一种基于虚拟阻抗匹配的电缆缺陷定位方法、系统及设备与流程

1.本发明涉及电力电缆绝缘诊断技术领域，具体涉及一种基于虚拟阻抗匹配的电缆缺陷定位方法、系统及设备。


背景技术：

2.在基于电缆特性阻抗实现电缆缺陷定位的方法中，可以利用网络分析仪采集入射信号在传输线路中遇到缺陷等阻抗不匹配点产生的折反射信号。根据采集到的折反射信号，网络分析仪可以生成反射系数谱。通过反射系数谱可以获取电缆特性阻抗信息(比如电缆特性阻抗是否连续)，进而可以实现电缆缺陷定位。
3.在这些方法中，连接网络分析仪和电缆的信号线夹具会产生阻抗不匹配点，这些阻抗不匹配点会导致较强的信号反射现象，形成遮蔽效应，影响缺陷定位精度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施方式提供了一种基于虚拟阻抗匹配的电缆缺陷定位方法、电缆缺陷定位系统、电子设备及计算机可读存储介质，可以提高缺陷定位精度。
5.本发明一方面提供了一种基于虚拟阻抗匹配的电缆缺陷定位方法，所述方法包括：
6.根据虚拟时域信号和通过网络分析仪实际测得的实测电缆反射系数谱，确定电缆首端的首端反射系数谱；
7.根据电缆特性阻抗和所述首端反射系数谱，确定所述网络分析仪的信号连接线的等效阻抗；
8.在所述电缆首端的首端输入阻抗中，消除所述信号连接线的等效阻抗，得到修正后的修正首端输入阻抗；及
9.根据所述修正首端输入阻抗，对所述实测电缆反射系数谱进行修正，得到修正电缆反射系数谱，并基于所述修正电缆反射系数谱，对所述电缆的缺陷进行定位。
10.在一些实施例中，所述基于所述修正电缆反射系数谱，对所述电缆的缺陷进行定位，包括：
11.在多个取值不同的所述电缆特性阻抗中，针对每个所述电缆特性阻抗分别确定对应的修正首端输入阻抗；
12.基于各个所述电缆特性阻抗对应的修正首端输入阻抗，分别对所述实测电缆反射系数谱进行修正，得到多个所述修正电缆反射系数谱；
13.在所述多个所述修正电缆反射系数谱中，选择其中一个所述修正电缆反射系数谱，对所述电缆的缺陷进行定位。
14.在一些实施例中，所述在所述多个所述修正电缆反射系数谱中，选择其中一个所述修正电缆反射系数谱，对所述电缆的缺陷进行定位，包括：
15.针对任一所述修正电缆反射系数谱，从该电缆反射系数谱的虚部提取所述电缆的
固有特性参数信息，并确定所述固有特性参数信息与所述虚部的相关系数；
16.在所述多个所述修正电缆反射系数谱中，基于相关系数最大的修正电缆反射系数谱，对所述电缆的缺陷进行定位。
17.在一些实施例中，所述从该电缆反射系数谱的虚部提取所述电缆的固有特性参数信息，包括：
18.根据该电缆反射系数谱的虚部得到电缆的缺陷定位图谱，并基于所述缺陷定位图谱中幅值最大的数据，提取得到所述固有特性参数信息。
19.在一些实施例中，所述根据虚拟时域信号和通过网络分析仪实际测得的实测电缆反射系数谱，确定电缆首端的首端反射系数谱，包括：
20.确定所述虚拟时域信号关于所述实测电缆反射系数谱在时域的时域响应信号；
21.在所述时域响应信号中截取所述电缆首端的首端时域响应信号，以及在所述虚拟时域信号中截取与所述首端时域响应信号等长的首端时域信号；
22.基于所述首端时域响应信号和所述首端时域信号，确定所述首端反射系数谱。
23.在一些实施例中，所述确定所述虚拟时域信号关于所述实测电缆反射系数谱在时域的时域响应信号，包括：
24.将所述虚拟时域信号转换为虚拟频域信号；
25.对所述虚拟频域信号进行插值，使得插值后的所述虚拟频域信号与所述实测电缆反射系数谱等长；
26.将插值后的所述虚拟频域信号与所述实测电缆反射系数谱相乘，并基于相乘结果，确定所述虚拟时域信号关于所述实测电缆反射系数谱在时域的时域响应信号。
27.在一些实施例中，所述基于所述首端时域响应信号和所述首端时域信号，确定所述首端反射系数谱，包括：
28.将所述首端时域响应信号变换为首端频域响应信号，以及将所述首端时域信号变换为首端频域信号；
29.将所述首端频域响应信号与所述首端频域信号相除，得到所述首端反射系数谱。
30.本发明另一方面还提供了一种基于虚拟阻抗匹配的电缆缺陷定位系统，所述系统包括：
