CN115656709A

CN115656709A - 电缆故障检测方法及装置

Info

Publication number: CN115656709A
Application number: CN202211280069.5A
Authority: CN
Inventors: 万正浩; 周宁; 范亚林; 李明兵; 滕景忠; 王东民; 徐刚; 王连福
Original assignee: Beijing Hollysys Co Ltd
Current assignee: Beijing Hollysys Co Ltd
Priority date: 2022-10-19
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2023-01-31

Abstract

本申请公开了一种电缆故障检测方法及装置，该方法包括定期采样LEU报文输出接口的电压信号和电流信号；对所采集的电压信号和电流信号分别进行第一处理和第二处理；根据第一处理结果和第二处理结果计算电压信号与电流信号之间的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值；根据所述阻抗角、以及电压有效值和电流有效值判定电缆状态。该电缆故障检测方法及装置提高了电缆状态的检测准确度。

Description

电缆故障检测方法及装置

技术领域

本申请涉及故障检测技术领域，尤指一种电缆故障检测方法及装置。

背景技术

地面电子单元LEU(Lineside Electronic Unit)从列控中心或其他设备获得报文或信息，通过接口“C”将报文或信息传送给有源应答器。接口“C”作为LEU报文的输出接口，在功能上分为“C1”“C4”“C6”3个子接口。根据《TB/T 3485-2017应答器传输技术条件》规定，接口“C”适用的电缆最大长度为2500m。LEU应具备监测与有源应答器间电缆的开路和短路状态，并能通过串行通信接口向其他外部设备提供电缆故障信息。允许在LEU外部设备模块或部件，与LEU相配合完成长距离电缆状态检测功能。

目前LEU接口“C”电缆故障检测的主要方法为设置独立检测模块，与LEU相配合完成电缆状态检测。一方面，采用外置独立检测模块增加了系统构成的复杂度，提高了现场安装的施工难度。另外，部分独立检测模块的安装位置位于有源应答器端，工作环境位于室外轨旁。室外高低温，湿度及电磁干扰等复杂的工况大大提高了模块设计难度。而且在上述因素的影响下，模块工作寿命也会相应受到影响，长时间工作存在模块工作异常导致电缆状态上报错误的风险。另外，通过分析阻抗值的变化也是目前LEU电缆故障检测的方法之一。该方法无需配置独立的检测模块，且在电缆长度较短时，能够稳定判断电缆的开短路状态，但随着电缆长度的增加，由于电缆的衰减导致在开路、短路及正常条件下的阻抗值曲线存在一定程度的交叉，容易造成电缆状态误判。

发明内容

本申请提供了一种电缆故障检测方法及装置，能够降低电缆状态误判率，提高电缆状态的判断准确率。

本申请提供了一种电缆故障检测方法，应用于LEU报文输出接口，包括：定期采样LEU报文输出接口的电压信号和电流信号；对所采集的电压信号和电流信号分别进行第一处理和第二处理；

根据第一处理结果和第二处理结果计算电压信号与电流信号之间的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值；

根据所述阻抗角、以及电压有效值和电流有效值判定电缆状态。

在一种示例性的实施例中，根据所述阻抗角、以及电压有效值和电流有效值判定电缆状态，包括：

根据所述电压有效值和电流有效值判定电缆状态；

当根据所述电压有效值和电流有效值判定电缆状态初步判定出的电缆状态为正常后，根据所述阻抗角对电缆状态进行二次判定。

在一种示例性的实施例中，根据所述电压有效值和电流有效值判定电缆状态，包括：

当所述电流有效值小于或等于第一预设值时，判定电缆为开路状态；

当所述电流有效值大于或等于第二预设值时，判定电缆为短路状态；

当所述电压有效值小于或等于第三预设值时，判定电缆为短路状态；

当所述电流有效值大于第一预设值安培且小于第二预设值、所述电压有效值大于第三预设值时，判定电缆为正常状态。

在一种示例性的实施例中，根据所述阻抗角对电缆状态进行二次判定，包括：

当所述阻抗角介于第四预设值到第五预设值之间时，判定电缆处于短路状态；

当所述阻抗角介于第六预设值到第七预设值之间时，判定电缆处于开路状态；

当所述阻抗角不是介于第四预设值到第五预设值之间或介于第六预设值到第七预设值之间时，判定电缆处于正常状态。

在一种示例性的实施例中，当判定电缆处于短路或开路状态后，根据电缆短路或开路时刻的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值对所述电缆进行故障定位。

