基于射頻標(biāo)簽技術(shù)的變電站智能化管理解決方案分析

李春曉，高冰，李保罡

（1.國(guó)網(wǎng)衡水供電公司，河北衡水053000；2.華北電力大學(xué)，河北保定071003）

基于射頻標(biāo)簽技術(shù)的變電站智能化管理解決方案分析

李春曉1,2，高冰1，李保罡2

（1.國(guó)網(wǎng)衡水供電公司，河北衡水053000；2.華北電力大學(xué)，河北保定071003）

論述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為信息通信技術(shù)發(fā)展中的一門(mén)新技術(shù)，對(duì)各行各業(yè)的信息化進(jìn)程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，在智能電網(wǎng)中的發(fā)、輸、變、配、用各個(gè)環(huán)節(jié)更是進(jìn)行了大量應(yīng)用。基于物聯(lián)網(wǎng)中射頻標(biāo)簽（RFID）技術(shù)的不同頻段特點(diǎn)，對(duì)變電站智能化管理解決方案進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和分析，并得出一些有益的結(jié)論，為今后智能變電站的信息化設(shè)計(jì)提供一些借鑒。

射頻標(biāo)簽（RFID）；變電站；物聯(lián)網(wǎng)；智能電網(wǎng)；智能化

建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)是我國(guó)“十二五”經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容。變電站作為智能電網(wǎng)變電環(huán)節(jié)的重要基礎(chǔ)設(shè)施依托，其投運(yùn)數(shù)量也急劇增加。在變電站日常巡檢、電力設(shè)備檢修、重大設(shè)備管理和安全防護(hù)等任務(wù)日益繁重的情況下，科學(xué)合理的變電站智能化管理迫在眉睫。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為信息通信技術(shù)發(fā)展中的一門(mén)新技術(shù)，可以應(yīng)用于智能電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)施的高效利用，促進(jìn)電力系統(tǒng)的智能化生產(chǎn)管理[1-4]。射頻標(biāo)簽RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)作為電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，具有環(huán)境適應(yīng)性好、可重復(fù)使用、設(shè)備簡(jiǎn)便、安全可靠等特點(diǎn)。將RFID技術(shù)應(yīng)用到變電站設(shè)備智能巡檢、重大設(shè)備管理、接地線管理、人員與門(mén)禁管理等方面，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)中的Zigbee傳輸方式，會(huì)極大地提高變電站的智能化管理水平。

1 智能巡檢

變電站巡檢可以有效地保障變電站順利運(yùn)行，早期主要由工作人員到現(xiàn)場(chǎng)查看設(shè)備，用手抄方式記錄相關(guān)狀態(tài)信息，這種巡檢方式不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，還容易導(dǎo)致由于巡檢不到位、故障處理不及時(shí)而引發(fā)的電力事故。為避免傳統(tǒng)巡檢方式的弊端，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)基于RFID的智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行了研究[5-8]，已有解決方案綜合采用射頻識(shí)別技術(shù)和GPS及GPRS技術(shù)，如圖1所示。然而，鑒于電力系統(tǒng)的特殊重要性，為保護(hù)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，一般要求專(zhuān)網(wǎng)與公網(wǎng)是隔離開(kāi)的，而該方案中公網(wǎng)GPS和GPRS技術(shù)勢(shì)必會(huì)存在安全上的隱患，同時(shí)長(zhǎng)期運(yùn)行中的通信費(fèi)用也是一筆不小的費(fèi)用。

物聯(lián)網(wǎng)中的Zigbee技術(shù)，采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，是一種短距離無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，可以滿足局域網(wǎng)范圍內(nèi)的組網(wǎng)要求，具有可靠、低功耗、布置簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。根據(jù)變電站實(shí)際場(chǎng)地的大小，如220 kV衡水變電站場(chǎng)地大約為300m×300m，巡檢通信數(shù)據(jù)量大約為幾十kB，所以Zigbee傳輸網(wǎng)絡(luò)完全可以勝任，建議將RFID技術(shù)與Zigbee技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，克服前述方案中的公網(wǎng)通信弊端。數(shù)據(jù)采集部分由于閱讀器和標(biāo)簽需要有幾m的識(shí)讀距離，可以采用915MHz超高頻率RFID標(biāo)簽，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀取；數(shù)據(jù)傳輸部分通過(guò)在巡檢路線上和監(jiān)控中心之間均勻布置一些Zigbee路由節(jié)點(diǎn)，以多跳的方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的及時(shí)回傳。采用的改進(jìn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 基于RFID+GPRS的巡檢系統(tǒng)

圖2 基于RFID+Zigbee的巡檢系統(tǒng)

