基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统及检测方法与流程
本发明涉及电力传输领域，特别是指一种基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统及检测方法。
背景技术：
预防雷害是高压输电杆塔搭建时必须要考虑的问题，在输电线路中安装接地装置是预防雷害的一个基本措施。但是由于接地引下线通常暴露在自然环境中，很容易受到风雨侵蚀等不可抗力的损坏，造成接地装置的腐蚀或断裂。这将大大降低输电杆塔接地装置的避雷效果，提高了输电杆塔出现损坏的风险系数。因此检测输电杆塔的接地电阻是高压输电杆塔检修时很关键的一个步骤。
目前，测量输电杆塔的接地电阻的方法主要有三极法或者钳表法，相比较而言，钳表法由于其原理较为先进，应用更为广泛。但是不管是三极法还是钳表法，目前并没有专门的基于无线信号源的分布式接地电阻检测方法，测量时都需要有线传输互感电压。
目前较为常用的方法为钳表法，它采用非接触式测量方法，在测量时只需将钳表夹在输电杆塔的引下线上，不用再单独布置电流源和电压源，就可以测出接地电阻。当利用钳型表进行接地电阻测量时需要保证输电杆塔单点接地，即在保留杆塔其中一条引下线的前提下打开杆塔的其他接地引下线，然后将钳型表钳在保留的引下线上进行测量，重复上述操作，即可测得杆塔的四个接地引下线上的电阻。由已知的四个接地引下线上的电阻，通过相应公式计算出输电杆塔的接地电阻。
发明人研究发现，该现有技术至少存在以下技术问题：一是杆塔引脚与测试仪的距离较远，测量时连接接地引下线上互感器与测试仪之间的导线过长且笨重，不便于携带；二是导线过长导致测量时多次取夹互感器操作不便，且测量多个输电杆塔时取夹互感器操作繁琐。
技术实现要素：
本发明提供一种基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统及检测方法，不仅达到了测量的精度要求，还解决了有线测量时取夹互感器操作繁琐以及长导线不便于携带的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，本发明提供一种基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统，包括无线接地电阻测试仪和互感器，其中：
所述无线接地电阻测试仪包括电源模块(1)、控制核心模块(2)、激励信号发生模块(3)、调频发射机模块(4)、zigbee模块(5)和通信模块(6)；
所述电源模块(1)负责为整个无线接地电阻测试仪提供合适的电压，选用锂电子电池将其经过多种降压电路后给所述无线接地电阻测试仪的各模块供电；
所述控制核心模块(2)由单片机及外围功能模块构成，负责人机交互以及信息处理。所述控制核心模块(2)负责四项任务：一是控制所述激励信号发生模块(3)产生额定电压；二是接收所述zigbee模块(5)传来的互感电流值与相位差，经过公式1算出接地电阻阻抗值，其中
所述激励信号发生模块(3)包括信号发生模块和功率放大模块，通过所述控制核心模块(2)的控制产生正弦波激励信号，随后通过所述功率放大模块提高电路的负载驱动能力从而驱动电压互感器，并将调理后的交流信号传输到所述调频发射机模块(4)；
所述调频发射机模块(4)将所述激励信号发生模块(3)产生的电压通过调频处理发送至所述互感器；
所述zigbee模块(5)负责接收所述互感器的zigbee模块(15)发送的感应电流值和相位差；
所述通信模块(6)为gprs模块，负责远程发送杆塔位置、测量时间、杆塔接地阻抗值至输电线路杆塔巡检监视系统；
所述互感器包括电源模块(7)、调频接收机模块(8)、同步模块(9)、电压互感器模块(10)、电流互感器模块(11)、信号调理模块(12)、相位测量模块(13)、mcu控制模块(14)、zigbee模块(15)和自检模块(16)；
所述电源模块(7)负责为所述互感器提供合适的电压，选用锂电子电池将其经过多种降压电路后给所述互感器的各模块供电；
所述调频接收机模块(8)负责接收所述无线接地电阻测试仪的调频发射机模块(4)发送出的调频后的电压，将其送入所述同步模块(9)；
所述同步模块(9)负责接收所述mcu控制模块(14)发送过来的控制指令，以实现整个系统中四个互感器的信号同步，并将同步后的信号传输到所述电压互感器模块(10)；
所述电压互感器模块(10)和电流互感器模块(11)串联，为一对互感器钳口，测量时夹在一条杆塔接地引下线上，对杆塔的接地引下线上的电压电流进行测量以计算接地电阻阻值；
