变电站接地线在线监测系统的研究与开发

王海欧，林凌

（1.浙江省电力公司检修分公司，杭州311232；2.台州学院，浙江台州318000）

变电站接地线在线监测系统的研究与开发

王海欧1，林凌2

（1.浙江省电力公司检修分公司，杭州311232；2.台州学院，浙江台州318000）

接地线在设备检修过程中承担着保护作业人员人身安全的重任，接地线管理不规范造成的后果非常严重。因此，提高接地线使用的可靠性是一个需要重视的问题。为了实现对接地线的实时监测，设计了1套基于GSM（全球无线通信系统）的接地线管理系统。该系统可以将接地线的借出、归还情况以及挂接位置等相关信息通过GSM发送到远端监测后台和相关人员的手机，从而加强对接地线的管理，有效减少现场接地线漏挂、漏拆等行为，避免了由此而产生的严重后果，提高了现场作业的安全性。

接地线；在线监测；GSM；单片机

0 引言

在变电站检修工作中，除了使用接地闸刀外，有时要求挂接地线。接地线是线路或电气设备停电检修工作中的一种安全用具，便于携带，可在现场灵活使用。接地线的作用是将大地零点电位与电气设备相连接，使所检修的电气设备始终处于安全电位，防止线路或设备误操作等导致的突然送电对工作人员和设备造成伤害。挂接地线是保护检修人员安全的屏障，在实际工作中，由于需要频繁挂接地线，而挂接地线的操作又看似简单，很容易使人产生麻痹思想，经常发生误挂、误摘、漏挂、漏摘等误操作，致使本应起到保护作用的接地线反而成为了重大误操作隐患。

为了防止带接地刀闸或接地线送电的恶性误操作事故的发生，在变电站一般装设“五防”系统，通过事先设定的闭锁条件和机械及电气联锁来防止误操作的发生，但是就目前来说只对接地刀闸有比较好的效果，而对临时加挂的接地线则起不到作用[1]。由于目前接地线的挂接状态以及挂接位置都要靠值班员现场观察得到，其主观性较大，主要依靠人员的责任心，易发生误操作，存在较大安全隐患。因此需要一种在线监测接地线的系统，使值班员能准确得知接地线的状态和位置，并能查看每条接地线是否被借出、借出的时间以及挂接的地点等，从而辅助运行人员加强接地线管理，减小误操作的几率。

1 系统总体结构

随着越来越多的变电站开始实行无人化值班，主站的工作人员想要掌握各子站现场的接地线情况，就需要采用一种长距离的信息通信系统，让远离变电站的运行人员或相关专业人员能够监视现场接地线的借还和挂拆情况。本文设计一套基于GSM（全球无线通信系统）网络的接地线在线监测系统，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

接地线在线监测系统主要由3部分组成：由单片机和GSM组成的接地线监测装置（负责信号采集以及数据传输）、用于采集现场接地线位置和状态的连接桩头以及位于远端主控室内的后台监控系统。

接地线监测装置一方面采集接地线在安全工器具室内的在位情况，另一方面采集借出的接地线在现场的位置和状态情况。采集来的数据可以通过GSM发送至远端监测后台，还可以设置发送至相关人员的手机，使工作人员远程掌握接地线的相关情况。现场接地线连接桩头由系统统一编码，每个桩头的编码对应现场的1个位置，同时给每个接地线配置1个电子身份牌。当电子身份牌和接地桩头连接时，系统读取相关数据获得接地线的编号及挂接位置。远端监测后台则通过和接地线监测装置通信来获取接地线的相关情况，并以可视化的方式显示在后台系统上，为值班人员提供现场接地线的相关信息。接地线在线监测系统结构如图2所示。

图2 接地线在线监测系统结构

2 接地线监测装置的硬件设计

接地线在线监测装置主要涉及开关量的采集和GSM数据传输，计算简单并且计算量少，用普通的8位单片机足以胜任。因此本系统采用STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器STC89C52，其具有8K可编程Flash存储器、512字节RAM、内置4K EEPROM、4个外部中断、1个7向量4级中断结构以及全双工串行口。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能，为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、高效的解决方案，装置结构如图3所示。

图3 接地线在线监测装置结构

2.1 信号采集系统

信号采集系统主要是采集接地线柜中接地线的在位情况以及现场接地桩头接地线连接情况。

首先，采集位于接地线柜底部的位控开关信号，判断接地线是在位还是离位。为避免因放置位置偏差造成位控开关有效压力低，造成接地线在线监测装置误判，本设计中采用套筒来固定接地线，把压控开关放置在套筒底部，套筒固定在接地线柜内，再把接地线放入其中，这样既美观又不会因为接地线没放好而误显示接地线离位[2]。接地线在位布置如图4所示。正常在位时，位控开关处于受压状态，装置通过查询相应控制字来判断接地线的状态。当接地系统从接地线柜中取出时即触发位控开关，改变相关控制字，同时接地线监测装置给出声光报警，并向后台监控系统发信，显示相应接地线的离位状态[3]。

图4 接地线在位布置

由于电压等级高的变电站一般场地较大，而且其中的电磁环境较为复杂，因此在使用无线传输时，电气设备的电磁场易对信号传输造成干扰，导致对现场接地线状态的误判。采用有线传输能较好地屏蔽现场的电磁干扰，提高数据传输的准确性。

