CN115128404A - 一种非接触式电缆故障定位方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式电缆故障定位方法，解决了现有电缆故障检测复杂的问题，属于电缆故障检测技术领域。本发明包括：S1、激励信号

S2、将激励信号注入到待测电缆，同时测量反射信号；S3、反射信号为y_i(t)，构造与激励信号x_i(t)同频、同持续时间的估计函数y_iE(t)，对计算y_i(t)与y_iE(t)之间的欧式空间距离，距离最小值对应的y_iE(t)中的幅值和相位与反射信号的幅值及相位相等，根据反射信号的幅值及相位得到待测电缆的回波损耗参数S；S4、根据待测电缆的回波损耗参数S，进行故障定位。对多种电缆适用，降低了实现难度。

Description

一种非接触式电缆故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式电缆故障定位方法，属于电缆故障检测技术领域。

背景技术

电缆作为电能供给和信号传输的重要载体，被广泛用于电力、交通运输、航空航天和国防等领域。由于电缆主要负责对系统进行电能和信号传输，因此电缆工作正常与否将严重影响系统的工作状态，为了提高系统运行的可靠性与安全性，在电缆故障还未发展为短路或断路的故障早期对其进行检出与排出是必须的。

现阶段的电缆故障检测技术大部分都是接触式的，需要使用特定的电缆接头将测量仪器与待测电缆连接，且不同的电缆可能需要使用不同的接头，而且对于不同特征阻抗的电缆，为了保证测量精度，还需要设置复杂的阻抗变换电路，上述操作不仅增加了操作的复杂性，而且还增加了成本。

另一方面，现有的接触式故障检测技术通常需要使用阻抗分析仪、矢量网络分析仪、高精度传感器等昂贵的设备，这导致实现成本进一步增加，限制了该技术的发展与应用。

发明内容

针对现有电缆故障检测复杂的问题，本发明提供一种非接触式电缆故障定位方法。

本发明的一种非接触式电缆故障定位方法，包括：

S1、根据待测电缆，确定激励信号x_i(t)；

其中，A为信号幅值，f_i为第i个正弦信号的频率，θ_i为第i个正弦信号的初相，TD_i为第i个正弦信号的波形持续时间，L为第i和i+1个正弦波形的起始时间差，t为时间，

l_min、l_max分别为第一个引起反射的阻抗不连续点和电缆末端的长度，v_op表示电缆中电磁波的传输速度，t_step为时间步长分辨率，NP表示每个连续正弦信号的持续周期数；T_i为正弦波形的周期；

S2、将激励信号注入到待测电缆，同时测量反射信号；

S3、提取反射信号幅值和相位，得到待测电缆的回波损耗参数S₁₁；

反射信号y_i(t)为：

其中，B_i为反射信号的幅值，反射信号与激励信号之间的时间延迟为τ；

构造与激励信号x_i(t)同频、同持续时间的估计函数y_iE(t)：

式中，B_Ei为反射信号幅值的估计值，取值[0，A]，时间常数τ_i取值范围为[0，L-TD_i]；然后，对计算y_i(t)与y_iE(t)之间的欧式空间距离d_iE：

d_iE＝||y_i(t)-y_iE(t)||

d_iE的最小值对应的估计函数y_iE(t)中的幅值B_Ei和时间常数τ_i的值分别与反射信号的幅值B_i及时间延迟τ相等；

待测电缆的回波损耗参数S：

S4、根据待测电缆的回波损耗参数S，进行故障定位。

作为优选，S2、使用任意函数发生器将激励信号注入到待测电缆，同时利用数字示波器测量反射信号；其中，任意函数发生器通过电感耦合器将激励信号注入到待测电缆，反射信号通过电感耦合器输入至数字示波器。

本发明的有益效果，本发明将提出一种基于电感耦合器的非接触式电缆故障定位方法，不需要使用特定的接头即可实现检测信号的注入和测量，且对多种电缆适用，降低了实现难度。同时，本发明只需使用任意函数发生器和示波器即可实现测量信号的采集，相比于昂贵的阻抗分析仪和矢量网络分析仪，该方法大幅度降低了硬件成本。此外，相比于其他非接触式的故障检测方法，本发明可实现毫米(mm)级别的故障定位精度。综上，本发明具备较强的工程应用能力，有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为激励信号示意图；

