CN115134222B - 一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法 - Google Patents

一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法 Download PDF

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CN115134222B CN202211047103.4A CN202211047103A CN115134222B CN 115134222 B CN115134222 B CN 115134222B CN 202211047103 A CN202211047103 A CN 202211047103A CN 115134222 B CN115134222 B CN 115134222B
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Abstract

本发明公开一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，涉及电力设备故障搜索技术领域，解决的技术问题是无法精确的对电力设备故障点进行测距定位。采用的方法是：在电力设备区域内不同位置设置无线传感器作为锚节点，采用基于锚节点的接收信号强度指示测距和双程测距融合测距的故障定位算法确定电力设备故障点位置，当锚节点接收到故障点信号并通过RSSI计算距离值；当距离值小于10m时，记录通过RSSI所测量出的距离值；当距离值大于等于10m小于通信半径R时，采用TWR测距算法测量故障点距离值并记录下来。本发明提高了电力设备故障点定位的准确性。

Description

一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法
技术领域
本发明涉及电力设备故障搜索方法，具体涉及一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法。
背景技术
电力设备是保证配电网正常运行的重要部分，这些设备在运行过程中，一旦出现故障问题，直接影响电力电网的安全，严重时，出现电气火灾或者危及生命安全。尤其在高压开关柜中，当其内设置的一二次隔离开关、电压互感器、电流互感器、耦合器、绝缘子等部件出现故障时，将直接造成无法估计的严重后果，因此就需要及时对电力设备进行故障搜索测距定位。
现有技术在电力设备故障搜索测距定位方面，仍存在许多不足。基于到达时间（Time of Arrival，简称TOA）的测距定位技术原理是在无线传感器网络中通过给传感器节点配备红外线等测量仪器，利用信号的传播速度和节点信号发射端到接收端的传播数据的乘积，求出节点发送端到接收端的距离值，TOA方法简单，但是对硬件系统有较高的要求，并且容易受时钟误差的影响，影响测量距离准确性；基于锚节点的接收信号强度指示测距（Received Signal Strength Indication，简称RSSI）的测距定位技术通过计算从锚节点开始发送信号，到未知节点收到信号之间信号可能产生的损耗值，再利用计算出来的损耗值，将其换算成已知节点到未知节点的距离，本方法低成本，容易实现，但是容易受环境等因素的限制，结果波动大，稳定性差。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明公开一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，能够通过无线电波技术对电力设备故障进行搜索测距定位。
为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：
一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，包括以下步骤：
步骤一：在电力设备区域内不同位置设置无线传感器建立无线传感器网络，并把传感器作为锚节点，采用基于锚节点的接收信号强度指示测距（Received SignalStrength Indication，简称RSSI）和双程测距（Two-Way Ranging，简称TWR）融合测距的故障定位算法确定电力设备故障点位置；
步骤二：锚节点接收到故障点信号并通过RSSI计算距离值；
步骤三：当距离值小于10m时，记录通过RSSI所测量出的距离值；
步骤四：当距离值大于等于10m小于通信半径R时，采用TWR测距算法测量故障点距离值并记录下来。
所述基于锚节点的RSSI和TWR融合测距的故障定位算法具体流程如下：
在电力设备检测区域内，随机部署n个无线传感器建立可以覆盖电力设备检测区域的无线传感器网络，无线传感器锚节点表示为
Figure 922825DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 945008DEST_PATH_IMAGE002
，规定电力设备检测区域内的无线传感器都具有相同的通信半径R；当电力设备发生故障时，无线传感器进行发送无线电波，此时先采用RSSI测距算法对故障点进行距离测量，当故障点在锚节点通信范围内并且与锚节点的距离小于10m时，记录该距离值；无线电波信号在空气中传播的过程由于传播距离的变化，接收到的无线电波信号会有不同程度的衰减，RSSI无线电波信号衰减与传播距离之间的关系可以表示为：
Figure 862148DEST_PATH_IMAGE003
（1）
公式（1）中，
Figure 110727DEST_PATH_IMAGE004
表示无线电波信号传播距离为d时接收到的信号强度，即RSSI值单位为dBm；
