CN114371362A - 变电站接地网腐蚀状态变频检测装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站接地网腐蚀状态变频检测装置及使用方法，属于变电站接地网技术领域。所述装置包括上位机和下位机，所述下位机包括：MCU单元；DAC单元，用于对MCU单元RAM中的波形数据数模转换；功率放大器电路，与DAC单元电连接，用于对MCU单元输出的波形信号DAC_out进行放大、转换；测试线，用于将功率放大器电路的输出电流Ia施加在被测电极上；信号调理电路，用于对功率放大器电路的输出电压Vi进行放大；以及ADC单元。本发明可以施加任意频率，或者不同频率叠加的电流，减少对变电站接地网腐蚀状态检测时外部电磁噪声干扰，提高测量精度。

Description

变电站接地网腐蚀状态变频检测装置及使用方法

技术领域

本发明属于变电站接地网技术领域，更具体地说，涉及一种变电站接地网腐蚀状态变频检测装置及使用方法。

背景技术

变电站接地网对变电站的稳定运行起着重要的作用，接地网埋设在地下，因土壤长时间作用下，接地网会发生腐蚀导致接地网电阻变大，性能降低，因此定时对接地网电阻进行测量，是确保接地网安全运行的重要手段。现阶段常用的检测仪器是导通电阻测试仪，通过在接地网的两个被测点施加恒定电流后测量端口电压，通过欧姆定律计算电阻。但是该方法易受外部电磁噪声干扰，导致测量结果不准确。

现有技术中也做出了相应的改进。申请号为CN202110362504.8、申请日为2021年04月02日的中国发明专利公开了一种基于物联网技术的接地网腐蚀检测与定位方法，该申请中所述方法采用嵌入式小型检测装置，基于簇-链混合式网络结构，将地表位置信息和磁场强度值加密压缩后发送至无线网关设备；由分析平台根据检测数据实现接地网腐蚀检测与定位。简化了检测系统部署、降低成本；电磁感应原理实现接地网状态的非接触式检测，无需外接引线，对接地网和变电站设备无影响；应用物联网技术将多个检测装置与无线通信网关构成检测网络，实现对接地网的全覆盖检测；检测装置固定于地表，根据实际需求增减检测点数量，监测灵活、效率高；在不挖开接地网、不影响系统正常运行的条件下，对接地网缺陷进行诊断预警和缺陷点精确定位，既能定期检测、也能实时在线监测；申请号为CN202110709089.9、申请日为2021年06月25日的中国发明专利公开了一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法与系统，该申请中所述方法包括如下步骤：选择变电站接地网引下线作为电流注入点，在距离接地网边缘距离L1处布置辅助电极，连接发射机，向接地网注入双极性方波电流；距离接地网边缘距离L2处布置参比电极，连接接收机，采集接地网与参比电极之间的双极性电压波形；L2＝0.5-0.6L1；对所测得的双极性电压波形进行叠加消噪处理；绘制电压衰减曲线；通过电压衰减曲线的暂态数据计算电压衰减时间常数τ；通过电压衰减曲线的稳态数据电压U1和测得电流I1，计算接地电阻R。该发明根据电压衰减时间常数τ评价接地网的整体腐蚀程度；通过接地电阻R评估接地网接地性能，实现对接地网状态的联合评估。上述方案虽然都能够在一定程度上解决其声称的问题，但均还存在以下不足：在对接地网电阻进行测量时无法避免受到外部电磁噪声干扰，导致测量结果不准确。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种变电站接地网腐蚀状态变频检测装置及使用方法，可以施加任意频率，或者不同频率叠加的电流，减少外部电磁噪声干扰，提高测量精度。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

作为本申请的第一个方面，提供一种变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，包括通信连接的上位机和下位机，，所述上位机用于设置下位机激励的波形和频率，所述下位机用于接收上位机的指令对被测电极的电阻进行检测，并将检测得到的数据发送给上位机；所述下位机具体包括：