在一种示例性的实施例中，根据电缆短路或开路时刻的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值对所述电缆进行故障定位，包括：

将电缆短路或开路时刻的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值代入预设定位公式；

根据所述预设定位公式的输出结果对所述电缆进行故障定位。

在一种示例性的实施例中，对所采集的电压信号和电流信号分别进行第一处理，包括：

对所采集的电压信号和电流信号进行滤波；并将滤波后的电压信号和电流信号进行波形转换；其中波形转换包括正弦波转换成方波。

在一种示例性的实施例中，对所采集的电压信号和电流信号分别进行第二处理，包括：

对所采集的电压信号和电流信号依次分别进行滤波、信号放大、以及模数转换。

在一种示例性的实施例中，根据第一处理结果和第二处理结果计算电压信号与电流信号之间的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值，包括：

根据波形转换后的电压信号和电流信号计算电压信号与电流信号之间的阻抗角；

根据模数转换后的电压信号和电流信号计算电压有效值和电流有效值。

本申请提供了一种电缆故障检测装置，应用于LEU报文输出接口，包括：存储器和处理器；

所述存储器，设置为保存用于电缆故障检测的程序；

所述处理器，设置为读取所述用于电缆故障检测的程序，执行上述的电缆故障检测方法。

本申请包括以下优点：

本申请至少一个实施例通过对LEU接口“C的电压信号和电流信号进行回采并处理，并计算出处理后的电压信号和电流信号的有效值，以及阻抗角，综合三个参数来判断电缆的状态，降低了电缆状态误判率。

本申请实施例的一种实现方式中，可以在电缆发生故障后，对电缆的故障位置进行定位。

当然，实施本申请的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的电缆故障检测方法的流程图；

图2为本申请实施例的电流曲线的示意图；

图3为本申请实施例的电压曲线的示意图；

图4为本申请实施例的阻抗角曲线的示意图；

图5为本申请实施例的阻抗特性法的原理框图。

具体实施方式

图1为本申请实施例的电缆故障检测方法的流程图，如图1所示，本实施例的电缆故障检测方法，包括S11-S14步骤：

S11、定期采样LEU报文输出接口的电压信号和电流信号；

S12、对所采集的电压信号和电流信号分别进行第一处理和第二处理；

S13、根据第一处理结果和第二处理结果计算电压信号与电流信号之间的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值；

S14、根据所述阻抗角、以及电压有效值和电流有效值判定电缆状态。

在一种示例性的实施例中，采样频率可以为300kHZ，即采样间隔为1/300000秒。

根据所述电压有效值和电流有效值判定电缆状态，当根据所述电压有效值和电流有效值判定电缆状态初步判定出的电缆状态为正常后，根据所述阻抗角对电缆状态进行二次判定。

在一种示例性的实施例中，第一预设值可以为400毫安，第二预设值可以为800毫安，第三预设值可以为500毫伏。

例如，对于电压电流的有效值进行实时检测，通过有效值阈值区间判断较短线缆状态。当电流有效值小于400毫安时，算法判断后端线缆为开路状态(如图2电流曲线所示)；当电压有效值小于500毫伏时，算法判断后端线缆为短路状态(如图3电压曲线所示)；当电流大于800毫安时，算法判断线缆处于短路状态。

