桿塔接地參數大數據云平臺及信息化測量儀的設計與應用

王牧浪，彭紅剛，邱 烜，徐 研

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引 言

輸電線路桿塔的接地電阻是表征其接地系統性能的重要指標。在輸電線路的運行維護工作中，保證桿塔接地電阻在合理的區間內，從而使輸電線路具有較高的耐雷水平，能有效減少雷害事故，并限制線路接地故障條件下桿塔附近的接觸電壓和跨步電壓，防止人畜觸電事故。因此，一般輸電線路桿塔接地狀態的運行維護工作主要可以分為以下2個部分：一是桿塔接地電阻的測量，即根據相關標準規范(如DL/T 887—2018《桿塔工頻接地電阻測量》、DL/T 741—2019《架空送電線路運行規程》等)開展輸電線路桿塔接地電阻的測量工作，得到線路桿塔的接地電阻參數；另一個是桿塔接地電阻測量數據的管理分析，即基于桿塔接地參數測量結果，依照標準要求校核接地裝置的電阻是否滿足對應條件下的要求，進而分析桿塔接地裝置運行狀態，定制整條線路的接地運維方案[8]。

近年來，雖然地區電網公司對輸電線路接地裝置越來越重視，投入了大量的人力、物力對存在隱患的桿塔接地裝置進行排查、改造，但在實際生產運行維護過程中仍然存在許多問題亟待研究解決。例如測量中工作量大、耗時長、效率低，在對歷史測量數據存疑、難以取信時無法核查測量現場的相關條件。

下面提出了一種基于移動互聯技術的信息化桿塔接地電阻測量儀與南方電網公司桿塔接地裝置狀態數據云平臺的通訊連接方案。該方案能在現場測量的最后一個環節中將得到的相關信息直接上傳至云端服務器，將測量得到的“離線結果”直接轉化為“線上數據”。

1 桿塔接地參數大數據云平臺的設計

設計該數據平臺系統的主要目的是收集、統計、分析、展示輸電線路桿塔接地裝置的重要參量。該系統的整體設計包括以下3個層級：測量及數據采集層、服務器層以及遠程用戶層，如圖1所示。

圖1 接地參數云平臺系統整體結構

測量及數據采集層主要任務包括接地參數的測量、結果數據的上傳和對應桿塔信息的匹配填報。服務器層的主要任務包括接受數據采集層的上報數據、連接遠程用戶層的查詢指令，進行數據庫的管理、統計、分析。遠程用戶層的主要任務是開發相應B/S系統供用戶進行實時數據查詢。

所設計的信息化桿塔接地電阻測量儀是云平臺系統的測量及數據采集層的重要設備。信息化測量儀，首先需要準確測量得到桿塔的接地參數；隨后與系統服務器層建立網絡通信連接，將現場測量得到的接地參數及匹配的桿塔信息進行分別存儲管理；最后通過遠程用戶層實現線路桿塔接地參數的歷史數據查詢、分析及桿塔接地裝置狀態評估和全線接地狀態展示等。

接地參數大數據云平臺系統的用戶查詢界面主要設計了“歷史數據查詢”“測量數據分析”和“全線數據展示”等4大功能模塊。所設計相關功能模塊的用戶界面如圖2所示。

圖2 接地參數云平臺系統整體結構

2 信息化桿塔接地電阻測量儀的設計

2.1 整體設計方案

現有設備一般只能在現場測得“離線數據”，由于測量人員在手動記錄中往往對測量條件記錄得不全面、不統一，使得數據上傳的效率低且有一定的錯誤率。因此對傳統的異頻法接地電阻測量設備基于移動互聯網技術進行信息化改造，即在測量的最后一個環節將得到的相關信息直接上傳至云端服務器，把測量得到的“離線結果”直接轉化為了“線上數據”，提高了運行維護工作效率并減少錯誤率。

