CN204389583U - 一种变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置，包括微控制器、可调直流恒流源、电流通道切换开关模块、多通道接线插座、电压通道切换开关模块、信号处理模块、数据存储模块和无线通信模块；本实用新型通过微控制器控制输出的电流大小，再通过自带的D/A模块输出模拟电压信号进入可调直流恒流源，以保证注入接地网的电流精度，测量相应的支路上的电压，利用电流通道切换开关模块、多通道接线插座和电压通道切换开关模块将获得的电压信号通过文件***对数据进行存储，存储在SD卡中，不仅可以有效缓冲数据，以便与上位机无线通信再发射数据，而且也可以直接对存储卡中数据进行读取，以满足不同用户的实际需求。

Description

一种变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置

技术领域

本实用新型涉及变电站接地网故障检测技术领域，尤其涉及一种变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置。

背景技术

变电站接地网腐蚀状况直接关系到各种电气设备和设施的安全与稳定运行，接地设备需要低阻抗途径保持与大地的电气连接。传统的接地网监测装置仅仅是通过向接地网注入大电流，电流可以达到几十甚至上百安，但是由于接地网本身具有良好的导电性，电阻比较小，传统的检测装置的测量精度往往不能够满足要求，对于接地网的腐蚀状况分析存在严重的误差判定。同时由于电流比较大，对于装置的自身的容量和绝缘性能要求极为高，造成整个设备的体积比较庞大和对供电电源容量要求较高，不利于户外的接地网检测试验。对于操作人员而言，必须严格按照规程进行操作，稍有不慎极易发生触电事故。同时由于接地网地表条件往往比较恶劣，传统设备难以到现场进行运行。

在对数据进行分析处理上，传统设备只是局限于测量N组电压数据，仅仅利用电流与电压的关系对接地电阻大小进行计算，数据信息量太少，计算结果具有很大误差，以及没有对现有接地网进行数字化归档、因此很难做出较为准确的寿命评估。

实用新型内容

 本实用新型的目的是提供一种变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置，能够精确地采集变电站接地网各支路的电压值，为后期的三维数字化监控提供有力数据；还能为每个被检测的接地网建立数字化检测档案，实现对接地网状态的长期跟踪。

 本实用新型采用的技术方案为：

一种变电站接地网三维数字化监控装置，包括微控制器、可调直流恒流源、电流通道切换开关模块、多通道接线插座、电压通道切换开关模块、信号处理模块、数据存储模块和无线通信模块，微控制器通过自身外设的D/A转换单元输出的数字信号控制可调直流恒流源输出不同大小的电流；可调直流恒流源的电流输出端连接到电流通道切换开关模块的电流注入通道切换开关上，电流通道切换开关模块的电流输出端连接到多通道接线插座的电流注入接口上，多通道接线插座的电流输出端用于连接被测接地网的节点，多通道接线插座的电流输出接口连接到电压通道切换开关模块上，电流通道切换开关模块和电压通道切换开关模块的受控端均连接微处理器的控制端，电流通道切换开关模块和电压通道切换开关模块的开断均受微控制器控制；电压通道切换开关模块的电压输出端连接信号处理模块的信号输入端，信号处理模块的信号输出端连接微控制器的信号输入端，微控制器的第一信号输出端连接数据存储模块的数据输入端，微控制器的第二信号输出端通过无线通信模块连接上位机。

所述的可调直流恒流源包括对产生的恒压信号输出进行滤波的滤波电路、用于消除电路中各芯片供电电源对输出直流恒流源干扰的减法电路、用于增加输出直流恒流源稳定性的电压反馈电路、用于最终产生直流恒流源电流的精密电阻、运算放大器、对各芯片进行供电的电源和用于直流恒流源校准以确保直流恒流源稳定性的检流电阻；所述减法电路的反相输入端通过滤波电路连接微控制器的数字信号输出端，微控制器用于产生一个恒压信号并通过反馈信号对恒压信号的输出进行调整，减法电路的同相输入端连接对各芯片供电电源的正供电管脚，减法电路的输出端连接电压反馈电路的反相输入端；精密电阻一端连接电压反馈电路的同相输入端，精密电阻的另一端同时连接对各芯片供电电源的正供电管脚和检流电阻一端，检流电阻的另一端通过运算放大器与微控制器的一个输出I/O管脚连接。

所述的电流通道切换开关模块包括电流注入通道切换控制模块、多通道模拟开关、多路三极管阵列和多路继电器阵列，多通道模拟开关、多路三极管阵列和多路继电器阵列均通过电流注入通道切换控制模块连接微控制器的控制端，多通道模拟开关中的每一个模拟开关的电流注入端均连接可调直流恒流源的电流输出端，每一个模拟开关的输出端分别对应连接到多路三极管阵列中的对应三极管的基极，每一个三极管的集电极分别对应连接到多路继电器阵列中的对应继电器的控制端，每一个继电器的输出端连接到多通道接线插座的电流注入接口上。

