CN107765099B - 一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，包括基于模拟PI调节的激励源；基于模拟PI调节的激励源包括AC/DC变换器、DC/AC变换器、PI调节器、SPWM和比较器；AC/DC变换器的输入端为基于模拟PI调节的激励源的输入端；AC/DC变换器的输出端连接DC/AC变换器的输入端，DC/AC变换器的输出端作为基于模拟PI调节的激励源的输出端；DC/AC变换器的输出端连接比较器的第一输入端，给定电路的输出端连接比较器的第二输入端，比较器的输出端连接PI调节器的输入端，PI调节器的输出端连接AC/DC变换器的控制端；基于DSP的控制器的输入端连接DC/AC变换器的输出端，基于DSP的控制器的两个输出端分别连接给定电路和SPWM的输入端；SPWM的输出端连接DC/AC变换器的控制端。本发明输出的频带较宽为20Hz～30kHz。
Description
技术领域
本发明涉及接地阻抗测量领域，特别涉及一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置和方法。
背景技术
接地网铺设在地下与土壤紧密接触，土壤中的氧气、酸性溶液、杂散电流和微生物等对接地网均有一定的侵蚀作用。不同地区的土壤特性与成分也不尽相同，其对接地网的腐蚀能力也不尽形同。因此，监控和感知接地网的运行状态，并对其及时的维护对保证电气设备的可靠运行与供用电安全极为重要。而接地网的阻抗特性成为表征和感知接地网运行状态的唯一手段。由于接地网测量现场存在大量工频电磁干扰，且测试的信号线路传输距离较远相互之间干扰很大，就要求测试仪器要有尽可能大的输出电流，即保证整个测试仪的功率足够大，以保证整个测试过程的抗干扰能力。
随着测试测量技术的不断发展，接地阻抗测试方法和接地阻抗测试仪都经过了不断的发展和改进。先后出现了手摇式电阻表、钳形电阻表和变频大功率阻抗测试***等。变频大功率阻抗测试***是根据异频法进行测试，要求测试电流在3A～20A，频率40Hz～60Hz。即采用尽可能大的测试电流以保证测试过程的抗干扰能力，使用易于工频且尽量接近于工频的测量频率，方便测量结果的检测且其测试结果又和工频条件下极为接近。
但是，随着对接地网故障诊断、接地网腐蚀速率的预测和接地材料特性测试等方面的研究的深入，人们迫切的需要更加深入的了解接地网的中频和高频特性。同时也需要通过该方面的深入研究，逐步的修订IEEE/GB中关于接地网建设和接地阻抗测量方面的统一标准。其中主要的测试目标是，测试接地网的中频即1kHz附近和高频30kHz附近的特性。但是，在这样的测试频率要求下，一般均是采用信号放大的手段完成的，其测试设备体积大、输出功率小、抗干扰能力也较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置和方法，以克服现有变频测试设备频率范围窄的问题。本发明通过引入变频技术设计出一种便携式、智能化、宽频、大功率的接地阻抗测试设备，在拓宽测试频率的同时，尽可能在不过分的增加体积和重量的前提下，提高整个测试***的输出功率，并为该测试设备设计配套的阻抗测量部分，使其成为一套完整的接地装置宽频带综合测试***。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，其特征在于，包括基于模拟PI调节的激励源和基于DSP的控制器；
基于模拟PI调节的激励源包括AC/DC变换器、DC/AC变换器、PI调节器、SPWM和比较器；AC/DC变换器的输入端为基于模拟PI调节的激励源的输入端；AC/DC变换器的输出端连接DC/AC变换器的输入端，DC/AC变换器的输出端作为基于模拟PI调节的激励源的输出端；DC/AC变换器的输出端连接比较器的第一输入端，给定电路的输出端连接比较器的第二输入端，比较器的输出端连接PI调节器的输入端，PI调节器的输出端连接AC/DC变换器的控制端；
基于DSP的控制器的输入端连接DC/AC变换器的输出端，基于DSP的控制器的两个输出端分别连接给定电路的输入端和SPWM的输入端；SPWM的输出端连接DC/AC变换器的控制端。
进一步的，基于模拟PI调节的激励源中，由输入的AC/DC变换器将交流电变换成直流电为DC/AC变换器提供母线电压，再经DC/AC变换器变换生成频率和幅度可调的正弦波电源；通过基于DSP的控制器产生激励源的给定信号，与DC/AC变换器的输出电压信号在比较器中进行比较，将误差信号送入模拟PI调节器，形成电压控制环。
