基于Zigbee和RFID的特高压变电站工地管理系统

江 宝， 卞秀杰， 王少华

(1. 国网安徽六安供电公司， 安徽 六安 237006；2. 国家电网公司交流建设分公司， 北京 100140；3. 国网浙江省电力公司电力科学研究院， 浙江 杭州 310014)

基于Zigbee和RFID的特高压变电站工地管理系统

江 宝1， 卞秀杰2， 王少华3

(1. 国网安徽六安供电公司， 安徽 六安 237006；2. 国家电网公司交流建设分公司， 北京 100140；3. 国网浙江省电力公司电力科学研究院， 浙江 杭州 310014)

随着我国特高压电网的大规模建设，特高压变电站建设工地将面临参建单位多、人员复杂、机械设备多、施工难度大和周期长等诸多管理方面的问题。针对大型特高压变电站项目施工的安全监管技术和管理，文章提出了基于Zigbee和RFID的智能建设工地管理系统，通过对现场设备、人员和物资的实时监控管理，建立多尺度的监管层次，实现全过程的实时监管，全面提升工程建设的管理水平，从而确保特高压变电站工地建设的稳步推进。

Zigbee；RFID；特高压；工地管理系统

0 引言

按照国务院《大气污染防治行动计划》，未来几年我国特高压将进入大规模建设阶段，2014-2017年我国将建设9条防治雾霾特高压输电通道，特高压变电站建设数量达到20余个。在特高压电网大规模建设时期，工程建设的安全和质量管控是贯彻整个建设环节的重点。着眼长远，为确保工程“一次投运成功、长期安全稳定运行”，应始终坚持“安全第一、质量至上”的方针，加强对人、财、物的监督管理；结合建设工地实际，采取创新的实用技术，全面提升工程建设安全质量管理水平。

针对特高压变电站施工现场面积较大、工作面分散、设备人员多，安全性要求高的特点，需要合理、高效地管理现场工作人员，加强过程管控，确保现场安全。本文首先分析了特高压变电站建设现场管理现状和实际需求，针对出现的管理问题，提出了基于Zigbee(说明：Zigbee不是英文缩写。)无线数传网络和射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术的特高压变电站智能工地管理系统。通过安全帽的内置模块集成RFID标签，利用Zigbee模块和天线构成区域监控模块，实现对工地现场信息的实时采集和准确高效传输，这种方案可以随人移动，监控范围广，使用方便灵活，保证工地建设的安全和质量实时监控。

1 特高压变电站建设的管理现状

与传统变电站建设相比，特高压变电站建设具有全新的特点，高标准的管理，施工难度的加大。如何保证特高压工程建设的进度、质量和安全，成为特高压工程建设管理的重点。目前，电力建设占地面积较大，各方参建单位和人员较复杂，需要实现利用信息管理技术对变电站的场地化管理，提高电网建设的科技创新和管理创新能力。

特高压变电站智能工地管理系统在建设过程中需要考虑的方面主要有：

(1) 技术创新性。特高压变电站工地管理系统要实现智能化，必须利用先进的信息技术。信息传输和实时监控的综合配合可以实现整个变电站的安全和质量监控。随着最新IEC61850规约的推广，针对特高压变电站的重要地位，定制一个硬、软件性能先进、架构合理的变电站工地管理系统是非常有必要的。

(2) 经济实用性。特高压变电站的智能工地管理系统的建设既要充分考虑系统的性能价格比，又要考虑硬件设备及软件的充分利用，使系统具有合理的经济性，降低总体投资费用。从实用出发，根据应用系统的特性选择最适合的技术和工具，选用经济实用的应用系统，避免重复低水平投资。

(3) 安全可靠性。特高压变电站智能工地管理系统要充分考虑系统的安全性，应具有可行的措施防止非法入侵至破坏存储数据。由于各地特高压变电站的气候环境不同，电磁环境也非常恶劣，为了普及设备的应用，在硬件选型以及网络的抗电磁干扰方面需特别加强关注，同时在监控系统建设中还需注意抑制电磁干扰，保证数据传输的稳定可靠，具有较长的寿命周期。

2 特高压智能工地管理系统关键技术

2.1 Zigbee技术

IEEE 802.15.4标准是针对无线个人区域网络制定的标准，旨在为低功耗的设备提供有效覆盖范围在10 m左右的低速无线连接，无线传感网络是其主要市场对象。Zigbee协议以802.15.4标准的物理(Physical)层和MAC(Medium Access Control)层为基础，增加了逻辑网络、安全性和应用软件，可以实现大区域的网络覆盖和网络扩展。Zigbee技术主要应用于工业自动化、农业自动化、家庭智能控制、医疗设备控制、消费类电子产品等领域。MC13193是Freescale公司推出的短距离、低功耗、工作在2.4 GHz的射频收发芯片，其包含了IEEE802.15.4协议的PHY和MAC层，自带Zigbee协议堆栈，为开发无线传感网络提供了方便[1-2]。

