一种电缆同步局放采集判断方法与流程

本发明涉及电缆监控领域，尤其涉及一种电缆同步局放采集判断方法。

背景技术：

在众多的电缆监测手段中，局部放电(即局放)测试能够较直观有效的反映影响电缆寿命及安全运行的缺陷。局放是绝缘故障的原因，也是绝缘故障的先兆，监测局部放电现象是预防电力设备故障的有效手段。

产生局放的主要原因如绝缘体内部存在气隙而导致气隙放电、导电杂质存在使边缘由于电场而出现局放、由于电场集中与空气交界面上产生局放；因此，测试局放对电力设备故障诊断有重要意义。

目前，现有技术中，存在单点测量局放时由于局部放电信号在长电缆中信号衰减而无法捕捉的问题，不易采集，影响了测试的可靠性。

技术实现要素：

本发明针对以上问题，提供了一种能够同步采集，提高测量可靠性的电缆同步局放采集判断方法。

本发明的技术方案是：包括测试系统，所述测试系统包括若干高频电流传感器、若干高速采样单元、数据处理单元和计算机；

若干高频电流传感器间隔连接在电缆上，所述高频电流传感器与高速采样单元一一对应连接；同时，第一高速采样单元与数据处理单元相连，数据处理单元与计算机相连；两两相邻的数据处理单元通过光纤连接；

若干高频电流传感器形成若干数据采集点，数据采集点之间通过光纤串联实现数据并发传送；

采用数字选频式检测方式，分别对中心频率、带宽进行数字调整，并拟合成多通道采集波形显示在计算机屏幕上，供使用者观察和判断。

其中，带宽调整利用协方差矩阵结构，调整方式如下：

y(t)＝x(t)+e(t)t＝0,1,2,``````,n-1

其中，a是幅度，是相位，ωc是信号中心频率，ωb是信号带宽，n是数据序列长度，e(t)是均值为零，方差为σ²的复高斯加性噪声，它与信号相位相互独立；

假定a＞0，ωc∈(-π,π)，ωb为一确定值，在(-π,π)间均匀分布；

定义向量：

y(t)[y(t)，…，y(t+m-1)]^t，t＝0，…，m-1

其中，m＝n-m+1，当窗长m比正弦波数量大时，协方差矩阵r＝e[y(t)y^h(t)]为低秩时，利用root-musinc算法，通常情况下r是未知的，需要构造一个采样协方差矩阵：

首先建立向量与矩阵间的关系：

y(t)＝x(t)+e(t)t＝0,1,2,``````,m-1

其中，x(t)＝d(ωc)b(ωb,t)x(t)

d(ωc)＝diag[a(e^iωc)]

其中，a(z)＝[1z```z^m-1]^t

因此，由以上可以得到采样协方差矩阵：

其中，p＝a²，且

为噪声的影响，它的均值为σ²i，rx可以写成：

rx＝pd(ωc)bm(ωb)d^h(ωc)

上式中的bm(ωb)为hermitian矩阵，它的第(k，1)个元素可以由下求得

其中，m为采样数；

同时，引入基于子空间的方法，由于协方差矩阵是近似欠秩的，可以将分解为信号子空间的噪声子空间，对于满秩矩阵是没有信号子空间和噪声子空间的，将其认作虚子空间，下面将r和分解为虚子空间：