进一步的，AC/DC变换器既作为DC源，又作为AC源的前级，为DC/AC变换器提供母线电压；其中，AC和DC的输出切换采用一组切换开关完成；AC/DC变换器的输出端连接有第一开关触点，DC/AC变换器的输出端连接有第二开关触点；切换开关的固定端连接比较器的第一输入端，切换开关的移动端能够选择连接第一开关触点或第二开关触点，用于切换AC和DC的输出。
进一步的，基于DSP的控制器，控制DA转换器产生可控的激励源给定信号，与DC/AC变换器输出电压反馈信号比较后产生的误差信号通过PI调节器控制AC/DC部分提供的母线电压；同时，基于DSP的控制器产生宽频的SPWM同步调制波形控制DC/AC变换器输出交流电的频率，与***采样信号处理电路一起完成对阻抗测量点的电压和电流信号的测量，并计算阻抗值。
进一步的，还包括基于ARM的人机交互***；基于ARM的人机交互***连接基于DSP的控制器；基于ARM的人机交互***，用于通过外部按键接收用户配置指令，通过LCD显示器显示当前的测量配置条件和阻抗测量结果，并通过ARM与DSP的通信通道，实现ARM对整个***的状态的监控。
进一步的，AC/DC变换器和DC/AC变换器两级结构通过LC缓冲电路连接。
进一步的，DC/AC变换器的输出端设置可选择的电容C1和C2，通过切换C1和C2能够使基于模拟PI调节的激励源输出交流电的频率范围为20Hz～30kHz。
一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试方法，包括：模拟PI调节的激励源的输出端连接待测接地体，提供激励电压；采样电路对接地体两端的电压、电流信号进行采集并转换成0-3V的电压信号送给基于DSP的控制器内部的AD进行处理，然后基于DSP的控制器对AD转换得到的电压、电流的数字量进行运算，得到接地体的阻抗值。
本发明根据接地装置宽频带综合测试***的设计需求，确定了***总体设计框架。主要包括三个部分：基于模拟PI调节的激励源、基于DSP的控制器和基于ARM的人机交互***。
接地装置宽频带综合测试***的激励源主电路分为两级结构，由输入的AC/DC将交流电变换成直流电为DC/AC部分提供母线电压，再经DC/AC变换生成频率和幅度可调的正弦波电源。通过DSP产生激励源的给定信号，与输出电压信号进行比较，将误差信号送入模拟PI调节器，形成电压控制环。
其中AC-DC变换器既作为DC源，又作为AC源的前级，为DC-AC部分提供母线电压。其中，AC和DC的输出切换采用一组切换开关完成。
基于DSP的控制器，主要作用有：控制DA转换器产生可控的激励源给定信号，产生宽频的SPWM同步调制波形，与***采样信号处理电路一起完成对阻抗测量点的电压和电流信号的测量，并计算阻抗值，同时负责接收ARM给出的指令信号，对整个激励源实现状态监控。
基于ARM的人机交互***，主要用于通过外部按键接收用户配置指令，通过LCD显示器显示当前的测量配置条件和阻抗测量结果，并通过ARM与DSP的通信通道，实现ARM对整个***的状态的监控。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、在分析现有的高频测量***和逆变电源的基础之上，本发明提出了现有的宽频带接地阻抗测量***的结构，其主功率部分采用AC-DC和DC-AC的两级结构。
2、宽频输出是本发明的关键部分，除了采用高性能的MOSFET将开关频率推到300kHz外，主要是依靠“SPWM+谐振”的方式完成的(设计了低频和高频两组滤波参数，通过切换滤波电容实现，低频滤波，高频谐振)。
3、在信号调理过程中分别使用了隔离采样、仪表放大、精密整流和可编程增益控制电路对信号进行处理达到了***所要求的精度，并实现了测量量程的自动选择。
4、给出了基于ARM的人机交互***的LCD接口电路设计方法和程序架构，以及实现测量与管理的流程。
附图说明
图1为本发明一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置的结构框图；
图2为激励源的***结构图；
图3为输出滤波电容切换电路示意图；
图4为基于DSP的控制器的***框图；
图5为人机交互***的硬件结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，包括基于模拟PI调节的激励源、基于DSP的控制器(DSP宽频SPWM与信号处理***)和基于ARM的人机交互***。
