2019年线路负载与故障检测装置设计（C题）

简介：
本项目旨在设计一种智能线路负载与故障检测装置，针对电力系统的安全运行需求，采用先进的传感技术和数据分析算法，实时监测线路状态，有效预防和诊断电气故障，提高供电可靠性。 设计并制作线路负载及故障检测装置的示意图如图1所示。该检测设备通过两个连接端子与两根导线相连，并在靠近两端各约5厘米的位置标定A、B两点，远端30厘米范围为连有负载和可能产生故障的区域。 负载由电阻（额定功率0.25W）、电容（耐压16V）以及电感（额定电流50mA）中的任意两个或三个元件串联或并联组成。具体参数包括：电阻值在200Ω至2kΩ范围内，电容值在200nF至2μF之间，而电感则从100μH到1mH变化。 整个检测设备由5V单电源供电，并能实时监控负载网络结构、发出开路或短路故障报警信号以及测量短路故障的具体位置。响应时间需控制在5秒以内。 全国大学生电子设计竞赛是一项旨在培养大学生创新能力和团队合作精神的赛事。2019年的C题要求参赛队伍开发一款能够检测并显示电路中负载网络结构，同时具备开路和短路报警功能以及定位短路故障点位置的装置。 基础任务包括： - 设备需能分别对开路与短路进行独立指示。 - 准确测量给定电阻、电容及电感值（误差不超过5%），并在5秒内完成。 - 能够识别由2至3个元件组成的串联或并联负载网络。 发挥部分则进一步提出挑战： 1. 当故障点与A和B两点等距时，设备需测量出该距离，并显示结果（误差不超过1厘米）。 2. 使用扫频信号1（频率范围从100Hz到1kHz），在模拟环境中测量短路位置的精确度同样要求达到误差不超过1厘米。 3. 在此基础上使用更高频段的扫频信号2（频率从1MHz至10MHz）继续进行测试，保持相同精度标准。 4. 其他可能的功能扩展。 竞赛提供的环境包括高精度元件和特定规格的铜芯网线。参赛队伍需自行准备导线及短路线，并根据规定的参数使用方波形扫频信号（峰峰值、扫描时间和频率范围）。故障定位必须实时准确，不许用测距传感器且允许焊接连接短路线路。 评分依据包括设计报告、理论分析、电路与程序开发方案以及测试结果等多个方面。总分为120分，详细分数分配覆盖了基本要求和发挥部分的每个项目，强调项目的完整度、创新性和实用性。 在实际操作中，参赛队伍需要考虑以下关键点： - 如何构建检测不同负载组合的电路，并设计处理开路及短路故障的相关逻辑。 - 应用扫频信号进行故障定位时涉及的数字信号处理技术（如滤波和频率分析）。 - 确保测量精度的方法，包括误差计算与控制措施。 - 抗干扰策略以减少环境噪声对设备性能的影响。 - 自动化检测功能及数据显示所需的微控制器编程技巧。 - 为了满足低功耗要求而采取的电源管理方案。 这个竞赛题目深入考察了电子工程领域的多个核心方面，参赛者需具备扎实的专业知识、实践技能和创新精神来完成这项综合性电子产品设计任务。