1. 引言
输电线路杆塔的接地电阻是决定电力系统能否安全运行的重要因素之一[1]。如果接地电阻过大，就会产生危险和损失。因此，准确地测量输电线路杆塔的接地电阻对于输电线路的安全稳定运行具有至关重要的作用[2]。测量输电线路杆塔接地电阻可以有效地发现隐患，避免设备和人员伤害事故的发生。同时，接地电阻也是验证接地系统有效性的重要指标之一，是决定电力系统防雷安全性能的重要参数。接地电阻合格的接地系统可以在雷击时对雷电流提供泄流通道，从而避免输电线路的雷击跳闸事故[3]。为了保证各种电气设备和用电设备接地装置安全可靠运行，根据DLT 741-2019《架空输电线路运行规程》规定[4]，输电线路杆塔接地电阻每四年全部测量一次，从而衡量接地装置是否合格。而有些杆塔所处位置较为偏僻，难以到达，有赖于在线监测方式来实现测量。另外，利用测量大数据进行分析，形成一套有效的接地分析模型，是后续开展输电线路接地电阻相关研究的技术基础，也为电力系统的安全运行提供了数据支持和技术保障[5]。
2. 设计方案与技术依据
2.1. 方案概述
基于无线传输的多参量数据汇集接地监测装置，采用免解线方式实现输电线路杆塔的接地电阻测量，并最终将测量数据及土壤电阻率、土壤酸碱度等信息无线传输至监测系统中心服务器。本系统采用基于4G网络的远程监测方案，由中心服务器、通信控制主机和多个前端测量主机组成。其中：
前端测量主机包括接地电阻测试仪、土壤电阻率测试仪和土壤酸碱度测试仪三部分构成。其中，接地电阻测量主机采用免解线杆塔接地电阻的快速测量方法，通过对所得的电压、电流信号进行滤波处理和数据分析，得到电压、电流信号中基波分量的实部和虚部，然后通过计算方法得到被测杆塔的接地电阻[6]。
通讯控制主机将接收测量数据，并采用IEC 61850通用网络国际标准，利用4G网络技术将测量数据发送至系统平台的中心服务器。
中心服务器再将接收的数据进行分析处理，数据平台对数据进行清洗、过滤、存储。数据存储时，将实时数据与档案数据进行数据融合，然后将融合后的数据存储到关系型数据库中。
基于无线传输的多参量数据汇集接地监测系统，其总体结构示意图如图1所示：
Figure 1. Grounding monitoring system for multi parameter data collection based on wireless transmission
图1. 基于无线传输的多参量数据汇集接地监测系统图
2.2. 接地电阻测量主机技术方案
接地电阻测量主机的内部硬件原理框图如图2所示。
Figure 2. Hardware block diagram of grounding resistance measurement host
图2. 接地电阻测量主机硬件框图
电源模块负责为整个系统各个芯片提供所需电压，包括MCU所需的3.3 V电压以及信号放大等模块所需±15 V电压；MCU单元选用具有低功耗模式(最低工作电流1 μA)的MSP430单片机作为系统的总控制器，一方面用于对于仪器的运行进行控制，另一方面进行测量数据的处理；信号发生模块采用芯片AD9850输出测量所需的特定频率的正弦波信号；信号放大模块输出较高电压值的正弦交流信号；功率放大模块用于提高电路驱动能力，进而驱动4个电压互感器；四路电压互感器感应至被测回路电压信号时，回路中应产生电流；四个电流互感器通过感应方式分别将四路电流信号检测出，再经过电流电压转换模块、滤波模块滤波、交直流转换模块、AD转换模块转换为数字量送入MCU单元，从而测得电流值大小。
结合输电线路架空避雷线的实际情况，Rg >> Ze，则所发出电压与回测电流的比值，即为接地电阻值。考虑输电线路杆塔引下线的一般性，若杆塔有N条接地引下线，则其计算公式为：
(2.1)
2.3. 通信控制主机技术方案
通信控制主机采用基于Linux系统的嵌入式STM32MP257开发，从而具有高度的稳定性。基于4G网络模块，从而具有传输速率快，延时低的特点，适合于本项目中传输大数据量，交互频繁的场景。
如图3所示，系统采用太阳能电池板直流12 V供电，与接地电阻测量主机通过串口RS485通讯，并通过4G模块实现与中心服务器的无线通信，采用双向数据透明传输协议，可实现远程配置DTU参数、远程升级DTU固件、监控终端设备数据、云端透传中转终端设备数据、DTU离线报警、追踪DTU位置、监测信号质量、监测数据流量、管理SIM卡等功能。
Figure 3. Hardware block diagram of communication control host
图3. 通信控制主机硬件框图
2.4. 中心服务器实现方案
中心服务器肩负着多种功能，包括监控控制、数据的接收、处理与保存，权限管理、异常处理以及人机交互等。监控客户机上可呈现输电线路杆塔的接地电阻数据、土壤酸碱度状况、土壤电阻率大小等方面的信息，实现了对于众多线路、大量杆塔实施监测，同时做好数据的保存记录，以便于随时查看，从而保障系统稳定且高效地运行。
基于需要达成的各项功能，在开展软件设计工作时运用了模块化的理念，将整个系统划分成四个模块，分别为实时任务模块、显示模块、网络通讯模块以及辅助功能模块，具体各模块的结构可参照图4。各个模块都有其明确需要完成的任务，它们相互之间既保持着相对的独立性，又能彼此协作，以此来共同完成系统所设定的任务。
Figure 4. Modular block diagram of central server
图4. 中心服务器模块化框图
本系统存在主控流程、以太网通信以及图形绘制等多项任务，所以得给这些任务各自分配一个线程。此系统采用TCP通讯方式，要持续从服务器获取采集到的接地电阻阻值数据。为了避免对控制流程产生干扰，运用多线程编程技术开辟出一个实时采集线程，专门用来处理数据读取事宜。
