10kV架空线路单相接地故障定位方法的研究与实现

1、东北农业大学学士学位论文 学号：055a3010400110kv架空线路单相接地故障定位方法的研究与实现research and implementation of the 10kv overhead line single-phase ground fault location method学生姓名：郑全爽指导老师：吴雅芹所在院系：网络教育学院所学专业：电气工程及其自动化研究方向：电气工程及其自动化 东 北 农 业 大 学中国哈尔滨2012年4月 10kv架空线路单相接地故障定位方法的研究与实现摘要 配电网输电线路单相接地故障也称为小电流接地故障，是61 0 kv配电网系统最常发生的故障。配

2、电网发生单相接地故障的选线和定位一直是备受关注的研究课题。本文综合多种近年来一些小电流接地故障选线和定位方法的研究文献，分析了它们的优缺点，提出了一种全新的小电流接地故障选线和定位的方案，并开展一些前期的实验工作。在配电系统中变电站通过pt向电网注入相位差为120度的三相正弦信号，作为故障诊断信号，在正常情况下注入的三相诊断信号从线路分布的电容和其它变电站的ct经大地返回信号注入点，返回的信号两相抵消，和为零：当有小电流接地故障发生时，对故障相的诊断信号将从故障接点经大地返回，破坏了原三相信号的抵消性，在信号注入点的ct将检测到失衡电流。根据故障发生的相线可实现单相接地故障选线，应用锁相技术对

3、返回的信号提纯、放大，并得到注入信号与返信号的相位差，可进一步计算得到接地故障发生点的距离，从而实现故障点的定位。文章分四个部分说明了l 0 k v配电网单相接地故障选线定能方案的研究意义和背景、系统的整体结构原理、系统各部分的实现和总结。关键词： 配电网 10kv线路 接地abstract power distribution network one-phase ground fault also called the small current grounding fault, it is 6 1 0 kv power distribution network system the mos

4、t often the fault occurred unique original. single-fault to liver failure. ground fault location and orientation of has been of concern research subject. wenzong sets in various in recent years a few small current spindle fault location positioning method to design the research literature, this pape

5、r analyzes current ground fault location and the location of the project, and to develop some of the early experiments. in the distribution system through to power substation pt into the phase difference is 120 degrees of triphase signal, as a fault diagnosis signal, in normal conditions of the thre

6、e-phase permeability broken into the signal from the line distributed capacitance and other transformer substation of the return signal into the ct point, return signal two phase offset, and zero: when there is the small current grounding faults, the fault phases, diagnosis signal will return to the

7、 earth from the fault contacts, damaged the three-phase signal offset sex, in signal into the ct screening states will point to the current imbalance. according to the fault occurred in the line to achieve single filipacchi ground fault location, the application of phase lock technology to the signa

8、l with the purification and amplification, and get into the signal and return signal of the phase difference, can be calculated step ground fault occurrence point distance, so as to realize the fault point positioning.the article points that the four parts of the l 0 k v power distribution network o

9、ne-phase ground fault location will surely plan research significance and the background, the system of the whole structure principle, system each part of the realization and summarized.key words: distribution network,10 kv power line, ground 目 录摘要abstract1 前言1 11 10kv配电网单相接地故障选线和定位的重要性1 12 近年来相关研究结

10、果的情况12. 10kv配电网单相小电流接地故障选线测距系统整体方案2 21 配电网及其常见故障2 22 中性点接地方式对单相接地故障结果的影响3 2.2.1直接接地方式-3 2.2.2电阻接地方式 4 2.2.3消弧线圈接地方式42.2.4不接地方式423 输电线路的电气特性5 2.3.1输电线路的等效线路5 2.3.2线路参数的计算方法624 10kv配电网单相接地故障选线和定位方案原理8 2.4.1选线原理8 2.4.2测距原理82.5系统所能达到的指标的估计113. 10kv配电网单相小电流接地故障选线测距的实现12 31三相正弦信号的产生12 3.1.1文氏桥氏正弦波发生器+移相器方

11、法123.1.2锁相频率合成法133.1.3直接数字频率合成法133.1.4三路da+低通滤波平滑方法14 32 音频信号的放大和注入15 3.2.1功率放大电路应注意的问题15 33 返回信号的放大和提纯处理15 3.3.1信号的放大15 3.3.2信号的提纯处理16 34主站和从站的通信实现173.4.1gsm网络的无线通信173.4.2gprs通信方式184.总结185.参考文献18- 20 -1 前言 1.1 10kv配电网单相接地故障选线和定位的重要性 由于配电网本身复杂的网络结构导致配电网故障率高，主要反映为故障跳闸、电气设备的损坏和继电保护越级跳闸而造成大面积的停电等方面，这些故