信息化桿塔接地電阻測量儀的系統設計框圖如圖3所示。測量時，中央處理器模塊發送一個信號指令給異頻激勵源模塊，異頻激勵源模塊分別產生一個47 Hz和53 Hz的異頻電流源，并輸入布置的測量回路中，如圖3中過程1、過程2。

圖3 信息化桿塔接地電阻測量儀的系統設計框圖

同時，通過信號采集模塊對桿塔接地裝置的電壓、電流信號進行測量采集，并將測得的電壓、電流信號傳輸至中央處理器模塊(過程3、過程4)。另外，GPS定位模塊將設備的地理位置信息傳送至中央處理器模塊(過程5)。中央處理器模塊通過計算處理得到一系列測量的最終數據，并傳送至LCD顯示模塊和數據存儲模塊，實現人機交互(過程6)。隨后，通訊模塊將本次測量的最終數據上傳至遠端監控中心的服務器中(過程7)。最后，當中心服務器收到測量的最終數據后，發送“測量成功”的指令返回至通訊模塊并通過顯示模塊告知操作人員(過程8)。另外，操作人員也可通過顯示操作系統，對存儲模塊中的歷史測量數據進行查詢讀取(過程9)。

測量操作人員在桿塔接地電阻測量回路的布置中可根據現場實際條件及測量精度要求，自行選擇采用三極法或回路法進行回路布置，并將對應方法通過設備通訊模塊上傳至服務器。

所開發設備的外觀及內部集成電路板如圖4所示。

圖4 信息化桿塔接地電阻測量儀

2.2 測量儀與云平臺的通信方案設計

信息化桿塔接地電阻測量儀與云平臺服務器層的通信方案根據搭建網絡的不同屬性(內網或外網)可以分為以下2種。

2.2.1 云平臺部署在外網

當創建的桿塔接地裝置狀態數據云平臺部署在外網時，信息化測量儀可基于自身的通信模塊通過外網直接實現與“云平臺”的通訊。測量數據上傳方式如圖5所示。在該條件下，測量過程中設備與“云平臺”兩者間的雙向數據交換通信全部在外網完成，如圖5中的過程①和過程②。“云平臺”獲取測量數據之后，與“4A系統”(南方電網公司生產管理平臺)基于特定的內網通信協議實現接口通信，如圖5中的過程③。

圖5 “云平臺”部署在外網時的數據上傳方式

“云平臺”部署于外網時，具有如下3個特點：1)測量設備能與“云平臺”在測量的過程中就可以進行雙向的數據交換，且數據通信過程中的時效性強，能避免因數據傳送延時導致的各種問題；2)整個系統在每次測量過程中涉及到的通信環節最少，且完全不涉及內網現有的復雜通信協議，整個測量系統的主程序最為簡單；3)“云平臺”及其數據庫部署在外網，存在數據外泄等網絡安全風險，需要相關行政許可和安全認證。

2.2.2 云平臺部署在內網

當創建的桿塔接地裝置狀態數據云平臺部署在內網時，信息化測量儀則需借助內網手機終端間接實現與“云平臺”的通信。此時測量數據上傳方式如圖6所示。

圖6 “云平臺”部署在內網時的數據上傳方式

此時的工作流首先由“4A系統”發起，“4A系統”在內網中下發某次(批)的接地測量任務，并將待測桿塔的相關數據信息發送至項目開發的內網手機相關APP中，如圖6中的過程①。在完成現場測量后，信息化測量儀將測量結果信息轉化成二維碼數據型式，測量人員通過內網手機掃碼，將測量結果與被測桿塔的相關信息綁定，并回傳至“4A系統”，如圖6中的過程②和過程③。“4A系統”再將測量信息同步傳送至廣州局電網自動化平臺，如圖6中的過程④。最后，布置在內網的“桿塔接地數據云平臺”與“自動化平臺”基于內網通信協議實現接口通信，如圖6中的過程⑤。

