双传感器电缆故障定点检测系统及方法、电缆检测平台技术方案

本发明专利技术属于电缆故障检测技术领域，公开了一种双传感器电缆故障定点检测系统及方法、电缆检测平台。由上下位机构成，上位机，用于实时接收下位机预处理后的数字信号，采用声磁同步法实现对故障点位置判断；对于电缆外护套故障，结合配套的金属探针，采用跨步电压法检测电缆故障点；下位机，通过USB OTG实现将声磁时间差和电缆路径信息传送到上位机；利用两个压电传感器和横、竖放置的两个电磁感应传感器采集电缆故障点冲击放电声音和磁场信号，利用基于ICA和小波变换的背景降噪算法实现对声音信号去噪。本发明专利技术在保证实时性的同时避免了模拟信号传输过程中的干扰；集声磁同步法和跨步电压法于一体，可定点常规故障及电缆外护套故障，定点精度高。

Dual Sensor Cable Fault Location Detection System and Method, Cable Detection Platform

The invention belongs to the technical field of cable fault detection, and discloses a dual sensor cable fault fixed-point detection system, method and cable detection platform. The upper computer is composed of the upper and lower computer, which is used to receive the digital signal pretreated by the lower computer in real time, and to judge the position of the fault point by acoustic-magnetic synchronization method; for the cable jacket fault, the step voltage method is used to detect the cable fault point by combining the matching metal probes; for the lower computer, the acoustic-magnetic time difference and cable path information are transmitted to the upper computer through USB OTG; Two piezoelectric sensors and two electromagnetic induction sensors placed horizontally and vertically are used to collect the sound and magnetic field signals of cable fault point impulse discharge. The background noise reduction algorithm based on ICA and wavelet transform is used to realize the noise reduction of the sound signal. The invention not only guarantees real-time performance, but also avoids interference in the process of analog signal transmission. It integrates acousto-magnetic synchronization method and step-voltage method, and can fix conventional faults and cable sheath faults with high fixed-point accuracy.

