本发明涉及一种电缆接头故障检测设备，尤其涉及一种具有自更新仿真数据的电缆接头故障检测设备。
背景技术：
在电网运行过程中，电缆接头是最为的薄弱环节，约70％的电缆故障发生在接头处，因此准确、快速确定接头质量与运行状态，对于保障电网安全可靠运行有着非常重要的意义。目前电缆接头故障检测的主要手段有温度法和局部放电法。温度法是在接头处安装温度传感器，并测量温度和温升率等相关参数；测量结果通过相应的传输网络到达系统控制室进行存储，并与历史记录进行比较；如果接头温度急聚升高或长时间超过允许的最高温度值，则判断为接头故障。电缆接头发生故障时，接头处绝缘损坏，周围空气或异物暴露在强磁场环境中，超过电离场强时，电缆接头处会产生局部放电现象。因此，局部放电法是根据电缆接头的局部放电现象，在电缆接头处安装电磁耦合器，测量接头处的磁场信号强度，超过正常运行的磁场上限，判断为接头故障。温度法和局部放电法均需要在电缆绝缘层外测安装传感器，测量的都是弱信号，受周围复杂电磁信号的干扰，采集信号中含有高频噪声，降低了测量结果的准确性。另外，温度法和局部放电法只能对单一接头进行检测，因此只能在变电所等接头集中的地方集中安装。
自1948年，Seidu首次提出行波法测量输电线路故障的思想，行波法在电缆故障检测中的应用得到迅速发展，现有有人提出了低压脉冲法、脉冲电压法和脉冲电流法进行电缆故障检测。伏圣群在《行波反射法电缆故障检测关键技术研究》中，构建了电缆接头的接触电阻故障模型和泄漏电阻故障模型，将电路故障检测的行波法应用到电缆接头的故障检测中。具体的，在电缆首端发射脉冲信号，并检测反射信号(如图1所示)，将反射信号上传至上位机，通过改进加权系数法对采集的反射信号进行处理，确定电缆接头的故障类型和故障情况。但是，这种故障检测方法仍然存在以下的技术问题：反射信号的波形解读需要实地作业人员具有相关的专业知识和经验，即当作业人员观察到例如但不限于图1所示的两个波形中的任一个时，只有具备相关的专业知识，才能够准确判断出电缆是否发生故障，以及故障发生的类型和位置。因此，希望提供一种自动化实现的技术手段，在电缆接头故障检测中，能够由计算机系统进行接头故障检测，并将检测结果可视化的呈献给作业人员。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，根据第一个方面，本发明提供了一种基于行波法的电缆接头故障检测设备，包括行波脉冲信号收发器和上位机，行波脉冲信号收发器用于发射行波脉冲信号，并获得多个行波脉冲信号的反射信号的电压值，上位机包括仿真模型数据库和处理器，仿真模型数据库中存储有N个电缆接头故障的反射信号的在时间T内的电压仿真波形Vm＝[Vm1,Vm2,...,VmN]，其中任一电压仿真波形Vmi＝[vmi1,vmi2,...,vmin]，i的取值从1到N，即每个仿真波形中均包括n个电压值；处理器用于执行计算机程序以实现以下步骤：
步骤S100，驱动行波脉冲信号收发器在电缆首端发射行波脉冲信号，获得行波脉冲信号的在时间T内的反射信号随时间变化的电压波形Vr＝[vr1,vr2,...,vrx]，Vr中包括x个电压值；如果x≠n，则对Vr进行采样，形成采样后的电压波形Vs＝[vs1,vs2,...,vsn]，如果x＝n，则将Vr作为Vs；
步骤S200，在上位机的显示屏幕上绘制Vs的波形图；波形图的横坐标为时间，纵坐标为Vs中的电压值；
步骤S300，判断Vm中的任一Vmi＝[vmi1,vmi2,...,vmin]和Vs的差异度
步骤S400，如果D1×|vsk-vmik|max≤Si≤D2×avg(|vmik|)，那么在Vs的波形图上添加Vmi对应的波形；其中D1(取值不低于0.7)和D2(取值不高于0.1)为预定义的阈值；其中k的取值范围为1到n，|vsk-vmik|max为|vs1-vmi1|…|vsn-vmin|中的最大值，avg()为均值函数。
