CN116559594A - 垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明的基于正交互相关算法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和方法。测量系统由单片机控制单元、信号源电路模块和信号处理电路模块组成，测量方法包含相位差测距算法和基于正交互相关的相位差计算法。本发明可以自动化快速检测垂直挂载负载网络的平行总线发生的短路故障点并报警，自动检测出测量系统信号输入和输出端口和垂直挂载负载网络的平行总线上短路故障点之间的距离。本测量系统具有灵敏度高、精度高、低成本、抗干扰能力强、扩展性强的优势，适用于总线距离长、存在外部干扰、短路故障点人为检测困难等多种情境下的短路故障点排查和定位。

Description

垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统

技术领域：

本发明涉及距离测量技术领域，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：

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。

发明内容：

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：

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；

宽带放大器电路模块，对所述正交信号进行电压放大；

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

乘法器电路模块，实现两路输入信号的相乘；

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；

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；

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。

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：

单片机的ADC通道对取样电阻两端的电压幅值V_Rs进行周期性采样，设定一个阈值TH，一旦V_Rs/V_i超过预先设定的阈值,即V_Rs/V_i＞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。

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：

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；

V₁＝E cosωt V₂＝E sinωt (1)

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；

2)根据式(2)设定干扰信号的频率分量，

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

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，

V₀(t)＝EA cos(ωt+φ(ω))+v_n (3)

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，v_n表示叠加在测量装置输入信号V₀上的干扰信号。

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：

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；

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v_n·E₀ cos(ωt)与式(2)表示的干扰信号相乘后可得：

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。

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：

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；

根据式(8)计算出总相位偏移量φ(ω)：

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：

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)。

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：

Q'(ω)＝G·Q(ω)+V_Rex I'(ω)＝G·I(ω)+V_Rex (9)

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

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)，

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：

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；

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。

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：

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；

式(11)中，L＝AM+BN+Δx，

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：

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。

本发明的有益效果：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

附图说明

图1为本发明垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统判断平行总线上发生短路故障时的示意图。

图2为为负载网络、平行总线、测量系统相对位置的示意图。

图3为本发明垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位系统内部电路模块框图。

图4为AD9959芯片构成的DDS信号源电路原理图。

图5为AD835芯片构成的乘法器电路原理图。

图6为宽带放大器电路原理图。

图7为低通放大和电平调整电路原理图。

图8为DDS信号源输出的两路正交信号波形图(频率为1.5MHz)。

图9为测量系统输出激励信号后，待测网络没有引入外部干扰信号和白噪声时的输出信号波形图。

图10为两路乘法器输出经过低通滤波、直流放大和电平调整后的两路直流信号波形图。

图11为当负载网络或总线上引入外部干扰信号时，负载网络的输出波形图。

图12为当负载网络或总线上引入白噪声信号时，负载网络的输出波形图。

图13为负载网络或总线上没有叠加外部干扰信号和白噪声时，具体实施例中设置短路故障点距离一定时(84cm)，本系统进行连续15次短路故障点距离测量的误差分布直方图。

图14为负载网络或总线上叠加外部干扰信号时(频率为300KHz幅度为100mV的正弦波)，具体实施例中设置短路故障点距离一定时(84cm)，本系统进行连续15次短路故障点距离测量的误差分布直方图。

图15为负载网络或总线上叠加白噪声信号时(有效值为70mV)，具体实施例中设置短路故障点距离一定时(84cm)，本系统进行连续15次短路故障点距离测量的误差分布直方图。

图16为单片机的主控流程示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案进一步说明。

总线上垂直挂载的负载网络为R、L、C元件构成的无源网络，负载网络内部的元件垂直挂载在上下两路平行的总线上(总线可以模拟电网上的电力传输线)，两路总线平行，总线之间有一定的间隔距离Δx。测量装置的信号输入输出端口分别和上下的平行总线相连接。