12、醉不仅造成了巨大的经济损失，其至造成严重的人身伤亡。引起配电网故障的原因主要有雷击事故、污闪故障、铁磁谐振过电压、弧光扫地过电压和单相小电流接地故障等原因。其中对10kv配电网系统，单相小电流接地故障是配电网发生几率最高的故障类型，约占所有故障次数的80虽然规程规定10kv配电网发生单相接地故障后配电网络可以继续运行2小时，但由于我国10kv输电线变压器一侧采用三角形接法，没有中性点引出，一般也没有安装消弧线圈，发生单相接地故障后，非故障线对地工频电压升高，用电设备处于过电压运行状态，因而单相接地故障可能会进一步发展为两点或多点故障或相间短路。引起跳闸停电事故，其至造成电缆爆炸、pt烧毁等事故

13、，造成巨人的经济损失和人员仇亡。因此准确地确定单相小电流接地故障的故障点位置，并及时地排除故障显得非常重要。另一方面，现常见的10kv配电网一般采用中性点接地方式运行，当线路发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗的短路回路，接地短路电流很小，仅表现为小电流接地(这正是把单相接地故障称为小电流接地故障的原因)且网络结构多为树枝状辐射型由单端电源供电，所以发生单相接地故障后，不易确定是哪一相输电线发生了小电流接地故障，更难以准确地确定发生单相接地故障点的确切位置。对于这种情况，目前通常依旧采用拉路法进行单相接地选线，用人工巡线目测寻找接地点，使电力部门耗费了大量的人力、物力。这两种落后的力法与当代

14、的电网高度自动化水平及不相适应。小电流接地系统单相接地选线与定位问题，成为困扰电力系统数十年的难题。许多电力工作者为解决这一问题曾做出了长时间的巨大努力，进行了不断的探索。 1.2 近年来相关研究结果的情况文1提出了通过变电站侧的pt向10kv配电线路接地相注入基波频率f0介于工频n次谐波与n+1次谐波之间的“s信号”电流，再应用中心频率为f0的带通电流探测器沿接地线进行走探测，注入信号消失点即为故障接地点：对分支线路的情况，则在两个分支点离分支点10米的地方分别探测，检测到注入的“s信号”的分支为故障分支。文2对文1进行了改进，在故障停电后向接地线路外加恒定直流高压使接地点保持击穿状态，再以

15、文1的方法判定故障位置，从而解决了文1在故障停电后绝缘恢复和定位困难的问题。以上这两种方法不受网络结构和线路参数的影响，也不受分布电容和过渡电阻的影响，对有无分支线路均适用定位精度高，这两种方法还是需要人工沿线行走探测，只是在一定程度上配电网小电流接地故障发生后提高了故障选线和定位效率，还没实现小电流接地故障选线和定位自动化。自20世纪30年代德国人用零序电流的极性来判断按地线路以来。零序电流便成为小电流接地系统单相接地选线的方法之一，文3即是用零序故障电流在主线两侧的分布系数与故障位置的对应性实现故障定位，缺点是它只适合电缆架空出线装有三相ct的情况，而且故障点只能归结为分支与主线的联接点，

16、准确故障距离无法确定，因此实用性不强。文4从模量分量分解原理出发验究配电线路故障测距算法。基于接地阻抗为纯阻性的假设求解定位方程式实现故障测距。但实际上接地阻抗并面纯阻性，使测量定位结果有很大的误差。文5基于对称分量分解的原理，建立了线路分布参数模型从单相接地的特点“单相接地故障”，无论接地阻抗是否为纯阻性，拨地故障点相(a相)对应的的正、负，零序电流分量和相位均相等出发对测距判据进行了研究并构造了判据函数，提出了利用单侧信息的配电线路单相接地故障测距算法此法对单条线路和带分支的线路均有效，并且与接地电阻是否纯阻性无关。但经分析，该算法必须事先知道配电网负载的等效电阻值，而实际上配电网的负载会

