基于SSTDR的手持式电缆故障检测系统及方法与流程

技术特征：

1.基于扩展频谱时域反射法(Spread Spectrum time Domain Reflectometry,SSTDR)的手持式电缆故障检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：建立传输线模型

按照均匀传输线理论，将电力线等效为由电阻R0、电感L0、电容C0和电导G0组成的模型；

由基尔霍夫电压定律和电流定律，得到传输线的两个参数：传播常数和特性阻抗，都是随频率的变化而变化的，具体表示为

上式(3-1)中的γ为传播常数，其中，α是衰减常数，单位是Np/m或dB/m，β为相位常数，单位是rad/m，分别表示为

对于工作频率较高的传输线，有R0＜＜ωL0，G0＜＜ωC0，推导得到：

传播常数的实部α是频率的函数，且随着频率的增加而增大；由于集肤效应的存在，导线在传播不同频率信号时的分布参数R0是不同的，和频率的平方根成正比，即同时G0由导线绝缘材料电介质的介电常数决定，与信号的频率f成正比，即G0＝k2f，故衰减常数传播常数的虚部β表示为β＝k3f；k1，k2和k3的大小取决于线缆材质及其几何尺寸；ZC为特性阻抗或波阻抗；γ和ZC用来表征均匀传输线的特征；电力线信道随着频率、距离变化的衰减模型表示为

Attenuation(f,d)＝e^-α(f)·d (1-7)

从式(3-7)中看出，由于电力线缆的集肤效应，以及线缆本身绝缘材料的电介质损耗，使载波信号在传输过程中会随着距离增加、频率增大而发生衰减；

S2：建立电力电缆网络模型

为建立电力线网络模型，首先考虑电网模型中的基本元素，这些基本元素都是通过电力线相互连接的，称为节点，电力电缆线的有很多接头，这些分支接头会产生阻抗不连续点，继而产生波的折射和反射；

S3：利用传输线理论获得双线传输的分布式模型

传输线中有关信道响应的参数：r和D，其中r是铜导体的半径，D是两条铜导体线的中心间距，会影响传输线的分布参数；

将双线传输的参数量化为分布式参数串联电阻R、串联电感L、并联电容C和并联电导G；

上述分布式参数分别通过下列式子得出：

G＝2πftanδ(S/m) (3-4)

在上述式子中，r，D，σc，εr，tanδ，μr和γ分别代表导体的半径、两个导体的中心间距、导体的电导率、导体周围绝缘介质的相对介电常数、导体的损耗因数，即介质损耗角，导体的相对磁导率以及传播常数；ε0和μ0是真空中的介电常数和磁导率；

S4：建立电力电缆信道模型

在传输线理论的基础上，提出基于非线性最小二乘多径参数估计方法的电力线信道模型，并基于认知技术建立了电力线信道特性与网络特性之间的对应关系；

S5：判断电缆故障类型。

2.根据权利要求1所述的基于SSTDR的手持式电缆故障检测方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：

S401：基于非线性最小二乘多径参数估计方法的电力线信道模型

根据传输线理论，信号在电力线中传播由传播常数来决定：

γ(f)＝α(f)+jβ(f) (4-1)

其中，α(f)和β(f)分别是由频率f决定的衰减常数和相移常数；

在阻抗不连续处，信号传播由分支点的反射和传输参数决定，定义反射参数为：

以及传输参数为T(f)＝1+Γ(f)，Z0(f)是传输线的特性阻抗，Z(f)是不连续处的阻抗值；

用m代表PLC信号的路径索引，m＝1对应直射路径，m＞1对应带有反射的信号路径；dm表示第m条路径的距离；第m条路径的反射参数和传输参数序列分别表示为和其中NΓ(m)和NT(m)分别表示第m条路径反射和传输的数量；然后，将电力线信道的传输函数写为：

