一种接地网腐蚀状态检测电路及接地网腐蚀状态监测方法与流程
本发明属于接地网腐蚀状态检测技术，尤其涉及一种接地网腐蚀状态检测电路及检测方法。
背景技术：
接地网属于隐蔽工程，其集工作接地、保护接地、防雷接地等功能为一体，对于电力系统的可靠运行和工作人员的人身安全起着至关重要的作用。然而，由于接地网长期处于地下环境中，土壤的化学与电化学腐蚀不可避免，加之接地装置散流与杂散电流的腐蚀，导致接地体截面减小、热稳定性不够、电气性能恶化，系统发生短路故障或遭受雷击时将可能造成接地装置烧坏、地电位升高、高压窜入二次回路等事故，有可能给公司乃至国家带来了巨大的经济损失和不良的社会影响；而现有技术中，主要通过测量直接注入接地网的大电流和接地网电压来获取接地参数，或者采用开挖检测来估计接地网的腐蚀状况，设施相当笨重，不易移动，不便于定期检测，也很难准确判断整个接地网的腐蚀状况。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种接地网腐蚀状态检测电路及检测方法，以解决主要接地网腐蚀状态监测通过测量直接注入接地网的大电流和接地网电压来获取接地参数，或者采用开挖检测来估计接地网的腐蚀状况，设施相当笨重，不易移动，不便于定期检测，也很难准确判断整个接地网的腐蚀状况。
本发明的技术方案是：
一种接地网腐蚀状态检测电路，它包括控制器，其特征在于：状态传感器单元分别与电阻测量模块和暂态测量模块导线连接；电阻测量模块和暂态测量模块与控制器连接；所述状态传感器单元包括研究电极、辅助电极和参考电极，三个电极均采用与接地网相同材料的碳钢组成，且三个电极之间由环氧树脂有机材料固定，电极上端引出导线作为信号连接端。
所述电阻测量模块包括第一模拟开关，第一模拟开关的一端选定电阻测量档位量程rz，另一端连接在第一运放的反相端；第一运放的同相端分出两条支路，一条支路通过电阻r1连接第一运放的+12v电源端，另一条支路通过电阻r2和滑变电阻r3的并联连接到第一运放的输出端u0，同时稳压二极管dz给第一运放的同相端提供基准电压uref；第二模拟开关的一端选通研究电极、辅助电极和参考电极之间的两个，rx为选通的两个电极的极间电阻，另一端分别与第一运放的输出端u0、第一运放的反相端相连。
所述暂态测量模块包括自然腐蚀电位测量模块和电流检测模块；第三模拟开关的x、y、z端分别连通研究、参考与辅助三个电极，同时通过控制器的io口控制电流检测模块和自然腐蚀电位测量模块的选择；当io为1时选通自然腐蚀电位测量模块，第三模拟开关的y1端经过电阻r7连接到第三运放的同相端，x1端直接连接到第三运放的反相端，第三运放的输出端lv4即为自然腐蚀电位；当io为0时选通电流检测模块，单片机模拟量输出端经过电阻r5连接到第二运放的同相端，反相端经过电阻r6接地，第二运放的输出端lv1经过电阻r4连接到第三模拟开关的z0端，则第三模拟开关的y0端输出的信号lv3即为极化后的参研电位。
它还包括rs232通信模块，rs232通信模块与控制器连接。
它还包括电源模块，电源模块与控制器连接。
所述的一种接地网腐蚀状态检测电路的接地网腐蚀状态监测方法，它包括：
步骤1、安装状态传感器单元；
步骤2、测量状态传感器两两电极间的电阻rs1、rs2、rs3及自然腐蚀电位ecorr；
步骤3、测量参考电极与研究电极之间的电压，以及辅助电极与研究电极之间的电流；
步骤4、计算传感器电极的腐蚀速率以此作为传感器所在区域中接地网导体的腐蚀速率；
步骤5、根据各区域接地网导体的腐蚀速率计算各个区域的腐蚀深度与几何尺寸的平均值、最大值及最小值；利用接地网数据计算方法计算接地网接地电阻、最大跨步电压与最大接触电压的平均值、最大值及最小值；
步骤6、将接地网的接地电阻、最大跨步电压与最大接触电压的平均值、最大值及最小值与对应的设计参数进行比较，判断接地网的安全性能。
