專利名稱：遠距離進行目標管線全特征分析的檢測方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力檢測領域，涉及一種專門用于多回路(并行)運行電纜遠 距離探測中進行高準確性唯一性識別目標管線及相位的全特征分析的方法及設 備。
二背景技術：
在我國的電網建設中，電纜入地敷設已成為一種電力部門或公司普遍采用 并越來越成為一種趨勢，在長達數十年的建設中，由于年代久遠、人員變更、 城市建設等原因，地下電纜的數據資料與實際工況不一致的情況越來越多，國 內外也開發了大量的非開挖電纜尋蹤儀、探測儀用于電纜檢測。我們通過資料 檢索，市場調查分析，了解到目前電纜檢測技術研究大多側重于尋蹤探測，而 在實際工作中，由于電纜的敷設方法錯綜復雜，軌跡相同的電纜并行情況非常 多，在標識缺失、軌跡不明的情況下要實現準確區分相當困難。
公告日為2007年9月12日，公告號為CN100337126C的發明專利"金屬 管線探測中判斷跟蹤正誤和鑒別管線的方法和裝置"公開了一種能進行電纜判 斷的方法，其具體實施辦法是信號發射裝置向管線注入兩種頻率的音頻信號， 信號接收裝置沿電纜的已知路徑接收上述音頻信號的磁場信號，并對這兩個頻 率的信號進行放大，取上述信號中高頻信號的包絡為相位基準信號，將相位基 準信號和低頻信號轉換成數字信號，經處理后，得到低頻信號和相位基準信號 的相位差，在對已知路徑段進行相位差記憶后，再對待測管線未知路徑段進行 探測，根據相位差是否變化和變化的量，判斷跟蹤是否錯誤或鑒別是否正確， 并由指示器進行明確指示。該方法在一定程度上可以進行三相同軸電纜判斷， 但是該方法根據發射機和接收機在測試前進行同步設置，然后根據每一個儀器 中各自時鐘基準進行運算判斷，存在著較大的時點漂移，在一定時間后(實際 使用約30分鐘)或發射機和接收機工作區塊溫差過大，漂移積累會超過誤差的 允許范圍；在實際使用中由于電纜工況的復雜性(包括回路電阻過大，電纜長
距離敷設，測量時間過長，不同工況點溫差過大等因素)，加上自身時鐘基準的 誤差，導致無法識別甚至誤判的可能性經常發生，其實用性和有效性并不理想。 同時我們也注意到采用該辦法對三相異軸的電纜無法進行識別。
在管線/電纜的對應識別中，傳統上采用的方法是通過將感應線圈環繞電纜 一周，根據待測電纜的信號在環繞過程中的強弱變化來判斷，而并行電纜沒有 這種變化，據此可以判斷目標電纜的類型。使用這種方式進行識別時，需要檢 測人員具備豐富的現場經驗才可以實施，而且由于信號微弱，誤判的情況非常 多，可行性和可靠性較差。
另外，也有通過向電纜導體注入直流脈沖信號的方式進行檢測的方法，該方 法準確性較高，但只有在停電檢修或解開接地樁的情況下才可以實施，前者(停 電檢修的情況下)對測量的工況條件要求較高，實施難度大；而后者(解開接 地樁的情況下)對運行設備和測量人員的安全性有很大影響，可行性較差。
針對上述問題，本發明提出了一種全新、迅速、可行、安全，并且在不斷電 情況下高準確性識別同源同體傳遞信號和同源異體感應干擾信號，且自帶工況 條件評定、可針對多回路運行電纜遠距離探測中(大于2公里，理論上可以實 現數百公里)進行唯一性判斷目標電纜的方法及裝置，用以在不斷電的情況下 對遠距離電纜進行全特征分析，以滿足各種電纜管線復雜、相互干擾嚴重、多 條并行且不具備停電檢測的工作條件和環境下對電纜檢測的要求。
三、發明概述
1.本發明一種待測電纜高準確性識別檢測方法，于對待測電纜進行高準確 性識別檢測，通過對待測電纜施加一電信號后，對接收所回饋電信號的全過程 進行電壓、電流、幅值、方向、相位角和相位差等全特征分析從而判斷待測電 纜的類型，其中使用信號發射裝置發射電信號、使用信號接收裝置來接收信號， 所接收的信號通過A/D轉換、放大、補償、同步等處理后與基準電纜數據進行 比較以確定其類型；其特征在于其中包括下列步驟-
在電纜運行不斷電或使用中的情況下，信號發射裝置向待測電纜加載固定 頻率音頻信號；
信號接收裝置對待測電纜進行非接觸式音頻信號采集并進行放大； 通過對待測電纜中電壓、電流的測算，計算回路電阻，根據所計算的電阻
數值進行回路工況預測；
根據該工況預測值，通過信號發射裝置和信號接收裝置之間的傳輸回饋信
號進行發射信號的增益調節；
在信號發射裝置和信號接收裝置進行遠距離高精度授時(加入時間信號)
同步，根據所獲得的數據來確定待測電纜的類型。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中加載的是固定頻率的電信號。 進一步，根據本發明的另一發明目的，其中加載的是固定頻率的音頻信號。 進一步，根據本發明的另一發明目的，其中加載的是固定頻率且帶有自動
增益調節功能的音頻信號。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中的信號發射裝置和信號接收裝
置是通過信號耦合方式向待測電纜進行信號的加載和采集。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置向待測電纜進行
音頻信號的加載和信號接收裝置對待測電纜進行音頻信號的采集是以非接觸的
方式進行的。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置向待測電纜進行 音頻信號的加載和信號接收裝置對待測電纜進行音頻信號的采集是以非接觸的 方式進行的。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置和信號接收裝置 之間是通過無線方式傳輸回饋信號的。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中確定待測電纜的類型的確定步 驟包括
