CN105842519B - 基于gps秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其通过利用GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲信号为分流矢量测量和信号输出提供相同的时标，之后同步计算出测量到的分流矢量值与信号输出基准电压值之间的相位差，从而换算出分流矢量值。本发明还公开了一种接地装置分流矢量测试装置。本发明无需额外的参考基准电压引线，也不受待测接地装置面积大小、有无障碍物等现场试验环境条件的限制和阻隔，现场抗电磁干扰能力强，可以在不拆解各种进出线的情况下，准确测量进出线的分流矢量值，从而获取准确的接地装置接地阻抗值，具有传输距离广、无信号延迟、工作量小等特点，现场测试使用更加简单方便。

Description

基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法及其装置

技术领域

本发明属于接地装置状态检测评估领域，涉及一种接地装置分流矢量测试方法及其装置，更具体地说，是一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法及其装置。

背景技术

接地阻抗是评价接地装置运行状况的重要指标，对其准确评估具有重要意义。然而，由于发电厂、变电站内存在各种进出线，这些进出线的分流作用会对接地装置的接地阻抗测试产生较大影响，导致现场测试时无法准确获得接地装置的接地阻抗值，因此非常有必要对现场的各种进出线的分流状况进行准确测量，以便对接地阻抗测试进行修正。

当前国内外对于接地装置分流的测量方法主要有：

1、理论计算方式，包括序分量法、相分量法、简易计算法等，但这些方式在计算上均存在着一些问题。例如，序分量法的计算过程复杂，需要考虑参数过多，一些参数取值麻烦甚至无法确定，无法求解较为复杂系统或计算不够精确；相分量法虽然在一定程度上解决了序分量法无法真实反映系统的弱点，但该计算模型也复杂，参数也不易取值；简易计算方法考虑情况太理想化，有些参数取值与实际情况差别较大，实用性不好。

2、通过现场实测分流大小的方式来确定分流系数，即通过钳形电流表分别测量架空地线和电缆外护套等各种出线的分流模值，并进行简单的代数相加减，再与测试注入电流模值相比较，以确定分流系数的大小。该种方式忽略了分流相移的影响，而把分流当做标量进行简单的求和计算。由于进出线架构电感分量的存在，各进出线分流呈现出与注入电流存在一定的相角差，并不总是相同或相反，故不能直接进行简单的加减计算，因而该种方式也无法得到精确的接地阻抗值。

3、专利CN103197133公布了一种基于无线传输的地网分流向量测量方法，即当信号源向接地装置注入异频电流的同时，实时采样注入电流波形的相位数据，并通过无线发射装置将注入电流相位数据发射出去，再由无线接收装置接收并送至选配万用表进行分析处理。该种方式虽然在一定程度上能够测量出分流相移，但由于无线选频通讯技术及其设备易受现场测试环境的影响，不仅在现场强电场干扰环境下会影响到无线信号的传输质量，而且在遇到现场障碍物的情况下，更是限制了其传输的有效距离。例如，对于一些特大型的变电站或换流站，可能会存在无线信号覆盖不到的区域。同时，该种方式从无线信号发射到信号接收，中间需经过一系列的延时，单纯通过软件算法修正也会引入一定的误差，从而影响测试结果。此外，该种方式一般还需要额外配备相应的无线发射单元和专门的选频通讯设备，也会在一定程度上影响到现场测试人员的工作量。

有鉴于此，本发明人针对当前行业领域中现有接地装置分流相移测试方法及其装置存在的缺点进行深入研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法及其装置，该测试方法首先利用GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲信号为分流矢量测量和信号输出提供相同的时标，之后同步计算出测量到的分流值与信号输出基准电压值之间的相位差，从而换算出分流相位值。该测试方法及其装置无需额外的参考基准电压引线，也不受现场试验环境条件的限制，抗电磁干扰能力强，可以在不拆解各种进出线的情况下，准确获取接地装置的接地阻抗值参数，现场测试使用更加简单方便。

