基于时域反射法的故障功率模块定位方法及系统

技术领域

本发明属于信号识别技术领域，具体是涉及到一种基于时域反射法的故障功率模块定位方法及系统。

背景技术

在铁路通信系统、航空通信系统等长传输线系统中，设置有多个诸如IGBT模块的功率模块器件。当功率模块器件长时间运行后可能会出现模块故障，若模块故障未被及时发现并维修，将导致长传输线系统出现通信中断、信号失真、电路短路、电路断路等故障，进而导致整体系统停止运行并出现损坏状况，造成巨大的经济损失，同时伴随着巨大的安全风险。因此，对于功率模块器件的故障需要及时发现并准确定位，以便工作人员及时维修故障模块。

现有技术中通常采用时域反射法对长传输线系统中的故障功率模块进行定位，时域反射法包括基于传输线理论的序列时域反射法(Sequence time domainreflectometry，STDR)和拓展频谱时域反射法(Spread spectrum time domainreflectometry，SSTDR)。时域反射法不会影响被测器件极其所在系统的正常工作信号，是一种非侵入式的故障检测方法。

时域反射法的故障检测原理在于功率模块出现故障时内部阻抗会发生变化，此时可以采用时域反射法以伪随机序列或经二进制相移键控法调制出检测信号，并将检测信号注入至功率模块所在的传输线路中，由于故障功率模块的内部阻抗和传输线路的线路阻抗不同，因此检测信号到达故障功率模块处会发生反射与透射现象，通过采集检测信号在故障功率模块处的反射信号，即可计算出检测信号在传输线路中的传输距离，进而通过检测信号的注入位置可以推断出故障功率模块的所在位置。

然而在现实应用场景下，长传输线系统通常为多支路拓扑的复杂状态，检测信号在传输路径中普遍存在多点反射和点间循环往复反射的现象，由于检测信号不具备长传输时延带来的“时间余量”，故普遍存在反射信号混叠所带来的辨识盲区问题，这将导致故障点有效信息被淹没而造成的故障辨识失败或特征点偏移而造成的故障定位误差问题。虽然通过大幅延长传输线长度或大幅提高产生检测信号的信号发生模块的信号采样率，可在一定程度上减小混叠盲区的范围，但上述措施将在增加方案成本的同时，造成检测信号的高频衰减问题，不适于实际应用与推广。

发明内容

本发明提供一种基于时域反射法的故障功率模块定位方法及系统，以解决反射信号混叠所产生的辨识盲区导致故障功率模块故障定位误差较大的问题。

第一方面，本发明提供一种基于时域反射法的故障功率模块定位方法，该方法包括如下步骤：

通过信号产生模块生成检测信号，并将所述检测信号通过检测通信线路传输至待测通信线路，所述检测通信线路和所述待测通信线路的线路连接处为三端对称的T型拓扑，所述待测通信线路中位于所述线路连接处的一端连接有故障功率模块，所述待测通信线路中位于所述线路连接处的另一端连接有信号接收模块，所述信号产生模块的内部阻抗和所述待测通信线路的线缆阻抗相匹配，所述信号接收模块的内部阻抗和所述线缆阻抗相匹配，所述故障功率模块的内部阻抗与所述线缆阻抗不匹配；

