基于反射法的线缆故障定位算法研究

关键词： 故障定位；时域反射法；扩频时域反射法；时频域反射法

中图分类号：U226.5 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）28-0085-03

随着社会信息化的不断发展，线缆作为信息通信、能源传输等任务的传输载体，被越来越广泛地应用。随着使用时间的增长，线缆将逐渐受到不同类型的应力影响，这些应力会导致线缆发生故障，产生潜在危险和损害，严重影响设备的使用寿命，甚至危害人民的生命财产安全[1]。

目前，传统的线缆故障定位方法主要包括万用表法、电阻电桥法和反射法等。万用表法通过测量线缆两端的电阻大小来判断线缆是否故障，但无法对线缆故障进行精确定位。电阻电桥法利用电阻平衡以及电阻与线缆长度的比例关系来实现故障定位，但同样需要接入线缆两端，并对环境因素要求较高。随着高速脉冲技术的发展，反射法逐渐成为线缆故障定位领域的主流方法，基于雷达原理，向待测线缆中发射检测信号，由于线缆故障位置出现阻抗不匹配现象，会产生一个反射信号，通过分析发射信号与反射信号确定故障位置[2]。目前，常用的测量算法主要有时域反射法、扩频时域反射法和时频域反射法。文章将对以上三种算法进行性能分析，说明其各自的优缺点。

1 线缆故障定位算法原理

1.1 时域反射法

时域反射法（Time-Domain Reflectometry，TDR） 是由于高速脉冲技术发展而出现的一种高效的测量技术。自问世以来，TDR技术迅速在电缆故障定位领域普及，已成为现如今线缆故障领域应用最广泛的测量技术之一[3]。时域反射法与雷达原理相似。在测试过程中，利用高速脉冲信号发生器将检测信号注入待测电缆中。当电缆发生故障时，会引起内部阻抗变化，从而产生阻抗不匹配现象。当检测信号遇到故障点所引发的阻抗不匹配时，会产生反射信号，并可能发生全反射或部分反射。通过取样示波器接收反射信号，并结合发射信号与接收反射信号之间的时间间隔，以及电缆中信号的传播速度，就可以计算出故障位置。TDR原理图如图1所示。

式中，l为检测端口与故障点处的距离；v为信号在线缆中的传播速度，传播速度的大小与线缆绝缘材料及结构有关；Δt为发射信号与反射信号之间的时间间隔。

1.2 扩频时域反射法

扩展频谱时域反射法（Spread Spectrum Time Do⁃main Reflectometry，SSTDR）是在时域反射法基础上发展而来的一种线缆故障定位算法[4]。SSTDR 技术对TDR的改进之处在于利用伪随机序列码片与基带信号调制，对检测信号进行扩频处理，从而增加了检测信号在时域上的长度，理论上提升了抗干扰能力。由于伪随机序列具有优秀的自相关特性，调制后的检测信号也因此得到相应的特性[5]。常用的伪随机序列有m序列、Gold序列、双素数序列等。SSTDR原理图如图2所示。

2 仿真性能验证

2.1 仿真环境设置

为了验证时域反射法、扩频时域反射法和时频域反射法的综合性能，本文利用数字仿真模型模拟线缆故障产生的反射信号。通过模拟线缆故障分别位于20米和30米时的反射信号，对三种算法进行仿真实验。表1为仿真参数设置表。

2.2 性能分析

表2 为无噪声条件下线缆故障定位算法定位结果。

在无噪声条件下，三种故障定位算法结果误差相同，相对误差均为0.28左右，处于较低水平。受信号发射速率及采样速率限制，当故障位置产生反射波的起始位置位于两个采样点之间时，故障定位算法只会寻找到起始位置最近一个点作为反射信号的起始点，从而产生了一些误差，也是无噪声环境下线缆故障定位误差的主要来源。

为了验证故障定位算法的抗干扰性能，在模拟检测信号中加以-20 ～ -1dBw的噪声，表3为噪声条件下线缆故障定位算法的定位结果。

由表3可知，引入噪声后，时域反射法的定位误差均在50%以上，处于较高水平。由于时域反射法通过检测发射脉冲与反射脉冲之间的时间间隔确定线缆故障位置，因此对反射脉冲的精确识别影响着线缆故障定位的精度。当线缆中出现噪声干扰时，定位算法会将噪声信号错误识别为反射脉冲，导致时域反射法对噪声干扰较为敏感，抗干扰能力较差。

相对于传统时域反射法，扩频时域反射法增强了抗干扰能力，相对误差仅为1.14%和1.79%，定位误差较小，相对于传统时域反射法提高了定位精度。由于扩频时域反射法增加了发射信号的长度，因此存在一段发射信号与反射信号混叠导致无法判断故障位置的检测盲区。

当线缆故障位于5米时，此时线缆故障位于检测盲区内，时频域反射法也有着较好的定位精度相对误差仅为0.28%，在故障位置为20米及30米处时相对误差仅为0.28% 和0.56%，整体故障定位相对误差在0.3%左右，相比于扩频时域反射法增益为80%，证明时频域反射法相比于扩频时域反射法提高了定位精度，减小了检测盲区对故障定位的影响。

3 结论

本文通过比较不同噪声条件下三种故障定位算法的定位结果，分析了三种定位算法的优缺点。时域反射法原理简单易实现、检测速度快，但抗干扰能力较差，噪声干扰会严重影响定位精度，适用于噪声干扰较低的领域。扩频时域反射法增强了抗干扰能力，但存在检测盲区问题，适用于含噪条件下的长距离检测。时频域反射法进一步降低了噪声对故障定位精度的影响，同时减小了检测盲区，增强了故障定位算法的适用范围，但时频域反射法需要计算信号的时频分布以及时频互相关函数，计算复杂度较高，适用于噪声干扰较大、对检测速率要求较低的领域。本文的研究为线缆检测领域提供了参考，可根据具体线缆检测需求选择合适的算法，具有较强的现实意义。