负载网络、平行总线、测量装置相对位置的示意图如附图1所示。负载网络内部元件个数未知、元件的R、L、C属性未知、元件参数值未知、各元件间的相对距离也未知。附图1中Z₁-Z_n表示负载网络内部的R、L、C元件，Rs是检测装置的取样电阻，检测装置的信号输入端口和总线相连接，在附图1中的位置用M点表示。检测装置的信号输出端口和总线相连接，在附图1中的位置用N点表示，平行总线之间的间隔距离为Δx。当负载网络内部的某元件Z_n发生短路时，上下的平行总线之间就会发生短路，总线上对应的短路点可能出现在挂载负载网络的平行总线上的任意位置。在附图1中，假设元件Z₂发生短路，A、B点分别表示平行总线上对应的短路点位置。由于短路元件Z₂垂直挂载在平行总线之间，因此测量装置输出端口和总线上短路点B之间的距离BN段长度和测量装置输入端口和总线上短路点A之间的距离AM段长度是等长的，即BN＝AM。

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之间的距离可能较远，以百m或km为量级，平行总线之间的距离Δx一般较短，以m为量级。在本发明的具体实施例中，为方便进行实验测量验证，对示意图1中的相应距离进行等比例缩小，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之间的距离设定为几十-上百cm、平行总线之间的距离设定为几cm。总线使用普通的铜介质导线，导线的电阻率约为ρ＝0.0185Ω·m(在20℃常温下)；

当负载网络内部有元件发生短路故障时，和短路元件的具体R、L、C属性以及元件参数值无关，短路元件均可视为短路线，短路线的长度为平行总线之间的距离Δx。此时垂直挂载在两路平行总线之间的负载网络不会引入和元件数值相关的相位偏移，负载网络中只有短路线长度Δx引入的额外相移，相移量和短路线长度Δx成正比。

如附图1所示，A、B点分别表示负载网络内部元件短路后，平行总线上对应的短路点位置，此时测量装置使用正交互相关算法计算出的相位偏移量φ(ω)由装置的信号输出端口点N位置到总线上短路点B之间的距离BN段长度、加上测量装置信号输入端口点M位置和总线上短路点A之间的距离AM段长度、加上待测网络内部的短路线AB段长度Δx(附图1中的AB段长度，即平行总线之间的距离长度Δx)共同引入。总长度用L表示，L＝AM+BN+Δx。总长度L引入总的相位偏移量为φ(ω)。

测量装置的内部结构见附图3。串联取样电阻Rs后，装置的信号输出端口点N和总线相连。装置的信号输入端M和总线相连，输入信号V₀同时接入到装置内部的两个乘法器输入端口。

本实施例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的单片机控制程序可以分为以下几个功能单元：

1.系统初始化单元，单片机对按键、LCD显示屏、蜂鸣器、DDS芯片和ADC采样进行初始化；

2.报警单元，检当单片机检测到短路故障判断条件成立，即取样电阻两端信号幅值接近输入信号幅值时立刻报警；

3.单片机测量初始化的校准单元，通过前期测量调试获取的乘法器直流漂移信号对ADC采样值进行拟合修正，尽可能减小乘法器直流漂移起的叠加误差提高故障点测距的精度；

4.单片机的采样计算单元，使用单片机为控制和计算核心，对电平调整电路的输出信号和取样电阻两端电压信号进行A/D采样和计算，判断是否发生短路故障并获得短路点检测定位结果；

在本发明的具体实施例进行实验测量验证时，为方便实验测量，对示意图1中的相应距离进行等比例缩小，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之间的距离设定为几十—上百cm、平行总线之间的距离设定为4cm。

具体实施例中，在实验室进行实测验证时，故障点的测距范围为几十-上百cm、此时选择激励信号的频率为100MHz，对应的电磁波长为3m，测量的故障点距离位置每变化1cm，相位差变化1.2°，测量装置可以保证在测量范围内具有较高的测量精度。