定義步驟，對待測電纜進行部分特定特征的定義； A/D轉換，對接收的音頻信號并進行A/D轉換； MCU處理，取數字信號進入MCU進行同步處理；
計算步驟，對待測電纜信號的相關數據進行計算，通過事先的模擬電路理 論分析和實驗數據，設定判斷程序和基準信號；
比較步驟，將計算得到的數據與基準信號進行比較；
輸出步驟，根據比較結果確定待測電纜的類型并輸出。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中對待測電纜進行部分特定特征 的定義中，該特定特征可以是首端相位角。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中所計算的待測電纜信號的相關 數據中，三相異軸電纜是對相位角進行計算，三相同軸電纜是計算出接收信號 與發射信號之間的偏移度。
進一步，根據本發明的另一發明目的，對滿足相位偏移度同一特征的待測 電纜判定為三相同軸電纜，根據相位角一致的特征確定待測電纜為三相異軸電 纜。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中的回路工況預測步驟包括 判定步驟，判定回路電阻值符合運算精度要求；
補償步驟，通過自動增益補償實現傳遞的音頻信號擁有足夠的強度，避免 被干擾噪音淹沒，從而保證信號接收裝置可以采集到足夠強度的電流幅值； 處理步驟，進行準確運算以達到正確判斷的要求；
識別步驟，通過遠距離高精度授時同步，實現高精度計算相位角和相位差，
以準確識別待測電纜；
存儲步驟，存儲實驗過程中對工況模擬電路和實驗數據分析的結果； 比較步驟，判斷電纜回路中容抗效應是否導致相位超前特征明顯，對接收
信號和基準信號相位差設定寬容度，以提高測量的有效性和對實際工況的適應性。
進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測方法中的接收裝置可以對多 路信號同時進行采集。
進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測方法可以在不斷電情況下高 準確性區分同源同體傳遞信號和同源異體感應干擾信號。
進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測方法可在自帶工況條件評定 的針對多回路并行運行的情況下，遠距離對待測電纜進行高準確性的唯一性識 別。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置為基準音頻信號 發射裝置。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置至少包括音頻信 號產生單元、MCU中央處理器、回饋信號無線接收單元、自動增益調節單元、高 精度授時接收單元、信號合成單元、功率放大單元和輸出單元。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中音頻信號產生單元產生固定頻
率的音頻信號，回饋信號無線接收單元接收自接收裝置發出的回饋信號，并由
MCU中央處理器對發射信號進行自動增益補償調節，信號合成單元將低頻信號和 接收的高精度授時信號合成，進行初始同步，經過功率放大單元進行功率放大， 再經輸出單元作最終的基準音頻信號輸出。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號接收裝置至少包括音頻信 號接收裝置、過濾整理單元、功率放大單元、MCU中央處理器、回饋信號無線發 射單元、高精度授時接收單元、模式控制單元和信息顯示器。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中音頻信號接收裝置采集電纜傳 遞的信號后經過濾整理單元濾波處理，取其與發射信號相同的頻率信號進行放 大、降噪整理，如果信號強度足夠，進行授時同步進入MCU中央處理器進行運 算判斷；
如果信號強度不夠，低于設定值，則激發回饋信號無線發射單元發射增益 調整信號，調整發射裝置的發射功率和電壓，形成足夠強度和高清晰度的傳遞 信號，其后進行授時同步進入MCU中央處理器進行運算判斷；
MCU中央處理器通過預設程序對該信號進行處理，計算電流信號幅值、回 路電阻、信號相位值、與基準信號相位差，經邏輯判斷后分別在信息顯示器進 行對應顯示，模式控制單元根據三相同軸、三相異軸的電纜選擇控制MCU中央 處理器的運算模式。
進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測方法能對遠距離并行的包括 一橋多線的多回路運行電纜進行準確的唯一性識別。
進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測裝置在檢測端一次性采集該 區塊所有電纜的全部信號，包括目標信號、感應信號、干擾信號、同源旁路信 號等。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中授時同步裝置使用的授時同步 技術包括GPS時鐘無線同步、中國北斗星定位授時技術、RCT無線授時技術、原 子鐘或同源晶振時鐘近距離無線或有線同步。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中確定了待測電纜后通過液晶顯 示單元輸出顯示。
進一步，根據本發明的另一發明目的，對液晶顯示單元采用總線驅動方式 進行驅動，以節約MCU的時序開銷，減少電源損耗，以延長使用時間。
進一步，根據本發明的另一發明目的，在該檢測方法中，信號發射裝置可 在電纜不斷電或使用中的情況下，向待測電纜加載電信號，也即該檢測方法可 在電纜不斷電或使用中的情況下進行檢測。