在式(3-8)中，将第m条路径反射和传输参数聚合为Am(f)；

S402：对信号多径传播模型做以下合理假设；

首先，假定α(f)和β(f)十分接近于频率的线性函数：

近似与低损耗模型很相配，也在小频率波动fmin≤f≤fmax范围内严格的符合；

其次，在频段中将参数Am(f)近似为常量用于测距；同样，近似对于小信号频带fmax-fmin严格相符；

第三，将路径数截短为Np，随着传播距离的增长，信号会经过更多的不连续点，它会经历明显更强的衰减，将信号传播路径数截短为一个有限值是一个合理的近似；将这些近似应用于公式(4-3)，得到基于多径模型的信道传输函数为：

S403：根据以上多径信道模型，提出一种自顶向下的基于非线性最小二乘多径参数估计方法的电力线信道建模方案；

用最小二乘法求拟合曲线确定拟合模型f(x)，即采用公式(4-5)，在电力线缆拓扑与具体物理参数未知的情况下，用少量参数来描述电力线信道；

在进行现场信道测试时，信道测量数据是以dB为单位的信道传输函数的模值|H(f)|，即信道衰减，将公式(4-6)中的传输函数H(f)转化为|H(f)|dB，有：

|H(f)|dB＝20log10|H(f)|＝10log10|H(f)|² (4-6)

在两径情况下，根据公式(4-6)有：

由欧拉公式：

e^jx＝cosx+jsinx (4-7)

则有：

上式模值的平方为：

在三径情况下，根据公式(4-6)有：

由此规律得到Np＝4,5,...等时的|H(f)|dB，当路径数Np确定时，信道幅度响应模型|H(f)|dB中待定的参数为2Np+1个，即a，A1,A2,...,d1,d2,...,以此模型对信道测试数据进行最小二乘拟合；由于目标模型函数为非线性函数，通过求解一系列线性最小二乘问题，来求非线性最小二乘问题的解。

3.根据权利要求1所述的基于SSTDR的手持式电缆故障检测方法，其特征在于：所述步骤电缆故障类型包括：

(l)接地故障：电缆一芯或多芯对地故障；其中又分为低阻接地或高阻接地；接地电阻在20～100Q为低阻故障，100Q以上为高阻故障；能直接用低压电桥进行测量的故障，为低阻故障；须要进行烧穿或用高压电桥进行的故障，为高阻接地；

(2)短路故障：电缆两芯或三芯短路，或两芯、三芯短路接地；其中分为低阻短路或高阻短路故障，其划分原则与接地故障相同；

(3)断线故障：电缆一芯或多芯被故障电流烧断或受机械外力拉断，形成完全断线或不完全断线，其故障点对地的电阻也分为高阻或低阻故障，以1MQ为分界限，小于1MQ为低阻；能较准确地测出电缆的电容，用电容量的大小来判断故障为高阻断线故障；

(4)闪络性故障：试验时绝缘被击穿，形成间隙性放电，当所加电压达到某一定值时，发生击穿，当电压降至某一值时，绝缘恢复而不发生击穿；有时在特殊条件下，绝缘击穿后又恢复正常，即使提高试验电压，也不再击穿，这种故障为封闭性故障；以上两种现象均属于闪络性故障。

4.利用权利要求1或2或3所述方法的基于SSTDR的手持式电缆故障检测系统，其特征在于：包括信号发射模块、控制模块、信号采集模块、数字信号处理模块、通信模块和信号隔离模块；

信号发射模块产生系统的测试信号，且产生幅度和频率可调的任意波形，并转至信号隔离模块；

控制模块实现逻辑控制，用于控制信号发射模块，使其产生各种检测方法所需要的发射信号；用于与信号处理模块进行通信；用于设置信号采集模块的采集频率以及对采集模块进行时序控制；

数字信号处理模块用于实现相关算法，使用软件进行相关时，算法的性能决定延时时间T的准确度，从而决定测距精度；

通信模块用于将测试的数据和测试结果导入到计算机或者通过网络传输到远程管理主站，进行检测数据的跟踪、分析和存储；

信号隔离模块由入射信号分离器和高通滤波器组成，用于隔离入射信号和滤除工作信号；

信号采集模块包括前端的缓冲放大模块、AD转换模块和RAM；由于信号在电缆传输中的衰减，需要在采集之前进行放大处理；AD转换模块和RAM完成信号采集和存储。