如附图1，本实施例的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，主要由：DDS(数字频率合成)信号源电路模块、宽带放大器电路模块、取样电阻、射频检波电路模块、乘法器电路模块、电平调整电路(低通滤波直流放大和电平调整)模块以及单片机等模块组成。其中，DDS信号源电路模块，基于DDS输出包含单频正弦波信号和连续扫频的正弦波信号的本振信号。宽带放大器电路模块模块，对DDS信号源输出的两路正交信号进行电压放大。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。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(直流信号的幅值和交流电压的功率成对数关系)，用以检测取样电阻两端的电压幅值。乘法器电路模块，实现两路输入信号的相乘。低通滤波直流放大和电平调整电路模块，用于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，高频噪声等，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。本实施例的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还包括用于显示测量参数的液晶屏幕。

在本实施例中，DDS信号源电路模块使用AD9959芯片，可以输出两路相位差为90°的正交信号，输出信号的频率在1到200范围内连续可调，输出信号幅度在50到300范围内按照一定步长可调，两通道的输出信号相位差在0°到360°之间连续可调。

在本实施例中，宽带放大器电路模块对DDS信号源输出的两路正交信号进行电压放大，输出信号幅度在0.8V-1.6V之间。采用高速电流反馈型运放THS3001芯片，工作频率范围为直流到高频，3dB带宽达到150MHZ，在40MHZ-100MHZ频率范围内增益大于12dB。

在本实施例中，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，阻值在100～300Ω之间；

在本实施例中，乘法器电路模块用于实现两路输入信号的相乘；采用AD835模拟乘法器芯片构成；乘法器的输入信号带宽至少为100MHz，乘法器的增益接近1；

在本实施例中，低通滤波直流放大和电平调整电路模块用于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，高频噪声等，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。采用精密运放OP27AH、AD817AN芯片。低通滤波电路的截止频率为10KHz，直流放大电路的增益大于16dB；电平调整电路的直流偏置电压在1V-2.5V之间可调；

在本实施例中，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(直流信号的幅值和交流电压的功率成对数关系)，用以检测取样电阻两端的电压幅值；利用已有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，快速检测垂直挂载负载网络的平行总线之间发生的短路故障并报警，同时利用基于正交互相关的总线负载网络相位差计算法和相位差测距技术，自动检测出测量系统信号输入和输出端口和垂直挂载负载网络的平行总线上短路故障点之间的距离。附图1是负载网络、平行总线、测量系统相对位置的示意图、附图2是测量系统的内部信号处理电路结构框图，测量系统对垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测和故障点定位实施步骤如下：

(1)stm32f407单片机作为测量系统的主控单元对各模块进行初始化，开启单片机的多通道ADC采样，LCD屏幕显示装置目前运行状态，单片机存储乘法器1，2的直流漂移数据。

(2)ADC采样通道1对射频检波器电路的输出(测量的取样电阻两端电压V_Rs)进行周期性采样，一旦超过预先设定的阈值,即V_Rs/V_i＞TH，报警单元立刻报警。本实施例中取TH＝0.95。在本实施例中，搭建平行总线和负载网络，平行总线短路故障点的距离以m为量级，短路故障点的典型实测判断结果见下表1所示。

表1本申请专利的实施例进行短路点故障判断实验的测量结果

实验中本系统完成共计了43次测量，其中产生短路点故障27次，正常状态16次，短路故障点的误测和漏测次数均为0。

(3)在本实施例中，平行总线短路故障点的距离以m为量级，测距范围相对较短，根据激励信号频率选择原则，测量系统输出的正交激励信号频率取150MHz，对应的波长为2m，激励信号的幅度设置为125mV。宽带放大器的增益为12倍，经过宽带放大器后的输出信号幅度E＝1.5V。激励信号频率选择原则为：测量装置可根据测距范围选择合适的输出激励信号频率。当估计负载网络短路点距离测量装置在km为量级时，测量装置输出的激励信号频率可选取百kHz量级，此时信号对应的电磁波长量级为km。进一步降低激励信号的频率能扩大故障点的测距范围，但如果激励信号的频率过低，对应的电磁波长过大，和测量的故障点距离不处于一个数量级时，由公式(12)可知，用正交互相关算法测量出的总相位偏移量随测量的故障点距离变化不明显，测量装置的故障点距离测量精度会下降。反之，激励信号的频率越高，对应的电磁波长越短，总相位偏移量随测量的故障点距离变化越明显，测量装置的故障点距离测量精度提高，但随着激励信号波长的减小，故障点的测距范围下降，同时激励信号的频率可能会超过乘法器的带宽，使正交的互相关算法测量的总相位偏移量误差增加。

