基于物联网的智能接地从机装置设计

杨伟财，庄丽燕

（泉州亿兴电力工程建设有限公司丰泽配电分公司，福建 泉州 362008）

0 引 言

由于我国高压线路多、分布广泛且所在位置地形复杂，年度检修任务十分繁重[1]。对于平行分布的双回线路，通常采用轮停方法进行检修，导致被检修线路的感应电流较大，因此检修时需要大量的接地线[2]。传统接地线在使用过程中主要依赖作业人员的主观判断，如果人为工作疏忽导致漏拆、漏报接地线的情况，操作时系统无法及时感知闭锁，则极可能导致恶性误操作[3-5]。针对传统接地线在使用时存在的不便和拆除时存在的安全隐患，设计一种基于物联网的智能接地从机装置，实现接地装置的信息化和数字化。装置内部采用ESP32 控制芯片采集挂接信号和电流信号，该芯片具备蓝牙模块，可通过蓝牙与主机装置进行数据通信。主机装置通过4G 通信模块将挂接数据上传至云服务器，工作人员可在云服务器在线实时查看接地线的状态，及时发现挂接过程中的异常状态。

1 样机结构

基于物联网的线路型智能接地从机装置的结构与功能模块如图1 所示。

图1 智能接地从机装置的结构与功能模块

该接地装置的接地夹采用双舌型设计，接地的导线挂接正常时需固定在导线卡槽内。行程开关采用机械式行程开关，固定在接地夹顶部。当需要接地的导线到达导线卡槽时，行程开关闭合。行程开关通过电气连接线连接到装置内部的从机中央处理器模块。从机中央处理器模块是装置的核心部分，安装于铝壳内。铝壳内还包括连接导线、漏电流传感器、接线端子和电池。铝壳上盖为可拆卸上盖，方便工作人员对中央处理模块进行检查和维修。铝壳下盖有一个连接导线过孔，连接导线通过此过孔连接到铝壳。铝壳、连接导线通过接线端子安装在接地夹上，实现等电位连接。连接导线上装有漏电流传感器，并与从机中央处理器模块电气连接。电池安装于铝块内部，用于为中央处理器模块供电，可采用通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）充电方式。

2 工作原理

本设计通过对传统的接地线进行数字化、智能化改造，其工作流程如图2 所示。

图2 工作流程

在进行接地操作时，需要先进行接地装置的自检。若自检过程中出现异常情况，则触发中央处理器的声光报警模块，发出报警信号，提醒工作人员检查接地装置是否正常工作。只有确认接地装置可以正常工作后，才能进行接地操作。

当需要接地的线路带电时，漏电流传感器会检测到电流，触发中央处理器的声光报警模块，发出报警信号，提醒现场工作人员不要进行检修作业，而是重新检查线路并进行分闸操作，使线路掉电。当线路不带电时，通过行程开关的信号判断接地线的挂接状态。如果需要接地的线路未触发行程开关，则触发中央处理器模块中的声光报警模块，发出报警信号，提醒工作人员检查接地夹子的紧固程度，确保接地的可靠性。

从机通过从机中央处理器模块将检测到的信号通过ESP32 控制芯片中的蓝牙模块发送至主机。主机中央处理器模块将实时记录主机检测的信号与从机所发送的数据，并通过主机中央处理器模块的4G 通信模块上传到云服务器。云服务器可以在线实时显示接地线的状态。

3 样机电路设计

基于物联网的线路型智能接地从机装置的中央处理器模块采用ESP32 芯片，集成蓝牙模块、传感器模块、电源模块等。ESP32 芯片具有大量可用的通用输入输出（General Purpose Input Output，GPIO）引脚，同时集成了电源引脚和接地引脚等，如图3 所示。蓝牙模块的使用需要通过软件编程实现。

图3 控制芯片电路

USB 转串口下载模块电路如图4 所示。通过USB 串口可以实现对控制芯片的程序下载和对电池充电。

图4 USB 转串口下载模块电路

漏电流传感器模块包括采样电路与电平转换电路，如图5 所示。采样电路使用BL0942 电能计量芯片，通过采样电阻与电阻-电容（Resistor-Capacitance，RC）低通滤波器进行电流采样。

图5 漏电流传感器模块电路

电源模块包括锂电池充电电路与3.3 V供电电路，如图6 所示。

图6 电源模块电路

声光报警模块的用户指示灯电路如图7 所示。选用DTC043Z 系列NPN 晶体管作为发光二极管（Light Emitting Diode，LED）控制开关。

图7 用户指示灯电路

4 实际应用效果分析

基于物联网的智能接地从机装置印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB） 的3D 效果如图8所示。

图8 PCB 板3D 效果

所设计从机装置的指示面板和内部装配如图9所示。

图9 从机装置面板与装配图

与主机通信时，从机指示灯面板上的红灯表示挂接状态，绿灯表示电流状态，蓝灯表示电量状态，黄灯表示联网状态。常亮代表数据正常，闪烁代表数据故障，一般指电压值过低、电流值过大、挂接无效等故障；常灭代表数据异常，指数据无法采集，无法读取到挂接状态等。

基于物联网的智能接地从机装置的设备运行过程数据信息如图10 所示。

图10 设备运行过程的数据信息

从机开机后进入待机状态，等待按键按下时，系统开始正常工作。主机与服务器建立网络连接后，开始搜索从机信号。当从机信号被成功连接后，主机通过蓝牙通信方式获取从机的挂接状态、漏电流、电池电量等信息。通过整合主机数据包、从机数据包构成完整的心跳包与服务器建立联系，从而实现对线路的在线监控，提高线路检修的安全性和可靠性。

5 结 论

针对高压接地线路检修时传统接地装置可靠性不足和易误操作等问题，设计基于物联网的智能接地从机装置。为避免工作人员作业误挂、漏挂接地线引起的事故，采用蓝牙通信方式实现与主机装置之间的数据通信，保障工作人员的安全。该智能接地装置具有操作简单、灵敏度高、可靠性好以及成本低廉等特点，有利于推广使用，对于保障工作人员的人身安全和电力系统的稳定运行具有重要意义。