CN204666727U - 基于gps的大型地网接地阻抗测量装置 - Google Patents

基于gps的大型地网接地阻抗测量装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,它包括主机和从机,主机由控制器模块、电源模块、电流源模块、罗氏线圈、电流信号处理模块、电流过零检测模块、电压检测模块、电压信号处理模块、电压过零检测模块、GPS授时模块、数据存储模块、无线通讯模块、显示模块、按键模块依电回路方式连接;从机由控制器模块、电源模块、罗氏线圈、信号处理模块、过零检测模块、GPS授时模块、数据存储模块、无线通讯模块、显示模块依电回路方式连接;本实用新型电路设计简单,成本低廉,为精确计算运行发电厂、变电站等大型接地网接地特性提供保障,解决了准确测量各处分流向量的问题,同时自动化水平高,减少了测量工作量。

Description

基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置

技术领域

[0001] 本实用新型涉及测量装置,特别是一种基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置。

背景技术

[0002] 发电厂、变电站接地网是整个电力系统防雷、故障保护系统的重要组成部分。其 接地阻抗参数是地网运行状态主要状态量,是衡量地网运行状态的重要指标。随着现代大 电网向超高压、大电容和远距离方向发展,使故障时入地电流不断增大,引起地电位大幅提 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,导致地网接地阻抗变大,产生较大的 接触电位差和跨步电位差,危及设备和人身安全。所以,出于安全运行的考虑,准确测量地 网接地阻抗,及时发现问题越来越受到发、变电企业的重视。

[0003] 接地阻抗的定义为,对地网注入测试电流/w,然后用电压表测得地网相应的电 位抬升U,接地阻抗Z=U/4,可见接地阻抗的所有测试结果均建立在注入地网的测试电流 /w这个基础数据上,准确得到注入当前地网的真实电流非常重要,直接影响测试结果。

[0004] 发电厂、变电站地网面积较大,地下接地体成网络状埋设布置,地面上的金属构架 与外界架空地线相连,同时众多金属构架相互之间通过构架相连,地网、金属构架、架空地 线、电缆外护套相互连接在一起,共同构成了一个电阻电感网络。金属构架的接入对测试电 流产生了较大的分流作用,即仪器输出的测试电流并未全部注入当前地网,而是通过金属 构架分流到了远方。注入地网的交流测试电流在各金属构架上的分电流并非完全的反向, 而是存在一定的相位差。对于一些大型的变电站,金属构架之间还存在环流。

[0005] 由于测试时对地网注入的是一个交流电源,其电流方向以每秒50个左右的正弦 波周期在实时变化。要测出金属构架分电流的向量,首先要能实时比较金属构架分电流相 对于测试电流的相位差。以往变电站地网测量时,由于技术水平和测试设备的限制,很多情 况下要么完全不测金属构架分电流,要么只测金属构架分电流的模值大小,而不测其相位。 不测分电流,则未考虑架空地线散流的影响,最终测试电流的计算值偏大;只测分电流模值 而不测相位差,则只能将所有分电流都当成向地网以外散流,且其方向与注入地网的测试 电流完全反相来计算,则最终测试电流的计算值偏小;有时各金属构架所测得的分电流模 值相加甚至超出了注入的测试电流,无法得到符合逻辑的测试结果。只有准确测量出各处 分电流的向量,然后将测试电流与各分电流求向量和,才能准确得到注入地网的电流,从而 准确得到地网接地阻抗。

[0006] GPS时钟系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品, GPS数字产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号,将这些信息通过各种接口类型来传输 给自动化系统中需要时间信息的设备,这样就可以达到整个系统的时间同步。接地网阻抗 测量装置对时间同步要求很高,因此可以采用GPS时钟系统作为测量装置的同步信号。

发明内容

[0007] 本实用新型的目的是:提供一种基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,能够现 场测量出大型地网接地阻抗。