“云平臺”部署于內網時，具有如下3個特點：1)結合“4A系統”的任務單，通過內網手機掃碼上傳、對接測量數據。增強了現場測量數據上傳的穩定性和確定性，且數據流轉都在內網中，網絡安全風險小；2)每次測量前需要在“4A系統”填報運維測量計劃，并開發相關內網手機APP接收下發的測量任務單；3)“云平臺”直接部署于廣州局電網自動化平臺中，有利于數據在內網系統中的同步交換和展示。

3 信息化接地電阻測量儀的現場實測應用

為了驗證所研發的信息化測量設備的現場測量情況，對部分在運行超高壓輸電線路桿塔的接地電阻進行了實地現場測量。每次測量，項目組首先采用了所研制的信息化測量設備基于回路法進行現場測量；隨后再采用ZC-8系列接地電阻測量儀(以下簡稱搖表)基于三極法進行了測量。

3.1 實測桿塔現場條件

1)220 kV甲線一回31號桿塔

220 kV甲線一回31號桿塔為同塔雙回耐張塔。桿塔所在線路走廊建設有3條220 kV同塔雙回輸電線路，周圍空間電磁環境復雜。線路走廊兩側為城市道路，三極法放線中只能按平行于線路走廊的方向布置，如圖7所示。

2)220 kV乙線二回9號桿塔

220 kV乙線二回9號桿塔為單回耐張轉角塔。桿塔所在線路走廊建設有3條220 kV同塔雙回輸電線路，周圍空間電磁環境復雜。同時，該基桿塔在集中輸電走廊的端口位置，有6回輸電線路從各個方向匯流至此，經耐張轉向并入同塔雙回輸電走廊。因此，三極法測量時無法嚴格地按垂直于輸電線路的方向布置放線，如圖8所示。

圖7 220 kV甲線一回31號桿塔現場情況

圖8 220 kV乙線二回9號桿塔現場情況

3)110 kV丙線31號桿塔

110 kV丙線31號桿塔是干字型單回直線鋼管塔。桿塔一側為公路，另一側為一片平整工地。該條件有利于三極法的放線要求，如圖9所示。

圖9 110 kV丙線31號桿塔現場情況

3.2 實測數據分析

針對上述3組桿塔，分別采用信息化測量設備基于回路法進行測量和采用ZC-8搖表基于三極法進行測量。桿塔接地電阻的測量結果及測量用時如表1所示。

表1 不同方法對應測量結果的對比

通過測量數據分析可以看到：

1)在電磁環境復雜的地區，若采用搖表法測量桿塔的接地電阻，由于受到地中工頻雜散電流的影響，搖表的讀數指針會出現兩邊擺動不定現象，從而使得測量結果精度較差；此時，若采用所研發的設備，則能有效避免地中工頻雜散電流的影響，準確、穩定地測得桿塔接地電阻[6]。

2)根據DL/T 475—2017《接地裝置特性參數測量導則》的測量要求，若采用ZC-8搖表按三極法布線測量，則5人小組每基塔的平均測量時間為63 min；但若采用所研發的設備按回路法布線測量，則5人小組每基塔的平均測量時間僅為9 min。不僅能節省測量時間86%，還能大幅降低測量人員的工作強度。

4 結 語

1)開發了一套桿塔接地參數大數據云平臺B/S系統。該云平臺系統一方面接受數據采集層的測量結果上報；另一方面，根據遠程用戶層的查詢指令，進行數據庫的管理、統計、分析。系統的應用能有效提高接地運維的工作效率和準確率，并實現對運維工作的全業務流程記錄，有利于對運維的監督管理。

2)結合桿塔接地參數大數據云平臺中“測量及數據采集層”的需求，開發了一種基于異頻法的信息化桿塔接地電阻測量儀。該設備實現了在測量現場就將測得的相關信息直接上傳至云端服務器，將測量得到的“離線結果”轉化為“線上數據”，有效提高了接地測量的工作效率和準確率。

3)通過現場測量應用，表明所研制的信息化測量設備具有工程適用性強、測量精度高等特點。該設備的應用能有效推進了電網接地運行維護的信息化和數據化，為科學實施運維改造提供數據支撐。具有廣闊的工程應用前景。