专利名称：一种诊断接地网连接状态的测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种诊断接地网连接状态的测量装置。
背景技术：
接地就是将电气设备的某些部位、电力系统的某点与大地相连，提供故障电流及 雷击电流的泄流通道，稳定电位，提供零电位参考点，以确保电力系统、电气设备的安全运 行，同时确保电力系统运行人员的人身安全。接地网在发变电站的安全运行中起着重要的 作用。表征接地网连接状态的参数为接地电阻。接地电阻的大小，反映了接地装置流散电 流和稳定电位能力的高低及保护性能的好坏。接地电阻越小，保护性能越好。电力行业标 准DL/T621—1997《交流电气装置的接地》中第5. 1. 1条要求是R ( 2000/1。当I > 4000A 时可取R彡0. 5Ω。当用1000V以下设备时，接地电阻应符合R彡125/1 Ω，当用于1000V 以上设备时，接地电阻R < 250/1 Ω电阻，任何情况下不应大于10 Ω。但是，当前我国由于资源缺乏和经济原因，大多都采用普通碳钢作为接地网材料。 钢材接地网虽然比铜质接地网更加经济实惠，但是它抗腐蚀能力不如铜，在没有保护的条 件下，易受到土壤的腐蚀，加上电网设备运行中的泄流电流造成的电解腐蚀，直接导致接地 网截面减少，甚至于接地网断裂，从而增大接地电阻，降低地网对电力系统的保护性能，危 及设备及人身安全。国内由于地网腐蚀而导致的电力事故较多。随着电压等级的升高，这 种事故发生的几率将更大、破坏性将更强。目前，电力系统的接地网的检测手段主要是通过 局部开挖法结合测量接地电阻来实现，局部开挖法耗费大量人力物力，同时带有一定的盲 目性和不准确性，不能完全真实反应整个接地网的连接运行状态。因此需要设计一种装置 能够实现对接地网连接状态的实时监测，维护接地网性能的稳定，延长接地网的适用寿命。介于目前国内的情况，在该装置中采用直接数字式频率合成器(DDS)产生的信号 作为激励信号，该信号经过数模转换、放大处理，并以接地棒为载体，将信号注入待检测的 接地网中，然后获取相应的信号，通过对响应信号的调理，利用数字相敏解调(DPSD)算法求 取检测到的信号的幅度和相位，并向PC机输出，通过一定的运算得到接地网的连接状态， 完成对接地网的诊断与检测。

发明内容
本发明的目的是针对上述现有问题，提供一种诊断接地网连接状态的测量装置， 它在使用时不开挖，具有较高准确度的同时，又可节省大量人力物力，带来巨大的经济效
■、Λ
frff. ο为实现上述目的，本发明采用的技术方案方案是这样的即一种诊断接地网连接 状态的测量装置，包括接地网、信号注入开关阵列、信号检测开关阵列、信号发生电路、信号 预处理电路、信号调理电路、模数转换电路和中央处理控制电路；其特征是
(a)信号发生电路在中央处理控制电路控制下产生不同频率的数字激励信号，模拟自 然条件下的各种不同信号，该数字激励信号经过信号预处理电路进行数模转换及放大滤波处理后作为激励信号向信号注入开关阵列的接地棒输出；由中央处理控制电路通过模数转 换电路、信号调理电路获得信号检测开关阵列中检测到的响应信号的幅度和相位信息； (b)所述接地网由接地钢板网格化后在节点设置接地棒阵列构成； (C)接地棒作为激励信号注入与响应信号输出的载体，其输入端分别与信号注入开关 阵列和信号检测开关阵列相连，在每次测量中，由中央处理控制电路选择一对相距较远的 接地棒作为激励接地棒，并控制信号注入开关阵列和信号检测开关阵列分别连通和断开所 述激励接地棒；而其余的接地棒作为检测接地棒，只与信号调理电路输入端相连通；
