實時地線管理系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊 林 趙泓博 趙守忠 馮 磊 楊 威

（1. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，遼寧 錦州 121001；2. 遼寧拓新電力電子有限公司，遼寧 錦州 121000）

隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，我國電力五防系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)進入到一個高速發(fā)展的時期。近幾年智能電網(wǎng)建設(shè)的興起，更是掀起了一股全球性電網(wǎng)智能化建設(shè)研究的浪潮。五防智能化建設(shè)，作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，在近幾年的研究中，取得了長足的進步和可喜的研究成果。

因為設(shè)備檢修后漏拆臨時接地線引起帶接地線合閘的惡性誤操作，對電網(wǎng)存在嚴重威脅。對于地線的掛接與拆除，傳統(tǒng)的地線管理已不能滿足目前的要求。由于主控室無法直觀掌握工作人員在現(xiàn)場對地線實際的操作情況，導(dǎo)致在運行管理過程中仍然需要安排人力，到現(xiàn)場進行巡查，以確保地線掛接的安全可靠、確保拆除地線的準確無誤。這種運行管理模式，不僅浪費了人力和物力，而且在五防智能化方面也沒有能夠很好的體現(xiàn)。

實時地線管理系統(tǒng)能有效彌補了傳統(tǒng)地線管理的不足，徹底解決臨時地線的操作和日常管理過程中存在的安全隱患。該系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)，RFID無線射頻技術(shù)和地線管理軟件，可以對地線的掛接位置和狀態(tài)等，進行規(guī)范管理，避免地線的隨意使用，防止人為造成的誤掛或漏拆。

1 工作原理

實時地線管理系統(tǒng)由地線管理主機、無線路由器、智能地線頭、智能地線樁、地線柜等組成。實時地線管理系統(tǒng)采用 ZigBee無線通信模塊和射頻檢測裝置作為地線檢測器。地線檢測器安裝在智能地線頭內(nèi)，當?shù)鼐€頭掛接到地線樁上或者從地線樁上拆下時，地線樁內(nèi)的磁柱觸發(fā)地線檢測器中的干簧管，使 LPC1114F微控制器從睡眠模式切換到正常運行模式，之后射頻檢測裝置即可讀取地線樁上的射頻扣ID號，通過ZigBee無線通信技術(shù)把地線使用信息發(fā)送到與其鄰近的路由器中，路由器向此地線檢測器發(fā)送睡眠指令，這樣就大大降低了地線檢測器的日常功耗，由于路由器內(nèi)都裝有ZigBee模塊，這樣路由器之間就可以自動組網(wǎng)，使ZigBee無線通信以接力的形式把信息傳送到主控室內(nèi)。由于地線掛接點名稱已與地線樁上的射頻扣 ID號一一對應(yīng)，因此主控室內(nèi)的實時地線管理軟件即可知道哪條地線掛接到具體什么位置，在圖形界面上顯示目前地線使用情況，并通過ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)把此信息存儲到Access數(shù)據(jù)庫中，這樣主控室人員即可清晰地了解到現(xiàn)場地線的掛接、取放狀態(tài)，以及地線在現(xiàn)場的掛接位置并可以通過“記錄查詢”功能檢索出相關(guān)記錄。實時地線管理系統(tǒng)組成如圖 1所示。

圖1 實時地線管理系統(tǒng)組成

實時地線管理軟件與防誤系統(tǒng)軟件安裝在同一臺計算機中（即管理機），它們之間能夠以共享內(nèi)存的方式通信從而使地線管理與防誤系統(tǒng)很好地結(jié)合起來，以達到更理想的防誤效果。例如：當從地線柜中取出地線時，主控室內(nèi)的實時地線管理軟件把這個操作信息傳送給防誤系統(tǒng)軟件，防誤系統(tǒng)軟件即開始判斷這個動作是否符合五防邏輯，如果符合，防誤系統(tǒng)則允許繼續(xù)預(yù)演，操作人員即可以使用無線電腦鑰匙到現(xiàn)場開鎖并操作設(shè)備；否則即強制閉鎖并進行相應(yīng)的語音提示；當使用無線電腦鑰匙到現(xiàn)場解開地線鎖具后，如果操作人員沒有把地線掛接到地線樁上，主控室內(nèi)的管理機接收不到此地線的掛接信息，這樣就不會向無線電腦鑰匙發(fā)送允許進行下一項操作的指令，無線電腦即不能操作下一項的鎖具，從而達到了對地線實時防誤的目的。