MCU单元，用于通过串口UART与上位机通信，并将上位机的波形数据存储在RAM中；

DAC单元，与MCU单元电连接，用于对MCU单元RAM中的波形数据数模转换并输出波形信号DAC_out；

功率放大器电路，与DAC单元电连接，用于对MCU单元输出的波形信号DAC_out进行放大、转换，输出得到输出电流Ia和输出电压Vi；

测试线，连接功率放大器电路和被测电极，用于将功率放大器电路的输出电流Ia施加在被测电极上，向被测电极提供激励；

信号调理电路，连接功率放大器电路和与被测电极，用于对功率放大器电路的输出电压Vi进行放大；

以及ADC单元，与信号调理电路和MCU单元电连接，用于将放大后的输出电压Vi转换为MCU单元可采集的输出信号Vo并发送给MCU单元。

其优选的技术方案为：

如上所述的变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，其特征在于：所述上位机用于生成不同频率组合的激励波形，所述不同频率组合的激励波形不包括工频泄漏电流的频率及其倍频。

如上所述的变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，所述功率放大器电路至少包括LM1875功率放大芯片，所述信号调理电路至少包括OPA2211放大芯片。

如上所述的变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，所述下位机还包括定时器和指示灯，所述定时器和指示灯均与MCU单元电连接。

如上所述的变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，所述指示灯至少包括指示灯D1和指示灯D2。

作为本申请的第二个方面，提供一种对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，用于如上任一项所述的MCU单元，包括以下步骤：

步骤S4、监测串口UART是否接收到上位机的启动测量指令；若为是，进入步骤S5；若为否，继续监测串口UART；

步骤S5、控制开启DAC单元，将DAC单元中存储的波形数据转换为波形信号DAC_out；

步骤S6、控制开启ADC单元，将信号调理电路采集得到的功率放大器电路的输出电压Vi转换为MCU单元可采集的输出信号Vo；

步骤S7、符合一定条件后，停止测量，通过串口UART与上位机通信，上传ADC单元转换得到的输出信号Vo。

其优选的技术方案为：

如上所述的对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，在步骤S4之前，还包括：

步骤S1、初始化ADC单元和DAC单元；

步骤S2、监测串口UART是否接收到上位机的波形数据，若为是，进入步骤S3；若为否，继续监测串口UART；

步骤S3、将上位机的波形数据储存在RAM中，根据波形数据的频率调整定时器的频率。

如上所述的对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，步骤S3中，将上位机的波形数据储存在RAM中，根据波形数据的频率调整定时器的频率前，还包括：

判断接收到的上位机的波形数据是否正确，若为否，继续监测串口UART；若为是，控制指示灯D2闪烁一次。

如上所述的对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，步骤S5前，所述方法还包括：

判断接收到上位机的启动测量指令是否正确，若为否，返回步骤S4；若为是，先控制指示灯D2闪烁一次，再控制指示灯D1常亮。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过上位机实现测量结果的计算和呈现，能够设置下位机激励的波形和频率，控制测量的启动；下位机实现测量电极，接收上位机的控制指令开始测量，并将相应的控制信号经过功率放大器电路施加在被测电极两端，被测电极上的电流信号再通过信号调理电路采集并经ADC单元格式转换，将转换后的数据上传至上位机进行计算和呈现，从而能够通过判断接地网的阻值增加的比例，进而判断接地网腐蚀的位置与程度，判断结果精准，整体装置结构简单，操作简便，对提升接地网腐蚀诊断的准确度具有重要的意义；

(2)本发明通过设置指示灯D1和指示灯D2，其中指示灯D1用于表征当前时刻ECU单元是否处于测量阶段，指示灯D2用于表征ECU单元是否正确接收到上位机的指令；利用指示灯D1和指示灯D2在点亮与熄灭之间的状态变化，能够实时表征对变电站接地网腐蚀状态进行检测所处的状态，使得使用本发明的一种变电站接地网腐蚀状态变频检测装置对变电站接地网腐蚀状态进行检测时，装置的工作状态能够直观地展示，提高了操作的便捷性。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中的一种变电站接地网腐蚀状态变频检测装置组成示意图；

