优秀硕士毕业论文范例5篇

本文是一篇硕士毕业论文，硕士论文应当具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加强调作者思想观点的独创性，以及研究成果应具备更强的实用价值和更高的科学价值。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇硕士毕业论文，供大家参考。

 

 

第 1 章  绪  论

 

1.1  研究背景及意义

近 30 年来国内外频繁发生的大停电事故使社会和人们的生活遭受了非常严重的影响，并且带来了非常大的经济损失。因此，许多国家与组织都提出建设安全、经济、灵活、清洁、友好的智能电网，将智能电网作为未来电网的发展方向。未来几十年，对我国来说，是全面建设小康社会，向工业化、城镇化、信息化、产业化和现代化深入推进的重要时期，也是迈向资源节约型社会和环境友好型社会并加强节能减排与环境保护，体现国家责任的关键时期。而作为重要能源的基础产业，电力工业对于实现上述目标具有重要意义。故我国的国家电网公司在深入分析中国国情和探索电网发展趋势的基础上，与中国能源供应的新形势和用电服务的新需求相结合，提出了建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化等特征的坚强的智能电网。而构建智能输电网是其中的关键环节，其关键技术之一就是柔性交流输电技术（FACTS）。FACTS 装置对电压、阻抗和功角等电气量进行快速、频繁、连续的控制，突破传统控制方法的局限性，从而使电网更加灵活与可控。而且由于我国能源供应与消费呈现逆向分布特征，需要采用先进的输电技术进行远距离、大容量、低损耗和高效率的电能输送，而FACTS 技术可以在现有设备不做重大改动的条件下充分发挥电网的输电潜力[1]，这也就决定了 FACTS 技术将在电力系统中得到广泛应用。 由于  GTO、IGBT  等器件的出现，以及相控、脉宽调制（PWM）等技术的成熟，电力电子逆变技术得到了快速发展。在此基础上发展的并联补偿元件，如静止同步补偿器（STATCOM），基于瞬时无功功率的原理，采用全控型开关器件（如 GTO 和  IGBT）组成自换相逆变器，并利用小容量的储能元件（如电容器）来构成无功补偿装置。它通过对电力系统进行无功补偿来维持节点电压，从而改善系统的电压稳定性及稳态性能和暂态性能。与静止无功补偿器（SVC）相比，其调节速度快、连续调节范围宽、谐波电流小、损耗低，而且所用电抗器和电容器容量及安装面积均大大降低。因此，STATCOM 近年来得到的应用越来越多。 

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1.2 研究现状

国际大电网会议（CIGRE）最早提出了 FACTS 元件对继电保护产生影响的研究课题[3]。FACTS 元件对于继电保护影响的研究主要有以下几方面[4][5]：(1) FACTS 元件的安装地点和补偿模式对保护的影响；(2) FACTS 元件在进行调节时引起系统参数的变化对保护的影响；(3) FACTS 元件自身产生的暂态分量对保护的影响；(4)FACTS 的控制策略的不同对保护的影响。 FACTS 元件装设在不同位置会对继电保护产生的相异的影响[6]，如串联补偿设备装设在线路两侧时，可能会引起电压与电流的反向，儿当装设在线路中间则不会出现这种状况。除此之外，容性补偿模式下的 FACTS 与感性补偿模式下对保护也会产生相异的影响。例如当 SSSC 处于容性补偿时，随着注入无功的增大，测量阻抗的电阻和电抗值都在减小，可能会导致保护误动；处于感性补偿时，随着注入无功的增大，测量阻抗的电阻和电抗值都在增大，可能会导致保护拒动。 为了解决以上问题带来的影响，研究人员提出了 SSSC 串补线路中小波包熵法[7]，基于无通道暂态量保护原理的方法[8]，通过检测故障噪声在频域内的特性来区分保护区、内外故障等。有的解决问题的思路是对原有保护进行升级改造[9]，但是无法克服其固有的缺陷，同时其可靠性与灵敏性也较差。 FACTS 元件在不同的工作状态下会进行相应的参数调节，而这些调节引起系统参数变化会对保护造成影响。因此研究人员针对 FACTS 元件对保护的影响进行了详细地分析和仿真[10-11]。以 UPFC 对距离保护的影响为例，UPFC 的串联侧注入电压和并联侧的无功电流会对测量阻抗产生一个增量，如果测量阻抗大于线路传输阻抗则保护会拒动。为解决上述问题，给出了两种具体的策略[12]：一种是自适应调整整定阻抗[13]，根据保护整定值的自适应调整来消除距离保护的欠范围拒动与超越误动；一种是修正测量阻抗，通过消除测量阻抗中的产生的增量来使保护能够正确动作。 

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第 2 章  STATCOM 工作原理及模型

 

静止同步补偿器（STATCOM）是一种基于电压源换流器（VSC）的动态无功补偿设备，是第二代 FACTS 设备的代表。STATCOM 以电压源换流器为核心，直流侧采用电容器作为储能元件，VSC 将直流电压转换成与电网同频率的交流电压，通过连接电抗器或耦合变压器并联接入系统。 

 

2.1 STATCOM 工作原理

如图 2-1 所示为 STATCOM 的原理示意图，直流侧的电容为 STATCOM 提供直流电压支撑，GTO 逆变器由多个逆变器组成，其主要功能是将直流电压转为交流电压，并利用驱动脉冲来控制其输出电压的大小、相位和频率。连接变压器的作用是使输出电压等级与系统电压一致，从而使 STATCOM 装置可以并联到电力系统中，其漏抗可以起到限流的作用，以防发生故障时产生过大的电流。 通过控制 VSC 的输出电压即可控制 STATCOM 与电网之间的无功交换。若U1>Ug，  STATCOM 向系统发出无功；若 UsUg，则其相量图如图 2-2 所示。 

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2.2 STATCOM 的数学模型

如果按照装置的拓扑结构的变化建立装置的微分方程，然后分别求解，建立的数学模型是非常复杂的，特别是随着开关器件数量的增多，其复杂程度会急剧增大，故按照拓扑结构来分析非常困难。而在实际研究中，我们更关心装置的主要特性，如输入输出特性等，因此要建立能反映装置主要特性的数学模型，而并不需要关心装置中具体某个开关器件某时刻的电流，只需要保证该电流不超过允许电流，不会导致元件工作异常或故障即可。故下面利用输入输出特性来建立STATCOM 的数学模型。 STATCOM 的控制系统是 STATCOM 的核心之一，其通过产生并控制开关元件的脉冲来控制装置的运行。对 STATCOM 的控制系统有如下要求：（1）控制速度快；（2）高精度的控制脉冲；（3）多功能多目标控制。 根据不同的要求，STATCOM 的控制方法不同。目前 STATCOM 的控制方法可分为电流直接控制和间接控制。所谓直接控制，即对 STATCOM 的输出电流波形瞬时值进行反馈控制；而间接控制，即通过控制 STATCOM 中产生的交流电压基波的幅值和相位，来达到控制交流侧电流的目的。STATCOM 装置有两种常用的控制方法，一种是基于比例积分（PI）的无功功率控制方法，另一种为基于比例（P）的控制系统电压的方法。本文所用的 STATCOM 模型是基于 PI 的无功功率控制方法。 

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第 3 章  含 STATCOM 的线路选相新方法 .......... 11

