EP3814786A1 - Procede et systeme de caracterisation d'un defaut dans un reseau de lignes de transmission, par retournement temporel - Google Patents

Procede et systeme de caracterisation d'un defaut dans un reseau de lignes de transmission, par retournement temporel

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Publication number
EP3814786A1
EP3814786A1 EP19731665.6A EP19731665A EP3814786A1 EP 3814786 A1 EP3814786 A1 EP 3814786A1 EP 19731665 A EP19731665 A EP 19731665A EP 3814786 A1 EP3814786 A1 EP 3814786A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reference signal
signal
network
measurement
characterizing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19731665.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Wafa BEN HASSEN
Esteban CABANILLAS
Moussa KAFAL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3814786A1 publication Critical patent/EP3814786A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G01R31/11—Locating faults in cables, transmission lines, or networks using pulse reflection methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/04—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies
    • G01R27/06—Measuring reflection coefficients; Measuring standing-wave ratio
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/081—Locating faults in cables, transmission lines, or networks according to type of conductors
    • G01R31/083—Locating faults in cables, transmission lines, or networks according to type of conductors in cables, e.g. underground
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    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G01R31/088—Aspects of digital computing

Definitions

  • the invention relates to the field of wired diagnostic systems based on the principle of reflectometry. It relates to a method for characterizing a fault in a network of transmission lines, based on the principle of time reversal.
  • Cables are ubiquitous in all electrical systems, for power or information transmission. These cables are subject to the same constraints as the systems they connect and may be subject to failure. It is therefore necessary to be able to analyze their condition and provide information on the detection of faults, but also their location and type, in order to help with maintenance. The usual reflectometry methods allow this type of testing.
  • the reflectometry methods use a principle close to that of radar: an electrical signal, the probe signal or reference signal, which is most often of high frequency or broadband, is injected in one or more places of the cable to be tested.
  • the signal propagates through the cable or the network and returns part of its energy when it encounters an electrical discontinuity.
  • An electrical discontinuity can result, for example, from a connection, the end of the cable or a fault or more generally from a breach of the conditions of propagation of the signal in the cable. It most often results from a fault which locally modifies the characteristic impedance of the cable by causing a discontinuity in its linear parameters.
  • the invention falls within the scope of reflectometry methods for wired diagnostics and applies to any type of electric cable, in particular energy transmission cables or communication cables, in fixed or mobile installations .
  • the cables concerned can be coaxial, two-wire, in parallel lines, in twisted pairs or other provided that it is possible to inject a reflectometry signal at one point of the cable and to measure its reflection at the same point or at another point. .
  • the known time reflectometry methods are particularly suitable for detecting frank faults in a cable, such as a short circuit or an open circuit or more generally a significant local modification of the cable impedance.
  • the fault is detected by measuring the amplitude of the signal reflected on this fault which is all the more important and therefore detectable, as the fault is important.
  • a non-frank defect for example resulting from a surface degradation of the sheath of the insulation or conductor cable, generates a low amplitude peak on the reflected reflectometry signal and is therefore more difficult detectable by conventional temporal methods. More generally, a non-frank fault can be caused by friction, pinching or even a corrosion phenomenon which affects the cable sheath, the insulator or the conductor.
  • the low amplitude of the reflections associated with the passage of the signal through a non-frank fault also leads to a potential problem of false detections. Indeed, it can be difficult to discriminate a low amplitude peak in a reflectogram which can result either from a fault on the cable, or from measurement noise. Thus, false positives may appear which do not correspond to faults but which result from measurement noise or inconsistencies in the cable.
  • This method consists in recording a signal generated by an intermittent fault which propagates to a measurement point then in temporally returning the measurement to inject it into the network and finally in measuring the reflected signal.
  • the proposed method is suitable for intermittent faults which spontaneously generate a shock wave but not for passive permanent faults, in particular non-frank faults.
  • the signals reflected for the healthy and faulty line are returned in time and reinjected into the healthy transmission line to obtain the reflected signals v rFbis and v rSbis respectively .
  • a correlation is then determined between the reflected signal v rFbis and the probe signal v in and then a correlation is determined between the reflected signal v rF and the probe signal v in .
  • the difference between the two correlation results makes it possible to detect and locate the fault.
  • This method has the disadvantage that it requires a measurement to be carried out both on a healthy cable (without defect) and on the same cable with defect. Furthermore, it also does not make it possible to carry out a diagnosis on a cable in operation. Indeed, the signals injected into the cable via this method can disturb the nominal operation of the cable by generating interference. Furthermore, multi-carrier reflectometry methods are known as described in particular in the Applicant's international patent application published under the number WO2015062885.
  • Such methods are based on the use of a multi-carrier signal of the OFDM (Orthogonal Frequency Multiplexing) type.
  • the principle is to divide the available frequency band into orthogonal sub-bands so as to maximize the spectral efficiency while controlling the spectrum of the signal.
  • certain frequency bands reserved for the nominal use of the cable are avoided by removing the corresponding subcarriers from the signal. In this way, it is possible to generate a signal having spectral occupancy only on frequency sub-bands authorized for fault diagnosis.
  • the use of reflectometry methods based on a multi-carrier signal makes it possible to carry out an online diagnosis of a network of cables without interfering with the nominal operation of the network and without the need to interrupt the service rendered by the network.
  • the invention aims to propose a method, based on the principle of time reversal, of detection and localization of faults which makes it possible to improve the detection gain and the localization accuracy and which can be implemented without disturbing the nominal operation of the network of cables.
  • the subject of the invention is a method for characterizing a fault in a network of at least one transmission line, said method comprising the steps of:
  • the first reference signal is a signal comprising a plurality of frequency carriers.
  • the method according to the invention further comprises searching, in the intercorrelation, for at least one extremum indicating the presence of a defect.
  • the invention also relates to a system for characterizing a fault in a network of at least one transmission line, the system comprising means configured to implement the steps of the process for characterizing a fault according to the invention .