测量系统内部的DDS信号源按照预先设定好的频率和幅值输出两路正交信号V₁＝E cosωt V₂＝E sinωt。V₁通过平行总线的测量系统的信号输出连接点N(如附图1所示)送入负载网络，V₂输入测量系统内部的乘法器2。

在实际应用时，总线故障点的测距范围较宽，一般以百m或km为量级，此时激励信号对应的波长量级为km，能扩大故障点的测距范围。测量系统输出的频率为1.5MHz的正交信号波形见附图8。

(4)测量系统内部的DDS信号源输出的两路正交信号中的一路V₁输入负载网络，另一路信号V₂直接送入测量系统内部的乘法器2。当总线上没有引入外部干扰信号和白噪声时，负载网络的输出信号可以表示为V₀(t)＝E₀ cos(ωt+φ(ω))，输出波形见附图10。测量系统内部的DDS信号源输出的两路正交信号分别与负载网络的输出信号在测量装置内部的乘法器1，2中进行相乘运算。其中E₀＝EA表示负载网络输出信号V₀的幅度，A表示平行总线上挂载的负载网络短路后，总线NB、AM段和负载网络引入的总增益，A为常数。当总线上的短路故障点距离为m量级时，可忽略信号经过总线的衰减，在具体实施例中，A取1。

(5)根据前文的正交互相关算法的推导分析，经过低通滤波后，两路乘法器输出的直流信号可以表示为：

(6)两路乘法器输出的直流信号经过直流放大和电平调整后，可以表示为：Q′(ω)＝G·Q(ω)+V_Rex，I′(ω)＝G·I(ω)+V_Rex。本实施例中，直流放大倍数为15，即G取值15，电平调整电路引入的直流偏置电压为1.6V，即V_Rex取1.6V。乘法器输出的两路信号经过低通滤波、直流放大和电平调整后的直流波形见附图10所示。

(7)单片机使用ADC采样通道2、3对两路低频放大和电平调整后的直流信号Q′(ω)、I′(ω)进行采样。单片机对采样后的直流信号进行处理时，首先对采样的直流信号进行每50点的平均，接下来进行正交互相关的相位差偏移测量时，对两路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，尽可能减小乘法器直流漂移引起的叠加误差，修正后再根据权利要求书中所述的正交互相关算法中(9)、(10)式计算相位偏移量。

(8)根据已知的宽带放大器输出信号幅度E₀，直流放大器放大倍数G和电平调整电路引入的直流偏置电平V_Rex，用权利要求书中所述正交的互相关算法中(9)、(10)式计算出Q(ω)分量，如果值为负，说明sin(φ(ω))＞0，表明相位差φ(ω)在0～π范围内，在此范围内求解公式/>如果Q(ω)值为正，表明相位差φ(ω)在π～2π范围内，求此范围内求解公式/>

(9)用正交的互相关算法计算出负载网络和短路故障点的平行总线距离引入的总

相位偏移量φ(ω)后，根据相位差测距算法，用权利要求书中所述的距离差计算式(11)和式(12)/>最后计算出平行总线上的短路点到测量系统输出端口之间的距离d，在本实施例中，改变平行总线上短路故障点的位置，当负载网络或总线上没有叠加外部干扰信号和白噪声时，连续进行多次实验测量故障点距离，实测数据结果见下表2所示。下表的实测数据包括两路乘法器的输出经过低通滤波和直流放大后的波形幅值，经过电平调整电路后，单片机的两路ADC通道采样的直流信号值，实测的总相位偏移量和对应的故障点距离。

