基于时间反转多信号分类的传输线软故障定位方法及装置

本发明涉及传输线软故障定位领域，尤其涉及一种基于时间反转多信号分类的传输线软故障定位方法及装置。

背景技术：

1、传输线广泛应用于几乎所有的现代系统，承担着电能的供给和信息传输等重要作用，因此传输线路的安全可靠运行至关重要。

2、然而由于外力损坏，绝缘受潮，化学腐蚀，长期过负荷运行等各种因素的影响，传输线会出现各种各样的故障，对现代系统的安全运行造成危害。传输线中的故障可以分为软故障和硬故障，其中软故障包括线路老化、绝缘体破损、线缆击穿等现象，硬故障包括短路，断路等现象。软故障的初期影响可能会被忽视，但是当其不断恶化之后就会变成硬故障，最终引发火灾等灾难性后果。如果可以准确地获取软故障的位置就能避免线路继续恶化成硬故障后导致更严重的经济损失，因此定位软故障具有重要的现实意义。

3、经过多年的发展，对传输线硬故障的检测技术已经趋于成熟，对于电缆软故障的监测，已出现许多方法，但是仍有许多关键问题亟待解决。现有的故障监测方案主要是基于多种传感器设备，如烟雾报警器、红外报警器等对线路进行实时监测，但由于电力传输线常常出现线路埋地或埋墙的空间分布，并且现代系统电空间分布复杂，布线距离长，这使得该方案难以实行。

4、此外，国内外学者们也提出了多种非侵入式传输线软故障探测方案，故障定位的常见方法可以分为两大类：基于反射和基于非反射的方法，其中基于反射波测量的方案是该领域广泛使用的方法，与其他传统方法相比，该方法提供了有效的定位准确度。然而在该方法当中，在线缆发生软故障时，由于软故障的反射率低，反射波容易淹没在分支的反射中，且多个软故障同时发生时会出现“伪故障点”的情况。因此，实际情况下的软故障定位成为电力传输线实时监控的难点问题。另外，通信和探测的结合在电力线中的相关研究较少，并且无法实现多故障的定位。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于时间反转多信号分类的传输线软故障定位方法及装置。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于时间反转多信号分类的传输线软故障定位方法，包括以下步骤：

4、s1、在点对点通信过程中对当前电力线信道进行导频估计，利用导频信号得到发送端和接收端之间传输线的信道频率响应值hij(ω)，其中i为发送端口，j为接收端口，并获取传播时延τij；

5、s2、利用接收端得到的信道频率响应hij(ω)和传播时延τij进行时延补偿，得到散射参数sij(ω)，并构建初始基准散射矩阵sb(ω)；

6、s3、间隔预设时间t后，重复步骤s1-s2中的操作，构建监测得到的散射矩阵s(ω)；

7、s4、根据监测得到的散射矩阵s(ω)和初始基准散射矩阵sb(ω)，计算差分散射矩阵ss(ω)，并利用差分散射矩阵ss(ω)计算出时间反转算子ks(ω)；

8、s5、分别对每个频点的时间反转算子ks(ω)进行特征值分解，得到特征值对角矩阵λ和特征向量矩阵p，并选择最小特征值所对应的特征向量vmin(ω)；

9、s6、利用特征向量vmin(ω)重构各个端口的频域信号vi，计算传输线网络中每条传输线两端的电压频域响应值；再利用每条传输线两个端点的电压频域响应值，计算单条传输线上电压频域响应v(ω,x)的分布；

10、s7、根据电压频域响应v(ω,x)的分布计算传输线网络中各个位置的噪声能量谱e(ω,x)，对所有频点的能量谱求和通过对求倒数得到φ(x)，根据φ(x)获得传输线软故障的位置。

11、进一步地，步骤s1中所使用的导频频点，只需要和通信所使用的子载波频点一致，无需覆盖信号的整个频段。

12、进一步地，所述传输线软故障定位方法包括以下步骤：

13、如果是采用主动发射已知的探测信号(如脉冲信号，扫频信号等)，则需要对已知的发送信号f(x,t)、反射信号rt(x,t)、传输信号tt(x,t)进行傅里叶变换分别获得频域信号，并构造散射参数sij(ω)，表达式如下：

14、

15、

16、

17、

18、其中，ω为角频率，xs表示发射源的坐标，xr和xt分别表示反射波接收器位置和传输波接收器位置，tn表示时域上第n个采样点，e表示自然对数，j表示虚数单位，n表示傅里叶变换的点数，sij表示从发送端口i到接收端口j的传输或者反射系数，tj(ω)表示传输到j端口的信号频域值，ri(ω)表示反射回i端口的信号频域值。

19、进一步地，步骤s2中，所述散射参数sij(ω)的表达式如下：

20、

21、其中，sij(ω)为散射参数，hij(ω)为信道频率响应值，τij为传播时延。

22、进一步地，构建的散射矩阵s(ω)的表达式为：

23、

24、其中，n为传输线网络端口的数量。

25、进一步地，所述差分散射矩阵ss(ω)的计算公式为：

26、ss(ω)＝s(ω)-sb(ω)

27、其中，s(ω)表示监测得到的散射矩阵，sb(ω)表示初始基准散射矩阵；

28、所述时间反转算子ks(ω)的计算公式为：

29、

30、其中，代表厄米共轭转置，ss(ω)表示差分散射矩阵。

31、进一步地，所述特征值分解的计算公式为：

32、ks(ω)＝pλp-1

33、其中，p是一个由特征向量构成的矩阵，每一列都是ks(ω)的特征向量vi(ω)，λ是一个实值对角矩阵，其对角线上的元素是特征值λi(ω)；从实值对角矩阵λ中筛选出最小的特征值min(λi(ω))，并得到矩阵p中对应的特征向量vmin(ω)，

34、进一步地，所述各个的端口频域信号vi的计算公式为：

35、vi＝fi(ω)vmin(ω)

36、其中，fi(ω)为导频信号，vmin(ω)为最小特征值所对应的特征向量，vi为重构的端口频域信号；

37、根据重构出的端口频域信号vi，利用blt方程或者fdtd方法计算出传输线网络中任意一条传输线两端所对应的电压响应；

38、其中，利用blt方程可以计算出任一条传输线两端的电压频率响应v1和v2，并根据这两个值得到单条传输线上任意位置的电压频域响应分布，计算公式为：

39、

40、其中，γ为传播系数，x为传输线对应位置，ln为第n条传输线路的长度，vn1对应于第n条传输线左侧端口的电压频域响应值，vn2对应于第n条传输线右侧端口的电压频域响应值，n的取值范围为1至传输线网络中传输线总量；

41、传播系数γ的表达式为：

42、

43、其中，r(x)为传输线网络中x位置的单位等效电阻，l(x)为x位置的单位等效电感，g(x)为x位置的单位等效电导，c(x)为x位置的单位等效电容。

44、进一步地，所述噪声能量谱e(ω,x)的表达式为：

45、e(ω,x)＝|v(ω,x)|2

46、得到的φ(x)表达式为：

47、

48、通过分析φ(x)的结果图，找到最大值处所对应的位置xf，由此实现传输线网络中软故障的精准定位。

49、本发明所采用的另一技术方案是：

50、一种基于时间反转多信号分类的传输线软故障定位装置，包括：

51、至少一个处理器；

52、至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

53、当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述方法。

54、本发明的有益效果是：本发明实现了准确的软故障定位，通过获取发送方和接收方的散射矩阵，并经过一系列计算得到传输线上各个位置的能量谱，最终得到软故障的位置信息。