[0008] 为实现上述目的,本实用新型采用的技术解决方案是该基于GPS的大型地网接 地阻抗测量装置由主机配合从机组成,主机包括控制器模块、电源模块、电流源模块、罗氏 线圈、电流信号处理模块、电流过零检测模块、电压检测模块、电压信号处理模块、电压过零 检测模块、GPS授时模块、数据存储模块、无线通讯模块、显示模块、按键模块,各模块依电 回路方式连接;从机包括控制器模块、电源模块、罗氏线圈、信号处理模块、过零检测模块、 GPS授时模块、数据存储模块、无线通讯模块、显示模块,各模块也依电回路方式连接;所述 的主机的控制器模块负责整个主机测量装置的控制和测量数据的处理;电源模块为主机测 量装置提供电能;电流源模块在控制器的控制下产生恒定异频测试电流,并接入地网任意 位置处,将该异频测试电流相位定义为参考零相位;采用罗氏线圈圈住该接入点,测量异频 测试电流信号,并送入信号处理模块;信号处理模块将罗氏线圈送入的信号进行滤波,滤除 50Hz干扰信号,并进行信号放大、A/D转换后送入控制器模块和电流过零检测模块;电流过 零检测模块检测电流波形是否过零;电压检测模块测量地网相应的电位抬升U,并送入电 压信号处理模块;电压信号处理模块将电压检测模块送入的信号进行信号放大、A/D转换 后送入控制器模块和电压过零检测模块;检测到电压、电流波形过零时给控制器发送中断 信号;为解决无线传送存在延时问题,采用GPS授时模块为控制器模块提供同步信号;控制 器模块将主机采集的数据和从机发送过来的数据存储到数据存储模块;无线通讯模块实现 主机控制器和从机控制器的数据传输;显示模块显示地网相应的电位抬升U、测试电流 、各分电流向量、和最终测量接地网阻抗值;按键模块与控制器模块通信,配置测量参数,控 制测量过程;所述的从机的控制器模块负责整个从机测量装置的控制和分电流测量数据 的处理;电源模块为从机测量装置提供电能;从机捕获主机同步信号后,采用罗氏线圈测 量地网区域内某一个金属构架或某一电缆的分电流信号,并送入信号处理模块;信号处理 模块将罗氏线圈送入的分电流信号进行滤波,滤除50Hz干扰信号,并进行信号放大、过零 检测,启动A/D转换器周期采样该电流信号,并送入控制器模块,采样结束后计算该分电流 的有效值;采用GPS授时模块为控制器模块提供同步信号;无线通讯模块实现主机控制器 和从机控制器的数据传输;控制器模块将采集的数据存储到数据存储模块,显示测量的分 电流数据。

[0009] 进一步,所述的异频测试电流是指频率范围在40~70Hz之间的不等于50Hz、幅值 为0~10A的稳定正弦电流信号。

[0010] 进一步,所述的过零检测指的是在交流系统中,当波形从正半周向负半周转换时, 经过零位时,系统作出的检测。

[0011] 进一步,所述的主机和从机的控制器模块采用单片机、ARM、DSP或FPGA。

[0012]进一步,所述的主机和从机的电源模块将12V电源转换成3. 3V,向主机和从机的 控制器模块供电。

[0013] 进一步,所述的主机的电流源模块输出异频测试电流。

[0014] 进一步,所述的主机和从机的罗氏线圈为长度大于300mm的柔性罗格夫斯基线 圈。

[0015] 进一步,所述的主机和从机的信号处理模块对电流信号进行滤波、信号放大和A/D 转换。

[0016] 进一步,所述的主机的电压检测模块测量地网相应的电位抬升U,送入控制器模 块。

[0017] 进一步,所述的主机和从机的GPS授时模块为控制器模块提供时间信息,与控制 器模块通过串口通信,也可以采用北斗授时模块。

[0018] 进一步,所述的主机和从机的数据存储模块采用片外NORFLASH或NANDFLASH存 储器。

[0019] 进一步,所述的主机和从机的无线通讯模块采用nrf24101芯片,其CE引脚与ARM 处理器上的外部中断接口EINT14/GPG6相连,CSN引脚与ARM处理器上的外部中断接口 EINT3/GPF3相连,SCK引脚与ARM处理器上的外部中断接口EINT13/GPG5相连,M0SI引脚 与ARM处理器上的外部中断接口EINT4/GPF4相连,MIS0引脚与ARM处理器上的外部中断 接口EINT8/GPG0相连,IRQ引脚与ARM处理器上的外部中断接口EINT11/GPG3相连,VCC 引脚与ARM处理器上的V33引脚相连,GND引脚与ARM处理器上的GND相连。