17、随着用电情况的变化而发生变化，因此在现实的配电网中不太适用。综合了上述文献所提出的各种方法的优缺点后。我们设计了以下的单相接地故障选线和定位的方案。2 10kv配电网单相小电流接地故障选线测距系统整体方案 21 配电网及其常见故障配电是电力系统发电、输电和配电（有时也称供电和用电)中直接面向电力用户的环节。配电系统由配电网(其中包括馈线、降压变压器、断路器、各种开关等的配电设备)、继电保护、自动装置、测量仪表以及通信和控制设备等构成，按照一定的规则运行，以高质量的电能，持续地满足电力用户的需求。所谓配电网是指110kv及110kv以下电压等级的电网。通常把110kv、35kv级称为高压，10k

18、v级称为中压0.4kv级称为低压。目前配电自动化所涉及的主要是10kv及其以下的电网包括10kv中压和0.4kv低压，其中最主要的是10kv中压系统。其范围一般是从变电站的主变低压10kv侧和10kv母线开始，直至电力用户为正。由于配电网本身复杂的网络结构导致配也网故障率高，从发生故障的部位分，架空线上的故障有10，架空高压配电线的故障有70地下电缆、变电所、发电厂占10，其它占10；从发生的原因看，由于自然现象引起的故障占65(雷击：45，冰雪风雨：20)，由于树枝或其它物体接触导线引起的故障占20，因操作不当和设备缺陷引起的故障占15。发生在高压配也线上的故障最多，因为它架设在人员生活的地

19、区，受到雷击的概率也最大。线路发生故障时，影响与它连接的较大范围的用户供电。在双回线送电的同路中。发生的故障种类主要是单回线中的单相接地故障(70)、两线接地故障(10)、引起双回线的故障(10)，三相短路12年发生一次左右，断线几乎没有。由此可见，单相接地故障高达70，是配电网故障中最主要的故障类型。 22 中性点接地方式对单相接地故障结果的影响由发电机发出的三相功率，经变压器升压再经过长距离的输送到达用户附近的变电所之后，再经过分级降压才能送到用户。在三相变压器的中性点上直接接地、通过电阻接地或消弧线圈接地、不接地，其种类因电压大小等级而定。 2.2.1直接接地方式现今110kv及以上电网

20、中都采用中性点直接接地方式。在这种方式下。变压器中性点通过金属线直接接地，中性点就不可能积累电荷而发生电弧接地过电压，即使发生单相接地，健全相的对地电压也不会升高。因此可以降低线路设备的绝缘水平，但是由于接地为短路故障，特别是瞬间接地短路故障，接地故障电流很大，使系统的稳定性降低，有可能给设备带来机械或电磁的损害。因此直接接地方式的系统需要具有高性能的继电器和断路器，以便能快速地切除线路故障。故障排除后再依靠重合闸恢复正常供电。同时为降低电磁感应的危害，要安装屏敝线。 2.2.2电阻接地方式在35kv110kv的配电网系统中，一般采用中性点通过电阻接地的方式。故障发生时，通过中性点的电阻来限制

21、短路电流，其主要的是为了限制单相接地时因为三相不平衡，从而对通信线路产生电磁干扰。故障时虽然健全相的电压升高了，但是，这个电压本身比其超高压系统来说小得多，设备的绝缘强度还是可以得到保证；同时，接地故障电流降低，故一般通过零序电压和零序电流组舍的方式，来检测接地故障。 2.2.3消弧线圈接地方式抵消线路的分布电容，避免故障发生设备在工频下产生电磁共振，中性点可通过消弧线圈接地。这样当发生单相接地故障时，由于电容和电感抵消，使接地电流为零，电弧自然就没有了，断路器不切除也可以。但近年来这种接地方法应用较少其原因是系统接线变化时，必须凋整消弧线圈的值，同时，随着配也网规模变大，其系统的电阻量达到不

22、能忽视的程度，做不到完全抵消分布电容。 2.2.4不接地方式对较低电压等级的电网若采用中性点接地的运行方式，则其接地事故频繁将引起断路器工作切断出路，使供电可靠性降低，考虑到有些单相接地故障是由于风摇摆树枝碰触输电线引起的，单相接地只是短时间内，故障一股会随着树枝离开配电网而解除，所以我国335kv甚至60kv的配电网中性点采用直接接地运行方式。在这种方式下，单相接地时的接地电流是线路分布电容和电流，这个也流很小，而非故障线对地工频电压升高，用电设备处过电压运行状态。虽然在短时内配电系统可以在过压状态下运行，但时间长了，故障有可能扩大单相接地故障可能会进一步发展为两点或多点故障或相问短路，引起