基于模拟PI调节的激励源包括AC/DC变换器、DC/AC变换器、PI调节器、SPWM和比较器；AC/DC变换器的输入端为基于模拟PI调节的激励源的输入端；AC/DC变换器的输出端连接DC/AC变换器的输入端，DC/AC变换器的输出端作为基于模拟PI调节的激励源的输出端；DC/AC变换器的输出端连接比较器的第一输入端，给定电路的输出端连接比较器的第二输入端，比较器的输出端连接PI调节器的输入端，PI调节器的输出端连接AC/DC变换器的控制端。给定电路的模拟输出量作为基准电压与输出电压的采样值进行比较，比较的结果反馈给PI调节器从而实现输出电压的闭环控制。
基于DSP的控制器的输入端连接DC/AC变换器的输出端，基于DSP的控制器的两个输出端分别连接给定电路的输入端和SPWM的输入端；SPWM的输出端连接DC/AC变换器的控制端。
基于ARM的人机交互***连接基于DSP的控制器。
基于模拟PI调节的激励源主电路分为两级结构，由输入的AC/DC变换器将交流电变换成直流电为DC/AC变换器提供母线电压，再经DC/AC变换器变换生成频率和幅度可调的正弦波电源。通过基于DSP的控制器产生激励源的给定电压信号，与DC/AC变换器的输出电压信号在比较器中进行比较，将误差信号送入模拟PI调节器，形成电压控制环。
其中AC/DC变换器既作为DC源，又作为AC源的前级，为DC/AC变换器提供母线电压。其中，AC和DC的输出切换采用一组切换开关完成(如图2所示)。AC/DC变换器的输出端连接有第一开关触点，DC/AC变换器的输出端连接有第二开关触点；切换开关的固定端连接比较器的第一输入端，切换开关的移动端能够选择连接第一开关触点或第二开关触点，用于切换AC和DC的输出。
基于DSP的控制器，主要作用有：控制DA转换器产生可控的激励源给定信号，与DC/AC变换器输出电压反馈信号比较后产生的误差信号通过PI调节器控制AC/DC部分提供的母线电压；同时，基于DSP的控制器产生宽频的SPWM同步调制波形控制DC/AC变换器输出交流电的频率，与***采样信号处理电路一起完成对阻抗测量点的电压和电流信号的测量，并计算阻抗值，同时负责接收ARM给出的指令信号，对整个激励源实现状态监控。具体进行测试时，通过PI调节器和SPWM的闭环控制，监测模拟PI调节的激励源的输出电压和频率为可调范围内的设定值；将模拟PI调节的激励源的输出端连接待测接地体，提供激励电压；采样电路对接地体两端的电压、电流信号进行采集并转换成0-3V的电压信号送给基于DSP的控制器内部的AD进行处理，然后基于DSP的控制器对AD转换得到的电压、电流的数字量进行运算，得到接地体的阻抗值。
基于ARM的人机交互***，主要用于通过外部按键接收用户配置指令，通过LCD显示器显示当前的测量配置条件和阻抗测量结果，并通过ARM与DSP的通信通道，实现ARM对整个***的状态的监控。
本发明***中，基于DSP的控制器是整个***的控制核心；基于ARM的人机交互***管理人机交互界面，负责向DSP提供测量信息，并接受DSP返回的测量结果。
本发明激励源的***结构如图2所示，由AC/DC变换器和DC/AC变换器两级结构组成，通过LC缓冲电路连接起来，同时通过输出端的切换开关使***具备交直流输出能力。
由于本发明输出的频带较宽，输出交流电的频率范围为20Hz～30kHz，因此本发明设计了两组滤波参数：在DC/AC变换器的输出端设置可选择的电容C1和C2，通过切换C1和C2可保证宽频范围的输出波形质量，使输出交流电的频率范围为20Hz～30kHz；如图3所示。
根据总体方案的设计要求确定了基于DSP的控制器的***框图，如图4所示。整个***以DSP为控制器，按其功能分为5大块。分别是由EPWM控制的波形调制部分、由SPI1控制并送入A/D进行模数转换的信号调理电路、由GPIO控制的电容切换电路和AC/DC逻辑控制电路、由SPI2控制的D/A转换器构成的激励源的给定电路及由SCI控制的与ARM的通信接口。本发明在综合考虑***需求的前提下，选用了TI公司的TMS320F28035作为主控器件。
根据总体方案要求设计了人机交互***硬件结构，如图5所示。其中主控制器选用了ST的ARM芯片STM32F103，显示设备选用了金鹏公司的5.7寸的OCM320240-3液晶显示器，通过FSMC(灵活的静态存储控制器)接口可以实现ARM与LCD的数据指令交换，GPIO口所控制的指示灯用于指示***的运行状态，按键用于在不同的工作状态下，实现对用户指令的输入，与DSP的通信通过ARM内部的USART完成。