(d)信号调理电路对从检测开关阵列上获得的信号进行滤波、补偿处理，然后送给模数 转换器进行模数转换后进入中央处理控制电路；
(e)中央处理控制电路利用数字相敏解调(DPSD)算法求取接地棒检测到的响应信号的 幅度和相位，得到最终的信号测量值，并将该值向PC机输出。本发明装置由于上述结构而具有以下特点
1)将接地钢板等间距划分为若干网格，在节点处设置接地棒，将接地棒作为检测测量 的载体，通过该装置的检测和诊断，得到接地网的局部阻抗信息，这样能够更加精确准确的 定位接地钢板的故障点，避免了通过局部开挖法带来的盲目性与不准确性。2)利用信号发生电路，能够产生不同频率的信号，模拟自然条件下的各种信号，对 不同的激励信号进行测量，提高了装置的应用性。3)每根接地棒都具有输入和输出的功能。通过中央控制处理器决定接地棒作为信 号注入端或是信号测量检测端，无须额外的检测装置，大大降低了装置的成本。4)采用数字相敏解调方法，对检测到的信号进行调理，经模数转换后进入数字信 号处理单元，数字信号处理单元利用数字相敏解调(DPSD)算法求取所获得信号的幅度和 相位值。


图1是本发明的装置结构框图2是本发明实施例中的等效模型示意图； 图3是本发明实施例中采用的放大滤波电路； 图4是本发明实施例中采用的信号注入开关阵列电路； 图5是本发明实施例中采用的信号检测开关阵列电路； 图6是本发明实施例中采用的信号调理电路； 图7是本发明实施例中采用的中央处理控制电路； 图8是本发明实施例中的工作流程图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步的说明。参见附图1，图中的测量装置，包括接地网、信号注入开关阵列3、信号检测开关阵 列4、信号发生电路1、信号预处理电路2、信号调理电路5、模数转换电路6和中央处理控制 电路7 ；其特征是
a、 信号发生电路1在中央处理控制电路7控制下产生不同频率的数字激励信号，模拟自然条件下的各种不同信号，该数字激励信号经过信号预处理电路2进行数模转换及放大 滤波处理后作为激励信号向信号注入开关阵列3的接地棒输出；由中央处理控制电路7通 过模数转换电路6、信号调理电路5获得信号检测开关阵列4中检测到的响应信号的幅度和 相位信息；
b、所述接地网由接地钢板网格化后在节点设置接地棒阵列构成；
c、接地棒作为激励信号注入与响应信号输出的载体，其输入端分别与信号注入开关阵 列和信号检测开关阵列相连，在每次测量中，由中央处理控制电路选择一对相距较远的接 地棒作为激励接地棒，并控制信号注入开关阵列3和信号检测开关阵列4分别连通和断开 所述激励接地棒；而其余的接地棒作为检测接地棒，只与信号调理电路输入端相连通；
(d)信号调理电路对从检测开关阵列上获得的信号进行滤波、补偿处理，然后送给模数 转换器进行模数转换后进入中央处理控制电路；
(e )中央处理控制电路利用数字相敏解调(DPSD )算法求取接地棒检测到的响应信号的 幅度和相位，得到最终的信号测量值，并将该值向PC机输出。参见附图2，在实施例中，将接地网的钢板按网格划分后其每部分阻抗近似等效为 Znm(m、n表示节点)，接地棒的阻抗近似等效为Zi (i表示接地棒)。接地棒垂直安放在钢板 的每个节点处。本发明实施例中采用的信号发生电路，由现场可编程门阵列(FPGA)芯片构成。 FPGA可选用ALTERA或是XILINX公司的芯片，比如ALTERA的CYCLONE II。FPGA内部实现 直接数字合成器DDS以及与中央处理控制电路通信的SPI接口。中央处理控制电路通过 SPI接口将控制激励信号的数据传送给FPGA，FPGA控制DDS产生特定频率和相位的数字波