23、跳闸停电事故，甚至造成导致电缆爆炸、pt烧毁等事故。造成巨大的经济损失和人员伤亡。本文研究对象是10kv配电网单相接地故障选线和测距。故下文只分析不接地运行的情况。在这种情况下，发生单相接地故障时，在变压站ct上检测到的接地电流很小采用零序电流和零序电压等方法不易确定故障接地点的确切位置，但正如上文所述，短时内配电系统可以在过压状态下运行，而且按规程规定10kv配电网发生单相接地故障后配电网络可以继续运行2小时，因此，系统可以采用相对复杂和费时的方法实现单相接地故障的选线和定位工作。 23 输电线路的电气特性 2.3.1输电线路的等效线路电力系统是以三相交流方式运行的，在正常方式下三相是对称的

24、，故要理解三相电路的电气特性，只要考虑一相电路即可。输电线路可以由电阻r、电感l、电容c、电导g构成的等效电路来表示对不同输电距离和工作情况下的输配电线，应采用不同的等效电路来表示。(a)短距离输电线路(100km)或故障发生后的输电线路图3：远距离输电线路(100km)或故障发生后的输电线路的等效电路连接远距离的发电厂和城市地区的长距离输电线距离较远(100km)或电力系统出现故障时，导线上的电压和电流是作为一种波动在输电线上传送，这种情况下，需要进行严密的分析。输电线的参数应该用分布参数的r0、lo、c0、g0来构成等效电路(如图3)r0、l0、co、g0分别为单位长度的输电线路的各分布电

25、阻、分布电感、分布电容和分布漏电导。 2.3.2线路参数的计算方法如上所述，输电线路可以用 r、l、c、g组合的等效电路来表示，r、l、c、g叫做线路常数，它是代表输电线路和电气特性的重要参数。(a)电阻r输电线的电阻是由导体的材料决定的，现在用的线路导体多采用多股硬铜线和硬铝线并用的导线。设导线的截面积为smm2，则单位长度的电阻rqkm可由下式算出：一般地，单位长度的架空导线的电阻r大约是0010 05欧姆/km地下电缆的电阻r人约是0010 03欧姆/km。(b)电感l输电线的电感l由各相导线的几何形状决定的。对称三相输电线的电感叫自感，单位长度的输配电线，每相的平均电感由下式决定：式中

26、de m是等效线距，re m是等效，r是直径。设三相导体之间的线间路距离为离为d12m, d23m, d31m,导体的半径为。rm，则de m, re m为一般地单位长度的架空线路的电感是081.3mhkm，地下电缆的电感是02-04mhkm，另外电抗wl是电阻r的数十倍，故正如前文所述只有短距离的输电线才可以用筒单的等效电路表示。(c)电容c输电线的电容也和电感一样，其值也由各相导线之间的儿何形状来决定，对称三相输电线的电容量叫线间电容，单位长度输配电线上，每相的平均容量可由下式求出.一股的每单位架空线的电容是000800015，电缆线的电容是0306。(d)漏电导g输电线的漏电导线是由于绝

27、缘介质和绝缘子的漏电流引起的，一般是非常小的。因此它对导线的输电特性几乎没有多大的影响，故实际上可以忽略不计。 24 10kv配电网单相接地故障选线和定位方案原理 2.4.1选线原理我国目前10kv配电网的变压站的y和绕组一般均安装有三相电压传感器pt和零序电流探测器ct，这是我们设计的单相接地故障选线和定位方案的硬件基础。以10kv系统、pt一二级变比为100为例，正常运行时，三相电压均为10kv，故pt副边电压为：当发生单相接地故障时故障相输电线对地电压变为0，而非故障相的输电线对地电压变为原来的3倍，处于过压状态。故发生单相接地故障后，pt副边电压变为(以a相为例)：通过测量pt副边电压

28、的变化，可判断出接地相别，从而实现单相接地故障选线。2.4.2测距原理电压传感器pt原本的作用是将输电线高压经变压变比后降为低压，以利于电压测量，我国目前10kv配电网的pt主副边变压比一般为10000：100，故主副边的变流电压将为100：1。若我们反其道而行，向pt的副边加入一强度为v的正弦信号，则在pt的主边上将感应出强度为100v的信号，“s信号”注入配点网输电线的原理。文1和文2只向故障相注入“s信号”作为故障诊断信号，使单相接地故障发生后，故障定位工作大为简化(虽然还是需是人沿线行走探测)。由此启发我们，若在三相输电线均加入诊断信号，应当是更有希望实现故障定位的方法。考虑到：即幅度