31.反射系数确定模块，用于根据虚拟时域信号和通过网络分析仪实际测得的实测电缆反射系数谱，确定电缆首端的首端反射系数谱；
32.等效阻抗确定模块，用于根据电缆特性阻抗和所述首端反射系数谱，确定所述网络分析仪的信号连接线的等效阻抗；
33.修正模块，用于在所述电缆首端的首端输入阻抗中，消除所述信号连接线的等效阻抗，得到修正后的修正首端输入阻抗；及
34.缺陷定位模块，用于根据所述修正首端输入阻抗，对所述实测电缆反射系数谱进行修正，得到修正电缆反射系数谱，并基于所述修正电缆反射系数谱，对所述电缆的缺陷进行定位。
35.本发明另一方面还提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上所述的方法。
36.本发明另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的方法。
37.在本技术一些实施例的技术方案中，通过先确定电缆首端的首端反射系数谱，以及网络分析仪的信号连接线的等效阻抗，然后基于首端反射系数谱和网络分析仪的信号连接线的等效阻抗，对实测电缆反射系数谱进行修正，可以降低电缆首端的阻抗不匹配点对电缆反射系数谱的影响，得到电缆首端的阻抗匹配时的修正电缆反射系数谱。因此，基于修正电缆反射系数谱对电缆进行缺陷定位的精度更高。
附图说明
38.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
39.图1示出了本技术的一个实施例提供的一种基于虚拟阻抗匹配的电缆缺陷定位方法的流程示意图；
40.图2示出了本技术的一个实施例提供的修正前后的定位对比图；
41.图3示出了本技术的一个实施例提供的一种基于虚拟阻抗匹配的电缆缺陷定位系统的模块示意图；
42.图4示出了本技术的一个实施例提供的电子设备的示意图。
具体实施方式
43.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
44.电缆反射系数谱是电缆在传输不同频率信号时的反射系数。电缆反射系数谱为电缆本身固有的特性参数，且可通过网络分析仪进行检测。具体地，网络分析仪可以将不同频率的检测信号分别注入电缆(又可称为扫频)，并采集电缆的折反射信号，然后根据采集到的折反射信号，确定电缆反射系数谱。
45.由于受网络分析仪与电缆之间的信号线夹具影响，网络分析仪和电缆的连接处存在阻抗不匹配点。网络分析仪实际检测到的实测电缆反射系数谱b
′0，可以如表达式(1)所示。
[0046][0047]
其中，ra表示网络分析仪的等效阻抗，zw表示网络分析仪的连接线的等效阻抗，zi′n表示ra和zw组合的串联等效阻抗。
[0048]
对表达式(1)进一步推导，电缆首端的首端反射系数谱ρ
′1，可以如表达式(2)所示。
[0049][0050]
其中，z0表示电缆特性阻抗。
[0051]
对表达式(2)进一步转换，可以得到zw，如表达式(3)所示。
[0052][0053]
通过表达式(1)至表达式(3)可以看出，若已知电缆首端的首端反射系数谱ρ
′1和电缆特性阻抗z0，便可得到连接线的等效阻抗zw。将连接线的等效阻抗zw从串联等效阻抗z
′
in
中移除后，便可基于表达式(1)修正实测电缆反射系数谱b
′0，得到修正后的修正电缆反射系数谱。在修正电缆反射系数谱中，由于消除了网络分析仪与电缆之间的阻抗不匹配点对电缆反射系数谱的影响，使得基于修正电缆反射系数谱来对电缆缺陷进行定位时，精度可以更高。换句话说，就是修正电缆反射系数谱是电缆首端阻抗匹配的情况下所对应的电缆反射系数谱，消除了网络分析仪与电缆之间的阻抗不匹配点所导致的遮蔽效应，进而可以提高电缆的缺陷定位精度。
[0054]
综上所述，请参阅图1，为本技术的一个实施例提供的一种基于虚拟阻抗匹配的电缆缺陷定位方法的流程示意图。电缆缺陷定位方法可应用于电子设备。电子设备包括但不限于网络分析仪、电脑设备等。图1中，电缆缺陷定位方法包括如下步骤：
[0055]
步骤s11，根据虚拟时域信号y0(t)和通过网络分析仪实际测得的实测电缆反射系数谱b
′0，确定电缆首端的首端反射系数谱ρ
′1。
[0056]