1.1 ZigBee無線通信技術(shù)

無線通信問題是實時地線管理系統(tǒng)遇到的技術(shù)難題，如果采用GPRS或3G無線網(wǎng)絡(luò)，信號質(zhì)量雖然很好，但需要二次收費；如果采用WiFi進行無線通信，信號的覆蓋面積小，通信距離短無法滿足要求；如果采用有線通信則由于現(xiàn)場復(fù)雜，無法滿足布線的要求。ZigBee技術(shù)既解決了光纖通信投資大、敷設(shè)困難等問題，又克服了其他無線通信距離短、可靠性差和通信資費等弊端，因此，本系統(tǒng)采用該通信技術(shù)。ZigBee作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)，由大量分布廣泛的微小傳感器通過無線電連接形成一個組網(wǎng)，這些傳感器以微小的能量通過接力的方式將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到下一個節(jié)點，具有很高的通信效率[1-3]。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織性，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點只要在通信范圍內(nèi)，就會自動搜索并形成一個互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)模塊終端的相對位置發(fā)生變化時，模塊會自動重新搜索通信對象，建立聯(lián)系。ZigBee網(wǎng)絡(luò)還具有無線網(wǎng)路自愈能力，當有節(jié)點出現(xiàn)通信故障時，網(wǎng)絡(luò)可自行排除該節(jié)點，通過其他節(jié)點重新建立網(wǎng)絡(luò)連接[4-6]，從而增加了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性；其傳送距離可達到 1000m，在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時其功耗只有120mW，并且在睡眠狀態(tài)下功耗僅為30μW，另外ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都可以充當路由，并且最多可達20級。

1.2 RFID射頻識別技術(shù)

由于需要反映出地線在現(xiàn)場掛接與拆除的具體位置，地線掛接位置的識別又是一個關(guān)鍵所在。因此，本系統(tǒng)采用 RFID無線射頻技術(shù)。該無線射頻技術(shù)是自動識別技術(shù)的一種高級形式，一般由兩部分組成：閱讀器和應(yīng)答器。應(yīng)答器也稱發(fā)射器或標簽，是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，其通常放在需要識別的物件上，可以發(fā)送和接收信息，并進行讀/寫操作。應(yīng)答器分為兩大類，即有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器[3]。鑒于節(jié)電方面的考慮，本系統(tǒng)采用無源應(yīng)答器，也稱為被動式標簽，其由耦合組件和芯片組成，工作所需要的能量通過耦合單元傳輸接收，因此只有在閱讀器的響應(yīng)范圍內(nèi)，它才處于激活狀態(tài)。通過電路設(shè)計和選擇工作模式有效地降低了系統(tǒng)的功耗。根據(jù)實際情況的需求，該 RFID系統(tǒng)采用125kHz的振蕩頻率，并且具有低功耗、高效防碰撞等特征，主要包括：基于SOC的硬件控制電路、微控制器與射頻模塊的通信。在軟件決策中，提出了一種改進的防碰撞算法，將閱讀器跳頻輪詢技術(shù)和標簽的分頻技術(shù)與傳統(tǒng)的幀時隙ALOHA算法相結(jié)合，降低了標簽的碰撞幾率，減少了識別時間和重復(fù)發(fā)射次數(shù)，從而提高了識別效率。

該 RFID系統(tǒng)利用 LPC1114F微控制器的一個I/O引腳產(chǎn)生一個標準載波信號，經(jīng)過限流電阻送入推挽式連接的三極管功率放大電路，放大后的載波信號通過天線發(fā)射出去[7-8]。天線與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，諧振頻率為125kHz，諧振電路的作用是使天線上獲得最大的電流，從而產(chǎn)生最大的磁通量，獲得更大的讀卡距離。利用二極管、電阻和電容組成一個檢波電路，該電路用來去除 125kHz載波信號，還原出有用信號。再用電容和電阻構(gòu)成一個帶通濾波電路，濾除 125kHz以外的干擾信號。最后通過濾波放大電路對檢波后的信號進行濾波放大，放大后的信號送入LPC1114F微控制器的定時/計數(shù)器T1的輸入引腳，由微控制器對接收到的信號進行解碼，實現(xiàn)對ID號的識別。

