鄭寶敏，黃琳妮，殷林飛

( 1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523007；2.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

在配電網(wǎng)輸電線路的檢修過程中，掛接臨時(shí)接地線是保障工作人員安全的、必不可少的工作[1]。檢修工作完成后，必須在恢復(fù)送電前拆除接地線，帶接地線合閘可能導(dǎo)致重大的人員傷亡和設(shè)備損壞[2]。目前，我國在10 kV配電網(wǎng)接地線管理方面僅依靠人工巡查的方式檢查拆除臨時(shí)接地線，不僅工作量大、效率低，而且容易造成臨時(shí)接地線的漏拆，從而引發(fā)事故。

近幾年來人們開始認(rèn)識(shí)到配電網(wǎng)接地線管理的重要性，提出了各種臨時(shí)接地線檢測技術(shù)[3-5]與管理系統(tǒng)[6-8]，逐步完善了接地線的管理，這些研究都取得了一定的效果。文獻(xiàn)[9]提出的智能接地線檢測與閉鎖裝置，可以通過安裝在接地線上的識(shí)別器、激活器與開關(guān)柜中閉鎖裝置的相互通信來判斷接地線的狀態(tài)；然而由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所依賴的設(shè)備數(shù)量較多，成本較高，而且通信距離有限，無法適用于農(nóng)村山區(qū)配電網(wǎng)。文獻(xiàn)[10-11]提出接地線在線管理系統(tǒng)，通過對(duì)現(xiàn)有的接地線進(jìn)行改造，可提高接地線的可靠性，便于管理；其缺點(diǎn)是建立系統(tǒng)必須對(duì)全部電網(wǎng)進(jìn)行改造，所需時(shí)間、成本巨大。文獻(xiàn)[12-13]提出了利用超聲波和圖像采集來檢測接地線狀態(tài)的方法，不足之處是超聲波定位技術(shù)尚不成熟，且應(yīng)用于配電網(wǎng)中所需的攝像頭等設(shè)備較多。文獻(xiàn)[14-16]提出的檢測裝置只能判斷出遠(yuǎn)方是否存在接地線，未能進(jìn)一步分析接地短路類型，無法定位接地線的位置，不利于接地線的快速拆除。

這些文獻(xiàn)的提出在接地線的檢測與管理方面都起到了一定的作用，然而由于中低壓配電網(wǎng)的線路復(fù)雜，覆蓋面廣，這些系統(tǒng)和裝置應(yīng)用于配電網(wǎng)中受限條件多，實(shí)施推廣費(fèi)用較大，且無法實(shí)現(xiàn)接地線的快速定位和拆除。

因此，本文設(shè)計(jì)了1種便攜式智能接地線檢測裝置，采用嵌入式Android系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，檢測全程通過觸屏操作檢測軟件實(shí)現(xiàn)，簡單便捷。通過該裝置可以快速判斷檢修線路中是否存在臨時(shí)接地線，避免帶接地線合閘事故。同時(shí)，裝置能實(shí)現(xiàn)接地線的定位并生成路線圖，指導(dǎo)工作人員快速到達(dá)接地點(diǎn)拆除接地線。

1 檢測裝置的應(yīng)用

檢測裝置的應(yīng)用如圖1所示，其中：R和X分別為待測線路的等效電阻和等效電抗；IMABC為檢測裝置向每相線路中注入的交流電流；Rd1、Rd2分別為接地樁處和檢測裝置處接地電網(wǎng)的接地電阻值。

圖1 檢測裝置應(yīng)用示例Fig.1 Application example of the detection device

進(jìn)行檢測之前，先接好電路，將裝置的引線通過高壓棒接到待測的三相線路上，裝置自帶的接地線接到待測線路桿塔的接地線上，從而形成1個(gè)完整的檢測回路。接好線后，在檢測過程中：該裝置向待測線路注入特定頻率的三相交流信號(hào)，經(jīng)過回路流通后，各相線路上的電壓電流信號(hào)通過檢測電路送入數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor，DSP)芯片，DSP芯片將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至嵌入式ARM芯片中。ARM中接地線檢