虚拟时域信号可以为虚拟信号。即该信号可以不是由网络分析仪发送到电缆中的检测信号。
[0057]
在本实施例中，虚拟时域信号y0(t)可以如表达式(4)所示。
[0058][0059]
其中，am表示脉冲幅值，tb表示脉冲峰值出现的时间，wi表示脉冲的脉宽，t表示时间。表达式(4)中，y0(t)的频率分量分布特性仅受wi影响，与am、tb无关。wi越小，y0(t)的频率分量分布越广。为了能够尽可能的利用实测电缆反射系数谱b
′0的信息，wi可以取使得abs(y0(w))在w
max
时下降到峰值的1％时的值，y0(w)为y0(t)的虚拟频域信号，w
max
表示最大频率。
[0060]
可以理解的是，虚拟时域信号y0(t)还可以存在除表达式(4)外的其他形式，本技术对虚拟时域信号y0(t)的形式不做限制。
[0061]
在一些实施例中，根据虚拟时域信号y0(t)和通过网络分析仪实际测得的实测电缆反射系数谱b
′0，可以确定虚拟时域信号y0(t)关于实测电缆反射系数谱b
′0在时域的时域响应信号y1(t)。在时域响应信号y1(t)中可以截取电缆首端的首端时域响应信号y2(t)，以及在虚拟时域信号y0(t)中可以截取与首端时域响应信号y2(t)等长的首端时域信号y
′0(t)。从而，基于首端时域响应信号y2(t)和首端时域信号y
′0(t)，可以确定首端反射系数谱ρ
′1。
[0062]
具体地，确定虚拟时域信号y0(t)关于实测电缆反射系数谱b
′0在时域的时域响应信号y1(t)，可以包括：
[0063]
将虚拟时域信号y0(t)转换为虚拟频域信号y0(w)；
[0064]
对虚拟频域信号y0(w)进行插值，使得插值后的虚拟频域信号y0(w)与实测电缆反射系数谱b
′0等长；
[0065]
将插值后的虚拟频域信号y0(w)与实测电缆反射系数谱b
′0相乘，并基于相乘结果，
确定虚拟时域信号y0(t)关于实测电缆反射系数谱b
′0在时域的时域响应信号y1(t)。
[0066]
其中，将插值后的虚拟频域信号y0(w)与实测电缆反射系数谱b
′0相乘后，得到的相乘结果可以为虚拟频域信号y0(w)关于实测电缆反射系数谱b
′0在频域的频域响应信号y1(w)。通过傅里叶逆变换，可以将频域响应信号y1(w)转换到时域，得到虚拟时域信号y0(t)关于实测电缆反射系数谱b
′0在时域的时域响应信号y1(t)。傅里叶逆变换为本领域的常规技术手段，本技术在此不详细说明。
[0067]
另外，基于首端时域响应信号y2(t)和首端时域信号y
′0(t)，确定首端反射系数谱ρ
′1，可以包括：
[0068]
将首端时域响应信号y2(t)变换为首端频域响应信号y
′2(w)，以及将首端时域信号y
′0(t)变换为首端频域信号y
′0(w)；
[0069]
将首端频域响应信号y
′2(w)与首端频域信号y
′0(w)相除，得到首端反射系数谱ρ
′1。
[0070]
其中，通过傅里叶变换，可以将首端时域响应信号y2(t)变换为首端频域响应信号y
′2(w)，以及将首端时域信号y
′0(t)变换为首端频域信号y
′0(w)。傅里叶变换为本领域的常规技术手段，本技术在此不详细说明。
[0071]
如此，经过步骤s11，可以确定首端反射系数谱ρ
′1。
[0072]
步骤s12，根据电缆特性阻抗z0和首端反射系数谱ρ
′1，确定网络分析仪的信号连接线的等效阻抗zw。
[0073]
在一些实施例中，电缆特性阻抗z0可以通过实际检测得到。基于检测得到的电缆特性阻抗z0，可基于上述表达式(3)来确定信号连接线的等效阻抗zw。
[0074]
在本实施例中，考虑到一些情况下，可能无法到达现场对电缆的电缆特性阻抗z0进行实际测量，因此可以在电缆特性阻抗z0的取值范围内，先假定多个取值不同的电缆特性阻抗z0。
[0075]
对于电缆特性阻抗z0的取值范围，本领域技术人员应该知晓的是，通常情况下，电缆的电缆特性阻抗z0是位于一个确定的数值范围内的。此处以z
min
表示该数值范围的最小值(比如20欧)，以z
max
表示该数值范围的最大值(比如100欧)。那么电缆特性阻抗z0的取值在z
min
至z
max
之间。电缆特性阻抗z0的取值范围可以根据电缆实际情况(比如电缆的直径)来确定，本技术对此不作限制。