形信号。本发明实施例中采用的信号预处理电路2由数模转换电路21和放大滤波电路22 组成；其中数模转换电路21输入端与信号发生电路1输出端相连；数模转换电路21输出端 与放大滤波电路22输入端相连；放大滤波电路22输出端与信号注入开关阵列3输入端相 连；放大滤波电路22的增益控制端与中央处理控制电路7的控制信号输出端连接。数模转换电路21采用的高速数模转换芯片，可选用ADI或TI等公司的产品，比如 TI的DAC2902。DAC2902将DDS产生的数字激励信号转换为模拟激励信号。放大滤波电路22如图3所示。电路由可编程增益放大器AD8330和差分放大器 AD8130为核心构成。来自数模转换电路的信号进行增益放大后再通过AD8130构成的低通 滤波器滤波输出，并分别送往接地棒阵列。可编程增益放大器的增益由中央处理控制电路 通过SPI接口控制。本发明实施例中采用的信号注入开关阵列3如图4所示。由16选1的模拟开关 集成电路ADG1206构成。模拟开关的切换控制端AO A3连接到中央处理控制电路。AO A3的不同组合来选择不同的接地棒作为信号注入端，将从D端输入的电流注入至选中的接 地棒中。本发明实施例中采用的信号检测开关阵列4如图5所示。由8选1的模拟开关集 成电路MAX4051构成。每个MAX4051的COM端连接到信号调理电路，实现某两个接地棒之 间的测量。模拟开关的切换控制端ADDA ADDC连接到中央处理控制电路。本发明实施例中采用的信号调理电路5如图6所示。由超低噪音可变增益放大器AD8334和模拟低通滤波器构成。 本发明实施例中的模数转换电路6，可采用高速模数转换芯片AD9222，它具有 12bit分辨率，最高转换速度可达65Msps。本发明实施例中采用的中央处理控制电路7如图7所示。电路由FPGA和数字信 号处理器(DSP)为核心构成。FPGA部分与前面所述的信号发生电路1共用同一个芯片，DSP 选用TI公司的TMS320F2812芯片。DSP通过SPI接口与FPGA通信，间接控制模数转换电 路。FPGA直接与模数转换电路连接，转换得到的数字信号并行传送给DSP处理。DSP的SPI 接口同时还要控制开关阵列、滤波放大等电路。采样得到的数字信号经DSP处理得到信号 测量值，然后通过主机接口传给计算机，计算机利用这些数据执行重构算法得到接地网的 连接状态信息，实现对接地网的实时测量和检测的功能。本发明装置的工作流程如图8所示。该实例采用注入电流测量电压的模式。为模拟电力系统正常和故障时接地电阻的各种状态，激励信号分为工频信号，谐 波信号，操作和雷击过电压信号等几种，而其相应的测量方式分为相邻或相对模式等。不同 的注入模式使得成像区域内部形成的电流分布不同，测量灵敏度不同，采集信号的信噪比 不相同。该实例采用相反注入模式。这种方法电流分布更加均勻，有非常好的灵敏度。以 图2为例，接地钢板按2 X 2网格化，具有9个节点(J1-J9)，连接接地棒数量为9 (①-⑨)， 例如以位于接地网的几何对角线两端的接地棒①和⑨为激励接地棒，首先控制电流从接地 棒①注入、⑨流出，测量其余接地棒与接地棒⑨之间的电压，其次将电流改为从接地棒⑨流 入、①流出，再测量其余接地棒与接地棒①之间的电压；然后将激励接地棒对改为③和⑦， 先让电流从接地棒③流入、⑦流出，测量其余接地棒与接地棒⑦的电压；再控制电流从接地 棒⑦流入、③流出，测量其余接地棒与接地棒③之间的电压。因此图8所示的装置完成一次 完整的测量将得到4X7个电压值。若装置具有更多的接地棒，以此规则，则可以获得更多 的电压测量值。结合图1、图2和图8，测量阶段的工作实施流程具体描述如下
1)、PC机运行，发送指令给中央处理控制电路，产生激励信号；