Figure 771515DEST_PATH_IMAGE005
表示收发距离为
Figure 648204DEST_PATH_IMAGE006
时接收端接收到的信号强度，
Figure 205088DEST_PATH_IMAGE006
为参考距离，通常情况下为简化算法复杂度取
Figure 737700DEST_PATH_IMAGE007
；n表示路径损耗系数，随实际现场环境变化；
Figure 264496DEST_PATH_IMAGE008
为噪声变量，服从均值为0、标准差为
Figure 933375DEST_PATH_IMAGE009
的正态分布；根据RSSI无线电波信号衰减与距离之间的关系可以得到RSSI值与故障点距离之间的关系表达式：
Figure 395580DEST_PATH_IMAGE010
（2）
公式（2）中，
Figure 415489DEST_PATH_IMAGE011
表示RSSI算法中故障点与发送节点的距离；
当故障点在锚节点的通信范围内并且与锚节点的距离大于等于10m小于通信半径R时，采用TWR测距算法对故障点进行距离测量，
Figure 745976DEST_PATH_IMAGE012
(3)
公式（3）中，
Figure 472624DEST_PATH_IMAGE013
为TWR算法中故障点与锚节点之间的测量距离，
Figure 168047DEST_PATH_IMAGE014
为从锚节点发送无线电波信号到故障点接收无线电波信号并反馈回锚节点的总时间，
Figure 471990DEST_PATH_IMAGE015
为故障点从接收到无线电波信号到反馈无线电波信号的延迟时间，即故障点的数据处理时间，
Figure 278272DEST_PATH_IMAGE016
与故障点处理器时钟频率相关，c为无线电波在空气中的传输速度，即
Figure 125005DEST_PATH_IMAGE017
；由此可得：
Figure 725751DEST_PATH_IMAGE018
（4）
公式（4）中，
Figure 782568DEST_PATH_IMAGE019
为从锚节点发送无线电波信号到故障点接收无线电波信号并反馈回锚节点的真实总时间，
Figure 126962DEST_PATH_IMAGE020
为锚节点的时钟频偏；
Figure 828202DEST_PATH_IMAGE021
（5）
公式（5）中，
Figure 927745DEST_PATH_IMAGE022
为故障点从接收到无线电波信号到反馈无线电波信号的真实延迟时间，
Figure 409542DEST_PATH_IMAGE023
为故障点的时钟频偏；根据以上公式可得故障点与锚节点之间的真实距离为：
Figure 495309DEST_PATH_IMAGE024
（6）
公式（6）中，
Figure 113373DEST_PATH_IMAGE025
表示TWR算法中故障点与锚节点的真实距离。
在本发明进一步的技术方案中，所述无线传感器网络主要由无线传感器锚节点、移动通信网络和用户组成，无线传感器锚节点通过移动通信网络相连接，移动通信网络对无线传感器锚节点的数据信息进行收集，然后把从无线传感器锚节点收集到的数据信息传送到用户，用户对接收到的信息数据进一步处理分析；
所述无线传感器锚节点内部结构主要包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块。
在本发明进一步的技术方案中，对采集接收的无线电波信号运用小波阈值方法进行降噪处理，定义小波时必须满足以下两个条件；
Figure 395536DEST_PATH_IMAGE026
（7）
公式（7）中，
Figure 302312DEST_PATH_IMAGE027
为小波母函数，
Figure 988508DEST_PATH_IMAGE028
为无线电波信号点，
Figure 788974DEST_PATH_IMAGE029
为无线电波信号点集合；
Figure 902423DEST_PATH_IMAGE030
（8）
公式（8）中，
Figure 30916DEST_PATH_IMAGE031
为傅里叶变换，
Figure 520803DEST_PATH_IMAGE032
为小波函数；
在满足上述两个条件后，用
Figure 175776DEST_PATH_IMAGE033
表示尺度参数，
Figure 928968DEST_PATH_IMAGE034
表示位移参数，当
Figure 607074DEST_PATH_IMAGE035
且
Figure 697390DEST_PATH_IMAGE036
时，通过小波函数的伸缩与平移，可以获得以下函数：
Figure 144552DEST_PATH_IMAGE037
（9）
公式（9）称为依赖尺度参数、位移参数的连续小波，简称为小波，公式（9）中，
Figure 803066DEST_PATH_IMAGE033
表示尺度参数，
Figure 968468DEST_PATH_IMAGE034
表示位移参数，t表示任一时刻；
Figure 862475DEST_PATH_IMAGE038
的小波变换表示为：
Figure 367406DEST_PATH_IMAGE039
（10）
公式（10）中，
Figure 259138DEST_PATH_IMAGE033
表示尺度参数，
Figure 974153DEST_PATH_IMAGE034
表示位移参数，
Figure 343955DEST_PATH_IMAGE035
且
Figure 703392DEST_PATH_IMAGE040
，t表示任一时刻，
Figure 766026DEST_PATH_IMAGE041
为傅里叶变换；
小波变换具有良好的可逆性，小波逆变换可以表示为：
