垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统

：本发明涉及距离测量，尤其涉及一种垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统。

背景技术

0、
背景技术：

1、两路平行的电力线之间发生短路故障是电力传输线常见的故障类型，当发生短路故障时，实现快速准确的自动化故障报警和短路故障点定位检测，可以及时地发现和解决安全隐患，更快恢复日常生产生活，具有重要意义和应用价值。若使用传统方法进行短路故障点排查定位，需要人工介入，使用电压表、电流表等仪器接入电力传输线和负载网络。通过测量电力线和负载网络上电压或电流的变化，来排查短路点位置，存在一定的安全性；同时故障点的距离定位排查时间长，需要耗费大量的人力资源，并且电力线上的各种干扰信号会额外引入较大的测量误差。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明目的在于针对上述背景技术的不足，提供了垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统，具体由以下技术方案实现：

2、垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统，包括：dds信号源电路模块，输出两路相位差为90°的正交信号，作为平行总线和负载网络上短路故障点测量的激励信号；

3、宽带放大器电路模块，对所述正交信号进行电压放大；

4、取样电阻，通过对取样电阻两端电压信号进行采样，判断挂载负载网络的平行总线之间是否发生短路故障

5、乘法器电路模块，实现两路输入信号的相乘；

6、电平调整电路模块，滤除乘法器输出的高频信号分量、输入信号的泄露分量、杂散信号以及高频噪声，同时有效的放大乘法器输出的直流分量，同时对乘法器输出经过低通滤波和直流放大后的直流分量进行偏置电平调整，保证输入到单片机adc采样端口的直流信号是正的单极性信号；

7、射频检波电路模块，将取样电阻两端的交流电压转换为直流信号，用以检测取样电阻两端的电压幅值；

8、单片机，集成adc的两个通道，采样电平调整电路模块的输出，实现基于正交互相关的相位差计算，完成短路故障点的距离计算和参数显示数据的输出；对dds信号源模块控制，并根据短路故障点的距离，选择激励信号频率；完成测量系统的初始化，使用adc的两个通道采样乘法器的直流偏移数据，完成直流漂移的数据采集和校正；采样检测取样电阻两端的电压值，判断平行总线发生短路故障并报警。

9、所述垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统的进一步设计在于，单片机判断平行总线发生短路故障并报警具体包括如下步骤：

10、单片机的adc通道对取样电阻两端的电压幅值vrs进行周期性采样，设定一个阈值th，一旦vrs/vi超过预先设定的阈值,即vrs/vi＞th，测量装置判断此时负载网络中有元件发生短路故障，单片机输出控制信号控制蜂鸣器立刻进行短路报警。

11、所述垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统的进一步设计在于，基于正交互相关的相位差计算包括如下步骤：

12、根据式(1)、式(2)设定dds信号源电路模块输出的两路相位差为90°、频率相同、幅度相等的正交信号；

13、v1＝e cosωt v2＝e sinωt   (1)

14、式(1)中，e表示经两路放大后正交信号的初始幅度，ω表示两路正交信号的频率，假设频率取值在mhz及以上，假设正交信号的初始相位为零，择其中的一路信号v1作为测量装置的输出信号，经过取样电阻后从测量装置的信号输出端n点位置输出，经过一定长度的总线后输入负载网络，负载网络的输出信号经过同样长度的总线后输入系统的信号输入端口m点位置；

15、2)根据式(2)设定干扰信号的频率分量，

16、

17、式(2)，中ωni表示干扰信号的频率、vni表示干扰信号的幅度、φ(ωni)表示干扰信号的相位；

18、用常数a表示总线上挂载的负载网络发生短路后，总线nb、am段和待测网络引入的总增益，则根据式(3)表示系统输入信号v0，

19、v0(t)＝ea cos(ωt+φ(ω))+vn   (3)

20、式(3)，中e0＝ea表示装置输入信号v0的幅度，ω(φ)表示经过总线和负载网络后引入的总相位偏移量，vn表示叠加在测量装置输入信号v0上的干扰信号。

21、3)设定乘法器增益为1，测量装置的输入信号v0与装置内部产生的两路正交信号在装置内部的乘法器中相乘后的输出表示为：

22、

23、

24、式(4)、式(5)中，第一项包含干扰信号和两路正交信号的乘积项，第二项包含两路正交信号的倍频分量，第三项包含相位差φ(ω)的正弦值和余项值；

25、输出信号的第一项分量可化为干扰信号和正交信号的和频与差频分量，将式(4)中vn·e0 cos(ωt)与式(2)表示的干扰信号相乘后可得：

26、

27、由于选取的正交信号为高频，频率在mhz及以上，一般情况下绝大部分干扰信号频率和选取的正交信号频率会有明显的频率间隔，低通滤波器的截止频率设置为10khz，所有和频分量和绝大部分差频分量都明显高于低通滤波器的截止频率，无法通过低通滤波器，因此输出信号的第一项分量经过低通滤波之后绝大部分都已被滤除，认为近似为零。输出信号的第二项分量的频率为两倍的正交信号频率，属于高频分量，被低通滤波器滤除。