r＝uλu^h+vγv^h

其中，uλu^h是虚信号的部分，v「v^h是虚噪声的部分；

具体的算法为：令a(r，d)表示root-music算法，d表示协方差矩阵r估计出的频率数目，定义：

a(r，d)＝{v1，…，vd}

假定中心频率ωc＝0，则算法满足a(bm，1)＝0，由于信号在频域内是对称的频谱，则有

a(bm(ωb)，2)＝{-v/2，v/2}

定义频率间隔为：

gm(ωb)＝v

当频率间隔gm(ωb)和带宽ωb是一一对应的函数关系时，则带宽可以由频率间隔决定，所以通过root-music估计两个频率：

由此，可以得到带宽：

所述高速采样单元包括fpga主控模块、arm处理器、采样模块、模数转换模块、数据缓存模块、通信模块和电源管理模块，

所述采样模块包括ad采样模块和同步信号采样模块，

所述ad采样模块通过模数转换模块连接fpga主控模块，所述同步信号采样模块通过模数转换模块连接arm处理器，实现将采集的电流信号转换为数据；

所述fpga主控模块和arm处理器相交互、且通过通信模块连接数据处理单元，处理后的数据存储至数据缓存模块。

所述数据处理单元包括fpga计算模块、arm微处理器、数据缓存模块和通信模块，

所述fpga计算模块和arm微处理器相交互、且通过通信模块连接计算机，处理后的数据存储至数据缓存模块。

本发明提供了一种串联式可拓展多通道采集模式，包括若干采集点(数据采集点1、数据采集点2、数据采集点3、数据采集点4···)，数据采集点之间通过光纤串联形式实现大量数据并发传送；可以在屏幕上显示出多个通道波形情况便于使用者观察和判断局放情况。

将采集到的数据进行数字信号变换滤除干扰，提高可靠性；采用数字选频式检测方式，分别对中心频率、带宽(利用协方差矩阵结构进行带宽调整)进行数字调整，并拟合成多通道采集波形供使用者观察和判断。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是高速采样单元的结构框图，

图3是数据处理单元的结构框图；

图中1是高频电流传感器，2是高速采样单元，3是数据处理单元，4是计算机。

具体实施方式

本发明如图1-3所示，包括测试系统，所述测试系统包括若干高频电流传感器1、若干高速采样单元2、数据处理单元3和计算机4；

若干高频电流传感器间隔连接在电缆上，所述高频电流传感器与高速采样单元一一对应连接；同时，第一高速采样单元与数据处理单元相连，数据处理单元与计算机相连；两两相邻的数据处理单元通过光纤连接；

若干高频电流传感器形成若干数据采集点，数据采集点之间通过光纤串联实现数据并发传送；

采用数字选频式检测方式，分别对中心频率、带宽进行数字调整，并拟合成多通道采集波形显示在计算机屏幕上，供使用者观察和判断。

具体应用中，为了解决现在市场上常规的单点测量局放时由于局部放电信号在长电缆中信号衰减而无法捕捉的问题，提出串联式可拓展多通道采集模式，数据采集点1、数据采集点2、数据采集点3、数据采集点4···，数据采集点之间通过光纤串联形式实现大量数据并发传送；可以在屏幕上显示出多个通道波形情况便于使用者观察和判断局放情况。

将采集到的数据进行数字信号变换滤除干扰。

采用数字选频式检测方式，分别对中心频率、带宽(利用协方差矩阵结构进行带宽调整)进行数字调整，并拟合成多通道采集波形供使用者观察和判断。

局放信号具有较为特殊的频谱图，与背景干扰频谱存在明显的差异。选频的目的是将检测频率选择在频谱图中两者差异最大的位置进行测量，取得最佳的抗干扰效果。

在所选取的最佳频率范围内能够提取到较好的脉冲反射定位图，将背景信号和局放信号区较好的区分开。

其中协方差矩阵结构进行带宽调整，调整方式如下：

y(t)＝x(t)+e(t)t＝0,1,2,``````,n-1

其中，a是幅度，是相位，ωc是信号中心频率，ωb是信号带宽，n是数据序列长度，e(t)是均值为零，方差为σ²的复高斯加性噪声，它与信号相位相互独立。

假定a＞0，ωc∈(-π,π)，ωb为一确定值，在(-π,π)间均匀分布。

定义向量：

y(t)＝[y(t)，…，y(t+m-1)]^t，t＝0，…m-1

其中，m＝n-m+1，当窗长m比正弦波数量大时，协方差矩阵r＝e[y(t)y^h(t)]为低秩时，可以利用root-musinc算法，通常情况下r是未知的，需要构造一个采样协方差矩阵：

