一种脉冲发射控制方法及控制系统与流程

1.本发明涉及自动控制领域，具体是一种脉冲发射控制方法及控制系统。


背景技术：

2.随着我国国民经济的快速发展，电力电缆在城区配电网中得到了越来越广泛的应用。同架空线相比，电力电缆具有供电可靠性高，不受地面和空间建筑物的影响，不受恶劣气候和鸟类侵害，安全、隐蔽、耐用，维护工作量小，防潮，防腐和防损伤等优点。城镇市区人口稠密区、大型工厂、发电厂、交通拥挤区、电网交叉区等地方要求供电占地面积较小，一般多采用电缆进行供电。
3.随着电缆应用数量的增多以及运行时间和负荷的不断增长等原因，电力电缆发生故障越来越频繁。由于电缆线路大多敷设在电缆沟内或埋入地下，一旦发生故障，寻找电缆故障位置十分困难，往往要花费数小时，甚至几天的时间，甚至整条电缆报废。不仅浪费了大量的人力、物力，而且还会造成难以估量的停电损失。因此迅速、准确地确定电力电缆故障点，可以减少停电时间，提高供电可靠性，减少故障修复费用及停电带来的损失。电缆发生故障后一般不能通过直观法直接发现故障点，只能采用专用仪器测试才能判断故障性质和具体的故障距离。目前已经出现了多种实用的测距方法，其中以采用行波法理论进行应用的最为广泛，利用行波法理论可以较准确的进行电缆故障的测距，减小了故障精确定点的工作量，有利于快速发现故障点和排除故障，及时恢复电力系统运行，减小由于电缆故障而带来的经济损失。
4.行波法不仅可以在电缆故障的测距中发挥作用，也可以在需要精确测量电缆实际长度的场合中进行应用，特别是当电缆长度较长且已无法展开进行测量的场合。例如：电缆制造厂产品出厂质量检测中的电缆距离测量、建筑监理单位进行电缆产品收货检测中的电缆距离测量等等。
5.在行波法理论实际应用中，测量入射波和反射波之间的时间差值(单位：μs微秒，1μs＝10-6
秒)是电缆测距技术中的关键技术，如图1所示。而为了精确测量入射波和反射波之间的时间差值，需要对入射波的时间宽度(单位：μs微秒)和幅值大小(单位:v伏)进行精准的控制。
6.在入射波幅值一定的前提下，入射波的时间宽度越大，引起的反射波的波形包络(即反射波的时间宽度和反射波的幅值大小)将会越大，反射波将会越容易被测量和观测到；但同时入射波的时间宽度越大，将会引起入射波和反射波之间的波形混叠，也就是说入射波和反射波的波形重叠到一起了，这将导致无法测量入射波和反射波之间的时间差值，电缆测距失败。而在入射波幅值一定的前提下，入射波的时间宽度越小，引起的反射波的波形包络将会越小，反射波的测量和观测将会越困难，甚至由于电缆对于入射波固有衰减的存在，而实际没有反射波的形成，导致电缆测距失败。
7.上述波形混叠的含义是，入射波在时间域上是有一定宽度的，入射波经电缆传输后形成反射波，反射波在时间域上也是有一定宽度的；有各自宽度的两者，如果在时间域上
发生时间上的重叠，就产生了混叠。这种混叠直接导致测量入射波和反射波之间的时间差值失败，所以需要避免。
8.因此，在电缆测距系统中，精确控制入射波的时间宽度和幅值大小成为需要解决的技术问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种控制入射波时间宽度和幅值大小的脉冲发射控制方法及控制系统，以便准确地测量入射波和反射波之间的时间差值，从而获得精确的电缆长度数值，进而确定电力电缆故障点位置，减少停电时间，提升供电可靠性，减少故障修复费用及停电带来的损失。
10.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
11.一种脉冲发射控制方法，包括如下步骤：
12.步骤1，控制器向信号发生器发送“入射波发送指示”指令；
13.步骤2，信号发生器接收到“入射波发送指示”指令后，按照“入射波发送指示”指令中的配置内容，配置信号发生器的硬件模块，按照配置内容发送入射波；