在一种示例性的实施例中，第四预设值为90度，第五预设值为110度，第六预设值为负140度，第七预设值为负100度。

例如，若电压电流没有处于故障状态的阈值区间，此时判断后端线缆较长，通过阻抗角的阈值区间判断较长线缆状态。当阻抗角位于90～110之间时，判断线缆处于短路状态；当阻抗角位于-140～-100之间时，判断线缆处于开路状态(如图4所示)。

若此时检测的电压电流有效值没有处于故障状态的阈值区间，且阻抗角的检测值没有处于故障状态的阈值区间，则判断线缆处于正常状态。

其中，预设定位公式为拟合公式，可以通过如下方式得到：

通过对电缆进行分段，每100m为一个单位长度。在每段单位长度的起始点和终点，采集电缆开路和短路的电压有效值，电流有效值及阻抗角参数，并对每单位长度的电缆参数进行线性拟合，得到不同长度下参数的拟合曲线。

举例说明，假设经过测试0m电缆开路时，采集的电流有效值为0毫安，100m电缆开路时，采集的电流有效值为50毫安，200m电缆开路时，采集的电流有效值150毫安。此时通过线性拟合，得到电流值与开路电缆长度的曲线公式：

y：电缆长度(单位：米)

x：电流值(单位：毫安)

电缆长度为0～100m：y＝2x，(0≤x＜50)

电缆长度为100～200m：y＝x+50，(50≤x＜150)

同理可以求出2.5km内每段电缆长度开路时电流有效值拟合曲线以及电压有效值和阻抗角的拟合曲线。

当电缆发生开路时，假设此时测试的电流值x1为80毫安，电流值位于50≤x＜150区间内，根据拟合曲线公式可知线缆开路位置与LEU设备距离y＝x+50＝80+50＝130m。

将此时测试的电压有效值x2代入按照相同方式代入电压有效值拟合曲线公式中，计算出电缆开路位置与LEU设备距离y2。同样将测试的阻抗角x3代入阻抗角拟合曲线公式中，计算出电缆开路位置与LEU设备距离y3。

通过求上述三个电缆长度的平均值，确定最终电缆发生开路的位置距LEU设备距离为：

y＝(130+y2+y3)/2

同理电缆发生短路时，通过相同的方式确定故障点到LEU设备的电缆长度。

当实际电缆发生开路或者短路时，将此时的测量结果代入拟合曲线，可以求得电缆发生故障得位置与LEU设备的距离。

本申请实施例通过对LEU接口“C的电压信号和电流信号进行回采并处理，并计算出处理后的电压信号和电流信号的有效值，以及阻抗角，综合三个参数来判断电缆的状态，降低了电缆状态误判率。

图5为本申请实施例的阻抗特性法的原理框图，如图5所示，阻抗特性法的原理框图包括隔离采样模块，阻抗角处理模块，信号放大模块，模数转换模块及运算处理模块。上述这些模块均位于LEU内部。

隔离采样模块实现对接口“C”输出的电压信号、电流信号回采。隔离采样模块分为隔离子单元和阻抗匹配子单元两部组成。隔离子单元采集处理电路与信号输出电路隔离，提高电路抗干扰能力。在信号采集过程中，阻抗匹配子单元能够最大限度的降低对于既有接口“C”信号输出的影响，同时减小信号采集的衰减和失真。

根据《TB/T 3485-2017应答器传输技术条件》中相关规定，LEU的C接口信号特性为：接口“C1”为上行链路数据输入，采用差分双相电平码“DBPL”编码方式，平均数据速率为564.48×(1±0.02％)kbit/s；接口“C6”为接口电源输入，信号为正弦波，频率为8.82kHz±0.1kHz。

信号放大模块由滤波子单元及放大子单元组成，实现对回采的电压电流信号进行滤波放大。滤波子单元采用低通滤波电路，将采样信号中的“C1”信号滤除，保留“C6”电源信号。放大子单元采用无限增益多路负反馈有源滤波放大电路，实现带通滤波放大功能。一方面带通滤波能够更好的输入信号噪声，提高电路工作效率；另一方面放大电路对输入信号提供较高的增益，便于后级电路信号的采集分析。