图2为本发明其中一个实施例中的MCU单元原理图；

图3为本发明其中一个实施例中的功率放大器电路原理图；

图4为本发明其中一个实施例中的信号调理电路原理图；

图5为本发明其中一个实施例中的ADC单元原理图；

图6为本发明其中一个实施例中的对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

常规的变电站接地网腐蚀状态检测方法是通过在接地网的两个被测点施加恒定电流后测量端口电压，通过欧姆定律计算电阻。但是该方法易受外部电磁噪声干扰，特别是运行中的变电站接地网中工频泄漏电流的干扰，导致测量结果不准确。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，包括通信连接的上位机和下位机，所述下位机主要用于接收上位机的指令对被测电极的电阻进行检测，并将检测得到的数据发送给上位机；所述上位机用于生成不同频率组合的激励波形，所述不同频率组合的激励波形不包括工频泄漏电流的频率(一般为50H_Z)及其倍频；所述上位机还用于对接收到的检测数据进行处理，同时将处理的结果进行可视化展示；值得说明的是，本实施例中的上位机还能够设置下位机激励的波形和频率，与相关人员之间进行人机互动，实现控制测量的启动等。

所述下位机具体包括：

MCU单元，用于通过串口UART与上位机通信，并将上位机的波形数据存储在RAM中；如图2所示，所述MCU单元通过串口UART与上位机通信，接收上位机的控制信号譬如指令，或者是向上位机发送信号譬如被测电极在激励下产生的的电压等。所述MCU单元至少包括一个晶振Y2，晶振Y2为8MHz晶振，为MCU单元提供时钟信号；当MCU单元通过串口UART与上位机通信接收到上位机的波形数据，MCU单元首先将波形数据储存在其自身的RAM(内部存储器)中，根据波形数据的频率调整时钟信号的频率使得二者一致，调整好时钟信号的频率后等待接收上位机发送的启动测量指令；

DAC单元，即数模转换器，与MCU单元电连接，用于对MCU单元RAM中的波形数据数模转换并输出波形信号DAC_out；

功率放大器电路，与DAC单元电连接，用于对MCU单元输出的波形信号DAC_out进行放大、转换，输出得到输出电流Ia和输出电压Vi；本实施例中功率放大器电路至少包括依次连接的功率放大器、变压器以及互感器，如图3所示，其中功率放大器采用LM1875作为功率放大器电路件，功率放大器首先将DAC单元数模转换后输出的波形信号DAC_out进行放大，输出得到信号Aout，信号Aout经过变压器变换输出电流Ia，电流Ia经过互感器输出输出电压Vi；

测试线，连接功率放大器电路和被测电极，用于将功率放大器电路的输出电流Ia施加在被测电极上，向被测电极提供激励；

信号调理电路，连接功率放大器电路和与被测电极，用于对功率放大器电路的输出电压Vi进行放大；如图4所示，本实施例中的信号调理电路主要包括一个OPA2211运算放大器，其中，功率放大器电路中的互感器输出信号Vi加载于OPA2211运算放大器的同向输入端；

以及ADC单元，与信号调理电路和MCU单元电连接，用于将放大后的输出电压Vi转换为MCU单元可采集的输出信号Vo并发送给MCU单元，如图5所示为ADC单元的电路示意图。

本实施例中通过上位机实现测量结果的计算和呈现，以及设置下位机激励的波形和频率，控制测量的启动；下位机实现测量电极，接收上位机的控制指令开始测量，并将相应的控制信号经过功率放大器电路施加在被测电极两端，被测电极上的电流信号再通过信号调理电路采集并经ADC单元格式转换，将转换后的数据上传至上位机进行计算和呈现，从而能够通过判断接地网的阻值增加的比例，进而判断接地网腐蚀的位置与程度，判断结果精准，整体装置结构简单，操作简便，对提升接地网腐蚀诊断的准确度具有重要的意义。