2.本發明還提供一種遠距離進行待測電纜全特征分析的檢測裝置，用于對 待測電纜進行高準確性識別檢測，通過對待測電纜施加一電信號后，對接收所 回饋電信號的全過程進行電壓、電流、幅值、方向、相位角和相位差等全特征 分析從而判斷待測電纜的類型，該裝置包括信號發射裝置和信號接收裝置，其 中使用信號發射裝置向待測電纜加載電信號、使用信號接收裝置對待測電纜進 行信號采集并放大，所接收的信號通過A/D轉換、放大、補償、同步等處理后 與基準電纜數據進行比較以確定其類型；其特征在于該裝置還包括
計算裝置，通過對待測電纜中電壓、電流的測算，計算回路電阻；
預測裝置，根據所計算的電阻數值進行回路工況預測；
增益調節裝置，根據該工況預測值，通過信號發射裝置和信號接收裝置之
間的傳輸回饋信號進行發射信號的增益調節；
授時同步裝置，在信號發射裝置和信號接收裝置之間進行遠距離高精度授
時(加入時間信號)同步；
確定裝置，根據所獲得的數據來確定待測電纜的類型。 進一步，根據本發明的另一發明目的，其中加載的是固定頻率的電信號。 進一步，根據本發明的另一發明目的，其中加載的是固定頻率的音頻信號。 進一步，根據本發明的另一發明目的，其中加載的是固定頻率且帶有自動
增益調節功能的音頻信號。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中的信號發射裝置和信號接收裝
置是通過信號耦合方式向待測電纜進行信號的加載和采集。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置向待測電纜進行
音頻信號的加載和信號接收裝置對待測電纜進行音頻信號的采集是以非接觸的
方式進行的。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置向待測電纜進行 音頻信號的加載和信號接收裝置對待測電纜進行音頻信號的采集是以非接觸的 方式進行的。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置和信號接收裝置之間是通過無線方式傳輸回饋信號的。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中確定待測電纜的類型的確定裝 置包括
定義裝置，對待測電纜進行部分特定特征的定義； A/D轉換器，對接收的音頻信號并進行A/D轉換； MCU，取數字信號進入MCU進行同步處理；
計算裝置，對待測電纜信號的相關數據進行計算，通過事先的模擬電路理 論分析和實驗數據，設定判斷程序和基準信號；
比較裝置，將計算得到的數據與基準信號進行比較； 輸出裝置，根據比較結果確定待測電纜的類型并輸出。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中對待測電纜進行部分特定特征 的定義中，該特定特征可以是首端相位角。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中所計算的待測電纜信號的相關 數據中，三相異軸電纜是對相位角進行計算，三相同軸電纜是計算出接收信號 與發射信號之間的偏移度。
進一步，根據本發明的另一發明目的，對滿足相位偏移度同一特征的待測 電纜判定為三相同軸電纜，根據相位角一致的特征確定待測電纜為三相異軸電 纜。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中的回路工況預測裝置包括 判定裝置，判定回路電阻值符合運算精度要求；
補償裝置，通過自動增益補償實現傳遞的音頻信號擁有足夠的強度，避 免被干擾噪音淹沒，從而保證信號接收裝置可以采集到足夠強度的電流幅值； 處理器，進行準確運算以達到正確判斷的要求；
識別裝置，通過遠距離高精度授時同步，實現高精度計算相位角和相位 差，以準確識別待測電纜；
存儲器，存儲實驗過程中對工況模擬電路和實驗數據分析的結果； 比較裝置，判斷電纜回路中容抗效應是否導致相位超前特征明顯，對接
收信號
和基準信號相位差設定寬容度，以提高測量的有效性和對實際工況的適應性。 進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測裝置中的接收裝置可以對多
路信號同時進行采集。
進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測裝置可以在不斷電情況下高 準確性區分同源同體傳遞信號和同源異體感應干擾信號。
進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測裝置可在自帶工況條件評定 的針對多回路并行運行的情況下，遠距離對待測電纜進行高準確性的唯一性識 別。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置為基準音頻信號 發射裝置。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置至少包括音頻信
號產生單元、MCU中央處理器、回饋信號無線接收單元、自動增益調節單元、高 精度授時接收單元、信號合成單元、功率放大單元和輸出單元。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中音頻信號產生單元產生固定頻 率的音頻信號，回饋信號無線接收單元接收自接收裝置發出的回饋信號，并由 MCU中央處理器對發射信號進行自動增益補償調節，信號合成單元將低頻信號和 接收的高精度授時信號合成，進行初始同步，經過功率放大單元進行功率放大， 再經輸出單元作最終的基準音頻信號輸出。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號接收裝置至少包括音頻信 號接收裝置、過濾整理單元、功率放大單元、MCU中央處理器、回饋信號無線發 射單元、高精度授時接收單元、模式控制單元和信息顯示器。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中音頻信號接收裝置釆集電纜傳 遞的信號后經過濾整理單元濾波處理，取其與發射信號相同的頻率信號進行放 大、降噪整理，如果信號強度足夠，進行授時同步進入MCU中央處理器進行運 算判斷；
