基于双调制波的电缆核线技术研究

引言

电力电缆是电能在电气设备之间传输或控制信号在电气设备之间传递及通信的重要媒介,在检修维护电力设备及电力建设过程中发挥的作用十分重要。在实际工作中,电力电缆从早期的建设到后期投入运行后的运维,其对线、查线、探测和管理上均存在着很大的不足,具体表现为建设电缆时接线与铺设核线技术不够先进,电缆检测效率较低,电缆探测精确度无法满足电缆检测实用性的要求,电缆检测的准确性与供电可靠性存在明显差距,在复杂环境下,如运行时检测、掩埋、强电磁干扰、多条电缆缠绕等情况下,电缆普查和数据信息的管理往往存在很大的技术漏洞和缺陷,究其原因均为缺乏有效的技术手段对电力电缆进行精准地定位检测。另外,电力电缆在后期的检修运维中也存在着很大的困难,如21世纪以来,电力电缆快速发展,迅速从早期的新建过渡到了如今的大规模铺设,随着城镇现代化的推进,如今的电力电缆网络错综复杂,因而在施工过程中,从轻度受损到被挖断的情况屡屡发生,其原因主要在于早期电缆铺设网络大多没有存档记录。此外,管理规范片面且落后、技术手段缺乏、人员不断变动等因素也导致了此类情况的发生。

1双调制波的合成

根据电缆信号传输模型,需要一个发射信号,且该信号的正反相周期特性须不同。而双调制波是一种正相信号与反相信号不同的周期信号,其通过叠加两个设计好的不同频率的正弦波信号而产生,识别电力电缆便可基于该信号来完成。本项目所研究的电力电缆核线装置正是基于该技术,且两个正弦波信号频率设计为800Hz和1200Hz。

在设计双调制波的过程中,不能选取频率具有整数倍关系的两个波形,其原因在于成倍数关系的两个波形叠加后所得到的调制波相位变化了180^。,如图1和图2所示(图中选取的波形频率为1kHz和3kHz,其频率成倍数关系）。

为更方便地合成波形,选取波形的最优方法是选择频率具有最小公倍数的两个波形,故本项目选择的是频率分别为800Hz和1200Hz的两个正弦波,其叠加后所得到的双调制波频率是400Hz,且波形正反相是截然不同的,如图3所示,其分别是800Hz和1200Hz反相后的波形及叠加后所得到的波形。实际上,实现此效果的条件是两个正弦波的频率比为2/3。

由于逆变器的正弦信号受到开关频率的限制,故采用上述频率的正弦波信号。通常情况下,开关频率在100kHz以下,如不间断电源中的逆变器的开关频率在20kHz左右。系统的开关频率可设定为100kHz,导致波形畸变和开关频率较难过滤的原因通常为调制波频率过大,每个周波的开关周期过少。而且若频率过高,考虑到传输线寄生参数的影响,会导致电缆上的信号严重衰减,从而减短信号的传输距离。另外,频率不能太低,控制电缆内部可能存在工频交流电,其高频谐波较弱,对上述两个频率的信号影响相对较小,这样就能很容易地过滤掉低频分量,得到400Hz的双调制波信号。

2双调制波信号相位分析

对双调制波信号的某个周期进行快速傅里叶变换运算,可得到800Hz和1200Hz信号采样周期起始点处的相位φ800和φ1200。根据这两个相位可以求得800Hz信号峰值时(即φ800P=909),1200Hz信号的相位φ1200800P,且φ1200800P和φ800P=909均满足一定的等式关系。

根据φ800与909的关系,匹配电缆上的信号划分情形如图4所示。

在情形1和Ⅲ所得到的φ800介于09～909之间,而情形Ⅱ和Ⅳ所得到的φ800介于909～3609之间。下面分析每一种情形以得到在不同情形下φ800和φ1200的关系。

在情形Ⅰ和Ⅲ下,起点到峰值经过的相位为909-φ800,则1200Hz信号经过的相位应为2/3(909-φ800),于是:

对于情形V和s,起点到峰值经过的相位为4509-φ800,则1200Hz信号经过的相位应为3/2(4509-φ800),于是:

由于以上计算结果有超过3609的可能,而快速傅里叶变换计算结果应在09～3609,所以将09～3609之外的φ1200进行处理,减去或加上3609,直到0≤φ1200≤3609。

(P)3609表示若是P>3609,则P减掉3609:若是P<0,则P加上3609,直到0≤P<3609。

同理,非匹配电缆上的信号划分情形如图5所示。

在情形I和I下,起点到峰值经过的相位为4509-φ800,则1200Hz信号经过的相位应为3/2(4509-φ800),于是:

对于情形Ⅲ和Ⅳ,起点到峰值经过的相位为909-φ800,则1200Hz信号经过的相位应为3/2(909-φ800),于是:

3识别判据

根据上文分析的结果,φ800和φ1%00在双调制波正反相情况下满足不同的等式关系,且以上述关系作为识别判据,不会产生误判。

故,电缆匹配标准判据:

和:

两者满足其一即可。

电缆不匹配标准判据:

和:

两者满足其一即可。

虽然电缆不匹配判据不能直接确定电缆之间的匹配关系,但其可以检测仪器。若检测结果同时不满足匹配和非匹配标准判据,则可能是仪器发生故障,重新更换设备即可。

4结语

本文对基于双调制波的电缆核线系统中的部分环节进行了研究,后续得到了部分电路的试验结果且制造出了样机。基于本文所述技术设计的电力电缆核线系统主要由发射端和接收端两部分组成,其中发射端主要采用升压逆变结构,通过电磁感应原理将识别到的信号耦合到电力电缆的金属铠甲上:接收端采用相位识别技术来检测和鉴别电力电缆金属铠甲上的信号,并判断出电力电缆的相互对应关系。如今,基于双调制波技术的电力电缆核线系统已在智能管理系统中取得了良好的运行效果,通过该系统,相关工作人员可以及时、精确地掌握电力电缆位置和情况,这对电力电缆的安全运维、日常管理、城市施工、事故预防等起到了积极作用。