Figure 702758DEST_PATH_IMAGE042
（11）
公式（11）中，
Figure 345092DEST_PATH_IMAGE043
表示尺度参数，
Figure 621352DEST_PATH_IMAGE034
表示位移参数，
Figure 917204DEST_PATH_IMAGE035
且
Figure 278916DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 928203DEST_PATH_IMAGE044
为小波函数，t表示任一时刻，
Figure 324549DEST_PATH_IMAGE041
为傅里叶变换；
无线电波信号的噪声信号出现在高频区域，噪声能量对应着幅值较小的小波系数，要实现对噪声信号的剔除可选取适当的阈函数，将绝对幅值小于阈值的小波系数设置为0，将绝对幅值大于阈值的小波系数作为实际信号保持，再由阈值变换函数映射新估计的小波系数，最后通过小波逆变换获得降噪后的无线电波信号，阈值确定公式为：
Figure 463406DEST_PATH_IMAGE045
(12)
公式（12）中，
Figure 640310DEST_PATH_IMAGE046
为选取的阈值，
Figure 93288DEST_PATH_IMAGE047
表示含噪声信号经过小波分解后的小波系数，阈值函数保留所有绝对幅值大于阈值的信号，把绝对幅值小于阈值的信号设为0，从而实现噪声的剔除与原始信号的保护。
在本发明进一步的技术方案中，所述时钟频偏产生原因主要是由于无线电波发送点和无线电波接收点内部振荡器本身稳定性不一致，以及温度变化造成了时钟频率偏移。
在本发明进一步的技术方案中，所述传感器模块用于采集获得与故障点之间数据信息，传感器模块主要由传感器和模数转换器（analog to digital converter，简称ADC）组成，传感器用来收发无线电波信号，模数转换器用来对采集接收到的无线电波信号进行模数转换转换成数字信号。
在本发明进一步的技术方案中，所述处理器模块包括存储器和处理器两部分；存储器用来储存采集接收到的数据信息，处理器用来运行脚本处理收集采集到的信息。
在本发明进一步的技术方案中，所述无线通信模块包括声表谐振器、数据调制模块和发射模块；其中所述声表谐振器的输出端与数据调制模块的输入端连接，所述数据调制模块的输出端与发射模块的输入端连接；当声表谐振器在环境温度-25℃~+85℃之间变化时，频率漂移为3ppm/℃；数据调制模块采用幅移键控（Amplitude Shift Keying，简称ASK）调制，工作电压为3~12V；发射模块工作频率为315MHz，发射模块设置有数据调制三极管Q1和扩展集成电路。
在本发明进一步的技术方案中，所述电力设备主要包括发电机、电动机、变压器、断路器、熔断器、电力电缆、绝缘子、限流电抗器、避雷器。
本发明有益的积极效果在于：本发明提供了一种RSSI测距和TWR融合测距的方法，通过本发明方法，既降低了噪声对无线电波信号的干扰，又拓宽了测距范围，提高了对电力设备故障定位的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明搜索方法一种实施例流程图；
图2为本发明无线传感器网络结构示意图；
图3为本发明无线传感器锚节点内部结构示意图；
图4为本发明无线通信模块原理图；
图5为本发明小波阈值去噪前无线电波信号图像；
图6为本发明小波阈值去噪后无线电波信号图像。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法：
步骤一：在电力设备区域内不同位置设置无线传感器建立无线传感器网络，并把传感器作为锚节点，采用RSSI测距和TWR测距融合测距的故障定位算法确定电力设备故障点位置；
在具体实施例中，无线传感器网络是指由大量随机分布的集成了传感器单元、数据处理单元、通信单元和电源单元的微小节点并通过自由组织方式构成的分布式网络，其目的是借助于微小节点内置的各种传感器来远程监测所感兴趣的目标或对象，以进行任务感知、数据采集和处理，无线传感器网络中节点的自定位功能被认为是系统的基本功能之一，因此，无线传感器网络中节点定位技术已经成为无线传感器网络的基础支撑技术。一般而言，无线传感器网络的定位技术分为基于距离的定位和非基于距离的定位，基于距离的无线传感器节点定位技术一般分为两个阶段：首先是测量无线传感器网络中节点间的距离；然后根据节点间的距离和现有的传感器节点定位算法，计算出无线传感器网络中某节点的位置。因此，采用基于RSSI和TWR融合测距的故障定位方法属于无线传感器网络中基于距离的节点定位技术。
步骤二：锚节点接收到故障点信号并通过RSSI计算距离值；
在具体实施例中，RSSI是通过计算从发射端到接收端的信号强度损耗，由空间传播模型计算出信号传播的距离。本技术自身具备一定的通信能力，在进行测距计算的过程中无需借助复杂的硬件设备，可操作性强，易于实现，所以先采用RSSI算法计算到故障点的距离值。
步骤三：当距离值小于10m时，记录通过RSSI所测量出的距离值；
在具体实施例中，由于外界环境中多种因素的影响，RSSI测距算法路径损耗差异巨大，并且当故障点距离锚节点位置较远时，信号的传输功率衰减越快，但是RSSI算法对硬件要求不高，并且在近距离测量时，信号传输基本服从RSSI测距技术中所用的对数正态损耗规律，测量精度较高，所以当距离值小于10m时，记录保留用RSSI算法测得的距离值。
步骤四：当距离值大于等于10m小于通信半径R时，采用TWR测距算法测量故障点距离值并记录下来；