1.3 實時地線管理系統(tǒng)設(shè)計

實時地線管理系統(tǒng)采用 ZigBee無線通信技術(shù)實現(xiàn)了對現(xiàn)場地線使用情況的實時反饋；采用RFID無線射頻技術(shù)實現(xiàn)了對現(xiàn)場地線的每個掛接位置的識別；利用軟件開發(fā)平臺所研制的地線管理軟件實現(xiàn)了以界面形式直觀地顯示現(xiàn)場地線的具體使用情況，并具有實時記錄、語音提示、歷史查詢、系統(tǒng)配置、圖形切換等功能，也可以與防誤系統(tǒng)相結(jié)合，從而達到五防閉鎖的目的[9-13]。實時地線管理系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。本系統(tǒng)還實現(xiàn)了調(diào)控模式的地線管理方案，使其能夠接入MIS及綜自系統(tǒng)，實現(xiàn)資源共享，每個人都可以掌握臨時接地線的使用情況，不但對單站起到了防誤的作用，而且在站間五防的應(yīng)用中也起到了很好的效果。

圖3 實時地線管理系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

2 實時地線管理系統(tǒng)應(yīng)用

2017年初實時地線管理系統(tǒng)在沈陽地鐵二號線渾南停車場得到了實際應(yīng)用。該系統(tǒng)目前運用已近10個月，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無事故發(fā)生。通過該系統(tǒng)的實時性，現(xiàn)場操作人員可以準確的得知設(shè)備帶電情況以及地線使用情況，每步操作都有語音報警提示。傳統(tǒng)地線操作時，由于沒有操作規(guī)則，經(jīng)常出現(xiàn)帶電掛地線的情況，出現(xiàn)大量事故。本系統(tǒng)使現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與防誤主機狀態(tài)實時對位，在現(xiàn)場設(shè)備帶電的情況下，無法進行掛接地線操作，只有當設(shè)備斷電，反饋回防誤主機，防誤主機判斷設(shè)備是否帶電，判斷準確無誤后允許進行地線掛接操作。

實時地線管理系統(tǒng)圖形界面如圖4所示，該界面是根據(jù)現(xiàn)場需求，使用戶可以直觀的查看相關(guān)變電站的地線頭狀態(tài)、電量、信號強度、地線使用情況、地線掛接位置等信息，同時能夠統(tǒng)計接地組數(shù)，并且具有誤操作報警和歷史記錄等功能，極大的提高了地線系統(tǒng)操作的智能化管理程度。地線掛接正確、放回正確、已拆除、通信故障如圖5地線狀態(tài)所示。

圖4 實時地線管理系統(tǒng)圖形界面

圖5 地線狀態(tài)

2.1 接線圖界面

在變電站一次接線圖界面下，用戶可查看相關(guān)地線掛接情況及掛接位置，在一次接線系統(tǒng)圖上直接顯示掛接的地線號及掛接位置（如圖6所示），“3號地線已掛接”更方便、更直觀。

2.2 操作流程

當運行人員對設(shè)備準備操作時，首先應(yīng)該在五防系統(tǒng)下進行操作開票，確認操作票正確無誤后，按照操作票進行模擬預(yù)演，預(yù)演符合防誤規(guī)則，則將預(yù)演的操作邏輯規(guī)則傳入電腦鑰匙，傳輸完畢后，手持電腦鑰匙，進入現(xiàn)場進行操作。如果掛接#1和#2地線，則進入地線室取出該兩組地線，如果誤取出（如取出#2和#4），則后臺管理系統(tǒng)會自動語音報警取出地線不符。正確取出后進入現(xiàn)場，根據(jù)電腦鑰匙里傳入的邏輯規(guī)則開鎖，如果掛接位置與預(yù)演位置不符，后臺顯示錯誤掛接位置并語音報警。只有當掛接完全正確后才能進行下一步預(yù)演操作，否則閉鎖，這樣避免了漏掛和錯掛的現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖6 實時地線管理系統(tǒng)一次接線圖界面

當拆除地線時，也應(yīng)該嚴格按照五防邏輯進行拆除，并按照地線取出位置放回地線室，如果漏拆或拆錯，下一步操作將會閉鎖，不能進行下步操作。在地線掛接后，智能地線頭的檢測器會將掛接信息上報到實時地線管理后臺軟件上，后臺軟件會顯示當前地線掛接位置，并伴有語音提示。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

