CN103941097B - 大型地网接地电阻实时监测仪 - Google Patents

Abstract

一种大型地网接地电阻实时监测仪，包括接地桩、测试终端和后台服务系统，所述接地桩有8组，每组接地桩包括电位探测接地桩和电流探测接地桩，所述测试终端包括8组地阻测试模块、变频信号源和控制器，所述的8组地阻测试模块分别与控制器连接，所述变频信号源分别通过变频电源线与电位探测接地桩和电流探测接地桩连接，变频信号源的控制端与控制器连接；它采用变频电流法进行测量接地电阻，通过在现有的变电站接地网周围设置8组接地桩进行地网电阻实时监测，可随时对变电站接地网上的电阻值进行测量监测，预防变电站接地网因电阻的变化而带来的意想不到的事故，同时也可对变电站接地电阻的后续发展带来更全面的资料。

Description

大型地网接地电阻实时监测仪

技术领域

本发明涉及变电站接地网检测技术领域，具体地说是一种大型地网接地电阻实时监测仪。

背景技术

目前变电站、电厂接地网接地电阻测试方式主要分为两类：

第一类：工频大电流法。

为了消除地网中存在工频电流对测试结果的影响，注入地网的电流必须足够大，(国家规程规定电流必须大于30A)。30A的电流需要的电源功率非常大，也就是升压变压器和控制器的功率非常大，一般情况需要30kw以上。

同时，因为电流大，电流线也要足够粗，对变电站来说，电流线的长度也很长，一般来说，最短也需要400-500米，这样来说,布线的劳动量就非常大。

第二类：变频电流法。

采用变频电流法可以使用小电流测试(国家规程规定电流必须大于3A)，因为从变频测试的原理可以知道，变频方法能够有效的消除干扰。采用变频方式已经大大减低了电源的功率，一般情况下2kW的功率级可以准确测试。

而且，因为电流小了，所以电流线也就比较细了，布线的劳动量就大大减低了。

虽然变频电流法已经大大降低了测试劳动强度，但是还存在布线问题。因为现在变电站都是建在郊外，变电站周围有农田、河流、道路、山川，甚至沙漠，变电站试验人员每年都需要对地网进行检测，据实际测量时间来算，测量一座110kv变电站接地网需要5位测试人员，大约需要6-8小时的操作时间，劳动强度大，人力资源浪费。同时在测量过程中会产生很多意想不到的情况，踩踏农田、意外危险等等。

实验人员一般一年检测一次或半年检测一次。间隔时间非常长，不能够保证在间隔时间内地网出现故障。因为地网掩埋于地下，时刻在受到以下自然或人力等外力的破坏：

1、接地电阻在干燥和湿润情况下变化非常大。在干燥天气下，电阻会升高，以至于使接地网作用减小或无作用，从而造成不可预料的损失。

2、地网由于隐蔽于地下，容易受到外力不经意的破坏，导致接地网断裂，使接地网失去作用，如果不能够及时发现，及时改造，就会造成严重后果。

3、地网随时在受到土壤的腐蚀，腐蚀速度更是无法预料的，这也非常影响地网的完整度。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种大型地网接地电阻实时监测仪，它采用变频电流法进行测量接地电阻，可随时对变电站接地网上的电阻值进行测量监测，预防变电站接地网因电阻的变化而带来的意想不到的事故。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：大型地网接地电阻实时监测仪，包括接地桩、测试终端和后台服务系统，所述测试终端与接地桩连接并通过通信网络与后台服务系统相连，其特征是：

所述接地桩有8组，每组接地桩包括电位探测接地桩和电流探测接地桩，所述电位探测接地桩和电流探测接地桩分别通过测试电缆与测试终端连接,在所述电位探测接地桩和电流探测接地桩上与测试线缆连接处缠绕有铝包带；

所述测试终端包括8组地阻测试模块、变频信号源和控制器，所述的8组地阻测试模块分别与控制器连接，所述变频信号源分别通过变频电源线与电位探测接地桩和电流探测接地桩连接，变频信号源的控制端与控制器连接；

所述地阻测试模块包括电压传感器、电流传感器、AD转换电路、数字隔离器、扫频器和单片机，所述电压传感器和电流传感器分别与电位探测接地桩和电流探测接地桩连接，且它们分别经过AD转换电路和数字隔离器与单片机连接，所述扫频器的输入端与电位探测接地桩或电流探测接地桩连接，输出端与单片机连接；

所述控制器包括中央处理器以及分别与中央处理器连接的模拟量输出控制电路、电压转换控制电路、显示屏、键盘、开关电源模块和通信电路，所述模拟量输出控制电路和电压转换控制电路分别与变频信号源连接，所述通信电路通过通信网络与后台服务系统相连。