所述信号调理模块(12)包括电流电压转换模块、电压跟随器、带通滤波器和交直流转换电路。在接收到所述电流互感器(11)传输过来的感应电流后通过所述电流电压转换模块转换为电压值，然后经过所述电压跟随器来保持信号的稳定，再经过所述带通滤波器进行滤波和放大，最后经过所述交直流转换电路将交流电压信号转换为直流电压信号，并将信号送至所述mcu控制模块(14)进行处理；
所述相位测量模块(13)连接所述电压互感器模块(10)和电流互感器模块(11)，将互感电压和互感电流的过零点检测出来，并送至所述mcu控制模块(14)进行处理；
所述mcu控制模块(14)有三项功能：一是接收所述zigbee模块(15)传输过来的控制命令；二是控制所述同步模块(9)和自检模块(16)进行信号同步及自检；三是接收所述信号调理模块(12)和相位测量模块(13)传输来的信号以确定互感电流值和互感电压电流相位差，并将电流值和相位差传输给所述zigbee模块(15)；
所述zigbee模块(15)互感电流值和互感电压电流相位差发送给所述无线接地电阻测试仪的zigbee模块(5)进行后续计算；同时接收所述无线接地电阻测试仪发送过来的控制指令，对所述互感器的mcu控制模块(14)进行相关控制；
所述自检模块(16)在收到所述mcu控制模块(14)的电流自检或电压自检的信号后通过控制所述电压互感器(10)和电流互感器(11)的开闭对电压互感器(10)和电流互感器(11)进行自检，以保证测量精度。
另一方面，本发明还提供一种基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统的检测方法，包括：
步骤1：将互感器的各对电压互感器和电流互感器按同名端方向一致的方式夹在接地引下线上；
步骤2：所述无线接地电阻测试仪发出指令使所述激励信号发生模块(3)和参考电压信号发生模块产生相应的正弦电压信号，正弦电压信号经过信号放大和功率放大后通过所述调频发射机模块(4)进行调频；
步骤3：调频交流信号被所述调频接收机模块(8)解调后传入所述同步模块(9)进行同步；
步骤4：令所述互感器的mcu控制模块(14)发出自检指令，设备根据指令不同分别关闭电压互感器和电流互感器从而实现自检；
步骤5：同步后的信号驱动所述电压互感器(10)，并将此电压信号感应至接地引下线；
步骤6：由所述电流互感器(11)感应接地引下线中的电流，经过信号调理后传入所述传感器的mcu控制模块(14)，同时所述相位测量模块(13)将互感电压电流的过零点检测出来传到所述mcu控制模块(14)；
步骤7：所述mcu控制模块(14)计算出互感电流以及互感电压电流的相位差，并将相位差和电流信息经由所述zigbee模块(15)传回杆塔接地电阻测试仪中；
步骤8：在杆塔接地电阻测试仪内部，所述控制核心模块(2)将该电流信息和相位信息进行一系列处理分析，按照公式1求解方程得出接地电阻阻抗值；
步骤9：若计算后的自检的结果符合要求，即可进行正常测量，通过控制所述互感器上的信号幅值和频率，重复所述步骤7和步骤8。
进一步的，所述检测方法还包括：
步骤10：所述无线接地电阻测试仪将相关测量信息通过gprs模块发送至中心监控计算机，并将数据存储。
本发明具有以下有益效果：
本发明的基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统及检测方法，运用无线传输的方式将信号源产生的激励采用高速数字电路的延时线设计进行信号同步后传送至钳型互感器，并将互感器测得的感应电流通过无线的方式传送回接地电阻测试仪进行计算。最终将测量的相关信息通过gprs发送给中心监控计算机，完成对一个杆塔的接地电阻的测量。本发明使用基于无线信号源的免解线测量法测量接地电阻，不仅达到了测量的精度要求，还解决了有线测量时取夹互感器操作繁琐以及长导线不便于携带的问题。
附图说明
图1为本发明的基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统的无线接地电阻测试仪的电路框架图；
图2为本发明的基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统的互感器的电路框架图；
图3为本发明的基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统的同步模块的示意图；