如果信號強度不夠，低于設定值，則激發回饋信號無線發射單元發射增益 調整信號，調整發射裝置的發射功率和電壓，形成足夠強度和高清晰度的傳遞 信號，其后進行授時同步進入MCU中央處理器進行運算判斷；
MCU中央處理器通過預設程序對該信號進行處理，計算電流信號幅值、回 路電阻、
信號相位值、與基準信號相位差，經邏輯判斷后分別在信息顯示器進行對應顯 示，模式控制單元根據三相同軸、三相異軸的電纜選擇控制MCU中央處理器的
運算模式。
進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測裝置能對遠距離并行的包括 一橋多線的多回路運行電纜進行準確的唯一性識別。
進一步，根據本發明的另一發明目的，該檢測裝置在檢測端一次性采集該 區塊所有電纜的全部信號，包括目標信號、感應信號、干擾信號、同源旁路信 號等。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中授時同步裝置使用的授時同步
技術包括GPS時鐘無線同步、中國北斗星定位授時技術、RCT無線授時技術、原 子鐘或同源晶振時鐘近距離無線或有線同步。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中確定了待測電纜后通過液晶顯 示單元輸出顯示。
進一步，根據本發明的另一發明目的，對液晶顯示單元采用總線驅動方式 進行驅動，以節約MCU的時序開銷，減少電源損耗，以延長使用時間。
進一步，根據本發明的另一發明目的，其中信號發射裝置可以在電纜不斷 電或使用中的情況下，向待測電纜加載電信號，也即該檢測裝置可以在電纜不 斷電或使用中的情況下對待測電纜進行檢測。
與現有技術比較，本發明的優點是
1、 現有的以非開挖形式對地下電纜進行尋蹤檢測的設備都是基于電磁感應 原理來進行測量判斷的，如果待測電纜回路電阻過大，比如接地缺損、接地不 良、電纜老化、防護層破損、接頭受潮等因素，都會引起信號過度衰減甚至無 信號，測量結果就會出現判斷不明甚至錯誤，而現有的檢測設備不具備工況條 件判斷能力，檢測人員單純以最終信號作為測量依據，帶有很大的不確定性， 無法準確判定目標電纜。本發明采用電纜回路工況預評定設計，判定回路電租 值是否符合運算精度要求，并且通過自動增益補償使傳遞的音頻信號擁有足夠 的強度，避免過度分流、衰減或被干擾噪音淹沒，從而保證接收裝置可以采集 到強度足夠的電流幅值，從而進行準確運算以達到正確判斷的要求，有效實現 安全、準確、快速、操作簡便測量要求。該裝置還具備節電功能，有效地延長 了室外測量的工作時間。目前市場上通常使用的電纜檢測儀器功率都在
15W—25W,用自有電池，在實際測量工作中都普遍存在連續工作時間短，工作 效率低的情況，本發明可以有效解決該缺陷。
2、 在電纜運行(也包括非運行)工況下，通過遠距離(大于2公里，理論
上可以實現數百公里)高精度授時同步技術(包括但不限于GPS時鐘無線同步、 中國北斗星定位授時技術、RCT無線授時技術、原子鐘或同源晶振時鐘近距離無
線或有線同步)，實現高精度計算相位角(三相異軸)和相位差(三相同軸)， 可以進行準確識別目標電纜；
3、采用寬容度設定，根據現有的物理學理論，回路的容抗效應導致相位偏 移超前，回路的感抗效應導致相位偏移滯后，而在實際工況條件，電纜回路中 容抗效應導致相位超前特征明顯，感抗效應導致相位滯后特征幾乎為零可以忽 略，根據這一原理，對接收信號和基準信號相位差設定寬容度，以提高測量的 有效性和對實際工況的適應性。
四
以下通過附圖和實施例對本發明做進一步說明
圖1為本發明的檢測方法和步驟流程圖2為本發明的實際工況連接模擬圖3為本發明的根據實際工況繪制的基本電路原理圖4為本發明的發射裝置流程圖5為本發明的接收裝置流程圖6為本發明中使用的UAF 42的內部結構圖7為本發明的液晶顯示部分的電路連接圖8為本發明的二級濾波放大及增益調節電路圖。 圖9為本發明的液晶顯示部分的出現的一個界面。 圖10為用戶正常關機時的界面。
圖ll為電池電量低，已經影響到測量準確性，設備自動關機時的界面
五具體實施例方式
圖1所表述的是本發明所提供的專門用于多回路(并行)運行電纜遠距離 探測中進行高準確性唯一性識別目標管線及相位的檢測方法和步驟流程，其特 征是-
1、在電纜運行工況下，發射機通過信號耦合方式向管線進行非接觸加載固 定頻率并帶有自動增益調節功能的音頻信號；
2、 接收機采用信號耦合方式對待測電纜進行非接觸采集音頻信號并進行放
大；
3、 通過電壓、電流的計算，測算回路電阻，進行回路工況預評定；
4、 根據工況預評定值，通過接收機和發射機之間的無線方式傳輸回饋信號 進行發射信號的增益調節；
5、 在發射機、接收機進行遠距離高精度授時同步，對三相異軸電纜進行首 端相位角定義；
6、 對接收的音頻信號并進行A/D轉換，取數字信號進入MCU進行同步處理； 對三相異軸電纜計算信號的相位角，對三相同軸電纜計算與基準信號的偏移度；