Zigbee是一种短距离、低功耗的无线通信技术。最底层主要是利用 IEEE 802.15.4标准规范的媒体读取层和实体层。其具有的主要特征包括传速低、耗电少、成本小、网络节点支援多和网络拓扑结构丰富多、低复杂度、快速、可靠、安全。发送时峰值280 mA，传输距离可达到2500 m，完全满足特高压变电站的传输需求。

2.2 RFID技术

射频识别技术，又称无线射频识别，是一种通信技术。利用无线电信号实现对特定目标的识别，不需要通过识别系统和特定对象间构建光学或机械接触。无线电讯号利用具有无线电频率的电磁场，将标志在物品标签上的数据传输出来，通过信号的自动辨识并进行跟踪。通过辨识器发出的电磁场信号就可以得到目标标签的能量，所以不需要电池维持电量。对于标签也具有电源供应，可以主动输出具有无线电频率的无线电波。物品的标签含有电子存储信息，在数米范围内都可以完成识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内[3-5]。

2.3 特高压智能工地管理系统

特高压智能工地管理系统是基于RFID技术、Zigbee无线通信技术等信息技术的管理平台，其系统结构如图1所示。通过RFID技术将工地现场采集的数据信息，通过Zigbee实时传输到上位机管理数据库，同时通过管理系统统计出相应的报告，以此实现作业人员签到、安全员运动轨迹、危险区域人员管理等功能，为特高压变电站施工现场人员、设备安全生产进行管理的系统。本系统通过安全帽内置模块，设备内置模块，和区域监控模块等组成，安全帽内置将集成RFID标签、Zigbee模块及天线，及这种方案在施工现场可以随人移动，使用方便灵活，从而实现对工地现场信息的实时采集和准确高效传输。

2.4 智能工地管理系统的功能分析

特高压变电站智能工地管理系统如图2所示，分为三个部分：第一部分主要由标签和安全帽组成，将安全帽现场检测到的数据信息通过Zigbee无线模块传送至数据控制平台，实现数据检测和传输功能；第二部分通过Zigbee技术构建的网络与互联网行程网络融合平台，对现场数据信息进行采集，并利用Zigbee模块将信息准确实时地传送给后台数据管理中心，通过对数据的处理加工和智能化，实现工地设备管理、现场工作资质认证、实时监控、工勤记录和人员到岗签到等功能，作为事故责任追究的RFID信息标签，然后将读取的信息通过Zigbee模块传送到专用服务器上。第三部分为后台管理系统。管理者利用不同工种通过客户端将服务器上需要的数据进行分析辨识，实现对变电站工地的智能化管理。智能工地管理系统可完成多项功能，系统保留扩展功能，以实际需要扩展功能。

(1)实时监测和资质认证

系统通过记录各建设单位的员工信息，对建设工地现场的数据采集和存储，然后利用Zigbee无线模块作为传输介质，把工地收集的信息传输到服务器，生成相对应的数据信息库。管理客户端通过跟踪施工人员的运动轨迹，获得使用过的设备以及使用设备的时间。对于施工人员和监理人员，管理者可以利用此数据库实现更好的监督管理和现场调度，从而保证工地施工的安全性。传输到服务器的信息数据，可以利用统计分析功能实现每个工作人员设备接触的记录查看，对于违规操作的数据将呈现红色预警状态。通过规定时间内工作人员个人和全体违规操作的比例查看，管理者可以依据此比例实现管理强度和力度的有效控制，使工地现场的安全隐患降到最低值。若有事故发生，该功能也会为事故责任追溯提供有说服力的数据依据[6]。

(2)设备管理功能

在施工现场重要设备上安装标签，将设备管理系统可录入安装设备型号、运行编号等相关信息，在设备安装工程中进行监控。通过这种方式可以实现设备安装施工状态采集，在重要节点进行管理，降低各阶段存在的安全隐患。

(3)现场人员管理

运用RFID进行人员管理，人员无需排队靠近记录点，上百人同时快速进入施工现场也能正确记录。系统自动记录人员的进出施工现场的时间，并自动统计生成每日报表、每月报表等，为现场人员管理提供基础信息，并可实时监测现场人员情况。

(4)危险点管理

特高压变电站中不同分部分项工程，有很多危险的工作，在确定工作危险等级后，通过系统可以及时了解高危作业区域人员、设备状态。特别是在高压试验工作中，可以有效控制作业区域。

