李樂樂，江 洋，劉宇紅

(貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

電力電纜是電力供應(yīng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其發(fā)生故障而影響正常供電，線纜故障的檢測與定位，目前的測試方法頻域發(fā)射法適合測量高頻信號(hào)電纜，其測量精度較高，抗干擾能力強(qiáng)，但發(fā)射的調(diào)頻信號(hào)會(huì)對(duì)通訊產(chǎn)生干擾，不能實(shí)現(xiàn)在線測量，適用于同軸射頻電纜［1］;時(shí)域反射法主要利用脈沖在故障點(diǎn)阻抗特性發(fā)射回波時(shí)間來確定故障位置，但其不能檢測高阻故障和間歇性故障，因此無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測，在通信電話線故障檢測中應(yīng)用較多;噪聲反射法利用線纜工作時(shí)存在的噪聲或線纜中的有效信號(hào)，根據(jù)信號(hào)時(shí)域的自相關(guān)函數(shù)屬性進(jìn)行檢測，但其無法控制信號(hào)，故較為被動(dòng)。擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射法向待測電纜發(fā)射二進(jìn)制偽隨機(jī)碼與正弦波的調(diào)制信號(hào)，具有白噪聲均值為零的特性，對(duì)電纜上的其他信號(hào)沒有影響，可實(shí)時(shí)在線檢測電纜故障。另外，其為單端實(shí)現(xiàn)檢測，檢測原理簡單［1－5］。

本文利用擴(kuò)散頻譜時(shí)域反射法(SSTDR)對(duì)線纜故障進(jìn)行仿真測距研究。應(yīng)用Matlab的Simulink進(jìn)行建模，并對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行診斷，用互相關(guān)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在不同的調(diào)制方法下對(duì)比分析，得出擴(kuò)散頻譜時(shí)域反射法的最佳調(diào)制方式。

1 模型框架分析

1.1 SSTDR系統(tǒng)概述

SSTDR系統(tǒng)主要有信號(hào)發(fā)生模塊、調(diào)制模塊、信號(hào)發(fā)射模塊、線纜模塊、信號(hào)采集模塊、解調(diào)模塊以及相關(guān)模塊等基本模塊組成。

在信號(hào)發(fā)射模塊，用Matlab仿真出直接序列擴(kuò)頻的信號(hào)作為測試信號(hào)，調(diào)制模塊采用ASK、FSK、PSK等調(diào)制方法。線纜模塊采用Matlab的電力仿真工具箱PSB提供基于行波法的貝杰龍數(shù)學(xué)模型［2］，考慮到電流和電壓波的進(jìn)行時(shí)間，這里采用分布式參數(shù)的貝杰龍數(shù)學(xué)模型，對(duì)仿真電纜波過程其模型可靠性更大設(shè)置電纜的參數(shù)，即故障點(diǎn)的位置。由于線纜中只能傳輸實(shí)數(shù)型的信號(hào)，所以要對(duì)信號(hào)進(jìn)行取實(shí)部的操作，實(shí)部為測試的有效信號(hào)。信號(hào)發(fā)射模塊與信號(hào)采集模塊本文未涉及到需進(jìn)一步的探討與研究，解調(diào)模塊采用ASK、FSK、PSK等解調(diào)方法對(duì)反射信號(hào)解調(diào)，相關(guān)模塊本文直接采用互相關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)際模型框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 直接序列發(fā)生器

直接序列調(diào)制擴(kuò)頻通信，是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)序列調(diào)制到一個(gè)較寬的頻帶上，在接收端用與發(fā)射端相同的偽隨機(jī)序列對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理，從而恢復(fù)出擴(kuò)頻調(diào)制之前的信息［3－4］。系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出信號(hào)與偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模二加，產(chǎn)生一個(gè)速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列，然后再調(diào)制載波可獲取較高的信噪比，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。直接序列發(fā)生器模塊采用兩個(gè)隨機(jī)序列，一個(gè)服從伯努利分布，Bernoulli Binary Generator產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流相當(dāng)于信源，一個(gè)是隨機(jī)生成的PN序列，PN Sequence Generator用于產(chǎn)生PN序列。兩個(gè)隨機(jī)序列相乘再經(jīng)過調(diào)制模塊(PSK、FSK、ASK調(diào)制)生成擴(kuò)散頻譜時(shí)域反射法的測試信號(hào)。