[0076]
在本实施例中，在电缆特性阻抗z0的取值范围内，可以按照预设的步长z
step
，假定多个取值不同的电缆特性阻抗z0。示例性的，步长z
step
可以为0.1欧。
[0077]
比如，假设电缆特性阻抗z0的取值范围是20欧到80欧之间，步长z
step
为0.1欧，那么可以从20欧开始，每间隔0.1欧假定一个电缆特性阻抗z0，即20欧、20.1欧、20.2欧、
……
、80欧。
[0078]
这种按照预设的步长z
step
，在电缆特性阻抗z0的取值范围内假定多个取值不同的电缆特性阻抗z0，又可称为穷举法。即在电缆特性阻抗z0的取值范围内，将电缆特性阻抗z0的所有可能取值均列举出来。在这些取值中，必然存在一个取值，为电缆特性阻抗z0的正确取值。
[0079]
针对每个假定的电缆特性阻抗z0，可以分别基于上述表达式(3)确定一个信号连接线的等效阻抗zw。比如假设假定了电缆特性阻抗z
01
、z
02
、
……
、z
0m
，则可以对应地得到等
效阻抗z
w1
、z
w2
、
……
、z
wm
。
[0080]
步骤s13，在电缆首端的首端输入阻抗z
′
in
中，消除信号连接线的等效阻抗zw，得到修正后的修正首端输入阻抗z
in
。
[0081]
其中，首端输入阻抗z
′
in
可以通过网络分析仪实际检测得到。修正首端输入阻抗z
in
可通过表达式(5)来确定。
[0082]zin
＝z
′
in-zwꢀꢀꢀ
(5)
[0083]
可以理解的是，若在步骤s12中是通过实际检测的方式得到电缆特性阻抗z0，那么电缆特性阻抗z0和信号连接线的等效阻抗zw应该只有一个(取值唯一)。相应地，在步骤s13中得到的修正首端输入阻抗z
in
也应该只有一个。
[0084]
若在步骤s12中假定了多个取值不同的电缆特性阻抗z0，那么在步骤s13中，针对每个电缆特性阻抗z0可以分别确定对应的修正首端输入阻抗z
in
。即：
[0085]
基于电缆特性阻抗z
01
，可以确定信号连接线的等效阻抗z
w1
，基于等效阻抗z
w1
，可以确定对应的修正首端输入阻抗z
in1
；
[0086]
基于电缆特性阻抗z
02
，可以确定信号连接线的等效阻抗z
w2
，基于等效阻抗z
w2
，可以确定对应的修正首端输入阻抗z
in2
；
[0087]
如此依次类推。
[0088]
步骤s14，根据修正首端输入阻抗z
in
，对实测电缆反射系数谱b
′0进行修正，得到修正电缆反射系数谱b0，并基于修正电缆反射系数谱b0，对电缆的缺陷进行定位。
[0089]
在一些实施例中，修正电缆反射系数谱b0可通过表达式(6)来确定。
[0090][0091]
与步骤s13的原理类似，若在步骤s12中是通过实际检测的方式得到电缆特性阻抗z0，那么最后得到的修正电缆反射系数谱b0为一个，且得到该修正电缆反射系数谱b0即为消除遮蔽效应影响后的反射系数谱。基于该电缆反射系数谱b0对电缆的缺陷进行定位，精度可以较高。
[0092]
若在步骤s12中假定了多个取值不同的电缆特性阻抗z0，并相应地在步骤s13中得到了多个修正首端输入阻抗z
in
，那么在步骤s14中，可以基于各个电缆特性阻抗z0对应的修正首端输入阻抗z
in
，分别对实测电缆反射系数谱b
′0进行修正，得到多个修正电缆反射系数谱b0。即：
[0093]
基于电缆特性阻抗z
01
对应的修正首端输入阻抗z
in1
，可以对实测电缆反射系数谱b
′0进行修正，得到修正电缆反射系数谱b
01
；
[0094]
基于电缆特性阻抗z
02
对应的修正首端输入阻抗z
in2
，可以对实测电缆反射系数谱b
′0进行修正，得到修正电缆反射系数谱b
02
；
[0095]
如此依次类推。
[0096]
由于在多个假定的电缆特性阻抗z0中，应该只有一个正确的电缆特性阻抗z0。那么相应地，在得到的多个修正电缆反射系数谱b0中，也应该只有一个正确的修正电缆反射系数谱b0。
[0097]
鉴于此，可以在上述多个修正电缆反射系数谱b0中，选择其中一个修正电缆反射系数谱b0来对电缆的缺陷进行定位。选择出的修正电缆反射系数谱b0，即为正确的修正电缆
