基于物聯網的智能接地從機裝置設計

楊偉財，莊麗燕

（泉州億興電力工程建設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雜，年度檢修任務十分繁重[1]。對于平行分布的雙回線路，通常采用輪停方法進行檢修，導致被檢修線路的感應電流較大，因此檢修時需要大量的接地線[2]。傳統接地線在使用過程中主要依賴作業人員的主觀判斷，如果人為工作疏忽導致漏拆、漏報接地線的情況，操作時系統無法及時感知閉鎖，則極可能導致惡性誤操作[3-5]。針對傳統接地線在使用時存在的不便和拆除時存在的安全隱患，設計一種基于物聯網的智能接地從機裝置，實現接地裝置的信息化和數字化。裝置內部采用ESP32 控制芯片采集掛接信號和電流信號，該芯片具備藍牙模塊，可通過藍牙與主機裝置進行數據通信。主機裝置通過4G 通信模塊將掛接數據上傳至云服務器，工作人員可在云服務器在線實時查看接地線的狀態，及時發現掛接過程中的異常狀態。

1 樣機結構

基于物聯網的線路型智能接地從機裝置的結構與功能模塊如圖1 所示。

圖1 智能接地從機裝置的結構與功能模塊

該接地裝置的接地夾采用雙舌型設計，接地的導線掛接正常時需固定在導線卡槽內。行程開關采用機械式行程開關，固定在接地夾頂部。當需要接地的導線到達導線卡槽時，行程開關閉合。行程開關通過電氣連接線連接到裝置內部的從機中央處理器模塊。從機中央處理器模塊是裝置的核心部分，安裝于鋁殼內。鋁殼內還包括連接導線、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行檢查和維修。鋁殼下蓋有一個連接導線過孔，連接導線通過此過孔連接到鋁殼。鋁殼、連接導線通過接線端子安裝在接地夾上，實現等電位連接。連接導線上裝有漏電流傳感器，并與從機中央處理器模塊電氣連接。電池安裝于鋁塊內部，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

本設計通過對傳統的接地線進行數字化、智能化改造，其工作流程如圖2 所示。

圖2 工作流程

在進行接地操作時，需要先進行接地裝置的自檢。若自檢過程中出現異常情況，則觸發中央處理器的聲光報警模塊，發出報警信號，提醒工作人員檢查接地裝置是否正常工作。只有確認接地裝置可以正常工作后，才能進行接地操作。

當需要接地的線路帶電時，漏電流傳感器會檢測到電流，觸發中央處理器的聲光報警模塊，發出報警信號，提醒現場工作人員不要進行檢修作業，而是重新檢查線路并進行分閘操作，使線路掉電。當線路不帶電時，通過行程開關的信號判斷接地線的掛接狀態。如果需要接地的線路未觸發行程開關，則觸發中央處理器模塊中的聲光報警模塊，發出報警信號，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。

從機通過從機中央處理器模塊將檢測到的信號通過ESP32 控制芯片中的藍牙模塊發送至主機。主機中央處理器模塊將實時記錄主機檢測的信號與從機所發送的數據，并通過主機中央處理器模塊的4G 通信模塊上傳到云服務器。云服務器可以在線實時顯示接地線的狀態。

3 樣機電路設計

基于物聯網的線路型智能接地從機裝置的中央處理器模塊采用ESP32 芯片，集成藍牙模塊、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。藍牙模塊的使用需要通過軟件編程實現。

圖3 控制芯片電路

USB 轉串口下載模塊電路如圖4 所示。通過USB 串口可以實現對控制芯片的程序下載和對電池充電。

圖4 USB 轉串口下載模塊電路

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 晶體管作為發光二極管（Light Emitting Diode，LED）控制開關。

圖7 用戶指示燈電路

4 實際應用效果分析

基于物聯網的智能接地從機裝置印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB） 的3D 效果如圖8所示。

圖8 PCB 板3D 效果

所設計從機裝置的指示面板和內部裝配如圖9所示。

圖9 從機裝置面板與裝配圖

與主機通信時，從機指示燈面板上的紅燈表示掛接狀態，綠燈表示電流狀態，藍燈表示電量狀態，黃燈表示聯網狀態。常亮代表數據正常，閃爍代表數據故障，一般指電壓值過低、電流值過大、掛接無效等故障；常滅代表數據異常，指數據無法采集，無法讀取到掛接狀態等。

基于物聯網的智能接地從機裝置的設備運行過程數據信息如圖10 所示。

圖10 設備運行過程的數據信息

從機開機后進入待機狀態，等待按鍵按下時，系統開始正常工作。主機與服務器建立網絡連接后，開始搜索從機信號。當從機信號被成功連接后，主機通過藍牙通信方式獲取從機的掛接狀態、漏電流、電池電量等信息。通過整合主機數據包、從機數據包構成完整的心跳包與服務器建立聯系，從而實現對線路的在線監控，提高線路檢修的安全性和可靠性。

5 結 論

針對高壓接地線路檢修時傳統接地裝置可靠性不足和易誤操作等問題，設計基于物聯網的智能接地從機裝置。為避免工作人員作業誤掛、漏掛接地線引起的事故，采用藍牙通信方式實現與主機裝置之間的數據通信，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，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的穩定運行具有重要意義。