測軟件通過數(shù)字濾波提取出相應(yīng)頻率下的電壓電流信號(hào)，再通過軟件內(nèi)置的算法分析出接地線狀態(tài)，計(jì)算相應(yīng)的阻抗值，通過阻抗測距法定位接地線的地理位置并顯示在ARM界面上。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括DSP單元、嵌入式ARM、信號(hào)源模塊、測量模塊、保護(hù)模塊、通信模塊以及電源模塊。在嵌入式ARM的總體控制下，DSP芯片控制信號(hào)源模塊產(chǎn)生三相信號(hào)。測量模塊對(duì)線路上的信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)由DSP傳輸至ARM，ARM內(nèi)置檢測算法根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析。檢測過程中：保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)硬件電路的保護(hù)，如過壓保護(hù)、過流保護(hù)與電壓隔離等；電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)裝置的供電；通信模塊實(shí)現(xiàn)裝置與云端服務(wù)器的信息交互，可將檢測結(jié)果上傳至云端服務(wù)器。

IPM—智能功率模塊，intelligent power module的縮寫；PWM—脈沖寬度調(diào)制，pulse width modulation的縮寫；ADC—模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，analog-to-digital converter的縮寫。

2.2 DSP單元

為了產(chǎn)生PWM信號(hào)以控制信號(hào)源模塊產(chǎn)生特定頻率的三相交流信號(hào)，以及實(shí)現(xiàn)電壓電流信號(hào)的測量與裝置的保護(hù)控制，本裝置采用DSP作為處理芯片。

DSP通常采用哈佛流水線架構(gòu)并配備專用的硬件乘法器，因此其運(yùn)算速度非?？?，可以輕松完成快速傅里葉變換(fast Fourier tansform，F(xiàn)FT)、矢量控制、圖像信號(hào)處理等任務(wù)。相對(duì)于單片機(jī)、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)等微處理器，DSP不僅具有較強(qiáng)的控制性能，其數(shù)字信號(hào)處理能力更是突出[17-18]。

本文的DSP采用TI公司的32位實(shí)時(shí)處理器TMS320F2812。該處理器具有高達(dá)150 MHz主頻、128 K×16位的Flash、8 K×16位的SARAM、56個(gè)復(fù)用數(shù)字I/O引腳、2個(gè)事件管理器以及2個(gè)串行通信接口(serial communication interface，SCI)、1個(gè)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)、1個(gè)增強(qiáng)型局域網(wǎng)絡(luò)(enhanced controller area network，ECAN)接口等。DSP與其他模塊的接口如圖3所示。

UART—通用異步收發(fā)傳輸器，universal asynchronous receiver/transmitter的縮寫；EVA—事件管理器A，event manager A的縮寫。

2.3 交流信號(hào)源

基于信號(hào)注入法的檢測原理，為了在回路中形成足夠強(qiáng)的電流信號(hào)，裝置的信號(hào)源設(shè)計(jì)產(chǎn)生有效值為10 V的三相交流信號(hào)。由于線路分布電容的存在，注入電流在未掛接地線時(shí)通過電容也能形成回路，且信號(hào)頻率越高，電容電流越大，容易造成裝置對(duì)接地線狀態(tài)的誤判；因此，信號(hào)源的頻率不宜過大。同時(shí)，為了排除線路中工頻耦合信號(hào)的干擾，信號(hào)頻率應(yīng)與工頻信號(hào)錯(cuò)開。綜合以上因素進(jìn)行了多次試驗(yàn)，并結(jié)合文獻(xiàn)[14]，最終選取420 Hz這一特定中頻信號(hào)作為信號(hào)源頻率。