表2当负载网络或总线上没有叠加外部干扰信号和白噪声时，本申请专利的实施例进行连续多次实验，测量的短路故障点距离的数据测量结果

从表2的短路故障点实验测量的数据结果中可以看出，短路故障点的测距范围为几十cm到m级，实测的短路故障点最小距离为20cm，最大距离为180cm。短路故障点距离测量的相对误差最大值为2.34％，测量的相对误差最小值为0.10％，短路故障点的距离测量误差大部分都在1.6％以内，证实了本发明申请提出的一种垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位装置和方法具有较高的测量精度。

(10)在负载网络输出端叠加外部干扰信号，模拟实际应用时外部的工业干扰信号，根据前面权利要求书中所述，负载网络的输出信号可以表示为V₀(t)＝E₀ cos(ωt+φ(ω))+v_n。其中ω_ni表示干扰信号的频率，V_ni表示干扰信号的幅度，φ(ω_ni)表示干扰信号的相位。在具体实施例中，在负载网络上叠加一个频率为300KHz，幅度为100mV的信号模拟外部引入的干扰信号。再次改变平行总线上短路故障点的位置，重复具体实施例的步骤(5)-(9)，连续进行多次实验测量故障点距离，实测数据结果见下表3所示，叠加了外部干扰信号后负载网络的输出信号波形见附图11所示。

表3当负载网络或总线上叠加外部干扰信号时(频率为300KHz，幅度为100mV的正弦波)，本申请专利的实施例进行连续多次实验，测量的短路故障点距离的数据测量结果

从表3的短路故障点实验测量的数据结果中可以看出，短路故障点的测距范围为几十cm到m级，实测的短路故障点最小距离为20cm，最大距离为180cm。短路故障点距离测量的相对误差最大值为3.59％，相对误差最小值为1.38％，短路故障点的距离测量误差大部分都在2.3％以内，和负载网络或总线上没有叠加外部干扰信号和白噪声时相比较，测量相对误差的最大值和最小值增加不超过1.5％。测量的相对误差只是略有所增加，实验结果进一步证实了本发明申请提出的一种垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位装置和方法具有较好的抗干扰能力，在外部干扰信号作用时依然保持较高的测量精度。

(11)在负载网络输出端叠加白噪声信号作为干扰信号，白噪声信号的有效值为70mV，根据前面权利要求书中所述，负载网络输出信号可以表示为V₀(t)＝E₀cos(ωt+φ(ω))+v_n，其中v_n为白噪声。再次改变平行总线上短路故障点的位置，重复具体实施例的步骤(5)-(9)，连续进行多次实验测量故障点距离，实测数据结果见下表4所示，叠加了外部干扰信号后负载网络的输出信号波形见附图12所示。

表4当负载网络或总线上叠加噪声信号时(有效值为70mV)，本申请专利的实施例进行连续多次实验，测量的短路故障点距离的数据测量结果

从表4的短路故障点实验测量的数据结果中可以看出，短路故障点的测距范围不变。测量相对误差的最大值为5.49％，测量相对误差的最小值为2.21％，短路点的测距误差大部分都在3.8％以内。和负载网络或总线上没有叠加外部干扰信号和白噪声时相比较，测量相对误差的最大值和最小值增加不超过3.5％。测量的相对误差也是略有所增加，实验结果证实了本发明申请提出的一种垂直挂载负载网络的平行总线短路点自动检测定位装置和方法对白噪声干扰信号同样具有较好的抑制能力，在外部白噪声信号干扰时依然保持较高的测量精度。

在本实施例中，设置短路故障点距离设置为84cm一定，分别在负载网络或总线上没有引入外部干扰信号和白噪声、负载网络或总线上引入外部干扰信号(频率为300KHz，幅度为100mV的正弦波)、负载网络或总线上引入白噪声信号(有效值为70mV)三种条件下，使用本申请专利发明的系统进行了连续15次短路故障点距离测量，测量结果的误差分布直方图如附图13-15所示。由测试结果可见，当负载网络或总线上没有引入外部干扰信号和白噪声时，短路故障点距离测量的相对误差最大值接近3.5％，相对误差最小值接近0.5％，误差的均方值为1.32％，测量误差的分布接近正态分布。

