CN116626436A - 基于物联网技术的电缆故障定位检测系统 - Google Patents

基于物联网技术的电缆故障定位检测系统 Download PDF

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CN116626436A CN202310376783.2A CN202310376783A CN116626436A CN 116626436 A CN116626436 A CN 116626436A CN 202310376783 A CN202310376783 A CN 202310376783A CN 116626436 A CN116626436 A CN 116626436A
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Abstract

本发明涉及一种基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，包括主控制器、音频传感器、滤波运放电路、横向磁耦传感器、竖向磁耦传感器、运放电路、蓝牙模块和窄带物联网模块。该系统使用高性能主控制器对接收到的电缆故障点冲击放电产生的震动声音信号和磁信号进行转换与处理，实现地下敷设电力电缆路径检测以及故障点定位，并通过对震动声音信号进行小波阈值和谱减法去噪，可以对放电声音有效识别；使用蓝牙模块与手持端设备进行数据交互与检测仪器控制，并与蓝牙耳机进行声音的传输，大大提高了检测仪器的易用性与便携性；通过窄带物理网功能将检测设备位置与监测信息上传至云平台，实现检测系统设备的实时监测并可以根据监测信息提供技术支持。

Description

基于物联网技术的电缆故障定位检测系统
技术领域
本发明属于地下电力电缆检测技术领域，具体涉及一种基于物联网技术的电缆故障定位检测系统。
背景技术
随着我国城市规模的扩张以及城市化建设的发展，地下敷设式电力电缆由于不占用地面空间、改善城市环境和供电可靠性高等优点在配电网中广泛使用。但由于电力电缆直接敷设于地下或放置于电缆沟中，其可视性差，一旦发生故障，仅凭借人工排查故障，很难快速有效的查找地下敷设电力电缆路径和发生故障位置。
地下敷设电力电缆故障检测步骤为：首先确定电缆故障类型；然后根据故障类型对故障点距离进行粗测；粗测后，确定地下敷设电力电缆的路径；最后根据不同的故障类型，选择合适的检测方法进行故障点精确定位。精确定位的检测方法有声磁信号传输延迟差法和跨步电压法。
声磁信号传输延迟差法适用于电力电缆的开路故障和高阻故障，定位精度高，操作简单，向电缆故障相施加直流高压脉冲信号以击穿故障点，故障点处会产生震动，同时也会在故障点附近产生脉冲磁场信号，通过检测到的磁场信号和震动声音信号的声磁信号传输延迟差来确定故障点，另外通过耳机测听放电震动声音大小也是判断距离故障点远近的方法。但由于外界环境噪声状况复杂，距故障点较远时，放电声音信号微弱，干扰放电震动声音的识别。因此需要对接收到的含噪声音信号进行处理得到尽可能纯净的原始放电震动声音信号。目前应用于电缆故障检测领域的背景降噪方法有基于谱减法的降噪方法，该方法需要计算前导无声段的噪声平均能量，传统的方法是取声音的前几帧作为噪声，求得噪声平均能量，由于外界噪声是非平稳的，这样估计得到的噪声往往不是准确的，会导致背景噪声去除不干净，从而影响放电震动声音的识别判断。
针对地下敷设电力电缆路径检测的方法采用的是基于电磁法的检测原理，通过多组线圈的组合对地下敷设电力电缆周围的磁场进行检测，通过比较两个传感器接收到的磁场信号的相位和强弱来确定电缆的左右位置以及距离。电缆故障精确定位仪在进行故障点定位时需要先探测地下敷设电力电缆的路径，由于现有定点仪只有一个接收磁信号的感应线圈，无法判断电缆路径而需要另外使用路径探测仪，在现场需要携带更多的仪器设备，导致使用时多种设备切换，增加故障定位所需要的时间。
综上所述，现有电力电缆故障检测设备存在的问题有：传统的基于谱减法背景降噪技术，提取的噪声能量不能对含噪放电震动声音进行有效降噪，不能够有效识别出放电震动声音；电缆故障精确定位仪器功能单一，并且设备携带笨重，使用不便；设备无法进行互联，不能对设备仪器进行有效的状态监测。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于物联网技术的电缆故障定位检测系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，包括：主控制器、音频传感器、滤波运放电路、横向磁耦传感器、竖向磁耦传感器、运放电路、蓝牙模块和窄带物联网模块，其中，
所述音频传感器用于接收故障点放电震动产生的声音信号；
所述滤波运放电路与所述音频传感器连接，用于对所述声音信号进行滤波放大，得到声音放大信号；