基于所述线缆阻抗计算得到所述检测信号首次经过所述线路连接处时生成的初始透射信号；

通过所述信号接收模块接收所述初始透射信号经过所述故障功率模块所产生的混叠反射拟合信号，所述混叠反射拟合信号为多个反射拟合信号混叠产生的信号；

判断所述检测信号在所述信号接收模块和所述故障功率模块之间的传输时延是否小于所述检测信号的信号周期；

若所述传输时延大于等于所述信号周期，则基于所述传输时延并结合所述混叠反射拟合信号和所述检测信号进行互相关运算，得到第一相关运算结果；

根据所述第一相关运算结果计算得到所述信号产生模块与所述故障功率模块之间的信号传输距离；

若所述传输时延小于所述信号周期，则结合所述线缆阻抗和所述初始透射信号从所述混叠反射拟合信号中提取出首个所述反射拟合信号；

基于所述传输时延并结合所述反射拟合信号与所述初始透射信号进行所述互相关运算，得到第二相关运算结果；

根据所述第二相关运算结果计算得到所述信号传输距离。

可选的，所述第一相关运算结果的计算公式如下：

R

式中：R

可选的，所述根据所述第一相关运算结果计算得到所述信号产生模块与所述故障功率模块之间的信号传输距离包括如下步骤：

基于所述第一相关运算结果的计算公式计算得到所述第一相关运算结果取最大值时的目标传输时延；

根据所述目标传输时延计算得到所述信号产生模块与所述故障功率模块之间的信号传输距离，所述信号传输距离的计算公式如下：

式中：l表示所述信号传输距离，v表示信号传输速度，τ

可选的，所述基于所述线缆阻抗计算得到所述检测信号首次经过所述线路连接处时生成的初始透射信号包括如下步骤：

根据所述线缆阻抗计算得到等效特征阻抗，所述等效特征阻抗为任意信号从所述T型拓扑中的任意端口经过所述线路连接处后，前方通信线路的线路阻抗；

结合所述线缆阻抗和所述等效特征阻抗计算得到任意信号经过所述线路连接处时的透射系数；

根据所述透射系数计算得到所述检测信号首次经过所述线路连接处时生成的初始透射信号。

可选的，所述结合所述线缆阻抗和所述初始透射信号从所述混叠反射拟合信号中提取出首个所述反射拟合信号包括如下步骤：

根据所述线缆阻抗计算得到等效特征阻抗，所述等效特征阻抗为任意信号从所述T型拓扑中的任意端口经过所述线路连接处后，前方通信线路的线路阻抗；

结合所述线缆阻抗和所述等效特征阻抗计算得到所述初始透射信号经过所述故障功率模块所产生的理论反射拟合信号；

通过所述初始透射信号和所述理论反射拟合信号从所述混叠反射拟合信号中提取出首个所述反射拟合信号，首个所述反射拟合信号的计算公式如下：

式中：f

可选的，所述等效特征阻抗的计算公式如下：

式中：Z

所述透射系数的计算公式如下：

式中：ρ

所述初始透射信号的计算公式如下：

x

式中：x

可选的，所述结合所述线缆阻抗和所述等效特征阻抗计算得到所述初始透射信号经过所述故障功率模块所产生的理论反射拟合信号包括如下步骤：

结合所述线缆阻抗和所述等效特征阻抗计算得到第一反射系数，所述第一反射系数为任意信号在所述线路连接处的反射系数，所述第一反射系数的计算公式如下：

式中：Γ

结合所述线缆阻抗和所述故障功率模块的模块内部阻抗计算得到第二反射系数，所述第二反射系数为任意信号在所述故障功率模块处的反射系数，所述第二反射系数的计算公式如下：

式中：Γ

结合所述第一反射系数、所述第二反射系数和所述透射系数计算得到故障点反射信号、连接点透射信号和连接点反射信号，所述故障点反射信号为所述初始透射信号经过所述故障功率模块反射的反射信号，所述连接点透射信号为所述故障点反射信号经过所述线路连接点所透射的透射信号，所述连接点反射信号为所述故障点反射信号经过所述线路连接点所反射的反射信号，所述故障点反射信号、所述连接点透射信号和所述连接点反射信号的计算公式如下：

f

i

f

式中：f

将所述故障点反射信号、所述连接点透射信号和所述连接点反射信号进行信号叠加，得到理论反射拟合信号。

可选的，所述第二相关运算结果的计算公式如下：

式中：R

可选的，所述根据所述第二相关运算结果计算得到所述信号传输距离包括如下步骤：

基于所述第二相关运算结果的计算公式计算得到所述第二相关运算结果取最大值时的目标传输时延；

根据所述目标传输时延计算得到所述信号产生模块与所述故障功率模块之间的信号传输距离，所述信号传输距离的计算公式如下：

式中：l表示所述信号传输距离，v表示信号传输速度，τ

第二方面，本发明还提供一种基于时域反射法的故障功率模块定位系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面中所述的方法。

