一种超导电缆的故障检测方法及系统

技术领域

本发明涉及高温超导电缆故障诊断技术领域，并且更具体地，涉及一种超导电缆的故障检测方法及系统。

背景技术

随着高温超导技术的发展，高温超导电缆在城市电网中的应用逐步成为可能。由于高温超导电缆与传统交联聚乙烯电缆的结构差异，针对传统电缆的故障检测及诊断技术难以直接用于超导电缆，主要原因一是高温超导电缆的绝缘介质与超导电缆本体的绝缘介质组分不一样，造成入射信号在介质中的传播速度衰减规律不同，导致传统故障检测用的时域阶跃波形方法难以产生明显故障点的反射，传统方法的检测原理及结果如图1和图2所示。二是传统方式仅仅从时域一个维度对电缆故障位置开展分析，难以得出全面的诊断结果，不利于故障位置的精确定位。

因此，需要一种超导电缆的故障检测方法。

发明内容

本发明提出一种超导电缆的故障检测方法及系统，以解决如何快速准确地确定超导电缆的故障位置的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种超导电缆的故障检测方法，所述方法包括：

根据待测超导电缆的长度调制入射波信号，并获取所述入射波信号；

将所述待测超导电缆的一端作为信号输入端，将所述入射波信号从所述信号输入端输入至所述待测超导电缆进行传播，并从此端采集包括所述入射波信号和反射波信号的入反射波信号；

将所述入射波信号从所述入反射波信号中剔除，以获取所述反射波信号；

分别计算所述入射波信号和反射波信号的魏格纳分布，获取所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果；

对所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果进行时频域互相关计算，以获取时频域互相关结果；

根据所述时频域互相关结果和所述待测超导电缆的长度确定所述待测超导电缆的故障位置。

优选地，其中利用如下方式确定所述入射波信号，包括：

其中，s(t)为所述入射波信号；t

优选地，其中所述将所述入射波信号从所述入反射波信号中剔除，以获取所述反射波信号，包括：

平移所述入射波信号，使得所述入射波信号和入反射波信号的第一个波峰调整为同一个时间点；

计算所述入射波信号的第一个波峰的峰值和入反射波信号的第一个波峰的峰值的比值，获取波峰比率；

在所述入射波信号的采样时长范围内，计算所述入射波信号的每一个数据点的幅值与所述波峰比率的乘积，以获取变比信号；

根据所述入反射波信号的每个数据点的幅值和所述变比信号的每个数据点的幅值的差值，确定反射波信号。

优选地，其中利用如下方式分别计算所述入射波信号和反射波信号的魏格纳分布，获取所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果，包括：

其中，x为入射波信号或反射波信号的幅值，x

优选地，其中所述对所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果进行时频域互相关计算，以获取时频域互相关结果，包括：

其中，C

优选地，其中所述根据所述时频域互相关结果和所述待测超导电缆的长度确定所述待测超导电缆的故障位置，包括：

计算所述时频域互相关结果中的各个波峰距离所述信号输入端的距离，并确定距离小于所述待测超导电缆的长度的位置为所述待测超导电缆的故障位置。

其中，利用如下公式计算所述时频域互相关结果中的各个波峰距离所述信号输入端的距离，包括：

L

其中，L

根据本发明的另一个方面，提供了一种超导电缆的故障检测系统，所述系统包括：

入射波信号获取单元，用于根据待测超导电缆的长度调制入射波信号，并获取所述入射波信号；

入反射波信号获取单元，用于将所述待测超导电缆的一端作为信号输入端，将所述入射波信号从所述信号输入端输入至所述待测超导电缆进行传播，并从此端采集包括所述入射波信号和反射波信号的入反射波信号；

反射波信号获取单元，用于将所述入射波信号从所述入反射波信号中剔除，以获取所述反射波信号；

魏格纳分布处理单元，用于分别计算所述入射波信号和反射波信号的魏格纳分布，获取所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果；

时频域互相关计算单元，用于对所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果进行时频域互相关计算，以获取时频域互相关结果；