[0020] 进一步,所述的主机和从机的显示模块采用7寸彩屏。

[0021] 进一步,所述的主机的按键模块采用I2C接口键盘驱动器识别输入的按键。

[0022] 准备工作就绪后,打开主机和从机电源罗氏线圈和电压检测模块开始工作,按下 主机上开始按钮,主机控制器模块接收到GPS模块发送的时间t,然后通过无线通讯模块给 从机控制器发送时间到达t+2秒时开始使能定时器计数指令,主机控制器模块2秒后同时 使能定时器计数,当主机电流过零检测模块检测到电流波形过零时停止计时,计时时间为 Iq,当主机电压过零检测模块检测到电压波形过零时停止计时,计时时间为/,主机测 得U有效值然后按公式< =360°计算U的相位,当从机控制器模块接收到主机发 送的指令后,扫描从机GPS模块提供的时间,当从机GPS授时模块提供的时间到t+2秒时, 从机控制器开始使能内部定时器计数,当过零检测模块检测到电流波形过零时,定时器停 止计时,计时为匕;从机将时间4通过无线通讯模块发送给主机,得到某一分电流过零点 与测试电流过零点的时间差4 一4 ;从机测得该分电流有效值,通过无线网络传输给主 机;主机控制器模块按公5

Figure CN204666727UD00061

°计算该分电流的相位,其中T为测试电流 周期,至此,该分电流相量测量完毕,依次进行下一分电流的测量工作,测量全部分电流结 束后,按下主机停止按钮,主机控制器按公式

Figure CN204666727UD00062

计算出地网接地阻抗并显示。

[0023] 本实用新型电路设计简单,成本低廉,为精确计算运行发电厂、变电站等大型接地 网接地特性提供保障,解决了准确测量各处分流向量的问题,同时自动化水平高,减少了测 量工作量。

附图说明

[0024] 图1是本实用新型的主机结构框图。

[0025] 图2是本实用新型的从机结构框图。

[0026] 图3是本实用新型测量各金属构架和出线电缆外护套的分流向量示意图。

具体实施方式

[0027] 以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。

[0028] 参见附图1,图中主机包括控制器模块、电源模块、电流源模块、罗氏线圈、电流信 号处理模块、电流过零检测模块、电压检测模块、电压信号处理模块、电压过零检测模块、 GPS授时模块、数据存储模块、无线通讯模块、显示模块、按键模块,各模块依电回路方式连 接。

[0029] 主机的控制器模块负责整个主机测量装置的控制和测量数据的处理;电源模块为 主机测量装置提供电能;电流源模块在控制器的控制下产生恒定异频测试电流,并接入地 网任意位置处,将该异频测试电流相位定义为参考零相位;采用罗氏线圈圈住该接入点,测 量异频测试电流信号,并送入信号处理模块;信号处理模块将罗氏线圈送入的信号进行滤 波,滤除50Hz干扰信号,并进行信号放大、A/D转换后送入控制器模块和电流过零检测模 块;电流过零检测模块检测电流波形是否过零,检测到电流波形过零时给控制器发送中断 信号;电压检测模块测量地网相应的电位抬升U,并送入电压信号处理模块;电压信号处理 模块将电压检测模块送入的信号进行信号放大、A/D转换后送入控制器模块和电压过零检 测模块;电压过零检测模块检测电压波形是否过零,检测到电压波形过零时给控制器发送 中断信号;为解决无线传送存在延时问题,采用GPS授时模块为控制器模块提供同步信号; 控制器模块将主机采集的数据和从机发送过来的数据存储到数据存储模块;无线通讯模块 实现主机控制器和从机控制器的数据传输;显示模块显示地网相应的电位抬升U、测试电 流i、各分电流向量、和最终测量接地网阻抗值;按键模块与控制器模块通信,配置测量参 数,控制测量过程。

[0030] 参见附图2,图中从机包括控制器模块、电源模块、罗氏线圈、信号处理模块、过零 检测模块、GPS授时模块、数据存储模块、无线通讯模块、显示模块,各模块也依电回路方式 连接。