通过本发明，上位机能够自动计算并获得与反射信号的采样信号(也代表了反射信号)类似的仿真波形，并且在Vs的波形图上添加和Vs的波形类似的仿真波形，使得作业人员能够通过波形对比，迅速了解Vs的波形图所代表的技术含义，即能够确定Vs波形对应的故障情况，包括但不限于故障类型和故障位置。
根据第二个方面，本发明还提供了一种具有自更新仿真数据的电缆接头故障检测设备，包括上位机，上位机包括仿真模型数据库、显示屏幕和处理器，仿真模型数据库中存储有N个电缆接头故障的反射信号的在时间T内的电压仿真波形Vm＝[Vm1,Vm2,...,VmN]，其中任一电压仿真波形Vmi＝[vmi1,vmi2,...,vmin]，i的取值从1到N，即每个仿真波形中均包括n个电压值；显示屏幕用于显示行波脉冲信号的反射信号或者对该反射信号的采样信号Vs＝[vs1,vs2,...,vsn]，以及显示与Vs波形图匹配的一个或多个Vmi；处理器用于执行计算机程序以实现以下步骤：
步骤S1000，接收用户的确认操作，确认操作至少包括用户选择的待更新的Vmi＝[vmi1,vmi2,...,vmin]和当前的Vs＝[vs1,vs2,...,vsn]；
步骤S1100，使用Vs中的电压值更新Vmi中对应电压值，形成Umi＝[umi1,umi2,...,umin]，其中，umik为使用vsk更新vmik后获得的电压值，更新的过程具体包括：
如果|vmik-vsk|≤V1，那么
如果|vmik-vsk|＞V2，那么umik＝vmik；
如果V1＜|vmik-vsk|≤V2，那么umik＝vmik+Zk(vsk-vmik)；
其中k的取值范围为1到n，Zk为调整系数；
步骤S1200，在仿真模型数据库使用Umi更新Vmi，形成新的Vmi。
附图说明
图1是现有技术中提供的两种反射信号的波形图；
图2是根据本发明的计算机程序的执行步骤的流程图；
图3是根据本发明的在显示屏幕上同时显示Vs和Vmi的示意图；
图4是根据本发明的根据Vs更新Vmi的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，将结合附图对本发明作进一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本发明的原理相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技术人员能够实践本发明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以使用其他实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义上来理解以下的详细描述。
本发明提供了一种基于行波法的电缆接头故障检测设备，包括行波脉冲信号收发器和上位机。行波脉冲信号收发器用于发射行波脉冲信号，并获得一段时间(例如时间T内，如图1所示，T的一个示例性而非限定性的取值为2400ns)多个行波脉冲信号的反射信号的电压值。在本发明的一个实施例中，行波脉冲信号收发器的实现与《行波反射法电缆故障检测关键技术研究》中所涉及的一致。
上位机为便于作业人员携带到作业现场的移动计算设备，例如，笔记本计算机或者平板计算机，在一些实施例中，上位机也可以实现为手机等移动终端。上位机和收发器通信连接，用于接收收发器获得的反射信号的电压值，并对电压值进行处理。
