DE4220410C1

DE4220410C1 - Verfahren zum Bestimmen eines Fehlers auf einer elektrischen Übertragungsleitung

Info

Publication number: DE4220410C1
Application number: DE4220410A
Authority: DE
Inventors: Stephan Meyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-06-19
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2012-06-20
Also published as: WO1994000773A1; JPH07508146A; US5481195A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Fehlers auf einer elektrischen Übertragungsleitung, bei dem die Übertragungsleitung an einem Ende mit einem Impuls beaufschlagt und an demselben Ende ein reflektiertes Signal erfaßt wird.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (M. Bindlingmaier, A. Haag und K. Kühnemann "Einheiten, Grundbegriffe, Meßverfahren der Nachrichten-Übertragungstechnik" Siemens Aktiengesellschaft, Ausgabe November 1969, Seiten 80 und 81) wird die Zeitdifferenz zwischen einem Sendeimpuls und seinem Echosignal gemessen, um daraus auf die Lage eines Leitungsfehlers zu schließen. Aus der Höhe und der Form des Echosignals in bezug auf die entsprechenden Größen des Sendesignals läßt sich der Fehler auch nach Wert und Art bestimmen. Das bekannte Verfahren ist allerdings nur zur Ermittlung von nicht allzuweit von der Einspeisestelle des Sendesignals liegenden Fehlern geeignet, nicht jedoch zur Ermittlung von entfernt liegenden Leitungsfehlern anwendbar, weil das Echosignal bei weit entfernt liegenden Fehlern im Rauschen untergeht. Außerdem muß bei dem bekannten Verfahren der auf dem Schirm eines Oszillografen sichtbare Verlauf von Sende- und Echosignal von einem Fachmann im Hinblick auf Fehler interpretiert werden.

Ferner ist ein Verfahren zur Ortung nicht festbrennbarer Kabelfehler bekannt (DE 39 19 497 A1), bei dem zunächst ein Kondensator soweit aufgeladen wird, daß seine Ladespannung oberhalb der Überschlagspannung an der Fehlerstelle des Kabels liegt. Anschließend wird durch Entladung ein zeitlich begrenzter Lichtbogen an der Fehlerstelle erzeugt und nach seinem Erlöschen eine Reflexionswelle aufgenommen, die mit der Restladung des Kondensators erzeugt wird. Eine zweite Reflexionswelle wird ohne Lichtbogenzündung dadurch erzeugt, daß der erneut aber niedriger aufgeladene Kondensator erneut über das zu untersuchende Kabel entladen wird. Die zweite Reflexionswelle wird ebenfalls aufgenommen; mittels der beiden Reflexionswellen ist die Fehlerentfernung genau bestimmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen eines Fehlers auf einer elektrischen Übertragungsleitung vorzuschlagen, das das Erkennen und Bestimmen von Fehlern erheblich erleichtert und auch das Bestimmen von relativ weit vom Einspeiseende der Übertragungsleitung auftretenden Fehlern ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß Leitungsimpulsantworten bei unterschiedlichen Leitungslängen einer zur Übertragungsleitung typengleichen Leitung ermittelt und gespeichert; bei Beaufschlagung der Übertragungsleitung mit einem Dirac-Impuls wird aus Abschnitten der erfaßten Impulsantwort der Übertragungsleitung aus reflektiertem Signal und aus jeweils den Abschnitten zeitlich entsprechenden, gespeicherten Leitungsimpulsantworten der typengleichen Leitung jeweils der Korrelationskoeffizient berechnet, und es wird jeweils eine von dem Quotienten eines Wertes aus dem jeweiligen Abschnitt der Impulsantwort der Übertragungsleitung zu einem zeitlich entsprechenden Wert der Leitungsimpulsantworten der typengleichen Leitung abhängige Rechengröße gebildet, aus der durch Multiplikation mit dem jeweiligen Korrelationsfaktor der Reflexionsfaktor ermittelt wird; mit dem Reflexionsfaktor wird gemäß der Beziehung