[0031]从机的控制器模块负责整个从机测量装置的控制和分电流测量数据的处理;电源 模块为从机测量装置提供电能;从机捕获到主机同步信号后,采用罗氏线圈测量地网区域 内某一个金属构架或某一电缆的分电流信号,并送入信号处理模块;信号处理模块将罗氏 线圈送入的分电流信号进行滤波,滤除50Hz干扰信号,并进行信号放大、过零检测,并启动 A/D转换器周期采样该电流信号,并送入控制器模块,采样结束后计算该分电流的有效值; 为解决无线传送存在延时问题,采用GPS授时模块为控制器模块提供同步信号;无线通讯 模块实现主机控制器和从机控制器的数据传输;控制器模块将采集的数据存储到数据存储 模块,显示测量的分电流数据。

[0032] 其中,主机控制器模块1和从机控制器模块15采用三星公司ARM9核的S3C2440 处理器。

[0033] 其中,主机电源模块2和从机电源模块16采用B1203S-1W型直流电源转换器将 12V电源转换成3. 3V,分别向所述主机控制器模块1和从机控制器11供电。

[0034] 其中,主机电流源模块3输出55Hz异频测试电流。

[0035] 其中,主机罗氏线圈4和从机罗氏线圈17为长度大于300mm的柔性罗格夫斯基线 圈。

[0036] 其中,主机信号处理模块5和从机信号处理模块18采用24位A/D转换器ADS1241, 其内部自带可编程放大器和FIR(FiniteImpulseResponse)滤波器,增益范围为1~128 倍,同时滤除50Hz干扰信号,ADS1241采集数据通过SPI总线与控制器以8位数据方式进 行通信。

[0037] 其中,主机电压检测模块7采用电压检测电路测量地网相应的电位抬升U,送入主 机控制器模块1。

[0038] 主机的GPS授时模块8和从机的GPS授时模块20采用深圳市纽拉特科技有限公 司提供的M12M授时模块,其授时精度小于2ns。

[0039] 其中,主机的数据存储模块9和从机的数据存储模块19采用K9F1208U0C芯片为 片外NANDFLASH存储器。

[0040] 其中,主机无线通讯模块10和从机无线通讯模块22采用NRF2401芯片,其CE引 脚与ARM处理器上的外部中断接口EINT14/GPG6相连,CSN引脚与ARM处理器上的外部中断 接口EINT3/GPF3相连,SCK引脚与ARM处理器上的外部中断接口EINT13/GPG5相连,M0SI 引脚与ARM处理器上的外部中断接口EINT4/GPF4相连,MIS0引脚与ARM处理器上的外部 中断接口EINT8/GPG0相连,IRQ引脚与ARM处理器上的外部中断接口EINT11/GPG3相连, VCC引脚与ARM处理器上的V33引脚相连,GND引脚与ARM处理器上的GND相连。

[0041] 其中,主机显示模块11和从机显示模块21采用7寸彩屏。

[0042] 其中,主机按键模块12采用I2C接口键盘驱动器识别输入的按键。

[0043] 参见附图3,选取大型接地网任意位置作为主机接入点,主机产生并向接入点注 入异频测试电流;选取某一金属构架基脚作为从机分电流信号测量点;准备工作就绪后, 按下主机上开始按钮,主机控制器模块接收到GPS模块发送的时间t,然后通过无线通讯模 块给从机控制器发送时间到达t+2秒时开始使能定时器计数指令,主机控制器模块2秒后 同时使能定时器计数,当主机电流过零检测模块检测到电流波形过零时停止计时,计时时 间为$,当主机电压过零检测模块检测到电压波形过零时停止计时,计时时间为^,主机 测得U有效值然后按公

Figure CN204666727UD00081

**计算U的相位;当从机控制器模块接收到 主机发送的指令后,扫描从机GPS模块提供的时间,当从机GPS模块提供的时间到t+2秒 时,从机控制器开始使能内部定时器计数,当过零检测模块检测到电流波形过零时,定时器 停止计时,计时为& ;从机将时间^通过无线通讯模块发送给主机,得到某一分电流过 零点与测试电流过零点的时间差^" 一4 ;从机测得该分电流有效值,通过无线网络传输 给主机;主机控制器模块按公式

Figure CN204666727UD00082

°计算该分电流的相位,其中T为测试 电流周期,至此,该分电流相量测量完毕,可以依次进行下一分电流的测量工作,各分电流 如图3中的II~I(n+1),测量全部分电流结束后,按下主机停止按钮,主机控制器按公式