1.3 反射模塊

線纜發(fā)生故障，線路中阻抗特征會(huì)發(fā)生變化，但反射回的信號(hào)與發(fā)射的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定延時(shí)。擴(kuò)散頻譜時(shí)域反射法是將偽隨機(jī)序列信號(hào)經(jīng)余弦調(diào)制后作為測試信號(hào)，此信號(hào)的幅度較小，與線纜中的有效傳輸信號(hào)，增強(qiáng)噪聲免疫，相關(guān)峰值更明顯，可用于功率較小的在線精確檢測定位故障。當(dāng)線纜中有故障發(fā)生時(shí)，在線傳輸?shù)腟STDR信號(hào)會(huì)隨有效傳輸信號(hào)反射回發(fā)射端，在發(fā)射端將先后經(jīng)過輸入信號(hào)分離器和高通濾波器后得到的信號(hào)與測試信號(hào)的延遲進(jìn)行相關(guān)，得到自相關(guān)峰值時(shí)，便可根據(jù)延遲的時(shí)間，通過式(1)算出故障點(diǎn)距離發(fā)射端的距離［5］

式中，c是信號(hào)在線纜中的傳播速度，通常取0.66～0.76倍光速，τ為延遲時(shí)間。

1.4 互相關(guān)分析

線纜信號(hào)的檢測過程中，為避免噪聲的干擾，通過互相關(guān)處理來減小噪聲的干擾［6］。將已知測試信號(hào)s(t)發(fā)送到線纜中，經(jīng)線纜這回的信號(hào)為sa(t－τ)，接收端與反射回的位移同步信號(hào)為sb(t－τ)，在此τ為對(duì)信號(hào)在線路系統(tǒng)中傳出延時(shí)的估計(jì)，τ為對(duì)信號(hào)在線路系統(tǒng)中傳出延時(shí)的估計(jì)。互相關(guān)分析原理示意如圖2所示。

圖2 互相關(guān)分析原理

系統(tǒng)中混入n(t)為加性噪聲，與測試信號(hào)不相關(guān)，T為一次測試的持續(xù)時(shí)間。則相關(guān)分析中輸出信號(hào)為［5］

若同步信號(hào)與接收信號(hào)的相位完全一致，則相關(guān)分析輸出的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)唯一的最大值，此時(shí)得到延遲時(shí)間τ=τ'，據(jù)此可改進(jìn)參數(shù)峰值位置得到延遲時(shí)間。

2 Simulink建模

Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)建模、仿真和分析［7］。

直接序列發(fā)生器模塊的兩個(gè)隨機(jī)序列設(shè)置，Bernoulli Binary Generator產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流的采樣時(shí)間設(shè)置為1/100，及數(shù)據(jù)流傳輸速率設(shè)置為100 bit·s－1。隨機(jī)生成的PN序列采樣時(shí)間設(shè)置為1/2 000，即擴(kuò)頻。實(shí)部為測量的有效信號(hào)，取實(shí)部處理，虛部不動(dòng)。再經(jīng)故障線纜模塊，故障線纜設(shè)置的故障為短路故障，位置為100 km，Three－Phase Fault模塊，在Parameters根據(jù)短路現(xiàn)象選擇，單相短路故障設(shè)置方法為，先選Phase B Fault然后再選Ground Fault，查閱資料得電信號(hào)在電纜的中的傳輸速度為200 m/μs，根據(jù)式(1)可計(jì)算出延時(shí)的時(shí)間為1.562 5 ms，因此可變延時(shí)模塊(VariableInteger Delay)Constant Value的值設(shè)置為0.001 25，仿真時(shí)間設(shè)置為100 s，仿真的解調(diào)器設(shè)置為ode23 tb。再合成復(fù)數(shù)，進(jìn)行解調(diào)(BPSK、QPSK、QAM解調(diào))，BPSK調(diào)制與解調(diào)器的Samples Per Symble參數(shù)設(shè)置為20。這因解擴(kuò)系統(tǒng)的采樣頻率為2 000次/s，而BPSK基帶數(shù)據(jù)信號(hào)頻率為100 bit·s－1，其采樣頻率為100次/s。所以，設(shè)置為每個(gè)符號(hào)采樣20次。零階保持器的采樣時(shí)間設(shè)置為1/2 000。