在具体实施例中，TWR测距算法在计算过程中不要求信号发射设备和接收设备时钟严格同步，降低了系统复杂度和成本，在远距离测量时具有较高的精确度，但在近距离测量时，易受到时钟误差影响，造成节点测距时存在较大的偏差，实验当距离值大于等于10m小于通信半径R时，采用TWR测距算法测量故障点距离值并记录下来。
所述基于锚节点的RSSI和TWR融合测距的故障定位算法具体流程如下：
在电力设备检测区域内，随机部署n个无线传感器建立可以覆盖电力设备检测区域的无线传感器网络，无线传感器锚节点表示为
Figure 344141DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 981795DEST_PATH_IMAGE002
，规定电力设备检测区域内的无线传感器都具有相同的通信半径R；当电力设备发生故障时，无线传感器进行发送无线电波，此时先采用RSSI测距算法对故障点进行距离测量，当故障点在锚节点通信范围内并且与锚节点的距离小于10m时，记录该距离值；无线电波信号在空气中传播的过程由于传播距离的变化，接收到的无线电波信号会有不同程度的衰减，RSSI无线电波信号衰减与传播距离之间的关系可以表示为：
Figure 318099DEST_PATH_IMAGE003
（1）
公式（1）中，
Figure 574768DEST_PATH_IMAGE004
表示无线电波信号传播距离为d时接收到的信号强度，即RSSI值单位为dBm；
Figure 680127DEST_PATH_IMAGE005
表示收发距离为
Figure 488683DEST_PATH_IMAGE006
时接收端接收到的信号强度，
Figure 46703DEST_PATH_IMAGE006
为参考距离，通常情况下为简化算法复杂度取
Figure 107063DEST_PATH_IMAGE007
；n表示路径损耗系数，随实际现场环境变化；
Figure 66929DEST_PATH_IMAGE008
为噪声变量，服从均值为0、标准差为
Figure 46386DEST_PATH_IMAGE009
的正态分布；根据RSSI无线电波信号衰减与距离之间的关系可以得到RSSI值与故障点距离之间的关系表达式：
Figure 357282DEST_PATH_IMAGE010
（2）
公式（2）中，
Figure 955754DEST_PATH_IMAGE011
表示RSSI算法中故障点与发送节点的距离；
在具体实施例中，RSSI是接收信号的强度指示，它的实现是在反向通道基带接收滤波器之后进行的。为了获取反向信号的特征，在RSSI的具体实现中做了如下处理：在104us内进行基带IQ功率积分得到RSSI的瞬时值；然后在约1秒内对8192个RSSI的瞬时值进行平均得到RSSI的平均值，即RSSI（平均）=sum（RSSI(瞬时）)/8192，同时给出1秒内RSSI瞬时值的最大值和RSSI瞬时值大于某一门限时的比率（RSSI瞬时值大于某一门限的个数/8192）。由于 RSSI是通过在数字域进行功率积分而后反推到天线口得到的，反向通道信号传输特性的不一致会影响RSSI的精度。RSSI是射频信号理论术语，主要应用于发射机和接收机之间的距离测量。该方法是依据接收信号能量强度确定距离，对通信信道参数要求较高。其测距理论是：依据无线电波或声波在介质中传输，信号功率是随传播距离衰减的原理。根据信标节点已知信号的发射功率和节点接收的信号功率，通过信号与距离之间的衰减模型，就可以计算出节点间的距离。由于信号传播的过程中，受到距离和障碍物的影响。信号的功率强度随之衰减，间接影响精度。所以要求得到良好的精度，短距离才会体现这一点。
当故障点在锚节点的通信范围内并且与锚节点的距离大于等于10m小于通信半径R时，采用TWR测距算法对故障点进行距离测量，
Figure 770126DEST_PATH_IMAGE012
(3)
公式（3）中，
Figure 186064DEST_PATH_IMAGE013
为TWR算法中故障点与锚节点之间的测量距离，
Figure 718676DEST_PATH_IMAGE014
为从锚节点发送无线电波信号到故障点接收无线电波信号并反馈回锚节点的总时间，
Figure 855259DEST_PATH_IMAGE015
为故障点从接收到无线电波信号到反馈无线电波信号的延迟时间，即故障点的数据处理时间，
Figure 789717DEST_PATH_IMAGE016
与故障点处理器时钟频率相关，c为无线电波在空气中的传输速度，即
Figure 48660DEST_PATH_IMAGE048
；由此可得：
Figure 865307DEST_PATH_IMAGE018
（4）
公式（4）中，
Figure 336739DEST_PATH_IMAGE049
为从锚节点发送无线电波信号到故障点接收无线电波信号并反馈回锚节点的真实总时间，
Figure 125704DEST_PATH_IMAGE020
为锚节点的时钟频偏；
Figure 617865DEST_PATH_IMAGE021
（5）
公式（5）中，
Figure 125070DEST_PATH_IMAGE022
为故障点从接收到无线电波信号到反馈无线电波信号的真实延迟时间，
Figure 869035DEST_PATH_IMAGE023
为故障点的时钟频偏；根据以上公式可得故障点与锚节点之间的真实距离为：
Figure 512506DEST_PATH_IMAGE024
（6）
公式（6）中，
Figure 441147DEST_PATH_IMAGE025
表示TWR算法中故障点与锚节点的真实距离。