采用高精度模数转换芯片，通过高采样率对信号进行采集处理。不仅能够减小信号失真、提高电路精度，而且响应速度更快，提升电路工作的实时性。

阻抗角处理模块实现对电压电流信号的阻抗角计算。该模块由滤波子单元和阻抗角子单元组成。滤波子单元包含前后两级滤波电路。前级滤波电路为低通滤波，主要作用为滤除回采信号中的“C1”信号，保留“C6”电源信号；后级滤波电路为高通滤波，主要针对应用现场可能存在的高频耦合信号进行滤波，增强抗干扰能力，提高电路工作可靠性。阻抗角子单元对于滤波后的信号进行处理，将双端信号转换成为单端信号，并通过比较电路将正弦波转换成方波。

运算处理模块接收阻抗角处理模块及模数转换模块的处理结果，并通过阻抗特性算法判别电缆的工作状态，并在电缆发生开短路故障时对故障点进行定位。

根据《TB/T 3485-2017应答器传输技术条件》中规定：接口“C”所采用的电缆应符合TB/T 3100.6-2017要求。《TB/T 3100.6-2008铁路数字信号电缆第6部分应答器数据传输电缆标准》对接口“C”电缆类型及参数进行了规定和约束。表1给出了接口“C”电缆特征参数表。

根据均匀传输线理论，当电缆出现开路或短路时，此时阻抗特性只跟电缆本身相关。因此针对不同安装现场可采用统一的数学模型进行分析。

理想条件下，无损传输线开路时阻抗为：

理想条件下，无损传输线短路时阻抗为：

其中，Z₀为电缆特征阻抗，Z_L为负载特征阻抗，β为电缆传播常数中的相移常数，z为电缆长度。

表1接口“C”电缆特征参数表

根据上文中相关描述，阻抗特性法采集的“C6”信号为8.82kHz的正弦波，通过计算该信号工作波长λ＝C/f＝(3×108)/(8.82×103)＝34.013km。接口“C”电缆最长可支持2.5km，则电缆长度L位于0＜L＜λ/4区间。

电压电流曲线

本申请的发明人经研究发现，通过公式(1)(2)，在0＜L＜λ/4区间时，当电缆开路时，阻抗模值很大，此时电流很小但电压很大；反之当电缆短路时，阻抗模值很小，此时电流很大而电压很小；而当电缆正常时，阻抗模值居中，电流和电压值居中。由于电缆衰减因子的存在，在电缆长度较短时，电压电流特征明显，当电缆达到一定长度后(约1500m)，电流电压特征存在交叉，如图2、3所示。

该算法对于电压电流的有效值进行实时检测，通过有效值阈值区间判断较短线缆状态。当电流有效值小于400毫安时，算法判断后端线缆为开路状态(见图2电流曲线)；当电压有效值小于500毫伏时，算法判断后端线缆为短路状态(见图3电压曲线)；当电流大于800毫安时，算法判断线缆处于短路状态。

阻抗角曲线

同样根据公式(1)(2)阻抗计算结果，当电缆开路时，阻抗为负阻抗，电压和电流始终有90°相位差，在0<L<λ/4的区间内，电流超前电压；当理想条件下电缆短路时，阻抗为正阻抗，电压和电流始终有90°相位差，在0<L<λ/4的区间内，电压超前电流；当电缆正常时，阻抗特性受负载影响发生变化，阻抗角与电缆开路或短路区分开。由于电路负载由应答器加电缆共同组成，当电缆长度较短时，阻抗角受应答器影响大，阻抗角参数特征不明显，随着电缆长度的增加，电缆本身在电路负载中占比增加，阻抗角参数特征明显。如图4所示。

若此时电压电流没有处于故障状态的阈值区间，此时算法判断后端线缆较长，通过阻抗角的阈值区间判断较长线缆状态。当阻抗角位于90～110之间时，算法判断线缆处于短路状态；当阻抗角位于-140～-100之间时，算法判断线缆处于开路状态。

