基于DSP的沖擊接地電阻測量裝置研究

1、收稿日期:20091207作者簡介:楊新華(1966,男,甘肅省臨洮人,教授,主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用和開發(fā),電力電子與電力傳動,計算機(jī)控制等方面的研究和應(yīng)用?；贒SP 的沖擊接地電阻測量裝置研究楊新華,來帥,李潤春(蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院,蘭州730050摘要:提出利用波頭較緩、幅值較小的入射電流,通過變換及計算,求出沖擊接地電阻的方法,并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于DSP 的沖擊接地電阻測量裝置。該裝置采用V /F 變換和紅外通信技術(shù),實現(xiàn)了信號采集板與主控板之間的信號隔離,有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。關(guān)鍵詞:沖擊接地電阻;V /F 變換;DSP中圖分類號:TM93415文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:

2、10000682(201004003703The study of impact grounding resistance measurement device based on DSPYANG Xinhua ,LAI Shuai ,LI Runchun(Institute of Electrical and Information Engineering ,Lanzhou University of Technology ,Lanzhou 730050,China Abstract :This passage propose the method of using slower and sm

3、aller amplitude of the incident current ,to find the impulse grounding resistanceAnd on this principle ,we designed a set of measure-ment devices based on DSPUsing V /F transform and infrared communication technology ,the measuring device achieved the full separation between the main control board a

4、nd SAM ,effectively improve the sys-tem's anti jamming capabilityKey words :impulse grounding resistance ;V /F transform ;DSP0引言區(qū)別于傳統(tǒng)的直流法及交流電位降法12,沖擊法測量接地電阻是指以沖擊電流作為入射電流,測試接地裝置的響應(yīng)電阻。大量研究表明,接地系統(tǒng)在沖擊電流(例如雷電流作用下與低頻下的響應(yīng)特征有很大不同34,所以以沖擊法測量接地電阻具有更加實際的意義。而目前,對于沖擊接地電阻的測量主要是用直流或工頻電流作用進(jìn)行測量,然后乘以沖擊系數(shù),得到?jīng)_擊接地電阻

5、值,此法雖然簡單快速,但精度較差。國內(nèi)也有研究以標(biāo)準(zhǔn)雷電流作為入射電流測量沖擊接地電阻的,但要產(chǎn)生如此波頭較陡、幅值較大的標(biāo)準(zhǔn)雷電流需要極高的電壓,這在工程上難于實現(xiàn)。同時由于入射電流對地放電劇烈,導(dǎo)致空間磁場發(fā)生迅速變化,這也給系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計帶來巨大困難。該設(shè)計以波頭較緩、幅值較低的沖擊電流為入射電流注入接地體,采集接地體電壓、電流信號,依次獲得沖擊接地電阻。為了提高測量系統(tǒng)的抗干擾能力,采用V /F 變換及紅外通信技術(shù),實現(xiàn)采集信號的隔離傳輸;為了提高測量速度,采用TMS320F2812DSP 處理器。1測量原理為了使沖擊接地電阻R im 有一個明確的意義,定義:R im =U mI m

6、(1式中:I m 為流過接地體的最大電流,U m 為此時的最大電壓。因此如果獲得在一定的I m 下的接地體的最大電壓U m ,即可將R im 計算出來。在不考慮火花放電等非線性因素時,接地體可被等效成一個線性時不變系統(tǒng)。對于線性時不變系統(tǒng),系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)H (S =R (S E (S (2式中:R (S 為響應(yīng)象函數(shù)的拉氏變換,E (S 為激勵象函數(shù)的拉氏變換。當(dāng)R (S 和E (S 由系統(tǒng)的同一端口取得時,網(wǎng)絡(luò)函數(shù)具有輸入阻抗或輸入導(dǎo)納的特性,即:·73·2010年第4期工業(yè)儀表與自動化裝置 圖1系統(tǒng)原理框圖H (S =U (S I (S 或H (S =I (S U (S