所述横向磁耦传感器、所述竖向磁耦传感器用于接收故障点电缆周围感应的磁信号；
所述运放电路与所述横向磁耦传感器、所述竖向磁耦传感器连接，用于对所述横向磁耦传感器、所述竖向磁耦传感器接收的所述磁信号进行放大，得到横向磁放大信号和竖向磁放大信号；
所述主控制器与所述滤波运放电路、所述运放电路连接，用于当向故障电缆中注入直流高压脉冲电源时，利用声音放大信号和横向磁放大信号实现电缆故障点距离定位，并且结合小波阈值和谱减法，利用所述声音放大信号和所述横向磁放大信号对故障点距离远近进行辅助判断，或者，当向所述故障电缆中注入正弦信号时，利用横向磁放大信号和竖向磁放大信号确认电缆敷设位置及走向；
所述蓝牙模块连接所述主控制器和所述滤波运放电路，用于传输所述声音放大信号和所述主控制器输出的声音信号至蓝牙耳机中，传输所述主控制器的数据帧到手持端设备以显示电缆检测与系统信息，并且传输手持端设备发送的控制帧以对所述主控制器进行功能配置；
所述窄带物联网模块用于将检测设备信息上传至云平台。
在本发明的一个实施例中，所述主控制器包括内部ADC、数字信号处理模块、第一串口、第一通用输入输出端口、第二串口、第二通用输入输出端口和I2S信号布线，其中，
所述内部ADC与所述滤波运放电路、所述运放电路连接，用于将所述声音放大信号、横向磁放大信号和竖向磁放大信号转换为声音数字信号、横向磁数字信号和竖向磁数字信号；
所述数字信号处理模块用于利用所述声音数字信号和所述横向磁数字信号实现电缆故障点距离定位以及对故障点距离远近进行辅助判断，或者，利用所述横向磁数字信号和竖向磁数字信号确认电缆敷设位置及走向；
所述主控制器通过所述第一串口、第一通用输入输出端口和I2S信号布线连接至所述蓝牙模块，通过所述第二串口、第二通用输入输出端口连接至所述窄带物联网模块。
在本发明的一个实施例中，利用所述声音数字信号和所述横向磁数字信号实现电缆故障点距离定位包括步骤：
根据故障点距离远近和故障点路面情况选取数字FIR滤波方式，实现对所述声音数字信号的数字滤波，得到声音滤波信号，其中，所述数字FIR滤波方式包括低通滤波、带通滤波和高通滤波；
通过短时能量法对所述声音滤波信号的起始端点进行检测定位，同时对所述横向磁数字信号的起始端点进行检测定位；
通过计算检测定位后的声音信号和检测定位后的横向磁数字信号的时间差，实现电缆故障点距离定位。
在本发明的一个实施例中，所述低通滤波、带通滤波和高通滤波的滤波阶数为128阶，采样频率为8kHz，窗函数采用汉明窗；
所述低通滤波的截止频率为400Hz，所述带通滤波的通频带为200Hz到1kHz，所述高通滤波的通频带为200Hz到1.5kHz。
在本发明的一个实施例中，利用声音数字信号和所述横向磁数字信号实现对故障点距离远近进行辅助判断包括步骤：
根据故障点距离远近和故障点路面情况选取数字FIR滤波方式，实现对所述声音数字信号的数字滤波，得到声音滤波信号，其中，所述数字FIR滤波方式包括低通滤波、带通滤波和高通滤波；
选择去噪模式，并在不同去噪模式下实现对故障点距离远近进行辅助判断，其中，所述去噪模式包括无去噪模式、弱去噪模式和强去燥模式；
在无去噪模式下，将所述声音滤波信号输出至与所述蓝牙模块的耳机进行并进行播放，实现对故障点距离远近的判断；
在弱去噪模式下，判断是否接收到所述横向磁数字信号；若未接收到所述横向磁数字信号，则所述声音滤波信号为背景噪声信号，依次使用小波阈值和谱减法对所述背景噪声信号进行降噪，得到第一噪声功率谱，并播放降噪后的背景噪声信号；若接收到所述横向磁数字信号，则所述声音滤波信号为有效声音信号，首先使用小波阈值对所述有效声音信号进行降噪，然后结合所述第一噪声功率谱，利用谱减法对小波阈值降噪后的信号进行降噪得到降噪声音信号，并将所述第一噪声功率谱置零，最后将所述降噪声音信号输出至与所述蓝牙模块的耳机进行并进行播放，实现对故障点距离远近的判断；
在强去噪模式下，判断是否接收到所述横向磁数字信号；若未接收到所述横向磁数字信号，则所述声音滤波信号为背景噪声信号，计算所述背景噪声信号的第二噪声功率谱；若接收到所述横向磁数字信号，则所述声音滤波信号为有效声音信号，首先使用小波阈值对所述有效声音信号进行降噪，然后结合所述第二噪声功率谱，利用谱减法对小波阈值降噪后的信号进行降噪得到降噪声音信号，并将所述第二噪声功率谱置零，最后将所述降噪声音信号输出至与所述蓝牙模块的耳机进行并进行播放，实现对故障点距离远近的判断。
在本发明的一个实施例中，使用所述小波阈值对所述有效声音信号进行降噪，包括步骤：
对所述有效声音信号进行若干层小波分解，得到每层的小波系数；
利用软阈值处理函数，通过阈值门限对所述每层的小波系数进行过滤，其中，所述软阈值处理函数为：
其中，表示去噪后的小波系数，|ωj,k|表示去噪前的小波系数，t表示阈值；
将过滤后的小波系数进行重构，得到所述小波阈值降噪后的信号；