若此时检测的电压电流有效值没有处于故障状态的阈值区间，且阻抗角的检测值没有处于故障状态的阈值区间，算法判断线缆处于正常状态。

综上所述，采用阻抗特性法检测电缆状态时，对电压电流及阻抗角参数进行综合分析。当线缆距离较短时，采用电压电流特征区分电缆状态；当线缆距离较长时，采用阻抗角特征区分电缆状态。算法可实现自动识别电缆长度区间，选择合适参数进行运算。通过对电压电流及阻抗角参数综合分析的方法，规避了单一参数在实际应用中的局限性，提高了电缆状态判断结果的准确性。

线缆故障定位的核心思想为通过对线缆长度进行分段，并通过算法对阻抗特性参数进行分段曲线拟合。当线缆发生故障时，将实时检测的电压电流有效值及阻抗角代入拟合的曲线中，通过计算得出故障点线缆的长度。

例如，通过对电缆进行分段，每100m为一个单位长度。在每段单位长度的起始点和终点，采集电缆开路和短路的电压有效值，电流有效值及阻抗角参数，根据上文表1中对于电缆特性的规定，通过线缆衰减常数对数据进行校正，最终得到线缆每增加100m时的阻抗特性数据。然后将这些离散的点以100m为最小长度进行线性拟合，最终得到2.5km长度范围内电压电流有效值及阻抗角的拟合曲线对应的拟合公式。

假设经过测试0m电缆开路时，采集的电流有效值为0毫安，100m电缆开路时，采集的电流有效值为50毫安，200m电缆开路时，采集的电流有效值150毫安。此时通过线性拟合，得到电流值与开路电缆长度的曲线公式：

y：电缆长度(单位：米)

x：电流值(单位：毫安)

电缆长度为0～100m：y＝2x，(0≤x＜50)

电缆长度为100～200m：y＝x+50，(50≤x＜150)

y＝(130+y2+y3)/2

当线缆发生故障时，将故障时刻的电压电流有效值及阻抗角代入相应的拟合公式中，即可得到线缆发生故障的位置与LEU设备的距离。

本申请实施例的电缆故障检测方法是一种新的LEU接口“C”电缆故障检测方法，采用阻抗特性法在LEU内部实现接口“C”电缆的故障状态检测。阻抗特性法无需LEU外置独立模块，不仅能够正确识别电缆开路、短路及正常状态，并且电缆故障点定位功能。该方法支持的检测距离不小于3km，能够满足LEU设备的现场使用要求。

本申请还提供了一种电缆故障检测装置，应用于LEU报文输出接口，包括：存储器和处理器；

所述存储器，设置为保存用于电缆故障检测的程序；

本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。

此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims

1.一种电缆故障检测方法，应用于LEU报文输出接口，其特征在于，

定期采样LEU报文输出接口的电压信号和电流信号；对所采集的电压信号和电流信号分别进行第一处理和第二处理；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

根据所述阻抗角、以及电压有效值和电流有效值判定电缆状态，包括：

根据所述电压有效值和电流有效值判定电缆状态；

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

根据所述电压有效值和电流有效值判定电缆状态，包括：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

根据所述阻抗角对电缆状态进行二次判定，包括：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，

当判定电缆处于短路或开路状态后，根据电缆短路或开路时刻的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值对所述电缆进行故障定位。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，

根据电缆短路或开路时刻的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值对所述电缆进行故障定位，包括：

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

对所采集的电压信号和电流信号分别进行第一处理，包括：

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

对所采集的电压信号和电流信号分别进行第二处理，包括：

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

根据第一处理结果和第二处理结果计算电压信号与电流信号之间的阻抗角、以及电压有效值和电流有效值，包括：

10.一种电缆故障检测装置，应用于LEU报文输出接口，包括：存储器和处理器；其特征在于，

所述存储器，设置为保存用于电缆故障检测的程序；

所述处理器，设置为读取所述用于电缆故障检测的程序，执行如权利要求1-9中任一项的电缆故障检测方法。