地网冲击阻抗测试系统设计软件子系统(附件)
近年来短路故障冲击电流或雷电流引发的事故所占比重逐渐增大，因为在冲击电流作用下接地网的电感效应不能忽略，所以在冲击阻抗的测量过程中，考虑到传统测量方法峰值法无法分离所测数据中的阻性分量和感性分量，最终选择用基于离散傅里叶变换的频谱法分析计算地网冲击阻抗。阻抗测试系统的软件设计部分主要分为数据采集子系统和数据处理子系统两部分。为使系统高效运行，采用基于CPLD的高速数据采集系统以及基于DSP利用快速傅里叶变换（FFT）算法作频谱分析的软件设计，并根据国家相关标准计算地网冲击阻抗等相关参数，为大型变电站设计接地网回路提供基础方案。关键词 冲击阻抗，高速数据采集，DSP，FFT算法
目 录
1 引言1
1.1 本课题的研究背景1
1.2 国内外的研究现状2
1.3 本课题的研究内容及意义 3
2 冲击阻抗的相关知识3
2.1 冲击阻抗的基本概念4
2.2 地网的冲击特性4
2.3 冲击阻抗数值计算方法6
3 系统方案设计8
3.1 高速数据采集模块8
3.2 数据处理模块8
3.3 系统的工作流程8
4 软件设计10
4.1 基于CPLD的数据采集子系10
4.2 基于CPLD的数据的读写子系统14
4.3 数据处理子系统17
4.4 阻抗数值计算21
结 论25
致 谢26
参考文献27
附录A 基于CPLD控制数据采集电路图28
附录B 基于DSP数据处理电路图29
附录C 程序清单30
1 引言
1．1 本课题的研究背景
在电力系统中设计各种电力设备构成完整回路来实现相应功能时，我们通常会把电力设备能否正常运转以及运行人员的安危纳入考虑的范畴中，所以将电力系统中电气设施的一端与大地相连接是设计的基础，当然对于那些大型的变电厂以及发电站来说，满足工频短路电流的要求是接地网中参数设定的基础，但雷电冲击电流更是考虑的重点，否则会产生严重的后果。接地短 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
路电流越大，引发危险的可能性越高，所以对接地性能的要求也随之提高，以此防止由于接地不良而造成危害，保障了电力系统安全稳定运转，在经济效益和社会意义具有重大的影响力。
早期由于没有相应技术条件的支持，工频特性是电力系统测量接地参数时的主要侧重点，也是分析问题时的主要思考方向。目前，电力系统的稳定性在逐步提高，通过对近几年的电力系统故障的分析发现主要分为两种：人为因素和自然因素。其中人为因素所占比重逐年减少，由雷电等自然因素引发短路故障冲击电流的事故与日俱增。
当发、变电站的接地设备中有冲击电流流入时，会出现地网电位异常升高，这很可能是由于地网的接地电阻值偏大引起的，使得接地回路内的部分电位差超过了系统设定的安全值[1,2]。这不但对操作人员的生命安全构成威胁，而且反击也可能损坏二次设备的绝缘装置，并大大增加高压侵入控制室的可能性。这可能导致监测或控制装置发生故障，甚至拒绝采取行动，从而破坏监测设备和扩大事故。当输电线路杆塔遭遇雷击时，冲击接地电阻值越低，那么加在绝缘子串上的电压就越低，从而发生反击闪络的概率就越小，反之，发生反击的概率就大[3]。线路杆塔接地装置中冲击接地电阻的大小在线路的防雷工作中扮演着重要角色。
影响接地系统冲击特性的因素有很多，比如土壤电阻率、雷电流参数等都是决定性要素，因而深度剖析接地装置的冲击特性是测量阻抗冲击性能参数的首要前提。在研究过程中，我们需要借助合理的测量方法来定量分析接地装置的电阻和电感分量，接着通过计算阻抗来设计接地系统的相关参数。因此，接地系统需要基于在冲击电流的作用下精确测量电力系统输电线路的接地阻抗的前提来优化设计。目前这对于电力部门来说是一个急需解决的大难题。