最后通過相關(guān)檢測模塊輸出，經(jīng)過相關(guān)器輸出的峰值來確定延遲時(shí)間，即可根據(jù)式d=1/2ct定位出線纜的故障點(diǎn)，SSTDR仿真模型如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)并未引入噪聲。

對(duì)于SSTDR檢測方法而言，通過求本地參考信號(hào)與反射回來的信號(hào)相關(guān)來定位故障點(diǎn)，反射回的參考信號(hào)中含有故障點(diǎn)的位置信息。

圖3 SSTDR的仿真模型

3 仿真結(jié)果分析

擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射法在檢測航空電纜中應(yīng)用廣泛，在線測量可檢測到間隙性短路導(dǎo)致的短路故障，振動(dòng)等無故障產(chǎn)生的噪聲信號(hào)均會(huì)影響線纜故障的檢測與判斷;飛機(jī)線纜隱藏在機(jī)艙內(nèi)，檢修不宜拆裝，斷電檢測無故障等均需要SSTDR方法的在線故障檢測。

在大多數(shù)情況下，數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號(hào)的離散值進(jìn)行鍵控載波。對(duì)載波的幅度、頻率或相位進(jìn)行鍵控，便可獲得ASK、FSK和PSK。這3種數(shù)字調(diào)制方式在抗干擾噪聲能力和信號(hào)頻譜利用率等方面，以相干 PSK 的性能最佳［8］。

BPSK利用二進(jìn)制基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行的二相調(diào)制，同時(shí)傳送接受1比特的信息，抗噪能力強(qiáng)。設(shè)計(jì)好的信號(hào)對(duì)電纜進(jìn)行的仿真得到的測試結(jié)果如圖4所示，圖4中故障點(diǎn)的時(shí)間約為1 s，根據(jù)公式d=其中c取2/3倍的光速，可計(jì)算出故障出現(xiàn)的位置為100 km，設(shè)置的故障為100 km短路，測量精度較高，具有較強(qiáng)的故障定位能力。

FSK設(shè)計(jì)好的信號(hào)對(duì)電纜進(jìn)行仿真得到的測試結(jié)果，如圖5所示。根據(jù)公式其中 c取2/3倍的光速，經(jīng)計(jì)算得延遲時(shí)間t≈0.9 s，可計(jì)算出故障出現(xiàn)的位置為90 km，誤差較大，不適合在SSTDR系統(tǒng)中應(yīng)用。

QAM設(shè)計(jì)好的信號(hào)對(duì)電纜進(jìn)行的仿真得到的測試結(jié)果，如圖6所示。根據(jù)公式 d=1/2ct，其中 c取2/3倍的光速，經(jīng)計(jì)算得延遲時(shí)間t≈0.8 s，可計(jì)算出故障出現(xiàn)的位置為80 km，誤差較大，故障定位能力較差，給線纜在線測量精度造成誤差較大，故不適合在SSTDR系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖4 BPSK局部放大圖

圖5 FSK局部放大圖形

圖6 QAM局部放大波形

圖7 QPSK局部放大圖

分析上述結(jié)果得到PSK在SSTDR中具有更好的調(diào)制效果，文中進(jìn)一步測試QPSK的調(diào)制效果，QPSK在BPSK基礎(chǔ)上，利用4個(gè)相位時(shí)抗干擾能力較強(qiáng)、傳輸速率較高。局部放大如圖7所示，根據(jù)公式d=1/2 ct，其中c取2/3倍的光速，經(jīng)計(jì)算得延遲時(shí)間t≈1 s，可計(jì)算出故障出現(xiàn)的位置為100 km，具有較高的故障定位能力。

仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了相干PSK性能最好的結(jié)論在SSTDR線路故障測試系統(tǒng)中仍實(shí)用，且得出了BPSK與QPSK具有同樣理想的調(diào)制性能。

4 結(jié)束語

在實(shí)際的仿真實(shí)驗(yàn)下得到了SSTDR中最適合的調(diào)制方式為PSK，其抗干擾能力好，傳輸速率高，對(duì)線纜故障定位能力高，并仿真出BPSK與QPSK具有同樣優(yōu)秀的調(diào)制性能，適用于線纜故障的現(xiàn)場在線測量。但該測試系統(tǒng)仍有諸多需要繼續(xù)研究探討的問題，例如噪聲對(duì)測試系統(tǒng)的影響、最佳的PN測試信號(hào)、反射信號(hào)最佳的處理方法以及線纜其他故障的仿真等。

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