3.1  相电流差突变量选相的问题 .......... 11 

3.2 STATCOM 补偿度分析 .......... 16 

3.3  含 STATCOM 线路故障特征分析及选相方案设计 ..... 17 

3.3.1  故障特征分析 ....... 17 

3.3.2  选相方案设计 ....... 19 

3.4  仿真验证 .......... 20 

3.5  本章小结 .......... 23 

第 4 章  STATCOM 线路距离保护测量阻抗改进算法 ........ 24 

4.1 STATCOM 对传统距离保护的影响分析 ....... 24

4.2  基于对称分量法的测量阻抗改进算法 .......... 27 

4.3  改进的距离保护方案 ...... 31 

4.4  仿真验证 .......... 32 

4.5  本章小结 .......... 37 

第 5 章  含 STATCOM 的线路在线校核顺序研究 ....... 38 

5.1  基于网络凝聚度的线路重要度评估 ...... 38 

5.1.1  无标度网络和小世界效应 ........... 38 

5.1.2  网络凝聚度 ........... 38 

5.2  基于线路介数的线路重要度评估 .......... 41

5.3  含 STATCOM 的线路综合重要度评估 ......... 43 

5.4  仿真验证 .......... 44 

5.5  本章小结 .......... 48 

 

第 5 章  含 STATCOM 的线路在线校核顺序研究

随着电力系统的日益发展，人们对于电网的可靠性提出了越来越高的要求。继电保护装置是电力系统中极为重要的二次设备，是系统安全运行的保障。而近年来发生的多次大规模停电事故[40-42]均与继电保护有非常大的关联。而保护定值的合理性又是其中的重中之重。而在系统中静止同步补偿器（STATCOM）的广泛应用[43-44]，也会使保护发生误动或拒动。 为了保证定值的合理性，研究人员提出了在线校核，即获取电力系统实时数据，对当前系统中各种继电保护的性能进行在线校验。而在线校核的关键是快速性，目前针对在线校核的快速性方面研究主要分为两种：一种是研究提高在线校核的计算速度，在尽可能短的时间内完成在线校核的过程；另一种是对所有的保护进行排序，对于重要的保护优先进行校核。 随着电网的规模和复杂程度日益增大，一味追求保证所有的保护定值合理，会花费大量时间和消耗大量的计算资源，不但与保护的四性要求相悖，而且也与经济性要求不符。所以对于电网各个保护的校核顺序要予以区分。相比于普通线路，含 STATCOM 线路，受其注入的补偿电流影响，在发生故障时，其周围的线路保护更容易发生拒动或误动[45]，因此对于这种情况还要考虑并补元件的影响因素，从而对于关键和重要线路的保护优先进行校核，利用有限的资源最大限度地保障系统的稳定运行。

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结论

 

STATCOM 是 FACTS 元件中的重要元件之一，能够改善电力系统的暂态稳定性和输电系统中功率振荡的阻尼，实现输电系统中的动态电压和电压闪变的控制，在国内外的应用也越来越广泛。但是其补偿过程不可避免地对电力系统继电保护产生了较大的影响，因此展开 STATCOM 对继电保护的影响研究具有现实意义。本文在分析了 STATCOM 补偿电流产生影响的基础上，提出了适用于并补线路的选相新方法和距离保护测量阻抗的改进算法，并进行了含 STATCOM 的电网线路保护的在线校核顺序研究。对上述研究进行总结，得出了以下结论： 

（1）对并补线路上的相电流差突变量进行的分析表明，相电流差突变量的故障特征在并补线路上发生了变化，导致了选相结果不正确。引入 STATCOM 补偿电流与保护安装处电流之比来体现补偿度的变化，依据发生故障时故障相与非故障相的补偿度突变量之间时差特征的不同，实现了并补线路上的故障选相。该方法构成简单，在故障开始一个周期内即可准确判定故障类型，有效地解决了由于 STATCOM 的影响而带来的选相不正确问题。 

（2）理论分析了 STATCOM 的补偿电流使距离保护产生欠范围拒动和超越误动问题，综合考虑 STATCOM 补偿电流和两侧保护的电压电流，提出了一种距离保护测量阻抗改进算法。该方法以不同故障类型时的电压边界条件为约束，计算出测量阻抗，不仅有效地消除了由 STATCOM 补偿电流带来的附加阻抗以及补偿电流对过渡电阻的放大现象，而且计算过程中避免了大量的复数计算，适合应用于微机保护。 

（3）由于 STATCOM 的加入，当线路发生故障时，保护更容易发生误动或拒动。为解决因电网加入 STATCOM 后对保护的影响而产生的在线校核顺序问题，提出一种含有 STATCOM 的线路保护重要性评估方法。该方法以线路整体为研究对象，从电网节点拓扑结构、功率传输影响以及并补影响等各方面对线路重要程度进行综合评价，并据此对保护进行在线校核，与其它方法的对比分析证明了本方法的合理性和有效性，避免了无序随机校核带来的对时间和资源的浪费，提高了含 STATCOM 电网的在线校核的效率。

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参考文献(略)

 

 

第 1 章   绪论

 

1.1 研究的背景意义

在人类社会、经济发展的过程中，能源一直占据着举足轻重的地位，电力系统发展一直以能源为重要依托。2010 年以来的燃煤发电增长仍一直高于所有非化石能源增长的总和，延续以往 20 年不变的发展趋势。化石能源储量有限与其需求急剧增加之间的矛盾，以及经济快速发展与环境污染愈加严重之间的矛盾，使得我们不得不考虑能源的可持续发展模式。ETP2014 探讨分析了远至 2050 年的能源发展未来，得出三种情况：6℃情景（6DS）是维持目前世界的发展方向，其结果具有潜在的破坏性；4℃情景（4DS）是反映世界各个国家提出的削减排放及提高能源利用效率的意愿；2℃情景（2DS）是提供一种减少温室气体及二氧化碳排放的全世界发展可持续能源系统的共同愿望[1]。 据《全球新能源发展报告 2014》显示[2]，2013 年全球发电总量 22513.8TWh，同比增长 4.3%。然而化石燃料的发电量仍占到全球总发电量的 70%，但是新能源发电呈现了持续快速增长的趋势，年发电量同比增长达 13%，占全球发电量总量的5.2%。表 1 为 2007-2013 年全球发电量的能源类型构成。近些年，以光伏发电、风力发电以及水电为主的清洁能源得到了大力发展，其中太阳能光伏发电的发展在全球范围内备受关注[3]。截至 2013 年底，全球光伏总装机容量达到 138.9GW，可以每年提供约 160TWh 电量。中国光伏总装机容量达到了 18.6GW，约占全球光伏总装机容量的 13.4%。图 1 是从 2004 年到 2013 年世界和中国光伏累计装机容量和每年新增装机容量。仅 2013 年，全球光伏新增装机容量为 38.4GW，其中中国光伏新增装机容量高达 11.8GW，占全球光伏新增装机容量的 30.7%。中国超越了德国，并首次成为全球最大的光伏市场，有力推动光伏从以欧洲为核心逐渐向亚洲转移。过去几年中，全球太阳能光伏一直保持了两位数的增长，在 IEA 提出的 2DS 可再生能源高占比情景中，预计到 2040 年太阳能光伏发电将成为主导电力来源，到 2050年可能会占到全球发电量的 26%。