所述的电压通道切换开关模块的组成元器件与电流通道切换开关模块的相同，且连接关系与电流通道切换开关模块的连接关系相对称。

所述的信号处理模块包括电压隔离电路、低通滤波电路和A/D转换电路，电压隔离电路的信号输入端连接到电压通道切换开关模块上，电压隔离电路的信号输出端连接电压隔离电路的信号输出端连接低通滤波电路的信号输入端，低通滤波电路的信号输出端通过A/D转换电路连接连接微处理器。

所述的数据存储模块采用SD卡存储器。

所述的微控制器采用ARM单片机，微处理器还连接显示屏和按键。

本实用新型通过微控制器控制输出的电流大小，再通过自带的D/A模块输出模拟电压信号进入可调直流恒流源，以保证注入接地网的电流精度，测量相应的支路上的电压，利用电流通道切换开关模块、多通道接线插座和电压通道切换开关模块将获得的电压信号通过文件***对数据进行存储，存储在SD卡中，不仅可以有效缓冲数据，以便与上位机无线通信再发射数据，而且也可以直接对存储卡中数据进行读取，以满足不同用户的实际需求。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型的可调直流恒流源电路原理框图；

图3为本实用新型的电流通道切换开关模块、多通道接线插座和电压通道切换开关模块的连接关系框图。

具体实施方式

如图1、2和3所示，本实用新型包括微控制器、可调直流恒流源、电流通道切换开关模块、多通道接线插座、电压通道切换开关模块、信号处理模块、数据存储模块和无线通信模块，微控制器通过自身外设的D/A转换单元输出的数字信号控制可调直流恒流源输出不同大小的电流；可调直流恒流源的电流输出端连接到电流通道切换开关模块的电流注入通道切换开关上，电流通道切换开关模块的电流输出端连接到多通道接线插座的电流注入接口上，多通道接线插座的电流输出端用于连接被测接地网的节点，多通道接线插座的电流输出接口连接到电压通道切换开关模块上，电流通道切换开关模块和电压通道切换开关模块的受控端均连接微处理器的控制端，电流通道切换开关模块和电压通道切换开关模块的开断均受微控制器控制；电压通道切换开关模块的电压输出端连接信号处理模块的信号输入端，信号处理模块的信号输出端连接微控制器的信号输入端，微控制器的第一信号输出端连接数据存储模块的数据输入端，微控制器的第二信号输出端通过无线通信模块连接上位机，上位机用于进行三维成像和接地网的状态评估。

所述的可调直流恒流源包括对产生的恒压信号输出进行滤波的滤波电路、用于消除电路中各芯片供电电源对输出直流恒流源干扰的减法电路、用于增加输出直流恒流源稳定性的电压反馈电路、用于最终产生直流恒流源电流的精密电阻、运算放大器、对各芯片进行供电的电源和用于直流恒流源校准以确保直流恒流源稳定性的检流电阻；所述减法电路的反相输入端通过滤波电路连接微控制器的数字信号输出端，微控制器用于产生一个恒压信号并通过反馈信号对恒压信号的输出进行调整，减法电路的同相输入端连接对各芯片供电电源的正供电管脚，减法电路的输出端连接电压反馈电路的反相输入端；精密电阻一端连接电压反馈电路的同相输入端，精密电阻的另一端同时连接对各芯片供电电源的正供电管脚和检流电阻一端，检流电阻的另一端通过运算放大器与微控制器的一个输出I/O管脚连接。

微控制器采用ARM单片机，具有可编程功能。微处理器还连接显示屏和按键。通过对微控制器的编程实现直流恒流源的产生；由于由微控制器编程产生的直流恒定电压具有很好的稳定性，所以由此产生的直流恒流源也具有很好的稳定性。

所述滤波电路是截止频率为10Hz的二阶低通滤波电路。所述减法电路的增益值为1。滤波电路为了消除电源干扰，保证信号的不会放大或者缩小。而电压反馈电路的同相输入端和反相输入端输入电压相等，所以精密电阻两端的电压即为微控制器编程产生的恒定电压。所述精密电阻为高精度功率电阻，阻值为1Ω~0.5Ω。由于微控制器输出的电压较小，所以电阻需要选取对应较小的电阻。

所述检流电阻的阻值为0.1Ω，其两端的电压反馈至微控制器进行直流恒流源电流输出校准。

基于微控制器的可调直流恒流源产生方法，包括以下几个步骤：

A:通过编程使微控制器的一个I/O端口产生并输出一个恒压信号，并把该恒压信号输送至滤波电路处理后得到一个单一频率的恒压信号；

B:将经过滤波处理后的单一频率的恒压信号输送至减法电路的反相输入端，减法电路的同相输入端连接各芯片的正电源供电管脚，通过减法电路消除各芯片供电电源对直流恒流源的干扰影响；