本发明的有益效果是：

本发明采用的基于时域反射法的故障功率模块定位方法包括如下步骤：通过信号产生模块生成检测信号，并将检测信号通过检测通信线路传输至待测通信线路；基于线缆阻抗计算得到检测信号首次经过线路连接处时生成的初始透射信号；通过信号接收模块接收初始透射信号经过故障功率模块所产生的混叠反射拟合信号；判断检测信号在信号接收模块和故障功率模块之间的传输时延是否小于检测信号的信号周期；若传输时延大于等于信号周期，则基于传输时延并结合混叠反射拟合信号和检测信号进行互相关运算，得到第一相关运算结果；根据第一相关运算结果计算得到信号产生模块与故障功率模块之间的信号传输距离；若传输时延小于信号周期，则结合线缆阻抗和初始透射信号从混叠反射拟合信号中提取出首个反射拟合信号；基于传输时延并结合反射拟合信号与初始透射信号进行互相关运算，得到第二相关运算结果；根据第二相关运算结果计算得到信号传输距离。

若传输时延小于信号周期，则接收到的混叠反射拟合信号中会存在混叠盲区，通过上述步骤可以从混叠反射拟合信号中精确分离出首个反射拟合信号，且不受故障功率模块正常工作状态切换(导通/关断)的影响，能够较好地反映故障功率模块的阻抗变化特性与规律。相较于直接用存在混叠盲区的混叠反射拟合信号进行计算，利用分离出的反射拟合信号进行计算，可以更加精确的计算出信号传输距离，从而提升故障功率模块故障定位的准确性。

附图说明

图1为本发明中基于时域反射法的故障功率模块定位方法的流程示意图。

图2为本发明中基于时域反射法的故障功率模块定位方法的系统架构图。

图3为本发明中检测信号与多次反射信号在不同传输时延条件下混叠情况的波形示意图。

图4为本发明中不同传输时延下相关波形峰值的波形示意图。

具体实施方式

本发明公开一种基于时域反射法的故障功率模块定位方法。

参照图1，基于时域反射法的故障功率模块定位方法具体包括如下步骤：

S101.通过信号产生模块生成检测信号，并将检测信号通过检测通信线路传输至待测通信线路。

其中，检测通信线路和待测通信线路的线路连接处为三端对称的T型拓扑，待测通信线路中位于线路连接处的一端连接有故障功率模块，待测通信线路中位于线路连接处的另一端连接有信号接收模块，信号产生模块的内部阻抗和待测通信线路的线缆阻抗相匹配，信号接收模块的内部阻抗和线缆阻抗相匹配，故障功率模块的内部阻抗与线缆阻抗不匹配。