为实现上述目的，本发明所设计的基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其主要通过如下步骤实现：

（1）根据接地装置特性参数测量方法布置电流回路和电压回路。

（2）异频信号输出单元向布置好的接地装置电流回路中注入异频电流信号，首先接测量回路的可调频率万用表与异频信号输出单元在GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲作用下进行同步，之后采集注入接地装置中的异频电流信号以及在电压回路上产生的异频电压降，并分别计算出电流信号 和电压信号与GPS模块上的PPS秒脉冲信号上升沿处的相位差。以所述的异频电压作为参考基准，即令，则注入的异频电流测试信号的相位为，即。

（3）在异频信号输出单元向布置好的接地装置电流回路中注入异频电流信号的同时，利用可调频率万用表配置的柔性电流线圈以及GPS模块测量与被测接地装置存在金属连接的、可能存在分流的架空避雷线、出线电缆等所有各种进出线的分流矢量值。其中，各个进出线的分流与GPS模块上的PPS秒脉冲信号上升沿处的相位差为。测量过程中，可调频率万用表上的GPS模块与异频信号输出单元上的GPS模块均通过GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲进行同步。同步骤（2），仍以所述的异频电压作为参考基准，则各个进出线分流矢量的相位分别为 即各个进出线的分流矢量分别为 。测量时，经过可调频万用表上软件的处理，可在万用表的相应界面上直接显示出各个分流量与参考基准电压之间的相角差值，即分流相移。

（4）记录下架空避雷线、出线电缆、金属架构等各种进出线的分流矢量。

（5）计算所有进出线的分流矢量和。

（6）将注入的异频测试电流减去所有进出线的分流矢量和，即可得到实际流经接地装置的散流电流值，即。

为了实现上述测试方法而专门设计的接地装置分流矢量测试装置，它包括：异频信号输出单元和可调频率万用表。

该异频信号输出单元具有有源整流模块、DC转DC电源模块、逆变器模块、DSP模块、显示及键盘输入模块、耦合变压器、第一GPS模块。所述的有源整流模块的输出端经DC转DC电源模块与逆变器模块的输入端相连，并与DSP模块共同作用于耦合变压器；所述的DSP模块的输出端还分别与有源整流模块、DC转DC电源模块、逆变器模块、显示及键盘输入模块相连，其输入端还与第一GPS模块相连，用于实现异频小电流信号的最优化和持续稳定输出。

该可调频率万用表具有电流采集模块、电压采集模块、隔离滤波模块、A/D转换模块、微处理器模块、存储单元、USB模块、显示和输出接口模块以及第二GPS模块。所述的电流采集模块和电压采集模块分别与隔离滤波模块相连，之后依次连接A/D转换模块、微处理器模块、显示和输出接口模块；所述的微处理器模块还与存储单元、USB模块、第二GPS模块相连接，用于对回路电压、电流及分流电流信号进行采样、处理。

进一步地，该异频信号输出单元可产生40Hz~70Hz、0~20A的异频小电流信号；

进一步地，该异频信号输出单元上的第一GPS模块与该可调频率万用表上的第二GPS模块均可通过GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲信号进行同步，从而为接地装置分流矢量测试提供参考基准。

进一步地，该可调频率万用表的频率测量范围为40Hz~69Hz，步进幅度为0.1Hz和1Hz用户可设；

进一步地，该异频信号输出单元上的第一GPS模块与GPS人造地球卫星每第10个PPS秒脉冲时进行一次同步；

进一步地，该可调频率万用表上的第二GPS模块与GPS人造地球卫星的同步时间间隔与频率步进幅度有关。当频率步进幅度为0.1Hz时，将每隔10个PPS秒脉冲进行一次同步；当频率步进幅度为1Hz时，将每个1个PPS秒脉冲进行一次同步；