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1.2 研究的现状及存在问题

针对光伏电源接入配电网给配电网电流保护带来的影响及对策，国外很早便开始研究，但进展相对较慢；国内在这方面虽然起步较晚，但发展迅速。一些优秀的国内外文献提出并讨论了这些方面的问题，部分给出了相应解决措施。本文就从以下三个方面总结国内外研究现状与发展动态：DG 接入对配电网的影响、多电源保护新对策、多电源重合闸配合和孤岛保护研究。对于 DG 接入配电网，会给配电网带来什么样的影响，以及为我们解决问题找准方向，国内外做了很多相关研究。文献[6]对分布式发电对配电网电压分布的影响进行了分析，并结合分布式电源出力、接入位置变化以及与线路电压调节配合进行仿真实验，全面总结了分布式电源在配电网中的运行规律。文献[7]非常详细地讨论了  DG  并入配电网不同馈线的不同区段时，对原来配网继电保护（包括三段式电流保护和反时限电流保护）的影响。文献[8]则以杭州 10kV 配网为例，在线路中的不同位置引入 DG，分析所引入的 DG  对馈线保护及其动作行为的影响（包括系统电源侧故障带来的影响）。以上这两篇文献中，作者简要指出了影响的关键点，部分还给出了相应解决办法。文献[9]侧重于研究两相相间短路对含 DG 配电网的协调性影响，其中，又着重考虑了重合闸前加速和后加速。得出对于重合闸-熔丝配合，不适合采用后加速方式。文献[10]对 DG 接入配网后保护间协调性进行了详细的研究，指出 DG 的规模、类型和位置是影响的主要因素，然后分别分析了对熔丝-熔丝、熔丝-重合闸和保护-保护的影响。得出若 DG 注入短路电流在一定范围内，原有保护协调性可以保持的结论。文献[11]重点考虑 DG 电源容量对各种短路故障的影响，通过理论推导含 DG 配电网的短路电流，以确定 DG 最大准入容量来保证对保护的影响降到最小。

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第 2 章   分布式光伏电源特性分析

 

光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统中光伏电源和其他电源（如蓄电池、风力发电、柴油发电、小水电等）又可构成风光互补、风光柴储、光伏-水电、光伏-蓄电池等独立小系统。而并网光伏发电系统则直接并入公共电网，或者通过如家庭等用户并入电网。由于分布式光伏电源一般不超过几个兆瓦，且这类电源通常接入中、低压配电网，本文主要考虑此类型并网分布式光伏电源。 本章的主要内容是介绍并网型光伏发电系统的主要组成及控制，并基于 PSCAD 仿真软件，搭建并网型分布式光伏发电系统仿真模型，重点仿真分析光伏电源的故障特性。

 

2.1 分布式光伏电源的组成与控制

并网型光伏发电系统主要由光伏阵列、直流变换器、逆变器三部分组成，如图2-1 所示。部分并网光伏发电系统省去了 DC/DC 直流变换环节。本文将以包括DC/DC 直流变换的额定有功功率 2MW 并网型光伏发电系统为例进行仿真及分析。另外，光伏发电系统还有一些重要的组成元件，如直流连接电容，滤波器，并网变压器等。 并网型光伏发电系统的主要组成中，根据光伏模块排列结构的不同，并网光伏逆变器可大致分为以下三种：集中式、单串式和多串式[41]。集中式逆变系统只包含一个光伏逆变器，所有光伏电池板都连接（串联、并联或串并联）在这个逆变器上。单串式逆变系统中包含多个并联分支串，每个分支串都配有独立的光伏逆变器。而多串式逆变系统是由单串式结构发展而来，它是在每个分支串上增加了一级 DC/DC 直流变换器，然后所有的 DC/DC 直流变换器再连接在同一个并网光伏逆变器上。为了简化，光伏电源采用等效模型，以便于分析与仿真。   光伏阵列是由一定数量的光伏模块串、并联组成的，光伏模块是一定数量的光伏电池串、并联组成的。光伏电池是基于电流源进行模型等效的，如图 2-2 所示。光伏电池在光照情况下产生直流电流，直流电流与光照强度是呈线性相关的。但是，光伏电池输出 I-V 特性呈现高度的非线性特性，原因主要是反并联二极管及所产生的反并联电流 Id。图 2-2 虚线显示的第二个并联二极管适用于更为精确和复杂的光伏电池模型，它考虑了光伏电池中半导体耗尽区电荷复合的情况。由于光伏电池单二极管模型已经能很好反映其电气特性，所以本文采用较为简单的单二极管模型。 

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2.2 分布式光伏电源的故障特性分析及仿真

对于光伏电源 MPPT 控制来说，由于电网故障情况下其暂态稳定过程很短，光照和温度基本保持不变，MPPT 控制对光伏电源故障特性基本没有影响。 一般而言，IGBT 的过流能力最大不超过其额定电流的两倍[50]。所以，对于逆变器并网光伏系统，由于受电力电子器件自身过流能力的限制，一般规定电网侧故障时逆变器提供的电流最大不应超过其额定值的 2 倍。为满足这一条件，逆变器控制一般会采取限幅环节，但这样会造成故障情况下逆变器交直流两侧功率不平衡，直流侧多余的功率会使直流侧电压升高，危及绝缘，损坏直流连接电容。目前，对于当故障情况下逆变器提供电流大于 2倍额定值且逆变器输出电压处于低电压穿越范围内时（小于 0.9pu），普遍的做法是投入直流卸荷电路[51]，以实现逆变型分布式电源故障情况下低电压穿越。

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第 3 章   大量分布式光伏电源接入对配电网保护的影响 ...... 19 

3.1  光伏电源接入电网相关规定 ....... 19 

3.2  大量分布式光伏电源接入对配电网站主变保护功能的影响 ......... 21 

3.3  大量分布式光伏电源接入配电网线路保护功能的影响 ........ 29 

3.3.1  光伏电源对相邻馈线保护的影响 .......... 32 

3.3.2  光伏电源对本馈线保护的影响 ..... 35 

3.4  本章小结 ............ 38 

第 4 章   大量分布式光伏电源接入配电网后的线路保护策略 ....... 39 

4.1 大量分布式光伏电源接入配电网后站 110kV 侧保护对策 ..... 39 

4.2  新型配电网反时限电流保护 ....... 41

4.3  新型配电网纵联电流差动保护 ............ 49

4.4  大量分布式光伏电源接入配电网后的重合闸与孤岛保护策略 ..... 60

4.4.1  重合闸方式选择 ........... 61 

4.4.2  重合闸时间的整定 ....... 62 

4.5  本章小结 ............ 63 

第 5 章   结论与展望 ............ 65 

 

第 4 章   大量分布式光伏电源接入配电网后的线路保护策略

 

目前，10kV 电网是我国主力配电网，其结构大多是环网结构，开环运行。当大量分布式光伏电源接入配电网，传统单端电源变成了多电源网络，同时给 110kV 变电站保护及传统电流保护带来不可忽视的影响。传统电流保护的保护范围、灵敏性因此而发生变化，导致保护拒动或误动，非同期重合闸，给配电网的安全、可靠性带来了极大挑战。因此，有必要针对目前配电网保护提出应对策略，以适应更多分布式光伏电源的接入。 分布式光伏电源具有很大的随机性和波动性，保护策略应当适用于无分布式光伏源接入的情况、部分分布式光伏电源接入的情况以及大量分布式光伏电源接入的情况。

 

4.1 大量分布式光伏电源接入配电网后站

110kV 侧保护对策 本对策主要针对 110kV 线路发生单相瞬时接地故障情况下，既要保证站主变的安全运行，又要保证中、低压侧供电的可靠性，避免中、低压侧负荷长期失电。主要还应适应大量光伏电源的接入，使光伏电源在 110kV 线路发生单相瞬时接地故障情况下不大面积离网。 如图 3-2，原正常供电线路 1-2 改造为成双回线供电运行方式，且互为备用。线路 1-2 上原有的距离、零序电流保护可升级改造为为允许式方向纵联保护，原有距离、零序电流保护作为后备，保护 2 处零序电流定值根据中、低压侧电源配置情况整定。保护 1 处普通三相重合闸更换为检线路无压三相自动重合闸，保护 2 处配置检线路有压带功角测量的自动合闸装置。

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结论

 