分别计算不同阈值门限和分解层数下小波阈值降噪后的信号和有效声音信号的均方差和信噪比的大小，选择小波阈值降噪的阈值门限和分解层数，并利用选择的阈值门限和分解层数进行小波阈值降噪，其中，均方差和信噪比的表达式为：
其中，MSE表示均方差，SNR表示信噪比，N表示数据长度，表示带噪信号，f(t)表示为噪声信号。
在本发明的一个实施例中，所述谱减法的公式为：
其中，|X(ω)|表示降噪声音信号，|S(ω)|表示带噪信号，|D(ω)|表示噪声d(t)经过傅里叶变换后的对应频率幅值，α表示过减因子，α大于1，β为补偿因子。
在本发明的一个实施例中，利用所述横向磁数字信号和竖向磁数字信号确认电缆敷设位置及走向，包括步骤：
将所述横向磁数字信号和竖向磁数字信号进行FIR数字窄带滤波，得到横向磁滤波信号和竖向磁滤波信号；
根据所述横向磁滤波信号和竖向磁滤波信号的相位和信号能量大小确认电缆敷设位置及走向。
在本发明的一个实施例中，所述FIR数字窄带滤波的滤波阶数为164阶，采样频率为153.6kHz，窗函数采用汉宁窗；注入电缆的正弦信号为9.6kHz频率时对应幅值为1，注入电缆的正弦信号为9.3kHz和9.9kHz频率时对应幅值为0.25，注入电缆的正弦信号小于或等于9kHz频率、大于或等于10.2kHz频率时，对应幅值等于0。
在本发明的一个实施例中，所述数据帧包含检测信息和功能配置信息，其中，所述检测信息包括磁场强度、声音强度、当前声磁信号传输延迟差、故障方向、电缆方向，所述功能配置信息包括：工作模式、工作频率、数字信号模式、滤波方式、静音方式、声音大小、系统电量以及循环冗余校验和校验码；
所述控制帧包括：音量调节、静音方式选择、滤波方式选择、工作模式切换、工作频率选择。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明系统的主控制器结合声磁信号传输延迟差法和电磁法，可以实现电缆故障点距离定位及对故障点距离远近进行辅助判断，也可以实现电缆敷设位置及走向确认，与功能单一的路径仪和定点仪相比，使用方便，只需要一台设备就可以进行路径探测和故障定位。
2、本发明针对放电震动声音的背景降噪方法，首先针对不同使用场景与介质，对声音信号进行不同方式的滤波，然后，采用小波阈值降噪后再进行谱减法降噪，同时谱减法采用接收到放电脉冲磁信号之前接收到的声音信号作为噪声功率谱，可以有效的对非平稳噪声进行估计；另外，分别设置强去噪和弱去噪功能，可以对放电震动声音信号外的背景噪声进行滤除和抑制，能够实现对放电声音的有效识别。
3、本发明在确认电缆敷设位置及走向时，横向磁数字信号和竖向磁数字信号进行FIR数字窄带滤波，提高了系统对其他频率磁场信号的抗干扰能力。
4、本发明通过蓝牙技术将电缆故障检测信息、设备仪器信息和声音信号，分别传输到手持端设备和蓝牙耳机，同时手持端设备使用蓝牙功能向设备发送控制信息，实现设备功能设置，提高了设备携带与使用的便利；使用窄带物联网技术将设备定位与状态监测信息上传到对应云平台上，实现设备实时定位与监测，根据这些信息，可以对设备提供更好的管理与技术支持。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于物联网技术的电缆故障定位检测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的声音信号低通数字滤波器频率幅值图；
图3是本发明实施例提供的声音信号带通数字滤波器频率幅值图；
图4是本发明实施例提供的声音信号高通数字滤波器频率幅值图；
图5是本发明实施例提供的声音信号背景降噪处理流程图；
图6是本发明实施例提供的声音信号小波阈值去噪后语谱图；
图7为本发明实施例提供的声音信号小波阈值和谱减法去噪后语谱图；
图8是本发明实施例提供的特定频率磁信号FIR窄带滤波器频率幅值图；
图9是本发明实施例提供的蓝牙数据帧格式示意图；
图10是本发明实施例提供的蓝牙控制帧格式示意图；
图11是本发明实施例提供的上传云平台解析数据示意图；
图12是本发明实施例提供的电缆故障定位手机应用界面示意图；
图13是本发明实施例提供的电缆路径检测手机应用界面示意图；
图14是本发明实施例提供的手机端通过云平台接口获取到的设备位置路径信息示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于物联网技术的电缆故障定位检测系统的结构示意图。
本实施例基于物联网技术的电缆故障定位检测系统包括主控制器1、音频传感器2、滤波运放电路3、横向磁耦传感器4、竖向磁耦传感器5、运放电路6、蓝牙模块7和窄带物联网模块8。