反射系数谱b0。以下阐述如何选择正确的修正电缆反射系数谱b0来对电缆进行缺陷定位。
[0098]
在一些实施例中，针对任一修正电缆反射系数谱b0，可以从该电缆反射系数谱b0的虚部im0提取电缆的固有特性参数信息im1，并确定固有特性参数信息im1与虚部im0的相关系数。在多个修正电缆反射系数谱b0中，基于相关系数最大的修正电缆反射系数谱b0，对电缆的缺陷进行定位。
[0099]
其中，电缆的固有特性参数信息im1可以指电缆本身固有的特性参数信息，比如电缆本身固有的电缆特性阻抗。该固有特性参数信息可以是电缆的首端阻抗匹配时，电缆的特性参数信息。换句话说，就是该固有特性参数信息是电缆在不存在首端阻抗不匹配点时的特性参数信息。对于任一假定的电缆特性阻抗z0所对应的修正电缆反射系数谱b0，该电缆反射系数谱b0的虚部im0可以包括该假定的电缆特性阻抗z0所对应的电缆特性参数信息，以及电缆的固有特性参数信息im1。若电缆反射系数谱b0的虚部im0和固有特性参数信息im1的相关性最大，可以表示假定的电缆特性阻抗z0为电缆本身固有的电缆特性阻抗。相应的，该假定的电缆特性阻抗z0所对应的修正电缆反射系数谱b0，即为正确的修正电缆反射系数谱b0。
[0100]
在一些实施例中，考虑到电缆的首端阻抗匹配时，电缆的反射系数谱中不存在首端阻抗不匹配时产生的反射系数，即首端反射系数谱ρ
′1为0。此时，电缆的反射系数谱中，仅有唯一频率分量，表明电缆中传递的信号仅反射一次，且此时的反射峰值最大。因此，可以根据该电缆反射系数谱的虚部im0得到电缆的缺陷定位图谱，并基于缺陷定位图谱中幅值最大的数据，提取得到固有特性参数信息im1。
[0101]
在一些实施例中，可以基于皮尔逊相关系数的计算方法来确定虚部im0和固有特性参数信息im1的相关系数。具体地，相关系数的计算公式可以如表达式(7)所示。
[0102][0103]
其中，pi表示第i个修正电缆反射系数谱b0的虚部im0与固有特性参数信息im1的相关系数，6
im0
表示im0的标准差，表示im1的标准差，cov(im0，im1)表示im0和im1的协方差。
[0104]
如此，可以从修正电缆反射系数谱b0中选择出正确的修正电缆反射系数谱b0，来对电缆进行缺陷定位。
[0105]
在本技术一些实施例的技术方案中，通过先确定电缆首端的首端反射系数谱ρ
′1，以及网络分析仪的信号连接线的等效阻抗zw，然后基于首端反射系数谱ρ
′1和网络分析仪的信号连接线的等效阻抗zw，对实测电缆反射系数谱b
′0进行修正，可以降低电缆首端的阻抗不匹配点对电缆反射系数谱的影响，得到电缆首端的阻抗匹配时的修正电缆反射系数谱b0。因此，基于修正电缆反射系数谱b0对电缆进行缺陷定位的精度更高。
[0106]
结合参阅图2，为本技术的一个实施例提供的修正前后的定位对比图。图2中，横轴表示电缆的长度，纵轴表示归一化后的电缆阻抗不匹配程度。曲线21表示电缆的反射系数谱修正前得到的缺陷定位图，曲线22表示电缆的反射系数谱修正后得到的缺陷定位图。从图2可以看出，基于修正后的反射系数谱得到的曲线定位图中，电缆首端的阻抗不匹配程度明显下降。达到了提高定位精度的目的。
[0107]
请参阅图3，为本技术的一个实施例提供的一种基于虚拟阻抗匹配的电缆缺陷定
programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0121]
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施方式中的方法对应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施方式中的方法。
[0122]
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0123]
本技术一个实施方式还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的电缆缺陷定位方法。
[0124]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。