图2为信号注入与测量系统结构；

图3为信号注入与测量方式示意图；

图4为耦合器测量得到的激励信号和反射信号，(a)为待测电缆端口1测量得到的，(b)为为待测电缆端口2测量得到的；

图5为反射信号估计结果，(a)为待测电缆端口1测量得到的，(b)为待测电缆端口2测量得到的；

图6为空间谱分布；

图7为峭度分布图；

图8为电缆沿线阻抗分布。

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。

本实施方式的基本原理：将电缆看作均匀传输线，当电缆出现故障时，故障点的特征阻抗将发生变化，出现阻抗不匹配，这将导致部分传输信号被反射，通过对反射信号进行测量和分析即可实现故障的检测与定位。可以在时域和频域对反射的信号进行测量和处理，相比于时域反射，频域反射的测量性能要更优，可以更好的反映特征阻抗的细微变化。本实施方式也是基于该原理，且本实施方式将在频域对反射信号进行操作，进而实现故障的检测。

本实施方式的一种非接触式电缆故障定位方法，包括：

步骤1、根据待测电缆，确定激励信号；

本实施方式将使用具有相同频率间隔的一系列正弦信号作为激励信号，其表达式如下：

其中，A为信号幅值，f_i为第i个正弦信号的频率，θ_i为第i个正弦信号的初相，TD_i为第i个正弦信号的波形持续时间，L为第i和i+1个正弦波形的起始时间差，t为时间；

激励信号示意图如图1所示。从图1可以看出，如果L过小或者TD_i过大会导致前一个激励的反射信号与后一个激励重叠，不利于后续数据处理。因此需要根据电缆的长度对L和TD_i进行约束性设计：

l_min、l_max分别为第一个引起反射的阻抗不连续点(即故障点)和电缆末端的长度，v_op表示电缆中电磁波的传输速度；

上述(2)所限定的TD_i虽然避免了信号的重叠，但是会造成正弦波形的截止位置不确定，导致后续处理难度加大。因此需要对其进行处理，使波形在过零处截止，即每个连续正弦信号的持续周期数NP总是1或者1.5的整数倍。因此有：

t_step为时间步长分辨率，NP表示每个连续正弦信号的持续周期数；T_i为正弦波形的周期。只要确定第一个正弦波形的周期数NP后，便可根据式(4)和(5)计算出剩余波形的周期数。

步骤2、将激励信号注入到待测电缆，同时测量反射信号；

步骤3、提取反射信号幅值和相位，得到待测电缆的回波损耗参数S₁₁；

当注入的激励信号遇到阻抗不连续点(故障点)，部分信号被反射，反射信号y_i(t)数学表达式如下：

其中，B_i为反射信号的幅值，反射信号与激励信号之间的时间延迟为τ；

可以表示为：

其中，l_o为信号反射点与注入点之间的距离，即故障距离。

上述为反射信号的理论表达式，但是数字示波器测量的是一系列离散点，无法直接获取反射信号的幅值B_i及与激励信号之间的时间延迟τ，因此需要对反射进行估计与处理来获取反射信号的幅值B_i及与激励信号之间的时间延迟τ。

从式(1)和(7)可知，激励信号和及其对应的反射信号同频且波形持续时间相同，二者区别在于幅值及波形起始时间点。因此反射信号的频率及持续周期数是可以根据激励信号直接得出，并构造与激励函数同频、同持续时间的估计函数：

式中，为反射B_Ei信号幅值估计值，取值[0，A]，时间常数τ_i取值范围为[0，L-TD_i]。然后对所用的正弦波形分别计算y_i(t)与y_iE(t)之间的欧式空间距离d_iE：

d_iE＝||y_i(t)-y_iE(t)|| (9)

然后d_iE的最小值对应的估计函数y_iE(t)，即为反射信号的最佳估计结果，由函数的幅值B_Ei和时间常数τ_i便可以得到反射信号的幅值B_i及与激励信号之间的时间延迟τ。

根据上述估计结果，并结合S参数的工程定义，可以得到待测电缆的回波损耗参数：

S4、对式(10)所示的参数进行进一步处理便可获取电缆故障点的位置及故障点的阻抗信息。

本实施方式中，步骤2使用任意函数发生器将激励信号注入到待测电缆，同时利用数字示波器测量反射信号；其中，任意函数发生器通过耦合器将激励信号注入到待测电缆，反射信号通过耦合器输入至数字示波器。

至于非接触式信号注入与测量，则是使用电感耦合器实现，耦合器和待测线缆构成一个变压器，即可实现激励信号的注入与反射信号的测量。

时间步长分辨率t_step为函数发生器采样率的倒数，根据电缆的实际情况、任意函数发生器的采样率和选择的信号频率范围，根据式(1)—(5)可以编程自动生成激励信号的时间函数数据点，而后将该数据文件写入任意函数发生器即可得到编写的激励信号。