7、 根據法拉第電磁感應定律，電場與磁場轉換過程中，當穿過回路的磁通 量發生變化時，回路中的感生電動勢s感的大小和穿過回路的磁通量變化率成 正比，即s感；Acp/At。當磁通量增加時，Acp/AtX),這時s感為負值，即感 生電流產生的磁場和原磁場方向相向；當磁通量減少時，Acp/AtO，這時s感 為正值，即感生電流產生的磁場和原磁場方向相同的原理，設定判斷程序，假 設加載信號的感應電流方向為正方向，則由該電纜交變磁通感應到相鄰電纜上 產生的電流為負方向，電流方向與信號加載電纜相反。由于實際工況(電纜容 抗、感抗)的差異，留有一定余量，通過事先的模擬電路理論分析和實驗數據， 設定判斷程序，滿足同一電纜特征相位偏移度特征的電纜判定為目標電纜(三 相同軸)；
8、 根據相位角一致的特征確定電纜對應關系(三相異軸)。 在其中的回路工況預評定環節中，先確定待測電纜回路電阻小于一個一定
的范圍，以滿足根據本方法所建立的計算模型精確范圍。信號加載裝置通過與 金屬管線封閉環繞的信號圈發射固定頻率為4kHz的音頻信號，并且通過GPS 授時技術，將該信號與PPS脈沖的上升沿同步。根據法拉第電磁感應定律，通 過磁通感應在待測電纜金屬層上形成感生電流，在采集端收集電流信號，通過 對電壓、電流值的測量運算，判斷該電纜回路電阻，如符合回路電阻小于100 歐姆要求，則判定該電纜工況條件滿足本測量算法的要求，可保證計算判斷的 準確性，允許進入后續測量程序；如果工況條件不滿足，則進行提示進行工況 分析并相應調整。
在工況條件滿足但仍然存在電流信號低于設定值的現象的情況下，可判斷
為過度衰減，則激發回饋增益調整信號，調整發射裝置的發射功率和電壓，形 成足夠強度和高清晰度的傳遞信號。回路工況預評定的可靠性是準確測量的基 礎。
所接收的信號必須先經濾波、放大、降噪整理，才能與所發射的信號進行
比較，這里選擇帶通濾波技術進行處理。通過帶通濾波技術濾去高于4kHz和低 于4kHz的干擾波，得到需要的4kHz音頻波。這個任務就由帶通濾波器UAF 42 來完成，UAF 42兼具濾波和放大功能，可一次性完成濾波和放大的作用，直接 得到足夠強度和清晰度的發射波形。
然后對上述信號進行高精度授時同步，高精度授時同步是準確測量的關鍵。 信號接收裝置通過同步技術(包括但不限于GPS時鐘無線同步、中國北斗星定 位授時技術、RCT無線授時技術、原子鐘或同源晶振時鐘近距離無線或有線同步) 采集精確的時鐘同步基準信號；根據4kHz的信號頻率，其相位特征判斷所采用 的同步信號比較必須達到50ns的授時精度要求；考慮目前技術的成熟性和精度 要求，本裝置采用GPS時鐘無線同步授時技術，使用GPS模塊輸出的PPS脈沖 實現發射和接收的同步，由于發射的頻率(4kHz)比較高，所以使用ls脈沖輸 出的PPS完全可以滿足需要。同時附帶一個功能就是采集工作地區的經緯度， 以便工作人員做軌跡測量的功能拓展。
我們最后選擇了芬蘭的iTmx03-02系列GPS模塊，iTmx03-02是目前世界 上體積小、功耗低的GPSOEM板，其尺寸僅為26mmx26mmx4.7mm，休眠時 功耗僅為80uW，連續導航時不超過110mW，并且其從休眠到導航定位僅為8 秒鐘，具有極快的信號獲取引擎。iTrax03-02采用芯片嵌入設計，直接集成在 PCB板上，最大限度地節省了空間，可更加靈活地進行產品的形態設計，保證 了產品結構上的一致化。從iTrax03-02的接口來看，其自帶了 2個UART接口 ， 可接收NMEA0183格式的數據和二進制的iTack格式數據，其中iTack數據可 輸出偽短值、星歷值和其他一些原始數據。為方便產品開發商的設計，iTmx03-02 上還帶有16位的GPIO和SPI接口 ，可方便地對其進行控制和擴展存儲空間。 iTrax03-02內嵌8Mbit的Flash存儲器，可用于存儲中間定位數據，并為授時應 用提供極高的精度，精度為20ns。
經授時同步的信號進行A/D轉換，把模擬信號轉變為數字信號，進入MCU 中央處理器進行運算判斷，在MCU內部進行一系列復雜運算后，計算得到感應
波形的幅值、電流、和相位角或相位差，然后根據所得到的電流、電阻和相位 關系來進行電纜唯一性的鑒別，這一點是準確測量的核心。 對三相異軸電纜類型，相位角一致的為目標電纜。
對三相同軸電纜類型，則對上述參數進行邏輯處理和特征比較，必須同時 滿足下列條件的
1) 工況條件要求回路電阻小于100歐姆；
2) 電流值必須介于0.95Imax和Imax之間(全部電纜信號電流最大值)；
3) 相位特征(偏移度)必須在L2:rt-2.0n之間； 三條件同時滿足的可以準確判定發射信號電流與采集信號方向一致為目標
電纜，并由指示器進行明確指示。
圖2為實際工況連接模擬圖，在電力電纜的敷設中，按施工標準要求外金 屬護層(護套、鎧裝)兩端良好接地，金屬護層內、外都還有一至二層絕緣層， 與導電芯線和大地分別絕緣，發射信號就是利用外金屬護層(鎧裝層)進行傳 遞。
信號發射裝置通過信號耦合方式向管線/電纜加載經過授時的4kHz頻率的
基準音頻電流信號，我們定義為Il，在遠端測量點采集的電流信號定義為ir， 外層金屬護層(護套、鎧裝)兩端良好接地形成回路，信號電流ir就通過該護 層流動傳遞，流經遠端經接地回流到發射端，我們把經大地回流的電流定義為 ir，。
同時，電流ii'在外層金屬護層傳遞過程中，根據電磁理論，交變電流產生 交變的磁通，由于外層金屬護層之外沒有金屬屏蔽層，該交變的磁通可以向外 輻射并在相鄰的電纜外層金屬護層形成反方向的感應電流(根據左手法則和右 手法則的轉化，此為公開并己成熟的電工原理，在此不詳加闡述，可參見教科 書或工具書)。無論施加電信號的電纜與相鄰電纜之間位置如何，或者相鄰電 纜之間感應電流相互影響有多大，相鄰電纜與施加電信號的電纜之間的電流方
向始終是相反的，我們把經相鄰電纜外金屬護層感應的電流定義為12'。 如果相鄰電纜外金屬護層沒有兩端接地，則形不成回路，12' =0。... 依此類推，如果目標電纜周邊相鄰多條電纜，則分別定義為I2'， 13'......
