楊偉財,莊麗燕
(泉州億興電力工程建設(shè)有限公司豐澤配電分公司,福建 泉州 362008)
0 引 言
由于我國高壓線路多、分布廣泛且所在位置地形復(fù)雜,年度檢修任務(wù)十分繁重[1]。對于平行分布的雙回線路,通常采用輪停方法進(jìn)行檢修,導(dǎo)致被檢修線路的感應(yīng)電流較大,因此檢修時需要大量的接地線[2]。傳統(tǒng)接地線在使用過程中主要依賴作業(yè)人員的主觀判斷,如果人為工作疏忽導(dǎo)致漏拆、漏報接地線的情況,操作時系統(tǒng)無法及時感知閉鎖,則極可能導(dǎo)致惡性誤操作[3-5]。針對傳統(tǒng)接地線在使用時存在的不便和拆除時存在的安全隱患,設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能接地從機裝置,實現(xiàn)接地裝置的信息化和數(shù)字化。裝置內(nèi)部采用ESP32 控制芯片采集掛接信號和電流信號,該芯片具備藍(lán)牙模塊,可通過藍(lán)牙與主機裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主機裝置通過4G 通信模塊將掛接數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器,工作人員可在云服務(wù)器在線實時查看接地線的狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)掛接過程中的異常狀態(tài)。
1 樣機結(jié)構(gòu)
基于物聯(lián)網(wǎng)的線路型智能接地從機裝置的結(jié)構(gòu)與功能模塊如圖1 所示。

圖1 智能接地從機裝置的結(jié)構(gòu)與功能模塊
該接地裝置的接地夾采用雙舌型設(shè)計,接地的導(dǎo)線掛接正常時需固定在導(dǎo)線卡槽內(nèi)。行程開關(guān)采用機械式行程開關(guān),固定在接地夾頂部。當(dāng)需要接地的導(dǎo)線到達(dá)導(dǎo)線卡槽時,行程開關(guān)閉合。行程開關(guān)通過電氣連接線連接到裝置內(nèi)部的從機中央處理器模塊。從機中央處理器模塊是裝置的核心部分,安裝于鋁殼內(nèi)。鋁殼內(nèi)還包括連接導(dǎo)線、漏電流傳感器、接線端子和電池。鋁殼上蓋為可拆卸上蓋,方便工作人員對中央處理模塊進(jìn)行檢查和維修。鋁殼下蓋有一個連接導(dǎo)線過孔,連接導(dǎo)線通過此過孔連接到鋁殼。鋁殼、連接導(dǎo)線通過接線端子安裝在接地夾上,實現(xiàn)等電位連接。連接導(dǎo)線上裝有漏電流傳感器,并與從機中央處理器模塊電氣連接。電池安裝于鋁塊內(nèi)部,用于為中央處理器模塊供電,可采用通用串行總線(Universal Serial Bus,USB)充電方式。
2 工作原理
本設(shè)計通過對傳統(tǒng)的接地線進(jìn)行數(shù)字化、智能化改造,其工作流程如圖2 所示。

圖2 工作流程
在進(jìn)行接地操作時,需要先進(jìn)行接地裝置的自檢。若自檢過程中出現(xiàn)異常情況,則觸發(fā)中央處理器的聲光報警模塊,發(fā)出報警信號,提醒工作人員檢查接地裝置是否正常工作。只有確認(rèn)接地裝置可以正常工作后,才能進(jìn)行接地操作。
當(dāng)需要接地的線路帶電時,漏電流傳感器會檢測到電流,觸發(fā)中央處理器的聲光報警模塊,發(fā)出報警信號,提醒現(xiàn)場工作人員不要進(jìn)行檢修作業(yè),而是重新檢查線路并進(jìn)行分閘操作,使線路掉電。當(dāng)線路不帶電時,通過行程開關(guān)的信號判斷接地線的掛接狀態(tài)。如果需要接地的線路未觸發(fā)行程開關(guān),則觸發(fā)中央處理器模塊中的聲光報警模塊,發(fā)出報警信號,提醒工作人員檢查接地夾子的緊固程度,確保接地的可靠性。
從機通過從機中央處理器模塊將檢測到的信號通過ESP32 控制芯片中的藍(lán)牙模塊發(fā)送至主機。主機中央處理器模塊將實時記錄主機檢測的信號與從機所發(fā)送的數(shù)據(jù),并通過主機中央處理器模塊的4G 通信模塊上傳到云服務(wù)器。云服務(wù)器可以在線實時顯示接地線的狀態(tài)。
3 樣機電路設(shè)計
基于物聯(lián)網(wǎng)的線路型智能接地從機裝置的中央處理器模塊采用ESP32 芯片,集成藍(lán)牙模塊、傳感器模塊、電源模塊等。ESP32 芯片具有大量可用的通用輸入輸出(General Purpose Input Output,GPIO)引腳,同時集成了電源引腳和接地引腳等,如圖3 所示。藍(lán)牙模塊的使用需要通過軟件編程實現(xiàn)。