在使用任意函数发生器阐述编辑的信号后，将信号通过电感耦合器耦合到待测电缆，并使用另一个电感耦合器与数字示波器连接的电感耦合器在信号耦合端采集电缆上的信号，任意函数发生器和数字示波器由处理器通过GPIB总线控制，处理器负责将编写的任意函数发送到任意函数发生器以产生激励信号，同时控制数字示波器采集信号并传输至处理器等待后续处理，系统配置如图2所示。

耦合器的安装方式分为图3所示的3种。(a)为通过耦合器向待测电缆的芯线耦合信号，待测电缆屏蔽层接地，且该地与任意函数发生器和示波器的地相同。(b)为待测电缆的芯线和屏蔽层构成回路，耦合器向此回路耦合信号。(c)为通过耦合器向待测电缆的屏蔽层耦合信号，待测电缆芯线接地，该地与函数发生器和示波器的地相同。上述3种耦合方式所耦合到电缆上的信号波形相同，差异在于信号的幅值，(b)的幅值最高，(a)和(c)相同。同时为了避免电缆末端的开路引起的强烈反射，可以在电缆末端接上匹配电阻。

在完成了对反射信号幅值和相位(与激励信号的时间差)的估计，并合成回波损耗后，可以进行故障检测与定位。具体的故障定位实现方法包括2种：快速傅里叶逆变换(IFFT)和时间反演多信号分类方法(TR-MUSIC)。

采用快速傅里叶逆变换时，步骤4包括：

采用TDR时域反射方法对回波损耗参数S进行处理，得到Z(t)：

TDR Z(t)＝Z_C×[(1+IFFT(A×S))/(1-IFFT(A×S))] (11)

式中，Z(t)表示待测电缆沿线阻抗随时间的分布，Z_C是待测电缆的特征阻抗，IFFT(·)表示快速傅里叶逆变换。由式(11)可得到电缆的阻抗随时间的分布曲线，结合波速v_op即得到待测电缆沿线的阻抗分布Z(x)：

Z(x)＝v_op×TDR Z(t) (12)

根据阻抗分布Z(x)不仅能获取电缆故障的位置，还能获取电缆故障点的特征阻抗，以此用于评估其故障程度。

使用IFFT只需使用单端测量即可实现故障检测与定位，但是要实现较高精度的故障定位和故障程度评估，需要较高的带宽。

采用时间反演多信号分类方法时，步骤4包括：

还可以使用时间反演多信号分类(TR-MUSIC)对式(10)的数据进行处理，进行故障定位。但这需要分别在电缆的两端各测量一次，然后合成两个端口的回波损耗。

利用步骤2和步骤3在待测电缆的两端各测量一次，端口1测量的反射信号，得到回波损耗参数s₁₁，端口2测量的反射信号，得到回波损耗参数s₂₂，并得到只保留相位信息的向量u_i：

式中，下标i＝1,2,…,N，N表示离散信号的采样长度；

然后，构造格林函数g_i(r)，并计算空间谱分布Φ(x)：

对所有频率下的空间谱求取空间的峭度分布K：

式中，r_i为离散信号值，

为信号均值，σ_t为采样信号的标准差；

将各频率分量的峭度分布相乘得到最终的峭度：

此时，峭度K_out的峰值所在位置即为故障位置。

该时间反演多信号分类方法可以轻松实现超分辨率，达到mm级的故障定位，但是该时间反演多信号分类方法并无法估计故障程度，可以将其与上述IFFT方法结合，即可实现高精度的故障定位，又能评估故障的严重程度。

实验：

以一根长度为51m的RG-58电缆为例，预设故障处距离端口1约20.5m。使用本发明所提方法在10-30MHz内构造激励信号，频率步长为0.1MHz，然后使用电感耦合器将函数发生器产生的激励信号通过图3(b)的方式注入到电缆，数字示波器测量得到激励信号和反射信号如图4所示。

然后使用步骤3的反射信号估计方法对其进行估计，估计效果如图5所示，其中实线为测量数据，点线为使用本发明所提方法估计的结果。可以看过估计结果十分良好。

并根据估计结果按照式(10)合成s₁₁和s₂₂，使用TR-MUSIC计算得到空间谱如图6所示。

进一步，对图6进行峭度分析，得到最终的峭度如图7所示，可以看到峭度峰值与故障位置的偏差仅为0.17m，实现了故障定位。

使用IFFT得到结果如图8所示。可以看出由于带宽比较窄，导致其故障定位的分辨率很低，但是其能粗略估计故障点的阻抗信息，将其与TR-MUSIC结合即可实现高精度故障定位与阻抗估计。

