基于雙調制波的電纜核線技術研究

陶雙柱 袁立翱 楊濤宇 錢俊杰

摘要：雙調制波是指一種正相信號與反相信號完全不同的周期信號，其是通過疊加兩個正弦波信號而產生的，而這兩個正弦波信號的頻率是不相同的?，F介紹利用電磁感應原理的基于雙調制波技術的電力電纜核線技術，其通過鑒別耦合信號的不同相位，從而達到在線檢測電力電纜的目的。

關鍵詞：電纜識別;雙調制波信號;頻譜分析

中圖分類號：TM247? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0019-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.005

0? ? 引言

電力電纜是電能在電氣設備之間傳輸或控制信號在電氣設備之間傳遞及通信的重要媒介，在檢修維護電力設備及電力建設過程中發揮的作用十分重要[1-3]。在實際工作中，電力電纜從早期的建設到后期投入運行后的運維，其對線、查線、探測和管理上均存在著很大的不足，具體表現為建設電纜時接線與鋪設核線技術不夠先進，電纜檢測效率較低，電纜探測精確度無法滿足電纜檢測實用性的要求，電纜檢測的準確性與供電可靠性存在明顯差距，在復雜環境下，如運行時檢測、掩埋、強電磁干擾、多條電纜纏繞等情況下，電纜普查和數據信息的管理往往存在很大的技術漏洞和缺陷，究其原因均為缺乏有效的技術手段對電力電纜進行精準地定位檢測[4-6]。另外，電力電纜在后期的檢修運維中也存在著很大的困難，如21世紀以來，電力電纜快速發展，迅速從早期的新建過渡到了如今的大規模鋪設，隨著城鎮現代化的推進，如今的電力電纜網絡錯綜復雜，因而在施工過程中，從輕度受損到被挖斷的情況屢屢發生，其原因主要在于早期電纜鋪設網絡大多沒有存檔記錄。此外，管理規范片面且落后、技術手段缺乏、人員不斷變動等因素也導致了此類情況的發生[7-8]。

1? ? 雙調制波的合成

根據電纜信號傳輸模型，需要一個發射信號，且該信號的正反相周期特性須不同。而雙調制波是一種正相信號與反相信號不同的周期信號，其通過疊加兩個設計好的不同頻率的正弦波信號而產生，識別電力電纜便可基于該信號來完成。本項目所研究的電力電纜核線裝置正是基于該技術，且兩個正弦波信號頻率設計為800 Hz和1 200 Hz。

在設計雙調制波的過程中，不能選取頻率具有整數倍關系的兩個波形，其原因在于成倍數關系的兩個波形疊加后所得到的調制波相位變化了180°，如圖1和圖2所示（圖中選取的波形頻率為1 kHz和3 kHz，其頻率成倍數關系）。

為更方便地合成波形，選取波形的最優方法是選擇頻率具有最小公倍數的兩個波形，故本項目選擇的是頻率分別為800 Hz和1 200 Hz的兩個正弦波，其疊加后所得到的雙調制波頻率是400 Hz，且波形正反相是截然不同的，如圖3所示，其分別是800 Hz和1 200 Hz反相后的波形及疊加后所得到的波形。實際上，實現此效果的條件是兩個正弦波的頻率比為2/3。

由于逆變器的正弦信號受到開關頻率的限制，故采用上述頻率的正弦波信號。通常情況下，開關頻率在100 kHz以下，如不間斷電源中的逆變器的開關頻率在20 kHz左右。系統的開關頻率可設定為100 kHz，導致波形畸變和開關頻率較難過濾的原因通常為調制波頻率過大，每個周波的開關周期過少。而且若頻率過高，考慮到傳輸線寄生參數的影響，會導致電纜上的信號嚴重衰減，從而減短信號的傳輸距離。另外，頻率不能太低，控制電纜內部可能存在工頻交流電，其高頻諧波較弱，對上述兩個頻率的信號影響相對較小，這樣就能很容易地過濾掉低頻分量，得到400 Hz的雙調制波信號。

2? ? 雙調制波信號相位分析

對雙調制波信號的某個周期進行快速傅里葉變換運算，可得到800 Hz和1 200 Hz信號采樣周期起始點處的相位φ800和φ1 200。根據這兩個相位可以求得800 Hz信號峰值時（即φ800P=90°），1 200 Hz信號的相位φ1 200_800P，且φ1 200_800P和φ800P=90°均滿足一定的等式關系。

根據φ800與90°的關系，匹配電纜上的信號劃分情形如圖4所示。

在情形Ⅰ和Ⅲ所得到的φ800介于0°～90°之間，而情形Ⅱ和Ⅳ所得到的φ800介于90°～360°之間。下面分析每一種情形以得到在不同情形下φ800和φ1 200的關系。

由于以上計算結果有超過360°的可能，而快速傅里葉變換計算結果應在0°～360°，所以將0°～360°之外的φ1 200進行處理，減去或加上360°，直到0≤φ1 200≤360°。

（P）360°表示若是P>360°，則P減掉360°;若是P<0，則P加上360°，直到0≤P<360°。

同理，非匹配電纜上的信號劃分情形如圖5所示。

3? ? 識別判據

根據上文分析的結果，φ800和φ1 200在雙調制波正反相情況下滿足不同的等式關系，且以上述關系作為識別判據，不會產生誤判。

兩者滿足其一即可。

雖然電纜不匹配判據不能直接確定電纜之間的匹配關系，但其可以檢測儀器。若檢測結果同時不滿足匹配和非匹配標準判據，則可能是儀器發生故障，重新更換設備即可。

4? ? 結語

本文對基于雙調制波的電纜核線系統中的部分環節進行了研究，后續得到了部分電路的試驗結果且制造出了樣機?；诒疚乃黾夹g設計的電力電纜核線系統主要由發射端和接收端兩部分組成，其中發射端主要采用升壓逆變結構，通過電磁感應原理將識別到的信號耦合到電力電纜的金屬鎧甲上;接收端采用相位識別技術來檢測和鑒別電力電纜金屬鎧甲上的信號，并判斷出電力電纜的相互對應關系。如今，基于雙調制波技術的電力電纜核線系統已在智能管理系統中取得了良好的運行效果，通過該系統，相關工作人員可以及時、精確地掌握電力電纜位置和情況，這對電力電纜的安全運維、日常管理、城市施工、事故預防等起到了積極作用。

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收稿日期：2021-11-01

作者簡介：陶雙柱（1979—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：電力系統自動化、輸變電施工。