der Wert des ohmschen Widerstandes an der Stelle des Fehlers errechnet, wobei Z den Wellenwiderstand der Übertragungsleitung bezeichnet.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es ein Meßergebnis liefert, das ohne jede Interpretation eine Aussage über einen Fehler gibt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nicht nur in bezug auf das mit dem Impuls beaufschlagte Ende der Übertragungsleitung naheliegende Leitungsfehler bestimmt werden können, sondern auch relativ weit entfernt liegende Fehler, weil wegen des eingesetzten Korrelationsverfahrens ein solcher Fehler trotz eines relativ stark verrauschten reflektierten Signals bestimmt werden kann. Zwar sind im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen eines Fehlers auf einer elektrischen Übertragungsleitung die Leitungsimpulsantworten einer typengleichen Leitung vorab zu ermitteln, indem die typengleiche Leitung mit künstlich erzeugten Fehlern bei unterschiedlicher Leitungslänge mit jeweils einem Dirac-Impuls beaufschlagt wird und die jeweiligen Leitungsimpulsantworten erfaßt und gespeichert werden, jedoch sind diese Vorarbeiten für einen Typ von zu untersuchenden elektrischen Übertragungsleitungen nur jeweils ein einziges Mal vorzunehmen. Die Leitungsimpulsantworten können aber auch stattdessen durch Rechnung bestimmt werden, indem dabei der typengleichen Leitung eigene Parameter berücksichtigt werden. Im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also ein Modell von Leitungsimpulsantworten einer zur jeweils zu untersuchenden elektrischen Übertragungsleitung typengleichen Leitung gebildet und anhand dieses Modells eine leitungsorientierte Korrelation durchgeführt, die über den Meßzeitraum kontinuierlich das Muster, nach dem korreliert wird, verändert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Berechnung des Korrelationskoeffizienten in unterschiedlicher Weise erfolgen. So hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Berechnung des Korrelationskoeffizienten über eine Zeitdauer vorzunehmen, die sich aus der Anstiegszeit und der Abfallzeit der Leitungsimpulsantwort der typengleichen Leitung zusammensetzt.

Um die Berechnung des Korrelationskoeffizienten unter Berücksichtigung des Umstandes möglichst exakt durchzuführen, daß für weit entfernt auftretende Fehler die Abfallzeit der Leitungsimpulsantwort ein Vielfaches der Anstiegszeit ist, wird in vorteilhafter Weise die Berechnung eines Teil-Korrelationskoeffizienten während der Anstiegszeit der Leitungsimpulsantwort und die Berechnung eines weiteren Teil-Korrelationskoeffizienten während der Abfallzeit der Leitungsimpulsantwort der typengleichen Leitung vorgenommen und der Korrelationskoeffizient durch Multiplikation der Teil-Korrelationskoeffizienten gewonnen. Damit wird verhindert, daß sich die Anstiegszeit bei einer Korrelation hinsichtlich der gesamten Leitungsimpulsantwort immer weniger auf das Ergebnis auswirkt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Korrelationskoeffizienten für jeweils dicht aufeinander folgende Abschnitte der Impulsantwort der Übertragungsleitung berechnet werden, was jedoch mit einem sehr hohen Erfassungs- bzw. Rechenaufwand verbunden ist.

Um den Rechenaufwand bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglichst gering zu halten, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Impulsantwort der Übertragungsleitung auf ein Überschreiten vorgegebener Schwellenwerte untersucht wird und eine Berechnung des Wertes des ohmschen Widerstandes an der Stelle des Fehlers ausschließlich zu Zeitpunkten der Schwellenüberschreitung erfolgt. Es findet dann eine Berechnung des Korrelationskoeffizienten und der weiteren oben erwähnten Größen nur noch an markanten Punkten statt, wodurch das Meßergebnis relativ schnell gewinnbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Berechnung des Wertes des ohmschen Widerstandes an der Stelle des Fehlers auch zu festen Zeitpunkten der Impulsantwort der Übertragungsleitung vorgenommen werden. Diese Zeitpunkte sind zweckmäßigerweise entsprechend den Zeitpunkten der Aufnahme der Leitungsimpulsantworten der typengleichen Leitung gewählt. Diese Art des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vor allem zur Überwachung einer Übertragungsleitung auf Fehler an vorgegebenen Stellen geeignet.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Korrelation, in

