适用于FDR测试的首端阻抗匹配方法及电缆阻抗不匹配位置反射状态评估方法组成比例

本发明专利技术公开了一种适用于FDR测试的首端阻抗匹配方法，通过引入可变电阻Z

【技术实现步骤摘要】
适用于FDR测试的首端阻抗匹配方法及电缆阻抗不匹配位置反射状态评估方法


[0001]本专利技术属于电力设备状态监测与故障诊断领域，涉及电缆中间接头反射状态评估，尤其涉及一种基于FDR与阻抗匹配的电缆阻抗不匹配位置反射状态评估技术。

技术介绍

[0002]FDR(Frequency Domain Reflectometer)频域反射技术，通过发送特定频带的扫频测试信号，在导体阻抗不匹配处会产生较强和发射信号同样频率但不同时段的反射信号，通过傅立叶转换方式分析这些信号，并且通过测量反射信号峰值的频率换算出线路障碍点的距离。该项技术已经应用到通信测试领域。传统的FDR方法由于具有更远的测试范围和更高的测试灵敏度，开始广泛应用于电缆绝缘状态诊断。
[0003]然而该方法未考虑电缆首端阻抗不匹配对测试结果的影响，从而导致测试波形产生较明显的畸变，且其无法直接利用VNA的校准程序进行校准。同时其采用相对比值法进行了诊断分析(需要提供完好电缆的测试数据)，因此其评估结果存在一定的局限性，即无法真实反映电缆中间接头位置处的反射强度。除此之外，在利用FDR进行现场测试中，由于无法较好地对电缆中间接头位置的反射极性进行判断，因此无法准确识别电缆中间接头位置的绝缘缺陷类型。

