[发明专利]基于TDR的分布式电缆状态检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路、电路硬件设计和嵌入式软件设计、PC软件以及算法设计、通信领域，特别是一种实时线缆管网状态监测的系统，利用先进的TDR(时域反射)技术和计算机算法，通过数字信号处理方法获得线缆管网实时工作状态以及故障定位的系统，在配电柜上增加TDR模组以及3G/4G通信模组，实时采集线缆管网的反射信号并且将其转换为数字信号，将数据通过3G/4G模组发送到数据中心，数据中心通过小波变换、最佳相似性等算法，获得线缆管网的工作状态，实时定位故障地点，并且发出相应的报警与提示信息，与故障点周边的其他市政设施实现联动。

技术背景

当前的线缆状态检测，采用集中式信号发生器和分布式信号接收方式，接收端通过信号是否连续，来判断线缆是否导通。整个系统需要在目前所有的负载上更改，而且当需要更多关于线缆状态以及相应的负载状态分析等工作时，需要针对所有的负载进行二次设计和施工，增值业务几乎无法提供。当前系统如图1所示。

连接关系如下：配电箱内增加信号发生器，配电箱出5根电缆：3根相线A、B、C，零线N、以及地线PE；负载接3线电缆：3根相线中的一根、零线、地线，同时在负载内增加信号接收机、无线通信模组。

工作过程如下：正常工作状态下，配线箱内的信号发生器连续发送信号，而负载内的信号接收机能够连续接收到信号；当线缆被截断时，全部或者部分负载内的接收机的信号将中断，从而使无线通信模组发出报警信号。

目前的方式在设计上简单，但是实施困难，工作量巨大而且标准不统一，各种负载的工作环境恶劣，使得相关设备的寿命很短，或者需要额外的成本进行改进。

传统方法的缺点为：

功能单一，仅能够检测线缆的通断状态；

实施难度大，需要根据不同的负载设计相应的接收机、通信模组等；

不能够迅速精确定位线缆故障点，仅能够参照负载位置大致判断；

成本高，针对以亿计的各种不同负载进行更改，总体成本太高；

不能够预测线缆以及负载的工作状态，维护工作不具备针对性和预防性：

无法识别不同的负载以及各个厂家设备材料的质量；

无法识别安装施工的质量问题以及进行预防性改进；

不适合在复杂的环境下工作。

本发明内容

本发明是通过如下方法实现的。

如图2所示为基于TDR的线缆状态监测系统终端硬件，连接关系为：4个信号耦合模组分别与3根相线、1根零线，以及4个HPF模组、1个驱动模组连接，地线分别与4个耦合模组连接，4个ADC模组分别与4个HPF模组连接，MCU模组分别与4个ADC模组，以及SDRAM模组、传感器模组、GPS/北斗模组、3G/4G模组连接，1～100M信号发生器与驱动模组连接，开关电源与充电模组、充电电池构成电源模组，给整个系统供电。

工作原理如下：1～100MHz信号发生器产生脉冲信号，经过驱动模组以及信号耦合后发送到5根线缆上：3根相线、1根零线、1根地线，耦合模组同时接收线缆上回传的脉冲反射波，将原生脉冲以及反射脉冲发送到HPF模组，经处理后进入ADC模组转换为数字信号。

数字信号存储在SDRAM内，MCU将4根线缆(3根相线、1根零线)上的多次测量数据进行平均，然后根据最大相似算法，计算4根电缆上的数据与预置数据的差别，如果没有差别，则继续进行持续的测量，如果检测到差别，则启动报警程序，将相关数据通过3G/4G模组发送到数据中心。

传感器模组内含加速度传感器、振动传感器、箱体门禁传感器等，当检测到数据异常，则启动报警程序，将相关数据通过3G/4G模组发送到数据中心。

GPS/北斗模组获得整个模组所在位置信息，安装后位置相对固定。当位置由变化时，则启动报警程序，将相关数据通过3G/4G模组发送到数据中心。

开关电源、充电模组、充电电池构成电源模组，给整个模组提供电力。

如图3所示，检测模组与电力电缆的连接方式，4个相同的信号耦合与HPF模组，具有同样的输入输出端口。相线A与信号耦合与HPF1模组的VHAP端口连接，相线B与信号耦合与HPF2模组的VHAP端口连接，相线C与信号耦合与HPF3模组的VHAP端口连接，零线N与信号耦合与HPF4模组的VHAP端口连接，地线与4个信号耦合与HPF模组的VHAN端口连接。