其中，音频传感器2用于接收故障点放电震动产生的声音信号。滤波运放电路3与音频传感器2连接，用于对声音信号进行滤波放大，得到声音放大信号。横向磁耦传感器4、竖向磁耦传感器5用于接收故障点电缆周围感应的磁信号。运放电路6与横向磁耦传感器4、竖向磁耦传感器5连接，用于对横向磁耦传感器、竖向磁耦传感器接收的磁信号进行放大，得到横向磁放大信号和竖向磁放大信号。主控制器1与滤波运放电路3、运放电路6连接，用于当向故障电缆中注入直流高压脉冲电源时，利用声音放大信号和横向磁放大信号，通过计算故障点声磁信号传输延迟差实现电缆故障点距离定位，并且结合小波阈值和谱减法，利用声音放大信号和横向磁放大信号对故障点距离远近进行辅助判断，或者，当向故障电缆中注入正弦信号时，利用横向磁放大信号和竖向磁放大信号确认电缆敷设位置及走向。蓝牙模块7连接主控制器1和滤波运放电路3，用于传输声音放大信号和主控制器1输出的声音信号至蓝牙耳机中，传输主控制器1的数据帧到手持端设备以显示电缆检测与系统信息，并且传输手持端设备发送的控制帧以对主控制器1进行功能配置，即通过蓝牙模块7与手持端设备，例如手机等，进行电缆检测故障信息交互与检测系统设备控制；蓝牙模块7可以采用双模蓝牙芯片。窄带物联网模块8用于将检测设备信息上传至云平台，实现对设备的监测与维护。
具体的，主控制器1可以采用主频为480MHz的STM32芯片，保证功能处理和切换的实时性；STM32芯片中具有双浮点运算单元，可以保证数字信号处理算法的运算速度和实时性。
在一个具体实施例中，主控制器1包括内部ADC、数字信号处理模块、第一串口UART1、第一通用输入输出端口GPIO1、第二串口UART2、第二通用输入输出端口GPIO2和I2S信号布线I2S。
其中，STM32芯片内部ADC分辨率高达16位，支持3.6Msps采样率，能够保证模拟信号转换为数字信号的精度。内部ADC与滤波运放电路3、运放电路6连接，用于将声音放大信号、横向磁放大信号和竖向磁放大信号转换为声音数字信号、横向磁数字信号和竖向磁数字信号。数字信号处理模块用于利用声音数字信号和横向磁数字信号实现电缆故障点距离定位以及对故障点距离远近进行辅助判断，或者，利用横向磁数字信号和竖向磁数字信号确认电缆敷设位置及走向。
主控制器1通过第一串口UART1、第一通用输入输出端口GPIO1和I2S信号布线I2S连接至蓝牙模块7，通过第二串口UART2、第二通用输入输出端口GPIO2连接至窄带物联网模块8。
具体的，主控制器1通过第一串口UART1发送芯片配置指令对蓝牙模块7功能进行设置，并且通过第一串口UART1与蓝牙模块7进行数据收发；主控制器1通过第二串口UART2发送芯片配置指令对窄带物联网模块8功能进行设置，并且通过第二串口UART2与窄带物联网模块8进行数据收发。
蓝牙模块7的模拟声音输入为声音放大信号，由声音信号进行滤波放大后接入，通过信号布线实现声音放大信号与蓝牙模块7的传输；数字声音输入为主控制器1输出的声音信号，由主控制器1通过I2S信号布线I2S接入。进一步的，使用蓝牙模块7的双模蓝牙中的传统蓝牙模式分别将模拟声音输入和数字声音输入发送到蓝牙耳机中。
在一个具体实施例中，数字信号处理模块利用声音数字信号和横向磁数字信号实现电缆故障点距离定位，具体包括步骤：
1)根据故障点距离远近和故障点路面情况选取数字FIR滤波方式，实现对声音数字信号的数字滤波，得到声音滤波信号。
具体的，通过主控制器1设定不同数字FIR滤波方式，实现对放电震动声音信号数字滤波算法。数字FIR滤波方式包括低通滤波、带通滤波和高通滤波，其中，低通滤波适合当测量点距真正的故障点还比较远，例如大于3m，或者覆土物是松软的土壤或沙子情况下；高通滤波适合坚硬路面，靠近真正故障点的情况，例如1-2m，高频信号在这种滤波方式下完全通过，高频的冲击放电声音特性保留得最好，几乎不发生改变；带通滤波是在低通滤波设定和高通滤波设定之间做出的折中平衡，该滤波方式非常适合低通滤波时测量声磁信号传输延迟差。
请参见图2、图3和图4，图2是本发明实施例提供的声音信号低通数字滤波器频率幅值图，图3是本发明实施例提供的声音信号带通数字滤波器频率幅值图，图4是本发明实施例提供的声音信号高通数字滤波器频率幅值图。由图2、图3和图4可知，低通滤波、带通滤波和高通滤波的滤波阶数为128阶，采样频率为8kHz，窗函数采用汉明窗；低通滤波的截止频率为400Hz，带通滤波的通频带为200Hz到1kHz，高通滤波的频带为200Hz到1.5kHz。
2)通过短时能量法对声音滤波信号的起始端点进行检测定位，同时对横向磁数字信号的起始端点进行检测定位。
3)通过计算检测定位后的声音信号和检测定位后的横向磁数字信号的时间差，实现电缆故障点距离定位。
步骤2和3均采用现有计算方法，本实施例不再赘述。
在一个具体实施例中，数字信号处理模块利用声音数字信号和横向磁数字信号实现对故障点距离远近进行辅助判断包括步骤：
1)根据故障点距离远近和故障点路面情况选取数字FIR滤波方式，实现对声音数字信号的数字滤波，得到声音滤波信号，其中，数字FIR滤波方式包括低通滤波、带通滤波和高通滤波。