在具体实施例中，TWR测距是对单个往返消息时间上的简单测量，从无线电波信号发送端主动发送无线电波信号到无线电波信号接收端，无线电波信号接收端返回无线电波信号响应无线电波信号发送端。无线电波信号发送端主动发送无线电波信号，同时记录发送时间戳，无线电波信号接收端接收到之后记录接收时间戳；延时之后，无线电波接收端发送无线电波信号，同时记录发送时间戳，无线电波发送端接收无线电波信号，同时记录接收时间戳。所以可以拿到两个时间差数据，无线电波信号发送端的时间差和无线电波信号接收端的时间差，最终得到无线信号的飞行时间，两个差值时间都是基于本地的时钟计算得到的，本地时钟误差可以抵消，但是不同设备之间会存在微小的时钟偏移，减去时钟偏移的影响，也就是真实时间差，从而求得距离值。
在本发明进一步的技术方案中，如图2所示，所述无线传感器网络主要由无线传感器锚节点、移动通信网络和用户组成，无线传感器锚节点通过移动通信网络相连接，移动通信网络对无线传感器锚节点的数据信息进行收集，然后把从无线传感器锚节点收集到的数据信息传送到用户，用户对接收到的信息数据进一步处理分析；
在具体实施例中，大量传感器节点随机部署在电力设备监测区域内，能够通过自组织方式构成无线传感器网络。传感器节点监测获得的无线电波信号通过互联网到达用户，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，收集监测到的无线电波信号并进行下一步计算得到故障点距离。
如图3所示，所述无线传感器锚节点内部结构主要包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块。
在本发明进一步的技术方案中，所述传感器模块用于采集获得与故障点之间数据信息，传感器模块主要由传感器和ADC组成，传感器用来收发无线电波信号，ADC用来对采集接收到的无线电波信号进行模数转换转换成数字信号。
在具体实施例中，传感器模块主要用来采集电力设备区域中的各种信息并进行转换，本发明中以采取转换无线电波信号为主，然后交给处理器模块进行下一步的处理。
在本发明进一步的技术方案中，所述处理器模块包括存储器和处理器两部分；存储器用来储存采集接收到的数据信息，处理器用来运行脚本处理收集采集到的信息。
在具体实施例中，处理器模块负责整个传感器节点的数据处理和操作，存储本节点的采集数据和其他节点发来的数据。
在本发明进一步的技术方案中，所述无线通信模块包括声表谐振器、数据调制模块和发射模块；其中所述声表谐振器的输出端与数据调制模块的输入端连接，所述数据调制模块的输出端与发射模块的输入端连接；当声表谐振器在环境温度-25℃~+85℃之间变化时，频率漂移为3ppm/℃；数据调制模块采用ASK调制，工作电压为3~12V；发射模块工作频率为315MHz，发射模块设置有数据调制三极管Q1和扩展集成电路。
在具体实施例中，无线传输模块用于将分析处理后的所述数字信号编码成数字数据并传输到用户，无线传输模块基于GPRS无线网络，提高标准串口，支持数据透明传输，实时在线/激活在线，远程复位，内嵌TCP/IP协议，无线传输模块的工作频率为315MHz，采用声表谐振器稳频，频率稳定性极高，当环境温度在-25℃~+85℃之间变化时，频率漂移仅为3ppm/℃，适合多发一收无线遥控及数据传输系统；发射模块未设置编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q1，这种结构使得它方便和其他固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码的工作电压和输出幅度信号值的大小；数据模块具有较宽的工作电压3~12V，当电压变化时发射频率基本不变，和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收；数据模块采用ASK方式调试，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则发射模块将不能正常工作；数据电平应接近数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果；发射模块最好垂直安装在主板的边缘应离开周围器件5mm以上，以免分布参数影响；模块的传输距离与调制信号频率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机的灵敏度，收发环境有关；图4为无线传输模块原理图。
在本发明进一步的技术方案中，所述能量供给模块的作用是负责给其他三个模块进行能量的供应，确保其他模块能够正常工作。
在具体实施例中，由于传感器节点的大小受到限制，能量供给模块一般选用微型电池对节点的工作进行供电，本发明不对此作要求。
在本发明进一步的技术方案中，对采集接收的无线电波信号运用小波阈值方法进行降噪处理，定义小波时必须满足以下两个条件；
Figure 170069DEST_PATH_IMAGE026
（7）
公式（7）中，
Figure 514463DEST_PATH_IMAGE027
为小波母函数，
Figure 481282DEST_PATH_IMAGE028
为无线电波信号点，
Figure 987349DEST_PATH_IMAGE029
为无线电波信号点集合；
Figure 797042DEST_PATH_IMAGE030
（8）
公式（8）中，
Figure 679548DEST_PATH_IMAGE031
为傅里叶变换，
Figure 235294DEST_PATH_IMAGE032
为小波函数；
在具体实施例中，传统傅里叶变换仅保留频域信号而丢失空间信息，小波函数基于傅里叶变换，在去除噪声时，可以提取保存对我们有用的信号，放大信号感兴趣的分量，减小不重要的分量，同时达到增强无线电波信号的目的。
在满足上述两个条件后，用
Figure 177842DEST_PATH_IMAGE033
表示尺度参数，
Figure 209252DEST_PATH_IMAGE034
表示位移参数，当
Figure 98711DEST_PATH_IMAGE035
