基于無(wú)線傳輸技術(shù)的接地導(dǎo)通測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)

王海歐，白金泉，陳群鋒，陳行曉

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州311232）

基于無(wú)線傳輸技術(shù)的接地導(dǎo)通測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)

王海歐，白金泉，陳群鋒，陳行曉

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州311232）

為提高變電站接地電阻檢測(cè)工作的效率和安全性，需對(duì)現(xiàn)有接地導(dǎo)通測(cè)試儀的工作模式加以改進(jìn)。不同于傳統(tǒng)的一體式設(shè)計(jì)，研發(fā)的分離式接地導(dǎo)通測(cè)試儀，在設(shè)計(jì)中通過(guò)功能劃分將測(cè)量和控制分離開(kāi)，由測(cè)量裝置負(fù)責(zé)接地電阻的測(cè)量，由控制裝置利用無(wú)線傳輸技術(shù)完成對(duì)測(cè)量部分的啟?？刂坪蜏y(cè)量結(jié)果的傳輸、存儲(chǔ)等。測(cè)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)了單人操作，可有效降低測(cè)量過(guò)程中因信息傳遞不暢帶來(lái)的安全隱患，提高了測(cè)量工作效率及安全性。

接地導(dǎo)通測(cè)試儀；射頻識(shí)別；電子標(biāo)簽；逆變器；無(wú)線收發(fā)器

0 引言

接地網(wǎng)在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，可保證中性點(diǎn)電位不發(fā)生偏移；在系統(tǒng)故障時(shí)，可保證人身和設(shè)備的安全。為了確保電力設(shè)備的安全運(yùn)行，需將電力設(shè)備通過(guò)接地引下線與地網(wǎng)連接。由于接地引下線埋設(shè)于土中，時(shí)間一長(zhǎng)往往出現(xiàn)銹蝕等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其與接地電網(wǎng)之間電阻增大，在發(fā)生故障時(shí)，無(wú)法及時(shí)將大的故障電流導(dǎo)入接地電網(wǎng)，使得電力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中存在安全隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懭松?、電網(wǎng)以及設(shè)備的安全。因此，需要定期對(duì)電力設(shè)備的接地電阻進(jìn)行測(cè)量，確保其符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]。

變電站中一般都會(huì)定期采用接地導(dǎo)通測(cè)試儀對(duì)整個(gè)變電站電力設(shè)備的接地情況進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程通常需要1名主測(cè)量人員和1名輔助測(cè)量人員。測(cè)量前，由輔助測(cè)量人員攜帶線纜前往各個(gè)被測(cè)點(diǎn)并將線纜與設(shè)備的接地引下線連接好，之后通知主測(cè)量人員開(kāi)啟接地導(dǎo)通測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，并在記錄表上填寫測(cè)得的數(shù)值。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，主測(cè)量人員需要不斷告知輔助測(cè)量人員檢測(cè)點(diǎn)的名稱，并經(jīng)輔助測(cè)量人員尋找、核對(duì)再進(jìn)行測(cè)量，因此檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)、費(fèi)力。另外，測(cè)量過(guò)程中，因距離較遠(yuǎn)可能導(dǎo)致信息傳遞不暢，發(fā)生輔助測(cè)量人員未準(zhǔn)備好、而主測(cè)量人員誤開(kāi)啟測(cè)量電路，進(jìn)而對(duì)輔助測(cè)量人員的人身安全造成一定威脅。針對(duì)上述情況，在傳統(tǒng)接地導(dǎo)通測(cè)試儀的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)線傳輸技術(shù)并可由單人操作的改進(jìn)型接地導(dǎo)通測(cè)試儀，可大大提高工作效率并降低危險(xiǎn)系數(shù)。

1 接地導(dǎo)通測(cè)試儀總體結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型接地導(dǎo)通測(cè)試儀主要由3部分構(gòu)成（見(jiàn)圖1）：接地導(dǎo)通測(cè)量裝置，由其產(chǎn)生測(cè)量用的電流；移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置，為整個(gè)測(cè)量過(guò)程的控制器；電子標(biāo)簽，每個(gè)設(shè)備的引下線對(duì)應(yīng)一個(gè)電子標(biāo)簽，并具有唯一的ID。

圖1 接地導(dǎo)通測(cè)試儀主要結(jié)構(gòu)