Fig. 3 eine Darstellung mit zwei Diagrammen zur Veranschaulichung der bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielten Vorteile und in

Fig. 4 der Verlauf eines ermittelten Wertes des ohmschen Widerstandes einer Übertragungsleitung über der Zeit dargestellt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich um eine Anordnung, mit der ein Fehler auf einer symmetrischen Leitung 1 als elektrischer Übertragungsleitung ermittelt werden kann. Die symmetrische Leitung 1 ist mit einem Ende 2 über einen Koppler 3 angeschlossen, dem über einen Eingang 4 ein Impuls eines Pulsgenerators 5 zugeführt wird, der über eine Leitung 6 mit einem Trigger- Impuls aus einer Steuereinrichtung 7 beaufschlagt ist. Das von der symmetrischen Leitung 1 reflektierte Signal JA wird über einen Ausgang 8 und einen nachgeordneten Verstärker 9 einer Abtasteinrichtung 10 zugeführt, der ein Analog-Digital-Umsetzer 11 nachgeordnet ist. Dieser Umsetzer 11 ist über einen Datenbus 12 mit der Steuereinrichtung 7 verbunden. In der Steuereinrichtung 7, vorzugsweise ein elektronischer Rechner, werden die Abtastwerte gespeichert. Der Steuereinrichtung 7 ist über einen weiteren Datenbus 13 eine Anzeigevorrichtung 14 nachgeordnet.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden z. B. zunächst die Leitungsimpulsantworten einer zur zu untersuchenden symmetrischen Leitung 1 typengleichen Leitung anhand von in einer solchen typengleichen Leitung reflektierten Impulsen in Abhängigkeit von der Entfernung des angenommenen Fehlabschlusses, z. B. Kurzschluß oder offenes Ende erfaßt. Die Werte der so ermittelten unterschiedlichen Leitungsimpulsantworten der typengleichen Leitung werden gewissermaßen als Pulsmodell in der Steuereinrichtung bzw. im Rechner 7 gespeichert.

Zum Bestimmen eines Fehlers auf der symmetrischen Leitung 1, die typengleich mit der Leitung sein muß, deren Pulsmodell aufgenommen worden ist, wird an dem Ende 2 eine Beaufschlagung mit einem Dirac-Impuls vorgenommen. Gleichzeitig wird die Impulsantwort JA der symmetrischen Leitung 1 erfaßt, wobei die Impulsantwort beispielsweise den im Diagramm a der Fig. 2 dargestellten Verlauf über der Zeit t haben kann. Die Werte der Impulsantwort werden ebenfalls in der Steuereinrichtung 7 unter Erhaltung ihres Zeitranges gespeichert.

Anschließend werden die Werte der Impulsantwort der zu untersuchenden symmetrischen Leitung 1 auf das Überschreiten einer vorgegebenen Schwelle W untersucht. Mit der Ermittlung der einzelnen, den Schwellenwert überschreitenden Werte der Impulsantwort der symmetrischen Leitung ist auch deren Zeitrang festgestellt, und es kann somit die Korrelation des sich anschließenden Abschnittes der Impulsantwort nach Diagramm a der Fig. 2 mit der entsprechenden Leitungsimpulsantwort der typengleichen Leitung erfolgen, von der drei Leitungsimpulsantworten J1, J2 und J3 im Diagramm b der Fig. 2 beispielhaft dargestellt sind. Es werden jeweils Teil-Korrelationskoeffizienten r₁ und r₂ (siehe Diagramm b der Fig. 2) für jeweils die Anstiegszeit der jeweiligen Leitungsimpulsantwort J1 bis J3 und für jeweils die Abfallzeit errechnet.