且
Figure 571280DEST_PATH_IMAGE036
时，通过小波函数的伸缩与平移，可以获得以下函数：
Figure 12626DEST_PATH_IMAGE037
（9）
公式（9）称为依赖尺度参数、位移参数的连续小波，简称为小波，公式（9）中，
Figure 203436DEST_PATH_IMAGE050
表示尺度参数，
Figure 631006DEST_PATH_IMAGE034
表示位移参数，t表示任一时刻；
在具体实施例中，小波具有衰减性和波动性，尺度参数a的取值之间影响小波的快慢，以a>0为前提，以a=1，b=0为参照，当0<a<1时波形变窄变高，完成振荡所持续的时间变短、小波变快，越趋近于0速度越快；当a>1时，波形变宽变低，完成振荡所持续的时间变长、速度变慢，越趋近于无穷大时速度越慢；位移参数b的作用在于将小波中心移到需要研究的位置。
Figure 223662DEST_PATH_IMAGE038
的小波变换表示为：
Figure 835909DEST_PATH_IMAGE051
（10）
公式（10）中，
Figure 248435DEST_PATH_IMAGE052
表示尺度参数，
Figure 745276DEST_PATH_IMAGE053
表示位移参数，
Figure 254754DEST_PATH_IMAGE054
且
Figure 975586DEST_PATH_IMAGE055
，t表示任一时刻，
Figure 78671DEST_PATH_IMAGE056
为傅里叶变换；
小波变换具有良好的可逆性，小波逆变换可以表示为：
Figure 910361DEST_PATH_IMAGE057
（11）
公式（11）中，
Figure 274346DEST_PATH_IMAGE058
表示尺度参数，
Figure 166079DEST_PATH_IMAGE053
表示位移参数，
Figure 490881DEST_PATH_IMAGE054
且
Figure 126261DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 610332DEST_PATH_IMAGE059
为小波函数，t表示任一时刻，
Figure 672966DEST_PATH_IMAGE056
为傅里叶变换；
无线电波信号的噪声信号出现在高频区域，噪声能量对应着幅值较小的小波系数，要实现对噪声信号的剔除可选取适当的阈函数，将绝对幅值小于阈值的小波系数设置为0，将绝对幅值大于阈值的小波系数作为实际信号保持，再由阈值变换函数映射新估计的小波系数，最后通过小波逆变换获得降噪后的无线电波信号，阈值确定公式为：
Figure 485065DEST_PATH_IMAGE060
(12)
公式（12）中，
Figure 658557DEST_PATH_IMAGE061
为选取的阈值，
Figure 997134DEST_PATH_IMAGE062
表示含噪声信号经过小波分解后的小波系数，阈值函数保留所有绝对幅值大于阈值的信号，把绝对幅值小于阈值的信号设为0，从而实现噪声的剔除与原始信号的保护。
在具体实施例中，输入无线电波信号，对无线电波信号进行小波分解得到低频部分和高频部分（噪声细节部分），对高频部分进行阈值变换，就可以达到去噪增强无线电波信号的目的，再通过小波逆变换得到去噪后的无线电波信号。
在本发明进一步的技术方案中，所述时钟频偏产生原因主要是由于无线电波发送点和无线电波接收点内部振荡器本身稳定性不一致，以及温度变化造成了时钟频率偏移。
在具体实施例中，导致传感器处理数据所用时间不一样的因素有很多，传感器使用的环境包括温度、海拔、化学物质挥发、震动等都会对传感器处理数据速度产生影响，本发明中从传感器内部分析了时钟频偏产生的原因并对此进行纠正。
在本发明进一步的技术方案中，所述电力设备主要包括发电机、电动机、变压器、断路器、熔断器、电力电缆、绝缘子、限流电抗器、避雷器。
在具体实施例中，电力设备主要分为电力一次设备和电力二次设备，直接参与生产、变换、传输、分配和消耗电能的设备称为电气一次设备，主要有：进行电能生产和变换的设备，如发电机、电动机、变压器等；接通、断开电路的开关电器，如断路器、隔离开关、接触器、熔断器等；载流导体及气体绝缘设备，如母线、电力电缆、绝缘子、穿墙套管等；限制过电流或过电压的设备，如限流电抗器、避雷器等；互感器类设备：将一次回路中的高电压和大电流降低，供测量仪表和继电保护装置使用，如电压互感器、电流互感器。为了保护保证电气一次设备的正常运行，对其运行状态进行测量、监视、控制和调节等的设备称为电气二次设备。主要有各种测量表计，各种继电保护及自动装置，直流电源设备等。
本研究对于无线电波测距技术电力设备故障搜索设计的实验，通过在厂区布设足以覆盖电力设备区域的无线传感器网络，并分别采用TOA方法（方案一）、RSSI方法与基于RSSI测距和TWR融合测距的方法进行测量距离值，得到记录测量距离值与所测距离值之准确率，以及不同方法运行处理数据的速度，将实验结果汇总数据表，最终显示结果如表1所示：
表1无线电波测距技术能力测试表
无线传感器网络 数据量/个 准确率/% 处理速度/s
本发明 100 98.5 3.43
方案一 100 91 6.72
方案二 100 83 8.59
通过表1数据分析，本发明设计的电力设备故障点测距技术准确率高达98.5%，处理速度为3.43s；方案一的电力设备故障点测距技术准确率为91%，处理速度为6.72s；方案二的电力设备故障点测距技术准确率为83%，处理速度为8.59s。通过数据显示本发明测距准确度更高，速度更快。
通过滤波器显示小波阈值变换算法处理前后无线电波信号传输频率波形，对两种波形进行分析，进而验证本文研究的有效性，两种波形对比如图5、6所示；