根据本发明，上位机中至少包括仿真模型数据库和处理器，仿真模型数据库中存储有N个电缆接头故障的反射信号的在时间T内的电压仿真波形Vm＝[Vm1,Vm2,...,VmN]，其中任一电压仿真波形Vmi＝[vmi1,vmi2,...,vmin]，i的取值从1到N，即每个仿真波形中均包括n个电压值。在一个实施例中，电压仿真波形Vm中的任一Vmi均为实验室的环境中测量实际接头故障所获得的波形，而非《行波反射法电缆故障检测关键技术研究》文中介绍的直接将理想数据导入Matlab软件获得的理想仿真波形。在一个优选实施例中，电压仿真波形Vm中的任一Vmi均通过Matlab对多个实测电压波形进行仿真平滑处理(例如均值平滑处理)后计算获得。每个电压仿真波形Vmi均表示了一种电缆接头故障情况下在时间T内的仿真波形。优选的，仿真模型数据库中还存储有对应任一电压仿真波形Vmi的描述信息，该描述信息一般实现为文本信息，具体内容例如包括仿真的Vmi波形所对应的故障类型(开路或者短路)，以及故障发生位置(即距离首端的距离)，以及其他任一对于故障检测有用的信息。
如图2所示，处理器用于执行计算机程序以实现以下步骤：
步骤S100，驱动行波脉冲信号收发器在电缆首端发射行波脉冲信号，获得行波脉冲信号的在时间T内的反射信号随时间变化的电压波形Vr＝[vr1,vr2,...,vrx]，Vr中包括x个电压值。进一步的，本发明中还对Vr进行小波降噪，并根据小波降噪后的Vr，降噪的一种具体实施例与《行波反射法电缆故障检测关键技术研究》中所涉及的一致。如果x≠n，则对Vr进行采样，形成采样后的电压波形Vs＝[vs1,vs2,...,vsn]，如果x＝n，则将Vr作为Vs。
具体采样过程如下：
如果j1＝j2，即采样获得的vsj涉及到采样前的一个vr(这种情况在x<n的时候较为常见)，那么vsj＝vrj1＝vrj2；
如果j1＝j2-1，即采样获得的vsj涉及到采样前相邻的两个vr，那么vsj＝A1×vrj1+A2×vrj2；vrj1和vrj2这种情况出现的比较多，因此需要确定vrj1和vrj2的对vsj的影响参数A1和A2
如果j1＜j2-1，即采样获得的vsj涉及采样前相邻的三个以上vr，那么vsj＝avg(vrj1，......，vrj2)；这种情况出现的非常少，因此直接采用均值进行处理，虽然牺牲了少量的准确度，但是提高了整体的计算效率。
其中avg()为均值函数，为向下取整算子，为向上取整算子，j的取值范围为1到n。
通过采样，使得Vs中的电压值和Vmi中的电压值的数量相同，便于后续的处理。
步骤S200，在上位机的显示屏幕上绘制Vs的波形图；波形图的横坐标为时间，纵坐标为Vs中的电压值。优选的，波形图的横坐标的取值范围为[0,T]，波形图的纵坐标的取值范围为[D1,D2]，H1＝1.2×max(Vs),H2＝min(0,1.2×min(Vs))，其中，max(Vs)和min(Vs)分别为Vs中包括n个电压中的最大值和最小值。通过这样的设置，使得波形图的呈现效果较为理想，既不会在坐标系中“过扁”，又不会超出坐标系的范围。
步骤S300，计算Vm中的任一Vmi＝[vmi1,vmi2,...,vmin]和Vs的差异度
步骤S400，如果D1×|vsk-vmik|max≤Si≤D2×avg(|vmik|)，那么在Vs的波形图上添加Vmi对应的波形(示例性的添加后的波形图如图3所示)；其中D1(优选的取值不低于0.5)和D2(优选的取值不高于0.1)为预定义的阈值；其中k的取值范围为1到n，|vsk-vmik|max为|vs1-vmi1|…|vsn-vmin|中的最大值，avg()为均值函数。步骤S400中，一方面差异度Si不超过D2与Vmi均值的乘积，这样保证了差异度的绝对数值不会过大，另一方面，差异度Si要大于D1与|vsk-vmik|max的乘积，这样保证了Vs和Vmi中n组对应的电压值之间的差异不能过大。
根据本发明，符合步骤S400判断结果的Vmi均被叠加到Vs的波形上，如果Vmi只有一个，那么在上位机的显示屏幕上直接显示Vmi的描述信息；如果Vmi超过一个，那么当用户(例如现场作业人员)点击波形图的Vmi对应的波形时，在上位机的显示屏幕上显示Vmi的描述信息。