2)选择去噪模式，并在不同去噪模式下实现对故障点距离远近进行辅助判断。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的声音信号背景降噪处理流程图。图5采用小波阈值去噪算法与谱减算法相结合对声音信号进行不同程度的背景降噪处理；同时采用蓝牙模块7分别将原始的模拟声音信号和经过处理后的数字声音信号输出。
对电缆故障定位检测系统的放电声音采用不同程度的背景降噪，分为弱去噪、强去噪和无去噪模式。
无去噪模式没有对声音信号进行任何去噪处理，将声音滤波信号直接输出至与蓝牙模块7的耳机进行并进行播放，实现对故障点距离远近的判断。
根据横向磁耦传感器4是否接收到放电磁信号，将声音信号分为有效放电信号和背景噪声信号。在接收到放电磁信号前，采集到的声音信号为背景噪声信号，用于统计谱减法中的噪声功率谱|D(ω)|2，对于弱去噪模式，将该背景噪声进行了一定程度的抑制，强去噪模式将背景噪声滤除掉。接收到放电磁信号后500ms内的声音为有效声音信号，使用小波阈值和谱减法对该有效声音进行降噪，其中弱降噪和强降噪模式分别在不同程度上进行降噪处理。
具体的，在弱去噪模式下，判断是否接收到横向磁数字信号；若未接收到横向磁数字信号，则声音滤波信号为背景噪声信号，依次使用小波阈值和谱减法对背景噪声信号进行降噪，得到第一噪声功率谱，并播放降噪后的背景噪声信号；若接收到横向磁数字信号，则声音滤波信号为有效声音信号，首先使用小波阈值对有效声音信号进行降噪，然后结合第一噪声功率谱，利用谱减法对小波阈值降噪后的信号进行降噪得到降噪声音信号，并将第一噪声功率谱置零，最后将降噪声音信号输出至与蓝牙模块7的耳机进行并进行播放，实现对故障点距离远近的判断。
在强去噪模式下，判断是否接收到横向磁数字信号；若未接收到横向磁数字信号，则声音滤波信号为背景噪声信号，计算背景噪声信号的第二噪声功率谱；若接收到横向磁数字信号，则声音滤波信号为有效声音信号，首先使用小波阈值对有效声音信号进行降噪，然后结合第二噪声功率谱，利用谱减法对小波阈值降噪后的信号进行降噪得到降噪声音信号，并将第二噪声功率谱置零，最后将降噪声音信号输出至与蓝牙模块7的耳机进行并进行播放，实现对故障点距离远近的判断。
在一个具体实施例中，使用小波阈值对有效声音信号进行降噪，包括步骤：
1)通过对含噪的有效声音信号选择一种小波基函数进行若干层小波分解，得到对应各层的系数。
具体的，由于sym8与纯净放电声音信号非常相似，选择Symlets小波基函数中的sym8小波对有效声音信号进行小波分解。
2)利用软阈值处理函数，通过阈值门限对每层的小波系数进行过滤。
具体的，放电声音信号是低频信号，而有效声音信号的小波系数幅值要大于噪声的系数幅值，可以认为，幅值比较大的小波系数为有效声音信号，幅值比较小的系数为噪声，通过阈值门限对小波系数进行过滤，小于阈值门限的认为是噪声，进行处理，而大于阈值门限的保留。
具体的，结合软阈值处理函数对每层的小波系数进行过滤，软阈值处理函数的表达式为：
式中，|ωj,k|和分别表示去噪前后的小波系数，t为阈值。
3)将过滤后的小波系数进行重构，得到小波阈值降噪后的信号。
4)分别计算不同阈值门限和分解层数下小波阈值降噪后的信号和有效声音信号的均方差和信噪比的大小，选择小波阈值降噪的阈值门限和分解层数，并利用选择的阈值门限和分解层数进行小波阈值降噪。
具体的，小波变换的尺度大小(分解层数)是影响降噪效果的一个重要因素，如果分解层数选取过小，则不能够有效滤除噪声，但是分解层数选取过大，噪声不仅会被滤除，同时目标信号也会被部分滤除，从而导致信号的部分特性损失。阈值门限选择不同，去噪效果也会有所差别，常用的阈值门限计算方法有无偏风险估计阈值(rigrsure)、固定阈值(sqtwolog)、启发式阈值(heursure)、极小极大阈值(minimaxi)等。
通过对信号的去噪效果计算均方差MSE和信噪比SNR两个指标来衡量进行对分解层数和阈值方法的选择。MSE和SNR表达式：
其中，MSE表示均方差，SNR表示信噪比，N表示数据长度，表示带噪信号，f(t)表示为噪声信号。
分别计算不同阈值方法得到的阈值门限以及分解层数的均方差和信噪比的大小，选择合适的阈值方法和分解层数。
之后，利用选择的阈值门限和分解层数进行小波阈值降噪，请参见图6，图6是本发明实施例提供的声音信号小波阈值去噪后语谱图。
在一个具体实施例中，采用谱减法对小波阈值降噪后的信号进行降噪，使用接收到有效磁信号之前的背景声音作为噪声功率|D(ω)|2估计。谱减法是假设噪声与声音信号是互相独立的，用带噪声音减去纯噪声信号的功率谱，获得相对干净的原始声音，其基本原理如下式所示：
s(t)＝x(t)+d(t),t＝0,1,2,...N
式中，s(t)为带噪信号，x(t)为纯净的声音信号，d(t)为噪声。则可以计算出带噪声音信号s(t)的功率谱如下式：