技术实现思路

[0004]本专利技术的旨在提供一种首端阻抗匹配方法，以解决因电缆首端阻抗不匹配而影响测试效果的问题。
[0005]本专利技术的另一目的是在首端阻抗匹配方法基础上，进一步提供一种电缆阻抗不匹配位置反射状态评估方法，能够实现中间接头反射极性及反射类型的判断。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采取以下技术方案来实现。
[0007]本专利技术通过提供的首端阻抗匹配方法，首先获取FDR下的首端反射系数Γ0(ω)，进一步得到电缆的输入阻抗，从而有效抑制分叉引线杂散参数对测试结果的影响。再将利用三角函数叠加法实现阻抗不匹配位置反射类型和反射极性的有效判断，在对数坐标中利用线性函数实现衰减的有效补偿，得到阻抗不匹配位置的反射系数。
[0008]由行波理论可知，对于图1中给出的电力电缆存在阻抗不匹配且忽略电缆末端的反射情况下电缆首端测试得到的FDR表达式U1(ω)可表示为：
[0009][0010]式中，U0(ω)为注入信号；ω＝2πf为角频率；f为测试频率；ρ1为电缆首端的反射系数(不考虑电缆其他位置反射状况)，可表示为ρ1＝(Z0‑
R0)/(Z0+R0)，Z0为电缆的特性阻抗，R0为测试仪与电缆之间连接的同轴电缆特性阻抗；ρ2为电缆本体与阻抗不匹配位置端面的
反射系数，可表示为ρ2＝(Z1‑
Z0)/(Z1+Z0)，Z1为阻抗不匹配位置特性阻抗；γ为电缆的传播常数，γ1为电缆阻抗不匹配位置的传播常数；l1表示电缆阻抗不匹配位置到电缆首端的距离，d阻抗不匹配位置的长度。当电缆存在阻抗不匹配位置时，信号将在阻抗不匹配位置内产生多次折反射现象，从而使阻抗不匹配位置反射至电缆首端的波形发生较明显的畸变。
[0011]利用阻抗法计算得到的电缆首端的反射系数Γ0(ω)如式(2)所示：
[0012][0013]式中，Z
in
(ω)为电缆首端的输入阻抗。
[0014]在进行现场电缆的FDR测试过程中，通常采用图2所示测试方法进行测试。图中同轴电缆特性阻抗与矢量网络分析仪(vector network analyzer，VNA)内阻保持一致。由图1可知，受电缆终端及测试分叉引线杂散参数的影响，测量得到的结果将包含杂散参数和电缆参数，从而导致测试波形产生较明显的畸变。如图3所示，当不存在分叉引线时，测试得到的反射系数实部呈较规律的余弦衰减函数；当存在分叉引线时，反射系数实部发生较明显的波动，由此可见分叉引线杂散参数对测试结果影响较大。
[0015]由于分叉引线杂散参数对测试结果影响较大，且其无法直接利用VNA的校准程序进行校准，因此为了消除测试引线的影响，本专利技术提出利用可变串联阻抗Z
s
对分叉引线位置杂散参数进行建模，如图4所示。
[0016]结合式(2)，可得到基于阻抗法获取的电缆首端的反射系数Γ0(ω)如式(3)所示。
[0017][0018]式中，Z
′
in
(ω)为测试仪测量得到的电缆首端输入阻抗。
[0019]进一步地，基于前面FDR表达式U1(ω)，可计算得到ρ1如式(4)所示：
[0020][0021]由式(4)得到可变串联阻抗Z
s
如式(5)所示：
[0022][0023]由式(5)可知，当已知ρ1和特性阻抗Z0时，即可利用式(5)计算得到可变串联阻抗Z
s
，进一步可利用式(3)计算得到电缆首端的输入阻抗Z
in
，从而有效抑制分叉引线杂散参数对测试结果的影响。因此，ρ1和特性阻抗Z0的有效计算是实现分叉引线杂散参数抑制的关键。
[0024]基于上述分析，本专利技术提供适用于FDR测试的首端阻抗匹配方法，其包括以下步骤：
[0025]S1以高斯脉冲作为入射信号，对连接有分叉引线的电缆进行FDR测试，获取电缆首端反射系数Γ0(ω)，然后分别依据反射系数和高斯脉冲信号，获取频域反射信号；再依据频域反射信号得到的首次反射脉冲信号和高斯脉冲信号获取电缆首端的反射系数ρ1；
[0026]S2采用枚举法获取电缆特性阻抗Z0；
[0027]S3依据电缆首端的反射系数ρ1、电缆特性阻抗Z0，按照公式(5)得到可变串联阻抗Z
s
；
[0028]S4依据可变串联阻抗Z
s
，按照公式(3)计算得到电缆首端的输入阻抗Z
in
。
[0029]上述步骤S1中，本专利技术引入高斯脉冲作为入射信号，然后利用反射系数Γ0(ω)计算得到时域反射信号，最后通过提取首次反射脉冲即可实现ρ1的求取。具体包括以下分步骤：
[0030]S11以高斯脉冲作为入射信号，由测试仪测量首端反射信号与入射信号比值得到电缆首端的反射系数Γ0(ω)；
[0031]S12利用以下公式产生高斯脉冲信号y0(t)：
[0032][0033]式中，w为高斯脉冲脉宽；t为时间；
[0034]S13对高斯脉冲信号y0(t)进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)处理得到Y0(ω)；
[0035]S14利用以下公式计算得到反射信号频域表达式Y1(ω)：
[0036]Y1(ω)＝Y0(ω)
·
Γ0(ω) (8)
[0037]S15对反射信号Y1(ω)进行快速傅里叶反变换(inverse fast Fourier transform，IFFT)处理得到y1(t)；
[0038]S16利用时间窗截取y1(t)中首次反射脉冲y2(t)；
[0039]S17对首次反射脉冲y2(t)进行FFT处理得到Y2(ω)；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于FDR测试的首端阻抗匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：S1以高斯脉冲作为入射信号，对连接有分叉引线的电缆进行FDR测试，获取电缆首端反射系数Γ0(ω)，然后分别依据反射系数和高斯脉冲信号，获取频域反射信号；再依据频域反射信号得到的首次反射脉冲信号和高斯脉冲信号获取电缆首端的反射系数ρ1；S2采用枚举法获取电缆特性阻抗Z0；S3依据电缆首端的反射系数ρ1、电缆特性阻抗Z0，按照以下公式得到可变串联阻抗Z
s
：式中，R0为测试仪与电缆之间连接的同轴电缆特性阻抗；S4依据可变串联阻抗Z
s
，按照以下公式计算得到电缆首端的输入阻抗Z
in
：式中，Z
′
in
(ω)为测试仪测量得到的电缆首端输入阻抗。2.根据权利要求1所述的适用于FDR测试的首端阻抗匹配方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下分步骤：S11以高斯脉冲作为入射信号，由测试仪测量首端反射信号与入射信号比值得到电缆首端的反射系数Γ0(ω)；S12利用以下公式产生高斯脉冲信号y0(t)：式中，w为高斯脉冲脉宽；t为时间；S13对高斯脉冲信号y0(t)进行快速傅里叶变换FFT处理得到Y0(ω)；S14利用以下公式计算得到反射信号频域表达式Y1(ω)：Y1(ω)＝Y0(ω)
·
Γ0(ω)S15对反射信号Y1(ω)进行快速傅里叶反变换IFFT处理得到y1(t)；S16利用时间窗截取y1(t)中首次反射脉冲y2(t)；S17对首次反射脉冲y2(t)进行FFT处理得到Y2(ω)；S18利用下式即可计算得到ρ1：3.根据权利要求1或2所述的适用于FDR测试的首端阻抗匹配方法，其特征在于，步骤S2包括以下分步骤：S21给定一假设特性阻抗，并对假设特性阻抗Z0·
k
的初始值进行赋值，k表示循环次数；S22利用以下公式计算得到假设特性阻抗下的可变串联阻抗Z
s
；S23利用以下公式计算得到首端阻抗匹配情况下的输入阻抗Z
in
(ω)：
Z
′
in
(ω)为测试仪测量得到的电缆首端输入阻抗；S24对Z
in
(ω)的相位进行FFT处理，仅保留电缆终端位置的数据，其他数据置零并进行IFFT处理；S25将步骤S24中IFFT处理得到数据的前M个周期与Z
in
(ω)相位的前M个周期进行比较并求取皮尔逊相关系数m
k
；S26对假设特性阻抗数值利用以下公式进行更新：Z0·
k+1
＝Z0·
k
+λ式中，λ为步长；S27重复步骤S22至步骤S26直至更新得到的假设特性阻抗Z0·
k
满足终止条件；所述终止条件为Z0·
k
达到给定阈值；S28记录所有假设特性阻抗Z0·
k
下m
k
中的最大值，并将对应的假设特性阻抗作为估计得到的特性阻抗Z0。4.根据权利要求1或2所述的适用于FDR测试的首端阻抗匹配方法，其特征在于，进一步包括步骤S5，依据得到的ρ1、Z0，按照以下公式得到首端阻抗匹配情况下的反射系数Γ1(ω)：5.一种基于首端阻抗匹配的电缆中间接头反射状态评估方法，其特征在于，采用三角函数叠加法实现...

【专利技术属性】
技术研发人员：周凯，谢敏，唐志荣，孟鹏飞，黄靖涛，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：