Diese Berechnung erfolgt in der Weise, daß zunächst eine Kovarianzfolge Sxy₁ gemäß folgender Gleichung (1) für die Anstiegszeit der Leitungsimpulsantwort J1 gebildet wird:

In dieser Gleichung (1) gibt N die Zahl der Abtastwerte X_i der Impulsantwort JA gemäß Diagramm a der Fig. 2 an, die während der Anstiegszeit der Leitungsimpulsantwort J1 aufgetreten sind. Y_i bezeichnet die Abtastwerte, die während der Anstiegszeit der Leitungsimpulsantwort J1 aufgetreten sind. Dabei variiert die Größe i zwischen l und N.

Ferner werden gemäß den nachfolgenden Gleichungen (2) und (3) die Standardabweichungen Sx₁ und Sy₁ ermittelt:

Mittels der Größen Sxy₁, Sx₁ und Sy₁ kann dann gemäß der nachfolgenden Beziehung (4) der Korrelationskoeffizient r₁ für die Anstiegszeit der Leitungsimpulsantwort J1 ermittelt werden:

Entsprechend wird ein Teil-Korrelationskoeffizient r₂ in bezug auf die Abfallzeit der Leitungsimpulsantwort J1 errechnet. Der Korrelationskoeffizient r_J1 für die Leitungsimpulsantwort J1 insgesamt ergibt sich dann nach folgender Beziehung (5):

r_J1 = r₁ · r₂ (5)

Entsprechend werden weitere Korrelationskoeffizienten r_J2 und J3 in bezug auf die Leitungsimpulsantworten J2 und J3 errechnet.

Im Diagramm b der Fig. 3 ist der Verlauf des Korrelationskoeffizienten r über der Zeit t bzw. über der Länge der Leitung 1 aufgetragen, wobei angenommen ist, daß ein Fehler mit einem ohmschen Abschluß von 100 Ω in einer Entfernung von 86 m (ca. 900 ns) vorhanden ist. Das Diagramm a der Fig. 3 zeigt für einen solchen Fehlerfall den Verlauf der Abtastwerte X_i als Funktion f(x) über der Zeit t. Anzumerken ist, daß der Verlauf des Korrelationskoeffizienten r im Diagramm b - anders als in Fig. 2 dargestellt - aufgrund kontinuierlicher Berechnung mit zeitlich dicht aufeinanderfolgenden Leitungsimpulsantworten der typengleichen Leitung bestimmt ist.

Da der Korrelationskoeffizient r ein Maß für die Ähnlichkeit der Funktion nach den Diagrammmen a und b der Fig. 2 angibt, ergibt eine Berechnung zum Zeitpunkt t1 einen sehr steilen Impuls, weil die Impulsantwort der zu untersuchenden Leitung 1 gemäß Diagramm a und die Leitungsimpulsantwort J1 der typengleichen Leitung gemäß Diagramm b einander sehr ähnlich sind. Der Korrelationskoeffizient ist entsprechend hoch. Zum Zeitpunkt t2 ist ein flacherer Impuls im Diagramm c zu erwarten, da die Impulsantwort der zu untersuchenden Leitung 1 in ihrer Form an dieser Stelle wesentlich vom Pulsmodell (J2) abweicht; Folge ist ein kleiner Korrelationskoeffizient. Erst zum Zeitpunkt t3 liegt eine Impulsantwort gemäß Diagramm a vor, die weitgehend dem Pulsmodell (J3) gemäß Diagramm b entspricht, woraus sich ein hoher Korrelationskoeffizient ergibt.

Zum Ermitteln des Wertes des ohmschen Widerstandes an der Stelle des Fehlers auf der zu untersuchenden Leitung 1 muß zusätzlich eine Rechengröße Vxy_J1 herangezogen werden, die durch folgende Beziehung (6) gegeben ist:

Vxy_J1 = 1/N Σ(X_i/Y_i) (6)

Die Rechengröße Vxy_J1 kann bezogen auf den Zeitpunkt des Spitzenwertes der Leitungsimpulsantwort J1 auch nach der Beziehung (7) berechnet werden:

Vxy_J1 = X_i/Y_i (7)

Das Verhältnis Vxy_J1 entspricht einer Gewichtung der Leitungsimpulsantwort J1 der typengleichen Leitung 1 und damit dem Reflexionsfaktor R(t).