1．2 国内外的研究现状
1.2.1 接地阻抗测量技术的发展[4]
一开始，人们用电压电流表法测量接地电阻，测量精度不够，对接地系统评估不准确。
在二十世纪五六十年代，前苏联推出的E 型摇表诞生，渐渐取代了电压电流表法，电源是手动摇臂发电机。
七十年代，国产接地电阻仪开始投入生产，ZC系列(如ZC28、ZC29等)无论是在构造、量程范围，还是在精确性上都远超前苏联的E 型摇表。但精度由于是手摇发电机,还是不理想。后来提出了三极法，三极法的测量原理是测量待测接地体回路中接地体与辅助电压电极之间的电位差，然后通过经验公式算出待测接地体的电阻值。在接地电阻的现场测量中，辅助电极、测量电极与被测电极之间的互感、测量线之间的互感、杂散电流的影响以及土壤的水平状态等这些现实因素都与实际测量时的现场情况紧密相关。为了降低这些不确定因素对测量结果的干扰，研究人员拓宽思维模式研发了许多由三极法改良的测量方法，所以在实际测量中会根据实际情况作出应变。
八十年代，通过在三极法中增加一个辅助极，改进为利用倒相消除测量中干扰的四极法。后来，采用了比摇表指针式更高稳定性的数字式接地电阻表，这使得四极法在理论和应用中得到了进一步的发展。
部分先进国家早前就提出了采用异频实验电流测量接地装置中接地电阻的想法，鉴于电子设备技术水平的影响无缘实现。上世纪九十年代，随着变频技术的发展，国际科研人员在基于电位降法的原理上初阶运用异频的概念来测量接地网的接地阻抗，在测量接地阻抗的方法上获得重大进步。此外，早期的研究人员针对测量过程中的干扰已经提出了以白噪声理论为基础的解决方案，它对于减小误差也有显著作用，而后在九十年代末从理论和仿真的基础上研究论证了基于高阶谱的方法。
此外，根据应用的实际情况，附加串接电阻法、电位差法以及贝伦特补偿法都被相应提出。通过深入研究接地阻抗概念，国内也相继研制出了测量接地阻抗的测试仪(如SD301、GPI745A、GCT630)，然而，通过研究发现，它们都采用交流或直流输出形式，不能充分反映地网在冲击电流作用下所表现出的冲击特性及阻抗特性[5]。
目 录
1 引言1
1.1 本课题的研究背景1
1.2 国内外的研究现状2
1.3 本课题的研究内容及意义 3
2 冲击阻抗的相关知识3
2.1 冲击阻抗的基本概念4
2.2 地网的冲击特性4
2.3 冲击阻抗数值计算方法6
3 系统方案设计8
3.1 高速数据采集模块8
3.2 数据处理模块8
3.3 系统的工作流程8
4 软件设计10
4.1 基于CPLD的数据采集子系10
4.2 基于CPLD的数据的读写子系统14
4.3 数据处理子系统17
4.4 阻抗数值计算21
结 论25
致 谢26
参考文献27
附录A 基于CPLD控制数据采集电路图28
附录B 基于DSP数据处理电路图29
附录C 程序清单30
1 引言
1．1 本课题的研究背景
在电力系统中设计各种电力设备构成完整回路来实现相应功能时，我们通常会把电力设备能否正常运转以及运行人员的安危纳入考虑的范畴中，所以将电力系统中电气设施的一端与大地相连接是设计的基础，当然对于那些大型的变电厂以及发电站来说，满足工频短路电流的要求是接地网中参数设定的基础，但雷电冲击电流更是考虑的重点，否则会产生严重的后果。接地短 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
路电流越大，引发危险的可能性越高，所以对接地性能的要求也随之提高，以此防止由于接地不良而造成危害，保障了电力系统安全稳定运转，在经济效益和社会意义具有重大的影响力。
