i2r滤波算法的变电站地网阻抗测试仪设计硬件子系统
20世纪以来，接地网的覆盖面积日益增大，接地网的地网阻抗测量问题威胁到检测人员的人身安全，同时也关系到设备的自身运行状况，与变电站的正常运行息息相关。接地阻抗是检测变电站安全可靠运行时最基础的参数，也是最容易得到的参数，能直接反应综合状况。考虑到这些情况，对地网阻抗的测量成为了日常监测接地网状态的重要一环。 本文首先介绍地网阻抗测量的目的和意义，然后简要介绍国内外发展情况，并阐述了地网阻抗的测量方法以及影响因素。对整个课题进行了方案讨论，以STM32F429ZIT6芯片为核心的微处理器，可控增益的放大电路采用的是AD524,模数转换模块采用的是AD7606。整体流程为采样、滤波、放大、模数转换，最后采用信号处理，并且完成调试，利用相关的MATLAB软件得到其系数，通过这个系数对整个地网阻抗其他参数进行计算，从而对地网阻抗的状况进行整体评估。关键词 地网阻抗，IIR滤波算法，ARM处理器
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究目的 1
1.2国内外地网阻抗测量技术发展情况 1
1.3课题研究方法 2
2 地网阻抗概述和整体电路的设计方案 3
2.1 地网阻抗测量方法及影响因素 3
2.2整体模块的方案设计 6
3 IIR滤波器概述及其算法的介绍 9
3.1 IIR滤波的简述 9
3.2 IIR滤波算法的一般形式 10
4 主电路硬件设计 11
4.1 模拟电路硬件设计 11
4.2 AD转换电路 16
4.3控制电路模块 19
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
附录A硬件主电路电气连接图 26
1 绪论
1.1课题研究目的
变电站之所以安装接地装置是为了维护电力系统安全应切可靠地运行，同时也是运行人员和电气设备安全的重要保证，其设计施工和运行维护历来受到许多学者的密切关注与电力生产部门的高度重视[1]。随着电压等级的不断上升，经接地网流入大地的故障电流也随之增大，这就对接地网安全提出了更高的要求[2]。
变电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
站的接地网情况有时会不稳定，长时间下来，接地阻抗、接触电势、跨步电势，以及各种天气环境因素带来的腐蚀问题都需要进行定期测量、检查和评估[3]。分析和测量变电站接地网接地阻抗就就目前来看成为重中之重，一方面是为了变电站本身的运行，另一方面是为了从事电力行业人员的日常安全。电网的容量越来越大，电压等级逐步升高，系统的接地电流越来越大，接地网上电位升越来越高，在这种形势下，必须提高接地网阻抗的可靠性[4]。综上这些因素，这就是接地网状况需要长期监测的缘由。
1.2国内外地网阻抗测量技术发展情况
接地网的状况关系到电力系统的安全运行，而其中的最主要因素的是接地阻抗。因此科学合理地测试接地阻抗，准确评估接地网的安全性能就显得十分重要。一直以来，对接地网接地阻抗的测量，不外乎采用接地摇表、数字式接地电阻测试仪等来进行测量，而且测量方法在过去的很长一段时间内都没有怎么改变。这些测量设备都具有一个通病，就是这能对简单的接地电阻进行检测，而面临工频干扰较大、地网区域覆盖较大的变电站时，就会受到地网尺寸影响或者是现场的干扰，从而得不到准确的测试结果。上述的两种方法对于小地网、单根引下线的接地电阻可以有效的测量，可是满足不了大型接地网的要求[5]。 电力行业飞速发展的今天，电网的等级在变大，覆盖面积日益增多，接地网接地电阻测量也变得越来越难[6]。考虑到这些变化，专业人员以及相关部门都在这方面投入了更多的精力，于是乎，更多有效的，更有价值的方法也被挖掘出来，相比较以前的方法而言，有点最大的就是工频大电流法，基本取代了小型地网的测量手段，这也是目前国内最多采用的方法。