图4为本发明的基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统的延迟模块的示意图；
图5为本发明的基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统的调频接收机模块的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
一方面，本发明提供一种基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统，如图1～图5所示，包括无线接地电阻测试仪和互感器，其中：
无线接地电阻测试仪包括电源模块1、控制核心模块2、激励信号发生模块3、调频发射机模块4、zigbee模块5和通信模块6；
电源模块1负责为整个无线接地电阻测试仪提供合适的电压，可以选用锂电子电池将其经过多种降压电路后给无线接地电阻测试仪的各模块供电；
控制核心模块2由单片机及外围功能模块构成，负责人机交互以及信息处理等工作。控制核心模块2负责四项任务：一是控制激励信号发生模块3产生额定电压；二是接收zigbee模块5传来的互感电流值与相位差，经过公式1算出接地电阻阻抗值，其中
激励信号发生模块3包括信号发生模块和功率放大模块，通过控制核心模块2的控制产生正弦波激励信号，随后通过功率放大模块提高电路的负载驱动能力从而驱动电压互感器，并将调理后的交流信号传输到调频发射机模块4；
调频发射机模块4将激励信号发生模块3产生的电压通过调频处理发送至互感器；
zigbee模块5负责接收互感器的zigbee模块15发送的感应电流值和相位差；
通信模块6可以为gprs模块，负责远程发送杆塔位置、测量时间、杆塔接地阻抗值等相关信息至输电线路杆塔巡检监视系统；
互感器包括电源模块7、调频接收机模块8、同步模块9、电压互感器模块10、电流互感器模块11、信号调理模块12、相位测量模块13、mcu控制模块14、zigbee模块15和自检模块16；
电源模块7负责为互感器提供合适的电压，可以选用锂电子电池将其经过多种降压电路后给互感器的各模块供电；
调频接收机模块8负责接收无线接地电阻测试仪的调频发射机模块4发送出的调频后的电压，将其送入同步模块9；
同步模块9负责接收mcu控制模块14发送过来的控制指令，以实现整个系统中四个互感器的信号同步，并将同步后的信号传输到电压互感器模块10；
电压互感器模块10和电流互感器模块11串联，为一对互感器钳口，测量时夹在一条杆塔接地引下线上，对杆塔的接地引下线上的电压电流进行测量以计算接地电阻阻值；
信号调理模块12包括电流电压转换模块、电压跟随器、带通滤波器和交直流转换电路。在接收到电流互感器11传输过来的感应电流后通过电流电压转换模块转换为电压值，然后经过电压跟随器来保持信号的稳定，再经过带通滤波器进行滤波和放大，最后经过交直流转换电路将交流电压信号转换为直流电压信号，并将信号送至mcu控制模块14进行处理；
相位测量模块13连接电压互感器模块10和电流互感器模块11，将互感电压和互感电流的过零点检测出来，并送至mcu控制模块14进行处理；
mcu控制模块14有三项功能：一是接收zigbee模块15传输过来的控制命令；二是控制同步模块9和自检模块16进行信号同步及自检；三是接收信号调理模块12和相位测量模块13传输来的信号以确定互感电流值和互感电压电流相位差，并将电流值和相位差传输给zigbee模块15；
zigbee模块15互感电流值和互感电压电流相位差发送给无线接地电阻测试仪的zigbee模块5进行后续计算；同时接收无线接地电阻测试仪发送过来的控制指令，对互感器的mcu控制模块14进行相关控制；
自检模块16在收到mcu控制模块14的电流自检或电压自检的信号后通过控制电压互感器10和电流互感器11的开闭对电压互感器10和电流互感器11进行自检，以保证测量精度。
本发明的基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统，运用无线传输的方式将信号源产生的激励采用高速数字电路的延时线设计进行信号同步后传送至钳型互感器，并将互感器测得的感应电流通过无线的方式传送回接地电阻测试仪进行计算。最终将测量的相关信息通过gprs发送给中心监控计算机，完成对一个杆塔的接地电阻的测量。本发明使用基于无线信号源的免解线测量法测量接地电阻，不仅达到了测量的精度要求，还解决了有线测量时取夹互感器操作繁琐以及长导线不便于携带的问题。
