线路负载及故障检测装置（C题）
学校：哈尔滨工业大学
作者：姚凯、曹梨波、温兆亮
指导教师：段建东
摘要：本作品基于数字电桥电路原理，由±5V电源模块，DDS发生模块、功率放大电路、测量电桥、采样放大电路、鉴相电路和STM32单片机组成，采用多频点检测的方式，对不同种类的负载具有非常好的适应性。在DDS模块中，由AD9854芯片可以产生0-150MHz的检测正弦波，作为平衡电桥的输入信号，后者由运放和推挽电路组成，可以为电桥提供一定的电流输出能力，并且具有良好的输入输出隔离特性，同时利用电桥中的后级运放可以将电流量转换成电压量，既避免了复杂的差分采样，又大幅提高了采样的精确度。同时在故障检测时采用了电流闭环和间歇式测量，显著提高了故障点定位的准确性。其外本作品中还加入了二阶带通滤波器，能够非常有效地抑制环境噪声对测量精度的影响。
1系统方案
1.1方案比较与选择
方案1：通过在测量回路A端施加单一频率正弦波，B端经采样电阻接地，测量电压电流的幅值比与相位差判断元件类型并计算其值；通过测量某一频率下负载网络阻抗大小并与三种元件可能组成的八种负载网络理论阻抗比较确定负载类型；通过寻找短路回路电阻与短路故障点距离关系计算故障距离。此设计方法思路简单，电路结构简洁，但实际负载网络判断可靠性低，没有明显的区分特征，极易混淆，同时电压电流量级小采样很难把握精度，故障点距离测量误差较大。
方案2：利用数字电桥原理，待测回路A、B点接在电桥测量端。仍利用相角判断负载类型，伏安法测量元件值。判断网络结构时，通过特征点进行树状检索，对于模糊特征的节点，利用二分法寻找谐振点，通过谐振点特征判断。这加快了检测速度并提高了检测精度。短路故障点定位时，输出10kHz正弦波，利用推挽电路输出较大功率，利用电流闭环稳定负载电流为200mA，通过短路阻抗与短路故障点距离之间的线性关系定位。装置内带有二阶带通滤波器，可滤除题目所加的环境噪声。该方案具有很强的电流承受能力，对不同负载网络有很强的适应性。
方案3：通过按对数特征改变加在网络上的电压频率，得到负载在10Hz到100kHz下一系列点的阻抗和相角，与八种网络类型、短路及开路短路情况的幅频和相频特性进行对比。此方式理论上非常精确，但存在一系列缺点：首先是数据量极大，判断速度极慢；其次，为了得到与理想特性的匹配程度，需要复杂的算法支持，在短时间内难以上手，且算法可靠性不高时，噪声将对结果造成巨大影响；更糟糕的是，由于输出功率有限，短路时，导线两端电压实在太小，使得系统采样信号信噪比极高，使得其无法判断短路位置。
经过比较与取舍，本次设计选择方案2。
1.2方案描述
利用数字电桥原理，待测回路A、B点接在电桥测量端。测量电桥由三级结构组成，其前后两级由运算放大器和推挽电路构成，分别用于对输入检测正弦波进行功率放大和将待采电流量放大并转化为电压量；其中间级是由三组继电器控制的测量档选择电路和测量接口。当进行元件值测量时，单片机从电压采样电路和相位检测电路获取数据，利用相角判断负载类型，伏安法测量元件值。判断网络结构时，通过特征点进行树状检索，对于模糊特征的节点，利用二分法寻找谐振点，通过谐振点特征判断。短路故障点定位时，单片机控制继电器切换接入测量回路的电阻同时启用电流闭环控制，使电桥输出恒定200mA的电流，并通过短路阻抗与短路故障点距离之间的线性关系准确定位。最后在两路采样中加入二阶带通滤波器，用以滤除题目中所加的环境噪声。
2理论分析与计算
2.1元件测量
理论分析：元件测量时，首先单片机控制DDS模块依次产生10Hz、100kHz正弦检测波，进行元件属性判断：在10Hz检测波下，若测得阻抗极小，在100kHz下，测得阻抗较大，则判定为电感；在100kHz下，若测得阻抗极小，在10Hz检测波下，测得阻抗极大，则判定为电容；若在两种频率下阻抗基本不变，则判定为电阻。判断完毕后，电阻和电感的值以100kHz频率下所测为准，电容值以1kHz频率下所测为准，并在显示屏上显示。
2.2负载网络结构判断