【技术实现步骤摘要】
双传感器电缆故障定点检测系统及方法、电缆检测平台
本专利技术属于电缆故障检测
，尤其涉及一种双传感器电缆故障定点检测系统及方法、电缆检测平台。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：电力的传输和分配需要使用电力电缆，随着时代的发展，为了美化城市环境和避免架空线坠落带来的安全隐患，现代城市电缆大多埋藏在地下。地埋电缆在使用时难免发生故障，快速、准确地找出故障电缆的位置可以减少停电给人们生产和生活带来的不利影响。电缆故障定点检测方法主要有声测法、磁场判断法、声磁同步法、跨步电压法等。声磁同步法是较为常用和有效的方法，其原理是故障点冲击放电产生的磁场和声音信号传播速度不同，定点检测仪器接收到两者会有一定的时间差，可以根据时间差的大小来判断测量点相对故障点距离的远近。其中磁场信号容易检测，不易被干扰；而声音信号常常受到周围环境噪声干扰，特别是在马路、铁路等强背景噪声环境下，几乎被背景噪声所淹没，所以声音信号的提取是声磁同步法中的难点。随着数字信号处理技术的快速发展，出现了很多声音信号降噪方法。以维纳滤波、卡尔曼滤波和谱减法等为代表的单通道滤波方法，在复杂环境下抑制噪声的能力始终不能满足人们日益增长的需求，科研工作者提出了多通道声音降噪方法以更好地抑制噪声。其中ICA可以恢复出混合信号中的独立成分，理论上可以分离出冲击放电声和噪声。但ICA解混需满足观测通道数不少于混合信号中源信号数约束条件，而带噪冲击放电声音信号中的噪声源数量难以估计，单独使用ICA降噪效果并不能满足需求。传统的电缆定点检测系统大多为单声音传感器和单核心处理器结构，利用声磁同步法判断电缆故障点。单声音传感器无法同时得到信号的时频与空域信息，对随机环境噪声的抑制能力较差，对声音信号只进行简单的低通滤波，在信噪比较低时无法识别出背景噪声和有用声音信号，无法准确判断出冲击放电声音信号起始点，导致计算出来的声磁时间差不稳定，耳机输出的声音被背景噪声所覆盖，使用者较难顺利找出故障点；采用单核心处理器结构，需要把接收到的声音信号通过很长的屏蔽线传送到核心处理器，增加了传输过程中的干扰，使得原本微弱的声音信号信噪比进一步降低；在复杂现场环境下，单独使用声磁同步法有时不能确定故障点具体位置，定点精度低。综上所述，现有技术存在的问题是：现有的电缆故障定点检测系统缺少适用于其检测环境的有效的声音信号降噪方法，周围环境噪声比较大时，声磁时间差显示不稳定，难以快速找出故障点；抑制干扰的能力较差；定点检测方法单一，定点精度低。解决上述技术问题的难度：理论上冲击放电声音信号的非高斯性强于噪声的非高斯性，利用ICA可以将冲击放电声和噪声分离，但现场噪声复杂多样，带噪声音信号并不是冲击放电声和高斯白噪声的简单叠加，而且声音传感器和电路板的制作工艺等都会引入难以估计的噪声，实际降噪效果并不理想，声音传感器需要采集到尽可能多的有用信息，并根据在不同环境下采集的多组数据，结合数字信号处理技术，利用软件深入分析，才能得出有效的背景降噪算法，实现对带噪冲击放电声音信号的有效降噪；单核心处理器结构，下位机只能用来接收冲击放电声音和磁场信号，需要使用1m左右的屏蔽线传输接收到的模拟信号，上位机集成核心处理器，实现采集数据等功能，模拟信号在强电磁环境下很容易受到干扰，从而降低信噪比，下位机直接传输数字信号可以减小传输过程的干扰，但仅靠一个处理器难以实现上、下位机之间通讯，而且需要选择抗干扰性强的通讯方式，保证高速实时传输数据时的准确性；电缆故障检测环境复杂多样，当故障点埋藏较深时传感器接收到的信号非常微弱，单独使用声磁同步法有时不能确定故障点位置，采用多种定点检测方法需要增加隔离放大和信号采集模块电路，使得电路的复杂性增大，并需要保证隔离屏蔽电路的可靠性，以避免高压脉冲对仪器造成损坏。解决上述技术问题的意义：适用于电缆定点检测环境的有效的背景降噪算法可以使声磁时间差稳定显示，改善人耳听到的放电声音，有利于快速找出故障点；采用合适的通讯方式传输数字信号，可以减小信号传输过程中的干扰，增强系统的稳定性；采用多种定点检测方法，可以提高定点精度。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种双传感器电缆故障定点检测系统及方法、电缆检测平台。本专利技术是这样实现的，一种双传感器电缆故障定点检测系统，所述双传感器电缆故障定点检测系统包括：上位机，用于实时地接收下位机预处理后的数字信号，采用声磁同步法实现对故障点位置的判断；对于电缆外护套故障，结合配套的金属探针，采用跨步电压法检测电缆故障点。下位机，通过USBOTG实现将声磁时间差和电缆路径信息传送到上位机；利用两个压电传感器和横、竖放置的两个电磁感应传感器采集电缆故障点冲击放电声音和磁场信号，利用基于ICA和小波变换的背景降噪算法实现对声音信号去噪。进一步，所述上位机包括：跨步电压金属探针、隔离放大模块、数据采集模块、LCD模块、音频输出模块、DSP处理模块；隔离放大模块，对跨步电压金属探针接收的电压信号进行隔离和放大，前置运算放大器MAX4475与隔离放大器HCPL7800输出端连接，输出的差分信号转换成单端信号；数据采集模块，将隔离放大模块输出的模拟信号转换成数字信号；DSP处理模块，通过SPORT接口与数据采集模块连接并利用DMA接收其输出的数字信号，通过USB接收并处理下位机上传的数据，发送控制命令给下位机，控制LCD模块和音频输出模块。进一步，所述下位机包括：两个压电传感器、两个电磁感应传感器、滤波放大模块、数据采集模块、DSP处理模块；放大滤波模块，对两个压电传感器接收的声音信号和横、竖放置的两个电磁感应传感器接收的磁场信号进行放大和滤波；数据采集模块，将放大滤波模块输出的4通道模拟信号转换成数字信号；DSP处理模块，通过SPORT接口与模数转换器PCM1803连接并利用DMA接收其输出的数字信号，对声音信号采用基于ICA和小波变换的背景降噪算法进行降噪处理，计算声磁时间差，判断电缆路径，通过USB把数据传送到上位机。本专利技术的另一目的在于提供一种运行所述双传感器电缆故障定点检测系统的双传感器电缆故障定点检测方法，所述双传感器电缆故障定点检测方法包括：声磁同步法：第一步，下位机利用两个压电传感器和横、竖放置的两个电磁感应传感器采集电缆故障点冲击放电声音和磁场信号，利用基于ICA和小波变换的背景降噪算法实现对声音信号去噪；第二步，通过USBOTG实现将声磁时间差和电缆路径信息传送到上位机；第三步，上位机实时地接收下位机处理后的数字信号，根据声磁信号传输时间差实现对故障点位置的判断；跨步电压法：对于电缆外护套故障，结合配套的金属探针，利用跨步电压原理检测电缆故障点。进一步，所述声磁同步法第一步的基于ICA和小波变换的背景降噪算法具体包括以下步骤：步骤一，计算两个压电传感器采集的冲击放电带噪声音信号x1(t)，x2(t)幅值平均峰峰值pp，对x1(t)和x2(t)进行去均值和白化；步骤二，采用FastICA算法对预处理后的混叠声音信号y1(t)，y2(t)进行分离，取峭度较大者作为所需的声音信号z(t)；步骤三，针对ICA分离信号的幅值不确定性，对z(t)进行幅值调整采用先进行矢量归一，即令然后放大x1(t)，x2(t)幅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双传感器电缆故障定点检测系统，其特征在于，所述双传感器电缆故障定点检测系统包括：上位机，用于实时地接收下位机预处理后的数字信号，采用声磁同步法实现对故障点位置的判断；对于电缆外护套故障，结合配套的金属探针，采用跨步电压法检测电缆故障点；下位机，通过USB OTG实现将声磁时间差和电缆路径信息传送到上位机；利用两个压电传感器和横、竖放置的两个电磁感应传感器采集电缆故障点冲击放电声音和磁场信号，利用基于ICA和小波变换的背景降噪算法实现对声音信号去噪。