图5中处理前滤波器显示传输波形存在正负两个方向的波动，一个波动周期为20s，每经过10s存在较大波动，即存在噪声扰动，分析可知扰动的最大频率为300Hz。图6为经过小波阈值变换处理后的波形显示，明显看出噪声干扰得到抑制，无线电波信号整体趋于稳定状态。根据实验效果可以得到运用小波阈值变换对无线电波信号去噪的优越性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一：在电力设备区域内不同位置设置无线传感器建立无线传感器网络，并把传感器作为锚节点，采用基于锚节点的接收信号强度指示测距和双程测距融合测距的故障定位算法确定电力设备故障点位置；
步骤二：锚节点接收到故障点信号并通过RSSI计算距离值；
步骤三：当距离值小于10m时，记录通过RSSI所测量出的距离值；
步骤四：当距离值大于等于10m小于通信半径R时，采用TWR测距算法测量故障点距离值并记录下来；
所述基于锚节点的RSSI和TWR融合测距的故障定位算法具体流程如下：
在电力设备检测区域内，随机部署n个无线传感器建立可以覆盖电力设备检测区域的无线传感器网络，无线传感器锚节点表示为
Figure 411254DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 559339DEST_PATH_IMAGE002
，规定电力设备检测区域内的无线传感器都具有相同的通信半径R；当电力设备发生故障时，无线传感器进行发送无线电波，此时先采用RSSI测距算法对故障点进行距离测量，当故障点在锚节点通信范围内并且与锚节点的距离小于10m时，记录该距离值；无线电波信号在空气中传播的过程由于传播距离的变化，接收到的无线电波信号会有不同程度的衰减，RSSI无线电波信号衰减与传播距离之间的关系可以表示为：
Figure 239719DEST_PATH_IMAGE003
（1）
公式（1）中，
Figure 182267DEST_PATH_IMAGE004
表示无线电波信号传播距离为d时接收到的信号强度，即RSSI值单位为dBm；
Figure 823464DEST_PATH_IMAGE005
表示收发距离为
Figure 103136DEST_PATH_IMAGE006
时接收端接收到的信号强度，
Figure 575705DEST_PATH_IMAGE007
为参考距离，通常情况下为简化算法复杂度取
Figure 892417DEST_PATH_IMAGE008
；n表示路径损耗系数，随实际现场环境变化；
Figure 83227DEST_PATH_IMAGE009
为噪声变量，服从均值为0、标准差为
Figure 635431DEST_PATH_IMAGE010
的正态分布；根据RSSI无线电波信号衰减与距离之间的关系可以得到RSSI值与故障点距离之间的关系表达式：
Figure 228087DEST_PATH_IMAGE011
（2）
公式（2）中，
Figure 715700DEST_PATH_IMAGE012
表示RSSI算法中故障点与发送节点的距离；
当故障点在锚节点的通信范围内并且与锚节点的距离大于等于10m小于通信半径R时，采用TWR测距算法对故障点进行距离测量，
Figure 456123DEST_PATH_IMAGE013
(3)
公式（3）中，
Figure 749701DEST_PATH_IMAGE014
为TWR算法中故障点与锚节点之间的测量距离，
Figure 134546DEST_PATH_IMAGE015
为从锚节点发送无线电波信号到故障点接收无线电波信号并反馈回锚节点的总时间，
Figure 855377DEST_PATH_IMAGE016
为故障点从接收到无线电波信号到反馈无线电波信号的延迟时间，即故障点的数据处理时间，
Figure 83096DEST_PATH_IMAGE017
与故障点处理器时钟频率相关，c为无线电波在空气中的传输速度，即
Figure 914786DEST_PATH_IMAGE018
；由此可得：
Figure 154137DEST_PATH_IMAGE019
（4）
公式（4）中，
Figure 373766DEST_PATH_IMAGE020
为从锚节点发送无线电波信号到故障点接收无线电波信号并反馈回锚节点的真实总时间，
Figure 760885DEST_PATH_IMAGE021
为锚节点的时钟频偏；
Figure 333949DEST_PATH_IMAGE022
（5）
公式（5）中，
Figure 755703DEST_PATH_IMAGE023
为故障点从接收到无线电波信号到反馈无线电波信号的真实延迟时间，
Figure 146233DEST_PATH_IMAGE024
为故障点的时钟频偏；根据以上公式可得故障点与锚节点之间的真实距离为：
Figure 958331DEST_PATH_IMAGE025
（6）
公式（6）中，
Figure 459720DEST_PATH_IMAGE026
表示TWR算法中故障点与锚节点的真实距离。
2.根据权利要求1所述的一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，其特征在于：
所述无线传感器网络主要由无线传感器锚节点、移动通信网络和用户组成，无线传感器锚节点通过移动通信网络相连接，移动通信网络对无线传感器锚节点的数据信息进行收集，然后把从无线传感器锚节点收集到的数据信息传送到用户，用户对接收到的信息数据进一步处理分析；
所述无线传感器锚节点内部结构主要包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块。
