基于物聯(lián)網(wǎng)的臨時用電接地監(jiān)測裝置設(shè)計

葉宇豪 劉之涵 唐 瑭 汪天允 張臻哲

（國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210011）

0 引言

在電力建設(shè)過程中，施工臨時用電是一個貫穿工程始末的重要元素，其帶來的安全風(fēng)險不容忽視。在建設(shè)管理的過程中，通常需要重點檢查電纜接線是否正確可靠、是否實現(xiàn)“一機一閘一保護”、是否標(biāo)注出線設(shè)備名稱、是否做好防火封堵、箱體是否上鎖、是否實現(xiàn)可靠接地保護等方面的內(nèi)容[1]。

在施工現(xiàn)場三級配電體系中，一級配電箱位置固定，二級配電箱位置相對固定，而三級配電箱則由于各種作業(yè)需要呈現(xiàn)分布隨機、數(shù)量眾多、形式多樣、移動頻率高等特點，這就使得存在的問題不易被及時發(fā)現(xiàn)，為現(xiàn)場的管理工作帶來了諸多困難與挑戰(zhàn)。由于作業(yè)面缺少可靠接地體、施工作業(yè)人員安全意識淡薄、配電箱頻繁移動導(dǎo)致線材損壞等原因，配電箱經(jīng)常失去可靠的接地保護，帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險[2]。為此，需要設(shè)計一種可以實時監(jiān)測配電箱接地狀態(tài)的裝置，且能夠及時提醒管理人員該配電箱所處的位置，以便迅速處置險情，消除隱患。

基于上述問題及需求，本文從整體方案設(shè)計、傳感器方案設(shè)計、無線傳輸方案設(shè)計、程序邏輯設(shè)計四方面出發(fā)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的臨時用電接地監(jiān)測裝置，具有節(jié)能、高效、方便安裝等特征，能夠有效提高施工管理人員工作效率，滿足工程管理需要。

1 整體方案設(shè)計

根據(jù)三級配電箱常見的形態(tài)，設(shè)計了本裝置的整體方案，如圖1所示。

圖1 整體方案設(shè)計圖

該裝置包括裝置主體、太陽能面板、磁吸面板、電阻傳感器、電流傳感器等。裝置主體內(nèi)包含了用于通信的無線傳輸模塊、用于定位的GPS模塊、用于現(xiàn)場警示的聲光報警模塊、用于供電的蓄電池，裝置主體正面為太陽能面板、操作面板與顯示屏，背部為磁吸面板。

其中，太陽能面板能夠為蓄電池充電，以實現(xiàn)裝置的無源運行，降低設(shè)備生命周期成本；背部的磁吸面板使得裝置能夠吸附固定于配電箱表面，方便實現(xiàn)穩(wěn)定的安裝；電阻傳感器用于測量配電箱接地體接地電阻的大小，以判斷配電箱是否有效接地；電流傳感器用于檢測配電箱進線電纜上的電流情況，從而判斷連接于配電箱的設(shè)備是否處于運行中。

2 傳感器方案設(shè)計

利用傳感器實現(xiàn)對配電箱相關(guān)電信號的采集，主要包括對電流與電阻數(shù)值的獲取。

首先，針對進線電纜上的電流數(shù)值測量，業(yè)界通常采用的檢測工具是鉗形電流表，其工作原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，當(dāng)被測電流沿軸線通過鉗表中心時，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場，經(jīng)過處理后即可得到與一次電流成正比的輸出電壓。相較于電流互感器而言，這是一種不破壞原有導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效便捷測量方案。

在本設(shè)計中，電流數(shù)值僅作為觸發(fā)信號，并不需要測得實際值，對傳感器的精度要求較低。同時綜合考慮成本因素與可操作性，上述基本功能可以通過一個羅氏線圈外加相應(yīng)的調(diào)制電路實現(xiàn)[3]。羅氏線圈不含鐵磁性材料，無磁滯效應(yīng)，無磁飽和現(xiàn)象，且尺寸極小，安裝簡單方便，能夠很好地滿足設(shè)計需要，系統(tǒng)整體設(shè)計量程為0～50 A即可滿足設(shè)備運行要求。