14.步骤3，信号发生器向控制器发送“应答”指令，若“应答”指令中包含“成功”指示，则控制器继续进行步骤4；若“应答”指令中包含“失败”指示，则控制器重复进行步骤1的操作，或结束整个流程；
15.步骤4，控制器向采集器发送“采集指示”指令；
16.步骤5，采集器向控制器反馈发送“应答”指令，若指令中包含“成功”指示，表示控制器对采集器的采集指示配置已实现，则控制器继续进行步骤6；若指令中包含“失败”指示，则控制器重复进行步骤4的操作，或结束整个流程；
17.步骤6，采集器按照步骤4“采集指示”指令中的配置内容，配置采集器的硬件模块，并按照配置内容进行信号采集和信号处理；
18.步骤7，采集器向控制器模块发送“波形数据传输”指令；该指令包含：按照步骤4“采集指示”指令要求的采集到的入射波和反射波波形数据和/或采集器的编号；
19.步骤8，控制器向采集器发送“应答”指令；该指令包含下面参数的一个或多个：采集器编号、成功或失败指示；
20.控制器接收到“波形数据传输”指令后，若指令中包含采集器编号，控制器将会核对该编号与在步骤4“采集指示”中发送的采集器的编号是否一致，若一致，控制器则进行波形数据的存储，并继续进行步骤9；
21.采集器收到“应答”指令，若包含采集器编号，采集器将核对该编号与自身编号是否一致，若一致，则继续进行步骤9；
22.若指令中包含“成功”指示，表示控制器已对步骤7“波形数据传输”指令正确处理，则采集器采集步骤完成；若指令中包含“失败”指示，则采集器重复进行步骤7的操作，或结束整个流程；
23.步骤9，控制器根据步骤7中获取到的入射波和反射波的数据判断是否需要调整入射波发送参数；控制器若判断需要调整入射波发送参数，则控制器将会返回到步骤1来进行控制以及指令的发送；若不需要调整入射波发送参数，则结束整个流程。
24.作为本发明进一步的方案，所述“入射波发送指示”指令至少包含下面参数的一个或多个：入射波时间宽度、入射波幅值、入射波发送频率、入射波极性、信号发生器编号。
25.作为本发明进一步的方案，所述步骤2中信号发生器的硬件模块配置内容包含下面参数的一个或多个：入射波时间宽度、入射波幅值、入射波发送频率、入射波占空比、入射波极性。
26.作为本发明进一步的方案，所述“采集指示”指令至少包含下面参数的一个或多个：采集器编号、采样频率、采样幅值范围、采样时间长度、每采样点量化位数、滤波方式。
27.作为本发明进一步的方案，所述步骤6中采集器的硬件模块配置内容包含下面参数的一个或多个：采样频率、采样幅值范围、采样时间长度、每采样点量化位数、采样总点数、滤波方式。
28.作为本发明进一步的方案，所述步骤9中控制器判断是否需要调整入射波发送参数的具体方法步骤如下：
29.d.控制器根据步骤7获取到的入射波和反射波的数据，判断入射波和反射波是否发生混叠，若发生波形混叠现象，则控制器缩小入射波的发送时间宽度，结束该控制流程；若没有发生波形混叠现象，则控制器将进行下一步控制判断；
30.e.控制器根据步骤7获取到的入射波和反射波的数据，计算出反射波幅值的最大值，并判断该最大值是否大于所预设的阈值，反射波幅值的最大值若小于阈值，控制器增大入射波的幅值大小或者增大入射波的时间宽度，结束该控制流程，若反射波幅值的最大值大于所预设的阈值，则控制器控制器将进行下一步控制判断；
31.f.控制器根据步骤7获取到的入射波和反射波的数据，计算出反射波与时间轴所包络的面积大小，并判断该面积大小是否大于所预设的阈值；若面积大小小于阈值，控制器增大入射波的幅值大小或者增大入射波的时间宽度，该控制流程结束,反之，则控制流程直接结束。
32.作为本发明进一步的方案，所述缩小入射波发送时间宽度以混叠的情况来确定，混叠越多，缩小的量就需要越大，反之，则越小。
