CN104655983A - 基于无线通信的多通道接地网故障测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信的多通道接地网故障测量装置及测量方法。目前激励电流源的输出通道多为单通道，在测量过程中不断的手动连线改变电流注入流出节点位置和数据测量节点的位置，测量繁琐，易反生错误。本发明的特征在于，激励电流源模块在微控制器模块的控制下产生恒定或交变电流信号；电流切换模块在微控制器模块的控制下切换电流信号的流入和流出端口；电流切换模块的流入和流出端口与多通道接线座连接；电压切换模块在微控制器模块的控制下切换电压信号的输入端口；电压切换模块的输入端口与多通道接线座连接。本发明能够实现接地网阻抗的测量，测量通道多，同时自动化水平高，减小了测量的工作量。

Description

基于无线通信的多通道接地网故障测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及接地网故障测量装置及测量方法，特别是一种基于无线通信的多通道接地网故障测量装置及测量方法。

背景技术

接地网是变电站安全运行的重要保证，其接地性能一直受到生产运行部门的重视，准确诊断接地网网格导体因腐蚀等原因造成的锈断，对于变电站的人员和设备安全具有重要的工程应用价值。

随着现代大电网向超高压、大容量和远距离方向发展，对电力系统安全、稳定及经济运行要求越来越高，为了确保电力系统安全稳定运行以及提高供电可靠性，就必须保证接地装置具有优良的性能。然而长期埋在土壤中的接地网容易遭受腐蚀，其主要原因有：第一，由于我国经济条件限制，早期大多数变电站都选用比铜便宜的钢作为接地网材料。据相关研究表明，普通扁钢在土壤中的腐蚀速率比铜快3～4倍。第二，金属腐蚀还与气候条件、土壤电阻率、土壤PH值、土壤含盐含水量、土壤含氧量以及微生物等因素有关，我国面积广、气候条件复杂，特别是近年来环境破坏严重，一些地方甚至下了酸雨，这就加速了接地网的腐蚀速度。第三，由于设计不合理，没有选择合适的导体材料，没有采取必要的防腐措施，焊接不良、漏焊、虚焊等人为因素，也是造成接地网导体腐蚀的重要原因。最后，随着时间的推移，导体电阻不断增大，当有雷电电流或冲击电流流经接地网时，可能会导致接地网导体因发热或者大电流电动力而断裂。

近年来据国内外调查机构表明，接地网导体在腐蚀性较强的土壤中年腐蚀率可达到2.0毫米；在腐蚀性强的土壤中，其年腐蚀率可达到3.4毫米；在腐蚀性极强的土壤中，其年腐蚀速率甚至可达8.0毫米。我国对一些地方变电站接地网进行了调查，在1981～1985年期间，广东省电力试验研究院对广东省境内运行了十几年的130个35千伏至220千伏的变电站进行了开挖，结果发现大概有一半变电站中的接地网有一定程度的腐蚀现象，当中运行了16年的东墩110千伏变电站，其12*4规格的扁钢接地网已经被腐蚀掉了大约80%，更严重的是已经有十多处断裂；运行了21年之久的平富岗110千伏变电站，其材质为圆钢直径为9毫米的接地网被腐蚀成了细条。因此，腐蚀会导致接地网接地电阻的增大，并最终使接地装置性能变差。

一旦接地装置性能变差，很可能引起诸如接地网电位异常增加、跨步电压和接触电压升高、接地网本身局部电位差等现象，电力系统就很可能发生接地短路故障，这不仅会危机保障运行人员的生命安全，也可能造成二次回路过电压，并致使二次回路一些保护元件和设备损坏，更严重的是造成控制设备误动或者不动作，使事故扩大化，给社会和国家带来巨大的经济和财产损失。

现在对接地网故障测量大多采用现有的实验室设备，激励电流源的输出通道多为单通道，测量电压数据采用数字万用表或数字示波器。在整个测量过程中，探头的接触是否良好对测量结果产生很大的影响。同时在测量过程中不断的手动连线改变电流注入流出节点位置和数据测量节点的位置，测量繁琐，易反生错误。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于无线通信的多通道接地网故障测量装置，激励电流源和电压测量端口都为多通道，并且可以通过编程控制流注入流出端口和电压数据测量端口，测量方便，很少耗费人力，同时不宜发生错误。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于无线通信的多通道接地网支路阻抗测量装置，包括微控制器模块、激励电流源模块、信号处理模块、电流切换模块、电压切换模块、数据存储模块、数据通信模块、独立按键模块、液晶显示模块和多通道接线座，其特征在于，