3. 系统实施
基于无线传输的多参量数据汇集接地监测装置已实现在多个电压等级、多条输电线路开展系统实施，其安装示意图如图5所示：
Figure 5. System installation diagram
图5. 系统安装示意图
实施项目涵盖了不同交直流形式，不同电压等级、接地型式、地形地貌等特点，在完成接地电阻测量的同时，结合土壤酸碱度、土壤电阻率等信息，实现了多参量数据汇集。
系统实际安装照片如图6和图7所示。
在线监测系统测量数据与人工现场测量数据的对比如表1所示。
Figure 6. System on-site installation diagram (tower mounted equipment)
图6. 系统现场安装图(杆塔挂装设备)
Figure 7. System on-site installation diagram (buried equipment)
图7. 系统现场安装图(地埋设备)
Table 1. Comparison of measurement data
表1. 测量数据对比
杆塔号 |
摇表 |
在线监测系统 |
A |
B |
C |
D |
A |
B |
C |
D |
总阻值 |
1 |
1.41 |
1.22 |
1.11 |
1.01 |
1.82 |
1.93 |
1.73 |
1.82 |
1.5 |
2 |
1.63 |
1.72 |
1.72 |
1.72 |
2.12 |
2.13 |
2.07 |
2.71 |
1.9 |
3 |
2.23 |
2.12 |
2.21 |
2.22 |
2.52 |
2.63 |
2.74 |
2.71 |
2.6 |
4 |
1.43 |
1.52 |
1.41 |
1.32 |
1.82 |
1.72 |
1.81 |
1.81 |
1.6 |
5 |
1.83 |
1.82 |
1.82 |
1.72 |
2.11 |
2.31 |
2.35 |
2.22 |
2.1 |
6 |
1.71 |
1.81 |
1.72 |
1.81 |
2.01 |
2.12 |
2.12 |
2.01 |
1.9 |
7 |
1.42 |
1.42 |
1.52 |
1.41 |
2.01 |
1.88 |
1.89 |
1.90 |
1.7 |
8 |
1.11 |
1.22 |
1.21 |
1.31 |
1.54 |
1.56 |
1.55 |
1.54 |
1.4 |
9 |
0.57 |
0.57 |
0.51 |
0.59 |
0.70 |
0.71 |
0.73 |
0.73 |
0.46 |
10 |
0.73 |
0.79 |
0.77 |
0.80 |
0.91 |
0.91 |
0.92 |
0.94 |
0.67 |
11 |
0.41 |
0.43 |
0.44 |
0.42 |
0.51 |
0.52 |
0.53 |
0.53 |
0.37 |
12 |
0.89 |
0.83 |
0.85 |
0.87 |
1.21 |
1.23 |
1.24 |
1.14 |
1.01 |
13 |
0.51 |
0.59 |
0.43 |
0.42 |
0.64 |
0.74 |
0.54 |
0.53 |
0.41 |
14 |
1.35 |
1.32 |
1.28 |
1.29 |
1.31 |
1.36 |
1.33 |
1.32 |
1.14 |
15 |
0.48 |
0.49 |
0.46 |
0.50 |
0.64 |
0.65 |
0.65 |
0.65 |
0.41 |
16 |
1.44 |
1.40 |
1.49 |
1.53 |
1.72 |
1.65 |
1.79 |
1.75 |
1.48 |
17 |
0.71 |
0.70 |
0.75 |
0.76 |
0.94 |
0.84 |
0.92 |
0.95 |
0.74 |
Figure 8. Comparison of two measurement methods
图8. 两种测量方法对比图
由图8可见，基于无线传输的接地监测装置能够实现输电杆塔的接地电阻测量，但由于其基于回路法测量，引入了钳表法增量，因此测量数据略大于摇表法。而由于该指标反映了输电杆塔的防雷性能，钳表法增量的引入更进一步提高了安全指标，在规范中是允许的，并且回路法也被广泛采用。
基于无线传输的多参量数据汇集的接地监测系统平台还可以直观展示系统多参数汇集信息、土壤酸碱度曲线图以及土壤电阻率曲线图，如图9~11所示：
Figure 9. System multi parameter data collection information
图9. 系统多参量数据汇集信息
Figure 10. Soil pH curve
图10. 土壤酸碱度曲线图
Figure 11. Soil resistivity curve
图11. 土壤电阻率曲线图
4. 结论
本设计在接地监测装置的基础上，实现了包含土壤电阻率、土壤酸碱度的多参量数据汇集的无线传输，重点在前端测量主机、通信控制主机以及中心服务器三个层面展开设计研究。其中，接地监测系统能够在不解开接地引下线的情况下实时在线地进行接地电阻测量，经现场测量验证，其满足回路法测量的要求，并且从数据分析上看，也符合回路法测量的数据特征。系统还能够汇集土壤酸碱度和土壤电阻率等相关数据，通过大量的数据积累，为总结提炼出接地装置在不同地貌条件下的运行特点，提出一套行之有效的接地装置维护措施提供了重要技术依据和数据支撑。
基金项目
国网山东省电力公司科技项目资助，52061824000A，基于分布式多传感器融合接地监测装置及其综合管理系统研究。