近些年能源危机与环境污染的加剧给可再生能源发电的发展提供了良好契机，光伏等新能源发电的崛起对实现能源电力可持续发展具有重要意义。然而，大量光伏电源接入配电网后极大改变了配电网网络结构及故障电流分布，给电流保护带来了较大影响。解决好此类问题对光伏电源乃至其他新能源接入配电网有着非常积极的意义。为此，本文针对大量光伏电源接入配电网后保护的影响及策略进行了研究，主要结论如下：

1） 通过对并网型光伏发电系统模型的搭建以及接入配电网后进行仿真分析，光伏电源可等效为压控电流源。即当其并网点电压在 0.5pu~1.1pu 时，光伏电源等效为恒有功功率电源；当其并网点电压在 0pu~0.5pu 时，光伏电源等效为恒电流电源。总之，光伏电源提供注入电网电流的能力最大不超过其额定电流的 2 倍。 

2） 通过搭建 110kV 变电站模型和 10kV 配电网模型以及光伏电源接入配电网后对站主变零序电压保护、输电线路零序电流保护、馈线线路电流保护等影响的仿真分析，大量光伏电源接入可能造成输电线路瞬时不对称故障时站主变零序电压保护动作跳开主变三侧开关，造成中、低压侧失去负荷；大量光伏电源接入可能造成输电线路瞬时不对称故障时相关零序电流保护误动；大量光伏电源接入可能造成馈线线路电流保护反方向误动、超范围误动、保护拒动、灵敏度降低等。 

3） 根据大量光伏电源接入配电网后带来的相关保护影响，提出了相应对策或方案。为解决对站主变零序电压及零序电流保护的影响，建议 110kV 输电线路改造为双回线路供电结构且配置允许式方向纵联保护，这样不仅可保证中、低压侧负荷供电可靠性，而且可以保证光伏电源的利用率。对大量光伏电源接入配电网后，当馈线某处故障光伏电源不同时离网造成保护测量电流出现变化，反时限电流保护可以做出相应改进，即通过测量电流变化改变保护动作跳闸时间的方法。对大量光伏电源接入配电网后，提出简单、可靠且经济的电流差动保护方案，即通过增加投资较低的单通道通信装置，相邻保护构成差动单元，使用主从通信乒乓算法简化的故障信号同步方法，由主机保护控制切除故障区段。对重合闸方式的选择和重合闸时间的整定，以及重合闸在大量光伏电源接入情况下使用存在的问题做出了分析。本文对光伏电源的故障电流特性及含大量光伏电源配电网保护影响及策略进行了探索、仿真和研究分析，并对相关的保护策略进行了比较。因为本人时间和能力有限，所以论文所做的工作还有待进一步完善，现对论文工作做如下展望。 

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参考文献：（略）

 

 

1 绪论

 

1.1 论文的选题背景及意义

近几年来，全球通信技术的迅速发展，使得无线通信在现代通信领域占具着主导地位，并且得到快速发展和广泛应用。随着无线通信技术的发展，与其相关的科学领域也越来越受到学术界的重视，如无线传输技术、计算电磁学、微波有源器件以及电磁带隙结构等，同时许多新的通信系统如卫星导航、无线电视、移动通信以及雷达侦查等也随之诞生，另一方面，电子战的出现使得无线通信在军事领域得到大力的发展，其应用前景和发展潜力是毋庸置疑的，无线通信系统性能的好坏直接决定着战争的成败。在现代社会发展的大环境下，通信专用集成电路的设计能力直接决定着无线通信技术核心竞争力。随着高科技集成电路技术和先进设计方案的不断革新和改进，便携式、小型化的通信设备在无线通信系统得到广泛的应用与发展，其中微波集成电路的设计是组成无线通信系统的核心[1-4]。 在无线通信系统应用领域不断延伸的同时，必须运用先进的技术来对微波频段资源进行有效的整合，而微波滤波器是频率选择的主要器件，其直接决定有限频带资源的利用能力，同时也是无线技术发展关键，所以需要设计出性能更优的微波滤波器，目前无线通信领域的重要任务之一是研究高质量、小型化的微波滤波器[5-7]。 然而，仅仅对介质板表面元件的开发及设计阻碍了微波电路的发展。虽然三维微波集成电路技术使有限的微波集成电路结构得到了极大的开发和利用，但是仍然存在一些问题，比如缺少对电路接地金属板的利用及开发。 DGS 是将周期或非周期的形状蚀刻到微带线的金属接地板上，而形成的一种新型结构，进而导致电路底部材料的有效介电常数发生变化，也就是使传输线的等效电容和电感值发生变化，从而使微带传输线呈现出滤波特性、漫波特性和高特性阻抗[8,9]。其中DGS 微带线的滤波特性可通过简单的 LC 等效电路与电磁场数值计算相结合的方法进行理论分析和计算，此外 DGS 结构的电路面积较小，特别适于集成化要求高的场合。因此，DGS 结构在微波电路小型化和电路性能提高等方面具有较大的优势。 

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1.2 国内外研究现状

DGS 结构是上世纪末由 Park 教授在光子带隙结构上提出的。DGS 结构吸引国内外越来越多的学者对其传输特性进行了深入地研究与分析，已成为无线通信领域研究的热门课题。2000 年，Park 等人成功将 DGS 结构引入到超宽带低通滤波器和带通滤波器的设计中并取得良好的滤波特性[8]；Kim 设计了一款新型 DGS 结构低通滤波器，滤波器的截止频率和带宽可通过改变该结构的具体尺寸来控制[9]；Park 等人将 DGS 结构应用于耦合微带带通滤波器的设计中，极大的改善了滤波器的带阻特性[10]；Lim 将 DGS 结构用于高阻抗传输线的设计，提出一种 10dB 耦合分支线桥，并将其应用于二比一的威尔金森功分器的设计，使电路面积减小了 83%[11]；Lim 等人还提出了一种新型的电感型DGS 结构共面波导，该模型的漫波因子很高，从而极大的减小了电路板的面积，此外，还设计了一维电感型 DGS 结构的共面波导，并对其传输特性进行了分析与计算，通过使用 VPDGS 来大幅度缩小结构尺寸[12]；Lim 还在放大器匹配系统的设计中引入 DGS结构，并利用 DGS 结构的良好特性来有效减小功放器和谐振器的高次谐波、从而使输出功率提高，大大减小了微带传输线的长度。在电长度保持不变的情况下，电路尺寸减小了 55%[13]；Jeong在放大器的四分之一波长偏置线的设计中加入 DGS 结构，使放大器高次谐波得到有效的降低[14]；Chang 首次将 DGS 结构引入到微带天线的设计中，达到抑制谐波的目的[15]。因此，利用 DGS 结构来抑制微波有源电路和天线的高次谐波和提高天线的端口隔离度成为无线通信系统中的研究热点。 

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2 DGS 结构频率特性的分析

 

2.1 DGS 结构的概述

将周期的或非周期的形状蚀刻到微带线的金属接地板上，而形成的一种新型结构。电路衬底材料的有效介电常数改变是由于接地板出现了蚀刻的形状的，即改变了微带传输线的分布电容和分布电感，从而使加载 DGS 结构的微带线具有低通带阻特性、高特性阻抗、慢波特性等优点[8,9]。虽然利用全波分析方法可以精确地分析 DGS 结构微带线的频率特性，但这种分析方法分析过程比较复杂，分析起来比较耗时。因此等效电路的提出在此就显的格外重要，通过单极点低通特性提取出 DGS 结构的等效电路，就可用电路分析软件来分析其等效电路来近似地等效为分析 DGS 结构，电路分析方法比较迅速，大大减少了分析所用的时间。对于加工工艺要求比较严格的微带电路可以用 DGS结构的慢波特性来减小电路板的尺寸。实现高特性阻抗的微带传输线是微波和毫米波微带电路的设计难点，由于 DGS 结构的高特性阻抗的特性，因此在微带线的金属接地板上蚀刻出 DGS 结构可实现高特性阻抗的微带线。基于 DGS 结构以上优越性，在的微带电路的设计过程中根据不同的电路特性选取不同类型的 DGS 结构来改善电路的性能。