【技术特征摘要】
1.一种双传感器电缆故障定点检测系统，其特征在于，所述双传感器电缆故障定点检测系统包括：上位机，用于实时地接收下位机预处理后的数字信号，采用声磁同步法实现对故障点位置的判断；对于电缆外护套故障，结合配套的金属探针，采用跨步电压法检测电缆故障点；下位机，通过USBOTG实现将声磁时间差和电缆路径信息传送到上位机；利用两个压电传感器和横、竖放置的两个电磁感应传感器采集电缆故障点冲击放电声音和磁场信号，利用基于ICA和小波变换的背景降噪算法实现对声音信号去噪。2.如权利要求1所述的双传感器电缆故障定点检测系统，其特征在于，所述上位机包括：跨步电压金属探针、隔离放大模块、数据采集模块、LCD模块、音频输出模块、DSP处理模块；隔离放大模块，对跨步电压金属探针接收的电压信号进行隔离和放大，前置运算放大器MAX4475与隔离放大器HCPL7800输出端连接，输出的差分信号转换成单端信号；数据采集模块，将隔离放大模块输出的模拟信号转换成数字信号；DSP处理模块，通过SPORT接口与数据采集模块连接并利用DMA接收其输出的数字信号，通过USB接收并处理下位机上传的数据，发送控制命令给下位机，控制LCD模块和音频输出模块。3.如权利要求1所述的双传感器电缆故障定点检测系统，其特征在于，所述下位机包括：两个压电传感器、两个电磁感应传感器、滤波放大模块、数据采集模块、DSP处理模块；放大滤波模块，对两个压电传感器接收的声音信号和横、竖放置的两个电磁感应传感器接收的磁场信号进行放大和滤波；数据采集模块，将放大滤波模块输出的4通道模拟信号转换成数字信号；DSP处理模块，通过SPORT接口与模数转换器PCM1803连接并利用DMA接收其输出的数字信号，对声音信号采用基于ICA和小波变换的背景降噪算法进行降噪处理，计算声磁时间差，判断电缆路径，通过USB把数据传送到上位机。4.一种用于权利要求1所述双传感器电缆故障定点检测系统的双传感器电缆故障定点检测方法，其特征在于，所述双传感器电缆故障定点检测方法包括，声磁同步法：第一步，下位机利用两个压电传感器和横、竖放置的两个电磁感应传感器采集电缆故障点冲击放电声音和磁场信号，利用基于ICA和小波变换的背景降噪算法实现对声音信号去噪；第二步，通过USBOTG实现将声磁时间差和电缆路径信息传送到上位机；第三步，上位机实时地接收下位机处理后的数字信号，根据声磁信号传输时间差实现对故障点位置的判断；跨步电压法：对于电缆外护套故障，结合配套的金属探针，利用跨步电压原理检测电缆故障点。5.如权利要求4所述的双传感器电缆故障定点检测方法，其特征在于，所述声磁同步法第一步的基于ICA和小波变换的背景降噪算法具体包括以下步骤：步骤一，计...

【专利技术属性】
技术研发人员：米建伟，赵小猛，段学超，刘倩，封春曼，张明星，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61