故障位置确定单元，用于根据所述时频域互相关结果和所述待测超导电缆的长度确定所述待测超导电缆的故障位置。

优选地，其中利用如下方式确定所述入射波信号，包括：

其中，s(t)为所述入射波信号；t

优选地，其中所述反射波信号获取单元，将所述入射波信号从所述入反射波信号中剔除，以获取所述反射波信号，包括：

平移所述入射波信号，使得所述入射波信号和入反射波信号的第一个波峰调整为同一个时间点；

计算所述入射波信号的第一个波峰的峰值和入反射波信号的第一个波峰的峰值的比值，获取波峰比率；

在所述入射波信号的采样时长范围内，计算所述入射波信号的每一个数据点的幅值与所述波峰比率的乘积，以获取变比信号；

根据所述入反射波信号的每个数据点的幅值和所述变比信号的每个数据点的幅值的差值，确定反射波信号。

优选地，其中所述魏格纳分布处理单元，利用如下方式分别计算所述入射波信号和反射波信号的魏格纳分布，获取所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果，包括：

其中，x为入射波信号或反射波信号的幅值，x

优选地，其中所述对时频域互相关计算单元，对所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果进行时频域互相关计算，以获取时频域互相关结果，包括：

其中，C

优选地，其中所述故障位置确定单元，根据所述时频域互相关结果和所述待测超导电缆的长度确定所述待测超导电缆的故障位置，包括：

计算所述时频域互相关结果中的各个波峰距离所述信号输入端的距离，并确定距离小于所述待测超导电缆的长度的位置为所述待测超导电缆的故障位置。

其中，利用如下公式计算所述时频域互相关结果中的各个波峰距离所述信号输入端的距离，包括：

L

其中，L

本发明提供了一种超导电缆的故障检测方法及系统，借助于收集波在超导电缆传播过程中的入反射波信号，从所述入反射波信号中提取反射波信号，并基于时频域的分析方法来分析反射信号的时空变化特性，得出明确的反射波信号出现的位置，从而准确地确定超导电缆的故障位置。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为现有的超导电缆的故障检测方法的原理图；

图2为现有的超导电缆的故障检测方法的结果示意图；

图3为根据本发明实施方式的超导电缆的故障检测方法300的流程图；

图4为根据本发明实施方式的线性调制编码脉冲波形态的示意图；

图5为根据本发明实施方式的超导电缆的波形反射过程的示意图；

图6为根据本发明实施方式的注入超导电缆的入射波信号的示意图；

图7为根据本发明实施方式的采集的入反射波信号的示意图；

图8为根据本发明实施方式的入射波信号和入反射波信号平移的示意图；

图9为根据本发明实施方式的获取的反射波信号的示意图；

图10为根据本发明实施方式的入射波信号的魏格纳分布处理结果的示意图；

图11为根据本发明实施方式的反射波信号的魏格纳分布处理结果的示意图；

图12为根据本发明实施方式的时频域互相关计算结果的示意图；

图13为根据本发明实施方式的超导电缆的故障检测系统1300的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图3为根据本发明实施方式的超导电缆的故障检测方法300的流程图。如图3所示，本发明实施方式提供的超导电缆的故障检测方法，借助于收集波在超导电缆传播过程中的入反射波信号，从所述入反射波信号中提取反射波信号，并基于时频域的分析方法来分析反射信号的时空变化特性，得出明确的反射波信号出现的位置，从而准确地确定超导电缆的故障位置。本发明实施方式提供的超导电缆的故障检测方法300，从步骤301处开始，在步骤301根据待测超导电缆的长度调制入射波信号，并获取所述入射波信号。

优选地，其中利用如下方式确定所述入射波信号，包括：

其中，s(t)为所述入射波信号；t

本发明实施方式的确定超导电缆故障位置的原理为：当电磁波沿有超导电缆传播时，该波将变为与原始波形不同的波形，并出现阻尼和色散现象，当波的不同频率分量以不同的速度传播时会发生色散，而阻尼是通过导电介质传播的波的频率相关衰减的结果；此外，当传播的波在传输线中到达阻抗不连续时，它会被反射并再次遭受时间/空间变化的色散。因此，本发明借助于收集波在超导电缆传播过程中的反射信号并基于时频域的分析方法来分析反射信号的时空变化特性，得出明确的反射波出现位置，最后确定超导电缆的故障位置。

在本发明的实施方式中，选取的入射波形信号为采用线性调制方法的chirp波信号，其基本公式如下式所示：

其中t

表1超导电缆长度和频率中心、调频参数、调时参数的对应关系表

在步骤302，将所述待测超导电缆的一端作为信号输入端，将所述入射波信号从所述信号输入端输入至所述待测超导电缆进行传播，并从此端采集包括所述入射波信号和反射波信号的入反射波信号。