  • system according to the invention comprises
  • a logic unit configured to save a time measurement acquired by the measurement device and to deliver, to the injection device, a temporally inverted version of said measurement
  • a first connector configured to connect, in a first phase, the reference signal generator to the injection device and, in a second phase, the logic unit to the injection device
  • a second connector configured to connect, in the first phase, the measurement device to the logic unit and, in a second phase, the measurement device to the correlator
  • the correlator being connected on the one hand to the logic unit and on the other hand to the second connector and being configured to determine the intercorrelation between the signal measured by the measuring device during the second phase and the temporally inverted measurement delivered by logical unit.
  • the logic unit is a memory capable of saving a time measurement of a signal and of supplying the samples of the measurement saved in an order opposite to that in which they were saved.
  • the generator of a reference signal comprises a generator of frequency subcarriers and an inverse Fourier transform module.
  • the first connector and / or the second connector are switches.
  • the correlator comprises at least one direct Fourier transform module, a multiplier and a reverse Fourier transform module.
  • FIG. 1a an example of a reflectogram obtained with the reflectometry system of FIG. 1 for a single cable
  • FIG. 2 a diagram of a reflectometry system according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 a flowchart describing the steps for implementing the method according to the invention
  • FIG. 1 represents a diagram of a fault analysis system 100 in a transmission line L, such as a cable, according to a usual state of the art time reflectometry method.
  • a transmission line L such as a cable
  • Such a system mainly comprises a generator GEN of a reference signal.
  • the digital reference signal generated is converted analogically via a digital-analog converter DAC and is then injected at a point on the transmission line L by means of a directional coupler CPL or any other device enabling a signal to be injected into a line.
  • the signal propagates along the line and is reflected on the singularities it contains.
  • the signal In the absence of a fault on the line, the signal is reflected on the end of the line if the termination of the line is unsuitable. If there is a fault on the line, the signal is partially reflected on the impedance discontinuity caused by the fault. The reflected signal is back propagated to a measurement point, which may be common to the injection point or different. The back propagated signal is measured via the directional coupler CPL then digitally converted by an analog to digital converter ADC. A correlation COR is then performed between the digital signal measured and a copy of the digital signal generated before injection in order to produce a time reflectogram R (t) corresponding to the inter-correlation between the two signals.
  • the position d DF of a fault on the cable L in other words its distance from the point of injection of the signal, can be directly obtained from the measurement, on the calculated temporal reflectogram R (t), of the duration t DF between the first amplitude peak noted on the reflectogram and the amplitude peak corresponding to the signature of the fault.
  • FIG. 1 bis represents an example of a reflectogram R (n) obtained using the system of FIG. 1, in which a first amplitude peak is observed at an abscissa N and a second amplitude peak is observed at an abscissa N + M.
  • the first amplitude peak corresponds to the reflection of the signal at the point of injection into the cable, while the second peak corresponds to the reflection of the signal on an impedance discontinuity caused by a fault
  • Different known methods can be envisaged for determining the position d D F-
  • An analysis device (not shown in FIG. 1) is responsible for analyzing the reflectogram R (t) in order to deduce therefrom information on the presence and / or location of faults as well as the possible electrical characteristics of the faults.
  • the amplitude of a peak in the reflectogram is directly linked to the reflection coefficient of the signal on the impedance discontinuity caused by the fault.
  • the device in FIG. 1 is applicable to the case of a multi-carrier signal by replacing the reference signal generator with a generator of sub-carriers, possibly modulated, coupled to a reverse Fourier transform module.
  • FIG. 2 describes a reflectometry system 200 according to an embodiment of the invention.
  • the multi-carrier signal can be replaced by any other controlled signal, in particular any signal having good autocorrelation properties. If the signal used is time and no longer frequency, the I FFT 1 module is deleted from the system.
  • the system 200 comprises a digital-analog converter DAC.
  • the system 200 also comprises a PLC coupler, or any other equivalent device, for injecting the reference signal into a cable L.
  • the system 200 also includes a device for measuring the signal reflected in the cable L which can be produced by the same CPL coupler or another coupler.
  • the system 200 also includes an analog-digital converter ADC for digitizing the measured signal, at least a first memory M EM 1 for saving the digitized signal and a second memory MEM 2 for saving a copy of the memorized signal inverted in time.
  • ADC analog-digital converter
  • the two memories MEM-i, MEM 2 can be merged into a single memory associated with a reading index capable of reading the samples of signal stored in the reverse order in which they were recorded.
  • the system 200 comprises a first switch INT 1 for alternately connecting the input of the digital analog converter DAC to the output of the signal generator or to the output of the memory MEM 2 , a second switch INT 2 for alternately connecting the input of the analog-digital converter ADC at the input of the memory M EM 1 or at a first input of a correlator COR, the second input of which is connected to the output of the memory MEM 2 .
  • the first switch INT is positioned so as to connect the signal generator GEN to the digital-analog converter DAC (position A in FIG. 2).
  • the reference signal is then injected into the cable L.
  • the second switch INT 2 is positioned so as to connect the output of the analog-digital converter ADC to the memory MEM 1 (position A in FIG. 2 ).
  • the reflected signal is taken by the PLC coupler, digitized then saved in the memory MEM-i. A temporally inverted copy of the measurement is saved in memory MEM 2 .
  • the first switch INT !
  • the memory MEM 2 is positioned so as to connect the memory MEM 2 to the digital-analog converter DAC (position B in FIG. 2) in order to inject into the cable L, the signal returned in time memorized in the memory MEM 2 .
  • the time-returned signal is directly read from the memory in an order opposite to the signal recording order during the first phase.
  • the second switch INT 2 is positioned so as to connect the output of the analog-digital converter ADC to an input of the correlator COR (position B in FIG. 2).
  • the signal injected into the cable during the second operating phase is back propagated to the PLC coupler which takes a measurement of this signal which is then digitized and supplied on an input to the COR correlator.
  • the correlator COR calculates the intercorrelation between this signal and the time returned signal saved in the memory MEM 2 .
  • the signal injection and the measurement of the back propagated signal are carried out at the same point of the cable, for example at one end of the cable.