所述后台服务系统包括装载有应用软件的计算机、打印机和报警器，所述打印机和报警器分别与计算机连接。

所述应用软件包括定时软件、存储软件、绘图软件、分析软件、报警软件和打印软件。

所述的8组接地桩均匀分布且对称设置在地网周围。

所述测试终端的后面板设置有与8组接地桩对应的八个出线孔，前面板设置有显示屏、键盘、开关电源的控制开关和通信电路接口。

本发明的积极效果是：它采用变频电流法进行测量接地电阻，通过在现有的变电站接地网周围设置8组接地桩，通过8组电阻测量模块分别与8组接地桩连接，进行地网电阻实时监测，这样在使用过程中可随时对变电站接地网上的电阻值进行测量监测，并通过对变电站接地网进行全方位测量，测量数据准确率高，能够有效预防变电站接地网因电阻的变化而带来的意想不到的事故，同时也可对变电站接地电阻的后续发展带来更全面的资料。

本发明通过将测试线缆缠绕在电位探测接地桩和电流探测接地桩上后再用铝包带进行捆绑固定，摒弃了直接将带有测试线缆的线夹直接夹在接地桩上的传统方法，减小了测试线缆与探测接地桩之间的接触电阻，提高了接地电阻的测试准确率。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明所述接地桩的分布示意图；

图3是本发明所述测试终端的结构示意图；

图4是本发明所述后台服务系统的结构示意图；

图2中的1-8代表8组接地桩。

具体实施方式

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的一种大型地网接地电阻实时监测仪，包括接地桩、测试终端和后台服务系统，所述测试终端与接地桩连接并通过通信网络与后台服务系统相连。

如图2所示，所述接地桩有8组，所述的8组接地桩均匀分布且对称设置在地网周围，每组接地桩包括分别通过测试电缆与测试终端连接的电位探测接地桩和电流探测接地桩，所述的电位探测接地桩和电流探测接地桩位于地网中心向外的射线上，电流探测接地桩位于电位探测接地桩的外侧，通过对变电站接地网进行全方位测量，测量数据准确率高率。在所述电位探测接地桩和电流探测接地桩上与测试线缆连接处缠绕有铝包带，这样减小了测试线缆与电位探测接地桩或电流探测接地桩之间的接触电阻，提高了接地电阻的测试准确率。

如图3所示，所述测试终端包括8组地阻测试模块、变频信号源和控制器，所述的8组地阻测试模块分别与控制器连接，所述变频信号源分别通过变频电源线与电位探测接地桩和电流探测接地桩连接，变频信号源的控制端与控制器连接；所述地阻测试模块包括电压传感器、电流传感器、AD转换电路、数字隔离器、扫频器和单片机，所述电压传感器和电流传感器分别与电位探测接地桩和电流探测接地桩连接，且它们分别经过AD转换电路和数字隔离器与单片机连接，所述扫频器的输入端与电位探测接地桩或电流探测接地桩连接，输出端与单片机连接；所述控制器包括中央处理器以及分别与中央处理器连接的模拟量输出控制电路、电压转换控制电路、显示屏、键盘、开关电源模块和通信电路，所述模拟量输出控制电路和电压转换控制电路分别与变频信号源连接，所述通信电路通过通信网络与后台服务系统相连。所述测试终端采用标准机箱，后面板设置有与8组接地桩对应的八个出线孔，前面板设置有显示屏、键盘、开关电源的控制开关和通信电路接口，便于安装。

如图4所示，所述后台服务系统包括装载有应用软件的计算机、打印机和报警器，所述打印机和报警器分别与计算机连接。所述应用软件包括定时软件、存储软件、绘图软件、分析软件、报警软件和打印软件。后台服务系统采用工业控制用计算机，操作系统采用window操作系统，数据库采用SQLserver，保证数据的安全可靠。后台服务系统上的应用程序要保证开机自动运行，成型的数据可通过打印机进行打印，测试电阻值若大于要求电阻，则报警器进行报警。

本发明包含测试终端和后台服务系统各一套，测试终端的作用为具体测量地网接地电阻数据，后台服务系统包含了控制测试终端测试，接收测试的地网接地电阻数据，编排处理地网接地电阻数据，并进行数据处理，绘制曲线图等工作。后台服务系统可以和测试终端安装在一起，也可以独立安装在监控室。

