基于物聯(lián)網(wǎng)的智能接地從機(jī)裝置設(shè)計

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(jī)裝置，實(shí)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(jī)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主機(jī)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(shí)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(jī)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的線路型智能接地從機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)中央處理器模塊。從機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)通過從機(jī)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(jī)。主機(jī)中央處理器模塊將實(shí)時記錄主機(jī)檢測的信號與從機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過主機(jī)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(shí)時顯示接地線的狀態(tài)。

3 樣機(jī)電路設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的線路型智能接地從機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)際應(yīng)用效果分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能接地從機(jī)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(jī)裝置的指示面板和內(nèi)部裝配如圖9所示。

圖9 從機(jī)裝置面板與裝配圖

與主機(jī)通信時，從機(jī)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(jī)裝置的設(shè)備運(yùn)行過程數(shù)據(jù)信息如圖10 所示。

圖10 設(shè)備運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)信息

從機(jī)開機(jī)后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待按鍵按下時，系統(tǒng)開始正常工作。主機(jī)與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接后，開始搜索從機(jī)信號。當(dāng)從機(jī)信號被成功連接后，主機(jī)通過藍(lán)牙通信方式獲取從機(jī)的掛接狀態(tài)、漏電流、電池電量等信息。通過整合主機(jī)數(shù)據(jù)包、從機(jī)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(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)與主機(jī)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(diǎn)，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(yùn)行具有重要意義。