参照图2，信号产生模块的内部阻抗Z

A点的两端分别为D点和B点，D点处信号接收模块，信号接收模块的内部阻抗Z

设U为信号的电压值，I为信号的电流值，根据图2和上述关系描述可得知：

U

I

U

U

式中：下标i表示检测信号的电流电压，下标f表示反射信号的电流电压，下标r表示透射信号的电流电压。

根据上式可进一步得到反射系数Γ和透射系数ρ的表达式，表达式具体如下：

由上式可知，当Z

在图2所示的反射信号检测方案中，通信线路仅作为信号发生/采集模块与故障功率模块之间的传输通道，故存在以下特点：

(1)通信线路的信号传输距离l和信号往返传输时延τ均为定值，且满足以下公式：

(2)在检测信号的信号带宽内，伪随机码的周期通常远大于τ，故存在反射信号混叠所造成的辨识盲区问题。

参照图3，将周期为T

若分别在20m、160m和300m处发生开路故障，设故障点处的前3次反射信号分别为f

参照图4，将信号接收模块采集到的S

R(t)＝∫

其中，R(t)为相关运算结果，T为入射信号的周期，S

S102.基于线缆阻抗计算得到检测信号首次经过线路连接处时生成的初始透射信号。

其中，根据线路连接处的透射系数可以计算出初始透射信号。

S103.通过信号接收模块接收初始透射信号经过故障功率模块所产生的混叠反射拟合信号。

其中，混叠反射拟合信号为多个反射拟合信号混叠产生的信号，反射拟合信号包括故障点反射信号、连接点透射信号和连接点反射信号，故障点反射信号为初始透射信号经过故障功率模块反射的反射信号，连接点透射信号为故障点反射信号经过线路连接点所透射的透射信号，连接点反射信号为故障点反射信号经过线路连接点所反射的反射信号。

S104.判断检测信号在信号接收模块和故障功率模块之间的传输时延是否小于检测信号的信号周期，若传输时延大于等于信号周期，则执行步骤S105；若传输时延小于信号周期，则执行步骤S107。

S105.基于传输时延并结合混叠反射拟合信号和检测信号进行互相关运算，得到第一相关运算结果。

其中，第一相关运算结果的计算公式如下：

R

式中：R

S106.根据第一相关运算结果计算得到信号产生模块与故障功率模块之间的信号传输距离。

S107.结合线缆阻抗和初始透射信号从混叠反射拟合信号中提取出首个反射拟合信号。

S108.基于传输时延并结合反射拟合信号与初始透射信号进行互相关运算，得到第二相关运算结果。

S109.根据第二相关运算结果计算得到信号传输距离。

本实施方式的实施原理为：

若传输时延小于信号周期，则接收到的混叠反射拟合信号中会存在混叠盲区，通过上述步骤可以从混叠反射拟合信号中精确分离出首个反射拟合信号，且不受故障功率模块正常工作状态切换(导通/关断)的影响，能够较好地反映故障功率模块的阻抗变化特性与规律。相较于直接用存在混叠盲区的混叠反射拟合信号进行计算，利用分离出的反射拟合信号进行计算，可以更加精确的计算出信号传输距离，从而提升故障功率模块故障定位的准确性。