  • FIG. 2 An exemplary embodiment of the COR correlator is given in FIG. 2. It comprises a first direct Fourier transform module FFT-i connected to the first input of the correlator, a second direct Fourier transform module FFT 2 connected to the second input of the correlator, a MUL multiplier to multiply the outputs of the two direct Fourier transform modules and an inverse Fourier transform module IFFT 2 connected to the output of the multiplier.
  • the first direct Fourier transform module FFT and the second direct Fourier transform module FFT 2 are replaced by a single direct Fourier transform module.
  • the system 200 according to any of the variant embodiments of the invention can be implemented by an electronic card on which the various components are arranged.
  • the card can be connected to the cable to be analyzed by a PLC coupling means which can be a directional coupler with capacitive or inductive effect or even an ohmic connection.
  • the coupling device can be produced by physical connectors which connect the signal generator to the cable or by non-contact means, for example using a metal cylinder whose internal diameter is substantially equal to the external diameter of the cable and which produces an effect. capacitive coupling with the cable.
  • a processing unit such as a computer, personal digital assistant or other equivalent electronic or computer device can be used to control the system according to the invention and display the results of the calculations carried out by the COR correlator on a man-machine interface. , in particular the fault detection and location information on the cable.
  • the various components of the system 200 according to the invention can be implemented by means of software and / or hardware technology.
  • the invention can be implemented totally or partially by means of an on-board processor or a specific device.
  • the processor can be a generic processor, a specific processor, an integrated circuit specific to an application (also known under the English name of ASIC for "Application-Specific Integrated Circuit") or a network of programmable doors in situ (also known under the English name of FPGA for "Field-Programmable Gate Array”).
  • the system according to the invention can use one or more dedicated electronic circuits or a general-purpose circuit.
  • the technique of the invention can be carried out on a reprogrammable computing machine (a processor or a microcontroller for example) executing a program comprising a sequence of instructions, or on a dedicated computing machine (for example a set of logic gates such as an FPGA or an ASIC, or any other hardware module).
  • a reprogrammable computing machine a processor or a microcontroller for example
  • a dedicated computing machine for example a set of logic gates such as an FPGA or an ASIC, or any other hardware module.
  • FIG. 3 describes the steps for implementing the method for characterizing a defect according to the invention.
  • the method is implemented by means of a system 200 of the type described in FIG. 2.
  • a first reference signal is injected into the network of transmission lines L that we wish to diagnose.
  • the back propagated signal is measured after its propagation in the network and its possible reflections on the impedance discontinuities caused by the presence of a fault but also by network junctions or terminations.
  • a time reversal is applied to the measured signal to reverse the order of the samples of the signal.
  • step 304 the signal obtained in step 303 is injected into the network.
  • a fifth step 305 the back propagated signal is again measured, then in a sixth step 306, the intercorrelation between the signal measured in step 305 and the signal obtained after the time reversal step 303 is calculated. .
  • the result of the intercorrelation calculation is a time reflectogram, the analysis of which makes it possible to detect and locate a fault in the network of lines.
  • the invention thus makes it possible to amplify the signature of a defect in the reflectogram obtained, compared with the methods of the prior art, since the use of the time reversal makes it possible to generate, in step 303, a signal adapted to the cable faults.
  • the signal measured in step 302 includes the reflection echoes of the initial signal injected in step 301 on the cable faults. By temporally inverting this signal and injecting it into the cable, a reflection of the reflections obtained via the first injection 301 and of the reflections obtained via the second injection 304 is induced.
  • the signal obtained in step 305 then comprises a total of the echoes of the signal constructed in step 303 and of the echoes linked to the reflection of this signal injected in step 304 and then measured in step 305.
  • FIGS. 4a, 4b and 4c represent the time reflectograms obtained respectively with the invention and with a method of the prior art.
  • FIG. 4a represents a reflectogram 400 obtained with the invention and a reflectogram 401 obtained with a method of the prior art based on time reversal, for a cable 10 meters long without defect.
  • the amplitude peak P 0 , Pi measured on the two reflectograms corresponds to the termination of the cable in open circuit. It is noted that the peak P 0 of the reflectogram 400 obtained with the invention has a higher amplitude than the peak Pi of the reflectogram 401 obtained with the method of the prior art.
  • FIG. 4b represents a reflectogram 500 obtained with the invention and a reflectogram 501 obtained with the method of the prior art based on time reversal, for a cable having a capacitive defect of 2 cm in length at 10 m from the point of signal injection.
  • FIG. 4c represents a reflectogram 600 obtained with the invention and a reflectogram 601 obtained with the method of the prior art based on time reversal, for a cable having a resistive defect of 2 cm in length at 20 m from the point of signal injection.
  • the signature of the capacitive fault P 4 has a higher amplitude on the reflectogram 600 obtained with the invention than that P 5 measured on the reflectogram 601 obtained with the method of the prior art.
  • the invention notably has the following differences compared to the method of the aforementioned prior art.
  • the invention does not require the use of a sound cable unlike the method of the prior art. It also does not require calculating two correlations but only one. Furthermore, the invention involves a correlation calculation between the signal returned in time and then injected into the cable and the measurement of this same signal after reflection. On the contrary, in the method of the prior art, the correlation is applied between the first reference signal injected in step 301 and the final signal measured after reflection obtained in step 305. Finally, the invention makes it possible to reduce the complexity of implementing the process, in other words the number of calculations or operations necessary for its execution.
  • the invention makes it possible to establish a diagnosis of the state of health of a network of transmission lines without the need to interrupt the service provided by the network or generate interference for this service.

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Abstract

Procédé de caractérisation d'un défaut dans un réseau d'au moins une ligne de transmission, ledit procédé comprenant les étapes de : - Injecter (301) un premier signal de référence dans le réseau, - Acquérir (302) une première mesure du premier signal de référence après sa propagation dans le réseau, - Inverser temporellement (303) la mesure pour générer un second signal de référence, - Injecter (304) le second signal de référence dans le réseau, - Acquérir (305) une seconde mesure du second signal de référence après sa propagation dans le réseau, - Calculer (306) l'intercorrélation entre la seconde mesure et le second signal de référence.