2)、激励信号经过信号预处理电路，通过中央控制处理器控制预处理电路，转换成模拟 激励信号；
3)、中央处理控制电路选择①和⑨号接地棒作为信号注入接地棒，分别测量② ⑧号 接地棒的电压信号；
4)、所获得的信号通过信号调理和模数转换电路后，送中央处理控制电路进行进一步 处理；
5)、再选择③和⑦号接地棒作为信号注入接地棒，分别测量①、②、④…⑧、⑨号接地棒 的电压信号；
6)、所获得的信号通过信号调理和模数转换电路后，送中央处理控制电路进行进一步 处理；7)、中央处理控制电路通过USB接口将所测量的数据送给PC机，PC机通过一定的算 法，得到所测接地网的电阻抗信息，即Znm的数值大小。若某处的阻抗出现异常，则可以对相 应的部分开挖进行必要的修复。
权利要求
1.一种诊断接地网连接状态的测量装置，包括接地网、信号注入开关阵列(3)、信号检 测开关阵列(4)、信号发生电路(1)、信号预处理电路(2)、信号调理电路(5)、模数转换电路 (6)和中央处理控制电路(7)；其特征是(a)信号发生电路(1)在中央处理控制电路(7)控制下产生不同频率的数字激励信号， 模拟自然条件下的各种不同信号，该数字激励信号经过信号预处理电路(2)进行数模转换 及放大滤波处理后作为激励信号向信号注入开关阵列(3)的接地棒输出；由中央处理控制 电路(7)通过模数转换电路(6)、信号调理电路(5)获得信号检测开关阵列(4)中检测到的 响应信号的幅度和相位信息；(b)所述接地网由接地钢板网格化后在节点设置接地棒阵列构成；(c)接地棒作为激励信号注入与响应信号输出的载体，其输入端分别与信号注入开关 阵列和信号检测开关阵列相连，在每次测量中，由中央处理控制电路选择一对相距较远的 接地棒作为激励接地棒，并控制信号注入开关阵列(3)和信号检测开关阵列(4)分别连通 和断开所述激励接地棒；而其余的接地棒作为检测接地棒，只与信号调理电路输入端相连 通；(d)信号调理电路对从检测开关阵列上获得的信号进行滤波、补偿处理，然后送给模数 转换器进行模数转换后进入中央处理控制电路；(e)中央处理控制电路利用数字相敏解调(DPSD)算法求取接地棒检测到的响应信号的 幅度和相位，得到最终的信号测量值，并将该值向PC机输出。
2.根据权利要求1所述的信号测量装置，其特征在于信号预处理电路(2)由数模转换 电路(21)和放大滤波电路(22)组成；其中数模转换电路(21)输入端与信号发生电路(1)输 出端相连；放大滤波电路(22)输入端与数模转换电路(21)输出端相连；放大滤波电路(22) 输出端与信号注入开关阵列(3)输入端相连；放大滤波电路(22)的增益放大控制端与中央 处理控制电路(7)的控制信号输出端连接。
3.根据权利要求1所述的信号测量装置，其特征在于所述激励接地棒选择位于接地 网的几何对角线两端的接地棒担任。
全文摘要
本发明涉及一种诊断接地网连接状态的测量装置，包括信号发生电路、信号预处理电路、信号注入开关阵列、信号检测开关阵列、信号调理电路、模数转换电路、中央处理控制电路和PC机。该装置以接地棒为载体，通过向其输入信号，并由其输出响应信号，通过对获取信号的后续处理以获得接地网的局部连接信息。该装置不但能够模拟自然条件下的各种信号，而且能够对接地网的故障点进行定位，实现对接地网的实时监测诊断，避免了通过局部开挖法带来的盲目性和不准确性，极大的缩短了修复时间。同时也节省了大量的人力物力。
文档编号G01R27/20GK102095999SQ20101058693
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者何为, 冉鹏, 徐征, 李冰, 杨帆, 鞠康, 黄薏宸 申请人:重庆大学