本发明所述测试终端采用频谱细化傅立叶变化法（STFT）

1、STFT的基本原理

STFT方法是1946年Gabor提出的一种“时域局域化方法”，其基本思想是：傅立叶分析是频域分析的基本工具，为了达到时域上的局域化，在信号傅立叶变换前乘上一个时间有限的窗函数，并假定非平稳信号在分析窗的短时间隔内是平稳的，通过窗在时间轴上的移动从而使信号逐点段进入被分析状态，这样就可以得到信号的一组“局域”频谱，从不同时刻“局部”频谱的差异上，获得信号的时变特性。

传统的STFT定义为

其中：η（ｔ）为窗函数，正时由于窗函数的存在，使得STFT具有了局域特性，它既是时间的函数也是频率的函数，对于给定的时间ｔ，STFTｚ（ｔ，f）可看作是该时刻的频谱，特别的，当窗函数η（ｔ）≡1，ｔ时，这STFT退化为传统的傅立叶变换.对于窗函数η（ｔ）的中心和半径Δ（η）分别定义为

$\mathrm{\Δ}\left\{\mathrm{\η}\right\}=\sqrt{\frac{{\∫}_{-\∞}^{\∞}{(t-E\{\mathrm{\η}\left\}\right)}^2{\left|\mathrm{\η}\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}}{{\left|\right|\mathrm{\η}\left|\right|}_2^2}}---\left(3\right)$

则窗函数的宽度为2Δ{η}.STFT可得到时窗［Ｅ{η}＋ｔ－Δ{η}，Ｅ{η}＋ｔ＋Δ{η}］和频窗［Ｅ{Γ}＋f－Δ{Γ}，Ｅ{Γ}＋ｆ＋Δ{Γ}］中信号的局部信息，选定窗函数η（t）之后，这个时频窗是一个与两坐标轴平行、与时间ｔ和频率f无关的矩形，具有固定的面积4Δ{η}Δ{Γ}.STFT的时频分析能力可以用时频窗矩形的形状和面积来度量：在时频窗的形状固定不变时，窗口面积越小，说明时频局部化能力越强；窗口面积越大，说明时频局部化描述能力就越差。

STFT可利用等效的低通或带通滤波器实现，这极大提高了STFT的实用性。

2、细化FFT（Zoom-FFT）

Zoom-FFT称为细化的快速傅立叶变换，又称为选带快速傅立叶变换。Zoom-FFT的功能是对信号的频域进行局部细化放大，使感兴趣的频带获得较高的频率分辨率，实现FFT细化功能的算法有几种，如频移法、相位补偿法和最大熵谱法等，目前应用最广的是频移法。

频移细化FFT的方法是基于离散傅立叶变换的频移原理。设f_k为所需要细化频带的中心频率，对信号乘以ｅ^-2Ω.jfkt进行数字频移后，原f_k处的谱线移至频率轴的0处，用低通滤波器滤除所需细化的频段外的频率成分，并以细化倍数为间隔进行重采样，最后对重采样后的数据做FFT变换，并对变换结果重新排序。细化FFT的具体步骤如下：

1）遵循采样定理的原则，为防止采样信号的频率混淆，首先需要通过模拟低通抗混滤波器滤波或设定足够高的采样频率fs，然后需要采集足够长度的信号数据，数据的长度为细化倍数Ｄ与FFT长度Ｎ_ＦＦＴ的乘积，即为Ｄ_ＮＦＦＴ。

2）将采样信号进行频移（复调制），即乘以单位旋转因子ｅ^-2Ω.jfkt，这样就把频率原点由0处移到所需细化的频率点f_k处，频率分量f_k停留在频率为零处的位置上，形成了一个以f_k为频率零点的新的信号ｘ_ｋ（t）。

3）用低通数字滤波器对频移后的数据进行滤波，去除信号所需要细化频带外的频率成分。

4）对滤波后数据进行重采样，重采样的采样频率为fs/Ｄ，也就是每隔细化倍数D-1个点取1个数据。

5）对重采样后的数据进行长度为Ｎ_ＦＦＴ的FFT计算。

6）对FFT计算结果重新排序。对于重采样所得的是一个复值序列，在进行FFT计算时，全部数据都是有用的信息。因为它以调制频率f_k为新的零频率，实际上不存在对于f_k的原始频率成分，应把它移到原来的正确的位置。

3、细化FFT的ＳＴＦＴ方法

通过分析可知，STFT实质上是加窗的傅立叶变换，通过窗口移动获得局域化的时频表示，Zoom-FFT方法在分析频率范围内具有更高的频率分辨率，将Zoom-FFT应用于ＳＴＦＴ的窗内数据，则可进一步提高STFT的时频聚集性，以叠加的两正弦信号作为仿真信号来说明Zoom-FFT具有更高的时频分辨率，信号下式所示：

x＝sin(2πf₁t)+sin(2πf₂t)