Description

Procédé et système de caractérisation d’un défaut dans un réseau de lignes de transmission, par retournement temporel
L’invention concerne le domaine des systèmes de diagnostic filaires basés sur le principe de la réflectométrie. Elle a pour objet un procédé de caractérisation d’un défaut dans un réseau de lignes de transmission, basé sur le principe du retournement temporel.
Les câbles sont omniprésents dans tous les systèmes électriques, pour l’alimentation ou la transmission d’information. Ces câbles sont soumis aux mêmes contraintes que les systèmes qu’ils relient et peuvent être sujets à des défaillances. Il est donc nécessaire de pouvoir analyser leur état et d’apporter des informations sur la détection de défauts, mais aussi leur localisation et leur type, afin d’aider à la maintenance. Les méthodes de réflectométrie usuelles permettent ce type de tests.
Les méthodes de réflectométrie utilisent un principe proche de celui du radar : un signal électrique, le signal de sonde ou signal de référence, qui est le plus souvent de haute fréquence ou large bande, est injecté en un ou plusieurs endroits du câble à tester. Le signal se propage dans le câble ou le réseau et renvoie une partie de son énergie lorsqu’il rencontre une discontinuité électrique. Une discontinuité électrique peut résulter, par exemple, d’un branchement, de la fin du câble ou d’un défaut ou plus généralement d’une rupture des conditions de propagation du signal dans le câble. Elle résulte le plus souvent d’un défaut qui modifie localement l’impédance caractéristique du câble en provoquant une discontinuité dans ses paramètres linéiques.
L’analyse des signaux renvoyés au point d’injection permet d’en déduire des informations sur la présence et la localisation de ces discontinuités, donc des défauts éventuels. Une analyse dans le domaine temporel ou fréquentiel est habituellement réalisée. Ces méthodes sont désignées par les acronymes TDR venant de l’expression anglo-saxonne « Time Domain Reflectometry » et FDR venant de l’expression anglo- saxonne « Frequency Domain Reflectometry ».
L’invention entre dans le champ d’application des méthodes de réflectométrie pour le diagnostic filaire et s’applique à tout type de câble électrique, en particulier des câbles de transmission d’énergie ou des câbles de communication, dans des installations fixes ou mobiles. Les câbles concernés peuvent être coaxiaux, bifilaires, en lignes parallèles, en paires torsadées ou autre pourvu qu’il soit possible d’y injecter un signal de réflectométrie en un point du câble et de mesurer sa réflexion au même point ou en un autre point.
Les méthodes de réflectométrie temporelle connues sont particulièrement adaptées à la détection de défauts francs dans un câble, tel un court circuit ou un circuit ouvert ou plus généralement une modification locale significative de l’impédance du câble. La détection du défaut se fait par la mesure de l’amplitude du signal réfléchi sur ce défaut qui est d’autant plus importante et donc détectable, que le défaut est important.
A l’inverse, un défaut non franc, par exemple résultant d’une dégradation superficielle de la gaine du câble de l’isolant ou du conducteur, engendre un pic d’amplitude faible sur le signal de réflectométrie réfléchi et est par conséquent plus difficilement détectable par des méthodes temporelles classiques. Plus généralement, un défaut non franc peut être provoqué par un frottement, un pincement ou encore un phénomène de corrosion qui vient affecter la gaine du câble, l’isolant ou le conducteur.
La détection et la localisation d’un défaut non franc sur un câble est un problème important pour le monde industriel car un défaut apparaît en général d’abord comme un défaut superficiel mais peut, avec le temps, évoluer vers un défaut plus impactant. Pour cette raison notamment, il est utile de pouvoir détecter l’apparition d’un défaut dès son apparition et à un stade où son impact est superficiel afin d’anticiper son évolution en un défaut plus important.
La faible amplitude des réflexions associées au passage du signal à travers un défaut non franc entraîne également un problème potentiel de fausses détections. En effet, il peut être difficile de discriminer un pic de faible amplitude dans un réflectogramme qui peut résulter soit d’un défaut sur le câble, soit d’un bruit de mesure. Ainsi, des faux positifs peuvent apparaître qui correspondent non pas à des défauts mais qui résultent du bruit de mesure ou d’inhomogénéités du câble.
Le brevet américain US 9465067 décrit une méthode de localisation de défauts dans un réseau de câbles d’énergie, basée sur le principe du retournement temporel.
Cette méthode consiste à enregistrer un signal généré par un défaut intermittent qui se propage jusqu’à un point de mesure puis à retourner temporellement la mesure pour l’injecter dans le réseau et enfin à mesurer le signal réfléchi.
La méthode proposée est adaptée aux défauts intermittents qui génèrent spontanément une onde de choc mais pas aux défauts permanents passifs, en particulier les défauts non francs.
Par ailleurs, cette méthode ne peut pas être utilisée sur un réseau de câbles en fonctionnement, c'est-à-dire dans lequel des signaux utiles sont par ailleurs transmis.
La publication scientifique « Time Reversai for soft faults diagnosis in wire networks », Lola El Sahmarany et al, Progress in Electromagnetics Research M, vol 31 , 2013, décrit une autre méthode de caractérisation de défauts non francs basée sur le principe du retournement temporel. Elle consiste cette fois à injecter un signal de référence dans un câble, à mesurer son écho puis à retourner temporellement cet écho pour le réinjecter à nouveau dans le câble. Cette méthode inclut principalement les trois étapes suivantes. Tout d’abord, un signal de sonde vin est injecté dans la ligne de transmission saine d’une part et dans la ligne de transmission avec défaut d’autre part. Les signaux réfléchis mesurés sur la ligne avec défaut, noté vrF, et sur la ligne sans défaut, noté vrS, sont enregistrés.