在本发明的实施方式中，结合超导电缆工程实际结构，以一回有一个中间接头、中间有蛇形敷设、两侧各有一个终端的超导电缆为例，波形反射过程如图5所示。入射波从负荷端终端进入电缆后，产生反射波的位置有以下几个：试验引线的接头、超导中间接头、超导电缆蛇形位置处、电源端终端，在这些位置，入射波会产生屡次折反射，最终在负荷端终端也就是入射位置形成。

在步骤303，将所述入射波信号从所述入反射波信号中剔除，以获取所述反射波信号。

优选地，其中所述将所述入射波信号从所述入反射波信号中剔除，以获取所述反射波信号，包括：

平移所述入射波信号，使得所述入射波信号和入反射波信号的第一个波峰调整为同一个时间点；

计算所述入射波信号的第一个波峰的峰值和入反射波信号的第一个波峰的峰值的比值，获取波峰比率；

在所述入射波信号的采样时长范围内，计算所述入射波信号的每一个数据点的幅值与所述波峰比率的乘积，以获取变比信号；

根据所述入反射波信号的每个数据点的幅值和所述变比信号的每个数据点的幅值的差值，确定反射波信号。

由于采用了波形注入时采用了信号分离的方式，因此在示波器上所采集的信号包含了入射波和反射波两个信号(总称为入反射波信号)，在这个入反射波信号中需进行入射波信号的剔除，具体流程为：1.将入射波和入反射波的第一个波峰调整为同一个时间点，即将入射波开展平移操作；2.比较入射波和入反射波的第一个波峰的值，计算所述入射波的第一个波峰的峰值和入反射波的第一个波峰的峰值的比值，获取波峰比率ratio＝入射波峰值/入反射波峰值；3.在入射波的时长t1范围内，将入反射波的幅值减去ratio*入射波的幅值大小，最终结果为反射波的波形。

在步骤304，分别计算所述入射波信号和反射波信号的魏格纳分布，获取所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果。

优选地，其中利用如下方式分别计算所述入射波信号和反射波信号的魏格纳分布，获取所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果，包括：

其中，x为入射波信号或反射波信号的幅值，x

在本发明的实施方式中，在获得了入射波和反射波的波形后，对这两者在各自的采样时长范围内计算其魏格纳分布。其中，魏格纳分布的计算公式如下所示：

其中，x为入射波信号或反射波信号的幅值，x

在步骤305，对所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果进行时频域互相关计算，以获取时频域互相关结果。

优选地，其中所述对所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果进行时频域互相关计算，以获取时频域互相关结果，包括：

其中，C

在本发明的实施方式中，对入射波及反射波的魏格纳分布分别为Wr和Ws计算时频域互相关，计算公式如下所示：

其中，C

在步骤306，根据所述时频域互相关结果和所述待测超导电缆的长度确定所述待测超导电缆的故障位置。

优选地，其中所述根据所述时频域互相关结果和所述待测超导电缆的长度确定所述待测超导电缆的故障位置，包括：

计算所述时频域互相关结果中的各个波峰距离所述信号输入端的距离，并确定距离小于所述待测超导电缆的长度的位置为所述待测超导电缆的故障位置。

其中，利用如下公式计算所述时频域互相关结果中的各个波峰距离所述信号输入端的距离，包括：

L

其中，L

在本发明的实施方式中，基于时频域互相关结果，结合电磁波在绝缘中传递的波速2*10

L

其中，L

在本发明的实施方式中，在确定了各个波峰距离始端的距离后，判断各距离与超导线缆的长度的关系。若距离大于超导线缆的长度，则忽略该距离；若距离等于超导线缆的长度，则表明该距离对应的位置为超导线缆的末端，此位置也不是故障位置；若距离小于超导电缆，则可以确定该距离对应的位置即为故障位置。

本发明实施方式构建了基于时频域联合变换的故障数据处理方法，能够明确地展现出故障定位的结果，效果优于现有的时域波形反射方法。

以下具体举例说明本发明的实施方式

在本发明的实施方式中，以一回10m长的超导电缆开展检测为例，其故障点设置于4.7m位置处。具体地，确定故障位置的步骤包括：

(1)入射波形的产生和注入

其中，采用信号发生器输出编码脉冲chirp波，各参数分别为w

(2)反射波形的提取

将入射波形注入超导电缆后，得到入反射波。对反射波形进行提取，首先将入射波以及入反射信号中的直流分量进行去除，并将入射信号开展移位以使两个波形的第一个波峰对齐，得到波形的如图8所示，幅度大的为入射波，幅度小的为入反射波；然后计算波峰比率ratio＝0.8922/0.3203＝2.7855,然后，对入反射波的前300个数据点去除入射波的影响，得到反射波形如图9所示。