步骤7、结合遗传算法优化参数后的最小二乘支持向量机和误差校正模型，对腐蚀深度进行预测，以掌握接地网的腐蚀趋势，计划接地网的维修和更换的最佳时期。
步骤1所述安装状态传感器单元的方法包括：将传感器的三个电极埋于接地网所在区域的土壤中，埋设深度与接地网埋设深度相同；对土壤根据性质分区，传感器的安放位置保证不同土壤性质对接地电极的腐蚀影响都能得以反映，即在不同土壤性质的区域均装设有传感器；在电流散流最大与最小的区域、电位梯度最大与最小的区域以及跨步电压和接触电压最大与最小区域均布置传感器。
步骤4所述计算传感器电极的腐蚀速率的方法它包括：
步骤4.1、获取电阻rs1、rs2、rs3以及自然腐蚀电位ecorr；
步骤4.2、获取参考电极和研究电极之间的电位e；参考电极和研究电极之间的电位e在极化过程中测得；所述极化是对传感器施加恒电流信号，使得参研电极间极化电位在自然腐蚀电位的±10mv内，以保证金属处于线性极化阶段；
步骤4.3、计算极化电阻rp，公式为：
根据stern-geary公式，
上式中：v为腐蚀速率(g/m2·h)；m为金属的摩尔质量(g/mol)；z为金属的原子价；icorr为腐蚀电流密度(μa/cm2)。
上式中：d为年平均腐蚀深度，mm/a；ρ为金属密度，g/cm3。
步骤5所述根据各区域接地网导体的腐蚀速率计算各个区域的腐蚀深度与几何尺寸的平均值、最大值及最小值；利用接地网数据计算方法计算接地网接地电阻、最大跨步电压与最大接触电压的平均值、最大值及最小值的方法包括：
通过腐蚀速率对时间的积分，求得各区域接地网导体的腐蚀深度，取接地网整个区域内接地体腐蚀深度的最大值、平均值、最小值作为接地网的最大腐蚀深度、平均腐蚀深度以及最小腐蚀深度；
由最大腐蚀深度、平均腐蚀深度、最小腐蚀深度以及接地体的设计几何尺寸计算出接地体的实际几何尺寸的最大值、平均值、最小值，再计算各接地体横截面面积的最大值、平均值、最小值；
依据各接地体横截面面积的最大值、平均值、最小值，计算各接地体横截面等效半径的最大值、平均值、最小值；
根据各接地网导体的实际长度及各接地体横截面等效半径的最大值、平均值、最小值，计算接地电阻的最大值、平均值、最小值及相应的地表电位分布、再由接地网最大跨步电压与最大接触电压的定义式，计算最大跨步电压与最大接触电压的最大值、平均值、最小值。
步骤7所述的结合遗传算法优化参数后的最小二乘支持向量机和误差校正模型，对腐蚀深度进行预测的方法为：利用遗传算法对最小二乘支持向量机的参数进行全局寻优，获得寻优模型参数和相应模型；将时间和接地网原始年平均腐蚀深度序列作为预测模型的输入和输出，对数据样本进行归一化处理；最小二乘支持向量机经遗传算法优化参数后预测年平均腐蚀深度，得到预测值和相对误差；利用误差预测校正模型先对相对误差进行预测得到预测值；再通过校正式对预测的误差进行校正，最后得到预测校正结果。
本发明有益效果：
本发明可以实时检测接地网的多种腐蚀状态信号，帮助电网公司及时、全面地了解接地装置的运行状况，为接地装置的维修改造、设计与防腐等提供依据；
本发明将一定数量的三电极状态传感器埋设于接地网所在区域的土壤中，用状态传感器电极的腐蚀过程来模拟相应区域中接地网接地电极的腐蚀过程，以此检测整个接地网电极的腐蚀情况，这种检测方法克服了现有接地网检测与评估中工作量大、测量设施笨重、操作不方便等缺点。本发明运用滤波方法有效去除土壤中的干扰信号对测试信号的真实性和检测准确率的影响，从而实现传感器电极腐蚀速率的准确测量，提高了在线检测的精度。另外，本发明所提出的结合改进最小二乘支持向量机与误差校正的组合模型，提高了接地装置腐蚀状态预测的精度。本发明将检测与预测技术相结合，是一个集数据采集、分析诊断、预测评估和数据查询一体的综合性系统；可以对接地网的腐蚀深度与电气性能参数进行在线检测，对接地网的现行状态进行实时评估，以便及时发现安全隐患；能够预测接地网腐蚀状态的发展趋势，为接地网的维护改造提供依据。