在其中一种实施方式中，步骤S106即根据第一相关运算结果计算得到信号产生模块与故障功率模块之间的信号传输距离具体包括如下步骤：

基于第一相关运算结果的计算公式计算得到第一相关运算结果取最大值时的目标传输时延；

根据目标传输时延计算得到信号产生模块与故障功率模块之间的信号传输距离，信号传输距离的计算公式如下：

式中：l表示信号传输距离，v表示信号传输速度，τ

在本实施方式中，根据步骤S105中第一相关运算结果的计算公式计算得到R

在其中一种实施方式中，步骤S102即基于线缆阻抗计算得到检测信号首次经过线路连接处时生成的初始透射信号具体包括如下步骤：

根据线缆阻抗计算得到等效特征阻抗，等效特征阻抗为任意信号从T型拓扑中的任意端口经过线路连接处后，前方通信线路的线路阻抗；

结合线缆阻抗和等效特征阻抗计算得到任意信号经过线路连接处时的透射系数；

根据透射系数计算得到检测信号首次经过线路连接处时生成的初始透射信号。

在本实施方式中，等效特征阻抗的计算公式如下：

式中：Z

透射系数的计算公式如下：

式中：ρ

初始透射信号的计算公式如下：

x

式中：x

在其中一种实施方式中，步骤S107即结合线缆阻抗和初始透射信号从混叠反射拟合信号中提取出首个反射拟合信号具体包括如下步骤：

根据线缆阻抗计算得到等效特征阻抗，等效特征阻抗为任意信号从T型拓扑中的任意端口经过线路连接处后，前方通信线路的线路阻抗；

结合线缆阻抗和等效特征阻抗计算得到初始透射信号经过故障功率模块所产生的理论反射拟合信号；

通过初始透射信号和理论反射拟合信号从混叠反射拟合信号中提取出首个反射拟合信号，首个反射拟合信号的计算公式如下：

式中：f

在本实施方式中，等效特征阻抗的计算公式如下：

式中：Z

透射系数的计算公式如下：

式中：ρ

初始透射信号的计算公式如下：

x

式中：x

在其中一种实施方式中，结合线缆阻抗和等效特征阻抗计算得到初始透射信号经过故障功率模块所产生的理论反射拟合信号具体包括如下步骤：

结合线缆阻抗和等效特征阻抗计算得到第一反射系数，第一反射系数为任意信号在线路连接处的反射系数，第一反射系数的计算公式如下：

式中：Γ

结合线缆阻抗和故障功率模块的模块内部阻抗计算得到第二反射系数，第二反射系数为任意信号在故障功率模块处的反射系数，第二反射系数的计算公式如下：

式中：Γ

结合第一反射系数、第二反射系数和透射系数计算得到故障点反射信号、连接点透射信号和连接点反射信号，故障点反射信号为初始透射信号经过故障功率模块反射的反射信号，连接点透射信号为故障点反射信号经过线路连接点所透射的透射信号，连接点反射信号为故障点反射信号经过线路连接点所反射的反射信号，故障点反射信号、连接点透射信号和连接点反射信号的计算公式如下：

f

i

f

式中：f

将故障点反射信号、连接点透射信号和连接点反射信号进行信号叠加，得到理论反射拟合信号。

在本实施方式中，故障点反射信号、连接点透射信号和连接点反射信号还会在线路连接处和故障功率模块之间进行往返传输，故可以通过故障点反射信号、连接点透射信号和连接点反射信号的计算公式推导出信号在线路连接处和故障功率模块之间的往返传输规律，具体公式如下：

f

i

f

式中，n为信号在线路连接处和故障功率模块之间往返传输的次数。

在本实施方式中，基于传输时延并结合反射拟合信号与初始透射信号进行互相关运算，得到第二相关运算结果的计算公式如下：

式中：R

在其中一种实施方式中，步骤S109即根据第二相关运算结果计算得到信号传输距离具体包括如下步骤：

基于第二相关运算结果的计算公式计算得到第二相关运算结果取最大值时的目标传输时延；

根据目标传输时延计算得到信号产生模块与故障功率模块之间的信号传输距离，信号传输距离的计算公式如下：

式中：l表示信号传输距离，v表示信号传输速度，τ

在本实施方式中，目标传输时延τ

本发明还公开一种基于时域反射法的故障功率模块定位系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述任一实施方式中所公开的基于时域反射法的故障功率模块定位方法。

本实施方式的实施原理为：

通过程序的调取，执行以下步骤：通过信号产生模块生成检测信号，并将检测信号通过检测通信线路传输至待测通信线路；基于线缆阻抗计算得到检测信号首次经过线路连接处时生成的初始透射信号；通过信号接收模块接收初始透射信号经过故障功率模块所产生的混叠反射拟合信号；判断检测信号在信号接收模块和故障功率模块之间的传输时延是否小于检测信号的信号周期；若传输时延大于等于信号周期，则基于传输时延并结合混叠反射拟合信号和检测信号进行互相关运算，得到第一相关运算结果；根据第一相关运算结果计算得到信号产生模块与故障功率模块之间的信号传输距离；若传输时延小于信号周期，则结合线缆阻抗和初始透射信号从混叠反射拟合信号中提取出首个反射拟合信号；基于传输时延并结合反射拟合信号与初始透射信号进行互相关运算，得到第二相关运算结果；根据第二相关运算结果计算得到信号传输距离。

若传输时延小于信号周期，则接收到的混叠反射拟合信号中会存在混叠盲区，通过上述步骤可以从混叠反射拟合信号中精确分离出首个反射拟合信号，且不受故障功率模块正常工作状态切换(导通/关断)的影响，能够较好地反映故障功率模块的阻抗变化特性与规律。相较于直接用存在混叠盲区的混叠反射拟合信号进行计算，利用分离出的反射拟合信号进行计算，可以更加精确的计算出信号传输距离，从而提升故障功率模块故障定位的准确性。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。