其次，針對接地電阻數(shù)值的測量，在施工現(xiàn)場常用的是三點測量法與鉗表測量法。其中，三點測量法需要在被測接地體以外安裝一個輔助接地極與探測電極，在輔助接地和被測接地體之間加上電流，測量被測接地體和探測電極間的電壓降，從而獲得接地電阻數(shù)值。

但是由于需要安裝額外的接地極，三點測量法無法滿足本設(shè)計對便攜性與實用性的需求，故考慮鉗表測量法[4]。該方法無須借助額外的接地極，使用方法與鉗形電流表類似，其鉗上有獨立的電壓線圈與電流感應(yīng)線圈，測量時電壓線圈在被測回路中激勵出一個感應(yīng)電動勢E，被測回路中因此產(chǎn)生相應(yīng)的回路電流I，且符合如下關(guān)系：

式中：RX為接地電阻；RZ為導(dǎo)線電阻。

由于RZ遠(yuǎn)小于RX，故可忽略不計，則有：

使用鉗表測量法的前提是存在與被測接地體并聯(lián)的可靠接地連接，由于三級配電箱中的接地線取自三相五芯電纜，該接地線已在一級與二級配電箱處實現(xiàn)了可靠接地，因此該測量方法適用于本設(shè)計。就本設(shè)計而言，采用一組電壓線圈與羅氏線圈，配合相應(yīng)的調(diào)制電路即可實現(xiàn)接地電阻的測量功能。

3 無線傳輸方案設(shè)計

為了實現(xiàn)及時通知建設(shè)管理人員，本設(shè)計采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)報警信息的無線傳輸[5]，以取代單純的聲光報警與難以適應(yīng)現(xiàn)場要求的有線傳輸。

當(dāng)前主流的物聯(lián)網(wǎng)解決方案包括藍牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa、NB-IoT，考慮到在實際的工程中，三級配電箱數(shù)量眾多，且傳輸距離較遠(yuǎn)，因此可以排除傳輸距離較近的藍牙與Wi-Fi技術(shù)。故需要在上述方案的后三者中進行選擇，接下來對三者展開對比分析。

首先是ZigBee技術(shù)，這是一種低功耗、低速率、低時延的無線通信技術(shù)，同時具有網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點。其主要缺點則包括其相關(guān)芯片與外圍器件成本較高、2.5 GHz頻率帶來的通信穩(wěn)定性較差，穿越障礙能力較弱。

其次考慮LoRa技術(shù)，這是一種低功耗、長距離的無線通信技術(shù)，同時具有成本低、組網(wǎng)節(jié)點多、抗干擾性強等優(yōu)點。但是該技術(shù)的缺點也是比較顯著的，用戶在布設(shè)LoRa的過程中需要自己組建網(wǎng)絡(luò)，這無疑提高了使用門檻；而且隨著LoRa設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署不斷增多，頻譜之間的相互干擾問題也愈漸突出。

最后分析NB-IoT技術(shù)，這是一種低功耗、廣覆蓋、終端接入量大的無線通信技術(shù)，同時NB-IoT無須重新建網(wǎng)，支持在現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)上進行改造，原有的射頻與天線也能夠復(fù)用，因而有效降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。在缺點方面，雖然NB-IoT本身的硬件成本較低，但由于依托于運營商網(wǎng)絡(luò)，需要持續(xù)向運營商支付費用，提高了設(shè)備的運營成本。

綜合上述分析，可總結(jié)出這三種技術(shù)方案的特點，對比如表1所示。

表1 無線傳輸技術(shù)方案表

接下來考慮本設(shè)計實際的需求。由于問題發(fā)生后需要建設(shè)管理人員督促施工人員及時整改，并不需要設(shè)備的瞬時動作與響應(yīng)，因此對于無線傳輸技術(shù)的時延要求并不高。該裝置回傳的信息主要包括故障狀態(tài)與接地故障所在位置，信息量較少，因此對傳輸速度與數(shù)據(jù)量也無較高要求。