7、 (3而對于同一線性時不變系統(tǒng),在頻域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)是唯一的,所以有I 1(S U 1(S =I 2(S U 2(S (4整理式(4得到:U 2(S I 1(S =U 1(S I 2(S (5對式(5分別進(jìn)行反拉氏變換,得到時域卷積方程,如下所示:t 0u 2(i 1(t d =tu 1(i 2(t d (6式(6為時間域的卷積。根據(jù)卷積的定義,當(dāng)采樣時間間隔足夠小時,連續(xù)時間域的卷積可以離散化,將式(6離散化可得到T nk =1u 2(n k T i 1(kT =T nk =1u 1(n k T i 2(kT (7式中:T 為采樣時間間隔。整理上式,并設(shè)T 為時間單位,得到離散時間域的卷積為:u

8、 2(n i 1(n =u 1(n i 2(n (8式中:i 1(n ,u 1(n ,i 2(n 均為時間域中采樣值序列,求解上式卷積得到u 2(n 序列。因此,通過波頭較緩的沖擊電流i 1(n 及其響應(yīng)電壓u 1(n ,經(jīng)過換算得到標(biāo)準(zhǔn)雷電流i 2(n 作用下的地網(wǎng)響應(yīng)電壓u 2(n 。根據(jù)式(1可知,u 2(n 的最大值與i 2(n 的比值即為沖擊接地電阻R im 。2硬件設(shè)計基于上述的測試原理,設(shè)計了基于數(shù)字信號處理器TMS320F2812的測量裝置。系統(tǒng)由充電單元、沖擊電流發(fā)生器、控制單元、主控制器、信號調(diào)理與A /D 轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲等模塊組成。原理如圖1所示,主控制器通過紅外通信

9、與信號采集板的控制器實現(xiàn)了通信,用來控制沖擊電流發(fā)生器的觸發(fā),同時也可獲得采集板的采樣信息。沖擊電流發(fā)生器經(jīng)觸發(fā),產(chǎn)生測試電流流過接地裝置,信號采集板采集接地裝置的電壓、電流信號,通過V /F 變換傳送給主控制板,在主控板中經(jīng)F /V 變換予以恢復(fù)然后對信號進(jìn)行調(diào)理、高速A /D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲,在DSP 中進(jìn)行運算,得到?jīng)_擊接地電阻,并將結(jié)果顯示在LCD 上。21V /F 變換與紅外通信為了實現(xiàn)采集板與主控制隔離,設(shè)計采用V /F 變換和紅外通信技術(shù)。圖2為基于ADVF32的光電發(fā)射電路,圖3是其接收電路,二者之間以光纖連接。此電路已經(jīng)過調(diào)試,最大非線性誤差為001%,完全能滿足設(shè)計的需要。

10、圖4為紅外通信電路,設(shè)計采用Microchip 公司8位單片機(jī)PIC16F876作為信號采集板的控制器。在電路中PIC16F876工作在串行工作方式,占用了一個USART 口,以中斷方式控制數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收,利用MCP2120芯片實現(xiàn)符合IrDA 協(xié)議的數(shù)據(jù)編碼,最后由紅外收發(fā)器TM4100完成光電轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)信號的收發(fā) 。圖2V /F 發(fā)射部分22原始數(shù)據(jù)的存儲鑒于對沖擊電流、電壓的高速采樣,整個系統(tǒng)必須要求快速響應(yīng),所以在高速A /D 轉(zhuǎn)換器與主控制器之間,采用數(shù)據(jù)緩沖器FIFO ,即先將A /D 轉(zhuǎn)換結(jié)果存入FIFO ,采樣完成后,再送主控制器,進(jìn)行分析計算。這樣不但實現(xiàn)了速度的匹配,同時

11、也提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。原理如圖5所示。23分壓器分流器的選擇在進(jìn)行沖擊電流和沖擊電壓測試時,由于沖擊波持續(xù)時間較短,一般在微秒級,因此要求測試儀器具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。·83·工業(yè)儀表與自動化裝置2010年第4期圖3V /F接收部分 圖4紅外通信電路 圖5數(shù)據(jù)存儲電路目前,最常用的沖擊電壓測量法主要有沖擊分壓器、球隙法、光電測量法等5,球隙法需要系統(tǒng)預(yù)放電后才能逐漸穩(wěn)定,而光電測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的高壓分壓器或分流器相比,穩(wěn)定性較差6,因此該設(shè)計選用沖擊分壓器進(jìn)行沖擊電壓的測量;對沖擊電流的測量,主要有分流器和Rogowski 線圈,分流器會因為沖擊電流的流過,而產(chǎn)生熱效應(yīng)

