基于SSTDR的線纜故障檢測算法

吳 瑀 莊紅軍 李 睿 陳 晨

（貴州電網有限責任公司畢節供電局，畢節 551700）

1 電力電纜故障檢測的方式

電力電纜作為電力供應系統中的關鍵環節，一旦發生故障，就會對供電產生極其嚴重的影響。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。當前，檢測的方式是頻域發射方式對高頻信號電纜進行測量，這種方式的測量精準度較高，且有非常強的抗干擾能力。同時，因為發射的調頻信號會干擾通訊，所以在線測量方式無法實現。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，在通信電話線出現故障時，這種方式應用較廣泛。噪聲反射法，是以信號時域的自相關函數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，同時利用相關函數對相關數據進行分析和處理，利用不同調節方式對妥善頻譜時域反射法的調制方式進行研究。

2 分析方式

2.1 SSTDR系統概述

SSTDR系統是由發生、調制、信號發射、線纜、信號采集、調節模塊以及其他基本模塊構成的。信號發射模塊是利用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射。調制模塊則是利用ASK、FSK等調試方式進行。線纜模塊則是通過電力仿真工具箱發揮作用，采用貝杰龍數學模型實現電流和電壓波之間的時間參數建模，確定故障點。因為線纜中信號只能進行實數信號傳播，所以我們在信號處理中必須保證結合實際獲取并將測試的信號確定為有效信號。本文將對信號發射模塊和采集模塊進行深入研究，調節模塊也是利用ASK、FSK、PSK等調節方式調節反射信號，與此相關的模塊，我們也會直接對數據進行分析和處理。

2.2 直接序列發生器

將信息利用偽隨機序列調制到較寬的頻帶上，直接序列的擴頻通信也是在此基礎上對相關信號進行處理，在接收端利用和發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制信息得到恢復。系統中產生的輸出信號，和偽隨機碼之間的信號進行模二加，出現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載波調制，一次強化系統的干擾能力。直接序列發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

在線纜發生故障時，即便線路中的阻抗特點會發生一系列變化，但反射后的信號和發射的信號會出現延遲的情況。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的信號噪聲免疫，這樣相關峰值就會更加凸顯，可用功率變小，精準度也會有所提升，有助于對故障位置的準確判斷。線纜發生故障時，在線進行傳輸的SSTDR信號就會在有效信號傳輸的反射端口進行發射，經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的信號，到達相關峰值時，可以通過延遲的時間，準確判定故障點距離發射端之間的距離。

2.4 互相關系的分析

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。可以將測試信號發射到線纜中，實現線纜的接收端與發射端唯一信號的同步，再次預測信號的線路系統延遲情況，從而準確評估信號在線路系統中的傳輸延遲時間。

3 Simulink建模

Simulink這種可視化的反震工具，能夠讓動態建模和仿真以及分析得到實現。直接序列發生器模塊需要對隨機序列進行有效設置，數據流產生時，需要將設定采集的樣本時間，同時傳輸速度也要設置在100bit/s。隨機d PN序列生成，采集的時間需要設定為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。經過故障線纜的模塊，我們可以將故障線纜的故障設置為短路故障，位置是100km，在Parameters以短路現象作為選擇依據，單向短路設定的方式是對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，并可以根據公式對延遲的時間進行推斷，也對延遲的模塊進行值的設定，且對仿真調節器可進行ode23tb的設置，設置以后再次形成復數，然后進行解調。BPsk調制和解調器的參數我們可以設定為20，這是由于接擴系統頻率設定在2000次/s，BPSk亟待數據信號頻率設定為100，采樣頻率色設定為100次/s。故而，我們將每個符號采樣都設定在20次，零階保持器采樣的時間也需要設定在1/2000。

在通過檢測模塊進行輸出后，需要在相關器輸出峰值的地方對延遲的時間進行確認，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，整個系統并沒有對噪聲進行引入。對于SSTDR仿真模型的監測方法來說，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包含了故障點位置的具體信息內容。

4 分析仿真結果

一般情況下，利用數字信號進行監控載波的數字調制，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相關的數據。對比分析三種調制方式對噪聲干擾以及在信號頻率利用中的應用效果，可以看出PSK的性能更加突出。BSPK對于載波的二項調制，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。對設計好的信號，其電纜方針測試結果精準度更高，故障定位能力也更強。在仿真實驗中，我們能夠得出結論，PSK的性能最好，SSTDR線路故障測試系統中也具有一定的實用性，BSPK和QPSK的調制性能一樣好。

5 結論

在仿真實驗過程中能夠得出SSTDR是最佳的PSK調制方法，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都有非常好的調制性能，更加適合測量線纜故障。