C：通过减法电路的输出端把正电源与微控制器输出的恒压信号的差值输出到电压反馈电路的反相输入端；由于电压反馈电路的反向输入端与同相输入端电压相等，相当于将上述差值接到精密电阻的一端，精密电阻的另一端连接正电源，这样便使微控制器控制输出的恒压信号间接加载在精密电阻上，通过欧姆定律在精密电阻上产生直流恒流信号；

 D：检流电阻首先将精密电阻上产生直流恒流信号转化为检压恒压信号，然后通过运算放大器把此检压恒压信号放大到与设定产生的微控制器输出恒压信号相等，再将放大后的检压恒压信号反馈至微控制器；

E：微控制器对检流电阻反馈回的放大后的检压恒压信号与产生的微控制器输出的恒压信号的数值作比较，如果二者大小相等，则微控制器一直输出大小不变的恒压源电流；如果二者大小不相等，微控制器根据二者大小进行调整输出恒压源电流值的大小，直至二者相等，即可输出稳定的直流恒定电流。

微控制器通过编程实现直流恒流源的产生，由于由微控制器编程产生的直流恒定电压具有很好的稳定性，所以由此产生的直流恒流源也具有很好的稳定性。微控制器用于编程产生一个恒压信号输出，滤波电路用于对产生的恒压信号进行滤波处理，减法电路用于消除供电电源对输出恒流源的影响，并将供电电源与恒压信号的差值输出到电压反馈电路，电压反馈电路用于增加直流恒流源的输出稳定性，同时将微控制器产生的恒压信号间接地加载到精密电阻两端，进而产生直流恒流源，直流恒流源在输出前流过检流电阻产生一个反馈检流电压，并将这个反馈的检流电压送入微控制器，微控制器通过检测此检流电压的大小来调整其输出的恒压信号大小，从而能够产生幅值大小可调的直流恒流源，进一步的保证直流恒流源的输出稳定性。

所述的电流通道切换开关模块包括电流注入通道切换控制模块、多通道模拟开关、多路三极管阵列和多路继电器阵列，多通道模拟开关、多路三极管阵列和多路继电器阵列均通过电流注入通道切换控制模块连接微控制器的控制端，多通道模拟开关中的每一个模拟开关的电流注入端均连接可调直流恒流源的电流输出端，每一个模拟开关的输出端分别对应连接到多路三极管阵列中的对应三极管的基极，每一个三极管的集电极分别对应连接到多路继电器阵列中的对应继电器的控制端，每一个继电器的输出端连接到多通道接线插座的电流注入接口上。电压通道切换开关模块的组成元器件与电流通道切换开关模块的相同，且连接关系与电流通道切换开关模块的连接关系相对称。当需要控制通道的开启或关闭时，只需要微处理器分别向模拟开关的地址线写入不同的信号值就能控制电流的注入和流出，方便了数字控制的实现。上述的多通道模拟开关、多路三极管阵列和多路继电器阵列均采用16个元器件，从而组成16路通道。

所述的信号处理模块电压隔离电路、低通滤波电路和A/D转换电路，电压隔离电路的信号输入端连接到电压通道切换开关模块上，电压隔离电路的信号输出端连接电压隔离电路的信号输出端连接低通滤波电路的信号输入端，低通滤波电路的信号输出端通过A/D转换电路连接连接微处理器。电压隔离电路是一个电压跟随器，跟随器跟踪接收来自16通道接线插座上的注入电流在接地网上产生的电压信号，对输入的电压信号与输出给低通滤波器的电压信号进行隔离与阻抗匹配，低通滤波电路滤除接地网中各种高频信号分量干扰，并将信号传递给A/D转换器，A/D转换器将转换的数字信号传递给微控制器。

所述的数据存储模块采用SD卡存储器，由STM32的SDIO电路模块与外部SD卡电路构成，微控制器通过自带的外设SDIO接口向SD存储卡中存储电压数据，并在外部存储卡中构建起FATFAS文件***，数据的存储格式为txt，以实现方便数据长期存储和读取。

所述的无线通信模块由微控制器的外设USART接口与无线芯片SX1212相连接构成无线发射电路，上位机上的SX1212配置成接收电路。通过配置收发电路匹配的通讯速率实现SD卡数据向上位机存储卡中存储，存储格式为Excel或者txt。