|S(ω)|2＝|X(ω)|2+|D(ω)|2
其中，|X(ω)|表示降噪声音信号，即纯净的声音信号x(t)，|S(ω)|表示带噪信号s(t)，|D(ω)|表示噪声d(t)经过傅里叶变换后的对应频率幅值，
在实际中，通常假设非放电声音都是噪声，在谱减中可能会存在过估计，即带噪语音的幅度谱与估计出来的噪声谱相减出现负值，所以通常会设置一个下限值，以保证非负的幅度谱。下式为谱减法公式：
其中，|X(ω)|表示降噪声音信号，|S(ω)|表示带噪信号，|D(ω)|表示噪声d(t)经过傅里叶变换后的对应频率幅值，α表示过减因子，α大于1，β为补偿因子。过减因子α根据信噪比来确定，信噪比越大，过减因子越小；信噪比越小，过减因子越大。补偿因子β用来调节残留噪声程度。
请参见图7，图7为本发明实施例提供的声音信号小波阈值和谱减法去噪后语谱图。从图7可以看出声音信号经过谱减法降噪后，低频范围内的底噪幅值得到很大的衰减。
在一个具体实施例中，数字信号处理模块利用横向磁数字信号和竖向磁数字信号确认电缆敷设位置及走向，包括步骤：
1)将横向磁数字信号和竖向磁数字信号进行FIR数字窄带滤波，得到横向磁滤波信号和竖向磁滤波信号。
具体的，使用横向磁耦传感器4、竖向磁耦传感器5感应注入电缆特定频率的磁信号，使用主控制器1的内部ADC将模拟信号转换为数字信号，得到横向磁数字信号和竖向磁数字信号。
请参见图8，图8为本发明实施例提供的特定频率磁信号FIR窄带滤波器频率幅值图。图8中，FIR窄带滤波器阶数为164阶，采样频率为153.6kHz，窗函数采用汉宁窗，注入电缆的正弦信号频率为9.6kHz时对应幅值为1，注入电缆的正弦信号频率为9.3kHz和9.9kHz时对应幅值为0.25，注入电缆的正弦信号小于或等于9kHz频率、大于或等于10.2kHz频率时，对应幅值等于0，即频率[0,9000,9300,9600,9900,10200,fs/2]对应的幅值为[0,0,0.25,1,0.25,0,0]。具体的，将横向磁数字信号和竖向磁数字信号经过上述FIR数字窄带滤波器提取出注入电缆频率的磁信号，得到横向磁滤波信号和竖向磁滤波信号。
2)根据横向磁滤波信号和竖向磁滤波信号的相位和信号能力大小确认电缆敷设位置及走向。
具体的，根据横向磁滤波信号和竖向磁滤波信号的相位和信号能力大小，通过编程确认电缆敷设位置及走向，在进行故障点定位时可以提高定位精度与效率。具体操作方法为现有技术，本实施例不再赘述。
在一个具体实施例中，基于物联网技术的电缆故障定位检测系统使用蓝牙模块7与手持端设备进行交互，使用双模蓝牙中的低功耗蓝牙模式发送数据帧到手持端设备传送电缆检测与系统信息，并且手持端设备通过蓝牙发送控制帧到蓝牙模块7，主控制器1将接收数据帧进行解析并进行相关功能配置。请参见图9，图9是本发明实施例提供的蓝牙数据帧格式示意图。设计的数据帧格式包括检测信息和功能配置信息，其中，检测信息包括磁场强度、声音强度、当前声磁信号传输延迟差、故障方向、电缆方向，功能配置信息包括：工作模式、工作频率、数字信号模式、滤波方式、静音方式、声音大小、系统电量以及循环冗余校验和校验码。请参见图10，图10是本发明实施例提供的蓝牙控制帧格式示意图，设计控制帧格式分别对应需要控制的选项，图10中控制的选项包括音量调节、静音方式选择、滤波方式选择、工作模式切换、工作频率选择。
基于物联网技术的电缆故障定位检测系统使用窄带物联网模块8NB-IOT模块将检测设备信息上传至云平台，通过主控制器与NB-IOT模块进行数据交互与功能配置。使用NB-IOT模块，通过第二串口与NB-IOT芯片进行数据交互和配置。通过基站定位和GNSS卫星定位实现对系统仪器的定位，将数据上传到云平台上进行解析，实现检测系统仪器监测。请参见图11，图11是本发明实施例提供的上传云平台解析数据示意图，如图11所示，根据云平台监测信息实现对检测系统设备进行管理与维护，对设备所在位置信息进行统计后，分配专业技术支持资源与售后服务资源以提供更好的技术支持。
本实施例在手持端设备设计应用软件，通过蓝牙模块7进行数据的接收和发送，对接收的数据帧进行解析并通过手持端设备界面对系统设备信息和电缆故障检测信息进行显示，使用手持端设备蓝牙功能发送控制帧，对检测系统进行设置。请参见图12，图12是本发明实施例提供的电缆故障定位手机应用界面示意图，图中箭头指向故障点位置，直线表明电缆位置。请参见图13，图13是本发明实施例提供的电缆路径检测手机应用界面示意图，由图可见，定位检测系统需要向左移动才能到达电缆。进一步，通过手持端设备接口查看云平台上监测的系统设备信息，请参见图14，图14是本发明实施例提供的手机端通过云平台接口获取到的设备位置路径信息示意图。