本发明改变了现有接地网状态检测过程复杂，准确度不高的局面，为接地网的检测与评估提供了一种全面、有效、经济、实时的解决方法，更是填补了国际上接地网腐蚀状态综合检测与预测仪器的空白。
解决了接地网腐蚀状态监测通过测量直接注入接地网的大电流和接地网电压来获取接地参数，或者采用开挖检测来估计接地网的腐蚀状况，设施相当笨重，不易移动，不便于定期检测，也很难准确判断整个接地网的腐蚀状况等问题。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明状态传感器单元结构示意图；
图3为电阻测量模块结构示意图；
图4为暂态测量模块结构示意图；
图5为信号放大模块结构示意图；
图6为232通信模块结构示意图；
图7为电源模块结构示意图；
图8为本发明中状态传感器的三电极等效电路图；
图9为腐蚀深度预测模型示意图。
具体实施方式：
为了便于本领域技术人员进一步了解技术方案，下面结合附图对本发明进行细化说明：
一种接地网腐蚀状态检测电路，它包括控制器，状态传感器单元分别与电阻测量模块和暂态测量模块导线连接；电阻测量模块和暂态测量模块与控制器连接；所述状态传感器单元包括研究电极、辅助电极和参考电极，三个电极均采用与接地网相同材料的碳钢组成，且三个电极之间由环氧树脂有机材料固定，电极上端引出导线作为信号连接端。
所述控制器包括单片机stc8a8k和外围电路，外围电路包括信号放大模块、rs232通信模块和电源模块。
所述电阻测量模块用于测量三电极传感器的极间电阻。第一模拟开关的一端选定电阻测量档位量程rz(有1k，10k，100k等三个量程)，另一端连接在第一运放的反相端；第一运放的同相端分出两条支路，一条支路通过电阻r1连接第一运放的+12v电源端，另一条支路通过电阻r2和滑变电阻r3的并联连接到第一运放的输出端u0，同时稳压二极管dz给第一运放的同相端提供基准电压uref；第二模拟开关的一端选通研究电极、辅助电极和参考电极之间的两个，rx为选通的两个电极的极间电阻，另一端分别与第一运放的输出端u0、第一运放的反相端相连。当电阻测量模块工作时，根据下式可得极间土壤电阻值为：
rx为研究、电极、参考电极的极间电阻，u0为第一运放的输出端,uref为稳压二极管dz给第一运放同相端提供的基准电压，r1为电阻测量档位量程。
所述暂态测量模块包括自然腐蚀电位测量模块和电流检测模块。通过第三模拟开关的x、y、z端分别连通研究、参考与辅助三个电极，同时通过io口控制电流检测模块和自然腐蚀电位模块的选择。当io为1时选通自然腐蚀电位测量模块，第三模拟开关的y1端经过电阻r7连接到第三运放的同相端，x1端直接连接到第三运放的反相端，则第三运放的输出端lv4即为自然腐蚀电位；当io为0时选通电流检测模块，首先通过单片机产生shuru信号，经过电阻r5连接到第二运放的同相端，其反相端经过电阻r6接地，第二运放的输出端lv1经过电阻r4连接到第三模拟开关的z0端，则第三模拟开关的y0端输出的信号lv3即为极化后的参研电位。而流过辅研电极间的电流由下式得出：
信号放大模块将电阻测量模块和暂态测量模块输出的检测信号经过电阻r8连接到第四运放的同相端，其反相端经过电阻r9接地，第四运放的两个调零端经过电阻r10相连，输出端u1经过电阻r11连接到第五运放的同相端，第五运放的两个调零端经过电阻r13相连，其反相端分出两条支路，一条支路经过电阻r12接地，另一条支路经过电阻r14与滑变电阻r15的并联连接到第五运放的输出端u2，则输出端u2产生的信号即为检测信号经过放大后的信号。
所述232通信模块，通过单片机控制232模块，以实现与上位机安卓的通信、编程/仿真。
