基于SSTDR的線纜故障檢測算法

吳 瑀 莊紅軍 李 睿 陳 晨

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局，畢節(jié) 551700）

1 電力電纜故障檢測的方式

電力電纜作為電力供應(yīng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生故障，就會對供電產(chǎn)生極其嚴(yán)重的影響。所以，線纜故障的定位和檢測需要得到及時跟進和保證，確保電力電纜能夠正常運行。當(dāng)前，檢測的方式是頻域發(fā)射方式對高頻信號電纜進行測量，這種方式的測量精準(zhǔn)度較高，且有非常強的抗干擾能力。同時，因為發(fā)射的調(diào)頻信號會干擾通訊，所以在線測量方式無法實現(xiàn)。也正因如此，這種方式對同軸射頻電纜更加適用。利用脈沖在故障點進行回波發(fā)射，通過回波時間對故障位置進行確定的時域反射方式，并不能進行在線實時檢測，所以不能對高阻障礙以及間歇性故障進行及時檢測，在通信電話線出現(xiàn)故障時，這種方式應(yīng)用較廣泛。噪聲反射法，是以信號時域的自相關(guān)函數(shù)屬性作為檢測的方式，通過噪聲或是線纜的有效信號來進行，一旦信號中斷，就無法以此方式進行檢測。通過對電纜故障檢測方式的了解，我們將在本文中通過擴散頻譜時域反射法對線纜故障進行檢測分析和研究，并利用建模方式對故障信號進行進一步診斷，同時利用相關(guān)函數(shù)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析和處理，利用不同調(diào)節(jié)方式對妥善頻譜時域反射法的調(diào)制方式進行研究。

2 分析方式

2.1 SSTDR系統(tǒng)概述

SSTDR系統(tǒng)是由發(fā)生、調(diào)制、信號發(fā)射、線纜、信號采集、調(diào)節(jié)模塊以及其他基本模塊構(gòu)成的。信號發(fā)射模塊是利用Matlab仿真成直接序列的擴頻信號，以此作為測試信號來進行信號發(fā)射。調(diào)制模塊則是利用ASK、FSK等調(diào)試方式進行。線纜模塊則是通過電力仿真工具箱發(fā)揮作用，采用貝杰龍數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)電流和電壓波之間的時間參數(shù)建模，確定故障點。因為線纜中信號只能進行實數(shù)信號傳播，所以我們在信號處理中必須保證結(jié)合實際獲取并將測試的信號確定為有效信號。本文將對信號發(fā)射模塊和采集模塊進行深入研究，調(diào)節(jié)模塊也是利用ASK、FSK、PSK等調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)反射信號，與此相關(guān)的模塊，我們也會直接對數(shù)據(jù)進行分析和處理。

2.2 直接序列發(fā)生器

將信息利用偽隨機序列調(diào)制到較寬的頻帶上，直接序列的擴頻通信也是在此基礎(chǔ)上對相關(guān)信號進行處理，在接收端利用和發(fā)射端相同的偽隨機序列來對信號進行處理。此方式能夠讓擴頻調(diào)制信息得到恢復(fù)。系統(tǒng)中產(chǎn)生的輸出信號，和偽隨機碼之間的信號進行模二加，出現(xiàn)的速度和偽隨機碼速度相同的擴頻信號，能夠通過信噪比實現(xiàn)載波調(diào)制，一次強化系統(tǒng)的干擾能力。直接序列發(fā)生器模塊對兩個隨機序列的利用，將服從伯努利分布，另一個則是隨機生成的pn序列，這兩個序列將會通過模塊的調(diào)制，使擴散頻譜時域反射法的測試信號有效生成。

2.3 反射模塊

在線纜發(fā)生故障時，即便線路中的阻抗特點會發(fā)生一系列變化，但反射后的信號和發(fā)射的信號會出現(xiàn)延遲的情況。擴散頻譜時域反射法是將偽隨機序列信號，在與余弦調(diào)制以后，通過測試信號改變幅度的大小，強化線纜中能夠有效傳輸?shù)男盘栐肼暶庖撸@樣相關(guān)峰值就會更加凸顯，可用功率變小，精準(zhǔn)度也會有所提升，有助于對故障位置的準(zhǔn)確判斷。線纜發(fā)生故障時，在線進行傳輸?shù)腟STDR信號就會在有效信號傳輸?shù)姆瓷涠丝谶M行發(fā)射，經(jīng)過輸入信號分離器與高通濾波器后，能夠得到與測試信號延遲相關(guān)的信號，到達相關(guān)峰值時，可以通過延遲的時間，準(zhǔn)確判定故障點距離發(fā)射端之間的距離。