信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案見圖4，設(shè)計(jì)了1種基于IPM芯片的三相交流信號(hào)源。其中，IPM是由高速低功耗的開關(guān)管、優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成的芯片，其內(nèi)部集成有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，與常規(guī)逆變橋交流信號(hào)源相比，該信號(hào)源無需設(shè)計(jì)PWM驅(qū)動(dòng)電路、交流逆變橋、保護(hù)電路等。IPM芯片與DSP相結(jié)合，簡化了邏輯電路，降低了功耗，提高了電路的精確性與可靠性。

圖4 交流信號(hào)源設(shè)計(jì)Fig.4 Design of AC signal source

裝置采用的IPM芯片型號(hào)為PSS10S92E6-AG，其中，12 V電源通過Boost和Buck電路為IPM和DSP芯片供電，DSP芯片產(chǎn)生PWM信號(hào)控制IPM產(chǎn)生三相信號(hào)，通過LC濾波電路輸出，輸出信號(hào)實(shí)時(shí)反饋到DSP用于調(diào)整控制PWM，從而提高信號(hào)源精度。

2.4 信號(hào)測量電路

裝置對(duì)回路電流電壓的測量采用典型的電阻檢流、分壓再放大采樣的方式。圖5是裝置對(duì)回路A相電壓、電流信號(hào)的測量電路，其中：I0為裝置自帶地線流過的電流；IA、IB、IC為三相電流；UA為A相電壓；R1、R2為分壓電阻，R3為限流電阻；INA1、INA2為運(yùn)算放大器。

如圖5所示，將線路中的每相電壓電流信號(hào)分別通過分壓電阻R1、R2和限流電阻R3轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，然后利用運(yùn)算放大器INA1、INA2進(jìn)行調(diào)理放大，最終將三相信號(hào)輸入ADC。

圖5 信號(hào)測量電路Fig.5 Signal measurement circuit

運(yùn)算放大器采用集成差分運(yùn)算放大器INA129。與普通放大器相比，差分放大器可以有效抑制輸入信號(hào)中的共模噪聲和地線電平電壓浮動(dòng)對(duì)電路的影響。ADC采用AD7606芯片，該芯片具有8個(gè)16位信號(hào)采集通道，所有通道均能以高達(dá)200 s-1的采樣率采樣。AD7606芯片可以與DSP方便地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的精確采集。

2.5 嵌入式ARM

嵌入式ARM指的是嵌入式微處理器，ARM集嵌入式控制、高效數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信于一體，內(nèi)核計(jì)算速度很快，且能提供友好的人機(jī)操作界面?；贏RM在數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)控制方面的強(qiáng)大優(yōu)勢，本文采用ARM920T芯片，搭載Andrioid操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于DSP與嵌入式Android系統(tǒng)的智能檢測裝置。根據(jù)裝置的檢測功能對(duì)ARM芯片進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能外擴(kuò)[19-20]，裝置的ARM架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

JTAG—聯(lián)合測試工作組接口，joint test action group的縮寫；SDRAM—同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存，synchronous dynamic random-access memory的縮寫。

其中，LCD觸摸顯示屏實(shí)現(xiàn)了觸屏化的檢測操作，可手動(dòng)輸入線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以定位接地點(diǎn)。并且屏幕可顯示去往接地點(diǎn)的線路圖，幫助檢修人員快速拆除接地線。

4G模塊和WiFi模塊保證了裝置在每時(shí)每地都能以無線方式與外網(wǎng)連接，將接地線的檢測狀態(tài)及地理位置同步到云端服務(wù)器，遠(yuǎn)程指引接地線拆除工作。

RS232串口用于ARM與DSP芯片的連接，實(shí)現(xiàn)ARM芯片與DSP的信息交互。JTAG接口電路用于芯片內(nèi)部Flash等器件的在線編程，測試嵌入式ARM芯片的電氣特性。

