地网冲击阻抗测试系统设计硬件子系统(附件)
在电力系统中，地网的接地阻抗是系统安全稳定运行的重要参数。目前地网接地阻抗测量的装置几乎用于工频条件下的阻抗测量，但是这种测量方式不能体现在冲击电流作用下的特性，因为在冲击电流的作用下，地网的电感效应明显，其感性分量是不能忽略的。而传统的测量方式不能体现大型地网的实际状况，为此我们用冲击电流测量的方法来测试接地阻抗。为了测量地网的冲击阻抗，设计产生模拟雷击电流施加在地网上进行数据采集，通过设计的硬件电路，对采集到的冲击电压和电流进行频谱分析，得到各个频段的电压、电流及相位值并计算出冲击阻抗，为系统安全稳定运行提供了安全保障。关键词 接地阻抗,测量,硬件设计,频谱分析
目 录
1 绪论 1
1.1 接地电阻和冲击接地电阻的概念 1
1.2 课题研究的内容及意义 2
1.3 相关技术发展现状及趋势 3
2 设计方案 5
2.1 总体方案设计 5
2.2 功率电源模块方案设计 6
2.3 数据分析模块方案设计 7
3 功率电源模块硬件电路 8
3.1 DXP概述 8
3.2 逆变升压及整流模块 9
3.3 电压检测部分 13
4 数据分析模块硬件电路 15
4.1 CPLD模块硬件电路 15
4.2 DSP模块硬件电路 21
4.3 静态存储器 26
4.4 小结 27
5 调试部分 28
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录A：功率电源模块原理图 32
附录B：控制模块原理图 33
附录C：DSP模块原理图 34
1 绪论
目前对于大型变电站地网接地阻抗的测量有不同的测试方法[1]，冲击电流测试方法是其中一种，但该方法需要快速采集冲击电流的放电数据和曲线。目前市场上的产品在数据采集方面的方案不够完善，有的采集速率低，误差大，抗干扰能力不强；有的干脆用高性能示波器来完成数据采集，导致系统整体成本高，并增加了整体装置的体积和重量。< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
br /> 接地电阻在雷电流的影响下与工频条件下测量的阻值有很大不同[2]，多数是由于雷电释放的冲击电流具有特别大的幅值而引起的土壤放电，而且雷电流的频率要比正常电流的频率高很多。理论上我们通常把经过地网的最大冲击电压与冲击电流幅值的比值称为接地网冲击接地电阻，但是这种比值毫无实际意义价值，因为最大的冲击电压和冲击电流不是同时出现的。近年来，由于雷击等现象引起的高压线路事故的问题，对电力安全稳定运行造成了一些恶劣的影响。为解决这一问题，人们发现减少杆塔冲击接地电阻可有效地降低电路跳闸的概率[3]，从而减少电力运行的安全隐患。于是，对接地网冲击阻抗的测量是维护电力系统正常运行首要进行的步骤。
1.1 接地电阻和冲击接地电阻的概念
1.1.1 接地电阻
接地电阻是接地装置的电位差V与流入地网电流I的比值，由于受到环境的影响，接地电阻的大小与土壤性质和接地体的形状有关。以半球形接地体为例，假设经接地体流入地网的电流为I，接地体的半径为R，地网的电阻率为ρ，在距离球心的处，那么此时的电流密度A为[4]
(11)
则该处的电场强度为
(12)
R至之间的电阻的计算公式为
(13)
若距离接地球体的圆心无穷远时，则接地电阻为
(14)
1.1.2 冲击接地电阻
雷击电流或者冲击电流经过接地装置时，其最大的冲击电压与冲击电流的幅值之比称为冲击接地电阻[5]。由于冲击电流频率很高，加上最大的冲击电压与冲击电流出现的时间点不同，测得的冲击电阻几乎不准确。所以在多数情况下，冲击电阻的大小是工程师们利用经验公式计算得到的[5]。
1.1.3 接地电阻与冲击接地电阻测量的差异
上述所说的接地电阻并不等于理论上的纯电阻，它是带有电感分量的接地电阻，所以我们可以称之为接地阻抗。按照电流的特性可以把接地阻抗分为工频接地阻抗和地网冲击接地阻抗[6]。所谓的工频接地阻抗就是在正常电流流入地网的条件下所测得的接地阻抗，即计算方法是以接地网等电位的模型为基础的，而对冲击接地阻抗测量的方法则恰恰相反。
1.2 课题研究的内容及意义
因为雷电的冲击特性，地网的冲击接地阻抗是输电网避雷防雷的必要参数。整个地网线路的回路连线很长，其感抗和阻抗产生较大值，如果直接对地网接地阻抗进行测量的话，我们需要使用庞大的试验设备，加上雷电是一个瞬时过程并且包含了许多高频分量，这就加大了测量的复杂性和误差性。因此，我们想到用模拟雷击电流和电压的方式来对地网阻抗进行测量，通过高速数据采集装置，A/D转换传输到分析装置中，其间对测量的结果进行分析，得到地网冲击阻抗的计算值，由此实现对冲击阻抗参数较为精确的测量。所以，本文要对模拟雷击电流和电压的模块和数据分析模块的硬件电路进行研究和方案设计。
模拟雷击电流和电压模块我们称之为功率电源模块，其作用就是实现DCDC升压或DCACDC升压，升压到一定点时对电容进行充电（此时充电开关打开），在达到所需的电压时进行放电（充电开关关闭，放电开关打开），在此过程中需要对电容两端的电压进行检测，以确保达到所需要的释放电压。数据分析模块主要是CPLD逻辑控制模块和DSP数据处理模块，其作用是对测量得到的电压和电流进行频谱分析和计算，由此得到冲击阻抗的计算值。频谱分析和计算的任务由负责软件子系统的同学来完成程序编写，我负责的是CPLD模块与高速数据采集装置的线路连接、CPLD与DSP的线路连接及定义控制信号端口的任务，具体是基于CPLD和DSP模块和其外围电路的硬件设计及PCB板制作和调试的任务。因此本文的研究内容分为两大模块，一是功率电路设计模块；二是基于数据分析的硬件电路模块，包括存储器的选型等。