所述的微控制器模块负责整个测量装置的控制和测量数据的处理；激励电流源模块在微控制器模块的控制下产生恒定或交变电流信号；电流切换模块在微控制器模块的控制下切换电流信号的流入和流出端口；电流切换模块的流入和流出端口与多通道接线座连接；电压切换模块在微控制器模块的控制下切换电压信号的输入端口；电压切换模块的输入端口与多通道接线座连接；

所述的信号处理模块在微控制器模块的控制下对电压切换模块输出电压信号进行信号滤波、信号放大和A/D转换；信号处理模块将采样电压信号对应的数字值送到微控制器模块；微控制器模块将采集的数据存储到数据存储模块；微控制器模块通过数据通信模块与一上位机通信；液晶显示模块在微控制器模块控制下显示测量界面；独立按键模块与微控制器模块通信，配置测量参数，控制测量过程；所述的多通道接线座与接地网的可及节点通过导线相连。

进一步，所述微控制器模块中微控制器采用单片机、ARM、可编程逻辑器FPGA或CPLD。

进一步，所述的数据通信模块采用RS232、RS485、USB、无线通信模块或SD卡。

进一步，所述的数据存储模块采用片外NOR FLASH或NAND FLASH存储器。

进一步，所述的微控制器模块先将采集的数据存储到微控制器片内高速存储器，再存储到数据存储模块。

进一步，激励电流源模块输出电流为幅值为0-10A的恒定信号或频率为20-2000Hz、幅值为0-10A的稳定正弦信号。

进一步，所述电流切换模块的流入和流出端口先与电压切换模块的输入端口顺序连接，再与多通道接线座顺序连接。

进一步，所述的电流切换模块采用继电器作为切换开关。

进一步，所述的电压切换模块采用模拟开关选择器作为切换开关。

进一步，所述的独立按键模块采用I²C接口键盘驱动器识别输入的按键。

本发明的另一目的在于提供上述多通道接地网支路阻抗测量装置的测量方法，包括如下步骤：

a)配置激励电流源模块的输出电流大小I；电流切换模块与电压切换模块测量通道个数N；信号处理模块的信号放大倍数n；数据通信模块的数据通信方式；变量i=1，j=1；

b)判断变量i与j是否相等；若i与j相等，信号处理模块采集的电压数据全为0，转到步骤h）；若i与j不相等，转到步骤c）；

c)控制电流切换模块的电流流出通道i导通，同时电流注入通道j导通；

d)导通激励电流源模块的输出电流I；

e)控制电压切换模块，以电流流出节点i作为信号处理模块的电压参考节点；

f)控制电压切换模块和信号处理模块依序测量各个节点的电位；

g)关断激励电流源模块的输出电流I；

h)变量j加1,判断变量j是否大于N；若变量j小于等于N，转到步骤b）；若变量j大于N，转到步骤i）；

i)变量i加1，变量j=1，判断变量i是否大于N；若变量i小于等于N，转到步骤b）；若变量i大于N，转到步骤j）；

j）结束数据测量，将数据存储到数据存储模块。本发明通过数据通信模块将数据存储模块中的数据传输到其他设备。

本发明能够实现接地网阻抗的测量，测量通道多，同时自动化水平高，减小了测量的工作量。多通道接地网故障测量装置通过向接地网注入激励电流，并结合本发明提出的测量方法，可以实现准确测量任意两个测量通道间的阻抗大小，为接地网故障诊断提供数据。测量数据同时存储到装置中的数据存储模块，保障采集数据的安全。通过数据通信模块将数据传输到上位机，可以实现接地网故障诊断。

附图说明

图1是本发明的装置结构框图。

图2是本发明的测量方法流程图。

图3是本发明的激励电流源模块原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

参见附图1，图中的测量装置由微控制器模块1、激励电流源模块2、信号处理模块3、电流切换模块4、电压切换模块5、数据存储模块6、数据通信模块7、独立按键模块8、液晶显示模块10和多通道接线座9组成。