 

2.2 哑铃型 DGS 结构频率特性分析 

 

2.2.1 哑铃型 DGS 结构模型分析

哑铃型DGS结构图如图2.1所示为第一个具有实用意义的DGS结构是在1999年由韩国学者 Park 提出的[8]。由图 2.1 可知哑铃型 DGS 结构主要由导带下方宽度为 g 的缝隙和缝隙两侧的长为 a、宽为 b 的矩形两部分组成，由于其形状酷似哑铃故称之为哑铃型 DGS 结构。由于大多数 DGS 结构都具有类似哑铃型的形状，如三角形、正方形、多边形、圆形、蝴蝶结形等[19-21]，因此主要以经典哑铃型 DGS 结构为例对其频率特性及等效电路模型进行详细的分析推导。选用介质厚度为 h=0.7874mm，介电常数 εr=2.2 的双面敷铜板(RT/Duroid5880)，利用 Txline2003 传输线计算工具计算出特性阻抗为 50W的微带传输线的宽为 2.4mm。如图2.1 所示经典哑铃型 DGS 结构的参数分别定为：a=b=5mm，g=0.2mm，使用 Ansoft 公司的 HFSS 仿真软件进行电磁仿真，其频率特性如图 2.2 所示。 

....... 

 

3 DGS 微带滤波器的设计 ..... 25 

3.1  微带滤波器的综述 ........... 25 

3.2  微带低通滤波器的设计 ........... 26 

3.3 DGS 结构低通滤波器的设计 .......... 27 

3.3.1  运用横向变形的蛇型 DGS 结构 LPF 的设计 ..... 28 

3.3.2  提出蛇型 DGS 结构微带滤波器的意义 ...... 31

4  基于缺陷接地结构的双频微带天线 .......... 32 

4.1  普通微带天线设计步骤 ........... 32 

4.2  基于缺陷接地结构的微带贴片天线 ....... 35 

 

3 DGS 微带滤波器的设计

 

3.1 微带滤波器的综述

微带滤波器是将微带传输线加工成具有滤波功能的一中微波元器件[34]。它的主要作用是将不需要的信号抑制在滤波器外,只让需要的信号通过。由于无线通信系统领域对频率的利用率越来越高，就使得微带滤波器对频率的划分就加精确。因此，滤波器性能的高低是影响微波电路的性能的重要指标。 微带滤波器的设计过程中应考虑的性能指标主要包括[29,30]： (1)  频率范围：即能通过或被滤波器滤除的频率区间。滤波器的频率响应曲线如图3.1 所示，图 3.1(a)和 3.1 图(b)分别表示低通和带通两类滤波器的频率特性。图 3.1 中 f1，f2称为边界频率或 3dB 截止频率，用来区分滤波器的通带和阻带。理想滤波器的频率响应曲线应在 3dB 截止频率点处使其通带衰减迅速为零，阻带衰减变为无限大。现实情况中并不能达到这种效果，截止频率点通常选取某一特定的衰减值如图中所示的 Lr。(2)  通带衰减：通常它是不能避免的，由滤波器自身的反射和元件存在的损耗所引起，其值越小越好。 (3)  阻带衰减：一般取通带外与截止频率为一定比值的某频率的衰减值作为此项指标，其值越大越好。 (4)  寄生通带：是由传输线段周期性的频率响应引起的，仅微带滤波器存在该项指标，在设计滤波器设计过程中尽量使寄生通带落在截止频率外。 (5)  群延时特性：一般不加考虑。 由于实际情况中存在各种不确定的因素，设计出的滤波器也会存在各式各样的问题。因此，在滤波器的设计过程中需要按照实际情况综合考虑以上指标使其滤波性能达到最佳。 

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结    论

 

本课题系统地归纳和整理了 DGS 结构的背景及意义，探究国内外 DGS 结构的研究与应用现状。提出了缝隙变形的蛇型 DGS 结构，并针对横向变形的蛇型 DGS 结构的频率特性提出了新的等效电路模型。通过改善原有的微带滤波器的设计方法将新提出的等效电路应用到滤波器的设计中。在双频微带贴片天线发射端中加载具有带阻特性的 DGS组合结构提高端口的隔离度，在天线的接收端加载具有低通特性的 DGS 组合结构抑制天线激励起的高次谐波，达到改善天线的性能的目的。通过对缺陷接地结构微带线深入的研究得到以下结论： 

(1)  对 DGS 结构的发展和现状进行了详细的归纳，并详细分析了两种最具代表性的哑铃型和螺旋型 DGS 结构参数变化对频率特性及等效电路参数的影响。

(2)  在对经典的缺陷接地结构的特性进行分析研究的基础上，提出了两种缝隙变形的蛇型 DGS 结构，针对横向变形的蛇型 DGS 结构的频率特性提出了新的 RLC 等效电路模型，并归纳了参数的计算方法，基于控制变量法分析了两种蛇型 DGS 结构参数对频率特性及等效电路参数的对应关系。 

(3)  对微带滤波器的设计理论和方法进行了总结，改善了文献中提出的 DGS 滤波器的设计方法并将新提出的等效电路模型运用于滤波器的设计中，设计了蛇型 DGS 滤波器。在低通原型滤波器阶数 N 相同的情况下这种设计方法对缺陷结构的使用减少，易于实物的加工设计。 

(4)  设计制作了加载 DGS 结构的双频率微带贴片天线，仿真和测试结果表明加载DGS 结构后天线的隔离度明显的提高，达到了无线通信系统多提出的要求；并且有效的将 2GHz 发射端处大于 4GHz 的频率滤除掉，起到了改善天线性能的作用，达到了设计目的。 

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参考文献(略)

 

第 1 章 绪论

 

1.1 课题来源和研究对象

1.1.1 课题来源

本课题来源于广东省大亚湾区2011年科技计划项目“便携式防水卷材 接缝质量检测仪研制和开发”（项目编号：20110121）及广东成松科技发展有限公司订单研制任务的需求。本课题着眼于卷材防水层厚度检测技术无损化、自动化方面的研究，通过进行自粘卷材防水层厚度 B 超测量系统的设计、防水层厚度自动检测算法的研究、测量系统的软件开发以及通过对比实验分析和讨论手动测量结果与算法测量结果之间的相关性与差异性，从而为研制适用于防水工程现场检测的便携式防水卷材施工质量检测仪提供指导。

 

1.1.2 研究对象

本文的研究对象是以自粘防水卷材为防水材料施作的防水层，它不同于传统的卷材防水层，不仅减少了施工工序，降低了劳动成本，而且防漏可靠度高，环境污染少，更适合我国国情。两种防水层的施工构造如图1.1 所示。本文选用的自粘防水卷材 是一种性能优越的多层复合防水卷材[13]，包括居于中间一层的——最厚的基料（以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）等合成橡胶、增粘剂及优质道路石油沥青等配制成的自粘橡胶沥青），居于上一层——对于微小刺破能自愈的覆面材料（强韧的高密度聚乙烯膜(HDPE)、铝箔(AL)）或不覆盖任何表面材料形成双面自粘(N）)，和居于下一层——可剥离的硅油膜或硅油纸，如图 1.2 所示。