2 臨時(shí)接地線管理

掛接地線在電力設(shè)備檢修中是保護(hù)作業(yè)人員安全最為重要的一道安全屏障。變電站內(nèi)臨時(shí)接地線的科學(xué)管理對(duì)于減少事故能起到至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的接地線管理主要從制度流程上把關(guān)，由于接地線使用頻繁且操作看似簡(jiǎn)單，容易使人產(chǎn)生麻痹思想，不正確的使用或漏拆接地線也極有可能引起嚴(yán)重電力系統(tǒng)事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)的接地線管理由于遺漏產(chǎn)生的事故，在所有電力系統(tǒng)故障中占到33%。國(guó)內(nèi)對(duì)變電站接地線管理系統(tǒng)的研究比較分散，主要是針對(duì)變電站接地狀態(tài)電子管理顯示系統(tǒng)、配網(wǎng)中可移動(dòng)地線防誤管理系統(tǒng)、線路檢修及接地線狀態(tài)監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)等方面[9,10]。

根據(jù)臨時(shí)接地線管理中的遺漏拆特點(diǎn)以及操作流程特點(diǎn)，提出一個(gè)由數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理三部分組成的臨時(shí)接地線管控系統(tǒng)。其中，由于閱讀器和標(biāo)簽之間需要保證盡量靠近但還要讀取方便，實(shí)驗(yàn)表明保證10 cm左右讀取距離即可。選取13.56MHz高頻RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器可以實(shí)現(xiàn)臨時(shí)地線接地掛接狀態(tài)獲取，基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)接地點(diǎn)信息搜集及遠(yuǎn)程發(fā)送，利用Web中心軟件接收作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送的接地?cái)?shù)據(jù)信息、并顯示各接地線的接地狀態(tài)和位置信息。

其中，對(duì)于狀態(tài)信息獲得部分的RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器，提出對(duì)固定“接地點(diǎn)”配置RFID抗金屬標(biāo)簽和臨時(shí)地線配置RFID讀寫(xiě)器，以便標(biāo)簽可以適應(yīng)室外惡劣環(huán)境且價(jià)格便宜，適宜大量部署；而讀寫(xiě)器可以靈活配置活動(dòng)接地線，避免極端環(huán)境影響和需求量較少。對(duì)于Zigbee網(wǎng)絡(luò)部分，主要利用Zigbee節(jié)點(diǎn)和Zigbee路由器搭建低功耗無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將信息發(fā)送到監(jiān)控中心，在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)2.4GHz無(wú)線信號(hào)的可靠傳輸是整個(gè)系統(tǒng)管控的保障。對(duì)于后臺(tái)管理軟件部分，利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)地線狀態(tài)信息的二維圖形象顯示，另外也可以加入報(bào)警和查詢功能等。

3 人員與門(mén)禁管理

變電站中的高壓設(shè)備隨時(shí)都會(huì)對(duì)周?chē)藛T的安全造成威脅，同時(shí)部分重要操作區(qū)域的進(jìn)入權(quán)限必須得到有效控制，工作人員考勤也需要實(shí)現(xiàn)管理信息化。門(mén)禁系統(tǒng)是由現(xiàn)代安全防護(hù)技術(shù)和身份識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，用于實(shí)現(xiàn)各種重要區(qū)域出入口的防護(hù)管理。在變電站中，應(yīng)用門(mén)禁系統(tǒng)除滿足一般的安防要求外，還可加強(qiáng)站內(nèi)系統(tǒng)的管理以及對(duì)進(jìn)出人員的記錄、考勤等。

根據(jù)RFID門(mén)禁控制的基本原理和變電站的實(shí)際需求，采用緊耦合距離125 kHz低頻RFID標(biāo)簽，設(shè)計(jì)如圖3所示變電站人員與門(mén)禁管理系統(tǒng)。按照工作人員活動(dòng)范圍和權(quán)限，預(yù)制出各種等級(jí)卡；在相關(guān)區(qū)域入口處安裝讀卡器和門(mén)禁控制器，工作人員把標(biāo)簽卡放到讀卡器上刷卡，讀卡器把讀到的卡號(hào)等信息發(fā)送到門(mén)禁控制器，經(jīng)判斷如符合級(jí)別條件，門(mén)磁裝置就開(kāi)啟。系統(tǒng)把處理的結(jié)果進(jìn)行內(nèi)部統(tǒng)一記錄，并且通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控管理中心作為歷史紀(jì)錄供以后查詢。出門(mén)情況只需按下出門(mén)按鈕，電子鎖就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。系統(tǒng)還可以對(duì)進(jìn)出人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，只要有讀卡動(dòng)作，門(mén)禁控制器就將當(dāng)前的處理結(jié)果傳送到監(jiān)控管理中心并進(jìn)行提示。