Ensuite, les signaux réfléchis pour la ligne saine et avec défaut sont retournés temporellement et réinjectés dans la ligne de transmission saine pour obtenir respectivement les signaux réfléchis vrFbis et vrSbis. On détermine ensuite une corrélation entre le signal réfléchi vrFbis et le signal de sonde vin puis on détermine une corrélation entre le signal réfléchi vrbis et le signal de sonde vin. La différence entre les deux résultats de corrélation permet de détecter et localiser le défaut.
Cette méthode présente l’inconvénient qu’elle nécessite d’effectuer une mesure à la fois sur un câble sain (sans défaut) et sur le même câble avec défaut. Par ailleurs, elle ne permet pas non plus de réaliser un diagnostic sur un câble en fonctionnement. En effet, les signaux injectés dans le câble via cette méthode peuvent perturber le fonctionnement nominal du câble en générant des interférences. On connaît par ailleurs des méthodes de réflectométrie multi- porteuses telles que décrite notamment dans la demande de brevet internationale du Demandeur publiée sous le numéro WO2015062885.
De telles méthodes sont basées sur l’utilisation d’un signal multi- porteuses du type OFDM (Orthogonal Fréquency Division Multiplexing). Le principe est de diviser la bande de fréquence disponible en sous-bandes orthogonales de sorte à maximiser l’efficacité spectrale tout en contrôlant le spectre du signal. En appliquant ce principe, certaines bandes de fréquences réservées à l’utilisation nominale du câble sont évitées en supprimant du signal les sous-porteuses correspondantes. De sorte, il est possible de générer un signal ayant une occupation spectrale uniquement sur des sous- bandes fréquentielles autorisées au diagnostic de défauts. Ainsi, l’utilisation de méthodes de réflectométrie basées sur un signal multi-porteuses permet de réaliser un diagnostic en ligne d’un réseau de câbles sans interférer avec le fonctionnement nominal du réseau et sans nécessité d’interrompre le service rendu par le réseau.
Cependant, de telles méthodes présentent l’inconvénient de souffrir d’une atténuation du signal importante, ce qui diminue la fiabilité de détection des défauts par analyse du réflectogramme.
L’invention vise à proposer une méthode, basée sur le principe du retournement temporel, de détection et localisation de défauts qui permet d’améliorer le gain de détection et la précision de localisation et qui peut être mise en oeuvre sans perturber le fonctionnement nominal du réseau de câbles. L’invention a pour objet un procédé de caractérisation d’un défaut dans un réseau d’au moins une ligne de transmission, ledit procédé comprenant les étapes de :
- Injecter un premier signal de référence dans le réseau,
- Acquérir une première mesure du premier signal de référence après sa propagation dans le réseau,
- Inverser temporellement la mesure pour générer un second signal de référence,
- Injecter le second signal de référence dans le réseau,
- Acquérir une seconde mesure du second signal de référence après sa propagation dans le réseau,
- Calculer l’intercorrélation entre la seconde mesure et le second signal de référence.
Selon un aspect particulier de l’invention, le premier signal de référence est un signal comprenant une pluralité de porteuses fréquentielles. Selon une variante particulière, le procédé selon l’invention comprend en outre la recherche, dans l’intercorrélation, d’au moins un extremum indiquant la présence d’un défaut.
L’invention a aussi pour objet un système de caractérisation d’un défaut dans un réseau d’au moins une ligne de transmission le système comprenant des moyens configurés pour mettre en oeuvre les étapes du procédé de caractérisation d’un défaut selon l’invention.
Selon une variante particulière, le système selon l’invention comprend
- un générateur d’un signal de référence,
- un dispositif d’injection pour injecter le signal de référence dans le réseau,
- un dispositif de mesure du signal de référence après sa propagation dans le réseau,
- une unité logique configurée pour sauvegarder une mesure temporelle acquise par le dispositif de mesure et pour délivrer, au dispositif d’injection, une version temporellement inversée de ladite mesure,
- un corrélateur,
- un premier connecteur configuré pour connecter, dans une première phase, le générateur de signal de référence au dispositif d’injection et, dans une seconde phase, l’unité logique au dispositif d’injection,
- un second connecteur configuré pour connecter, dans la première phase, le dispositif de mesure à l’unité logique et, dans une seconde phase, le dispositif de mesure au corrélateur,
- le corrélateur étant connecté d’une part à l’unité logique et d’autre part au second connecteur et étant configuré pour déterminer l’intercorrélation entre le signal mesuré par le dispositif de mesure durant la seconde phase et la mesure temporellement inversée délivrée par l’unité logique. Selon un aspect particulier de l’invention, l’unité logique est une mémoire apte à sauvegarder une mesure temporelle d’un signal et à fournir les échantillons de la mesure sauvegardée dans un ordre inverse à celui dans lequel ils ont été sauvegardés.
Selon un aspect particulier de l’invention, le générateur d’un signal de référence comprend un générateur de sous-porteuses fréquentielles et un module de transformée de Fourier inverse.
Selon un aspect particulier de l’invention, le premier connecteur et/ou le second connecteur sont des interrupteurs.
Selon un aspect particulier de l’invention, le corrélateur comprend au moins un module de transformée de Fourier directe, un multiplieur et un module de transformée de Fourier inverse. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés qui représentent :
- La figure 1 , un schéma d’un système de réflectométrie selon l’art antérieur,
- La figure 1 bis, un exemple de réflectogramme obtenu avec le système de réflectométrie de la figure 1 pour un câble simple,
- La figure 2, un schéma d’un système de réflectométrie selon un mode de réalisation de l’invention,
- La figure 3, un organigramme décrivant les étapes de mise en oeuvre du procédé selon l’invention,
- Les figures 4a, 4b, 4c, trois diagrammes temporels représentant des exemples comparatifs de réflectogrammes obtenus avec et sans l’invention. La figure 1 représente un schéma d’un système 100 d’analyse de défaut dans une ligne de transmission L, telle qu’un câble, selon une méthode usuelle de réflectométrie temporelle de l’état de l’art. Un tel système comprend principalement un générateur GEN d’un signal de référence. Le signal de référence numérique généré est converti analogiquement via un convertisseur numérique-analogique DAC puis est injecté en un point de la ligne de transmission L au moyen d’un coupleur directionnel CPL ou tout autre dispositif permettant d’injecter un signal dans une ligne. Le signal se propage le long de la ligne et se réfléchit sur les singularités qu’elle comporte. En l’absence de défaut sur la ligne, le signal se réfléchit sur l’extrémité de la ligne si la terminaison de la ligne est non adaptée. En présence de défaut sur la ligne, le signal se réfléchit partiellement sur la discontinuité d’impédance provoquée par le défaut. Le signal réfléchi est rétro-propagé jusqu’à un point de mesure, qui peut être commun au point d’injection ou différent. Le signal rétro-propagé est mesuré via le coupleur directionnel CPL puis converti numériquement par un convertisseur analogique numérique ADC. Une corrélation COR est ensuite effectuée entre le signal numérique mesuré et une copie du signal numérique généré avant injection afin de produire un réflectogramme temporel R(t) correspondant à l’inter-corrélation entre les deux signaux.