本实施例系统的主控制器结合声磁信号传输延迟差法和电磁法，可以现电缆故障点距离定位及对故障点距离远近进行辅助判断，也可以实现电缆敷设位置及走向确认，与功能单一的路径仪和定点仪相比，使用方便，只需要一台设备就可以进行路径探测和故障定位。
本实施例针对放电震动声音的背景降噪方法，首先针对不同使用场景与介质，对声音信号进行不同方式的滤波，然后，采用小波阈值降噪后再进行谱减法降噪，同时谱减法采用接收到放电脉冲磁信号之前接收到的声音信号作为噪声功率谱，可以有效的对非平稳噪声进行估计；另外，分别设置强去噪和弱去噪功能，可以对放电震动声音信号外的背景噪声进行滤除和抑制，能够实现对放电声音的有效识别。
本实施例在确认电缆敷设位置及走向时，横向磁数字信号和竖向磁数字信号进行FIR数字窄带滤波，提高了系统对其他频率磁场信号的抗干扰能力。
本实施例通过蓝牙技术将电缆故障检测信息、设备仪器信息和声音信号，分别传输到手持端设备和蓝牙耳机，同时手持端设备使用蓝牙功能向设备发送控制信息，实现设备功能设置，提高了设备携带与使用的便利；使用窄带物联网技术将设备定位与状态监测信息上传到对应云平台上，实现设备实时定位与监测，根据这些信息，可以对设备提供更好的管理与技术支持。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，包括：主控制器(1)、音频传感器(2)、滤波运放电路(3)、横向磁耦传感器(4)、竖向磁耦传感器(5)、运放电路(6)、蓝牙模块(7)和窄带物联网模块(8)，其中，
所述音频传感器(2)用于接收故障点放电震动产生的声音信号；
所述滤波运放电路(3)与所述音频传感器(2)连接，用于对所述声音信号进行滤波放大，得到声音放大信号；
所述横向磁耦传感器(4)、所述竖向磁耦传感器(5)用于接收故障点电缆周围感应的磁信号；
所述运放电路(6)与所述横向磁耦传感器(4)、所述竖向磁耦传感器(5)连接，用于对所述横向磁耦传感器、所述竖向磁耦传感器接收的所述磁信号进行放大，得到横向磁放大信号和竖向磁放大信号；
所述主控制器(1)与所述滤波运放电路(3)、所述运放电路(6)连接，用于当向故障电缆中注入直流高压脉冲电源时，利用声音放大信号和横向磁放大信号实现电缆故障点距离定位，并且结合小波阈值和谱减法，利用所述声音放大信号和所述横向磁放大信号对故障点距离远近进行辅助判断，或者，当向所述故障电缆中注入正弦信号时，利用横向磁放大信号和竖向磁放大信号确认电缆敷设位置及走向；
所述蓝牙模块(7)连接所述主控制器(1)和所述滤波运放电路(3)，用于传输所述声音放大信号和所述主控制器(1)输出的声音信号至蓝牙耳机中，传输所述主控制器(1)的数据帧到手持端设备以显示电缆检测与系统信息，并且传输手持端设备发送的控制帧以对所述主控制器(1)进行功能配置；
所述窄带物联网模块(8)用于将检测设备信息上传至云平台。
2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，所述主控制器(1)包括内部ADC、数字信号处理模块、第一串口(UART1)、第一通用输入输出端口(GPIO1)、第二串口(UART2)、第二通用输入输出端口(GPIO2)和I2S信号布线(I2S)，其中，
所述内部ADC与所述滤波运放电路(3)、所述运放电路(6)连接，用于将所述声音放大信号、横向磁放大信号和竖向磁放大信号转换为声音数字信号、横向磁数字信号和竖向磁数字信号；
所述数字信号处理模块用于利用所述声音数字信号和所述横向磁数字信号实现电缆故障点距离定位以及对故障点距离远近进行辅助判断，或者，利用所述横向磁数字信号和竖向磁数字信号确认电缆敷设位置及走向；
所述主控制器(1)通过所述第一串口(UART1)、第一通用输入输出端口(GPIO1)和I2S信号布线(I2S)连接至所述蓝牙模块(7)，通过所述第二串口(UART2)、第二通用输入输出端口(GPIO2)连接至所述窄带物联网模块(8)。
3.根据权利要求2所述的基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，利用所述声音数字信号和所述横向磁数字信号实现电缆故障点距离定位包括步骤：
根据故障点距离远近和故障点路面情况选取数字FIR滤波方式，实现对所述声音数字信号的数字滤波，得到声音滤波信号，其中，所述数字FIR滤波方式包括低通滤波、带通滤波和高通滤波；
通过短时能量法对所述声音滤波信号的起始端点进行检测定位，同时对所述横向磁数字信号的起始端点进行检测定位；
通过计算检测定位后的声音信号和检测定位后的横向磁数字信号的时间差，实现电缆故障点距离定位。
4.根据权利要求3所述的基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，所述低通滤波、带通滤波和高通滤波的滤波阶数为128阶，采样频率为8kHz，窗函数采用汉明窗；