4 變電站智能化綜合解決方案

基于上述智能巡檢、臨時(shí)接地線管理、人員與門(mén)禁控制三方面變電站智能化應(yīng)用范例，可以設(shè)計(jì)一套采用多種頻率RFID標(biāo)簽的綜合變電站智能化解決方案，如圖4所示，其中包含RFID在變電站重要設(shè)備管理等方面的應(yīng)用。該系統(tǒng)中建議使用的RFID技術(shù)對(duì)比如表1所示。可見(jiàn)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)中的RFID射頻識(shí)別技術(shù)和Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合變電站常規(guī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)的實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)的“最佳結(jié)合”[1]，對(duì)變電站的傳統(tǒng)管理模式進(jìn)行了智能化管理升級(jí)，有效實(shí)現(xiàn)了變電站管理的信息化和規(guī)范化。

圖3 人員與門(mén)禁管理系統(tǒng)

圖4 基于RFID的變電站綜合智能化管理系統(tǒng)

表1 變電站智能化管理系統(tǒng)所用RFID技術(shù)對(duì)比

該變電站智能化管理綜合解決方案具有如下顯著特點(diǎn)。

a）充分利用物聯(lián)網(wǎng)中RFID+Zigbee組合技術(shù)，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

b）統(tǒng)一運(yùn)用Zigbee無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約信息傳輸開(kāi)銷(xiāo)。

c）統(tǒng)一的監(jiān)控中心管理系統(tǒng)避免重復(fù)建設(shè)，發(fā)揮聯(lián)動(dòng)監(jiān)控作用。

5 結(jié)論

本文將信息通信技術(shù)發(fā)展中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能電網(wǎng)建設(shè)中的變電環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)合，基于RFID技術(shù)，對(duì)變電站的設(shè)備巡檢、臨時(shí)接地線管理、人員和門(mén)禁管理和重要設(shè)備管理中的智能化應(yīng)用進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體模塊方案設(shè)計(jì)，最后提出一套R(shí)FID在變電站中的綜合應(yīng)用解決方案，將對(duì)今后智能變電站的設(shè)計(jì)提供一些借鑒。

［1］李祥珍，劉建明.面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2010（8）：41-45.

［2］王哲，孫純軍.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電站中的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2011，32（10）：41-46.

［3］陳偉，蔣漢貴.基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù)，2011（1）：73-74.

［4］趙嘉興，安學(xué)民.堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)支撐山西智慧城市建設(shè)［J］.山西電力，2013（3）：37-40.

［5］馮艷.基于RFID和GPS技術(shù)的電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)研究［J］.安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，18（3）：55-57.

［6］王越，麻賽軍.基于RFID的變電站巡檢系統(tǒng)［J］.四川電力技術(shù)，2010，33（2）：77-79.

［7］徐恒博.基于RFID技術(shù)的變電站巡檢系統(tǒng)［D］.鄭州：鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，2012.

［8］陳明.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電設(shè)備智能巡檢系統(tǒng)研究［J］.電力信息化，2011，9（1）：85-89.

［9］劉仁琪，呂曉俊，黃進(jìn)，等.臨時(shí)接地線綜合管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（22）：109-112.

［10］郭方營(yíng)，黎英.基于RFID技術(shù)的變電站內(nèi)臨時(shí)接地線定位管理系統(tǒng)的研究［J］.云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，20（6）：515-518.

The Solutions of Substation Intellectual M anagement Based on RFID Technology

LIChun-Xiao1，2，GAO Bing1，LIBao-gang2
（1.State Grid Hengshui Power Supply Com pany，Hengshui，Hebei 053000，China；2.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China）

As a new technology in the developmentof information communication technology，the technology of Internetof Things has a profound impacton the informatization process ofall trades and professions.Ithas carried on a large amountofapplication in each link of smart grid，such as power generation，transmission，distribution，and power usage.In this paper，the solution for substation intellectualmanagementis designed and analysed based on band characteristicsofRFID technology.Some useful conclusionsare drawn to provide some references for the design ofsubstation informatization in the future.

RFID；substation；Internetof Things；SmartGrid；intellectualization

TP391.44

A

1671-0320（2014）05-0022-03

科技項(xiàng)目：2013年國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目省重點(diǎn)項(xiàng)目衡水供電公司kj[2013]153號(hào)

2014-05-21，

2014-07-28

李春曉（1980-），男，河北衡水人，2013年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)中的通信技術(shù)；

高冰（1982-），男，河北衡水人，2011年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)網(wǎng)配電自動(dòng)化；

李保罡（1980-），男，河北保定人，2012年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，博士，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)和智能電網(wǎng)通信技術(shù)。