仿真信号中采样频率fs＝1000Hz，其中f1＝80Hz，f2＝100Hz，Zoom-FFT中，最小细化截止频率设为50Hz，放大倍数为5，FFT长度取256点，Zoom-FFT与传统的FFT相比较具有更高的频率分辨率.更能够测出准确的接地电阻数值。

本发明具有以下特点：

1、可实时测试、编排处理地网接地电阻数据并自动生成、储存、分析、绘制图像、实时报警、输出接地电阻信息，能够及时了解接地网接地电阻情况，从而能够及时保护一切与地网有关设施。

2、测量接地电阻数据更加准确。

3、节省人力资源，确保了监测安全，减少财产损害和人员伤害。

4、有助于研究地网的变化情况：腐蚀情况，季节变化，时间变化等一系列地网研究课题。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (3)

1.大型地网接地电阻实时监测仪，包括接地桩、测试终端和后台服务系统，所述测试终端与接地桩连接并通过通信网络与后台服务系统相连，其特征是：

所述接地桩有8组，每组接地桩包括电位探测接地桩和电流探测接地桩，所述电位探测接地桩和电流探测接地桩分别通过测试电缆与测试终端连接,在所述电位探测接地桩和电流探测接地桩上与测试线缆连接处缠绕有铝包带；所述的8组接地桩均匀分布且对称设置在地网周围，所述的电位探测接地桩和电流探测接地桩位于地网中心向外的射线上，电流探测接地桩位于电位探测接地桩的外侧；

所述测试终端包括8组地阻测试模块、变频信号源和控制器，所述的8组地阻测试模块分别与控制器连接，所述变频信号源分别通过变频电源线与电位探测接地桩和电流探测接地桩连接，变频信号源的控制端与控制器连接；

所述地阻测试模块包括电压传感器、电流传感器、AD转换电路、数字隔离器、扫频器和单片机，所述电压传感器和电流传感器分别与电位探测接地桩和电流探测接地桩连接，且它们分别经过AD转换电路和数字隔离器与单片机连接，所述扫频器的输入端与电位探测接地桩或电流探测接地桩连接，输出端与单片机连接；

所述控制器包括中央处理器以及分别与中央处理器连接的模拟量输出控制电路、电压转换控制电路、显示屏、键盘、开关电源模块和通信电路，所述模拟量输出控制电路和电压转换控制电路分别与变频信号源连接，所述通信电路通过通信网络与后台服务系统相连；

所述测试终端采用标准机箱，测试终端后面板设置有与8组接地桩对应的八个出线孔，前面板设置有显示屏、键盘、开关电源的控制开关和通信电路接口；

所述测试终端采用频谱细化傅立叶变化法处理地网接地电阻数据，设f_k为所需要细化频带的中心频率，对信号乘以e^-2Ω.jfkt进行数字频移后，原f_k处的谱线移至频率轴的0处，用低通滤波器滤除所需细化的频段外的频率成分，并以细化倍数为间隔进行重采样，最后对重采样后的数据做FFT变换，并对变换结果重新排序；处理地网接地电阻数据的具体步骤如下：

1)遵循采样定理的原则，为防止采样信号的频率混淆，首先需要通过模拟低通抗混滤波器滤波或设定足够高的采样频率fs，然后需要采集足够长度的信号数据，数据的长度为细化倍数D与FFT长度N_FFT的乘积，即为D_NFFT；

2)将采样信号进行频移，即乘以单位旋转因子e^-2Ω.jfkt，这样就把频率原点由0处移到所需细化的频率点f_k处，频率分量f_k停留在频率为零处的位置上，形成了一个以f_k为频率零点的新的信号x_k(t)；

3)用低通数字滤波器对频移后的数据进行滤波，去除信号所需要细化频带外的频率成分；

4)对滤波后数据进行重采样，重采样的采样频率为fs/D，也就是每隔细化倍数D-1个点取1个数据；

5)对重采样后的数据进行长度为N_FFT的FFT计算；

6)对FFT计算结果重新排序，对于重采样所得的是一个复值序列，在进行FFT计算时，全部数据都是有用的信息。

2.根据权利要求1所述的大型地网接地电阻实时监测仪，其特征是：所述后台服务系统包括装载有应用软件的计算机、打印机和报警器，所述打印机和报警器分别与计算机连接。

3.根据权利要求2所述的大型地网接地电阻实时监测仪，其特征是：所述应用软件包括定时软件、存储软件、绘图软件、分析软件、报警软件和打印软件。