Comme cela est connu dans le domaine des méthodes de diagnostic par réflectométrie temporelle, la position dDF d’un défaut sur le câble L, autrement dit sa distance au point d’injection du signal, peut être directement obtenue à partir de la mesure, sur le réflectogramme temporel calculé R(t), de la durée tDF entre le premier pic d’amplitude relevé sur le réflectogramme et le pic d’amplitude correspondant à la signature du défaut.
La figure 1 bis représente un exemple de réflectogramme R(n) obtenu à l’aide du système de la figure 1 , sur lequel on observe un premier pic d’amplitude à une abscisse N et un second pic d’amplitude à une abscisse N+M. Le premier pic d’amplitude correspond à la réflexion du signal au point d’injection dans le câble, tandis que le second pic correspond à la réflexion du signal sur une discontinuité d’impédance provoquée par un défaut Différentes méthodes connues sont envisageables pour déterminer la position dDF- Une première méthode consiste à appliquer la relation liant distance et temps : dDF = Vg -ÎDF/2 OÙ Vg est la vitesse de propagation du signal dans le câble. Une autre méthode possible consiste à appliquer une relation de proportionnalité du type dDF/ ÎDF = Lc/t0 où Lc est la longueur du câble et t0 est la durée, mesurée sur le réflectogramme, entre le pic d’amplitude correspondant à la discontinuité d’impédance au point d’injection et le pic d’amplitude correspondant à la réflexion du signal sur l’extrémité du câble.
Un dispositif d’analyse (non représenté à la figure 1 ) est chargé d’analyser le réflectogramme R(t) pour en déduire des informations de présence et/ou localisation de défauts ainsi que les caractéristiques électriques éventuelles des défauts. En particulier, l’amplitude d’un pic dans le réflectograme est directement liée au coefficient de réflexion du signal sur la discontinuité d’impédance provoquée par le défaut.
Le dispositif de la figure 1 est applicable au cas d’un signal multi- porteuses en remplaçant le générateur de signal de référence par un générateur de sous-porteuses, éventuellement modulées, couplé à un module de transformée de Fourier inverse.
La figure 2 décrit un système 200 de réflectométrie selon un mode de réalisation de l’invention.
Il comprend un générateur GEN de sous-porteuses et un premier module de transformée de Fourier inverse I FFT 1 pour générer un signal de référence multi-porteuses. Sans sortir du cadre de l’invention, le signal multi- porteuses peut être remplacé par tout autre signal maîtrisé, en particulier tout signal présentant de bonnes propriétés d’autocorrélation. Si le signal utilisé est temporel et non plus fréquentiel, le module I FFT 1 est supprimé du système.
Si le signal généré par le générateur GEN est un signal numérique, le système 200 comprend un convertisseur numérique-analogique DAC. Le système 200 comprend par ailleurs un coupleur CPL, ou tout autre dispositif équivalent, pour injecter le signal de référence dans un câble L. Le système 200 comprend aussi un dispositif de mesure du signal réfléchi dans le câble L qui peut être réalisé par le même coupleur CPL ou un autre coupleur.
Le système 200 comprend aussi un convertisseur analogique- numérique ADC pour numériser le signal mesuré, au moins une première mémoire M EM1 pour sauvegarder le signal numérisé et une seconde mémoire MEM2 pour sauvegarder une copie du signal mémorisé inversé temporellement. Les deux mémoires MEM-i, MEM2 peuvent être fusionnées en une seule mémoire associée à un index de lecture apte à lire les échantillons de signal mémorisé dans l’ordre inverse duquel ils ont été enregistrés.
Par ailleurs, le système 200 comprend un premier interrupteur INT 1 pour connecter alternativement l’entrée du convertisseur numérique analogique DAC à la sortie du générateur de signal ou à la sortie de la mémoire MEM2, un second interrupteur INT2 pour connecter alternativement l’entrée du convertisseur analogique numérique ADC à l’entrée de la mémoire M EM1 ou à une première entrée d’un corrélateur COR dont la seconde entrée est reliée à la sortie de la mémoire MEM2.
Lors d’une première phase de fonctionnement du système 200, le premier interrupteur INT est positionné de sorte à relier le générateur de signal GEN au convertisseur numérique-analogique DAC (position A sur la figure 2). Le signal de référence est alors injecté dans le câble L. Dans cette première phase de fonctionnement, le second interrupteur INT2 est positionné de sorte à relier la sortie du convertisseur analogique-numérique ADC à la mémoire MEM1 (position A sur la figure 2). Le signal réfléchi est prélevé par le coupleur CPL, numérisé puis sauvegardé dans la mémoire MEM-i. Une copie inversée temporellement de la mesure est sauvegardée dans la mémoire MEM2. Dans une seconde phase de fonctionnement du système 200, le premier interrupteur INT ! est positionné de sorte à relier la mémoire MEM2 au convertisseur numérique-analogique DAC (position B sur la figure 2) pour injecter dans le câble L, le signal retourné temporellement mémorisé dans la mémoire MEM2. Dans une variante particulière de l’invention, une seule mémoire est disponible et le signal retourné temporellement est directement lu dans la mémoire dans un ordre inverse de l’ordre d’enregistrement du signal pendant la première phase.