进一步地，该异频信号输出单元和该可调频率万用表上还可同步显示GPS 状态、定位模式、现场经纬度、UTC协调世界时、当前同步卫星数量信息。

本发明与现有技术相比，充分显示其优越性在于：

本发明的接地装置分流矢量测试装置基于GPS秒脉冲信号同步技术，无需额外的参考基准电压引线，也不受待测接地装置面积大小、有无障碍物等现场试验环境条件的限制和阻隔，现场抗电磁干扰能力强，可以在不拆解各种进出线的情况下，准确测量进出线的分流矢量值，从而获取准确的接地装置接地阻抗值，具有传输距离广、无信号延迟、工作量小等特点，现场测试使用更加简单方便。

附图说明

图1为本发明涉及的接地装置分流矢量测试装置中异频信号输出单元的电路模块结构示意图。

图2为本发明涉及的接地装置分流矢量测试装置中可调频率万用表的电路模块结构示意图。

图3 为本发明涉及的基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试装置的现场测量示意图。

图4为本发明涉及的基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试装置中第一GPS模块和第二GPS模块的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。

参照图1、图2、图3和图4。本发明所设计的基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，该方法包括如下步骤：

（1）根据接地装置特性参数测量方法布置电流回路和电压回路。

（2）异频信号输出单元A向布置好的接地装置电流回路中注入频率为40Hz~70Hz、大小为0~20A异频电流信号，首先接测量回路的可调频万用表B与异频信号输出装置A在GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲作用下进行同步，之后用可调频率万用表B配置的柔性电流线圈采集注入接地装置中的异频电流信号，用可调频率万用表B直接测量电压回路上产生的异频电压降，并分别计算出电流信号和电压信号与GPS模块上的PPS秒脉冲信号上升沿处的相位差。以所述的异频电压作为参考基准，即令，则注入的异频电流测试信号的相位为，即。

特别地，异频信号输出单元A上的第一GPS模块7与GPS人造地球卫星在每第10个PPS秒脉冲时进行一次同步。可调频率万用表B的频率测量范围为40~69Hz，步进幅度为0.1Hz和1Hz用户可设，而其上的第二GPS模块16与GPS人造地球卫星的同步时间间隔与频率步进幅度有关，当频率步进幅度为0.1Hz时，将每隔10个PPS秒脉冲进行一次同步,当频率步进幅度为1Hz时，将每个1个PPS秒脉冲进行一次同步。

（3）在异频信号输出单元A向布置好的接地装置电流回路中注入异频电流信号的同时，利用可调频率万用表B配置的柔性电流线圈以及第二GPS模块16测量与被测接地装置存在金属连接的、可能存在分流的架空避雷线、出线电缆等所有各种进出线的分流矢量值。其中，各个进出线的分流与第二GPS模块16上的PPS秒脉冲信号上升沿处的相位差为。测量过程中，可调频率万用表B上的第二GPS模块16与异频信号输出单元A上的第一GPS模块7均通过GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲进行同步。

同步骤（2），仍以所述的异频电压作为参考基准，则各个进出线分流矢量的相位分别为 即各个进出线的分流矢量分别为 。测量时，经过可调频万用表B上软件的处理，可在可调频万用表B的相应界面上直接显示出各个分流量与参考基准电压之间的相角差值，即分流相移。优选地，该可调频率万用表B还可同步显示GPS状态、定位模式、现场经纬度、UTC协调世界时、当前同步卫星数量信息。

（4）记录下架空避雷线、出线电缆、金属架构等各种进出线的分流矢量。

（5）计算所有进出线的分流矢量和。

（6）注入的异频测试电流减去所有进出线的分流矢量和，即可得到实际流经接地装置的散流电流值，即。

本发明的基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试装置，如图2和图3所示，包括异频信号输出单元A和可调频率万用表B两个部分：