接地導(dǎo)通測(cè)試儀的工作原理如下：測(cè)量前，先將整個(gè)變電站分為若干個(gè)區(qū)塊，并在每個(gè)區(qū)塊設(shè)立1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)為每個(gè)需要測(cè)量的電力設(shè)備接地引下線安裝電子標(biāo)簽。測(cè)量開(kāi)始時(shí)，先在參考點(diǎn)將接地導(dǎo)通測(cè)試儀的測(cè)量裝置連接好，測(cè)試人員將線纜拉至待檢測(cè)點(diǎn)并按要求連接，用移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置讀取檢測(cè)點(diǎn)的電子標(biāo)簽的ID，再通過(guò)遠(yuǎn)程控制接地導(dǎo)通測(cè)量裝置開(kāi)啟測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，接地導(dǎo)通測(cè)量裝置將測(cè)得的接地電阻值發(fā)送給移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置進(jìn)行存儲(chǔ)。

2 接地導(dǎo)通測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的接地導(dǎo)通測(cè)試儀通常將測(cè)量部分和控制顯示部分集成在1個(gè)裝置上，再配合線夾來(lái)完成測(cè)量，因而測(cè)量過(guò)程中耗時(shí)、費(fèi)力。下面設(shè)計(jì)的分離式接地導(dǎo)通測(cè)試儀將測(cè)量部分和控制顯示部分分別部署在2套裝置上。測(cè)量裝置完成與控制顯示裝置的數(shù)據(jù)通信以及測(cè)量功能，控制顯示裝置完成與測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示、電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取以及與后臺(tái)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

2.1 接地導(dǎo)通測(cè)量裝置

由于變電站的場(chǎng)地較大，接地導(dǎo)通測(cè)量裝置如果采用交流輸入，將會(huì)影響測(cè)量裝置的靈活性。高頻鏈逆變技術(shù)的不斷成熟完善，為充電式逆變器的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，使逆變器得以擺脫以往既大又笨重的缺點(diǎn)。

高頻鏈逆變技術(shù)主要分為DC/DC變換型和周波變換型2類[2]。由于高頻鏈周波變換型具有級(jí)數(shù)少、功率可雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此一般采用該結(jié)構(gòu)的逆變器，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高頻鏈逆變器電路結(jié)構(gòu)

由于在逆變控制過(guò)程中涉及到PWM（脈寬調(diào)制）模塊驅(qū)動(dòng)以及在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)需要進(jìn)行FFT（快速傅里葉）變換，對(duì)處理芯片的計(jì)算能力要求較高，因此選用了TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A[3]。該芯片是16位的MPU（微處理單元），采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3 V，并且有高達(dá)32K字的Flash程序存儲(chǔ)器，2.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字雙端口RAM（DARAM），2K字的單口RAM（SARAM）。另外，該芯片有多達(dá)41個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用I/O腳（GPIO），用戶可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行軟件設(shè)置。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制接地導(dǎo)通測(cè)量裝置進(jìn)行接地電阻的測(cè)量，需要借助無(wú)線傳輸技術(shù)，這里采用nRF905無(wú)線收發(fā)模塊（PTR8000+）。nRF905是挪威Nordik公司推出的單片射頻收發(fā)器芯片，其工作電壓為1.9～3.6 V，工作在433/868/915 MHz頻段，433 MHz開(kāi)放ISM頻段免許可使用，發(fā)射速率50 KBPS。同時(shí)，為了管理DSP和nRF905以及其他外設(shè)，采用了TI公司的MSP430單片機(jī)。MSP430是TI公司新推出的16位系列低功耗單片機(jī)，其工作電壓為1.8～3.6 V，正常工作時(shí)功耗可控制在200 μA左右，低功耗模式時(shí)可實(shí)現(xiàn)2 μA甚至0．1 μA的低功耗。采用MSP430+nRF905的組合特別適合低功耗、短距離（100～200 m）、小數(shù)據(jù)量的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[4]。整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置

隨著無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)式控制設(shè)備的應(yīng)用成為可能，也為接地導(dǎo)通測(cè)量參考點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)距離過(guò)遠(yuǎn)問(wèn)題提供了解決方案。以下介紹的移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置正是基于單片機(jī)和無(wú)線傳輸模塊的應(yīng)用，該裝置采用MSP430+nRF905的組合來(lái)完成相關(guān)的控制和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 接地導(dǎo)通測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