实施例2

本实施例提供一种对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，用于实施例1所述的MCU单元，包括以下步骤：

步骤S1、初始化ADC单元和DAC单元；

步骤S2、监测串口UART是否接收到上位机的波形数据，若为是，进入步骤S3；若为否，继续监测串口UART；

步骤S3、将上位机的波形数据储存在RAM中，根据波形数据的频率调整定时器的频率，保证二者之间能够正常通信；

步骤S4、监测串口UART是否接收到上位机的启动测量指令；若为是，进入步骤S5；若为否，继续监测串口UART；

步骤S5、控制开启DAC单元，将DAC单元中存储的波形数据转换为波形信号DAC_out；

步骤S6、控制开启ADC单元，将信号调理电路采集得到的功率放大器电路的输出电压Vi转换为MCU单元可采集的输出信号Vo；

步骤S7、符合一定条件后，停止测量，通过串口UART与上位机通信，上传ADC单元转换得到的输出信号Vo。

执行完步骤S1～S7后，将测量得到输出信号Vo在上位机中通过傅里叶变换进行频谱分析，获得信号对应组合频率的各频点的幅值，Vf1、Vf2、If1、If2。利用欧姆定律计算两个频点的电阻值Rf1、Rf2，将两个电阻值求平均值作为最终的测量结果。

通过上述的对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，由于测试时仅仅需要利用上位机生成不同频率组合的激励波形，通过上位机生成不同频率组合的激励波形为多频率的组合，并保证上位机生成的频率组合中不包括工频泄漏电流频率及其倍频，再将测量得到的电压电流信号在上位机中通过傅里叶变换进行频谱分析，获得信号对应组合频率的各频点的幅值V_f1、V_f2、I_f1、I_f2；利用欧姆定律计算两个频点的电阻值R_f1、R_f2，将两个电阻值求平均值作为最终的测量结果；由于整个过程避开了工频泄漏电流频率对检测信号的干扰，能够有效规避变电站现场的噪声干扰，提升检测的准确度。

更进一步的，如前所述，采用本实施例中的方法对变电站接地网腐蚀状态进行检测时，为了避免工频泄漏电流的影响，主要是通过上位机生成不同频率组合的激励波形，并使得生成的频率组合中不包括50Hz及其倍频，来避免工频泄漏电流对检测信号的干扰。本实施例在停止测量前，首先判断施加给DAC单元的信号是否符合一定的条件，也就是判断施加给DAC单元的组合波形的频率f1和f2是否大于1/f1和1/f2的最小公倍数。通过判断是否获取完激励信号的完成周期，能够保证后续用于计算两个频率的信号幅值的准确度。

实施例3

如图6所示，本实施例提供一种对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，用于实施例1所述的MCU单元，包括以下步骤：

步骤S1、初始化ADC单元和DAC单元；

步骤S2、监测串口UART是否接收到上位机的波形数据，若为是，进入步骤S3；若为否，继续监测串口UART；

步骤S3、判断接收到的上位机的波形数据是否正确，若为否，继续监测串口UART；若为是，控制指示灯D2闪烁一次；同时将上位机的波形数据储存在RAM中，根据波形数据的频率调整定时器的频率，保证二者之间能够正常通信；

步骤S4、监测串口UART是否接收到上位机的启动测量指令；若为是，进入步骤S5；若为否，继续监测串口UART；

步骤S5、判断接收到上位机的启动测量指令是否正确，若为否，返回步骤S4；若为是，先控制指示灯D2闪烁一次，再控制指示灯D1常亮控制开启DAC单元，将DAC单元中存储的波形数据转换为波形信号DAC_out；