该异频信号输出单元A的关键部分由相连的有源整流模块1、DC转DC电源模块2、逆变器模块3、DSP模块4、显示及键盘输入模块5、耦合变压器6、第一GPS模块7连接构成，用于实现异频小电流信号的最优化和持续稳定输出。其中，有源整流模块1依次与DC转DC电源模块2、逆变器模块3、耦合变压器6相连，并均受DSP模块4的控制，同时DSP模块4还与显示及键盘输入模块5相连接。特别地，DSP模块4与有源整流模块1、DC转DC电源模块2、逆变器模块3单向连接，并与显示及键盘输入模块5、耦合变压器6双向连接。优选地，该异频信号输出单元A还与第一GPS模块7进行单向连接，用于为分流矢量测量时提供同步参考时标。

该可调频率万用表B的关键部分由电流采集模块8、电压采集模块9、隔离滤波模块10、A/D转换模块11、微处理器模块12、存储模块13、USB模块14、显示和输出接口模块15以及第二GPS模块16连接构成，用于对回路电压、电流及分流电流信号进行采样、处理。其中，电流采集模块8和电压采集模块9采集测试回路中的电压和电流信号后，依次经过隔离滤波模块10、A/D转换模块11送入微处理器模块12进行处理，经微处理器模块12处理后的测试结果可通过存储模块13进行保存和通过显示和输出接口模块15直观显示给用户查看，亦可通过USB模块14进行数据下载分析。特别地，微处理器模块12与存储单元13、USB模块14、显示和输出接口模块15之间均为双向连接。优选地，该可调频率万用表B还与第二GPS模块16进行单向连接，用于为分流矢量测量时提供同步参考时标。

现场测试时，异频信号输出单元A上的有源整流模块1将AC220V交流信号转化为直流信号，送入DC转DC电源模块2进行直流电压的幅值转换，之后通过逆变器模块3产生频率在40Hz~70Hz之间连续可调的异频电流信号，再通过耦合变压器6对异频电流信号进行升压以及回路阻抗最佳匹配，最终注入到被测接地装置测试回路中。优选地，DSP模块4作为异频信号输出单元的主控部分，可接收耦合变压器6反馈回的测试回路阻抗信息并进行处理，从而实现异频小电流信号的最优化和持续稳定输出。

当异频信号输出单元A向被测接地装置测试回路注入异频电流信号后，可调频率万用表B通过电流采集模块8、电压采集模块9采集被测接地装置测试回路中的异频电流信号以及产生的电压降，之后将采集到的电电流和电压信号送入隔离滤波模块10进行滤波处理，经A/D转换模块11进行模数转换后送至微处理器模块12进行运算处理，从而获得相应的接地装置的接地阻抗、跨步电压、接触电压等各种接地装置特性参数，并可通过存储单元13、USB模块14、显示和输出接口模块15实现对测试数据的存储、导出以及显示。

现场进行接地装置分流矢量测量时，如图4所示，在异频信号输出单元A向布置好的接地装置电流回路中注入异频电流信号的同时，异频信号输出单元A上的第一GPS模块7与可调频率万用表B上的第二GPS模块16可通过GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲进行同步，为接地装置分流矢量测试提供共同的参考时标基准。此时，可调频率万用表B通过电流采集模块8配套的相应柔性电流线圈直接缠绕在被测接地装置上的各种进出线构架上，以进行分流矢量信号采集。其中，分流大小可直接由缠绕的柔性电流线圈测得，分流相位的测量是通过以相同的PPS秒脉冲信号上升沿处作为统一基准，首先由微处理器模块12计算出第n个进出线架构与PPS秒脉冲信号上升沿处之间的相位差，之后再由微处理器模块12计算出与异频信号输出单元A产生的电流信号同一个电压参考基准的相位差，即与异频电压之间的相位差，该相位差即为该进出线架构分流矢量的相位。最后，经过内部软件计算处理后得到的分流大小和相位值可在显示和输出接口模块16上直接进行显示，以便用户直观地读取相应的测试数据。