29、相等，相位依次相差l20度的三路同频正弦信号，其和值为零。基于这个原理我设计了如以下的10kv配电网单相接地故障测距方案。图4：10kv配电网单相接地故障选线和测距原理如图在配电网m点处变电站的三相pt二次端a、b、c处加入三个幅值相等、相位依次相差120度的同频正弦信号其频率介于配电网：工频50hz的n次谐波与n+l谐波之间，即注入信号的频率f应满足：50nf50(n+1)。注入的三相正弦信号经pt耦合感应到pt的一次端，从而注入到配电网的三相输电线中，作为故障诊断信号。在正常情况下诊断信号从配电网的分布电容和其它变电站的ct经大地返回信号注入点(图4：m点)，因三相诊断信号的相位依次相差1

30、20度，诊断信号的传输条件义相同故返回信号的相位差也依次相差120度由(6)式，其和ff值为零，在信号注入点ct上检测不到电流。当配电网的某一相(例如a相)输电线发生单相接地故障时，故障相的对地，工频电压变为零，非故障相处于过压状态。接地故障点为p(如图4)。则对故障相，诊断信号将从故障接地点(p点)经大地返回到信号注入点的ct，从而破坏了原返回信号的三相抵消性，返回信号之和将不再为零，信号注入点(m点)的ct上将检测到频率与注入信号频率相同的电流信号，这个信号与原注入信号有一个相位差。当然单相接地故障发生后，在ct上还将检测由于三相失衡而产生的单相接地工频电流，但因工频电流频率额定为50hz

31、，应用中心频点为50hz的限波器即将其滤除故可不加考虑，而只考虑注入的诊断信号。根据文献1的实验结果，10kv配电网在发生单相接地故障后，在故障相输电线注入诊断信号，则用灵敏电流检测计在接地点前后探测结果约为100：1。可见，发生接地故障时，绝人部分的诊断信号电流将从接地点经人地返回信号注入点，只有少部分从接地点后的分布电容和另端ct经大地返回信号注入点或近似地可认为，发生单相接地故障时，对故障相而言，在接地点之后将检测不到注入的正弦诊断信号。这样，在诊断信号注入点(m点)与接地点(p点)之间的线路，配电网上三相正弦诊断信号均可从分布电容经人地返回诊断信号注入点，因三相传输条件一样，从mp之间

32、分布电容返回电流幅值和相位也应相同故诊断信号在mp点之间三相输电线上从分布电容经大地返回信号信入点的电流之和应为零；在接地点(p点)之后，故障相输电线上无诊断信号，而其它两个正常相上正弦诊断信号仍然存在，会从分布电容经大地返回诊断信号注入点，由于对地电容的分布性这两个正常相输电线返回注入点的电流将表现为相位连续的一系列同频正弦小信号，可认为是噪声，应用锁相或数字信息处理手段可以将其去除。又从另端ct返回的电流和故障接地点电流相比很小可忽略不计，从而，最终返回信号注入点(m点)的电流值将近似等于注入的诊断信号在故障相接地点的电流。应用中心频点等于注入的正弦信号频率的带通滤波器，即可得到单相接地故

33、障发生后诊断信号从接地点返回的电流信号，将这个电流和原始注入的诊断信号相比得到返回信号和注入信号的相位差v，这个相位差v包括二个部分：由电磁波在输电线上的传输带来的传输延时引起的相差，由于输点线分布电容和分布电感引起的相差lc，由接地电阻非纯阻性而引起的相差 (有可能滞后也有可能超前)，即：记wro为电磁波在单位比变输电线上传输带米的相位时延，vlco为单位氏度传输线因分布电容和分布电感带来的相差，则上式可改写为：式中，lmp为诊断信号注入点和单相接地故障点的距离，wro+wlco的值用实验的方法测出。因wc不能直接确定，故从n点的pt副边也注入三路完全相同的诊断信号，类似地故障发生时，返回信

34、号与诊断信号也将存在一个相差，记为v7，同理，lf满足：又lmn可由配电网的拓朴结构得到， 联立三式，可求得lmp，即单相接地故障点到诊断信号点之间的距离。 2.5系统所能达到的指标的估计由上文的选线测距原理可知，配电网发生单相接地故障后，故障选线的正确率为100%，而测距结果精度与注入的诊断信号的频率和相差的求解精度相关。真空中电磁波传播速度为常数c，对配电网而言由于输电线存在分布电感和分布电容，电磁波在输电线中的传播速度将会有所降低，具体值可由前文长距离输电线路的等效电路模型算出，一般文献中，这个值取为善f，即每秒钟20万公里。故系统的主要指标理论估计如下： 最大无模糊距离决定可注入的诊断

