基于无线传输技术的接地导通测试仪的研究与设计

王海欧，白金泉，陈群锋，陈行晓

（国网浙江省电力公司检修分公司，杭州311232）

基于无线传输技术的接地导通测试仪的研究与设计

王海欧，白金泉，陈群锋，陈行晓

（国网浙江省电力公司检修分公司，杭州311232）

为提高变电站接地电阻检测工作的效率和安全性，需对现有接地导通测试仪的工作模式加以改进。不同于传统的一体式设计，研发的分离式接地导通测试仪，在设计中通过功能划分将测量和控制分离开，由测量装置负责接地电阻的测量，由控制装置利用无线传输技术完成对测量部分的启停控制和测量结果的传输、存储等。测量过程实现了单人操作，可有效降低测量过程中因信息传递不畅带来的安全隐患，提高了测量工作效率及安全性。

接地导通测试仪；射频识别；电子标签；逆变器；无线收发器

0 引言

接地网在电力系统正常运行时，可保证中性点电位不发生偏移；在系统故障时，可保证人身和设备的安全。为了确保电力设备的安全运行，需将电力设备通过接地引下线与地网连接。由于接地引下线埋设于土中，时间一长往往出现锈蚀等现象，从而导致其与接地电网之间电阻增大，在发生故障时，无法及时将大的故障电流导入接地电网，使得电力设备在运行过程中存在安全隐患，严重时甚至会影响人身、电网以及设备的安全。因此，需要定期对电力设备的接地电阻进行测量，确保其符合相关标准的要求[1]。

变电站中一般都会定期采用接地导通测试仪对整个变电站电力设备的接地情况进行检测。整个检测过程通常需要1名主测量人员和1名辅助测量人员。测量前，由辅助测量人员携带线缆前往各个被测点并将线缆与设备的接地引下线连接好，之后通知主测量人员开启接地导通测试仪进行检测，并在记录表上填写测得的数值。在整个测量过程中，主测量人员需要不断告知辅助测量人员检测点的名称，并经辅助测量人员寻找、核对再进行测量，因此检测过程耗时、费力。另外，测量过程中，因距离较远可能导致信息传递不畅，发生辅助测量人员未准备好、而主测量人员误开启测量电路，进而对辅助测量人员的人身安全造成一定威胁。针对上述情况，在传统接地导通测试仪的基础上加以改进，设计了一套基于无线传输技术并可由单人操作的改进型接地导通测试仪，可大大提高工作效率并降低危险系数。

1 接地导通测试仪总体结构

改进型接地导通测试仪主要由3部分构成（见图1）：接地导通测量装置，由其产生测量用的电流；移动式接地导通控制装置，为整个测量过程的控制器；电子标签，每个设备的引下线对应一个电子标签，并具有唯一的ID。

图1 接地导通测试仪主要结构

接地导通测试仪的工作原理如下：测量前，先将整个变电站分为若干个区块，并在每个区块设立1个基准点，同时为每个需要测量的电力设备接地引下线安装电子标签。测量开始时，先在参考点将接地导通测试仪的测量装置连接好，测试人员将线缆拉至待检测点并按要求连接，用移动式接地导通控制装置读取检测点的电子标签的ID，再通过远程控制接地导通测量装置开启测量。测量结束后，接地导通测量装置将测得的接地电阻值发送给移动式接地导通控制装置进行存储。

2 接地导通测试仪硬件设计

现有的接地导通测试仪通常将测量部分和控制显示部分集成在1个装置上，再配合线夹来完成测量，因而测量过程中耗时、费力。下面设计的分离式接地导通测试仪将测量部分和控制显示部分分别部署在2套装置上。测量装置完成与控制显示装置的数据通信以及测量功能，控制显示装置完成与测量装置的数据通信、数据显示、电子标签数据的读取以及与后台系统的数据传输等。

2.1 接地导通测量装置

由于变电站的场地较大，接地导通测量装置如果采用交流输入，将会影响测量装置的灵活性。高频链逆变技术的不断成熟完善，为充电式逆变器的应用创造了条件，使逆变器得以摆脱以往既大又笨重的缺点。

高频链逆变技术主要分为DC/DC变换型和周波变换型2类[2]。由于高频链周波变换型具有级数少、功率可双向流动等优点，因此一般采用该结构的逆变器，其电路结构如图2所示。

图2 高频链逆变器电路结构

由于在逆变控制过程中涉及到PWM（脉宽调制）模块驱动以及在对测量数据进行处理时需要进行FFT（快速傅里叶）变换，对处理芯片的计算能力要求较高，因此选用了TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A[3]。该芯片是16位的MPU（微处理单元），采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3 V，并且有高达32K字的Flash程序存储器，2.5K字的数据/程序RAM，544字双端口RAM（DARAM），2K字的单口RAM（SARAM）。另外，该芯片有多达41个可单独编程或复用的通用I/O脚（GPIO），用户可根据实际需求进行软件设置。