微控制器模块1负责整个测量装置的控制和测量数据的处理；激励电流源模块2在微控制器模块1的控制下产生恒定或交变电流信号；电流切换模块4在微控制器模块1的控制下切换电流信号的流入和流出端口；电流切换模块4的流入和流出端口与多通道接线座9连接；电压切换模块5在微控制器模块1的控制下切换电压信号的输入端口；电压切换模块5的输入端口与多通道接线座9连接；信号处理模块3在微控制器模块1的控制下对电压切换模块5输出电压信号进行信号滤波、信号放大、A/D转换；信号处理模块3将采样电压信号对应的数字值送到微控制器模块1；微控制器模块1将采集的数据存储到数据存储模块6；微控制器模块1通过数据通信模块7与上位机11通信；液晶显示模块10在微控制器模块1控制下显示测量界面；独立按键模块8与微控制器模块1通信，配置测量参数，控制测量过程；多通道接线座9与接地网的可及节点通过导线相连。

微控制器模块1中微控制器采用单片机、ARM、可编程逻辑器FPGA或CPLD。数据通信模块7采用RS232、RS485、USB、无线通信模块或SD卡。数据存储模块6采用片外NOR FLASH、NAND FLASH存储器。微控制器模块1先将采集的数据存储到微控制器片内高速存储器，再存储到数据存储模块6。激励电流源模块2输出电流为幅值为0-10A的恒定信号或频率为20-2000Hz、幅值为0-10A的稳定正弦信号。电流切换模块4的流入和流出端口先与电压切换模块5的输入端口顺序连接，再与多通道接线座9顺序连接。电流切换模块4采用继电器作为切换开关。电压切换模块5采用模拟开关选择器作为切换开关。独立按键模块8采用I²C接口键盘驱动器识别输入的按键。

本实施例中微控制器模块1采用具有ARM Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103ZE，具有丰富的外设接口，方便与其他模块通信。

参见附图3表示激励电流源模块2的具体电路图。本实施例中激励电流源模块2利用一个高输入阻抗、高放大增益的运算放大器构成一个正反馈电路，将D/A转换器输出的可控电压间接的加载在功率电阻上。电路中MCP6402是一款单端供电的运算放大器，静态电流45uA，增益宽带1MHz，输入阻抗1013 欧姆。TIP121是一款NPN型的达林顿晶闸管，能承受最大关断电压80V，最大连续电流5A，最大功率65W。

本实施例中信号处理模块3采用24位A/D转换器ADS1241。内部自带可编程放大器和FIR(Finite Impulse Response)滤波器，增益范围为1-128倍，同时滤除50Hz和60Hz的干扰信号。ADS1241采集数据可以通过SPI总线与微处理器以8位数据方式进行通信。

本实施例中电压切换模块5选择用两个16通道模拟开关作为通道切换开关，模拟开关选用ADG1206。它有一个使能端和4位的二进制地址端A0～A4，具有导通阻抗低、漏电电流小、响应时间短、供电电压范围宽、功耗低、封装小等优点。

本实施例中电流切换模块4选用欧姆龙公司的G6K-2F-Y继电器作为选择开关。它是两路单刀双掷开关，其额定工作电压4.5V，额定工作电流23.2mA，开关接触阻抗100mΩ，开关操作时间最大不超过3ms。

本实施例中接地网故障测量装置的测量通道为16通道。

参见附图2，多通道接地网故障测量装置的测量方法如下：

a)配置激励电流源模块2的输出电流大小I；电流切换模块4与电压切换模块5测量通道个数N；信号处理模块3的信号放大倍数n；数据通信模块7的数据通信方式；变量i=1，j=1；

b)判断变量i与j是否相等；若i与j相等，信号处理模块3采集的电压数据全为0,转到步骤h）；若i与j不相等，转到步骤c）；

c)控制电流切换模块4的电流流出通道i导通，同时电流注入通道j导通；

d)导通激励电流源模块2的输出电流I；

e)控制电压切换模块5，以电流流出节点i作为信号处理模块3的电压参考节点；

f)控制电压切换模块5和信号处理模块3依序测量各个节点的电位；

g)关断激励电流源模块2的输出电流I；

h)变量j加1,判断变量j是否大于N；若变量j小于等于N，转到步骤b）；若变量j大于N，转到步骤i）；

i)变量i加1，变量j=1，判断变量i是否大于N；若变量i小于等于N，转到步骤b）；若变量i大于N，转到步骤j）；

j)结束数据测量，将数据存储到数据存储模块6，再通过数据通信模块将数据存储模块中的数据传输到其他设备。

Claims (10)