圖3 控制芯片電路
USB 轉(zhuǎn)串口下載模塊電路如圖4 所示。通過USB 串口可以實現(xiàn)對控制芯片的程序下載和對電池充電。

圖4 USB 轉(zhuǎn)串口下載模塊電路
漏電流傳感器模塊包括采樣電路與電平轉(zhuǎn)換電路,如圖5 所示。采樣電路使用BL0942 電能計量芯片,通過采樣電阻與電阻-電容(Resistor-Capacitance,RC)低通濾波器進(jìn)行電流采樣。

圖5 漏電流傳感器模塊電路
電源模塊包括鋰電池充電電路與3.3 V供電電路,如圖6 所示。

圖6 電源模塊電路
聲光報警模塊的用戶指示燈電路如圖7 所示。選用DTC043Z 系列NPN 晶體管作為發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)控制開關(guān)。

圖7 用戶指示燈電路
4 實際應(yīng)用效果分析
基于物聯(lián)網(wǎng)的智能接地從機裝置印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB) 的3D 效果如圖8所示。

圖8 PCB 板3D 效果
所設(shè)計從機裝置的指示面板和內(nèi)部裝配如圖9所示。

圖9 從機裝置面板與裝配圖
與主機通信時,從機指示燈面板上的紅燈表示掛接狀態(tài),綠燈表示電流狀態(tài),藍(lán)燈表示電量狀態(tài),黃燈表示聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。常亮代表數(shù)據(jù)正常,閃爍代表數(shù)據(jù)故障,一般指電壓值過低、電流值過大、掛接無效等故障;常滅代表數(shù)據(jù)異常,指數(shù)據(jù)無法采集,無法讀取到掛接狀態(tài)等。
基于物聯(lián)網(wǎng)的智能接地從機裝置的設(shè)備運行過程數(shù)據(jù)信息如圖10 所示。

圖10 設(shè)備運行過程的數(shù)據(jù)信息
從機開機后進(jìn)入待機狀態(tài),等待按鍵按下時,系統(tǒng)開始正常工作。主機與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接后,開始搜索從機信號。當(dāng)從機信號被成功連接后,主機通過藍(lán)牙通信方式獲取從機的掛接狀態(tài)、漏電流、電池電量等信息。通過整合主機數(shù)據(jù)包、從機數(shù)據(jù)包構(gòu)成完整的心跳包與服務(wù)器建立聯(lián)系,從而實現(xiàn)對線路的在線監(jiān)控,提高線路檢修的安全性和可靠性。
5 結(jié) 論
針對高壓接地線路檢修時傳統(tǒng)接地裝置可靠性不足和易誤操作等問題,設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的智能接地從機裝置。為避免工作人員作業(yè)誤掛、漏掛接地線引起的事故,采用藍(lán)牙通信方式實現(xiàn)與主機裝置之間的數(shù)據(jù)通信,保障工作人員的安全。該智能接地裝置具有操作簡單、靈敏度高、可靠性好以及成本低廉等特點,有利于推廣使用,對于保障工作人員的人身安全和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義。