測(cè)量前在每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)安裝了電子標(biāo)簽（M1 S50電子標(biāo)簽），每個(gè)電子標(biāo)簽有唯一的32位序列號(hào)。為便于在測(cè)量時(shí)讀取這些電子標(biāo)簽的ID，采用了NXP公司的MFRC522芯片。MFRC522是采用13.56 MHz的非接觸式讀寫卡芯片[5]，利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，支持ISO14443A的多層應(yīng)用。它與主機(jī)間的通信采用連線較少的串行通信，選取SPI，I2C或串行UART模式。移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置結(jié)構(gòu)

MSP430單片機(jī)除了通過(guò)nRF905完成與測(cè)量裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)通信以及通過(guò)MFRC522讀取電子標(biāo)簽的ID外，還需要借助LCD顯示器、按鍵等外設(shè)來(lái)完成相關(guān)的人機(jī)交互和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

3 接地導(dǎo)通測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)接地導(dǎo)通測(cè)試儀主要由2個(gè)單片機(jī)和1個(gè)DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）組成，其中DSP主要完成電源的逆變控制和數(shù)據(jù)的相關(guān)處理。2個(gè)單片機(jī)的相關(guān)軟件流程見(jiàn)圖5。

圖5 單片機(jī)軟件流程

位于接地導(dǎo)通測(cè)量裝置上的單片機(jī)主要工作流程為：在收到移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置發(fā)送的測(cè)量開(kāi)始指令后，由其向DSP發(fā)送開(kāi)始工作的指令，當(dāng)測(cè)量結(jié)束后讀取DSP發(fā)送來(lái)的測(cè)量值，再通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送給移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置。

移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置主要工作原理為：將線夾連接上待測(cè)點(diǎn)的接地引下線后，用移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置讀取待測(cè)點(diǎn)的電子標(biāo)簽ID，然后發(fā)送控制指令給接地導(dǎo)通測(cè)量裝置，讓其開(kāi)啟接地電阻測(cè)量電路，測(cè)量結(jié)束后接收接地導(dǎo)通測(cè)量裝置發(fā)送來(lái)的接地電阻數(shù)值并進(jìn)行存儲(chǔ)。

測(cè)量結(jié)束后，為了對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理，利用VB和Access開(kāi)發(fā)后臺(tái)桌面應(yīng)用[6，7]。該桌面軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：讀取移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置內(nèi)的數(shù)據(jù)，同時(shí)利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；將測(cè)得的數(shù)據(jù)按一定格式生成報(bào)表，并可根據(jù)多次測(cè)量結(jié)果繪制數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖表。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)接地導(dǎo)通測(cè)量過(guò)程中的一系列不足，設(shè)計(jì)了分離式接地導(dǎo)通測(cè)試儀。整個(gè)測(cè)量過(guò)程由單人通過(guò)手持移動(dòng)式接地導(dǎo)通控制裝置進(jìn)行控制，避免了因人員信息交流不暢所帶來(lái)的問(wèn)題。同時(shí)，利用RFID技術(shù)完成對(duì)設(shè)備電子標(biāo)簽的識(shí)別，不再需要人工進(jìn)行核實(shí)，可大大提高工作效率以及操作的安全性。

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（本文編輯：方明霞）

Research and Design of Grounding Conduction Tester Based on Wireless Transmission Technology

WANG Haiou，BAI Jinquan，CHEN Qunfeng，CHEN Xingxiao
（State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company，Hangzhou 311232，China）

In order to improve the efficiency and safety of substation grounding resistance detection in substation,the working mode of the existing grounding conduction tester should be improved.Compared with the traditional one-piece design，the isolated grounding conductor tester separates measurement with control in design.The measurement unit measures the grounding resistance，and the control unit takes charge of startup and shutdown of the measurement part as well as transmission and storage of the measurement result via wire less transmission technology.This design enables one-man operation and can reduce safety risks due to blocked information transmission during measurement，and improves efficiency and safety of measurement.

grounding conduction tester；RFID；electronic tag；inverter；wireless transceiver

10.19585/j.zjdl.201705002

1007-1881（2017）05-0005-03

TM934.15

A

2017-01-16

王海歐（1982），男，工程師，從事變電運(yùn)維工作。