在测量负载网络结构时，首先向回路发出10Hz低频正弦检测波，若单片机测得网络阻抗小于30Ω，则认为负载网络对直流短路，由此可以判断出网络是RL并联、RLC并联，LC并联或者短路，标记为情况1；若阻抗在200-2200Ω之间时，网络负载可能为RL串联网络或者RC串联网络，标记为情况2；若阻抗大于6000Ω时，则认为网络对直流开路，此时可以判定是RC串联、LC串联、LRC串联和短路之一，标记为情况3。然后向回路发出100kHz的高频检测波，在情况1下，负载网络阻抗大于60Ω，判断为RL并联网络，如果阻值极小，如果相角约等于-90°，则是RLC并联或LC并联网络；如果相角接近0°，则判断为短路。在情况2下，如果网络阻抗小于20Ω，判断为RC并联网络，否则是RL串联网络。在情况3下，如果阻抗极大，大于5000Ω，判断为开路；如果阻抗实部小于10Ω，判断为LC串联网络；如果检测到电压、电流之间相位差小于0.1度，判断为RC串联；其余情况，判断为RLC串联网络。最后剩下的RLC并联网络和LC并联网络，通过不断改变频率，寻找其谐振频率，并测量谐振频率时的阻抗。如果阻抗小于2000Ω，则为RLC并联网络，否则为LC并联网络。至此，可以判断出所有RLC串并联网络。
2.3短路故障点定位
在网络检测时，当检测到短路网络时，单片机自动发出短路故障报警。同时，通过闭合继电器，减小第一级推挽电路后的限流电阻，接着减小电流采样电阻的阻值，从而向A、B点之间输入一个幅值较大的电流，以检测较低的线路阻抗。调整测量频率为10kHz，根据实际测得的短路阻抗和导线阻抗Z与故障距离之间的线性关系：7.27mΩ/cm,计算出故障点距离AB两端的距离：
为了尽可能消除噪声对测量精度的影响,本次设计在采样电路中加设了可选的带有带宽为10k-100kHz的带通滤波器。由于方案中用到了较低的测量频率，故仅在在系统受到干扰，体现在采样数据方差大于阈值时，启用带通滤波器，通过测量相角，判断是否为短路。若为短路，利用带有带通滤波器的通道进行短路故障定位。这样的结构显著地提升了系统的抗干扰性能，大大提高了测量的准确性。
本检测装置误差来源主要包括：环境噪声；被测量电压、电流较小时ADC步长带来的系统误差；电压电流相位差的采样误差；放大器噪声以及无法避免的采样偶然误差。针对上述误差，采取以下措施：1、环境噪声利用本节第4部分所示方法抑制；2、在电压较小时使用十倍增益放大通道，在电流较小时在电压不饱和的前提下增大加在负载两端的电压值；3、利用滞回比较器将高频正弦波转换为方波，利用单片机捕获模式测量；4、为了抑制采样用的放大器噪声和漂移，选用性能较好的精密运放；5、在时间允许的情况下多次测量进行均值滤波，抑制偶然误差。
3电路与程序设计
3.1电路设计
3.1.1主电路设计
如图2所示的数字电桥是运算放大器LF357与推挽电路（由三极管TIP41和TIP42构成）共同组成的功率放大电路，由DDS模块输出的低幅值高频正弦波经此处放大，并使其具有一定的驱动能力。电桥中三个受单片机控制的继电器模块用于在正常测量与短路故障点测量之间进行电路由电压源到电流源结构的切换，以保证不同模式下的测量精度。电桥的后级是一个与前级结构相似的功率放大电路，利用运放将待测回路中的微小电流量转化为可测量的电压量，便于采样
3.1.2采样电路的设计
电压采样：电压采样的核心电路如图3所示，这是一个由两片LF357运算放大器搭成的精密整流电路：当输入电压U_in>0时，输出电压U_out=U_in；当输入电压U_in<0时，输出电压U_out=-U_in，此电路将原本幅值正负交替的待采正弦电压整流成幅值仅为正的馒头波，再经输出侧阻容网络滤波后，便可得到一个直流电压信号。该电路将一个交流量最终转换为正偏置直流量，增加单片机的采样速度，解决了片上ADC只能采集正电压的问题并且大幅提高了采样精度。
3.1.3相位检测电路
如图4所示，该相位检测电路是一个滞回比较器，其阈值为±0.0033V，用于将正弦电流转化为方波，同时消除过零点抖动。单片机通过比较两路方波的相位差得出电压、电流之间的相位关系。
3.1.4二阶带通滤波电路
如图5所示，这是一个二阶带通滤波器，其由两片LF357运放构成，带宽范围为10kHz-100kHz，用以滤除1MHz-10MHz的高频噪声和10kHz以下的低频噪声。
3.2程序设计
装置上电后，单片机复位并进入待命状态，对负载回路不断进行扫描。当检测到有负载接入回路中时，自动计算其阻抗，并判断负载性质；当检测到故障时，发出对应警报，若为短路故障，则测出短路点具AB端的距离。测量结束后再次进入待命状态。
4.1测试仪器FLUKE 199C200MHz示波器、MOTECH MT4090 LCR 数字电桥、UNI-TUT85A 万用表、DF17310-36V 线性稳压源、SUINGDDS函数发生器
4.2测试方案与结果 4.2.1元件值的测量
分别在200Ω至2000Ω，200nF至2μF，100μH至1mH中取五个不同标称值的元件，首先用MOTECH MT 4090 LCR 数字电桥测得元件的标准值，然后利用本文设计的检测装置测量，结果见表1至3