本实用新型所述的整个装置的工作过程是测试人员通过按键设置要注入的电流大小，微控制器通过自带的D/A模块输出模拟电压信号进入可调直流恒流源，信号进行滤波处理以消除D/A模块输出模拟信号中高频分量信号，进入减法电路以消除前端滤波电路和后端反馈电路的芯片对输出电流信号的干扰，为实现输出信号稳定从减法电路中出来的信号进入反馈电路，产生的动态稳定的信号进入恒流输出电路输出电流恒定的电流，并通过多通道接线插座向接地网注入，接地网因流经有电流，所以产生相应的电压。微控制器通过控制电压切换模块的开断，选择接地网上相应的接地点的电压，并将该电压信号传送到信号处理电路中，电压信号首先进入电压隔离电路以实现输入与输出的隔离，隔离电路的输出电阻值较大，输出信号传送给滤波电路能够实现很好匹配，低通滤波电路将接地网中和电路中的高频分量滤除，电压信号进入高精度的A/D转换器中转换成数字信号送给微控制器，微控制器将采集到的电压通过外设模块SDIO向电路建立了FATFAS文件***的SD卡中以txt格式进行存储电压数据，通过按键启动无线传送数据模式以及设置传输熟虑，SD卡中的存储数据将依次通过微控制器的外设USART接口连接的无线芯片SX1212传送给上位机无线接收芯片SX1212，上位机将获得的电压数据以Excel格式进行存储实现信号的存储。

Claims (7)

1.一种变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置，其特征在于：包括微控制器、可调直流恒流源、电流通道切换开关模块、多通道接线插座、电压通道切换开关模块、信号处理模块、数据存储模块和无线通信模块，微控制器通过自身外设的D/A转换单元输出的数字信号控制可调直流恒流源输出不同大小的电流；可调直流恒流源的电流输出端连接到电流通道切换开关模块的电流注入通道切换开关上，电流通道切换开关模块的电流输出端连接到多通道接线插座的电流注入接口上，多通道接线插座的电流输出端用于连接被测接地网的节点，多通道接线插座的电流输出接口连接到电压通道切换开关模块上，电流通道切换开关模块和电压通道切换开关模块的受控端均连接微处理器的控制端，电流通道切换开关模块和电压通道切换开关模块的开断均受微控制器控制；电压通道切换开关模块的电压输出端连接信号处理模块的信号输入端，信号处理模块的信号输出端连接微控制器的信号输入端，微控制器的第一信号输出端连接数据存储模块的数据输入端，微控制器的第二信号输出端连接无线通信模块，无线通信模块用于连接上位机。

2.根据权利要求1所述的变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置，其特征在于：所述的可调直流恒流源包括对产生的恒压信号输出进行滤波的滤波电路、用于消除电路中各芯片供电电源对输出直流恒流源干扰的减法电路、用于增加输出直流恒流源稳定性的电压反馈电路、用于最终产生直流恒流源电流的精密电阻、运算放大器、对各芯片进行供电的电源和用于直流恒流源校准以确保直流恒流源稳定性的检流电阻；所述减法电路的反相输入端通过滤波电路连接微控制器的数字信号输出端，微控制器用于产生一个恒压信号并通过反馈信号对恒压信号的输出进行调整，减法电路的同相输入端连接对各芯片供电电源的正供电管脚，减法电路的输出端连接电压反馈电路的反相输入端；精密电阻一端连接电压反馈电路的同相输入端，精密电阻的另一端同时连接对各芯片供电电源的正供电管脚和检流电阻一端，检流电阻的另一端通过运算放大器与微控制器的一个输出I/O管脚连接。

3.根据权利要求2所述的变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置，其特征在于：所述的电流通道切换开关模块包括电流注入通道切换控制模块、多通道模拟开关、多路三极管阵列和多路继电器阵列，多通道模拟开关、多路三极管阵列和多路继电器阵列均通过电流注入通道切换控制模块连接微控制器的控制端，多通道模拟开关中的每一个模拟开关的电流注入端均连接可调直流恒流源的电流输出端，每一个模拟开关的输出端分别对应连接到多路三极管阵列中的对应三极管的基极，每一个三极管的集电极分别对应连接到多路继电器阵列中的对应继电器的控制端，每一个继电器的输出端连接到多通道接线插座的电流注入接口上。

4.根据权利要求3所述的变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置，其特征在于：所述的电压通道切换开关模块的组成元器件与电流通道切换开关模块的相同，且连接关系与电流通道切换开关模块的连接关系相对称。

5.根据权利要求4所述的变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置，其特征在于：所述的信号处理模块包括电压隔离电路、低通滤波电路和A/D转换电路，电压隔离电路的信号输入端连接到电压通道切换开关模块上，电压隔离电路的信号输出端连接电压隔离电路的信号输出端连接低通滤波电路的信号输入端，低通滤波电路的信号输出端通过A/D转换电路连接微处理器。

6.根据权利要求5所述的变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置，其特征在于：所述的数据存储模块采用SD卡存储器。

7.根据权利要求6所述的变电站接地网三维数字化监控用数据采集装置，其特征在于：所述的微控制器采用ARM单片机，微处理器还连接显示屏和按键。