步骤S6、控制开启ADC单元，将信号调理电路采集得到的功率放大器电路的输出电压Vi转换为MCU单元可采集的输出信号Vo；

步骤S7、符合一定条件后，停止测量，通过串口UART与上位机通信，上传ADC单元转换得到的输出信号Vo。

本实施例中通过设置指示灯D1和指示灯D2，其中指示灯D1用于表征当前时刻ECU单元是否处于测量阶段，指示灯D2用于表征ECU单元是否正确接收到上位机的指令；利用指示灯D1和指示灯D2在点亮与熄灭之间的状态变化，能够实时表征对变电站接地网腐蚀状态进行检测所处的状态，使得使用本发明的一种变电站接地网腐蚀状态变频检测装置对变电站接地网腐蚀状态进行检测时，装置的工作状态能够直观地展示，提高了操作的便捷性。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，包括通信连接的上位机和下位机，所述上位机用于设置下位机激励的波形和频率，所述下位机用于接收上位机的指令对被测电极的电阻进行检测，并将检测得到的数据发送给上位机；其特征在于，所述下位机具体包括：

MCU单元，用于通过串口UART与上位机通信，并将上位机的波形数据存储在RAM中；

DAC单元，与MCU单元电连接，用于对MCU单元RAM中的波形数据数模转换并输出波形信号DAC_out；

功率放大器电路，与DAC单元电连接，用于对MCU单元输出的波形信号DAC_out进行放大、转换，输出得到输出电流Ia和输出电压Vi；

测试线，连接功率放大器电路和被测电极，用于将功率放大器电路的输出电流Ia施加在被测电极上，向被测电极提供激励；

信号调理电路，连接功率放大器电路和与被测电极，用于对功率放大器电路的输出电压Vi进行放大；

以及ADC单元，与信号调理电路和MCU单元电连接，用于将放大后的输出电压Vi转换为MCU单元可采集的输出信号Vo并发送给MCU单元。

2.根据权利要求1所述的变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，其特征在于：所述上位机用于生成不同频率组合的激励波形，所述不同频率组合的激励波形不包括工频泄漏电流的频率及其倍频。

3.根据权利要求1所述的变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，其特征在于：所述功率放大器电路至少包括LM1875功率放大芯片，所述信号调理电路至少包括OPA2211放大芯片。

4.根据权利要求1所述的变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，其特征在于：所述下位机还包括定时器和指示灯，所述定时器和指示灯均与MCU单元电连接。

5.根据权利要求4所述的变电站接地网腐蚀状态变频检测装置，其特征在于：所述指示灯至少包括指示灯D1和指示灯D2。

6.对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，用于权利要求1～5任一项所述的MCU单元，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S4、监测串口UART是否接收到上位机的启动测量指令；若为是，进入步骤S5；若为否，继续监测串口UART；

步骤S5、控制开启DAC单元，将DAC单元中存储的波形数据转换为波形信号DAC_out；

步骤S6、控制开启ADC单元，将信号调理电路采集得到的功率放大器电路的输出电压Vi转换为MCU单元可采集的输出信号Vo；

步骤S7、符合一定条件后，停止测量，通过串口UART与上位机通信，上传ADC单元转换得到的输出信号Vo。

7.根据权利要求6所述的对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，其特征在于，在步骤S4之前，还包括：

步骤S1、初始化ADC单元和DAC单元；

步骤S2、监测串口UART是否接收到上位机的波形数据，若为是，进入步骤S3；若为否，继续监测串口UART；

步骤S3、将上位机的波形数据储存在RAM中，根据波形数据的频率调整定时器的频率。

8.根据权利要求7所述的对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，其特征在于，步骤S3中，将上位机的波形数据储存在RAM中，根据波形数据的频率调整定时器的频率前，还包括：

判断接收到的上位机的波形数据是否正确，若为否，继续监测串口UART；若为是，控制指示灯D2闪烁一次。

9.根据权利要求6所述的对变电站接地网腐蚀状态进行检测的方法，其特征在于，步骤S5前，所述方法还包括：

判断接收到上位机的启动测量指令是否正确，若为否，返回步骤S4；若为是，先控制指示灯D2闪烁一次，再控制指示灯D1常亮。

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