本发明的接地装置分流矢量测试装置基于GPS秒脉冲信号同步技术，异频信号输出单元A与可调频率万用表B上的第一GPS模块7和第二GPS模块16通过利用GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲信号为分流矢量测量和信号输出提供相同的时标，实现分流矢量的准确测量，无需额外的参考基准电压引线，也不受待测接地装置面积大小、有无障碍物等现场试验环境条件的限制和阻隔，具有抗电磁干扰能力强、传输距离广、无信号延迟、工作量小等特点，现场测试使用非常简单、方便。

参照图4。在本发明的优选实施例中，所述第一GPS模块和/或第二GPS模块可以采用如下结构的一GPS同步接收装置。

该GPS同步接收装置包括：GPS同步接收装置本体411、接口模块49以及电源模块410。GPS同步接收装置本体411包括GPS天线41、前置放大器模块42、变频模块43、接收模块44、处理模块45、存储模块46、LED指示灯47以及传输模块48。

所述GPS天线41的输出端依次与前置放大器模块42、变频模块43、接收模块44、处理模块45、传输模块48以及接口模块49相连。另外，优选地，该接口模块49包含有PPS秒脉冲输出通道和电源传输通道，可分别用于输出同步信号和为电源模块传递电能，同时其还支持AMP航空插头和插针式两种安装方式，可分别以外置方式连接大型接地网特性参数测量系统中的变频信号源或以内置方式固定于可调频率万用表内部。

所述的处理模块45还与存储模块46双向连接，用于存储解码、运算后的信号；以及与LED指示灯47单向连接，用于指示GPS同步接收装置的工作状态。

所述的电源模块410的输入端与接口模块49的一路输出端相连，可产生+3V电压信号，用于为GPS同步接收装置本体411的正常工作提供电能。

这样，本发明涉及的一种用于接地网分流相移测量的GPS同步接收装置，其GPS天线41接收GPS人造地球卫星发出的微弱电磁波并转换为电流信号，依次经过前置放大器模块42进行信号放大和变频模块43的频率变换处理，之后送入接收模块44进行信号跟踪、接收，再经处理模块45对信号进行解码、运算处理，此时信号可在存储模块46中进行存储，并且LED指示灯闪烁，表示GPS同步接收装置可正常工作。最后，将处理后的信号以电文形式经传输模块48送至接口模块49，从而实现PPS秒脉冲同步信号的输出。

上述GPS同步接收装置，可通过接收GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲信号进行同步，能够直接与大型接地网特性参数测量系统中的变频信号源和可调频率万用表配合使用，实现接地网分流相移的准确测量。

通过上述设置，可以使得本发明的第一GPS模块和第二GPS模块具备以下优点：

一是具有信号接收稳定、传输距离广的特点，能够不受现场试验环境条件的限制，实现接地网分流相移的准确测量；

二是结构小巧轻便、易于安装，支持AMP航空插头和插针式两种安装方式，可分别以外置方式连接大型接地网特性参数测量系统中的变频信号源或以内置方式固定于可调频率万用表内部。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其特征在于，它通过如下步骤实现：

（1）根据接地装置特性参数测量方法布置电流回路和电压回路；

（2）异频信号输出单元向布置好的接地装置电流回路中注入异频电流信号，首先接测量回路的可调频率万用表与异频信号输出单元在GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲作用下进行同步，之后采集注入接地装置中的异频电流信号以及在电压回路上产生的异频电压降，并分别计算出电流信号和电压信号与GPS模块上的PPS秒脉冲信号上升沿处的相位差、；以所述的电压信号作为参考基准，即令、，则注入的电流信号的相位为，即；