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 (9)

1.一种非接触式电缆故障定位方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、根据待测电缆，确定激励信号x_i(t)；

其中，A为信号幅值，f_i为第i个正弦信号的频率，θ_i为第i个正弦信号的初相，TD_i为第i个正弦信号的波形持续时间，L为第i和i+1个正弦波形的起始时间差，t为时间，

l_min、l_max分别为第一个引起反射的阻抗不连续点和电缆末端的长度，v_op表示电缆中电磁波的传输速度，t_step为时间步长分辨率，NP表示每个连续正弦信号的持续周期数；T_i为正弦波形的周期；

S2、将激励信号注入到待测电缆，同时测量反射信号；

S3、提取反射信号幅值和相位，得到待测电缆的回波损耗参数S₁₁；

反射信号y_i(t)为：

其中，B_i为反射信号的幅值，反射信号与激励信号之间的时间延迟为τ；

构造与激励信号x_i(t)同频、同持续时间的估计函数y_iE(t)：

式中，B_Ei为反射信号幅值的估计值，取值[0，A]，时间常数τ_i取值范围为[0，L-TD_i]；

然后，对计算y_i(t)与y_iE(t)之间的欧式空间距离d_iE：

d_iE＝||y_i(t)-y_iE(t)||

d_iE的最小值对应的估计函数y_iE(t)中的幅值B_Ei和时间常数τ_i的值分别与反射信号的幅值B_i及时间延迟τ相等；

待测电缆的回波损耗参数S：

S4、根据待测电缆的回波损耗参数S，进行故障定位。

2.根据权利要求1所述的非接触式电缆故障定位方法，其特征在于，

S2、使用任意函数发生器将激励信号注入到待测电缆，同时利用数字示波器测量反射信号；其中，任意函数发生器通过电感耦合器将激励信号注入到待测电缆，反射信号通过电感耦合器输入至数字示波器。

3.根据权利要求2所述的非接触式电缆故障定位方法，其特征在于，通过电感耦合器向待测电缆的芯线耦合信号，待测电缆屏蔽层接地，且该地与任意函数发生器和示波器的地相同。

4.根据权利要求2所述的非接触式电缆故障定位方法，其特征在于，待测电缆的芯线和屏蔽层构成回路，电感耦合器向此回路耦合信号。

5.根据权利要求2所述的非接触式电缆故障定位方法，其特征在于，通过电感耦合器向待测电缆的屏蔽层耦合信号，待测电缆芯线接地，该地与函数发生器和示波器的地相同。

6.根据权利要求1所述的非接触式电缆故障定位方法，其特征在于，任意函数发生器和数字示波器由处理器通过GPIB总线进行控制，处理器将任意函数发送到任意函数发生器以产生激励信号x_i(t)，数字示波器测量的反射信号发送至处理器。

7.根据权利要求1所述的非接触式电缆故障定位方法，其特征在于，所述S4包括：

采用TDR时域反射方法对回波损耗参数S进行处理，得到Z(t)：

TDR Z(t)＝Z_C×[(1+IFFT(A×S))/(1-IFFT(A×S))]

式中，Z(t)表示待测电缆沿线阻抗随时间的分布，Z_C是待测电缆的特征阻抗，IFFT(·)表示快速傅里叶逆变换。

得到待测电缆沿线的阻抗分布Z(x)：

Z(x)＝v_op×TDR Z(t)

根据阻抗分布Z(x)获取待测电缆故障位置及待测电缆故障点的特征阻抗。

8.根据权利要求1所述的非接触式电缆故障定位方法，其特征在于，所述S4包括：

利用S2和S3在待测电缆的两端各测量一次，端口1测量的反射信号，得到回波损耗参数s₁₁，端口2测量的反射信号，得到回波损耗参数s₂₂，并得到只保留相位信息的向量u_i：

式中，下标i＝1,2,…,N，N表示离散信号的采样长度；

然后，构造格林函数g_i(r)，并计算空间谱分布Φ(x)：

对所有频率下的空间谱求取空间的峭度分布K：

式中，r_i为离散信号值，

为信号均值，σ_t为采样信号的标准差；

将各频率分量的峭度分布相乘得到最终的峭度：

此时，峭度K_out的峰值所在位置即为故障位置。

9.根据权利要求1所述的非接触式电缆故障定位方法，其特征在于，

其中，l_o为信号反射点与注入点之间的距离，即故障距离。

Images