由于電纜外金屬護層(除了兩端外)與大地絕緣，我們可以把這種狀態模
擬成在電路上并接一個大電容。
由于電纜外層金屬護層為旋轉纏繞的金屬導體，加上電纜在敷設過程中也 可能發生自身旋轉扭曲和相互纏繞，我們可以把這種狀態模擬成在電路上串接 一個大電感。
不同電纜的兩端接地無論接地端是否連接，還是接地端距離遠近，我們可 以把這種狀態模擬成共同接地。
根據實際工況模擬出來的基本電路原理見圖3。
圖3為根據實際工況繪制的基本電路原理，根據該電路圖，如果在目標電
纜的發射端加載基準音頻信號ii,在接收端采集的信號為n'，考慮到電纜與大 地電容效應而產生的容抗漏電流，經過現場實際測量，容抗漏電流與電纜主電
流ir相比要小得多，基本可以忽略；同時發明所涉及的技術核心為加載主電流
的電流方向與感應電流的電流方向相反，因此對容抗漏電流及大地回流電流的 大小不作詳細展開及定量分析，實際操作中，根據檢測距離的遠近，距離越近， 經大地回流的電流比容抗漏電流大得越多，因此近距離時可以忽略容抗漏電流
的影響；而當距離越來越遠時，經大地回流的電流和容抗漏電流雖然都會因距
離而衰減，但是經放大后容抗漏電流會對經大地回流的電流產生更大的噪聲，
影響檢測的結果，因此，在幾百公里以下的距離中我們可以得出ii" ir " 12， + 13' + 14' +......，由此可以知道r在接收端所有電纜采集信號中其數值是最
大的，那么可以通過信號接收裝置接收到的感應電流r幅值來作為唯一性判斷 的依據之一。
如果目標電纜相鄰只有一條電纜并行，則ir " 12'; 同時，從該電路圖工作原理我們可以判斷基準音頻信號ii和ir是同方向 的，II和感應電流12，、 13，.......的電流方向是相反的。由于i是一個經過高
精度授時的4kHz頻率的信號，通過接收裝置所采集到經電纜外層金屬護層傳遞 的信號，在實現高精度同步授時的條件下，完全可以通過MCU中央處理器的計
算判斷其ir相位角或與基準音頻信號ii的相位差，因此可以利用相位特征來判
斷電纜的唯一性。
圖4為發射裝置流程圖，信號發射裝置為基準音頻信號發射裝置，其至少 包括音頻信號產生單元、MCU中央處理器、回饋信號無線接收單元、自動增益調
節單元、高精度授時接收單元、信號合成單元、功率放大單元和輸出單元，音 頻信號產生單元產生固定頻率的音頻信號，回饋信號無線接收單元接收回饋信
號并由MCU中央處理器對發射信號進行自動增益補償調節，信號合成單元將低 頻信號和接收的高精度授時信號合成，進行初始同步，經過功率放大單元進行 功率放大，再經輸出單元作最終的基準音頻信號輸出。
首先由音頻信號產生單元產生4kHz音頻信號，幅值為200V，在信號合成 單元與GPS授時信號疊加后，該信號在PPS脈沖的上升沿同步，然后由功率放 大單元進行功率放大輸出到信號發生鉗，對待測電纜進行信號加載。
如果電纜外層金屬護層回路電阻過大，接收裝置接收到的電流信號r過小， 低于設定值，則會激發增益調整信號，信號發射裝置的回饋信號無線接收單元 接收到該信號后，通過MCU中央處理器控制自動增益調節單元進行功率調節，
提高發射功率和輸出電壓值，促使從電纜外層金屬護層傳遞的電流r升高達到
測量所要求的數值。
如果發射輸出功率經過增益調整到IOOW，輸出電壓為200V，接收端所采集
的r仍然過小，則可以判斷回路工況不符合測量條件(比如一端未接地或缺損，
電流從外絕緣護層破損處流出、兩端接地但接地電阻非常大等因素)，通過顯 示"工況不符"，提示工作人員對工況不符原因進行排査解決，以避免錯誤判 斷。
圖5為接收裝置流程圖，信號接收裝置至少包括音頻信號接收裝置、過濾 整理單元、功率放大單元、MCU中央處理器、回饋信號無線發射單元、高精度授 時接收單元、模式控制單元和信息顯示器；音頻信號接收裝置采集電纜傳遞的 信號后經過濾整理單元濾波處理，取其與發射信號相同的頻率信號進行放大、 降噪整理，如果信號強度足夠，進行授時同步進入MCU中央處理器進行運算判 斷；如果信號強度不夠，低于設定值，則激發回饋信號無線發射單元發射增益 調整信號，調整發射裝置的發射功率和電壓，形成足夠強度和高清晰度的傳遞 信號，其后進行授時同步進入MCU中央處理器進行運算判斷；MCU中央處理器通 過預設程序對該信號進行處理，計算電流信號幅值、回路電阻、信號相位值、 與基準信號相位差，經邏輯判斷后分別在信息顯示器進行對應顯示，模式控制 單元根據三相同軸、三相異軸的電纜選擇控制MCU中央處理器的運算模式。
信號接收裝置采集檢測區域內各電纜的信號(注意信號夾鉗標注有方向， 在發射端和接收端必須嚴格保持信號夾鉗方向一致)，將各信號選擇4kHz部分 進行濾波、放大、降噪，并進行同步授時，在接收裝置中含有和發射裝置同等
精度的GPS模塊，用來產生基準的PPS秒同步脈沖信號，通過此同步脈沖信號， 輸入到MCU中央處理器計算出接收信號峰值相對于PPS同步脈沖信號的相位(也 就是相對于發射信號的相位)，計算相同時點的信號幅值、信號相位角、與基準 信號相位差，并將上述各數值分別在信息顯示器進行對應顯示；前面己經表述， 根據現有的物理學理論和我們的實驗數據，回路的容抗效應導致相位偏移超前； 回路的感抗效應導致相位偏移滯后，而實際工況條件，電纜回路中容抗效應導 致相位超前特征明顯，感抗效應導致相位滯后特征幾乎為零，取相位特征(偏移 度)向前0-0.8:i為寬容度許可值(寬容度設定，改變本數字范圍將會改變測量 精確度)；同時通過預設程序進行邏輯判斷。
