基于SSTDR的线缆故障检测算法

时间：2024-07-28

吴瑀庄红军李睿陈晨

（贵州电网有限责任公司毕节供电局，毕节 551700）

1 电力电缆故障检测的方式

电力电缆作为电力供应系统中的关键环节，一旦发生故障，就会对供电产生极其严重的影响。所以，线缆故障的定位和检测需要得到及时跟进和保证，确保电力电缆能够正常运行。当前，检测的方式是频域发射方式对高频信号电缆进行测量，这种方式的测量精准度较高，且有非常强的抗干扰能力。同时，因为发射的调频信号会干扰通讯，所以在线测量方式无法实现。也正因如此，这种方式对同轴射频电缆更加适用。利用脉冲在故障点进行回波发射，通过回波时间对故障位置进行确定的时域反射方式，并不能进行在线实时检测，所以不能对高阻障碍以及间歇性故障进行及时检测，在通信电话线出现故障时，这种方式应用较广泛。噪声反射法，是以信号时域的自相关函数属性作为检测的方式，通过噪声或是线缆的有效信号来进行，一旦信号中断，就无法以此方式进行检测。通过对电缆故障检测方式的了解，我们将在本文中通过扩散频谱时域反射法对线缆故障进行检测分析和研究，并利用建模方式对故障信号进行进一步诊断，同时利用相关函数对相关数据进行分析和处理，利用不同调节方式对妥善频谱时域反射法的调制方式进行研究。

2 分析方式

2.1 SSTDR系统概述

SSTDR系统是由发生、调制、信号发射、线缆、信号采集、调节模块以及其他基本模块构成的。信号发射模块是利用Matlab仿真成直接序列的扩频信号，以此作为测试信号来进行信号发射。调制模块则是利用ASK、FSK等调试方式进行。线缆模块则是通过电力仿真工具箱发挥作用，采用贝杰龙数学模型实现电流和电压波之间的时间参数建模，确定故障点。因为线缆中信号只能进行实数信号传播，所以我们在信号处理中必须保证结合实际获取并将测试的信号确定为有效信号。本文将对信号发射模块和采集模块进行深入研究，调节模块也是利用ASK、FSK、PSK等调节方式调节反射信号，与此相关的模块，我们也会直接对数据进行分析和处理。

2.2 直接序列发生器

将信息利用伪随机序列调制到较宽的频带上，直接序列的扩频通信也是在此基础上对相关信号进行处理，在接收端利用和发射端相同的伪随机序列来对信号进行处理。此方式能够让扩频调制信息得到恢复。系统中产生的输出信号，和伪随机码之间的信号进行模二加，出现的速度和伪随机码速度相同的扩频信号，能够通过信噪比实现载波调制，一次强化系统的干扰能力。直接序列发生器模块对两个随机序列的利用，将服从伯努利分布，另一个则是随机生成的pn序列，这两个序列将会通过模块的调制，使扩散频谱时域反射法的测试信号有效生成。

2.3 反射模块

在线缆发生故障时，即便线路中的阻抗特点会发生一系列变化，但反射后的信号和发射的信号会出现延迟的情况。扩散频谱时域反射法是将伪随机序列信号，在与余弦调制以后，通过测试信号改变幅度的大小，强化线缆中能够有效传输的信号噪声免疫，这样相关峰值就会更加凸显，可用功率变小，精准度也会有所提升，有助于对故障位置的准确判断。线缆发生故障时，在线进行传输的SSTDR信号就会在有效信号传输的反射端口进行发射，经过输入信号分离器与高通滤波器后，能够得到与测试信号延迟相关的信号，到达相关峰值时，可以通过延迟的时间，准确判定故障点距离发射端之间的距离。

2.4 互相关系的分析

在线缆信号检测中，要想有效避免噪声干扰，可通过对噪声源的干扰来进行处理。可以将测试信号发射到线缆中，实现线缆的接收端与发射端唯一信号的同步，再次预测信号的线路系统延迟情况，从而准确评估信号在线路系统中的传输延迟时间。

3 Simulink建模

Simulink这种可视化的反震工具，能够让动态建模和仿真以及分析得到实现。直接序列发生器模块需要对随机序列进行有效设置，数据流产生时，需要将设定采集的样本时间，同时传输速度也要设置在100bit/s。随机d PN序列生成，采集的时间需要设定为1/2000，也可以称之为扩频。实部就是对有效信号的测量，虚部则不需要处理。经过故障线缆的模块，我们可以将故障线缆的故障设置为短路故障，位置是100km，在Parameters以短路现象作为选择依据，单向短路设定的方式是对Phase B Fault进行选择，对Ground Fault进行后选择，在查阅资料时，我们可以了解到电缆的传输速度，并可以根据公式对延迟的时间进行推断，也对延迟的模块进行值的设定，且对仿真调节器可进行ode23tb的设置，设置以后再次形成复数，然后进行解调。BPsk调制和解调器的参数我们可以设定为20，这是由于接扩系统频率设定在2000次/s，BPSk亟待数据信号频率设定为100，采样频率色设定为100次/s。故而，我们将每个符号采样都设定在20次，零阶保持器采样的时间也需要设定在1/2000。

在通过检测模块进行输出后，需要在相关器输出峰值的地方对延迟的时间进行确认，且可以d=1/2ct的公式对线缆的故障点进行定位，SSTDR仿真模型，整个系统并没有对噪声进行引入。对于SSTDR仿真模型的监测方法来说，在本地参考信号和反射信号之间对故障点进行定位，反射的参考信号中就已经包含了故障点位置的具体信息内容。

4 分析仿真结果

一般情况下，利用数字信号进行监控载波的数字调制，对于载波的幅度、频率、相位等都会按键操控，之后就能得到ASK、FSK、PSK相关的数据。对比分析三种调制方式对噪声干扰以及在信号频率利用中的应用效果，可以看出PSK的性能更加突出。BSPK对于载波的二项调制，则是利用二级制的基带信号完成，并且对信息的接收以及抗噪音的能力更胜一筹。对设计好的信号，其电缆方针测试结果精准度更高，故障定位能力也更强。在仿真实验中，我们能够得出结论，PSK的性能最好，SSTDR线路故障测试系统中也具有一定的实用性，BSPK和QPSK的调制性能一样好。