为实现远程控制接地导通测量装置进行接地电阻的测量，需要借助无线传输技术，这里采用nRF905无线收发模块（PTR8000+）。nRF905是挪威Nordik公司推出的单片射频收发器芯片，其工作电压为1.9～3.6 V，工作在433/868/915 MHz频段，433 MHz开放ISM频段免许可使用，发射速率50 KBPS。同时，为了管理DSP和nRF905以及其他外设，采用了TI公司的MSP430单片机。MSP430是TI公司新推出的16位系列低功耗单片机，其工作电压为1.8～3.6 V，正常工作时功耗可控制在200 μA左右，低功耗模式时可实现2 μA甚至0．1 μA的低功耗。采用MSP430+nRF905的组合特别适合低功耗、短距离（100～200 m）、小数据量的无线数据传输系统[4]。整个装置的结构如图3所示。

2.2 移动式接地导通控制装置

随着无线数据传输技术和单片机技术的发展，移动式控制设备的应用成为可能，也为接地导通测量参考点和待测点距离过远问题提供了解决方案。以下介绍的移动式接地导通控制装置正是基于单片机和无线传输模块的应用，该装置采用MSP430+nRF905的组合来完成相关的控制和无线数据传输。

图3 接地导通测量装置结构

测量前在每个检测点安装了电子标签（M1 S50电子标签），每个电子标签有唯一的32位序列号。为便于在测量时读取这些电子标签的ID，采用了NXP公司的MFRC522芯片。MFRC522是采用13.56 MHz的非接触式读写卡芯片[5]，利用了先进的调制和解调技术，完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持ISO14443A的多层应用。它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，选取SPI，I2C或串行UART模式。移动式接地导通控制装置的结构如图4所示。

图4 移动式接地导通控制装置结构

MSP430单片机除了通过nRF905完成与测量装置的相关数据通信以及通过MFRC522读取电子标签的ID外，还需要借助LCD显示器、按键等外设来完成相关的人机交互和数据存储等。

3 接地导通测试仪软件设计

整个接地导通测试仪主要由2个单片机和1个DSP（数字信号处理器）组成，其中DSP主要完成电源的逆变控制和数据的相关处理。2个单片机的相关软件流程见图5。

图5 单片机软件流程

位于接地导通测量装置上的单片机主要工作流程为：在收到移动式接地导通控制装置发送的测量开始指令后，由其向DSP发送开始工作的指令，当测量结束后读取DSP发送来的测量值，再通过无线模块发送给移动式接地导通控制装置。

移动式接地导通控制装置主要工作原理为：将线夹连接上待测点的接地引下线后，用移动式接地导通控制装置读取待测点的电子标签ID，然后发送控制指令给接地导通测量装置，让其开启接地电阻测量电路，测量结束后接收接地导通测量装置发送来的接地电阻数值并进行存储。

测量结束后，为了对测得的数据进行保存和处理，利用VB和Access开发后台桌面应用[6，7]。该桌面软件主要实现以下功能：读取移动式接地导通控制装置内的数据，同时利用Access数据库完成对数据的存储；将测得的数据按一定格式生成报表，并可根据多次测量结果绘制数据变化趋势图表。

4 结语

针对传统接地导通测量过程中的一系列不足，设计了分离式接地导通测试仪。整个测量过程由单人通过手持移动式接地导通控制装置进行控制，避免了因人员信息交流不畅所带来的问题。同时，利用RFID技术完成对设备电子标签的识别，不再需要人工进行核实，可大大提高工作效率以及操作的安全性。

[1]黄晓英，曹作群.接地导通电阻测试仪的智能化设计[J].湖北电力，2013，37（2）∶69-70.

[2]曹俊平，刘浩军，董雪松，等.1 000 kV安吉变电站接地网接地特性参数的试验[J].浙江电力，2015，34（1）∶17-19.

[3]周志敏，纪爱华.新型电源实用技术系列书：逆变器新技术与工程应用实例[M].北京：中国电力出版社，2014.

[4]莫颖涛，吴为麟.基于DSP的谐波控制器的研制[J].电源技术应用，2005，8（8）∶28-31.

[5]陈国林，佘洪波，董金荣，等.一种基于无线传感网的车位检测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2015，15（8）∶49－52.

[6]李永华，高英，陈青云.Arduino软硬件协同设计实战指南[M].北京：清华大学出版社，2015.

[7]谈宏飞，秦俊宁，颜立，等.建筑能源管理系统的设计及应用[J].浙江电力，2016，35（2）∶68-71.

[8]沈洪，施明利，朱军.VB程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[9]郑亮.Access 2013数据库应用实用教程[M].北京：清华大学出版社，2015.

（本文编辑：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

王海欧（1982），男，工程师，从事变电运维工作。