本发明的基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统包括一个无线接地电阻测试仪和四个互感器，使用时，四个互感器夹在输电杆塔的四个接地引下线上，无线接地电阻测试仪放于输电杆塔底部中间位置，无线接地电阻测试仪与互感器之间通过无线信号传输。
进一步的，同步模块9负责不同互感器之间的同步，如图3所示，同步模块9包括功率放大模块901、信号选择模块902、过零检测模块903和延迟模块904，其中：
功率放大模块901负责将调频接收机模块8解调后的信号进行两种不同程度的幅值放大，并交由信号选择模块902选择电路中选用哪种幅值的信号；
信号选择模块902负责为系统的信号通道选择合适幅值的信号，以便进行幅值的测量；
过零检测模块903负责将信号由负变正的过零点检测出来，并在检测出第十个(可任意选取，以减小误差)过零点后向控制核心模块17发送一个标记t，由此控制核心模块17可得四个互感器信号之间过零点的时间差δt；
此时控制核心模块17即可算出要保持同步另外三个互感器部分的信号要延时的长度，并将其传送至延迟模块904；
延迟模块904在确定了由控制核心模块17传送过来的延时长度后，负责将信号选择模块902传输过来的模拟量信号转为数字信号通过由fifo存储器构成的延迟线电路进行延迟，使得四个互感器的信号同步，再将其转化为模拟信号传送至电压互感器模块10进行测量；
本发明中，延迟模块904负责将模拟信号进行一定程度的延时，如图4所示，延迟模块904包括a/d模块9041、fifo模块9042、cpld模块9043和d/a模块9044，其中：
a/d模块9041负责将信号选择模块902传输的模拟信号转变为数字信号，并送入fifo模块9042中。可选取analogdevice公司的ad6645，ad6645是高速、高性能、单片集成的14位模/数转换芯片，采样速率为80mhz或105mhz；
fifo模块9042在cpld模块9043写时序的控制下依次写入fifo存储器进行缓存，大容量fifo芯片采用idt公司的idt72v360，该芯片存储容量为13l072×36bit，输入和输出口可根据需要设置为9、18、36位宽，该芯片带空、满、半满以及可编程设置的空、满标志引脚，并且可灵活扩展存储深度和宽度，最高可达166mhz的工作时钟频率；
cpld模块9043在所要求的延迟时间到达时，发出读时序信号给fifo模块9042，从而输出数字信号送至d/a模块9044，可编程逻辑器件芯片(cpld)采用lattice公司的ispmach4000系列lc4128v75t100，其最高工作频率400mhz；
d/a模块9044负责将fifo模块9042输出的数字信号转变为模拟信号以驱动电压互感器10，可选取analogdevice公司的ad9754，转换速率125mhz，分辨率14bit，ad9754内部集成了可控放大器，能够输出2～20ma的电流，并可灵活的配置为单端或差分输出方式。
优选的，如图5所示，调频接收机模块8包括高频信号放大器801、锁相环802和低通滤波器803，其中：
高频信号放大器801负责将调频信号放大，并送入锁相环802中；
锁相环802在接收到高频信号放大器801放大后的信号后进行信号解调输出工作；
锁相环802包括鉴相器8021、压控振荡器8022和跟随器8023；
低通滤波器803负责将鉴相器8021鉴相后所获得的相位误差电压滤掉高频成份，从而获得随调制信号频率变化而变化的信号；
鉴相器8021负责将高频信号放大器801放大后的信号与压控振荡器8022的输出鉴相获得变化的相位误差电压，并将其送入低通滤波器803；
压控振荡器8022接收经低通滤波器803处理后的随调制信号频率变化而变化的信号，并将输出送入鉴相器8021中；
跟随器8023接收经低通滤波器803处理后的随调制信号频率变化而变化的信号，经处理后得到所需的解调信号。
本发明中，调频波经过高频信号放大器801放大后，送入锁相环802中。在锁相环802中，调频波与压控振荡器8022的输出被送入鉴相器8021，经鉴相获得变化的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器803被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器8023得到解调信号，从而实现了解调过程。
另一方面，本发明还提供一种基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统的检测方法，包括：