(3)入射及反射波形的时频域联合分析

对入射及反射波开展魏格纳变换，确定入射波及反射波的魏格纳分布结果分别如图10和图11所示。

(4)故障位置的判断

基于入射波和反射波的魏格纳变换结果，计算时频域互相关，得到的入射波及反射波的时频域互相关结果如图12所示。

计算各个波峰距离输入端的距离，包括：

第二个波峰位置的计算：L

第三个波峰位置的计算：L

第四个波峰位置的计算：L

从以上结果中可以看出第二个波峰对应于故障点的位置的反射，第三个波峰为电缆末端的反射，第四个波峰对应于故障点的二次反射。从而可以确定故障位置为4.78m处。验证了本发明实施方式的准确性。

图13为根据本发明实施方式的超导电缆的故障检测系统1300的结构示意图。如图13所示，本发明实施方式提供的超导电缆的故障检测系统1300，包括：入射波信号获取单元1301、入反射波信号获取单元1302、反射波信号获取单元1303、魏格纳分布处理单元1304、时频域互相关计算单元1305和故障位置确定单元1306。

优选地，所述入射波信号获取单元1301，用于根据待测超导电缆的长度调制入射波信号，并获取所述入射波信号。

优选地，其中利用如下方式确定所述入射波信号，包括：

其中，s(t)为所述入射波信号；t

优选地，所述入反射波信号获取单元1302，用于将所述待测超导电缆的一端作为信号输入端，将所述入射波信号从所述信号输入端输入至所述待测超导电缆进行传播，并从此端采集包括所述入射波信号和反射波信号的入反射波信号。

优选地，所述反射波信号获取单元1303，用于将所述入射波信号从所述入反射波信号中剔除，以获取所述反射波信号。

优选地，其中所述反射波信号获取单元1303，将所述入射波信号从所述入反射波信号中剔除，以获取所述反射波信号，包括：

平移所述入射波信号，使得所述入射波信号和入反射波信号的第一个波峰调整为同一个时间点；

计算所述入射波信号的第一个波峰的峰值和入反射波信号的第一个波峰的峰值的比值，获取波峰比率；

在所述入射波信号的采样时长范围内，计算所述入射波信号的每一个数据点的幅值与所述波峰比率的乘积，以获取变比信号；

根据所述入反射波信号的每个数据点的幅值和所述变比信号的每个数据点的幅值的差值，确定反射波信号。

优选地，所述魏格纳分布处理单元1304，用于分别计算所述入射波信号和反射波信号的魏格纳分布，获取所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果。

优选地，其中所述魏格纳分布处理单元1304，利用如下方式分别计算所述入射波信号和反射波信号的魏格纳分布，获取所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果，包括：

其中，x为入射波信号或反射波信号的幅值，x

优选地，所述时频域互相关计算单元1305，用于对所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果进行时频域互相关计算，以获取时频域互相关结果。

优选地，其中所述对时频域互相关计算单元1305，对所述入射波信号的魏格纳分布结果和所述反射波信号的魏格纳分布结果进行时频域互相关计算，以获取时频域互相关结果，包括：

其中，C

优选地，所述故障位置确定单元1306，用于根据所述时频域互相关结果和所述待测超导电缆的长度确定所述待测超导电缆的故障位置。

优选地，其中所述故障位置确定单元1306，根据所述时频域互相关结果和所述待测超导电缆的长度确定所述待测超导电缆的故障位置，包括：

计算所述时频域互相关结果中的各个波峰距离所述信号输入端的距离，并确定距离小于所述待测超导电缆的长度的位置为所述待测超导电缆的故障位置。

其中，利用如下公式计算所述时频域互相关结果中的各个波峰距离所述信号输入端的距离，包括：

L

其中，L

本发明的实施例的超导电缆的故障检测系统1300与本发明的另一个实施例的超导电缆的故障检测系统1300的方法100相对应，在此不再赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。