通过本发明，上位机能够自动计算并获得与反射信号的采样信号(也代表了反射信号)类似的仿真波形，并且在Vs的波形图上添加和Vs的波形类似的仿真波形Vmi，使得作业人员能够通过Vs和Vmi的波形对比，迅速了解Vs的波形图所代表的含义，另外通过在上位机的显示屏幕上显示描述信息，也能够使得作业人员进一步了解故障的相关情况。
根据本发明，在作业人员根据例如图3所示的Vmi波形图，获得相应的显示描述信息后，作业人员可以进一步的的依据显示描述信息检查可能出现的电缆接头，判断相关电缆接头是否发生故障。根据本发明，在作业人员确认电缆接头发生故障时，还可以根据Vs波形图对相应的Vmi波形图进行更新，从而获得更为准确的Vmi波形图。具体的，如图4所示，处理器还用于执行计算机程序以实现以下步骤：
步骤S1000，接收用户的确认操作，所述确认操作至少包括所述用户选择的待更新的Vmi＝[vmi1,vmi2,...,vmin]和当前的Vs＝[vs1,vs2,...,vsn]。如前所述，符合步骤S400判断结果的Vmi均被叠加到Vs的波形上并在显示屏幕上显示，如果Vmi只有一个，那么该Vmi为待更新的Vmi；如果Vmi超过一个，那么当用户通过鼠标或者手指操作选定的Vmi作为待更新的Vmi。
步骤S1100，使用Vs中的电压值更新Vmi中对应电压值，形成Umi＝[umi1,umi2,...,umin]，其中，umik为使用vsk更新vmik后获得的电压值，所述更新的过程具体包括：
如果|vmik-vsk|≤V1，那么
如果|vmik-vsk|＞V2，那么umik＝vmik；
如果V1＜|vmik-vsk|≤V2，那么umik＝vmik+Zk(vsk-vmik)；
其中，V1和V2为预设的电压阈值，且V1<V2。本发明中，根据vsk和vmik的差与V1、V2的关系，分别设置不同的更新策略。具体的，当二者的差较小时(即小于或等于V1)，说明实际的采样电压值和仿真电压值比较接近，即仿真电压值和采样电压值都具有很高的可靠性，因此只需要使用线性插值对仿真电压值进行微调，就能够获得比原始仿真电压值更为准确的新的仿真电压值。当二者的差较大时(即大于V2)，由于仿真电压值本身具有一定的可靠性(虽然可能不是特别准确)，因此能够说明实际的采样电压值有较大的概率属于噪声，这种情况下，不使用噪声数据对仿真电压值进行调整，避免出现更大的误差。当二者的差处于V1和V2之间时，说明采样电压值同时具有一定的可靠性和噪声性，可以利用采样电压值对仿真电压值进行调整，但是调整幅度不能过大，即不能超过线性插值的调整幅度，因此使用设置了系数Z进行调整。
根据本发明，Zk的取值应当小于1/2，即低于|vmik-vsk|≤V1的调整幅度。
优选的，即Z的取值随着采样电压值和仿真电压值的压差等增大而减少，但是仍然不会超过1/2。
步骤S1200，在仿真模型数据库使用Umi更新Vmi，形成新的Vmi，以供后续进行电缆接头故障检测时使用。
根据本发明，还包括以下步骤：
步骤S1300，在仿真模型数据库中备份被更新的原有的Vmi，以使得上位机的用户在发现Umi不准确时，能够随时恢复到原有的Vmi。
进一步的，本发明还供了远程服务器，远程服务器与多个上位机通信连接，远程服务器中存储有电压仿真波形Vm＝[Vm1,Vm2,...,VmN]，多个上位机中的仿真模型数据库从远程服务器中下载并存储电压仿真波形Vm＝[Vm1,Vm2,...,VmN]。研究人员通过实验获取的电压仿真波形Vm被存储到远程服务器中，而班组进行检测使用的上位机能够从远程服务器中同步获得Vm，以适应班组巡检范围内的电缆接头故障检测。这种应用场景中，由于班组负责检测的电缆(及其接头)往往属于同一批次的采购型号，具有电气性质的相似性，因此在上位机中使用Umi更新Vmi能够更准确的帮助班组作业人员确定电缆故障。
此外，根据公开的本发明的说明书，本发明的其他实现对于本领域的技术人员是明显的。实施方式和/或实施方式的各个方面可以单独或者以任何组合用于本发明的系统和方法中。说明书和其中的示例应该是仅仅看作示例性，本发明的实际范围和精神由所附权利要求书表示。