Le second interrupteur INT2 est positionné de sorte à relier la sortie du convertisseur analogique-numérique ADC à une entrée du corrélateur COR (position B sur la figure 2). Le signal injecté dans le câble lors de la seconde phase de fonctionnement est rétro-propagé jusqu’au coupleur CPL qui prélève une mesure de ce signal qui est ensuite numérisée et fourni sur une entrée du corrélateur COR. Le corrélateur COR calcule l’intercorrélation entre ce signal et le signal retourné temporellement sauvegardé dans la mémoire MEM2.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’injection du signal et la mesure du signal rétro-propagé sont effectués au même point du câble, par exemple à une extrémité du câble.
Un exemple de réalisation du corrélateur COR est donné à la figure 2. Il comprend un premier module de transformée de Fourier directe FFT-i relié à la première entrée du corrélateur, un second module de transformée de Fourier directe FFT2 relié à la seconde entrée du corrélateur, un multiplieur MUL pour multiplier les sorties des deux modules de transformée de Fourier directe et un module de transformée de Fourier inverse IFFT2 relié à la sortie du multiplieur. Selon une variante, le premier module de transformée de Fourier directe FFT et le second module de transformée de Fourier directe FFT2 sont remplacés par un unique module de transformée de Fourier directe. Le système 200 selon l’une quelconque des variantes de réalisation de l’invention peut être mis en oeuvre par une carte électronique sur laquelle sont disposés les différents composants. La carte peut être connectée au câble à analyser par un moyen de couplage CPL qui peut être un coupleur directionnel à effet capacitif ou inductif ou encore une connexion ohmique. Le dispositif de couplage peut être réalisé par des connecteurs physiques qui relient le générateur de signal au câble ou par des moyens sans contact, par exemple en utilisant un cylindre métallique dont le diamètre interne est sensiblement égal au diamètre externe du câble et qui produit un effet de couplage capacitif avec le câble.
En outre, une unité de traitement, de type ordinateur, assistant numérique personnel ou autre dispositif électronique ou informatique équivalent peut être utilisé pour piloter le système selon l’invention et afficher les résultats des calculs effectués par le corrélateur COR sur une interface homme-machine, en particulier les informations de détection et localisation de défauts sur le câble.
Les différents composants du système 200 selon l’invention peuvent être mis en oeuvre au moyen de technologie logicielle et/ou matérielle. En particulier, l’invention peut être implémentée totalement ou partiellement au moyen d’un processeur embarqué ou d’un dispositif spécifique. Le processeur peut être un processeur générique, un processeur spécifique, un circuit intégré propre à une application (connu aussi sous le nom anglais d’ASIC pour « Application-Specific Integrated Circuit ») ou un réseau de portes programmables in situ (connu aussi sous le nom anglais de FPGA pour « Field-Programmable Gâte Array »). Le système selon l’invention peut utiliser un ou plusieurs circuits électroniques dédiés ou un circuit à usage général. La technique de l'invention peut se réaliser sur une machine de calcul reprogrammable (un processeur ou un micro contrôleur par exemple) exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions, ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel).
La figure 3 décrit les étapes de mise en œuvre du procédé de caractérisation d’un défaut selon l’invention. Le procédé est mis en œuvre au moyen d’un système 200 du type de celui décrit à la figure 2.
Dans une première étape 301 , on injecte un premier signal de référence dans le réseau de lignes de transmission L que l’on souhaite diagnostiquer.
Dans une seconde étape 302, on mesure le signal rétro-propagé après sa propagation dans le réseau et ses éventuelles réflexions sur les discontinuités d’impédance provoquées par la présence de défaut mais aussi par des jonctions ou terminaisons du réseau.
Dans une troisième étape 303, on applique un retournement temporel au signal mesuré pour inverser l’ordre des échantillons du signal.
Dans une quatrième étape 304, on injecte le signal obtenu à l’étape 303 dans le réseau.
Dans une cinquième étape 305, on mesure à nouveau le signal rétro- propagé, puis on calcule, dans une sixième étape 306, l’intercorrélation entre le signal mesuré à l’étape 305 et le signal obtenu après l’étape de retournement temporel 303.
Le résultat du calcul d’intercorrélation est un réflectogramme temporel dont l’analyse permet de détecter et localiser un défaut dans le réseau de lignes.
L’invention permet ainsi d’amplifier la signature d’un défaut dans le réflectogramme obtenu, par rapport aux méthodes de l’art antérieur, car l’utilisation du retournement temporel permet de générer, à l’étape 303, un signal adapté aux défauts du câble. En effet, le signal mesuré à l’étape 302 comprend les échos de réflexion du signal initial injecté à l’étape 301 sur les défauts du câble. En inversant temporellement ce signal et en l’injectant dans le câble, on induit une superposition des réflexions obtenues via la première injection 301 et des réflexions obtenues via la seconde injection 304.
Le signal obtenu à l’étape 305 comprend alors un cumul des échos du signal construit à l’étape 303 et des échos liés à la réflexion de ce signal injecté à l’étape 304 puis mesuré à l’étape 305.
Au final, l’intercorrélation entre le signal mesuré à l’étape 305 et le signal généré à l’étape 303 présente un gain significatif par rapport à un signal de référence qui ne serait pas adapté aux défauts du câble. Les figures 4a, 4b et 4c représentent les réflectogrammes temporels obtenus respectivement avec l’invention et avec une méthode de l’art antérieur.
La méthode de l’art antérieur est basée sur le principe décrit dans la publication « Time Reversai for soft faults diagnosis in wire networks », Lola El Sahmarany et al, Progress in Electromagnetics Research M, vol 31 , 2013.
La figure 4a représente un réflectogramme 400 obtenu avec l’invention et un réflectogramme 401 obtenu avec une méthode de l’art antérieur basée sur le retournement temporel, pour un câble de 10 mètres de long sans défaut. Le pic d’amplitude P0,Pi mesuré sur les deux réflectogrammes correspond à la terminaison du câble en circuit ouvert. On remarque que le pic P0 du réflectogramme 400 obtenu avec l’invention présente une amplitude plus élevée que le pic Pi du réflectogramme 401 obtenu avec la méthode de l’art antérieur.