由于单片机接口有限，而现场接地桩头数量又较多，因此采用串口通信较为方便。典型的串行通信标准有RS232和RS485。相对于RS232来说，RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器，抗共模干扰能力强，即抗噪声干扰性能好；最大传输距离可达3 000 m，在总线上允许连接多达128个收发器，具有多站连接能力，方便用户利用单一的RS485接口建立设备网络。因此现场接地桩头采用RS485有线传输至单片机。现场每个接地桩头配1个简单的位控开关，而每根接地线配1个电子身份牌，每当接地线挂接时，电子身份牌接入接地桩头的开关回路，触发给单片机1个信号，再由单片机判断该信号的提供端口以及连接接地线的电子身份牌，查出相对应的现场位置和接地线编号，从而得出相应接地线挂接位置。

2.2 通信系统

GSM是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟且应用最广泛的一种通信系统[4-5]。目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信网的主要方式。SMS（短消息服务）是GSM技术应用中的一项重要内容，具有如下优点：一次可传输140Byte的数据；数据的内容可以是字符或数字，在短消息传送过程中，不进行呼叫连接建立和释放；在终端设备关机时，可以保持消息在一定时间内有效；可方便地实现小数据量的信号采集和远程控制。

因此本文采用GSM短消息方式将采集到的信息和预先设定好的内容一起通过GSM网络发送至监控后台以及相关工作人员的手机里。由于GSM网络具有重发、延时重发机制，可以最大程度避免帧发送错误、帧丢失的现象，保证通信数据的可靠性。本装置使用西门子公司的GSM模块TC35i，通过AT命令集指令实现SMS的接收和发送。

后台监测系统采用LT8010模块和远端的接地线监测装置通信。LT8010是利事达公司生产的一款集成GSM模块，内置SIM卡口。每个LT8010对应1个SIM卡号，用相应的AT命令参数，可以灵活实现点对点、点对多或信息广播等数据传输功能。

3 系统软件设计

接地线在线监测装置正常工作状态下，程序通过不断查询相关控制字获得接地线在位情况，并通过中断方式获取接地线挂接位置的相关信号，通过单片机来控制GSM模块和远端后台监测系统的通信，将各个状态及其时间发送至后台监控系统以及相关工作人员的手机，从而为运行人员提供接地线状态管理依据。系统主程序流程如图5所示。

此外，由于目前短信息的广泛使用，各种垃圾信息日益增多。为了避免此类信息对系统造成的影响，装置在接收到SMS信息后，首先判断信息的来源，由于从GSM通信模块读出的内容包括了发送信息的通信模块的卡号，只要判断该号码与原先在线监测装置通信模块的卡号是否一致即可，若不一致则直接作删除处理[6]。同时也要考虑到在进行短消息发送时GSM网络可能会出现网络繁忙、发送失败的情况，为此，在短消息发送失败后会自动重发，确保相关信息能被传送至后台。

4 结语

图5 接地线在线监测装置主程序流程

通过采集现场接地线状态的相关数据来实现对接地线在位情况以及现场挂接情况的管理，可有效避免接地线因人为操作不当或者现场多种工作同时开工带来的安全隐患，有效保证人身及设备的安全。同时利用远距离GSM传输方式，可实现远程在线监测目的，有利于无人值班变电站的接地线管理。

[1]王理金，李金雄.接地线使用注意事项[J].电力安全技术，2005，4（7）∶43.

[2]徐建源，窦文君，王爱弘.接地线状态在线监测系统设计[J].电力自动化设备，2008，28（7）∶111-113.

[3]刘家军，缪俊.新型电力检修作业接地线装置的研究[J].电力系统保护与控制，2009，37（23）∶119-121.

[4]李从荣.利用GSM短消息实现远程监控[J].电子工程师，2005，31（4）∶34-35.

[5]戴畅，官伯然.GSM无线测控系统的硬件设计[J].杭州电子工业学院学报，2002，23（4）∶25-28.

[6]李鸿.用单片机控制手机收发短信息[J].计算机技术，2004，（11）∶23-24.

（本文编辑：赵晓明）

Research and Development of Online Monitoring System of Substation Grounding Wire

WANG Haiou1，LIN Ling2
（1.State Grid Zhejiang Maintenance Company，Hangzhou 311232，China；2.Taizhou University，Taizhou Zhejiang 318000，China）

The Grounding wire in the process of equipment maintenance bears the important task of protecting personal safety of workers.Meanwhile，the consequence caused by nonstandard management of the grounding wire is very serious.Therefore，improving the reliability of the grounding wire using needs to stressed.For real-time monitoring of the grounding wire，a grounding wire management system has been designed based on GSM（global system for mobile communication）.This system can send information including the records of borrowing and returning and active connection location of grounding wire to the remote monitoring background and cell phones of related personnel via GSM，by which the management of the grounding wire is strengthened and oversight of wire grounding and removing on the site is reduced，and the consequent result is prevented and security of the site work is improved.

grounding wire；online monitoring；GSM；single-chip microcomputer

TM862+.3

B

1007-1881（2015）06-0024-04

2014-12-11

王海欧（1982），男，工程师，从事变电运行工作。