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1.2 课题研究背景、目的及意义

不断发展的建筑技术促使人们对建筑物防水的施工质量、环保提出了更高的要求，为了确保建筑物的防水性能和结构安全，需要选用优异的防水材料以及先进的施工工艺。在各类防水材料中，自粘聚合物改性沥青防水卷材（简称自粘防水卷材）是一种防水效果良好、重视环境保护且施工又极为方便的新型防水材料。进入 21 世纪后，自粘防水卷材不仅应用在屋面防水工程，还大量被用于地下防水工程，如各一、二线城市（上海、北京、天津、广州、深圳、杭州、成都、南京等）的地铁、隧道与地下室都选用它做防水工程；而现在，它除了被大量应用于建筑防水领域以外，还在各类基础设施如桥梁、机场、核电站、高速公路等中做功能性防水应用[1]。早前在《2007 年中国防水材料工程应用调查报告》中，有关机构对全国93 家施工企业的防水工程项目进行了调查，在工程应用中的防水材料种类共计 37 种，总用量为 17154.44 万 m2，其中自粘防水卷材有 2732.63 万 m2，占总用量的15.93% ，仅次于SBS/APP 改性沥青卷材[3]。如今，我国自粘防水卷材的年产量与应用量已位列世界前茅，自粘防水卷材已成为防水界的宠儿。 自粘防水卷材在防水工程中正逐步替代SBS/APP，据不完全统计，自 2007 以后的几年以来 自粘防水卷材 在全国总销量约为 4.5 亿 m2，节约了燃料40 万吨，底层涂料50万吨[4]，为整个社会和防水施工行业做出了巨大贡献。但是，我国建筑防水协会与北京零点市场调查与分析公司在 2014 年 7 月 4 日联合发布的《2013 年全国建筑渗漏状况调查项目报告》中指出“国内主要城市建筑屋面渗漏率高达 95.33%，其中57.51%的地下建筑存在不同程度渗漏，37.48%的住户受到房屋渗漏的困扰”[5]。诚然，在当前自粘防水卷材发展形势如此良好的情况下，更应该要清醒地看到防水材料在应用后因防水失效而引发的问题和导致的损失都在不断增多，这些已经严重影响到了建筑物的正常使用和人们的日常生活。说到防水失效，一个最主要原因就是现场施工过程中检测存有薄弱环节。在防水工程施工以及质量验收中，评估单位所要检测的防水层包括已施工完成的防水层和既有防水层，主要是评定防水层的性能符不符合设计和使用的要求[6]。其中，防水层厚度检测正是一项十分重要的检验内容，防水层太薄起不到良好的防水作用，防水层太厚则会造成防水层在热胀冷缩的物理变化下出现开裂，引起渗水。《屋面工程质量验收规范》[7]中已规定“小于规定厚度不能算作一道防水设防”。所谓一道防水设防[8]是指具有单独防水能力的一个防水层次，单独防水能力则是指能够满足合理使用年限10年的厚度，如果在施工期间和竣工后使用期间，发生了无故践踏、外力穿刺或是自然老化使得厚度小于规定值，那么 10 年的耐用年限是无法保证的。因此，《屋面工程质量验收规范》中明确规定“不论单一或是复合使用的材料必须达到要求厚度才是一道防水设防”，也就是说，为了确保防水工程施工质量，如果不考虑防水材料本身的材质问题，那么厚度就是关键 [9]。

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第 2 章 自粘卷材防水层厚度 B 超测量系统设计

 

 

2.1 系统总体设计

自粘卷材防水层厚度B超测量系统的主要目的是对自粘卷材防水层厚度进行现场超声检测，其方法虽然在本质上属于脉冲反射测厚法，但却是从图像的角度做厚度的可视化测量。通过B超成像分析，实时的生成所测单元的防水层厚度检测结果，并以报表的形式打印输出，据此来评定所测单元的施工质量是否合格。如图 2.1 所示，自粘卷材防水层厚度B超测量系统的结构同其它类型的检测系统一样包含有硬件系统和软件系统两个部分。硬件系统部分负责获取来自于所测单元的防水层上各个不同采样位置的超声信息，包括所有为了达到最终检测目标而使用到的硬件设备，即信号采集模块。软件系统部分则负责对信号采集模块提供的所有信息进行处理和分析，并显示和输出最后的处理结果。具体也可以分为两个模块：图像处理模块和显示输出模块。在图像处理模块中，前处理部分可以完成对得到的超声波信息进行 B 超成像的图像重建工作，后处理部分可以完成相关的超声图像分析工作，接着提取出众多复杂的图像信息中有用的部分，然后计算出对应部分的厚度值，最后把这些信息一 并输送到显示输出模块，在此模块中形成检测报表并将其打印出来。 接下来，将分别介绍系统的检测原理和各个模块的设计方法。

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2.2 自粘卷材防水层超声检测原理

目前，对卷材防水层厚度进行检测的方法常常是会破坏防水层完整性的割开法，至今还未在相关报道中见到有采用无损检测方法。可以了解到的是：其一，超声检测技术是一种最有效的常用于厚度检测的无损检测方法；其二，对以另一种柔性防水材料（防水涂料）为材料所施作的涂膜防水层进行厚度检测，工作人员选择的就是采用超声波测厚的方法。理论上来讲，由于防水卷材的介质密度远远大于耦合剂的密度，也与粘贴了卷材防水层的物体（防水基层）的介质密度差异较大，当超声波在传播过程中遇到防水层的上、下两个异质界面时，会因界面两侧介质的声波阻抗(介质密度与波速的乘积)的差异而产生反射，故而防水层的厚度值与超声波在两个异质界面的反射情况之间存在着一定的相关性。相比于手动检测法，超声检测法对厚度的变化更加灵敏和易见，操作也比较简便，检测结果也更为客观些，更重要的是不会破坏防水层的完整性。    不过，实际中对防水层厚度进行超声检测会遇到两个不可忽略的问题。其一，实际中超声波的能量在声波传播方向上会不断散失。防水卷材由于材质本身的关系，内部不是均质且结构不是十分紧密，易导致一定程度上的超声波能量衰减，也就是可能某些位置探测不出结果，因此仅仅通过对波形的频谱分析可能无法准确地测出其值，而且结果的显示不够直观；其二，防水层的表面或是粗糙或是不平整，防水层与防水基层的界面也不一定是平整的界面， 因此，防水层的厚度值可能在一定范围内。原理上，传统的超声测厚方法有共振法、脉冲反射法[37]。由于课题研究对象上表面粗糙不平和内部组织成分不均匀的特点，本课题较适合采用脉冲反射法。但是，对自粘卷材防水层厚度的超声检测又有一些不同之处，具体有两方面内容：一方面，脉冲反射法测厚只有接收到反射波才能实现， 依据反射波的度越时间与传播距离之间的关系，反推出反射层（上下两个异质界面）厚度。然而，由声学传播特性可知，当h/λ<2（h为待测材料的厚度，λ 为超声波波长）时，从上下两个异质界面反射回来的大量信号将会产生混叠现象。

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第 3 章 防水层厚度自动测量算法 .... 20 

3.1 选取感兴趣区域 ...... 20

3.2 防水层 B 超图像中斑点噪声的去除 ..... 21 

3.2.1 常用的 B 超图像滤波方法分析 ........ 22 

3.2.2 滤波试验结果与讨论 ...... 26 

3.3 防水层轮廓的分割提取 ..... 28

3.3.1 防水层图像的 FCM 聚类分割 ..... 28 

3.3.2 聚类结果细化 ....... 31 

3.3.3 防水层轮廓提取 ..... 32 

3.4 基于统计平均的厚度计算 ........ 33 

3.5 本章小结 ...... 34 

第 4 章 防水层厚度测量系统的软件开发 ........ 35 

4.1 软件总体描述与系统人机交互界面设计 ...... 35 

4.2 软件开发中三个技术问题的解决方法 ........ 37 

4.2.1 环境搭建 ...... 37 

4.2.2 消除闪屏 ...... 38 

4.2.3 绘制报表 ...... 39 

4.3 本章小结 ...... 41 

第 5 章 测厚实验与结果分析 ........ 42 

5.1 实验条件及准备 ...... 42 

5.2 实验结果及分析 ...... 44 

5.3 本章小结 ...... 46 

 