33.作为本发明进一步的方案，所述反射波幅值最大值的计算是指通过大小比较的方法，获得反射波幅值的最大值。
34.作为本发明进一步的方案，所述所预设的阈值是指，某一固定数值或者入射波幅值最大值乘以一固定数值或入射波幅值平均值乘以一固定数值或步骤4“采集指示”指令中采样幅值范围乘以一固定数值。
35.更进一步的，本发明提供一种应用上述方法的脉冲发射控制系统，所述控制系统具体包括：
36.控制器，用于向信号发生器发送“入射波发送指示”指令并接收反馈指令、向采集器发送“采集指示”指令并接收反馈指令、以及对接收到的反馈指令进行数据分析；
37.信号发生器，用于接收“入射波发送指示”指令，按照“入射波发送指示”指令中的配置内容，配置信号发生器的硬件模块，同时按照配置内容发送入射波，并将发送结果通过“应答”指令反馈到控制器；
38.采集器，用于接收“采集指示”指令、配置采集器的硬件模块并按照配置内容进行信号采集和信号处理、向控制器发送反馈指令。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明系统及其控制方法，能够通过控制入射波时间宽度和幅值大小，准确地测量入射波和反射波之间的时间差值，从而获得精确的电缆长度数值，进而确定电力电缆故障点位置，减少停电时间，提升供电可靠性，减少故障修复费用及停电带来的损失。
附图说明
40.图1为现有技术中入射波和反射波之间的时间差值图；
41.图2为本发明控制方法流程图；
42.图3为本发明中控制器具体的分析与控制流程图。
具体实施方式
43.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明：
44.本发明脉冲发射控制系统涉及到的控制模块如下：
45.一、控制器，该模块作为核心控制器件，具有按照预先设置的算法进行独立计算，并根据计算结果按照预先设置的算法进行实时通信的功能。
46.具体的，在本发明中，控制器可以采用现有技术中工业控制器或单片机来实现。
47.二、信号发生器，该模块作为入射波的产生与发送模块，具有：1.产生并发送入射波的功能；2.通信功能；3.按照通信信令给出的参数，调整入射波产生和发送的功能。
48.具体的，在本发明中，该模块采用了基于cpld(complex programmable logic device复杂可编程逻辑器)作为内核的入射波产生和发送功能，具有iic(inter-integratedcircuit集成电路总线)和spi(serial peripheral interface串行外设接口)通信功能，并实现了入射波在0至10微秒时间宽度连续可调，以及入射波在0至1500伏幅值大小可调。
49.三采集器，该模块作为信号的采集与滤波模块，具有：1.电压信号或电流信号的模/数(模拟信号转数字信号)转换功能；2.数字信号滤波功能，包含但不限于高通滤波、带通滤波、低通滤波；3.存储功能，将模/数转换后的数字信号存储下来；4.通信功能，将转换后的数字信号通过通信接口进行发送。
50.具体的，在本发明中，该模块采用了基于dsp(digital signal processor数字信号处理器)作为内核的采集器，用于进行模拟信号的采集。该模块实现了1000mhz(兆赫兹)的模/数转换功能、1000kbit(千比特位)的存储功能以及usb(universal serial bus通用串行总线)的通信功能。
51.进一步的，图2为本发明上述硬件对应的控制方法流程图，具体包括如下步骤：
52.步骤1，控制器向信号发生器发送“入射波发送指示”指令；该指令至少包含下面参数的一个或多个：入射波时间宽度、入射波幅值、入射波发送频率、入射波极性(正极性脉冲或负极性脉冲)、信号发生器编号；该指示信息通过下面任一种通信方式进行发送：usb、iic、spi、gpio模组。