根據法拉第電磁感應定律，電場與磁場轉換過程中，當穿過回路的磁通量 發生變化時，回路中的感生電動勢s感的大小和穿過回路的磁通量變化率成正 比，即s感^Acp/At。當磁通量增加時，Acp/AtX),這時e感為負值，即感生 電流產生的磁場和原磁場方向相向；當磁通量減少時，Acp/AtO，這時s感為 正值，即感生電流產生的磁場和原磁場方向相同的原理，設定判斷程序，假設 加載信號的感應電流方向為正方向，則由該電纜交變磁通感應到相鄰電纜上產 生的電流為負方向，電流方向與信號加載電纜相反。由于實際工況(電纜容抗、 感抗)的差異，留有一定余量，通過事先的模擬電路理論分析和實驗數據，設 定判斷程序，滿足同一電纜特征相位偏移度特征的電纜判定為目標電纜(三相 同軸)
對三相異軸電纜類型，相位角一致的為目標電纜；
對三相同軸電纜類型，則對上述參數進行邏輯處理和特征比較，必須同時 滿足下列條件的
1、 工況條件要求回路電阻小于100歐姆；
2、 電流值必須介于0.95Imax和Imax之間(全部電纜信號電流最大值)；
3、 相位特征(偏移度)必須在1.211-2.0兀之間(寬容度設定)； 三條件同時滿足的可以準確判定采集信號電流方向與發射信號電流方向一
致，確定為目標電纜，電流值和相位特征(偏移度)不符合上述范圍則表明采 集信號電流方向與發射信號電流方向相反，并由指示器進行明確指示判斷結果。
如果電纜外金屬護層回路電阻過大，接收裝置接收到的電流信號r過小， 低于設定值，則會激發增益調整信號，調整發射裝置的輸出功率，以提高采集
端的電流信號。
下面對本電路設計中的主要單元選型及工作模式進一步說明-
可編程數字濾波器選用美國Burr-Brown公司的高集成度通用有源濾波器。 它具有設計方便、使用靈活的特點。通過改變UAF42的電路參數可以構成各種 滿足工程實際需要的濾波器。UAF 42具有以下特點(電路結構可參見附圖)
參通用性強，可根據需要設計成高通、低通、帶通和帶阻濾波器；
參設計簡單，Burr-Brown公司為UAF 42專門設計了一個軟件，從而可以方便靈 活地設計各種不同類型的濾波器；
參具有高精度頻率和高Q值；
攀片內集成有1000pF土5yo的電容。
調節濾波器的參數可以得到不同放大倍數的波形，為了適應不同電纜的需 要，需要對獲取到得感應信號進行放大或者縮小處理，這些功能僅僅需要簡單 修改UAF 42外圍電阻就可以實現。利用ADG409切換開關進行切換，這樣就得 到了按照一定規律放大或者縮小的波形。借助于Burr-Brown公司的軟件，結合 實際工況，得到了圖8所示的濾波放大電路原理圖。
首先信號通過耦合電容從信號嵌進入UAF 42的輸入端，為了防止靜電和 電擊，在輸入級加了瞬變二極管和穩壓管，保護UAF42，以保證系統的可靠性。 信號進入UAF42進行濾波和放大，首先是一級濾波和一級放大，放大倍數通過 后面的電阻切換開關ADG409進行調節。通過MCU向ADG409的A0、 Al發 送不同的信號從S1A-S4A和S1B-S4B中各選取一個電阻進行增益調節。然后信 號從UAF 42的OUT 口輸出，并進入到第二個UAF 42中進行二級濾波和二級 放大，同理，通過UAF42和ADG409的配合，得到最終的輸出信號，此信號最 后再輸入到MCU的A/D端口進行模擬一數字的轉變，通過MCU進行運算。如 果MCU預分析此信號幅度不滿足要求，則發送命令到ADG409進行增益調節， 直到獲得一個900mV—1700mV的正弦波信號。
液晶顯示器采用通用的12864型圖形液晶顯示器，以方便在屏幕上面顯示 圖片和文字。液晶顯示器采用KS108驅動芯片進行驅動，為了節約MCU的時 序開銷，決定采用總線驅動方式進行驅動。通過MCU產生液晶顯示器所需要的 時序來進行顯示。為了使KS108時序和MCU配合，需要硬件方面的預處理。 通過一個74HC00與非門產生液晶的E信號。圖7中的芯片9435是控制液晶顯
示器背光用的，考慮到手持型設備的電源供應要盡可能的減少功耗，這里使用 芯片9435 PMOS的導通和斷開來控制背光的打開和關閉，做到人性化設計。 液晶的顯示界面如圖9所示。
現場測量工具要求簡單、直觀、易操作，我們設計主要的工作界面信息如
下
1. 電阻值，該值為電纜回路的接地電阻，如果回路電阻過大，就需提高發射功 率和電壓，或提示其他處理；
2. 電流，該值為當前測量電纜采集到的感應電流大小；
3. 相位特征(偏移度)，該值為當前測量電纜采集到的波形信號相對于發射裝 置基準信號波形的超前或者滯后角度，這個為判斷電纜唯一性最重要的依據；
4. 電池電量，方便用戶時刻觀察電池電量，保證工作電壓；
5. 經緯度，顯示此工作地的經緯度，方便工作人員做統計。
