王海歐，白金泉，陳群鋒，陳行曉

（國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州311232）

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

王海歐，白金泉，陳群鋒，陳行曉

（國網(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工作的效率和安全性，需對現(xiàn)有接地導(dǎo)通測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)通測試儀，在設(shè)計(jì)中通過功能劃分將測量和控制分離開，由測量裝置負(fù)責(zé)接地電阻的測量，由控制裝置利用無線傳輸技術(shù)完成對測量部分的啟?？刂坪蜏y量結(jié)果的傳輸、存儲(chǔ)等。測量過程實(shí)現(xiàn)了單人操作，可有效降低測量過程中因信息傳遞不暢帶來的安全隱患，提高了測量工作效率及安全性。

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

1 接地導(dǎo)通測試儀總體結(jié)構(gòu)

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

圖1 接地導(dǎo)通測試儀主要結(jié)構(gòu)

接地導(dǎo)通測試儀的工作原理如下：測量前，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)需要測量的電力設(shè)備接地引下線安裝電子標(biāo)簽。測量開始時(shí)，先在參考點(diǎn)將接地導(dǎo)通測試儀的測量裝置連接好，測試人員將線纜拉至待檢測點(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點(diǎn)的電子標(biāo)簽的ID，再通過遠(yuǎn)程控制接地導(dǎo)通測量裝置開啟測量。測量結(jié)束后，接地導(dǎo)通測量裝置將測得的接地電阻值發(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)通測試儀硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的接地導(dǎo)通測試儀通常將測量部分和控制顯示部分集成在1個(gè)裝置上，再配合線夾來完成測量，因而測量過程中耗時(shí)、費(fèi)力。下面設(shè)計(jì)的分離式接地導(dǎo)通測試儀將測量部分和控制顯示部分分別部署在2套裝置上。測量裝置完成與控制顯示裝置的數(shù)據(jù)通信以及測量功能，控制顯示裝置完成與測量裝置的數(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)通測量裝置

由于變電站的場地較大，接地導(dǎo)通測量裝置如果采用交流輸入，將會(huì)影響測量裝置的靈活性。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)

由于在逆變控制過程中涉及到PWM（脈寬調(diào)制）模塊驅(qū)動(dòng)以及在對測量數(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)通測量裝置進(jìn)行接地電阻的測量，需要借助無線傳輸技術(shù)，這里采用nRF905無線收發(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)通測量參考點(diǎn)和待測點(diǎn)距離過遠(yuǎn)問題提供了解決方案。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)和無線傳輸模塊的應(yīng)用，該裝置采用MSP430+nRF905的組合來完成相關(guān)的控制和無線數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 接地導(dǎo)通測量裝置結(jié)構(gòu)

測量前在每個(gè)檢測點(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nRF905完成與測量裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)通信以及通過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)通測試儀軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)接地導(dǎo)通測試儀主要由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)軟件流程見圖5。

圖5 單片機(jī)軟件流程

位于接地導(dǎo)通測量裝置上的單片機(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)送的測量開始指令后，由其向DSP發(fā)送開始工作的指令，當(dāng)測量結(jié)束后讀取DSP發(fā)送來的測量值，再通過無線模塊發(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)通測量裝置，讓其開啟接地電阻測量電路，測量結(jié)束后接收接地導(dǎo)通測量裝置發(fā)送來的接地電阻數(shù)值并進(jìn)行存儲(chǔ)。

測量結(jié)束后，為了對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理，利用VB和Access開發(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)庫完成對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；將測得的數(shù)據(jù)按一定格式生成報(bào)表，并可根據(jù)多次測量結(jié)果繪制數(shù)據(jù)變化趨勢圖表。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)接地導(dǎo)通測量過程中的一系列不足，設(shè)計(jì)了分離式接地導(dǎo)通測試儀。整個(gè)測量過程由單人通過手持移動(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的問題。同時(shí)，利用RFID技術(shù)完成對設(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。