53.步骤2，信号发生器接收到“入射波发送指示”指令后，按照“入射波发送指示”指令中的配置内容，配置信号发生器的硬件模块，按照配置内容发送入射波。
54.具体的，信号发生器接收到的“入射波发送指示”指令中，若包含信号发生器编号，
信号发生器将会核对该编号与自身编号是否一致，若一致，则继续进行下面的步骤，若不一致，则该信号发生器不再继续进行下面的步骤。
55.具体的，信号发生器按照“入射波发送指示”指令中的配置内容，配置信号发生器的硬件模块，具体的硬件配置内容包含下面参数的一个或多个：入射波时间宽度、入射波幅值、入射波发送频率、入射波占空比、入射波极性(正极性脉冲或负极性脉冲)。
56.步骤3，信号发生器向控制器发送“应答”指令。该指令包含下面参数的一个或多个：信号发生器编号、成功或失败指示。
57.进一步，控制器收到“应答”指令，若指令中包含“成功”指示，则控制器继续进行下面的步骤；若指令中包含“失败”指示，则控制器重复进行步骤1的操作，或者整个流程结束。
58.步骤4，控制器向采集器发送“采集指示”指令，该指令至少包含下面参数的一个或多个：采集器编号、采样频率、采样幅值范围、采样时间长度、每采样点量化位数、滤波方式；指令通过下面任一种通信方式进行发送：usb、iic、spi、gpio模组。
59.具体的，采集器接收到的“采集指示”指令中，若包含采集器编号，采集器将会核对该编号与自身编号是否一致，若一致，则继续进行下面的步骤，若不一致，则该采集器不再继续进行下面的步骤。
60.步骤5，采集器向控制器发送“应答”指令。该指令包含下面参数的一个或多个：采集器编号、成功或失败指示。
61.进一步，控制器收到“应答”指令，若指令中包含“成功”指示，表示控制器对采集器的采集指示配置已实现，则控制器继续进行下面的步骤；若指令中包含“失败”指示，则控制器重复进行步骤4的操作，或者整个流程结束。
62.步骤6，采集器按照步骤4“采集指示”指令中的配置内容，配置采集器的硬件模块，并按照配置内容进行信号采集和信号处理。
63.具体的，采集器按照步骤4“采集指示”指令中的配置内容，配置采集器的硬件模块，具体的硬件配置内容包含下面参数的一个或多个：采样频率、采样幅值范围、采样时间长度、每采样点量化位数、采样总点数、滤波方式。
64.步骤7，采集器向控制器模块发送“波形数据传输”指令。该指令包含：按照步骤4“采集指示”指令要求的采集到的入射波和反射波波形数据和/或采集器的编号。
65.步骤8，控制器向采集器发送“应答”指令。该指令包含下面参数的一个或多个：采集器编号、成功或失败指示。
66.进一步，控制器接收到“波形数据传输”指令后，若指令中包含采集器编号，控制器将会核对该编号与在步骤4“采集指示”中发送的采集器的编号是否一致，若一致，控制器将会进行波形数据的存储，并继续进行下面的步骤，若不一致，则控制器不再继续进行下面的步骤。
67.进一步，采集器收到“应答”指令，若包含采集器编号，采集器将核对该编号与自身编号是否一致，若一致，则继续进行下面的步骤；若不一致，则该采集器不再继续进行下面的步骤。
68.进一步，若指令中包含“成功”指示，表示控制器已对步骤7“波形数据传输”指令正确处理，则采集器采集步骤完成；若指令中包含“失败”指示，则采集器重复进行步骤7的操作，或者整个流程结束。
69.步骤9，数据分析；数据分析过程是由控制器来实现的，控制器根据步骤7中获取到的入射波和反射波的数据进行分析与控制。
70.图3为上述步骤9中控制器具体的分析与控制流程，表述如下：
71.a控制器根据步骤7获取到的入射波和反射波的数据，判断入射波和反射波是否发生混叠。如果发生波形混叠现象，控制器缩小入射波的发送时间宽度，该控制流程结束。进一步的，缩小入射波发送时间宽度是以混叠的情况来决定的，混叠越多，缩小的量就需要越大，反之，则越小。如果没有发生波形混叠现象，控制器将进行下一步控制判断。
