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电子设计大赛，线路负载检测

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线路负载及故障检测装置设计报告

【摘要】：

本系统是基于 FPGA 和 STM32 单片机的线路负载及故障检测的装置，主要由高速

AD/DA 电路、恒流源电路、微弱信号放大电路等组成。该系统测量阻抗是利用 FPGA 控制 DAC

产生正弦波激励信号，经过标准电阻和负载网络分压，再通过两路 AD 同步采样标准电阻和负

载网络两端电压波形，利用 FFT 算法将两路电压波形转换为两个电压矢量，通过两个电压矢

量的比例求出电容、电阻、电感的参数。线路故障点检测是通过恒流源与长度已知的标准导

线和负载线路串联，通过分别测量标准导线和负载线路的两端电压，通过比例计算可以判断

出短路故障点的精确位置。通过扫频测量负载网络的幅频特性，根据负载网络的幅频特性的

差异，判断出负载网络的结构。装置测量电容、电阻和电感参数误差均在 5%以内，位置测量

精度可达 3mm，响应时间不大于 5s。

【关键词】

线路故障点检测、RLC 元件参数测量、负载网络结构检测

一、系统方案论证与选择

根据题目要求，线路负载及故障检测装置设计的重点和难点在于负载元件参数的测量和线

路短路故障点的测量。

1、电阻、电容、电感参数测量方法

方案一：将标准电阻和负载网络串联，并施加正弦激励电压，利用有效值检测芯片和比较

器测量标准电阻和负载网络两端的电压和电压波形的相位差，通过标准电阻和负载网络的电压

比例、电压波形的相位差、激励电压频率和标准电阻阻值求出负载网络的阻抗，从而求出电阻、

电容、电感的参数。该方案模拟电路相对复杂，测量准确度较难提高。

方案二：将标准电阻和负载网络串联，并施加正弦激励电压，利用两路高速 ADC 同步采

样标准电阻和负载网络两端的电压波形，然后利用快速傅里叶变换算法(FFT)计算出两路电压

波形的幅值和相位，通过两路电压波形的幅度比例、相位差、激励电压频率和标准电阻阻值求

出负载网络的阻抗，从而求出电阻、电容、电感的参数。该方案采用数字信号处理，软件相对

复杂，硬件电路简单，测量准确度较高。

为确保作品精度和稳定性，最终选择方案二作为电阻、电容、电感参数测量方案。

2、线路短路故障点测量方法

方案一：利用脉冲反射法进行线路短路故障点的定位,

其理论基础是认为线路是分布参

数元件，在线路的一端施加电压后，由于电感电容的惰性，电缆的另一端不能立即得到电压，

需要经历一定的时间。当线路在某处发生故障时，该点的输入阻抗就成为故障点，传输阻抗

与负载阻抗不匹配，电磁波在此处发生反射，根据入射脉冲行波和反射脉冲行波的时间差和

行波在电缆中的传播速度确定故障距离。该方案原理简单，但要求产生的脉冲上升沿、下降

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