表1 电感值测量
| 电感标称值 | 100μH | 350μH | 500μH | 750μH | 1mH |
| 数字电桥测量值 | 100.13μH | 352.00μH | 497.58μH | 745.65μH | 998.91μH |
| 装置测量值 | 99μH | 341μH | 485μH | 730μH | 959μH |
| 误差 | 1% | 3.1% | 2.5% | 2.0% | 3.9% |
| 测量时间 | 远小于5s |
表2 电阻值测量
| 电感标称值 | 100μH | 350μH | 500μH | 750μH | 1mH |
| 数字电桥测量值 | 100.13μH | 352.00μH | 497.58μH | 745.65μH | 998.91μH |
| 装置测量值 | 99μH | 341μH | 485μH | 730μH | 959μH |
| 误差 | 1% | 3.1% | 2.5% | 2.0% | 3.9% |
| 测量时间 | 远小于5s |
表3 电容值测量
| 电容标称值 | 200nF | 330nF | 470nF | 1uF | 2uF |
| 数字电桥测量值 | 202.00nF | 319.00 nF | 474.00 nF | 1.001 uF | 2.021 uF |
| 装置测量值 | 198 nF | 333 nF | 480 nF | 1.1 uF | 2.054 uF |
| 误差 | 1.0% | 1.0% | 2.1% | 1.0% | 1.7% |
| 测量时间 | 远小于5s |
综上可知，本检测装置在题目要求范围内测量元件值误差范围不大于4%，小于题目5%的要求，测量时间远小于5s，因此达标。
4.2.2负载网络结构的判断 在AB两端内接入不同的负载网络，观察监测装置屏幕显示网络名称与实际是否一致。结果见表4.
表4 负载网络测量
| 负载网络 | 串联RC | 并联RL | 并联RLC |
| 检测结果 | 一致 | 一致 | 一致 |
4.2.3短路故障点的检测 在远端30cm的负载故障区内取五个位置，检测装置对故障位置进行定位，将测量值与实际值比较，结果见表5。
表5 故障点测量
| 实际距离/cm | 30.0 | 35.0 | 40.0 | 45.0 | 50.0 |
| 测量距离/cm | 29.7 | 35.7 | 40.7 | 44.6 | 49.8 |
4.2.4在A点加入干扰源并检测故障点 在3）的基础上，利用数字信号发生器在A点加入100至1kHz幅值为5V的方波的噪声。结果见表6.
表6 低频噪声故障点测量
| 实际距离/cm | 30.0 | 35.0 | 40.0 | 45.0 | 50.0 |
| 测量距离/cm | 29.6 | 35.4 | 40.6 | 44.5 | 50.5 |
4.2.5在B点加入干扰源并检测故障点 在3）的基础上，在B点加入1M至10MHz幅值为5V的方波噪声。结果见表7.
表7 高频噪声故障点测量
| 实际距离/cm | 30.0 | 35.0 | 40.0 | 45.0 | 50.0 |
| 测量距离/cm | 30.4 | 35.7 | 39.6 | 45.8 | 49.3 |
由此可见，高频噪声对测量产生了一定影响，但是误差仍在1cm之内。
4.3测试结果分析 综上，本文设计的负载故障检测装置可以准确测量电阻、电感、电容元件的值，并且误差小于4%，同时可以准确检测负载网络的特性。当负载回路发生故障时，该装置可以分别发出短路和断路警报，并且在负载短路时准确测量故障点距离源端的距离，其误差小于1cm。此外，装置具有良好的抗干扰性能，可以在低频、高频噪声中准确定位故障位置。虽然，本次设计的测量手段较为复杂，逻辑判断有些繁冗，但是具有高度的准确性和抗干扰能力。
参考文献
[1]王淑娟.蔡惟铮.齐明.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2009.5
[2]王兆安.刘进军.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2009.5
[3]刘火良.杨森. STM32库开发实战指南.北京:机械工业出版社.2013.7
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