2.4 互相關(guān)系的分析

在線纜信號檢測中，要想有效避免噪聲干擾，可通過對噪聲源的干擾來進行處理?？梢詫y試信號發(fā)射到線纜中，實現(xiàn)線纜的接收端與發(fā)射端唯一信號的同步，再次預(yù)測信號的線路系統(tǒng)延遲情況，從而準(zhǔn)確評估信號在線路系統(tǒng)中的傳輸延遲時間。

3 Simulink建模

Simulink這種可視化的反震工具，能夠讓動態(tài)建模和仿真以及分析得到實現(xiàn)。直接序列發(fā)生器模塊需要對隨機序列進行有效設(shè)置，數(shù)據(jù)流產(chǎn)生時，需要將設(shè)定采集的樣本時間，同時傳輸速度也要設(shè)置在100bit/s。隨機d PN序列生成，采集的時間需要設(shè)定為1/2000，也可以稱之為擴頻。實部就是對有效信號的測量，虛部則不需要處理。經(jīng)過故障線纜的模塊，我們可以將故障線纜的故障設(shè)置為短路故障，位置是100km，在Parameters以短路現(xiàn)象作為選擇依據(jù)，單向短路設(shè)定的方式是對Phase B Fault進行選擇，對Ground Fault進行后選擇，在查閱資料時，我們可以了解到電纜的傳輸速度，并可以根據(jù)公式對延遲的時間進行推斷，也對延遲的模塊進行值的設(shè)定，且對仿真調(diào)節(jié)器可進行ode23tb的設(shè)置，設(shè)置以后再次形成復(fù)數(shù)，然后進行解調(diào)。BPsk調(diào)制和解調(diào)器的參數(shù)我們可以設(shè)定為20，這是由于接擴系統(tǒng)頻率設(shè)定在2000次/s，BPSk亟待數(shù)據(jù)信號頻率設(shè)定為100，采樣頻率色設(shè)定為100次/s。故而，我們將每個符號采樣都設(shè)定在20次，零階保持器采樣的時間也需要設(shè)定在1/2000。

在通過檢測模塊進行輸出后，需要在相關(guān)器輸出峰值的地方對延遲的時間進行確認(rèn)，且可以d=1/2ct的公式對線纜的故障點進行定位，SSTDR仿真模型，整個系統(tǒng)并沒有對噪聲進行引入。對于SSTDR仿真模型的監(jiān)測方法來說，在本地參考信號和反射信號之間對故障點進行定位，反射的參考信號中就已經(jīng)包含了故障點位置的具體信息內(nèi)容。

4 分析仿真結(jié)果

一般情況下，利用數(shù)字信號進行監(jiān)控載波的數(shù)字調(diào)制，對于載波的幅度、頻率、相位等都會按鍵操控，之后就能得到ASK、FSK、PSK相關(guān)的數(shù)據(jù)。對比分析三種調(diào)制方式對噪聲干擾以及在信號頻率利用中的應(yīng)用效果，可以看出PSK的性能更加突出。BSPK對于載波的二項調(diào)制，則是利用二級制的基帶信號完成，并且對信息的接收以及抗噪音的能力更勝一籌。對設(shè)計好的信號，其電纜方針測試結(jié)果精準(zhǔn)度更高，故障定位能力也更強。在仿真實驗中，我們能夠得出結(jié)論，PSK的性能最好，SSTDR線路故障測試系統(tǒng)中也具有一定的實用性，BSPK和QPSK的調(diào)制性能一樣好。

5 結(jié)論

在仿真實驗過程中能夠得出SSTDR是最佳的PSK調(diào)制方法，并且因為抗干擾能力強、傳輸速度更快、對線纜故障定位更準(zhǔn)確的特點，我們能夠了解到，對于方針的BPSK與QPSK都有非常好的調(diào)制性能，更加適合測量線纜故障。