Android操作系統(tǒng)是一種基于Linux的開源操作系統(tǒng)，主要用于移動(dòng)及嵌入式設(shè)備。由于Android系統(tǒng)具備簡潔人性化的界面、流暢靈活的運(yùn)行操作，具有極強(qiáng)的人機(jī)互動(dòng)性、軟件擴(kuò)展性以及系統(tǒng)易移植性，本裝置選用Android系統(tǒng)作為嵌入式ARM的操作系統(tǒng)，并在Android系統(tǒng)中編寫并運(yùn)行接地線檢測軟件，整個(gè)檢測過程通過觸屏操作ARM中的檢測軟件實(shí)現(xiàn)，簡單易學(xué)，利于裝置的推廣。

3 算法設(shè)計(jì)

3.1 接地線狀態(tài)及短路類型的判斷

接地線狀態(tài)及短路類型的判斷流程如圖7所示，其中It為電流閾值。考慮到即使遠(yuǎn)方無接地線時(shí)，輸電線路存在分布式電容也會(huì)形成回路電流，因此在對(duì)接地線狀態(tài)進(jìn)行判斷之前，根據(jù)輸電線路的線路參數(shù)和環(huán)境信息設(shè)定電流閾值It用于排除干擾。

圖7 接地狀態(tài)判斷流程Fig.7 Flow chart of grounding judgment

3.2 接地線定位計(jì)算

接地線狀態(tài)和短路類型判斷完成后，若存在接地線，還需進(jìn)一步對(duì)接地線的位置進(jìn)行計(jì)算。接地線的定位算法基于諧波阻抗測距法，通過計(jì)算檢測裝置到接地線之間的諧波阻抗值，根據(jù)諧波阻抗值正比于線路距離判斷出接地點(diǎn)的位置。故檢測算法中需計(jì)算不同短路情況下測量點(diǎn)到接地線之間的阻抗。

如圖1所示的線路中，遠(yuǎn)方發(fā)生三相短路時(shí)，設(shè)短路點(diǎn)至裝置測量點(diǎn)之間的距離為L，線路每公里的正序諧波阻抗為Z，則裝置測量點(diǎn)的相間電壓

(1)

在三相短路中，諧波阻抗

(2)

故在發(fā)生三相短路時(shí)，諧波計(jì)算阻抗正比于測量點(diǎn)到短路點(diǎn)的距離，通過諧波阻抗ZK和線路單位長度正序諧波阻抗Z，可得到

(3)

根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]可知，當(dāng)發(fā)生兩相短路和兩相接地短路，式(3)依然成立。當(dāng)發(fā)生單相接地短路，計(jì)算時(shí)需引入零序補(bǔ)償系數(shù)K，

(4)

式中：Z1為線路正序諧波阻抗；Z0為正序諧波阻抗。由補(bǔ)償系數(shù)可得到

(5)

故在發(fā)生單相短路接地時(shí)，諧波計(jì)算阻抗正比于測量點(diǎn)到短路點(diǎn)的距離，通過諧波阻抗ZK、零序補(bǔ)償系數(shù)K和線路單位正序諧波阻抗Z，可得到

(6)

因此，根據(jù)諧波電流電壓信號(hào)計(jì)算諧波阻抗ZK，再根據(jù)線路參數(shù)便可計(jì)算出接地線的位置。

4 軟件設(shè)計(jì)

在完成ARM底層驅(qū)動(dòng)的開發(fā)和Android系統(tǒng)的移植后，利用JAVA語言編寫接地線檢測軟件運(yùn)行于嵌入式Android系統(tǒng)中[23-25]，實(shí)現(xiàn)ARM與DSP的協(xié)調(diào)控制，完成整個(gè)檢測過程。檢測軟件的工作流程如圖8所示。