28、式(4)和式(5)表示的乘法器输出信号经过低通滤波器之后，只剩下第三项分量，表示为：

29、

30、i(ω)和q(ω)表示输出信号经过低通滤波器之后输出的两路直流分量；

31、根据式(8)计算出总相位偏移量φ(ω)：

32、

33、所述垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统的进一步设计在于，单片机基于正交互相关的相位差和相位差测距计算，包括如下步骤：

34、步骤1)将两路直流分量i(ω)和q(ω)先进行直流放大和电平调整，然后再送入单片机的adc采样端口进行幅度检测，得到两路直流信号i'(ω)、q'(ω)的幅度；测量装置内部，在互相关算法的实际电路实现过程中，乘法器的增益只有接近1，输出的两路直流分量i(ω)和q(ω)本身幅度较小，约为几mv到几十mv，且极性不确定。因此为提高直流分量i(ω)和q(ω)的检测精度，并保证i(ω)和q(ω)是单极性的正信号(满足单片机adc采样端口输入电平的要求)。

35、步骤2)两路直流放大电路的增益相同、两路电平调整电路引入的直流偏置电压也相同，将输入单片机的adc采样端口的两路直流信号表示为：

36、q'(ω)＝g·q(ω)+vrex i'(ω)＝g·i(ω)+vrex   (9)

37、其中，g表示两路直流放大电路的放大倍数，vrex表示两路电平调整电路引入的直流偏置电压值；

38、经过总线nb段、负载网络和总线am段后，根据式(10)得到引入的总相位偏移量φ(ω)，

39、

40、所述垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统的进一步设计在于，由于模拟乘法器输出存在一定的直流偏移,该直流偏移量并不是一个常数，与输入信号的频率、信号幅度以及工作温度都有关系，直流偏移量的随机变化会影响正交互相关算法的相位偏移量计算结果，进而影响测量装置的故障点测距精度。单片机进行直流漂移的数据采集和校正，具体为：

41、在dds信号源输出通道关闭的情况下，乘法器输入端没有信号，主控单片机的adc通道对乘法器输出的直流漂移信号进行采样，记录500点乘法器的直流漂移数据存储在单片机内，取其平均值作为修正数据，认定乘法器的直流漂移数据在测量的短时间内不变；

42、戒指，通过正交互相关算法进行相位差偏移测量时，对乘法器输出的直流信号用存储的乘法器直流漂移数据进行修正，将初始采样数据减去修正数据后的值作为最终结果，减小乘法器直流漂移引起的叠加误差，修正后再计算相位偏移量。

43、所述垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统的进一步设计在于，单片机进行短路故障点的距离计算具体为：

44、设dds信号源产生的两路正交信号频率为f，测量装置用正交的互相关算法计算出的总线nb段、负载网络和总线am段后引入的总相位偏移量φ(ω)，nb段为总线上短路点b距系统输出端的部分，am段为总线上短路点a距系统输入端的部分，引入总相位偏移量φ(ω)的总长度为l，总线中电磁波信号的传播速度为光速c，总长度l根据式(11)计算；

45、

46、式(11)中，l＝am+bn+δx，

47、在实际应用中负载网络的内部短路线ab长度δx忽略不计，负载网络垂直挂载在平行总线上，nb＝am，因此平行总线上的短路点到测量装置端口之间的距离d表示为：

48、

49、在实际应用中，测量装置输入输出信号端口和两路平行总线上发生的短路点位置a、b之间的距离可能较远(如附图2所示)，通常以百m或为km量级，平行总线之间的距离一般较近，以m为量级。二者相差两个数量级，故负载网络的内部短路线ab长度δx可忽略不计，负载网络垂直挂载在平行总线上，nb＝am(如附图1所示)，因此平行总线上的短路点到测量装置端口之间的距离d可通过式(12)表示。

50、本发明的有益效果：

51、1.本发明的垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统可以实现自动化测量，无需人为操作干预，可以快速检测垂直挂载负载网络的平行总线之间发生的短路点故障并报警，相比传统的人工测量，可以节省大量时间和成本，提高安全性、测量精度可以明显提高。

52、2.本发明的垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统及其采用的相位差测距算法和基于正交互相关的总线负载网络相位差计算法相结合，充分利用正交互相关算法具有较强抗干扰能力的特点，可以应用于工业环境干扰较大的场合，同时提高故障点测距的精度。

53、3.通过进一步的实验测试结果表明，本发明的垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统采用的基于正交互相关的总线负载网络相位差计算法对白噪声干扰也有很好的抑制作用。当负载网络的短路故障点距离较远，总线传输使激励信号衰减较大时，即低信噪比条件下，依然可以保证故障点测距的精度。

54、4.本发明的垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统可以根据故障点测距范围的需求切换不同的输出激励信号频率。在长距离、短距离的故障点测距等多种应用场景下都能保证较小的测量误差。

55、5.本发明的垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统使用的硬件都是低成本、且工作稳定的电路模块，系统采用全模块化设计，具有很好的可拓展性，便于装置维护和升级。

56、6.本发明的垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统经过信号处理电路之后，只需要对直流电压进行采样、对处理器的adc采样速率要求很低；正交的互相关算法实现主要由信号处理的硬件电路完成，对处理器的运算速度要求也不高，因此可以使用低成本的单片机作为测量装置的主控单元，大大降低测量装置的硬件成本和功耗。