Figure CN204666727UD00091

•计算出地网接地阻抗并示。

[0044] 以上记载,仅为利用技术方案的实施例,任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的 修饰、变化,皆属本创作主张的专利范围,而不限于实施例所揭示者。

Claims (10)

1. 基于GI^S的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;该测量装置由主机和从机组成; 主机包括控制器模块、电源模块、电流源模块、罗氏线圈、电流信号处理模块、电流过零检测 模块、电压检测模块、电压信号处理模块、电压过零检测模块、GI^S授时模块、数据存储模块、 无线通讯模块、显示模块、按键模块,各模块依电回路方式连接;所述的主机的控制器模块 负责整个主机测量装置的控制和测量数据的处理;电源模块为主机测量装置提供电能;电 流源模块在控制器的控制下产生恒定异频测试电流,并接入地网任意位置处,将该异频测 试电流相位定义为参考零相位;采用罗氏线圈圈住该接入点,测量异频测试电流信号,并送 入信号处理模块;信号处理模块将罗氏线圈送入的信号进行滤波,滤除50化干扰信号,并 进行信号放大、A/D转换后送入控制器模块和电流过零检测模块;电流过零检测模块检测 电流波形是否过零,检测到电流波形过零时给控制器发送中断信号;电压检测模块测量地 网相应的电位抬升U,并送入电压信号处理模块;电压信号处理模块将电压检测模块送入 的信号进行信号放大、A/D转换后送入控制器模块和电压过零检测模块;电压过零检测模 块检测电压波形是否过零,检测到电压波形过零时给控制器发送中断信号;为解决无线传 送存在延时问题,采用GI^S授时模块为控制器模块提供同步信号;控制器模块将主机采集 的数据和从机发送过来的数据存储到数据存储模块;无线通讯模块实现主机控制器和从机 控制器的数据传输;显示模块显示地网相应的电位抬升U、测试电流^"、各分电流向量、 和最终测量接地网阻抗值;按键模块与控制器模块通信,配置测量参数,控制测量过程;从 机包括控制器模块、电源模块、罗氏线圈、信号处理模块、过零检测模块、GI^S授时模块、数据 存储模块、无线通讯模块、显示模块,各模块也依电回路方式连接;所述的从机的控制器模 块负责整个从机测量装置的控制和分电流测量数据的处理;电源模块为从机测量装置提供 电能;从机采用罗氏线圈测量地网区域内某一个金属构架或某一电缆的分电流信号,并送 入信号处理模块;信号处理模块将罗氏线圈送入的分电流信号进行滤波,滤除50化干扰信 号,并进行信号放大、过零检测,并启动A/D转换器周期采样该电流信号,并送入控制器模 块,采样结束后计算该分电流的有效值;为解决无线传送存在延时问题,采用GI^S授时模块 为控制器模块提供同步信号;无线通讯模块实现主机控制器和从机控制器的数据传输;控 制器模块将采集的数据存储到数据存储模块,显示测量的分电流数据。
2. 根据权利要求1所述的基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;主机和 从机的控制器模块采用单片机、ARM、DSP或FPGA。
3. 根据权利要求1所述的基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;主机和 从机的电源模块将12V电源转换成3. 3V,向主机和从机的控制器模块供电。
4. 根据权利要求1所述的基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;主机的 电流源模块输出异频测试电流,主机和从机的罗氏线圈为长度大于300mm的柔性罗格夫斯 基线圈。
5. 根据权利要求1所述的基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;主机和 从机的信号处理模块对电流信号进行滤波、信号放大和A/D转换。
6. 根据权利要求1所述的基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;主机的 电压检测模块测量地网相应的电位抬升U,送入控制器模块。
7. 根据权利要求1所述的基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;主机和 从机GI^S授时模块为控制器模块提供时间信息及同步秒时钟信号,与控制器模块通过串口 通信,或采用北斗授时模块。
8. 根据权利要求1所述的基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;主机和 从机数据存储模块采用片外NORFLA甜或NANDFLA甜存储器。
9. 根据权利要求1所述的基于GPS的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;主机和 从机的无线通讯模块采用nrf24101巧片,实现主从机之间的通信和数据传输。
10. 根据权利要求1所述的基于GI^S的大型地网接地阻抗测量装置,其特征是;主机和 从机的显示模块采用7寸高亮彩屏,主机的按键模块采用I化接口键盘驱动器识别输入的 按键。
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