3.根据权利要求1所述的一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，其特征在于：
对采集接收的无线电波信号运用小波阈值方法进行降噪处理，定义小波时必须满足以下两个条件；
Figure 735980DEST_PATH_IMAGE027
（7）
公式（7）中，
Figure 907199DEST_PATH_IMAGE028
为小波母函数，
Figure 268910DEST_PATH_IMAGE029
为无线电波信号点，
Figure 308410DEST_PATH_IMAGE030
为无线电波信号点集合；
Figure 704756DEST_PATH_IMAGE031
（8）
公式（8）中，
Figure 46876DEST_PATH_IMAGE032
为傅里叶变换，
Figure 958200DEST_PATH_IMAGE033
为小波函数；
在满足上述两个条件后，用a表示尺度参数，b表示位移参数，当
Figure 739074DEST_PATH_IMAGE034
且
Figure 927610DEST_PATH_IMAGE035
时，通过小波函数的伸缩与平移，可以获得以下函数：
Figure 502948DEST_PATH_IMAGE036
（9）
公式（9）称为依赖尺度参数、位移参数的连续小波，简称为小波，公式（9）中，
Figure 635989DEST_PATH_IMAGE037
表示尺度参数，
Figure 954975DEST_PATH_IMAGE038
表示位移参数，t表示任一时刻；
Figure 263596DEST_PATH_IMAGE039
的小波变换表示为：
Figure 72152DEST_PATH_IMAGE040
（10）
公式（10）中，
Figure 895752DEST_PATH_IMAGE037
表示尺度参数，
Figure 690533DEST_PATH_IMAGE038
表示位移参数，
Figure 915978DEST_PATH_IMAGE041
且
Figure 895435DEST_PATH_IMAGE042
，t表示任一时刻，
Figure 940751DEST_PATH_IMAGE043
为傅里叶变换；
小波变换具有良好的可逆性，小波逆变换可以表示为：
Figure 539223DEST_PATH_IMAGE044
（11）
公式（11）中，
Figure 947071DEST_PATH_IMAGE045
表示尺度参数，
Figure 35112DEST_PATH_IMAGE038
表示位移参数，
Figure 505408DEST_PATH_IMAGE041
且
Figure 969887DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 966662DEST_PATH_IMAGE046
为小波函数，t表示任一时刻，
Figure 225605DEST_PATH_IMAGE043
为傅里叶变换；
无线电波信号的噪声信号出现在高频区域，噪声能量对应着幅值较小的小波系数，要实现对噪声信号的剔除可选取适当的阈函数，将绝对幅值小于阈值的小波系数设置为0，将绝对幅值大于阈值的小波系数作为实际信号保持，再由阈值变换函数映射新估计的小波系数，最后通过小波逆变换获得降噪后的无线电波信号，阈值确定公式为：
Figure 183197DEST_PATH_IMAGE047
(12)
公式（12）中，
Figure 451367DEST_PATH_IMAGE048
为选取的阈值，
Figure 302648DEST_PATH_IMAGE049
表示含噪声信号经过小波分解后的小波系数，阈值函数保留所有绝对幅值大于阈值的信号，把绝对幅值小于阈值的信号设为0，从而实现噪声的剔除与原始信号的保护。
4.根据权利要求1所述的一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，其特征在于：
所述时钟频偏产生原因主要是由于无线电波发送点和无线电波接收点内部振荡器本身稳定性不一致，以及温度变化造成了时钟频率偏移。
5.根据权利要求2所述的一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，其特征在于：
所述传感器模块用于采集获得与故障点之间数据信息，传感器模块主要由传感器和模数转换器组成，传感器用来收发无线电波信号，模数转换器用来对采集接收到的无线电波信号进行模数转换转换成数字信号。
6.根据权利要求2所述的一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，其特征在于：
所述处理器模块包括存储器和处理器两部分；存储器用来储存采集接收到的数据信息，处理器用来运行脚本处理收集采集到的信息。
7.根据权利要求2所述的一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，其特征在于：
所述无线通信模块包括声表谐振器、数据调制模块和发射模块；其中所述声表谐振器的输出端与数据调制模块的输入端连接，所述数据调制模块的输出端与发射模块的输入端连接；当声表谐振器在环境温度-25℃~+85℃之间变化时，频率漂移为3ppm/℃；数据调制模块采用幅移键控调制，工作电压为3~12V；发射模块工作频率为315MHz，发射模块设置有数据调制三极管Q1和扩展集成电路。
8.根据权利要求1所述的一种无线电波测距技术电力设备故障搜索方法，其特征在于：
所述电力设备主要包括发电机、电动机、变压器、断路器、熔断器、电力电缆、绝缘子、限流电抗器、避雷器。
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