当负载网络或总线上引入外部干扰信号(频率为300KHz，幅度为100mV的正弦波)时，短路故障点距离测量的相对误差最大值接近3.7％，相对误差最小值接近1.3％，相对误差最大值在5％以内。和负载网络或总线上没有引入外部干扰信号和白噪声时相比较，短路故障点距离测量的相对误差有所增加，误差的均方值为2.33％，误差的均方值增加了约1％。

当负载网络或总线上引入白噪声信号(有效值为70mV)时，短路故障点距离测量的相对误差最大值接近4.6％，相对误差最小值接近2.7％，相对误差最大值在5％以内。和负载网络或总线上没有引入外部干扰信号和白噪声时相比较，短路故障点距离测量的相对误差有所增加，误差的均方值为3.66％，误差的均方值增加了约2.3％。

实验测量结果表明，当负载网络或总线上引入外部干扰信号(频率为300KHz，幅度为100mV的正弦波)和白噪声信号(有效值为70mV)时，短路故障点距离测量的相对误差最大值依然在5％以内，误差的均方值略有所增加。证实了本申请发明专利提出的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和方法，对负载网络和平行总线上的短路故障点的距离测量，具有较高的测量稳定性和测量精度，同时对外部叠加的干扰信号和白噪声都具有较好的抑制能力。

本申请发明的测量装置和方法使用基于正交互相关算法的负载网络相位差计算法和相位差测距技术相结合，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，同时自动检测出测量装置信号输入和输出端口和垂直挂载负载网络的平行总线上短路故障点之间的距离，实现自动化的短路故障点报警和短路点检测定位功能。

本申请发明的测量装置和方法具有灵敏度高、精度高、低成本、抗干扰能力强、扩展性强的优势，适用于当总线距离长、总线存在外部干扰、短路故障点人为检测困难等多种情境下的垂直挂载负载网络的平行总线短路故障点排查和定位。

以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一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，其特征在于包括：

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；

宽带放大器电路模块，对所述正交信号进行电压放大；

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；

乘法器电路模块，实现两路输入信号的相乘；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述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，其特征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：

单片机的ADC通道对取样电阻两端的电压幅值V_Rs进行周期性采样，设定一个阈值TH，一旦V_Rs/V_i超过预先设定的阈值,即V_Rs/V_i>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。

3.根据权利要求1所述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，其特征在于基于正交互相关的相位差计算包括如下步骤：

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；

V₁＝Ecosωt V₂＝Esinωt (1)

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；

2)根据式(2)设定干扰信号的频率分量：

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

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，

V₀(t)＝EAcos(ωt+φ(ω))+v_n (3)

式(3)，中E₀＝EA表示装置输入信号V₀的幅度，φ(ω)表示经过总线和负载网络后引入的总相位偏移量，v_n表示叠加在测量装置输入信号V₀上的干扰信号。

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：

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；

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v_n·E₀cos(ωt)与式(2)表示的干扰信号相乘后可得：

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：

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；

根据式(8)计算出总相位偏移量φ(ω)：

4.根据权利要求1所述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，其特征在于单片机基于正交互相关的相位差计算，包括如下步骤：

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；步骤2)将输入单片机的ADC采样端口的两路直流信号表示为：

Q'(ω)＝G·Q(ω)+V_Rex I'(ω)＝G·I(ω)+V_Rex (9)

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

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)，

5.根据权利要求1所述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，其特征在于单片机进行直流漂移的数据采集和校正，具体为：

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；

接着，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。

6.根据权利要求1所述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，其特征在于单片机进行短路故障点的距离计算具体为：

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；

式(11)中，L＝AM+BN+Δx，

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：