第 5 章 测厚实验与结果分析

 

本章的主要目的是通过实验系统地比较手动测量和算法测量间的区别，验证自粘卷材防水层施工厚度 B 超测量系统的有效性。

 

5.1 实验条件及准备

自粘防水卷材施工极为方便，只需在常温下剥开隔离纸即可直接铺贴。它一共有四种施工方法：干铺、湿铺、空铺、挂铺，但采用何种方法并不影响防水层的结构，也就是不改变 B 超成像结果。由于时间关系和比较严格的实验条件限制，无法做到总能在工程现场进行厚度测量实验研究。为了尽可能真实的模拟现场测量情境以及提高检测精准度，使获得的超声波信息能够准确地反映出物体的几何特性，在采集信号时必须要保证做到以下几点：  1）使用严格按照现场施工工艺制作的防水层模型； 2）应保证在做信号采集工作前防水层表面清洁，以避免不必要的测量误差； 3）采集时一定要确保探头沿把柄方向垂直于防水层上表面放置； 4）检测用水应符合现行的行业标准《混泥土用水标准》JGJ63 的规定； 5）露天检测时，不应在雨雪及五级以上大风天气条件下进行，检测环境温度宜在 C Cο ο5 35 。 在本文中，使用到的自粘卷材防水层模型由广东成松科技发展有限公司施工单位提供，是在工程现场按照施工流程[2]——基层清理→抹水泥砂浆→揭除隔离膜→铺贴卷材→排气、粘合——施作完成的，如图 5.1 所示。

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总结

 

目前，自粘防水卷材已在许多领域的防水工程中被广泛使用，而卷材防水层厚度大小是否合乎标准又与防水工程施工质量合不合格有着直接的关系。针对国内长期在工程现场对卷材防水层厚度不能进行无损自动化检测的现状，本文提出了一种基于 B 超成像技术的自粘卷材防水层厚度检测方法并完成了测量仪器的研究和开发。论文主要包括以下内容：

1、本文首先结合课题背景简单介绍了自粘防水卷材在防水领域的重要地位以及防水工程现场检测的现实意义和必要性，接着重点介绍了防水层厚度测量技术的研究现状和超声无损检测的发展历史和趋势，最终通过对比确定了本课题所使用的检测方法——超声检测技术。

2、本文详细阐述了卷材防水层厚度的超声检测原理，对于防水层这种层状的结构，根据传统的脉冲反射法，提出了基于 B 超成像技术的防水层厚度检测方法，并设计了自粘卷材防水层厚度 B 超检测系统。

3、本文以自粘卷材防水层厚度作为对象，结合 B 超图像处理理论，从实用性上考虑，不仅对比试验研究了现有的斑点噪声去除算法同时选取出适合自粘卷材防水层 B 超图像的算法，还制定了一套适用于防水层 B 超图像的轮廓提取方法，并通过基于统计平均的厚度计算算法完成了防水层厚度测量的自动化。

4、本文基于 VC++开发了一个自粘卷材防水层厚度 B 超测量系统，其图像处理模块集成了本文研究的 B 超图像斑点噪声去除算法、B 超图像分割提取算法和防水层厚度自动测量算法；其显示输出模块实现了厚度检测报表的快速编辑以及自动排版，有效避免了防水工程现场检测中由手工书写检测报告带来的各种问题。

5、分别应用本文的测量系统和以往的手动测量方式对防水层厚度进行了检测实验。实验结果表明：1）测量系统所得出的检测结果与手动测量结果一致，两者之间既存在强相关性又具有差异性；2）与手动测量方法相比，本文所提出的检测方法可以更加简捷、准确地获取防水层厚度值，是一种可以实现防水层厚度现场自动测量的新方法。  

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参考文献(略)   

 

 

第 1 章    绪    论

 

1.1 课题研究背景及意义

人类社会现代化脚步逐渐加快,城市化进程迅速向前迈进,基础设施不断向地下空间扩展,如各类供排管线,通信线缆,电力线缆均已大量的被城市建设者埋藏在城市浅地表甚至于城际,国际之间。在对城市进行更深程度的建设与开发的同时,如若忽略对浅埋于地下的基础设施的了解,将会造成极大的经济损失;在环境地质方面,有害化学溶液的泄漏,地质结构异常,隧道、堤坝等工程的暗伤问题均构成严重的安全隐患;在军事方面,投放战场的子母弹与战场上遗留下来的未爆弹均会随着时间的推移被风沙、树叶所掩埋,对生命安全产生严重威胁[1,2]。对浅层地表结构的掌握与评估并就此展开工程勘探工作变得尤为重要。 电磁探测方法由于其便捷、高效、安全的工作特点,近年来成为浅地表勘察的重要手段。通过地下异常体对电磁场所产生的不同反应,采集并分析回波信号来寻找、鉴定地下异常目标。目前主流的探测方法有三种:探地雷达,时间域方法,频率域方法。探地雷达采用信号频率较高,在近地面工作时遇到尖锐的地面凸起往往也会被标记为异常而产生误判;时间域方法发射脉冲消散时间与采集时间通常具有重叠区域,早期信号易受一次场干扰,影响探测灵敏度;频率域方法采集周期数与探测时间可控,在保证数据质量的同时可兼顾探测效率。支持扫频采集,能够在较全频率范围内展现异常体的频率特性曲线,对地表干扰可采取有效手段进行抑制,近年来成为解决浅地表探测问题的优秀方案。 本文紧密结合课题背景,设计并实现了一种专门用于浅地表探测的频率域电磁法仪器。通过发射功率电路向发射线圈输出电流信号,建立可靠高质的一次场,通过抵消线圈耦合经地表以及异常体所反射的二次场信号,并对其量化分析,提取出 I,Q 分量曲线,清晰的展现了浅地表异常的频率特性。所研制的系统样机满足浅地表探测在实时性、抗干扰、探测精度、工作效率等方面的较高要求,为浅地表探测及其相关工作提供了硬件平台与实验依据。  

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1.2 国内外研究现状

使用频率域电磁法寻找地下矿脉,进行大深度地质结构普查与水文地质资料获取等工作早已在世界范围内展开,论述繁多,成果显著,商品化仪器百花盛开,如德国 Metronix 公司的 ADU-07,加拿大 Phoenix 公司的 V8,美国 Zonge 公司的 GDP-32、ZEN,诠释了频率域电磁法在地质调查工作中占有的重要地位。而上述研究成果及仪器主要针对几百米至几千米的深部地层,采用探测信号频率较低,工作周期较长,所面向的探测目标巨大,比较适合参与人数众多的大规模作业与普查性质的工作。浅地表电磁探测则主要应用于军用、民用方面,针对地下基础设施建设、工程质量勘探、未爆弹探测等贴近人类活动的场合展开工作,相应国外仪器主要为美国 Geophex 公司的 GEM 系列频率域电磁法仪器。GEM 系列仪器采用收发一体结构,主要型号按照天线结构不同分为 GEM-2、GEM-3 与 GEM-5,可单人或车载完成作业,提高了探测灵活性。使用频率为300Hz-96kHz 的单频或 3~5 频率合成波信号进行探测,探测频率需链接计算机进行设定,所采集数据不具备或较低程度的具备实时显示功能,详细的探测结果需要在探测完成后通过数据线上传至计算机进行分析显示,且对浅埋的微小目标体的响应有待提高。浅地表电磁探测主要发展方向为高实时,高精度,可视化,要求仪器灵敏度高,响应快速,能够收集更全面的目标频谱特性,现有仪器若不作更新,将不能满足日益增长的探测需求。 本文针对浅地表电磁探测仪器发展趋势,借鉴国外成型仪器先进经验,重新分析探测方案需求,对浅地表电磁探测系统关键技术进行了研究。目前已完成模拟探测实验并取得了较好的实验结果,验证了仪器系统的可行性,为仪器系统的工程化提供了有力参考。

