基于物联网技术的电缆故障定位检测系统

本发明属于地下电力电缆检测，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

技术实现思路

1、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：

2、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，

3、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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、所述窄带物联网模块用于将检测设备信息上传至云平台。

10、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，

11、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；

12、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；

13、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。

14、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：

15、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；

16、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；

17、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。

18、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；

19、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。

20、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：

21、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；

22、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；

23、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；

24、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；

25、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。

26、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：

27、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；

28、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：

29、

30、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；

31、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；

32、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：

33、

34、

35、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。

36、在本发明的一个实施例中，所述谱减法的公式为：

37、

38、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。

39、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：

40、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；

41、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。

42、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。

43、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；

44、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。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果：

46、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。

47、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。

48、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。

49、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。