1）地線身份具有惟一識別特點，區(qū)別于其他五防閉鎖設(shè)備。

2）實現(xiàn)不同電壓等級的實時管理。

3）支持調(diào)控模式地線管理，采用網(wǎng)絡(luò)通信方式并將地線分為私有地線（一般子站使用）、公共地線（一般操作隊使用）和全局地線（一般整個局內(nèi)都能使用）三個等級類別，一套裝置最大可管理 256組地線。

4）實時反映地線的掛接、取放狀態(tài)，及在現(xiàn)場的掛接位置，并能夠與五防閉鎖軟件相結(jié)合從而實現(xiàn)對地線的五防閉鎖。

5）地線使用情況實時語音匯報，每條地線的掛接和使用狀態(tài)都能通過網(wǎng)絡(luò)與主機相連，能夠?qū)崟r語音匯報（延時時間不超過5s）。

6）既可以與五防裝置聯(lián)機使用，又可以單獨運行。

7）多種數(shù)據(jù)通信接口，既可以采用串行通信又可以采用網(wǎng)絡(luò)通信。

8）采用微機顯示，用戶操作界面更人性化，操作直觀方便。

9）提供詳細的地線使用記錄和查詢，記錄容量大，可存儲2000條記錄。

3 結(jié)論

實時地線管理系統(tǒng)能有效彌補了傳統(tǒng)地線管理的不足，徹底解決臨時地線的操作和日常管理過程中存在的安全隱患。該系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)，RFID無線射頻技術(shù)和地線管理軟件，可以對地線的掛接位置和狀態(tài)等，進行規(guī)范管理，避免地線的隨意使用，防止人為造成的誤掛或漏拆。實時地線管理系統(tǒng)不但可以解決目前微機防誤閉鎖裝置對接地線無法識別管理的問題，而且還能實時查詢地線是否在地線室指定位置，并且還可以實時的跟蹤和檢測當前各組接地線在現(xiàn)場所掛接的位置及狀態(tài)。做到地線按章使用，規(guī)范管理，有記錄可查詢，防止隨意的使用，為電力安全生產(chǎn)提供有力的保障。

實時地線管理系統(tǒng)在地鐵二號線渾南停車場運行正常，無事故發(fā)生。通過實際應(yīng)用和實驗發(fā)現(xiàn)地線管理軟件圖形顯示、操作記錄以及語音提示準確無誤。綜合考慮地線在使用過程中的特點所研制的“實時地線管理系統(tǒng)”實現(xiàn)了人在主控室即可實時掌握現(xiàn)場地線的使用情況，有效地提高了智能化管理水平。

[1] 楊文舉. 基于ZigBee技術(shù)的無線點餐系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]. 南昌: 南昌大學(xué), 2009.

[2] 劉清茂, 萬春紅, 楊彩玲, 等. 基于 ZigBee的水泥生產(chǎn)過程電量無線采集[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(3):85-86, 92.

[3] 楊慶新, 章鵬程, 祝麗花, 等. 無線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與技術(shù)瓶頸問題[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015,30(5): 1-8.

[4] 張秀平, 單文坤. 微功耗無線網(wǎng)在線防誤操作系統(tǒng)在那蘭水電廠的應(yīng)用[J]. 水電站機電技術(shù), 2011,34(3): 117-118, 124.

[5] 朱建. 嵌入式 RFID物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 沈陽: 東北大學(xué), 2010.

[6] 李瑾. 無線射頻識別(RFID)防碰撞算法的研究和仿真[D]. 北京: 北方交通大學(xué)碩士論文, 2003.

[7] 敖華, 陳淵睿, 駱祖國, 等. 基于 AVR單片機的125kHz簡易 RFID閱讀器設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2010, 7: 111-114.

[8] 張獻, 苑朝陽, 章鵬程, 等. 基于電磁諧振耦合的無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸能力估算與驗證[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(19): 47-54.

[9] 劉仁琪, 袁興福, 葛歡, 等. ELMS智能地線管理系統(tǒng)研究和應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2010, 26(11):33-36.

[10] 彭彬, 于浩, 呂曉俊. 新一代在線監(jiān)控臨時接地線管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015,39(24): 110-114.

[11] 劉仁琪, 呂曉俊, 黃進, 等. 臨時接地線綜合管理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 34(22):109-112.

[12] 司小慶, 李文書, 張志朋, 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的變電站智能檢修報警系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電氣技術(shù), 2017,18(1): 117-119.

[13] 魏勇, 楊東海, 劉星, 等. 適于大運行模式的變電站輔助控制系統(tǒng)集成設(shè)計[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(1):60-63.