但是这种方法存在一定的局限，例如信噪比不高，或者是易受工频杂散信号的干扰。正是为了解决这些问题，需要给电网注入一定数值的的电流，这给给操作人员的人身安全带来了危险。工频大电流法常用一些大型且笨重的测量仪器，工作人员携带起来不方便，这就本能的提高了工作量一起操作难度。综合以上的因素考虑，于是就放弃这个方法，而是采用异频电流法[7]。异频法通过信号发生器给注入异频信号，在经过采样、处理和分析之后得到异频电流和产生的异频电位差，然后计算出电阻值。50HZ的工频信号容易受到其他干扰信号的干扰，主要集中在工频的奇数倍处，在避开这些频率范围下的干扰电流的时，能显著提高测量精度。接地阻抗的测量影响因素有很多，例如所谓的工频特性和电流的集肤效应，导致一般异频测量信号选择在 45到 55Hz之间，这样最终完成的异频大型地网接地阻抗测试系统能有效实现抗干扰的功能。时至今日，异频法已经逐渐成为地网阻抗测量的主流方法，而地网阻抗测量也成为评估接地网综合性能的的重点内容[8]。
1.3课题研究方法
本课题的中心是对地网阻抗进行测量，大致的研究过程如下：首先输入工频交流电源，经过整流滤波后得到脉动的直流电压，由直流电源转换，通过逆变电路得到脉冲电流，经中控进入耦合变压器。耦合变压器的作用是阻抗匹配，产生 3到 20A，45到 55Hz的异频电流，上述部分有可以理解为信号发生单元。将电流注入被测大型接地网，接地级与电流级共同构成回路，此时接地极和电压极的两端产生电位流入接地网，电位信号的产生主要是在接地上，还有就是电压级，然后采用线圈来采集设计的回路中所产生的电流信号[9]。控制单元是需要添加键盘操作模块的，采集到的电压电流信号需要进行处理，不能直接拿来用，这就要求后续的调理过程。添加滤波电路用于信号的去干扰，为了得到匹配量程的数据，还需要运放电路进行信号的放大，得到的是模拟信号，用AD转换器进行处理，最后用微处理器对信号做最后的处理，然后添加显示部分，把需要的数据反馈到显示器上。
主要的设计步骤如下：
收集课题相关资料。
设计硬件电路的整体模块，给出合适的方案，主要包括量程判断电路、AD采样电路、及人机接口电路，控制系统电路等，完成PCB设计及硬件调试，硬件要求具有较高的采样精度、可靠性、稳定性[9]。
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究目的 1
1.2国内外地网阻抗测量技术发展情况 1
1.3课题研究方法 2
2 地网阻抗概述和整体电路的设计方案 3
2.1 地网阻抗测量方法及影响因素 3
2.2整体模块的方案设计 6
3 IIR滤波器概述及其算法的介绍 9
3.1 IIR滤波的简述 9
3.2 IIR滤波算法的一般形式 10
4 主电路硬件设计 11
4.1 模拟电路硬件设计 11
4.2 AD转换电路 16
4.3控制电路模块 19
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
附录A硬件主电路电气连接图 26
1 绪论
1.1课题研究目的
变电站之所以安装接地装置是为了维护电力系统安全应切可靠地运行，同时也是运行人员和电气设备安全的重要保证，其设计施工和运行维护历来受到许多学者的密切关注与电力生产部门的高度重视[1]。随着电压等级的不断上升，经接地网流入大地的故障电流也随之增大，这就对接地网安全提出了更高的要求[2]。