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第 2 章浅地表电磁探测原理及系统结构设计

 

2.1 浅地表电磁探测原理

浅地表电磁探测采用平衡式线圈结构,较大的发射线圈铺设在外围,由发射部分功率电路供给电流信号产生足够发射磁矩,激发并建立一次场,异常目标在一次场激励下产生内部涡流,反射二次场。作为接收传感器的自抵消线圈铺设位置恰好与发射线圈同心且同平面,构成对称平衡的位置关系,故在真空环境下其两端抽头的感应信号理想值趋近于零。异常体进入探测范围后,打破了接受线圈周围的电磁场平衡关系,接收线圈与反射的二次场耦合,在线圈抽头端产生电动势,即为系统接收信号,如图 2.1 所示。  由表 2.2 可知,非探测物质的电导率一般在 10-1~10-6S/m,明显低于表 1 所示的需探测物质。因此,在进行近地表探测时,只要检测到电导率明显偏大即可初步判断地下具有金属性异常,当检测到磁导率具有明显偏大,即可初步判断地下具有导磁性异常。电导率与磁导率的变化通常可以反映在二次场的电特性变化上。由图 2.1 可知,接收天线耦合的信号主要有两部分组成,一部分是通过上层空气直接与接受线圈耦合的一次场信号,另一部分电磁场通过下层的地下介质耦合到接收天线。当探测线圈途经浅埋由电或磁的良导体的区域时,这些良导体会感生出较为明显的二次场信号,通过接收机对二次场信号幅值相位信息变化的分析与表达,即可判断所要探测目标的具体位置及特性。 

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2.2 探测系统总体设计

本设计建立在以平衡式探测线圈为传感器展开探测工作的基础之上,以探测精准、灵敏为前提,按照系统便于操作,观测方式更加人性化的思想,提出了如图 2.2 所示的总体框架,旨在搭建多通道,具有较大探测范围,又能对微小目标体敏感的车载或机器人平台上的探测系统。 图 2.2 中所示框架主要由探测线圈,探测系统硬件实体与上位机三个主要部分构成。探测线圈采用阵列式 PCB 线圈板,保证参数的精准、机械结构上的固定并实现多通道的传感器结构,收发线圈以同心圆的结构在线圈板上布局,对外界共模干扰具有一定的自抵消性;探测系统硬件实体分为发射系统与接收系统两部分,发射系统受接收系统数字电路控制,为发射线圈供给足够大的交变电流以建立一次场信号,多通道接收系统主要对每个接收线圈输出的信号进行调理、通过 32 位 ADC 对信号进行数模转换,以 FPGA 整合数字部分各接口,完成控制策略,并负责通过 CY7C68013 芯片所实现的 USB 接口与上位机进行通信,实现数据高速传输,将多通道采集数据上传给上位机,并将上位机的控制指令译码为底层硬件信号,控制整套底层系统硬件的工作与同步;上位机采用笔记本电脑中配套编写的采集软件提供人机接口,将所得数据进行后期的算法处理。首先通过上位机对探测区域的背景场进行标定,保留标定结果,再用实际探测结果与标定结果做差,将差值曲线作为有无异常的评判标准,并实时的显示最终数据曲线,即 I、Q 分量曲线,根据曲线的不同形态来区分浅埋的不同异常体,实现探测目的。

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第 3 章发射系统关键技术 .........8

3.1 随机尖峰抑制研究 .........8

3.2 温度漂移抑制研究 .......10

第 4 章接收系统关键技术 .......14

4.1 前端模拟信号调理 .......15

4.1.1 前置放大器设计 .........15

4.1.2 滤波电路设计 ......16

4.2 数字电路关键部分设计 ......18

4.2.1FPGA 与 USB 模块数字接口设计 .........18

4.2.2 精确同步控制技术 .....22

4.2.3 基于阶梯波参考信号的 PSD 实现........25

4.2.4 高实时性数据缓冲传输方案与实现 .....35

第 5 章上位机软件设计与数据处理技术....40

5.1 上位机软件总体设计 ..........40

5.2 采集与缓存策略 ....41

5.3 上位机数据处理 ....43

 

第 6 章异常体探测实验与结果 

 

6.1 金属异常特性测试 

模拟真实探测场景,在实验室的沙池中尝试对线圈周围的金属异常进行探测并描绘探测曲线。实验步骤:(1) 对仪器进行标定,进行数字相位校正。(2) 点击开始采集按钮进行正常采集。(3) 观察并记录各种金属异常样品的 IQ 分量曲线是否有差异实验第 2 步,正式开始采集时,利用当前采集所得的 IQ 分量曲线与背景场的差值曲线,放置金属异常后,这个差值曲线明显的体现出来,对比可见不同样品的频率曲线差异明显,(i)图中非闭合簧垫在异常激发下其内部难以形成产生二次场的涡流,故响应较小。由表 6.1 与表 6.2 所示的实验数据可知,系统所采集的异常体频率特性谱较为光滑,曲线不会随着频率的连续变化而突变,探测质量较高。对不同异常所表达出来的曲线形态差异明显,能够达到区分的目的,对微小异常具有良好的适用性。

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总结 

 

本文设计并实现了一种专门用于浅地表探测的频率域电磁法仪器,参考国外现有仪器设计经验,分析浅地表电磁探测的工作方式,从电磁探测原理与异常体在电导率磁导率方面的差异,论述了课题的可行性,从而确定了仪器系统的总体框架。 系统实现主要有三个大部分构成:第一部分为功率发射部分,主要由 DC/DC模块及发射桥路构成,并通过发射线圈建立探测所需的一次场信号;第二部分为接收部分,将线圈耦合来的二次场信号经模拟调理,模数转换后传入 FPGA 并利用 USB 单片机完成向上位机传输的高速数据接口,利用 FPGA 实现整个系统的控制与发射桥路驱动信号;第三部分为上位机软件部分,将所得数据进行进一步的分析与表达,实现人机交互。 完成论文期间所做工作总结如下:

(1) 对浅地表电磁探测原理进行了分析,了解近地表电磁探测的工作方式与工作特点。对异常目标的电导率与磁导率进行统计,确定仪器的探测目标。

 (2) 对发射电路结构中影响探测精度的因素进行了分析,通过实验找到了问题所在:通过加装 LC 滤波器的方法去除了由电路寄生电容与线圈电感之间的谐振所产生的随机尖峰;通过选择温度漂移较小的元件来抑制电路收温度变化所产生的不稳定表现。 

(3) 接收部分采用 FPGA+USB 模块的结构,采用异步 slaveFIFO 完成了高速的数据传输,在 FPGA 内部设计了同步调谐模块保证采集到的相位信息准确可靠,同时实现了基于阶梯波参考的信号提取技术,加快了采集速度,设计并实现了数据缓存电路,保证数据稳定的实时传输。 

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参考文献(略)