计，从而实现对电缆故障程度的评估。
为了实现电缆多点软故障的故障程度评估，需要先使用矢量网络分析仪对待测电缆进行测量，获取包含故障信息的S参数，然后将S参数输入到计算机处理器中，利用本实施方式所提出的方法计算并估计故障处的特征阻抗，从而实现电缆故障程度的评估，原理如图2所示，对存在于阻抗不连续的电缆，其S参数满足式(5)
其中，SG为电缆含有多个阻抗微变点(故障点)时的散射参数矩阵；Si为电缆仅含有第i个阻抗微变点时的散射参数矩阵；Nf为阻抗微变点数量。当且仅当故障类型均为软故障时，此关系成立。
电缆的S参数与阻抗不连续的位置及该处的阻抗变化程度直接相关。
本实施方式的电缆多点软故障的故障程度评估方法，包括：
步骤一、输入待测电缆的S参数，并输入几何尺寸以及拓扑结构等必要信息。
步骤二、根据S参数使用TDR和时间反演方法确定待测电缆阻抗突变位置和数量，并根据电缆传输线模型确定阻抗突变位置在单一阻抗微变点条件下的散射参数矩阵
并建立散射参数的数据集，i表示电缆中单一阻抗微变点的序号，d表示单一阻抗微变点的阻抗变化程度；
步骤三、利用步骤二建立的数据集
对实测的S参数进行数据拟合，并计算拟合后的数值与实测S参数的误差，当误差超过设置的误差范围，改变d值进行下一次迭代，即使用不同程度的阻抗变化结果进行拟合，当误差在允许范围内，确定待测电缆中各阻抗突变位置的散射参数作为单一阻抗微变点条件下的散射矩阵特征Si；
拟合后的数值为：
αi为表示
的系数，可由最小二乘估计给出，Nf表示阻抗微变点的数量；
拟合后的数值与实测S参数的误差为：
S表示实测S参数的值。
步骤四、根据步骤三中确定的散射矩阵特征Si，推导各个单一阻抗微变点处的反射系数|Γi|：
其中，N为待测电缆的端口数量；τk为第k个测量端口至阻抗微变点处的传递函数，可以通过健康电缆的传输模型获取。
步骤五、根据步骤四中的反射系数|Γi|，结合电缆的固有特征阻抗，计算各阻抗突变段的特征阻抗值，从而实现电缆的多点软故障的故障程度评估：
Zf表示阻抗突变段的特征阻抗值，ZC表示电缆的固有特征阻抗。
通过本实施方式的方法，可以实现对阻抗微变点特征阻抗的估计，从而实现对电缆多点软故障的故障程度的进行较为准确的评估，这将为各种设备中电缆的维护工作带来极大的便利。通过定量化的数据评估分析，实现对电缆健康状态的详细掌握，使用该方法同样也可以实现对电缆性能退化程度的评估，这将有利于及早发现电缆的故障隐患，极大提高系统运行的可靠性与安全性。
由于S参数具有式(5)所示的特性，因此本实施方式可以实现对电缆中多点软故障的故障程度评估，这相比于只能实现单点故障程度的评估是巨大的进步。而且，不同于TDR等反射法依靠脉冲信号的反射来获取故障信息，本实施方式使用S参数作为基础数据来源，S参数可以描述电缆在高频信号激励下的电气行为，而且通过扫频方式获取信息。在高频下，电参数R、L、C、G的细微变化将会引起阻抗的巨大变化，因此，相比TDR等方法，本实施方式基本不受故障程度影响，即使在故障程度微弱的情况下，S参数也可以获取较为全面的故障信息，然后通过本实施方式便可实现软故障的故障程度评估。
本申请还包括一种计算机可读的存储设备，存储设备存储有计算机程序，计算机程序被执行时实现如上述方法。本申请还包括一种电缆多点软故障的故障程度评估系统，包括存储设备、处理器以及存储在存储设备中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序实现如上述方法。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (11)
1.电缆多点软故障的故障程度评估方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、输入待测电缆的S参数；
步骤二、根据S参数确定待测电缆阻抗突变位置和数量，并确定阻抗突变位置在单一阻抗微变点条件下的散射参数矩阵
并建立散射参数的数据集，i表示电缆中单一阻抗微变点的序号，d表示单一阻抗微变点的阻抗变化程度；
步骤三、利用步骤二建立的数据集
对实测的S参数进行数据拟合，并计算拟合后的数值与实测S参数的误差，当误差超过设置的误差范围，改变d值进行下一次迭代，当误差在允许范围内，确定待测电缆中各阻抗突变位置的散射参数作为单一阻抗微变点条件下的散射矩阵特征Si；
步骤四、根据步骤三中确定的散射矩阵特征Si，推导各个单一阻抗微变点处的反射系数|Γi|；
步骤五、根据步骤四中的反射系数|Γi|，结合电缆的固有特征阻抗，计算各阻抗突变段的特征阻抗值。
2.根据权利要求1所述的电缆多点软故障的故障程度评估方法，其特征在于，所述步骤三中，拟合后的数值为：
αi为表示
的系数，Nf表示阻抗微变点的数量；
拟合后的数值与实测S参数的误差为：
S表示实测S参数的值。
3.根据权利要求1所述的电缆多点软故障的故障程度评估方法，其特征在于，所述步骤三中，αi的值由最小二乘估计给出。
4.根据权利要求1所述的电缆多点软故障的故障程度评估方法，其特征在于，步骤四中，反射系数|Γi|为：
其中，N为待测电缆的端口数量；τk为第k个测量端口至阻抗微变点处的传递函数。
5.根据权利要求1所述的电缆多点软故障的故障程度评估方法，其特征在于，所述步骤五中，根据步骤四中的反射系数|Γi|，结合电缆的固有特征阻抗，计算各阻抗突变段的特征阻抗值，具体为：
Zf表示阻抗突变段的特征阻抗值，ZC表示电缆的固有特征阻抗。
6.根据权利要求3所述的电缆多点软故障的故障程度评估方法，其特征在于，τk通过健康电缆的传输线模型获取。
7.根据权利要求1所述的电缆多点软故障的故障程度评估方法，其特征在于，所述步骤一中，使用矢量网络分析仪获取待测电缆的S参数。
8.根据权利要求1所述的电缆多点软故障的故障程度评估方法，其特征在于，所述步骤二中，根据S参数使用TDR和时间反演的方法确定待测电缆阻抗突变位置和数量。
9.根据权利要求1所述的电缆多点软故障的故障程度评估方法，其特征在于，所述步骤二中，利用电缆传输线模型确定阻抗突变位置的单一阻抗微变点条件下的散射参数矩阵
10.一种计算机可读的存储设备，所述存储设备存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至9任一所述方法。
11.一种电缆多点软故障的故障程度评估系统，包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序实现如权利要求1至9任一所述方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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