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站的接地网情况有时会不稳定，长时间下来，接地阻抗、接触电势、跨步电势，以及各种天气环境因素带来的腐蚀问题都需要进行定期测量、检查和评估[3]。分析和测量变电站接地网接地阻抗就就目前来看成为重中之重，一方面是为了变电站本身的运行，另一方面是为了从事电力行业人员的日常安全。电网的容量越来越大，电压等级逐步升高，系统的接地电流越来越大，接地网上电位升越来越高，在这种形势下，必须提高接地网阻抗的可靠性[4]。综上这些因素，这就是接地网状况需要长期监测的缘由。
1.2国内外地网阻抗测量技术发展情况
接地网的状况关系到电力系统的安全运行，而其中的最主要因素的是接地阻抗。因此科学合理地测试接地阻抗，准确评估接地网的安全性能就显得十分重要。一直以来，对接地网接地阻抗的测量，不外乎采用接地摇表、数字式接地电阻测试仪等来进行测量，而且测量方法在过去的很长一段时间内都没有怎么改变。这些测量设备都具有一个通病，就是这能对简单的接地电阻进行检测，而面临工频干扰较大、地网区域覆盖较大的变电站时，就会受到地网尺寸影响或者是现场的干扰，从而得不到准确的测试结果。上述的两种方法对于小地网、单根引下线的接地电阻可以有效的测量，可是满足不了大型接地网的要求[5]。 电力行业飞速发展的今天，电网的等级在变大，覆盖面积日益增多，接地网接地电阻测量也变得越来越难[6]。考虑到这些变化，专业人员以及相关部门都在这方面投入了更多的精力，于是乎，更多有效的，更有价值的方法也被挖掘出来，相比较以前的方法而言，有点最大的就是工频大电流法，基本取代了小型地网的测量手段，这也是目前国内最多采用的方法。但是这种方法存在一定的局限，例如信噪比不高，或者是易受工频杂散信号的干扰。正是为了解决这些问题，需要给电网注入一定数值的的电流，这给给操作人员的人身安全带来了危险。工频大电流法常用一些大型且笨重的测量仪器，工作人员携带起来不方便，这就本能的提高了工作量一起操作难度。综合以上的因素考虑，于是就放弃这个方法，而是采用异频电流法[7]。异频法通过信号发生器给注入异频信号，在经过采样、处理和分析之后得到异频电流和产生的异频电位差，然后计算出电阻值。50HZ的工频信号容易受到其他干扰信号的干扰，主要集中在工频的奇数倍处，在避开这些频率范围下的干扰电流的时，能显著提高测量精度。接地阻抗的测量影响因素有很多，例如所谓的工频特性和电流的集肤效应，导致一般异频测量信号选择在 45到 55Hz之间，这样最终完成的异频大型地网接地阻抗测试系统能有效实现抗干扰的功能。时至今日，异频法已经逐渐成为地网阻抗测量的主流方法，而地网阻抗测量也成为评估接地网综合性能的的重点内容[8]。
1.3课题研究方法
本课题的中心是对地网阻抗进行测量，大致的研究过程如下：首先输入工频交流电源，经过整流滤波后得到脉动的直流电压，由直流电源转换，通过逆变电路得到脉冲电流，经中控进入耦合变压器。耦合变压器的作用是阻抗匹配，产生 3到 20A，45到 55Hz的异频电流，上述部分有可以理解为信号发生单元。将电流注入被测大型接地网，接地级与电流级共同构成回路，此时接地极和电压极的两端产生电位流入接地网，电位信号的产生主要是在接地上，还有就是电压级，然后采用线圈来采集设计的回路中所产生的电流信号[9]。控制单元是需要添加键盘操作模块的，采集到的电压电流信号需要进行处理，不能直接拿来用，这就要求后续的调理过程。添加滤波电路用于信号的去干扰，为了得到匹配量程的数据，还需要运放电路进行信号的放大，得到的是模拟信号，用AD转换器进行处理，最后用微处理器对信号做最后的处理，然后添加显示部分，把需要的数据反馈到显示器上。
主要的设计步骤如下：
收集课题相关资料。
设计硬件电路的整体模块，给出合适的方案，主要包括量程判断电路、AD采样电路、及人机接口电路，控制系统电路等，完成PCB设计及硬件调试，硬件要求具有较高的采样精度、可靠性、稳定性[9]。
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