步骤1：将互感器的各对电压互感器和电流互感器按同名端方向一致的方式夹在接地引下线上；
步骤2：无线接地电阻测试仪发出指令使激励信号发生模块3和参考电压信号发生模块产生相应的正弦电压信号，正弦电压信号经过信号放大和功率放大后通过调频发射机模块4进行调频；
步骤3：调频交流信号被调频接收机模块8解调后传入同步模块9进行同步；
步骤4：令互感器的mcu控制模块14发出自检指令，设备根据指令不同分别关闭电压互感器和电流互感器从而实现自检；
步骤5：同步后的信号驱动电压互感器10，并将此电压信号感应至接地引下线；
步骤6：由电流互感器11感应接地引下线中的电流，经过信号调理后传入传感器的mcu控制模块14，同时相位测量模块13将互感电压电流的过零点检测出来传到mcu控制模块14；
步骤7：mcu控制模块14计算出互感电流以及互感电压电流的相位差，并将相位差和电流信息经由zigbee模块15传回杆塔接地电阻测试仪中；
步骤8：在杆塔接地电阻测试仪内部，控制核心模块2将该电流信息和相位信息进行一系列处理分析，按照公式1求解方程得出接地电阻阻抗值；
步骤9：若计算后的自检的结果符合要求，即可进行正常测量，通过控制互感器上的信号幅值和频率，重复步骤7和步骤8。
本发明的基于无线信号源的分布式接地电阻检测系统的检测方法，运用无线传输的方式将信号源产生的激励采用高速数字电路的延时线设计进行信号同步后传送至钳型互感器，并将互感器测得的感应电流通过无线的方式传送回接地电阻测试仪进行计算。本发明使用基于无线信号源的免解线测量法测量接地电阻，不仅达到了测量的精度要求，还解决了有线测量时取夹互感器操作繁琐以及长导线不便于携带的问题。
进一步的，检测方法还可以包括：
步骤10：无线接地电阻测试仪将相关测量信息通过gprs模块发送至中心监控计算机，并将数据存储。
本发明中：
(1)采用调频方式传输互感电压，调频方式传输为本发明的重点。无线接地电阻测试仪的调频发射机模块将激励发生模块产生的电压通过调频处理发送至互感器部分。由于调制后激励信号被调制到高频，调制信号经过调制接收机间的距离耗时很短，调制信号抵达四个互感器时产生的相位差可以忽略不计，激励信号仍可被视为同时到达输电杆塔四个接地引线处的互感器部分。而互感器部分的调频接收机模块负责接收无线接地电阻测试仪部分调频发射机模块发送出的调频后的电压，将其转化成合适的电压后送入电压互感器模块。
(2)信号同步是如何实现调频方式传输的难点所在，对于保持不同互感器之间的信号同步，本发明采用高速数字电路的延时线设计进行信号延时。
由互感器部分的过零检测模903将信号由负变正的过零点检测出来，并在检测出第十个过零点(可任意选择以减小误差)后向控制核心模块17发送一个标记t。由此控制核心模块17可得四个互感器信号之间过零点的时间差δt1，δt2，δt3。因此控制核心模块17即可算出要保持同步另外三个互感器部分的信号要延时的长度t1，t2，t3，并将这三个长度值传送至延迟模块904。延迟模块904在确定了由控制核心模块17传送过来的延时长度后，将信号选择模块902传输过来的模拟量信号转为数字信号通过由fifo存储器构成的延迟线电路进行延迟，使得四个互感器的信号同步，再将其转化为模拟信号传送至电压互感器模块10进行测量。采用延时线设计后可以通过负反馈来控制两个信号的同步。
(3)采用高速数字电路的延时线设计进行信号延时，原理为高频模拟信号进入a/d模块9041转换为数字信号，在cpld模块9043写时序的控制下依次写入fifo模块9042进行缓存，当所要求的延迟时间到达时，cpld模块9043发出读时序信号给fifo模块9042，从而输出数字信号送d/a模块9044恢复原始的模拟信号。输出的模拟信号除相位与输入模拟信号不同外，幅度和频率都相同。用这种方式可以很好的解决调频后信号不同步的问题。
(4)调频后的交流信号被调频接收机解调后驱动互感器。调频信号经过高频信号放大器放大后，送入锁相环中。在锁相环中，调频波与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相获得变化的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，并用该解调信号驱动互感器。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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