72.b控制器根据步骤7获取到的入射波和反射波的数据，计算出反射波幅值的最大值，并判断该最大值是否大于所预设的阈值；进一步的，计算出反射波幅值的最大值是指通过大小比较的方法，获得反射波幅值的最大值。进一步的，所预设的阈值是指，某一固定数值或者入射波幅值最大值乘以一固定数值或入射波幅值平均值乘以一固定数值或步骤4“采集指示”指令中采样幅值范围乘以一固定数值。反射波幅值的最大值如果小于阈值，控制器增大入射波的幅值大小或者增大入射波的时间宽度，该控制流程结束。如果反射波幅值的最大值大于所预设的阈值，则控制器进行下一步控制判断；
73.c控制器根据步骤7获取到的入射波和反射波的数据，计算出反射波与时间轴所包络的面积大小，并判断该面积大小是否大于所预设的阈值；进一步的，计算出反射波与时间轴所包络的面积大小是指通过积分的数学方法进行计算；进一步的，所预设的阈值是指某一固定数值或入射波与时间轴所包络的面积乘以一固定数值。如果面积大小小于阈值，控制器增大入射波的幅值大小或者增大入射波的时间宽度，该控制流程结束。反之，则控制流程直接结束。
74.步骤10，根据步骤9数据分析所获得的结果，如果需要调整入射波发送参数，则控制器将会返回到步骤1来进行控制以及指令的发送；如果不需要调整入射波参数，则整个流程结束。
75.下面通过一个具体的实施例来更进一步的对本发明进行详细说明。
76.具体实施例1由三个模块实现控制入射波时间宽度和幅值大小的方法及系统。其中，控制器采用现有技术中工业控制器来实现；信号发生器采用cpld内核的入射波产生装置来实现；采集器采用dsp内核的模拟信号采集装置来实现。控制器与信号发生器的通信采用spi接口进行通信，控制器与采集器采用usb接口进行通信。
77.步骤1：控制器通过spi接口向信号发生器发送“入射波发送指示”指令；该指令的具体格式如下：
78.1f 1a ff ff 1b ff ff 1c ff 1d ff 1e ff 00
79.其中，指令内容以十六进制来表示；
[0080][0081]
[0082]
进一步的，具体实施例1中“入射波发送指示”指令具体内容为：
[0083]
1f 1a 00 02 1b 01 90 1c 64 1d ff 1e 01 00
[0084]
其表示的具体含义为：入射波时间宽度0.2微秒、入射波幅值400伏、入射波发送频率100赫兹、入射波极性为负极性、信号发生器编号为1；
[0085]
步骤2：信号发生器(编号1)通过spi接口接收到“入射波发送指示”指令后，核对该指令中的信号发生器编号1与自身编号一致，进而按照“入射波发送指示”指令中的配置内容，配置信号发生器的硬件模块，按照配置内容发送入射波。
[0086]
步骤3：信号发生器通过spi接口向控制器发送“应答”指令。该指令的具体格式如下：
[0087]
3f 3a ff 3b ff 00
[0088]
其中，指令内容以十六进制来表示；
[0089][0090][0091]
进一步的，具体实施例1中步骤3的“应答”指令具体内容为：
[0092]
3f 3a 01 3b 00 00
[0093]
其表示的具体含义为：信号发生器编号1、入射波发送“成功”；
[0094]
步骤4，控制器通过usb接口向采集器发送“采集指示”指令；该指令的具体格式如下：
[0095]
4f 4a ff 4b ff ff 4c ff 4d ff ff 4e ff 40ff 00
[0096]
其中，指令内容以十六进制来表示，每个字段的含义如下；
[0097]
[0098][0099]
进一步的，具体实施例1步骤4中“采集指示”指令具体内容为：
[0100]