所述低通滤波的截止频率为400Hz，所述带通滤波的通频带为200Hz到1kHz，所述高通滤波的通频带为200Hz到1.5kHz。
5.根据权利要求2所述的基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，利用声音数字信号和所述横向磁数字信号实现对故障点距离远近进行辅助判断包括步骤：
根据故障点距离远近和故障点路面情况选取数字FIR滤波方式，实现对所述声音数字信号的数字滤波，得到声音滤波信号，其中，所述数字FIR滤波方式包括低通滤波、带通滤波和高通滤波；
选择去噪模式，并在不同去噪模式下实现对故障点距离远近进行辅助判断，其中，所述去噪模式包括无去噪模式、弱去噪模式和强去燥模式；
在无去噪模式下，将所述声音滤波信号输出至与所述蓝牙模块(7)的耳机进行并进行播放，实现对故障点距离远近的判断；
在弱去噪模式下，判断是否接收到所述横向磁数字信号；若未接收到所述横向磁数字信号，则所述声音滤波信号为背景噪声信号，依次使用小波阈值和谱减法对所述背景噪声信号进行降噪，得到第一噪声功率谱，并播放降噪后的背景噪声信号；若接收到所述横向磁数字信号，则所述声音滤波信号为有效声音信号，首先使用小波阈值对所述有效声音信号进行降噪，然后结合所述第一噪声功率谱，利用谱减法对小波阈值降噪后的信号进行降噪得到降噪声音信号，并将所述第一噪声功率谱置零，最后将所述降噪声音信号输出至与所述蓝牙模块(7)的耳机进行并进行播放，实现对故障点距离远近的判断；
在强去噪模式下，判断是否接收到所述横向磁数字信号；若未接收到所述横向磁数字信号，则所述声音滤波信号为背景噪声信号，计算所述背景噪声信号的第二噪声功率谱；若接收到所述横向磁数字信号，则所述声音滤波信号为有效声音信号，首先使用小波阈值对所述有效声音信号进行降噪，然后结合所述第二噪声功率谱，利用谱减法对小波阈值降噪后的信号进行降噪得到降噪声音信号，并将所述第二噪声功率谱置零，最后将所述降噪声音信号输出至与所述蓝牙模块(7)的耳机进行并进行播放，实现对故障点距离远近的判断。
6.根据权利要求5所述的基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，使用所述小波阈值对所述有效声音信号进行降噪，包括步骤：
对所述有效声音信号进行若干层小波分解，得到每层的小波系数；
利用软阈值处理函数，通过阈值门限对所述每层的小波系数进行过滤，其中，所述软阈值处理函数为：
其中，表示去噪后的小波系数，|ωj,k|表示去噪前的小波系数，t表示阈值；
将过滤后的小波系数进行重构，得到所述小波阈值降噪后的信号；
分别计算不同阈值门限和分解层数下小波阈值降噪后的信号和有效声音信号的均方差和信噪比的大小，选择小波阈值降噪的阈值门限和分解层数，并利用选择的阈值门限和分解层数进行小波阈值降噪，其中，均方差和信噪比的表达式为：
其中，MSE表示均方差，SNR表示信噪比，N表示数据长度，表示带噪信号，f(t)表示为噪声信号。
7.根据权利要求5所述的基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，所述谱减法的公式为：
其中，X(ω)表示降噪声音信号，S(ω)表示带噪信号，D(ω)表示噪声d(t)经过傅里叶变换后的对应频率幅值，α表示过减因子，α大于1，β为补偿因子。
8.根据权利要求2所述的基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，利用所述横向磁数字信号和竖向磁数字信号确认电缆敷设位置及走向，包括步骤：
将所述横向磁数字信号和竖向磁数字信号进行FIR数字窄带滤波，得到横向磁滤波信号和竖向磁滤波信号；
根据所述横向磁滤波信号和竖向磁滤波信号的相位和信号能量大小确认电缆敷设位置及走向。
9.根据权利要求8所述的基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，所述FIR数字窄带滤波的滤波阶数为164阶，采样频率为153.6kHz，窗函数采用汉宁窗；注入电缆的正弦信号为9.6kHz频率时对应幅值为1，注入电缆的正弦信号为9.3kHz和9.9kHz频率对应幅值为0.25，注入电缆的正弦信号小于或等于9kHz频率、大于或等于10.2kHz频率时，对应幅值等于0。
10.根据权利要求1所述的基于物联网技术的电缆故障定位检测系统，其特征在于，所述数据帧包含检测信息和功能配置信息，其中，所述检测信息包括磁场强度、声音强度、当前声磁信号传输延迟差、故障方向、电缆方向，所述功能配置信息包括：工作模式、工作频率、数字信号模式、滤波方式、静音方式、声音大小、系统电量以及循环冗余校验和校验码；
所述控制帧包括：音量调节、静音方式选择、滤波方式选择、工作模式切换、工作频率选择。
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