Normiert kann man den Reflexionsfaktor R(t) auch durch folgende Beziehung (8) ausdrücken:

In dieser Gleichung (7) bezeichnet A_max den Spitzenwert in der Leitungsimpulsantwort J1.

Zur Berechnung des Wertes des ohmschen Widerstandes an der Stelle des Fehlers auf der zu untersuchenden elektrischen Leitung 1 wird die folgende Gleichung (9) verwendet:

In Fig. 4 ist der Verlauf eines ermittelten Leitwertes in Siemens (S) über der Zeit dargestellt, bezogen auf denselben Fehlerfall, wie er bei Betrachtung der Fig. 3 zugrunde gelegt wurde. Der Leitwert erreicht einen Wert von ca. 10 mS, was einem Fehlabschluß von ca. 100 Ω entspricht.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen eines Fehlers auf einer elektrischen Übertragungsleitung, bei dem

- die Übertragungsleitung an einem Ende mit einem Impuls beaufschlagt und an demselben Ende ein reflektiertes Signal erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- Leitungsimpulsantworten (J1, J2, J3) bei unterschiedlichen Leitungslängen einer zur Übertragungsleitung (1) typengleichen Leitung ermittelt und gespeichert werden,
- bei Beaufschlagung der Übertragungsleitung (1) mit einem Dirac-Impuls aus Abschnitten der erfaßten Impulsantwort (JA) der Übertragungsleitung (1) als reflektiertem Signal und aus jeweils den Abschnitten zeitlich entsprechenden, gespeicherten Leitungsimpulsantworten (J1, J2, J3) der typengleichen Leitung jeweils der Korrelationskoeffizient (r₁, r₂, r₃) berechnet wird,
- jeweils eine von dem Quotienten eines Wertes (X_i) aus dem jeweiligen Abschnitt der Impulsantwort (JA) der Nachrichtenübertragungsleitung (1) zu einem zeitlich entsprechenden Wert (Y_i) der Leitungsimpulsantworten (J1, J2, J3) der typengleichen Leitung abhängige Rechengröße (Vxy_J1) gebildet wird, aus der durch Multiplikation mit dem jeweiligen Korrelationskoeffizienten (r_J1) der Reflexionsfaktor (R(t)) ermittelt wird und
- mit dem Reflexionsfaktor (R(t)) gemäß der Beziehung der Wert (R_ab (t)) des ohmschen Widerstandes an der Stelle des Fehlers errechnet wird, wobei Z den Wellenwiderstand der Nachrichtenübertragungsleitung (1) bezeichnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Korrelationskoeffizienten (r_J1, r_J2, r_J3) während einer Zeitdauer vorgenommen wird, die der Anstiegszeit und der Abfallzeit der Leitungsimpuslantwort (J1, J2, J3) der typengleichen Leitung entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Berechnung eines Teil-Korrelationskoeffizienten (r₁) während der Anstiegszeit der Leitungsimpulsantwort und die Berechnung eines weiteren Teil-Korrelationskoeffizienten (r₂) während der Abfallzeit der Leitungsimpulsantwort (J1) der typengleichen Leitung vorgenommen wird und
- der Korrelationskoeffizient (r_J₁) durch Multiplikation der Teil-Korrelationskoeffizienten (r₁, r₂) gewonnen wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Impulsantwort (JA) der Übertragungsleitung (1) auf ein Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes (W) untersucht wird und
- eine Berechnung des Wertes (R_ab(t)) des ohmschen Widerstandes an der Stelle des Fehlers ausschließlich zu Zeitpunkten der Schwellenüberschreitung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Wertes des ohmschen Widerstandes an der Stelle des Fehlers zu festen Zeitpunkten der Impulsantwort (JA) der Übertragungsleitung (1) vorgenommen wird.