12、,給測量系統(tǒng)帶來無法確定的誤差,而Rogowski 線圈是基于電磁感應(yīng)定理和安培環(huán)路定理的,線圈采用空心結(jié)構(gòu),響應(yīng)頻帶寬,測量幅度大,無磁滯和飽和現(xiàn)象,抗干擾能力強(qiáng)5,且與測試回路無電氣連接,因此在設(shè)計中,選用Rogowski 線圈對沖擊電流進(jìn)行測量。3軟件設(shè)計軟件設(shè)計采用C 語言作為設(shè)計語言。采用CCS2000編程軟件,編譯效率高,程序?qū)崿F(xiàn)了模塊化設(shè)計,易讀易維護(hù)。整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計采取模塊化設(shè)計,除主程序外,軟件的子模塊主要包括測量子程序、數(shù)據(jù)預(yù)處理子程序、計算子程序、自動量程切換子程序、按鍵處理及LCD 顯示子程序等,圖6和圖7分別為主程序流程圖和測量子程序流程圖。4結(jié)論該文提出利用波頭

13、較緩、幅值較小的入射電流(下轉(zhuǎn)第97頁軟件的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要包括自檢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信等模塊。礦井火災(zāi)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示 。圖3礦井火災(zāi)軟件總體結(jié)構(gòu)圖5結(jié)論多傳感器礦井火災(zāi)預(yù)測系統(tǒng)以多傳感器作為火災(zāi)探測元件,從火災(zāi)變化的內(nèi)部規(guī)律入手,根據(jù)礦井火災(zāi)預(yù)測模型,實現(xiàn)了對礦井火災(zāi)的實時預(yù)測。能夠可靠地實現(xiàn)火災(zāi)報警,以及探測到著火點的準(zhǔn)確位置。虛警率低,穩(wěn)定性好,但也存在通信量大等問題。因此如何利用信息壓縮陣變換的方法,直接將原始火災(zāi)特征氣體數(shù)據(jù)信息陣加以壓縮,減少信息量,還有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn):1張文江,宋振騏,楊增夫,等煤礦重大事故控制研究的現(xiàn)狀和方向J 山東科技大學(xué)學(xué)報

14、:自然科學(xué)版,2006,25(1:582謝國民,付華,王濤,等基于信息融合的煤層自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)研究J 傳感器與微系統(tǒng),2009,28(4:27293劉彬,冉蜀陽采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的消防報警系統(tǒng)J 中國測試技術(shù),2006,32(6:1321344韓崇昭,朱洪艷,段戰(zhàn)勝多源信息融合M 北京:清華大學(xué)出版社,20065厲劍火災(zāi)探測信號處理算法及其性能評估方法研究D 大連:大連理工大學(xué),20056齊冀,彭泓,王濤基于模糊信息融合的礦井火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)研究J 煤礦機(jī)電,2009(3:34377付華,王傳英,馮愛偉,等信息融合在煤層自然發(fā)火預(yù)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究J 礦業(yè)安全與環(huán)保,2006,33(3:3

15、637(上接第39頁測量沖擊接地電阻的方法,并且基于 TMS320F2812圖6系統(tǒng)主流程圖圖7測量流程圖實現(xiàn)沖擊接地電阻測量裝置的設(shè)計。設(shè)計中利用了DSP 的高速處理數(shù)據(jù)的能力,實現(xiàn)變換算法?；诩t外通信和V /F 變換技術(shù),實現(xiàn)了電壓、電流信號的隔離傳輸,有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,工程意義明顯。參考文獻(xiàn):1解光潤電力系統(tǒng)接地技術(shù)M 北京:水利電力出版社,19962ANSI /IEEE Std 811983IEEE guide for measuring earth resistivity ,ground impedance ,and earth surface potentials of aground systems S 19833CHOI J K ,AHN Y H ,GOO S GDirect measurement offrequency domain impedance characteristics of grounding system J Proceedings of International Conference on Power System Technology ,2002,(l4:13174HEIMBACH M ,GRCEV L DGrounding