35、信号频率式中u为电磁波在输电线中的传播速度，c为电磁波在真空中的传播速度，f为注入的诊断信号频率。当f取 220hz，则这个值远大于一般的10kv配电网两变点站之间的距离，能够满足系统的设计目的。测距分辨力由可知，测距分辨力取决于p和p7即返回信号与注入信号的相位差求解精度，由于式中的计算中已用两端测量的方法抵消了接地电阻的非纯阻性带来的相位延时相位延时值只受电磁波在带有分布电容和分布电感的输电线中传播速度的影响故对相位延时求精度为01。的情况，测距分辨力r为：当f取220hz则这样，就把单相接地的故障发e点定位在一个比较小的范同内。从而加快了故障定位和排除工作。3 10kv配电网单相小电流接

36、地故障选线测距的实现10kv配电网单相小电流接地故障选线测距的实现包括三相正弦诊断信号的产生、诊断信号的功率放大和注入配电网、返回信号的提取放大利提纯、诊断信号和返回信号的相差计算、不同信号注入和测量点间的数据通信等。其中难度最大是返回信号的提纯放大和注入信号与诊断信号的相莘计算，对测距结果的精度影响也最为关键。 31三相正弦信号的产生整个系统工作的前提是产生高频率纯度、低相位抖动的三相正弦诊断信号，而且要求这三相正弦信号的幅值相等、频率同步可调。为此，我们设汁了以下四种方案 3.1.1文氏桥氏正弦波发生器+移相器方法此法是先用文氏桥式正弦波发生器产生所需的正弦信号。再分三路分别送到移相器进行

37、移相，从而得到三个幅频相等而相位依次相等120度的正弦信号。用集成运放搭建成的正弦波发生器 3.1.2锁相频率合成法由于文氏桥氏正弦波发生器要求r1=r2=r,c1=c2=c，而且最终产生的正弦信号频率完全取决于r,c的值，这对电阻和电容的精度提出了很高的要求，我们要求的正弦信号精度至少达到10的6次方量级，通常的电阻和电容达不到这样的精度，产生的正弦信号有较大误差。 更好模拟频率合成的方法是应用锁相频率合成，其基本方法是：锁相环对高稳度的参考振荡器锁定，环内串接可编程的分频器，通过程序改变分频器的分频比n，从而得到n倍参考频率的稳定输出。锁相频率合成器的频普纯度高、相位噪声小，非常适合于测距

38、系统。 早期的频率合成器都是用分立元件或小规模集成电路板搭建，线路复杂，可靠性低，功耗体积大，成本也比较高，随着大规模集成电路的发展，频率合成器逐渐向全集成化的方向发展，美国的motorola公司等相继推出了多种中、大规模的集成锁相环频率合成器，把频率合成器的主要部件集成在同一芯片上，只要少量的外接元件就可构成完整的频率合成器。 3.1.3直接数字频率合成法 因为系统在测距是希望用多种频率的三相正弦诊断信号，它要求频率合成时输出的频率可调，然而模拟器合成技术不管是文氏桥氏正弦波发生器还是锁相频率合成法均不便于用微控制器和单片机控制输出的频率：而且正弦信号产生后应用移相器对信号移相时，移相的精度

39、严重依整于移相电路元件的精度，常用的元件电器达不到所需的精度要求。所以我们引入了数字频率合成技术。直接数字合成技术是一种很好的数字频率合成技术，它主要由参考频率源、相位累加器、正弦函数波形存储器、数/模转换器及低通滤波器组成。dds根据奈奎斯特取样定理，从连续信号的相位中将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，正于eprom中。dds 工作时，相位累加器在时钟正的作用下以步长k作模2“加法(其中k为频率控制字n为相位累加器的位数)，再按相位累加器输出的相位码寻址eprom中固化的正弦函数表得到相成的正弦幅值数字量，经da得到阶梯正弦波，低通滤波器平滑，即得到我们所需的正弦波进行数合