首先建立向量与矩阵间的关系：

y(t)＝x(t)+e(t)t＝0,1,2,``````,m-1

其中，x(t)＝d(ωc)b(ωb,t)x(t)

d(ωc)＝diag[a(e^iωc)]

其中，a(z)＝[1z```z^m-1]^t

因此，由以上可以得到采样协方差矩阵：

其中，p＝a²，且

为噪声的影响，它的均值为σ²i，rx可以写成：

rx＝pd(ωc)bm(ωb)d^h(ωc)

上式中的bm(ωb)为hermitian矩阵，它的第(k，1)个元素可以由下求得

其中，m为采样数；矩阵bm的满秩矩阵，要想占有主要地位必须要较大的特征值才可以，因此可以引入基于子空间的方法，由于协方差矩阵是近似欠秩的，可以将分解为信号子空间的噪声子空间，但是确切说，对于满秩矩阵是没有信号子空间和噪声子空间的，将其认作虚子空间，下面将r和分解为虚子空间：

r＝uλu^h+vγv^h

其中，uλu^h是虚信号的部分，v「v^h是虚噪声的部分，下面介绍具体的算法，令a(r，d)表示root-music算法，d表示协方差矩阵r估计出的频率数目，定义：

a(r，d)＝{v1，…，vd}

假定中心频率ωc＝0，则算法满足a(bm，1)＝0，由于信号在频域内是对称的频谱，则有

a(bm(ωb)，2)＝{-v/2，v/2}

定义频率间隔为：

gm(ωb)＝v

当频率间隔gm(ωb)和带宽ωb是一一对应的函数关系时，则带宽可以由频率间隔决定，所以通过root-music估计两个频率：

由此，可以得到带宽：

所述高速采样单元包括fpga主控模块、arm处理器、采样模块、模数转换模块、数据缓存模块、通信模块和电源管理模块，

所述采样模块包括ad采样模块和同步信号采样模块，

所述ad采样模块通过模数转换模块连接fpga主控模块，所述同步信号采样模块通过模数转换模块连接arm处理器，实现将采集的电流信号转换为数据；

所述fpga主控模块和arm处理器相交互、且通过通信模块连接数据处理单元，处理后的数据存储至数据缓存模块。

高速采样单元由自主设计，其采样高性能的fpga和arm为主核心处理器，协同工作。两路ad芯片采用65m采样率的ad9926，分辨率为12位。系统设计了电源管理模块配合大容量的锂电池工作，满足设备连续12小时工作。设备可支持在线模式和离线模式，离线模式为省电睡眠模式；并设计了上行和下行的光纤tx和rx接口满足串联设备使用。设备采用了1g的ddr3，满足数据缓存需要。设备采用高性能arm与fpga交互，为了实现大量数据的高速压缩和传输需求。

所述数据处理单元包括fpga计算模块、arm微处理器、数据缓存模块和通信模块，

所述fpga计算模块和arm微处理器相交互、且通过通信模块连接计算机，处理后的数据存储至数据缓存模块。

数据处理单元既将光纤传输过来的数据进行解压缩，再经fpga并行计算，最后通过usb传输到计算机中。usb同时与计算机交互一些试验参数。ddr3做为光纤收发数据和计算并发数据的缓存使用；设备通过usb供电。

本发明包括若干高频电流传感器、若干高速采样单元、数据处理单元和计算机；若干高频电流传感器间隔连接在电缆上，所述高频电流传感器与高速采样单元一一对应连接，使得电缆存在局部放电时，放电的脉冲波形在整个电缆中都可以进行捕捉，解决了现在市场上常规的单点测量局放时由于局部放电信号在长电缆中信号衰减而无法捕捉的问题。

本发明具有以下优点：

1)大数据量的并发传送；由于光纤采用串联模式，在串联的光纤中保证多通达大量数据并发传送；

2)大量数据的并发运算；由于大量数据并发传送到计算机旁边的数据处理单元；数据处理单元需要多点的并发数据进行并发计算；

3)并发数据与计算机之间的交互；大量的并发数据采用usb2.0与计算机之间传输交互；计算机只需要显示数据处理单元计算的数据。