La figure 4b représente un réflectogramme 500 obtenu avec l’invention et un réflectogramme 501 obtenu avec la méthode de l’art antérieur basée sur le retournement temporel, pour un câble présentant un défaut capacitif de 2 cm de long à 10 m du point d’injection du signal.
On voit que la signature du défaut capacitif P2 présente une amplitude plus élevée sur le réflectogramme 500 obtenu avec l’invention que celle P3 mesurée sur le réflectogramme 501 obtenu avec la méthode de l’art antérieur.
La figure 4c représente un réflectogramme 600 obtenu avec l’invention et un réflectogramme 601 obtenu avec la méthode de l’art antérieur basée sur le retournement temporel, pour un câble présentant un défaut résistif de 2 cm de long à 20 m du point d’injection du signal.
Ici encore, on voit que la signature du défaut capacitif P4 présente une amplitude plus élevée sur le réflectogramme 600 obtenu avec l’invention que celle P5 mesurée sur le réflectogramme 601 obtenu avec la méthode de l’art antérieur.
L’invention présente notamment les différences suivantes par rapport à la méthode de l’art antérieur précitée.
L’invention ne nécessite pas l’utilisation d’un câble sain contrairement à la méthode de l’art antérieur. Elle ne nécessite pas non plus de calculer deux corrélations mais une seule. Par ailleurs, l’invention implique un calcul de corrélation entre le signal retourné temporellement puis injecté dans le câble et la mesure de ce même signal après réflexion. Au contraire, dans la méthode de l’art antérieur, la corrélation est appliquée entre le premier signal de référence injecté à l’étape 301 et le signal final mesuré après réflexion obtenu à l’étape 305. Enfin, l’invention permet de réduire la complexité de mise en oeuvre du procédé, autrement dit le nombre de calculs ou d’opérations nécessaires à son exécution.
Par ailleurs, en utilisant un signal de référence multi-porteuses de type OFDM, l’invention permet d’établir un diagnostic de l’état de santé d’un réseau de lignes de transmission sans nécessité une interruption du service fourni par le réseau ou générer des interférences pour ce service.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de caractérisation d’un défaut dans un réseau d’au moins une ligne de transmission, ledit procédé comprenant les étapes de :
- Injecter (301 ) un premier signal de référence dans le réseau,
- Acquérir (302) une première mesure du premier signal de référence après sa propagation dans le réseau,
- Inverser temporellement (303) la mesure pour générer un second signal de référence,
- Injecter (304) le second signal de référence dans le réseau,
- Acquérir (305) une seconde mesure du second signal de référence après sa propagation dans le réseau,
- Calculer (306) l’intercorrélation entre la seconde mesure et le second signal de référence.
2. Procédé de caractérisation d’un défaut selon la revendication 1 dans lequel le premier signal de référence est un signal comprenant une pluralité de porteuses fréquentielles.
3. Procédé de caractérisation d’un défaut selon l’une des revendications précédentes comprenant en outre la recherche, dans l’intercorrélation, d’au moins un extremum indiquant la présence d’un défaut.
4. Système de caractérisation d’un défaut dans un réseau d’au moins une ligne de transmission le système comprenant des moyens configurés pour mettre en oeuvre les étapes du procédé de caractérisation d’un défaut selon l’une quelconque des revendications précédentes.
5. Système de caractérisation d’un défaut selon la revendication 4, le système comprenant :
- un générateur (GEN) d’un signal de référence, - un dispositif d’injection (DAC,CPL) pour injecter le signal de référence dans le réseau,
- un dispositif de mesure (CPL,ADC) du signal de référence après sa propagation dans le réseau,
- une unité logique (MEM-I ,MEM2) configurée pour sauvegarder une mesure temporelle acquise par le dispositif de mesure (CPL,ADC) et pour délivrer, au dispositif d’injection (DAC,CPL), une version temporellement inversée de ladite mesure,
- un corrélateur (COR),
- un premier connecteur (INT-i) configuré pour connecter, dans une première phase, le générateur (GEN) de signal de référence au dispositif d’injection (DAC,CPL) et, dans une seconde phase, l’unité logique (MEM2) au dispositif d’injection (DAC,CPL),
- un second connecteur (INT2) configuré pour connecter, dans la première phase, le dispositif de mesure (CPL,ADC) à l’unité logique (MEM-i) et, dans une seconde phase, le dispositif de mesure (CPL,ADC) au corrélateur (COR),
- le corrélateur (COR) étant connecté d’une part à l’unité logique (MEM2) et d’autre part au second connecteur (INT2) et étant configuré pour déterminer l’intercorrélation entre le signal mesuré par le dispositif de mesure (CPL,ADC) durant la seconde phase et la mesure temporellement inversée délivrée par l’unité logique (MEM2).
6. Système de caractérisation d’un défaut selon la revendication 5 dans lequel l’unité logique (MEM-I ,MEM2) est une mémoire apte à sauvegarder une mesure temporelle d’un signal et à fournir les échantillons de la mesure sauvegardée dans un ordre inverse à celui dans lequel ils ont été sauvegardés.
7. Système de caractérisation d’un défaut selon l’une des revendications 5 ou 6 dans lequel le générateur (GEN) d’un signal de référence comprend un générateur de sous-porteuses fréquentielles et un module de transformée de Fourier inverse (IFFT-i).
8. Système de caractérisation d’un défaut selon l’une des revendications 5 à
7 dans lequel le premier connecteur (INT-i) et/ou le second connecteur (INT2) sont des interrupteurs.
9. Système de caractérisation d’un défaut selon l’une des revendications 5 à
8 dans lequel le corrélateur (COR) comprend au moins un module de transformée de Fourier directe (FFTI ,FFT2), un multiplieur (MUL) et un module de transformée de Fourier inverse (IFFT2).
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