40、成时。在eprom正弦函数表取样频率不变的情况下，通过故变相位累加器的频率控制字k来改变相位增量，相位增量不同将导致一同期取样点数不同。dds最终的输出的频率由频率控制字k，相位累加器的位数n和参考时钟源决定因此，dds芯片具有输出频率和相位程控可调，很高的频率分辨力、很小相位抖动性，以及频率转换时相位保持连续性等特性，易于微处理器控制，实现各种频率、相位的信号合成。例如ad9854芯片即是美国analogdevice公司于1999年推出的cmos工艺dds单片集成电路，其参考时钟频率可达300mhz(按输出最高频率为时钟频率的40计算，最大输出频率可达120mhz)内含48位的频率控制字最小

41、频率分辨力可达000lhz，14位的相位寄存器，两路12位da转抉器可输出正弦和余弦信号。在程序控制下，ad9854可方便地产生包括fsk、psk、am等啁制信号。应用三片dds芯片将其频率控制字设为同一个值而相位控制字依次相差120度即可产生三路频率相等、相位依次相差120度的正弦信号。需要注意的是，微控制器对三片dds芯片的频率控制控度特别是相似控制字的更新应做到严格的同步这样才能保证三片dds芯片输出的正弦信号的相位精确地依次120度。 3.1.4三路da+低通滤波平滑方法考虑到一片dds一般只能产生一路正弦信号，要产生三路正弦信号需三片高性能的dds芯片，成本比较高。因此，我们设计了以

42、下产生三相正交正弦信号的方案：三弦信号产生子系统主要由一组带温度补偿的高精度晶振、一个频率选择器、一个n分频的预分频器、一个计数器、三片用于存贮正弦函数表的eeprom、三个高速da芯片和三路lp f低通滤波平猾电路组成。带温度补偿的高精度晶振经分频器币作为系统的参考时钟源，在参考时钟源的上升沿，计数器加1，然后在参考时钟的下降沿，eeprom根据计数器当前的计数值q同步寻址，得到三个相位相差120度的正弦信号辐值，在第二个参考时钟的上升沿，da完成数模转化，经lpf低通滤波平滑后得到三相正交的正弦信号。子系统设计要点是交替在参考时钟第一个上升沿计数、在r降沿从存于eeprom的正弦函数表中读

43、取正弦幅值、在第二个时钟上升沿对数字化的正弦幅值进行da转化，同时开始下一个计数，从而使得计数、查正弦函数表、da转化在参考时钟的上、下触发边沿交替错开进行。否则若计数器和eeprom同在时钟信号的上升沿(或下降沿)工作，就有可能出现计数同时 eeprom也开始输出而这个时候，计数器的输出值还未稳定，出现不稳态，对eeprom和da也是如此。而交替应用时钟上升沿和下降沿触发计数、寻址和启动da，消除了这种不稳态。 32 音频信号的放大和注入因为若加到配电网的诊断信号的功率较小，从故障接地点返回的信号也就很弱，不便于我们对返回信号进行处理，因为加到配电网的诊断信号的应有一定的功率，经分析，这个功

44、率以100w左右为佳。而经da出来的信号功率很小，故正弦信号注入到p1、副边前应先应用功率放大电路将信号放大，以保证从接地故障点返回的诊断信号具有一定的强度。 3.2.1功率放大电路应注意的问题放大电路实质上都是能量转换电路，从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。但是功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的，包含着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题这些问题是：要求输出功率尽可能大：为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作：效率要高于输出功率因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓

45、效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值，这个比值越大，意味着效率越高；非线性失真要小：功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾，这根据不同场合、对非线性失真的要求不同，做适当的取舍：bjt的散热问题：在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使管壳温度升高，故一般应为功放管安装散热装置。 33 返回信号的放大和提纯处理因为定位测距原理是比较注入的诊断信号和从接地点返回的信号的相位差间，而信号在输电线上传播不可避免地会发生衰减和畸变，为了比较故障相返回信号

46、诊断信号的相差，必须先对返回的信号进行放大和提纯。 3.3.1信号的放大诊断信号经线路传输，再从故障接地点经大地返回信号注入点后，已经衰减到一个很小的电流值，很难直接用数字或锁相的方法求返回信号和注入信号的相差，故需对返回信号进行电流放大处理。tcl450213i是美国tj公司出品的自稳零轨对轨精密cmos集成功放其输出失调电压很小(40uv)，输入失调电流仅为lpa，开环增益达120db。这样，当加在集成运放反相端的电流为i。为，由于运放的输入火调电流很小，可认为全部的电流均流向经rl、r2流向远放的输出端。又由“虑短”概念。运放的反相端电压等1：同相端电压等于25v，故运放输出电压v为：