Claims (8)
1.一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，其特征在于，包括基于模拟PI调节的激励源和基于DSP的控制器；
基于模拟PI调节的激励源包括AC/DC变换器、DC/AC变换器、PI调节器、SPWM波驱动电路和比较器；AC/DC变换器的输入端为基于模拟PI调节的激励源的输入端；AC/DC变换器的输出端连接DC/AC变换器的输入端，DC/AC变换器的输出端作为基于模拟PI调节的激励源的输出端；DC/AC变换器的输出端连接比较器的第一输入端，给定电路的输出端连接比较器的第二输入端，比较器的输出端连接PI调节器的输入端，PI调节器的输出端连接AC/DC变换器的控制端；
基于DSP的控制器的输入端连接DC/AC变换器的输出端，基于DSP的控制器的两个输出端分别连接给定电路的输入端和SPWM波驱动电路的输入端；SPWM波驱动电路的输出端连接DC/AC变换器的控制端。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，其特征在于，基于模拟PI调节的激励源中，由AC/DC变换器将输入的交流电变换成直流电为DC/AC变换器提供母线电压，再经DC/AC变换器变换生成频率和幅度可调的正弦波电源；通过基于DSP的控制器产生激励源的给定信号，与DC/AC变换器的输出电压信号在比较器中进行比较，将误差信号送入模拟PI调节器，形成电压控制环。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，其特征在于，AC/DC变换器既作为直流源，又为DC/AC变换器提供母线电压；其中，交流输出和直流输出的切换采用一组切换开关完成；AC/DC变换器的输出端连接有第一开关触点，DC/AC变换器的输出端连接有第二开关触点；切换开关的固定端连接比较器的第一输入端，切换开关的移动端能够选择连接第一开关触点或第二开关触点，用于切换交流输出和直流输出。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，其特征在于，基于DSP的控制器，控制给定电路产生可控的激励源给定信号，与DC/AC变换器输出电压反馈信号比较后产生的误差信号通过PI调节器控制AC/DC变换器提供的母线电压；同时，基于DSP的控制器产生宽频的SPWM同步调制波形控制DC/AC变换器输出交流电的频率，与***采样信号处理电路一起完成对阻抗测量点的电压和电流信号的测量，并计算阻抗值。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，其特征在于，还包括基于ARM的人机交互***；基于ARM的人机交互***连接基于DSP的控制器；基于ARM的人机交互***，用于通过外部按键接收用户配置指令，通过LCD显示器显示当前的测量配置条件和阻抗测量结果，并通过ARM与DSP的通信通道，实现ARM对整个***的状态的监控。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，其特征在于，AC/DC变换器和DC/AC变换器两级结构通过LC缓冲电路连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，其特征在于，DC/AC变换器的输出端设置可选择的电容C1和C2，通过切换C1和C2能够使基于模拟PI调节的激励源输出交流电的频率范围为20Hz～30kHz。
8.一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的一种用于测量接地体阻抗的宽频带测试装置，包括：模拟PI调节的激励源的输出端连接待测接地体，提供激励电压；采样电路对接地体两端的电压、电流信号进行采集并转换成0-3V的电压信号送给基于DSP的控制器内部的AD进行处理，然后基于DSP的控制器对AD转换得到的电压、电流的数字量进行运算，得到接地体的阻抗值。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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