目 录
1 绪论 1
1.1 接地电阻和冲击接地电阻的概念 1
1.2 课题研究的内容及意义 2
1.3 相关技术发展现状及趋势 3
2 设计方案 5
2.1 总体方案设计 5
2.2 功率电源模块方案设计 6
2.3 数据分析模块方案设计 7
3 功率电源模块硬件电路 8
3.1 DXP概述 8
3.2 逆变升压及整流模块 9
3.3 电压检测部分 13
4 数据分析模块硬件电路 15
4.1 CPLD模块硬件电路 15
4.2 DSP模块硬件电路 21
4.3 静态存储器 26
4.4 小结 27
5 调试部分 28
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录A：功率电源模块原理图 32
附录B：控制模块原理图 33
附录C：DSP模块原理图 34
1 绪论
目前对于大型变电站地网接地阻抗的测量有不同的测试方法[1]，冲击电流测试方法是其中一种，但该方法需要快速采集冲击电流的放电数据和曲线。目前市场上的产品在数据采集方面的方案不够完善，有的采集速率低，误差大，抗干扰能力不强；有的干脆用高性能示波器来完成数据采集，导致系统整体成本高，并增加了整体装置的体积和重量。< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
br /> 接地电阻在雷电流的影响下与工频条件下测量的阻值有很大不同[2]，多数是由于雷电释放的冲击电流具有特别大的幅值而引起的土壤放电，而且雷电流的频率要比正常电流的频率高很多。理论上我们通常把经过地网的最大冲击电压与冲击电流幅值的比值称为接地网冲击接地电阻，但是这种比值毫无实际意义价值，因为最大的冲击电压和冲击电流不是同时出现的。近年来，由于雷击等现象引起的高压线路事故的问题，对电力安全稳定运行造成了一些恶劣的影响。为解决这一问题，人们发现减少杆塔冲击接地电阻可有效地降低电路跳闸的概率[3]，从而减少电力运行的安全隐患。于是，对接地网冲击阻抗的测量是维护电力系统正常运行首要进行的步骤。
1.1 接地电阻和冲击接地电阻的概念
1.1.1 接地电阻
接地电阻是接地装置的电位差V与流入地网电流I的比值，由于受到环境的影响，接地电阻的大小与土壤性质和接地体的形状有关。以半球形接地体为例，假设经接地体流入地网的电流为I，接地体的半径为R，地网的电阻率为ρ，在距离球心的处，那么此时的电流密度A为[4]
(11)
则该处的电场强度为
(12)
R至之间的电阻的计算公式为
(13)
若距离接地球体的圆心无穷远时，则接地电阻为
(14)
1.1.2 冲击接地电阻
雷击电流或者冲击电流经过接地装置时，其最大的冲击电压与冲击电流的幅值之比称为冲击接地电阻[5]。由于冲击电流频率很高，加上最大的冲击电压与冲击电流出现的时间点不同，测得的冲击电阻几乎不准确。所以在多数情况下，冲击电阻的大小是工程师们利用经验公式计算得到的[5]。
1.1.3 接地电阻与冲击接地电阻测量的差异
上述所说的接地电阻并不等于理论上的纯电阻，它是带有电感分量的接地电阻，所以我们可以称之为接地阻抗。按照电流的特性可以把接地阻抗分为工频接地阻抗和地网冲击接地阻抗[6]。所谓的工频接地阻抗就是在正常电流流入地网的条件下所测得的接地阻抗，即计算方法是以接地网等电位的模型为基础的，而对冲击接地阻抗测量的方法则恰恰相反。
1.2 课题研究的内容及意义
因为雷电的冲击特性，地网的冲击接地阻抗是输电网避雷防雷的必要参数。整个地网线路的回路连线很长，其感抗和阻抗产生较大值，如果直接对地网接地阻抗进行测量的话，我们需要使用庞大的试验设备，加上雷电是一个瞬时过程并且包含了许多高频分量，这就加大了测量的复杂性和误差性。因此，我们想到用模拟雷击电流和电压的方式来对地网阻抗进行测量，通过高速数据采集装置，A/D转换传输到分析装置中，其间对测量的结果进行分析，得到地网冲击阻抗的计算值，由此实现对冲击阻抗参数较为精确的测量。所以，本文要对模拟雷击电流和电压的模块和数据分析模块的硬件电路进行研究和方案设计。
模拟雷击电流和电压模块我们称之为功率电源模块，其作用就是实现DCDC升压或DCACDC升压，升压到一定点时对电容进行充电（此时充电开关打开），在达到所需的电压时进行放电（充电开关关闭，放电开关打开），在此过程中需要对电容两端的电压进行检测，以确保达到所需要的释放电压。数据分析模块主要是CPLD逻辑控制模块和DSP数据处理模块，其作用是对测量得到的电压和电流进行频谱分析和计算，由此得到冲击阻抗的计算值。频谱分析和计算的任务由负责软件子系统的同学来完成程序编写，我负责的是CPLD模块与高速数据采集装置的线路连接、CPLD与DSP的线路连接及定义控制信号端口的任务，具体是基于CPLD和DSP模块和其外围电路的硬件设计及PCB板制作和调试的任务。因此本文的研究内容分为两大模块，一是功率电路设计模块；二是基于数据分析的硬件电路模块，包括存储器的选型等。
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