本裝置主要應(yīng)用于工程建設(shè)場景，工況具有較強的不確定性，施工現(xiàn)場障礙物較多，因此對通信的穩(wěn)定性、可靠性要求較高。同時由于建設(shè)項目的特殊性，本裝置具有較強的流動性，因此自行組網(wǎng)的可操作性較低，而利用現(xiàn)有的運營商基站與網(wǎng)絡(luò)能夠很好地滿足上述需要，能夠有效降低整套裝置的建設(shè)成本。

經(jīng)過綜合比對與分析，可以確認(rèn)選用NB-IoT作為本設(shè)計的無線傳輸技術(shù)方案。

4 程序邏輯設(shè)計

本裝置的參數(shù)設(shè)置及開關(guān)機控制均可通過遠(yuǎn)程指令完成，且均可在裝置運行的任意時刻進行參數(shù)修改及關(guān)機指令發(fā)布。程序邏輯流程圖如圖2所示。

圖2 程序邏輯流程圖

本裝置采用節(jié)能化設(shè)計，除應(yīng)用太陽能面板進行供電以外，在運行程序邏輯方面也做出了優(yōu)化設(shè)計。在開機后，本裝置首先進入低功耗待機模式，并不執(zhí)行對接地電阻的監(jiān)測操作，而是持續(xù)監(jiān)測電流傳感器上的電流信息，當(dāng)三級配電箱所連接的用電器開始工作時，進線電纜上的電流信號即可被本裝置監(jiān)測到，此時程序?qū)与娮鑲鞲衅髂K，進入接地電阻監(jiān)測階段。在電流監(jiān)測階段所需設(shè)定的參數(shù)主要為電流監(jiān)測閾值，該數(shù)值應(yīng)當(dāng)通過現(xiàn)場所接用電設(shè)備中最小的額定電流值確定。

同樣為了提高節(jié)能水平，在接地電阻監(jiān)測階段采用了周期性采樣監(jiān)測的方法，即每隔一段預(yù)定的時間周期執(zhí)行一次接地電阻值的監(jiān)測。當(dāng)所測得的電阻值大于所預(yù)設(shè)的閾值時，可以認(rèn)為該三級配電箱未實現(xiàn)可靠的接地保護，此時啟動聲光報警功能，同時將報警信息無線傳輸至管理人員終端，上述報警持續(xù)至接地電阻值恢復(fù)正常。在接地電阻監(jiān)測階段所需要設(shè)定的參數(shù)主要包括監(jiān)測周期、報警信息內(nèi)容和接地電阻閾值，其中接地電阻閾值可參考GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》及GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》的規(guī)定。

5 結(jié)論

針對電力建設(shè)施工環(huán)境下，三級配電箱經(jīng)常出現(xiàn)使用時不接地、未有效接地、接地意外斷開等問題，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的臨時用電接地監(jiān)測裝置，對數(shù)量較多、分布隨機的三級配電箱進行統(tǒng)一管理?；诠こ态F(xiàn)場實際設(shè)計出本裝置的整體設(shè)計方案以后，本文在傳感器方案設(shè)計中選用了羅氏線圈作為電流傳感器、鉗表法測量接地電阻值，在無線傳輸方案設(shè)計中選用了低功耗、廣覆蓋、終端接入量大的NB-IoT技術(shù)，在程序邏輯設(shè)計中遵循了智能化、節(jié)能化的設(shè)計方針。

通過完整的設(shè)計流程，最終得到的裝置不僅能夠及時有效發(fā)現(xiàn)接地失效的問題，并提示現(xiàn)場施工人員與后臺建設(shè)管理人員及時消除隱患，同時還具備易使用、低功耗等特點，對于提高施工現(xiàn)場臨時用電的安全管理水平具有重要意義。