4f 4a 02 4b 00 64 4c 1e 4d 03e8 4e 0c 40 01 00
[0101]
其表示的具体含义为：采集器编号为2、采样频率为100兆赫兹、采样幅值范围为30伏、采样时间长度为100毫秒、每采样点量化位数为12位、滤波方式为不滤波。
[0102]
步骤5：采集器(编号2)接收到“采集指示”指令后，核对该指令中的采集器编号2与自身编号2一致，采集器通过usb接口向控制器发送“应答”指令。该指令的具体格式如下：
[0103]
5f 5a ff 5b ff 00
[0104]
其中，指令内容以十六进制来表示；具体字段的含义如下。
[0105][0106]
进一步的，具体实施例1中步骤5的“应答”指令具体内容为：
[0107]
5f 5a 02 5b 00 00
[0108]
其表示的具体含义为：采集器编号2、采集器配置“成功”；
[0109]
步骤6，采集器按照步骤4“采集指示”指令中的配置内容，采样频率为100兆赫兹、采样幅值范围为30伏、采样时间长度为100毫秒、每采样点量化位数为12位、滤波方式为不滤波，配置采集器的硬件模块，并按照配置内容进行信号采集和信号处理。
[0110]
步骤7，采集器通过usb接口向控制器发送“波形数据传输”指令。该指令的具体格式如下：
[0111]
7f 7a ff 7b ff ff ff ff 7c ff
……
ff 00
[0112]
其中，指令内容以十六进制来表示；具体字段的含义如下。
[0113][0114]
进一步的，具体实施例1中步骤7的“波形数据传输”指令具体内容为：
[0115]
7f 7a 02 7b 00 00 00 09 7c 11 22 33 44 55 66 77 88 99 00
[0116]
其表示的具体含义为：采集器编号2、波形数据长度为9个字节、波形数据具体内容为：
[0117]
11 22 33 44 55 66 77 88 99；
[0118]
步骤8：控制器接收到步骤7的“波形数据传输”指令后，核对“波形数据传输”中采集器编号与在步骤4“采集指示”中发送的采集器的编号相一致；接着，控制器通过usb接口向采集器(编号2)发送“应答”指令。该指令的具体格式如下：
[0119]
8f 8a ff 8b ff 00
[0120]
其中，指令内容以十六进制来表示；具体字段的含义如下。
[0121][0122]
进一步的，具体实施例1中步骤8的“应答”指令具体内容为：
[0123]
8f 8a 02 8b 00 00
[0124]
其表示的具体含义为：采集器编号2、控制器接收步骤7“波形数据传输”指令“成功”；
[0125]
步骤9，控制器根据步骤7获取到的入射波和反射波的数据，判断入射波和反射波没有发生混叠；通过比较大小的方式获得反射波幅值的最大值为7伏，所预设的阈值为步骤4“采集指示”指令中采样幅值范围的1/6，本实施例为5伏，故反射波幅值的最大值大于所预设的阈值；通过积分的方法计算出反射波与时间轴所包络的面积为5，预设的阈值为入射波与时间轴所包络的面积10乘以固定数值1/3等于3，反射波与时间轴所包络的面积大于预设的阈值。
[0126]
步骤10，依据步骤9中控制器的数据分析，具体实施例1中不需要调整入射波发送参数，整个控制流程结束。
[0127]
综上所述，本发明提供了一种控制入射波时间宽度和幅值大小的脉冲发射控制方法及控制系统，以便准确地测量入射波和反射波之间的时间差值，从而获得精确的电缆长度数值，进而确定电力电缆故障点位置，减少停电时间，提升供电可靠性，减少故障修复费用及停电带来的损失。
[0128]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0129]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。