47、3.3.2信号的提纯处理带通滤波器过滤去了50hz工频电流的影响也使200hz一400hz以外的噪声得到衰减，故经上述信号放大处理后在信号注入点的ct上检测刨的电流信号将基本反映了注入信号的返回波形，但不可避免带有噪声的干扰，特别是200hz-400hz频带的噪声。噪声和纯减的信号叠加在一起会干扰信号，使原米的信号失真。故我们需对信号进行提纯。常用的测量被噪声埋没了的信号是锁相放大的方法。锁相放大器不容易受到噪声影响的原因是因为很好地利用了噪声(白噪声)与目的信号(正弦波)之间在性质上的差别。噪声(白噪声)在宽阔的频率范围内具有几乎相同的频谱。若用毫伏计测最白噪声时，得到的测量值和白噪声所具有

48、的频谱带宽b的平方根以及电平成比例，即对于同样的噪声，如果带通滤波器(bpf)来限制所通过的频带，那么测量所得的电压值就会不同，频道宽度如果缩小到1/100那测量所得的噪声电压就缩小到1/10.测量所得的噪声电压(vrms)，除以频带宽度的平方根，就得到噪声电压密度。而我们要测量正弦信号频谱非常集中，例如，对lkhz正弦波信号的频谱，只存在于1 khz的位置。其他地方的频谱的电平都为零。故测量所得的电压保持一定的值，与频带宽度无关。故对白噪声与正弦波进行加法运算所得的信号，当带通滤波器的频带宽度变狭窄缩小到的1n时，那么噪声就减小到(1n)而信号却不改变，其结果sn比(信躁比)改善为(1n)。

49、从这些结果可知，为了测量被噪声所掩埋的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变窄。但是，使带通滤波器的通带宽度变窄是有限度的。在带通滤波器中，中心频率与通带宽度的比值称作q值作为衡量带通滤波器的滤波尖锐幅度的一项指标来使用。q值越大，通带宽度就越窄，抑制噪声的能力就越强。但是，一般的滤波器所能够实现的e值，大约在100左右。对于1khz的中心频率，相应通带宽度的限界大约往10hz左右。0值不能任意增大的原因，在于组成滤波器的零部件的确度和时间温度的稳定性是有限的。锁相放大器用特殊的方法使q提高到约为107(通常的带通滤波器约为100)，而且实现了一种特殊的带通滤波器，能够白动地将中心频率跟踪和保持在

50、测量频率上。 34主站和从站的通信实现根据上文所述，因为接地电阻为复阻抗，诊断信号与返回信号的相差将包括接地地阻复阻性所带来的影响，故需在输电线路的两端依次加入同频的三相诊断信号，分别比较诊断信号与返回信号的相位差，再结合线路常数和配电网的拓朴结构，才能解得单相接地故障碍发生点与信号注入点的距离，这样，就涉及到输电线两端的通信问题。近年来，广泛应用于电力系统的通信方式主要有串行通信法，plc动力线载波法，光迁通信法和无线通信法等等。 3.4.1gsm网络的无线通信随着gsm移动通信网络的完善和发展，各种基于gsm网络的无线通信应用应运而生，特别是在一些不便架设有线网络的场所，基于gsm网络的远

51、程信息传递更显出它的优势。在gsm模式上，我们可以以短信息或wap的方式传递数据，目前，随着中国移动gprs的应用，基于gprs的无线通信应用也开始多了起来。gsm短消息(sms)通信方式：一条sms短消息能在点对点的移动终端设备之间传输不超过160个英文字符或70个汉字，其费用却很低，当双通信的信息量不是很大时，是一种很好的选择。这种方式采用通常的无线gsm发送接收设备就能实现短消息的传送，实现简单具有无需架改有线通信网络、通信成本低、保密性能高、扰能力强等优点，它利用信号传输不用拨号建立连接直接把发的信息加上目的地、发送到短消息服务中心，由短消息服务中心在发给最终的用户数据的远程无线通信。目前相当多监控子系统例如无人值守电站、水电站、油田控制与主控中心之间选择通过短消息方式传送数据。目前，在相关的系统中往往使用单片机+手机模块来实现与短消息中心的联系，主要原因在于：使用手机模块利于系统集成，成本较低，而使用手机虽然也可以实现相应功能，但是需要外加数据线，成本较高，稳定性也较差。siemens公司的tc35f141即是一种性价比很高的gs