此時用戶正常關機界面如圖10所示。此時出現電池電量低，已經影響到測 量準確性，設備自動關機界面如圖ll所示。
綜上所述，我們認為本發明利用了當前最先進的多種技術基礎(電磁理論、 電工原理、高精度授時技術、微電子技術)進行開發和組合，結合《國家電網 公司輸變電工程典型設計》要求，根據我國地下電力電纜的實際敷設情況和結 構特點，專門針對在非開挖、不停運的工作條件下，實現安全、可靠、迅速、 高準確性識別目標電纜的唯一性和計算相位角的方法，并通過實驗樣機驗證了 本方法的有效性和可行性；解決了電力部門多年來未能有效解決的、現有檢測 手段和方法帶有明顯缺陷和不足的客觀難題，為電力地下電纜普査、軌跡定位、 故障點的快速査找判斷，提供了有效、可靠的保證；并且在裝置的開發設計上， 充分體現了測量準確性、功能前瞻性、現場適應性、操作傻瓜型的設計理念， 可廣泛用于電力部門地下電纜復雜工況的準確識別和軌跡定位。
本發明并非僅限于在此明確描述的實施例。雖然先前的描述和附圖描述了
本發明的優選實施例，但是可以理解在不脫離本發明的精神的情況下，在此 可以產生各種附加、修改和替換。本領域普通技術人員很清楚在不脫離本發 明的精神或本質特性的情況下，可以以其他特殊形式、結構、布置、比例、以 及利用其他元件、材料和部件來實現本發明。本領域的技術人員將意識到本 發明可以使用發明實際中使用的結構、布置、比例、材料以及部件和其他的許 多修改，這些修改在不脫離本發明的原理的情況下而特別適應于特殊環境和操 作需求。因此，當前公開的實施例在所有方面應被理解為說明性的而非對其請 求保護的范圍的限制。
權利要求
1.一種待測電纜高準確性識別檢測方法，于對待測電纜進行高準確性識別檢測，通過對待測電纜施加一電信號后，對接收所回饋電信號的全過程進行電壓、電流、幅值、方向、相位角和相位差等全特征分析從而判斷待測電纜的類型，其中使用信號發射裝置發射電信號、使用信號接收裝置來接收信號，所接收的信號通過A/D轉換、放大、補償、同步等處理后與基準電纜數據進行比較以確定其類型；其特征在于其中包括下列步驟在電纜運行不斷電或使用中的情況下，信號發射裝置向待測電纜加載固定頻率音頻信號；信號接收裝置對待測電纜進行非接觸式音頻信號采集并進行放大；通過對待測電纜中電壓、電流的測算，計算回路電阻，根據所計算的電阻數值進行回路工況預測；根據該工況預測值，通過信號發射裝置和信號接收裝置之間的傳輸回饋信號進行發射信號的增益調節；在信號發射裝置和信號接收裝置進行遠距離高精度授時(加入時間信號)同步，根據所獲得的數據來確定待測電纜的類型。
2. 根據權利要求1所述的檢測方法，其中加載的是固定頻率的電信號。
3. 根據權利要求2所述的檢測方法，其中加載的是固定頻率的音頻信號。
4. 根據權利要求3所述的檢測方法，其中加載的是固定頻率且帶有自動增益調 節功能的音頻信號。
5. 據權利要求1或2所述的檢測方法，其中的信號發射裝置和信號接收裝置是 通過信號耦合方式向待測電纜進行信號的加載和采集。
6. 根據權利要求3所述的檢測方法，其中信號發射裝置向待測電纜進行音頻信 號的加載和信號接收裝置對待測電纜進行音頻信號的采集是以非接觸的方式進行的。
7. 根據權利要求5所述的檢測方法，其中信號發射裝置向待測電纜進行音頻信 號的加載和信號接收裝置對待測電纜進行音頻信號的采集是以非接觸的方式進行的。
8. 根據權利要求3、 5所述的檢測方法，其中信號發射裝置和信號接收裝置之間 是通過無線方式傳輸回饋信號的。
9. 根據權利要求1-8所述的檢測方法，其中確定待測電纜的類型的確定步驟包括定義步驟，對待測電纜進行部分特定特征的定義； A/D轉換，對接收的音頻信號并進行A/D轉換； MCU處理，取數字信號進入MCU進行同步處理；計算步驟，對待測電纜信號的相關數據進行計算，通過事先的模擬電路理論分析 和實驗數據，設定判斷程序和基準信號；比較步驟，將計算得到的數據與基準信號進行比較； 輸出步驟，根據比較結果確定待測電纜的類型并輸出。
10. 根據權利要求9所述的檢測方法，其中對待測電纜進行部分特定特征的定義 中，該特定特征可以是首端相位角。
全文摘要
一種遠距離進行待測電纜全特征分析的檢測方法及其裝置，可基于電壓、電流、幅值、方向和相位信號等對多回路運行的待測電纜進行全特征分析，具有多路信號同時采集、在不斷電情況下高準確性識別同源同體傳遞信號與同源異體感應干擾信號，以及自帶工況條件評定的唯一性識別待測電纜的優點。通過發射裝置向管線加載固定頻率的音頻信號，然后在檢測端一次性采集該區塊所有電纜的全部信號，接收裝置在獲取上述信號后進行濾波、放大等處理，取等于發射頻率的信號與基準信號進行比較，經數字處理、比較計算后，得到各組信號的電流值、各回路電阻值、各采集信號相位角及其和基準信號的相位偏移度，與已知電纜基準信號具有相同特征的電纜即為該種電纜。
文檔編號G01V1/00GK101359058SQ20081011672
公開日2009年2月4日 申請日期2008年7月16日 優先權日2008年7月16日
發明者嚴海林, 朱莉琴, 賈曉剛 申請人:嚴海林;賈曉剛;朱莉琴