（3）在异频信号输出单元向布置好的接地装置电流回路中注入异频电流信号的同时，利用可调频率万用表配置的柔性电流线圈以及GPS模块测量与被测接地装置存在金属连接的、可能存在分流的架空避雷线、出线电缆所有各种进出线的分流矢量值；其中，各个进出线的分流与GPS模块上的PPS秒脉冲信号上升沿处的相位差为、、 ；测量过程中，可调频率万用表上的GPS模块与异频信号输出单元上的GPS模块均通过GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲进行同步；同步骤（2），仍以所述的电压信号作为参考基准，则各个进出线分流矢量的相位分别为、、 ，即各个进出线的分流矢量分别为、、 ；测量时，经过可调频万用表上软件的处理，可在万用表的相应界面上直接显示出各个分流量与参考基准电压之间的相角差值，即分流相移；

（4）记录下架空避雷线、出线电缆、金属架构各种进出线的分流矢量、、 ；

（5）计算所有进出线的分流矢量和；

（6）将注入的电流信号减去所有进出线的分流矢量和，即可得到实际流经接地装置的散流电流值，即；

实现上述测试方法采用的接地装置分流矢量测试装置，包括异频信号输出单元以及可调频率万用表；

所述异频信号输出单元具有有源整流模块、DC转DC电源模块、逆变器模块、DSP模块、显示及键盘输入模块、耦合变压器、第一GPS模块；所述有源整流模块的输出端经DC转DC电源模块与逆变器模块的输入端相连，并与DSP模块共同作用于耦合变压器；所述的DSP模块的输出端还分别与有源整流模块、DC转DC电源模块、逆变器模块、显示及键盘输入模块相连，其输入端还与第一GPS模块相连，用于实现异频小电流信号的最优化和持续稳定输出，

该可调频率万用表具有电流采集模块、电压采集模块、隔离滤波模块、A/D转换模块、微处理器模块、存储单元、USB模块、显示和输出接口模块以及第二GPS模块， 所述的电流采集模块和电压采集模块分别与隔离滤波模块相连，之后依次连接A/D转换模块、微处理器模块、显示和输出接口模块；所述的微处理器模块还与存储单元、USB模块、第二GPS模块相连接，用于对回路电压、电流及分流电流信号进行采样、处理。

2.如权利要求1所述的一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其特征在于：所述异频信号输出单元可产生40Hz~70Hz、0~20A的异频小电流信号。

3.如权利要求1所述的一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其特征在于：所述异频信号输出单元上的第一GPS模块与该可调频率万用表上的第二GPS模块均通过GPS人造地球卫星提供的PPS秒脉冲信号进行同步，从而为接地装置分流矢量测试提供参考基准。

4.如权利要求1所述的一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其特征在于：所述异频信号输出单元上的第一GPS模块与GPS人造地球卫星每第10个PPS秒脉冲时进行一次同步。

5.如权利要求1所述的一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其特征在于：所述可调频率万用表的频率测量范围为40Hz~69Hz，步进幅度为0.1Hz或1Hz。

6.如权利要求1所述的一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其特征在于：当频率步进幅度为0.1Hz时，所述可调频率万用表上的第二GPS模块与GPS人造地球卫星的每第10个PPS秒脉冲时进行一次同步。

7.如权利要求1所述的一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其特征在于：当频率步进幅度为1Hz时，所述可调频率万用表上的第二GPS模块与GPS人造地球卫星的每第1个PPS秒脉冲时进行一次同步。

8.如权利要求1所述的一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其特征在于：所述异频信号输出单元和该可调频率万用表上还可同步显示GPS状态、定位模式、现场经纬度、UTC协调世界时、当前同步卫星数量信息。

9.如权利要求1所述的一种基于GPS秒脉冲的接地装置分流矢量测试方法，其特征在于：所述第一GPS模块和/或第二GPS模块为一GPS同步接收装置，该GPS同步接收装置包括GPS同步接收装置本体、接口模块以及用于为GPS同步接收装置本体正常工作提供电能的电源模块，所述GPS同步接收装置本体包括依次相连接的GPS天线、前置放大器模块、变频模块、接收模块、处理模块以及传输模块，所述电源模块的输入端与接口模块的一路输出端相连，所述传输模块的输出端与所述接口模块的输入端相连。