1.基于无线通信的多通道接地网支路阻抗测量装置，包括微控制器模块（1）、激励电流源模块（2）、信号处理模块（3）、电流切换模块（4）、电压切换模块（5）、数据存储模块（6）、数据通信模块（7）、独立按键模块（8）、液晶显示模块（10）和多通道接线座（9），其特征在于，

所述的微控制器模块（1）负责整个测量装置的控制和测量数据的处理；激励电流源模块（2）在微控制器模块（1）的控制下产生恒定或交变电流信号；电流切换模块（4）在微控制器模块（1）的控制下切换电流信号的流入和流出端口；电流切换模块（4）的流入和流出端口与多通道接线座（9）连接；电压切换模块（5）在微控制器模块（1）的控制下切换电压信号的输入端口；电压切换模块（5）的输入端口与多通道接线座（9）连接；

所述的信号处理模块（3）在微控制器模块（1）的控制下对电压切换模块（5）输出电压信号进行信号滤波、信号放大和A/D转换；信号处理模块（3）将采样电压信号对应的数字值送到微控制器模块（1）；微控制器模块（1）将采集的数据存储到数据存储模块（6）；微控制器模块（1）通过数据通信模块（7）与一上位机（11）通信；液晶显示模块（10）在微控制器模块（1）控制下显示测量界面；独立按键模块（8）与微控制器模块（1）通信，配置测量参数，控制测量过程；所述的多通道接线座（9）与接地网的可及节点通过导线相连。

2.根据权利要求1 所述的多通道接地网支路阻抗测量装置，其特征在于，所述微控制器模块（1）中微控制器采用单片机、ARM、可编程逻辑器FPGA或CPLD。

3.根据权利要求1所述的多通道接地网支路阻抗测量装置，其特征在于，所述的数据通信模块（7）采用RS232、RS485、USB、无线通信模块或SD卡。

4.根据权利要求1所述的多通道接地网支路阻抗测量装置，其特征在于，所述的数据存储模块（6）采用片外NOR FLASH或NAND FLASH存储器。

5.根据权利要求4 所述的多通道接地网支路阻抗测量装置，其特征在于，所述的微控制器模块（1）先将采集的数据存储到微控制器片内高速存储器，再存储到数据存储模块（6）。

6.根据权利要求1 所述的多通道接地网支路阻抗测量装置，其特征在于，激励电流源模块（2）输出电流为幅值为0-10A的恒定信号或频率为20-2000Hz、幅值为0-10A的稳定正弦信号。

7.根据权利要求1 所述的多通道接地网支路阻抗测量装置，其特征在于，所述电流切换模块（4）的流入和流出端口先与电压切换模块（5）的输入端口顺序连接，再与多通道接线座（9）顺序连接。

8.根据权利要求1 所述的多通道接地网支路阻抗测量装置，其特征在于，所述的电流切换模块（4）采用继电器作为切换开关；所述的电压切换模块（5）采用模拟开关选择器作为切换开关。

9.根据权利要求1 所述的多通道接地网支路阻抗测量装置，其特征在于，所述的独立按键模块（8）采用I²C接口键盘驱动器识别输入的按键。

10.利用权利要求1-9任一项所述多通道接地网支路阻抗测量装置的测量方法，包括如下步骤：

a)配置激励电流源模块（2）的输出电流大小I；电流切换模块（4）与电压切换模块（5）测量通道个数N；信号处理模块（3）的信号放大倍数n；数据通信模块（7）的数据通信方式；变量i=1，j=1；

b)判断变量i与j是否相等；若i与j相等，信号处理模块（3）采集的电压数据全为0,转到步骤h）；若i与j不相等，转到步骤c）；

c)控制电流切换模块（4）的电流流出通道i导通，同时电流注入通道j导通；

d)导通激励电流源模块（2）的输出电流I；

e)控制电压切换模块（5），以电流流出节点i作为信号处理模块（3）的电压参考节点；

f)控制电压切换模块（5）和信号处理模块（3）依序测量各个节点的电位；

g)关断激励电流源模块（2）的输出电流I；

h)变量j加1,判断变量j是否大于N；若变量j小于等于N，转到步骤b）；若变量j大于N，转到步骤i）；

i)变量i加1，变量j=1，判断变量i是否大于N；若变量i小于等于N，转到步骤b）；若变量i大于N，转到步骤j）；

j)结束数据测量，将数据存储到数据存储模块（6）。