所述电源模块，通过两种电源方式给单片机供电，一种是外部供电，通过降压ac/dc变换器(开关电源)将220v交流转换成±12v；另一种是内部供电，通过两个12v蓄电瓶串联产生±12v电压，而且降压ac/dc变换器还可以对蓄电瓶进行充电。然后将产生的±12v电压经过7805稳压电路±12v转换成±5v和+6v，以供各个电路模块正常工作。
所述的一种接地网腐蚀状态检测电路的接地网腐蚀状态监测方法，它包括：
步骤1、安装状态传感器单元；
步骤2、测量状态传感器两两电极间的电阻rs1、rs2、rs3及自然腐蚀电位ecorr；
步骤3、测量参考电极与研究电极之间的电压，以及辅助电极与研究电极之间的电流；
步骤4、计算传感器电极的腐蚀速率以此作为传感器所在区域中接地网导体的腐蚀速率；
步骤5、根据各区域接地网导体的腐蚀速率计算各个区域的腐蚀深度与几何尺寸的平均值、最大值及最小值；利用接地网数据计算方法计算接地网接地电阻、最大跨步电压与最大接触电压的平均值、最大值及最小值；
步骤5所述根据各区域接地网导体的腐蚀速率计算各个区域的腐蚀深度与几何尺寸的平均值、最大值及最小值；利用接地网数据计算方法计算接地网接地电阻、最大跨步电压与最大接触电压的平均值、最大值及最小值的方法包括：
通过腐蚀速率对时间的积分，求得各区域接地网导体的腐蚀深度，取接地网整个区域内接地体腐蚀深度的最大值、平均值、最小值作为接地网的最大腐蚀深度、平均腐蚀深度以及最小腐蚀深度；
由最大腐蚀深度、平均腐蚀深度、最小腐蚀深度以及接地体的设计几何尺寸计算出接地体的实际几何尺寸的最大值、平均值、最小值，再计算各接地体横截面面积的最大值、平均值、最小值；
依据各接地体横截面面积的最大值、平均值、最小值，计算各接地体横截面等效半径的最大值、平均值、最小值；
根据各接地网导体的实际长度及各接地体横截面等效半径的最大值、平均值、最小值，计算接地电阻的最大值、平均值、最小值及相应的地表电位分布、再由接地网最大跨步电压与最大接触电压的定义式，计算最大跨步电压与最大接触电压的最大值、平均值、最小值。
步骤6、将接地网的接地电阻、最大跨步电压与最大接触电压的平均值、最大值及最小值与对应的设计参数进行比较，判断接地网的安全性能。
步骤7、结合遗传算法优化参数后的最小二乘支持向量机和误差校正模型，对腐蚀深度进行预测，以掌握接地网的腐蚀趋势，计划接地网的维修和更换的最佳时期。
本发明中三电极状态传感器的结构如图2所示。状态传感器采用三电极测量系统，由研究电极ty、辅助电极tf和参考电极tc组成；三个电极都采用与接地电极相同的材料构成，中间相对面留做电极研究面，其他层面由环氧树脂密封，电极之间由有机材料固定，电极上端引出导线，作为信号连接端。安装时，将传感器的三个电极埋于接地网所在区域的土壤中，埋设深度与接地网埋设深度相同。这样，当传感器三个电极处于和接地网接地电极相同性质的土壤中且接地电极上流散的电流亦与每个传感器电极的电流接近时，就可用传感器电极的腐蚀过程来模拟接地网接地电极的腐蚀过程，即接地电极的腐蚀速率与传感器电极的腐蚀速率相同。
然而，由于土壤性质的不均匀性以及各接地电极上流散电流的强度不同，因此，不同位置的接地电极在土壤中被腐蚀的程度亦不同。从理论上讲，应采用尽可能多的传感器才能真实地、全面地模拟整个接地网的腐蚀过程。但从技术经济性的角度来考虑，埋入土壤中的传感器数量不宜过多。因此，如何确定传感器的数量与分布，即如何选择传感器在土壤中的埋设位置，对于从有限检测点来准确检测整个接地网的腐蚀状态就显得十分重要。
在此，提出如下确定传感器的数量与分布的方法：
①根据土壤地质勘测报告，对土壤根据其性质分区，传感器的安放位置应保证不同土壤性质对接地电极的腐蚀影响都能得以反映，亦即在不同土壤性质的区域均装设有传感器。
②确定接地电极上电流散流最大与最小的区域、电位梯度最大与最小的区域以及跨步电压和接触电压最大与最小区域，传感器的安放位置应保证这些区域中接地电极的腐蚀情况都得以反映，亦即在电流散流最大与最小的区域、电位梯度最大与最小的区域以及跨步电压和接触电压最大与最小区域均布置有传感器。