FIR—數(shù)字濾波，finite impulse response的縮寫。

軟件的檢測過程如下：

a)初始化：軟件啟動(dòng)，進(jìn)行儀器自檢，儀器正常后讀取線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行初始化。

b)殘壓檢測：在屏幕輕觸“開始檢測”按鈕，ARM發(fā)送殘壓檢測指令到DSP，開始檢測線路殘壓。若線路殘壓超過設(shè)定的閾值50 V，報(bào)警并停機(jī)。

c)信號(hào)注入與采樣：控制DSP產(chǎn)生三相交流信號(hào)注入線路，同時(shí)采集回路電壓電流信號(hào)。

d)數(shù)據(jù)傳輸：將采樣數(shù)據(jù)由DSP發(fā)送至ARM。

e)數(shù)據(jù)處理：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，提取特定頻率信號(hào)。

f)計(jì)算分析：軟件內(nèi)置算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，顯示接地線的存在狀態(tài)，并顯示去往接地點(diǎn)的路線圖。

g)數(shù)據(jù)上傳：將檢測結(jié)果經(jīng)WiFi或4G模塊上傳至云端服務(wù)器。

5 樣機(jī)研制與測試

本文研制的測試樣機(jī)如圖9至11所示。圖9是樣機(jī)的外觀示意圖，圖10是ARM中接地線檢測軟件的示意圖，圖11是檢測結(jié)果示意圖。

圖9 樣機(jī)外觀示意圖Fig.9 Schematic diagram of the prototype

圖10 接地線檢測軟件示意圖Fig.10 Schematic diagram of the detection software

圖11 檢測結(jié)果示意圖Fig.11 Schematic diagram of detection result

5.1 接地判斷功能測試

受實(shí)驗(yàn)條件所限，本文根據(jù)輸電線路的集中參數(shù)等值電路模型，搭建電阻、電感、電容元件的串并聯(lián)電路以模擬實(shí)際輸電線路，對(duì)樣機(jī)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，具體電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)見文獻(xiàn)[16]。實(shí)驗(yàn)通過改變電阻、電感等元件的參數(shù)來模擬臨時(shí)接地線距離裝置檢測點(diǎn)的線路長度。

首先對(duì)裝置的接地狀態(tài)判斷功能進(jìn)行測試，測試項(xiàng)目及結(jié)果見表1。由表1可知，裝置可以準(zhǔn)確判斷遠(yuǎn)方是否存在接地線以及接地線的短路類型。

表1 接地狀態(tài)判斷功能測試結(jié)果Tab.1 Test results of grounding judgment function

5.2 接地定位功能測試

對(duì)裝置的接地定位功能進(jìn)行測試。由于線路阻抗近似正比于長度，裝置通過測量線路的電阻來計(jì)算距離，線路的單位電阻取0.131 Ω/km。測試項(xiàng)目及結(jié)果見表2。分析表2可知，裝置可以檢測出接地線的所在位置，其誤差不超過0.48 km，換算為電阻誤差不超過0.655 Ω。

表2 接地定位功能測試結(jié)果Tab.2 Test results of positioning judgment function

經(jīng)分析，導(dǎo)致定位誤差的原因主要有以下2點(diǎn)：

a)受接觸電阻的影響。裝置內(nèi)部、裝置與線路的接線存在著接觸電阻，而這些接觸電阻未被計(jì)算，導(dǎo)致誤差。對(duì)此，可在裝置內(nèi)部設(shè)置阻抗補(bǔ)償，盡量減小接觸電阻帶來的誤差。

b)受三相信號(hào)源精度的影響。信號(hào)源輸出的三相信號(hào)相位和幅值存在的微小誤差將導(dǎo)致較大的定位誤差。對(duì)此，需改進(jìn)信號(hào)源的穩(wěn)定性與精確性。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種基于DSP與嵌入式Android操作系統(tǒng)的便攜式接地線檢測裝置，并詳細(xì)說明了其使用方法、硬件和軟件設(shè)計(jì)。該裝置采用嵌入式ARM與DSP相結(jié)合，基于信號(hào)注入法實(shí)現(xiàn)了接地狀態(tài)的快速判斷以及接地線位置的定位。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置能準(zhǔn)確判斷接地線的存在狀態(tài)及短路類型，防止帶接地線合閘事故的發(fā)生，在一定的誤差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)接地線定位，幫助檢修人員快速拆除接地線，提高線路檢修的效率。