早期由于没有相应技术条件的支持，工频特性是电力系统测量接地参数时的主要侧重点，也是分析问题时的主要思考方向。目前，电力系统的稳定性在逐步提高，通过对近几年的电力系统故障的分析发现主要分为两种：人为因素和自然因素。其中人为因素所占比重逐年减少，由雷电等自然因素引发短路故障冲击电流的事故与日俱增。
当发、变电站的接地设备中有冲击电流流入时，会出现地网电位异常升高，这很可能是由于地网的接地电阻值偏大引起的，使得接地回路内的部分电位差超过了系统设定的安全值[1,2]。这不但对操作人员的生命安全构成威胁，而且反击也可能损坏二次设备的绝缘装置，并大大增加高压侵入控制室的可能性。这可能导致监测或控制装置发生故障，甚至拒绝采取行动，从而破坏监测设备和扩大事故。当输电线路杆塔遭遇雷击时，冲击接地电阻值越低，那么加在绝缘子串上的电压就越低，从而发生反击闪络的概率就越小，反之，发生反击的概率就大[3]。线路杆塔接地装置中冲击接地电阻的大小在线路的防雷工作中扮演着重要角色。
影响接地系统冲击特性的因素有很多，比如土壤电阻率、雷电流参数等都是决定性要素，因而深度剖析接地装置的冲击特性是测量阻抗冲击性能参数的首要前提。在研究过程中，我们需要借助合理的测量方法来定量分析接地装置的电阻和电感分量，接着通过计算阻抗来设计接地系统的相关参数。因此，接地系统需要基于在冲击电流的作用下精确测量电力系统输电线路的接地阻抗的前提来优化设计。目前这对于电力部门来说是一个急需解决的大难题。
1．2 国内外的研究现状
1.2.1 接地阻抗测量技术的发展[4]
一开始，人们用电压电流表法测量接地电阻，测量精度不够，对接地系统评估不准确。
在二十世纪五六十年代，前苏联推出的E 型摇表诞生，渐渐取代了电压电流表法，电源是手动摇臂发电机。
七十年代，国产接地电阻仪开始投入生产，ZC系列(如ZC28、ZC29等)无论是在构造、量程范围，还是在精确性上都远超前苏联的E 型摇表。但精度由于是手摇发电机,还是不理想。后来提出了三极法，三极法的测量原理是测量待测接地体回路中接地体与辅助电压电极之间的电位差，然后通过经验公式算出待测接地体的电阻值。在接地电阻的现场测量中，辅助电极、测量电极与被测电极之间的互感、测量线之间的互感、杂散电流的影响以及土壤的水平状态等这些现实因素都与实际测量时的现场情况紧密相关。为了降低这些不确定因素对测量结果的干扰，研究人员拓宽思维模式研发了许多由三极法改良的测量方法，所以在实际测量中会根据实际情况作出应变。
八十年代，通过在三极法中增加一个辅助极，改进为利用倒相消除测量中干扰的四极法。后来，采用了比摇表指针式更高稳定性的数字式接地电阻表，这使得四极法在理论和应用中得到了进一步的发展。
部分先进国家早前就提出了采用异频实验电流测量接地装置中接地电阻的想法，鉴于电子设备技术水平的影响无缘实现。上世纪九十年代，随着变频技术的发展，国际科研人员在基于电位降法的原理上初阶运用异频的概念来测量接地网的接地阻抗，在测量接地阻抗的方法上获得重大进步。此外，早期的研究人员针对测量过程中的干扰已经提出了以白噪声理论为基础的解决方案，它对于减小误差也有显著作用，而后在九十年代末从理论和仿真的基础上研究论证了基于高阶谱的方法。
此外，根据应用的实际情况，附加串接电阻法、电位差法以及贝伦特补偿法都被相应提出。通过深入研究接地阻抗概念，国内也相继研制出了测量接地阻抗的测试仪(如SD301、GPI745A、GCT630)，然而，通过研究发现，它们都采用交流或直流输出形式，不能充分反映地网在冲击电流作用下所表现出的冲击特性及阻抗特性[5]。
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