③从满足上述要求出发，选出需埋设传感器的最小数量及其对应区域。
④传感器安装的位置选择应使在整个接地网所在区域内传感器分布的疏密程度尽量接近均匀。
⑤根据对接地网检测的精度要求、地网的施工情况及其传感器分布疏密情况等，可在最小数量的传感器分布中再适当增加1～2个传感器。
图8为本发明中状态传感器的三电极等效电路图。图中rs1为参考电极tc与研究电极ty之间的电阻；rs2为研究电极ty与辅助电极tf之间的电阻；rs3为参考电极tc与辅助电极tf之间的电阻；rp为极化电阻；cd为双层电容。
要测定金属电极的腐蚀速率，需要对腐蚀金属电极进行极化，使它偏离自然腐蚀状态，测定该电极对外加极化的响应，从而求出腐蚀参数。根据线性极化理论，在自然腐蚀电位附近极化电流与极化电位之间存在着线性规律，因此对传感器施加微弱的恒电流信号，使得参研电极间极化电位在自然腐蚀电位的±10mv内，以保证金属处于线性极化阶段。
本发明中将恒电流信号外加与辅助电极与研究电极之间。当施加恒电流信号使双层电容充电完毕时，双层电容相当于开路状态。
对图3所示的传感器等效电路，当对其施加一个恒电流信号i时，t时间的响应电位δe可以表示为：
式中：τ＝rpcd
在恒电流信号i作用下的暂态响应δe～t按以上公式进行最小二乘拟合得到合适的rp、cd。
传感器电极的腐蚀速率获取方法如下：
电阻rs1、rs2、rs3以及自然腐蚀电位ecorr在恒电流信号被施加前测得；参考电极和研究电极之间的电位e在极化过程中测得。根据这些数据，可计算出极化电阻rp，即：
根据stern-geary公式，
上式中：v为腐蚀速率(g/m2·h)；m为金属的摩尔质量(g/mol)；z为金属的原子价；icorr为腐蚀电流密度(μa/cm2)。
上式中：d为年平均腐蚀深度，mm/a；ρ为金属密度，g/cm3。
暂态测量工作流程：在对状态传感器双层电容充放电过程测量时，属于暂态测量工作过程。具体过程为：单片机通过pwm调整电路产生恒电流信号，经过放大处理后，加到状态传感器上，完成双层电容的充放电响应过程，单片机采集传感器的电流信号的电位信号经过信号放大后的信号。暂态测量的时间很短，必须在电容的充放电时间内完成数据的采集。
但以上测量中会遇到的障碍是：流经接地网土壤中的工频电流、冲击电流会对信号检测造成强干扰。因此，必须采取相应的方法去除干扰，以保证测量结果的准确性。在此，对于50hz工频电流，采用带阻滤波方法将其滤除；对于冲击电流来说，其幅值可能很大，会引起土壤放点，但其等效频率又比工频高的多，故可采用既耐压又能滤除冲击噪声的低通滤波方法有效去除工频电流、冲击电流等对信号检测所造成的干扰。
此外，在上位机处理数据之前，先对采样数据进行软件滤波(自适应小波滤波技术)，以消除采样数据时带来的随机误差，再根据最小二乘拟合算法推导出拟合公式，对于采集的随时间变化的信号，效果比多次观测实验数据取平均值的方法好的多。
由上位机在线计算得到传感器电极的极化电阻、腐蚀电流密度、腐蚀速率、年平均腐蚀深度等腐蚀参数，并将其年平均腐蚀深度作为相应区域内接地电极的年平均腐蚀深度，再据此计算与之对应的接地网电气性能参数并对接地网进行安全评估，同时利用不同时间段测得的年平均腐蚀深度进行预测，其具体步骤如图9所示：
利用遗传算法对最小二乘支持向量机的参数进行全局寻优，获得寻优模型参数和相应模型；将时间和接地网原始年平均腐蚀深度序列作为预测模型的输入和输出，对数据样本进行归一化处理；最小二乘支持向量机经遗传算法优化参数后预测年平均腐蚀深度，得到预测值和相对误差；利用误差预测校正模型先对相对误差进行预测得到预测值；再通过校正式对预测的误差进行校正，最后得到预测校正结果。
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