(5)安全预控管理

通过在系统中融入LEC安全风险评价方法定义及计算方法数学模型，以自动算出风险等级，建立风险点台账，依据工程整体进度，提早提各项示安全检查和措施落实，加强施工过程安全控制是保障工程安全的有效方法。

(6)应急支持

通过系统可及时了解事故发生前现场人员总数、分布区域、人员的基本情况和人员最后接触的设备等。在事故后可通过运动轨迹，判断事故人员，以便及时搜救和清理。

(7)决策支持

通过本系统可为各部门及上级各层领导及时提供实时监测信息与历史信息及多项分析指标数据，为监督、指挥决策提供重要依据。

(8) 重要工序管理

特高压主设备中主变、高抗是油设备，真空注油，热油循环都是重要工序，通过本系统可以监控注油状态机设备状态。

(9) 施工设备管理

在现场重要施工设备均要安装RFID标签，在系统中录入基本信息，比如某吊车在何时进行年检，系统将提前进行提示。

3 实际应用

在实际的特高压变电站施工应用中，特高压变电站的工作区域为分区施工，对每个工作区域设置RFID装置。某特高压变电站智能工地管理系统如图3所示。

当工作人员进出施工区域时，利用RFID装置记录每个人的出入信息，根据不同工种人员的安全帽颜色进行辨识，对不同颜色的安全帽设置不同的灵敏度，以收集变电站工作区域的出入人员信息。

所有的安全帽采用电池供电，并且通过Zigbee无线模块实现数据传送，不用考虑数据线和电源线的安装。由于现场很多设备都是金属外壳，所以需要利用抗金属标签，将标签用铆钉等固定在施工设备上，待所有的抗金属标签正常安装后，通过工人佩戴的安全帽的读写模块采集有效范围内的数据信息，利用预设的工作形式实现实时状态监测，并把采集信息汇集到无线传输模块，最终通过Zigbee网络将数据传送到后台数据管理中心[7]。

预设安全帽的读取模块每次只能读取一个标签信息，这将不会发生标签数据冲突等问题，Zigbee无线模块可以实时上传数据，只要通过授权的终端设备都可以随时获取数据[8-10]。

4 结语

针对大型特高压变电站项目施工的安全监管技术和管理，基于Zigbee和RFID的特高压变电站智能工地管理系统的搭建可提高现场建设的安全监控和质量管理，为施工现场的安全监管和生产管理提供实时准确的信息，实现事故责任追溯的数据支撑。可以实现工地人员和设备的远程管理和监控，通过跟踪作业人员的安全行为和定位作业人员的工作区域，来规范作业流程和行为规范，为工地的施工安全管理提供了有效手段；同时提高了工地安全管理部门的工作效率、监管能力和服务水平。

[1] 周怡，凌志浩，吴勤勤．Zigbee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005,26(6):5-9．

[2] 李凌青．基于Wifi-Zigbee云的无线物联网在电务调度系统中的应用研究[D].湖北：武汉理工大学，2013．

[3] 黄玉兰．物联网：射频识别(RFID)核心技术详解[M].北京：人民邮电出版社，2012．

[4] 游战清，李苏建．无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2004．

[5] 曾强，欧阳宇，王潼．无线射频识别与电子标签—全球RFID中国峰会[M].北京：中国经济出版社，2005．

[6] 李博．变电站主电气设备状态监测和故障诊断技术应用[J].中国电力，2002,35(11):37-41．

[7] 张涛，程结园．智能安全帽工地管理系统[J]．物联网技术，2014,4(1):89-91．

[8] 饶运涛，邹继军．电子标签技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011．

[9] 段光中，王倩倩．RFID 在自动车辆定位系统中的应用[J]．产业与科技论坛，2013,12(13):91-92．

[10] 翟德旭．基于射频卡技术的智能门禁管理[D]．哈尔滨：黑龙江大学，2012．

[责任编辑：朱子]

UHV Substation Site Management System Based on Zigbee and RFID

JIANGBao1,BianXiu-jie2,WANGShao-hua3

(1.StateGridLu′anPowerSupplyCompany,Lu′an237006,China;2.ACProjectConstructionBranch,StateGridCorporationofChina,Beijing100140,China;3.StateGridZhejiangElectricPowerResearchInstitute,Hangzhou310014,China)

With the large-scale construction of UHV power grid in China, UHV substation construction site faces many management problems such as numerous participation units, complex personnel, numerous machineries and equipments, difficult construction technology, and long cycle. For large UHV substation project construction safety supervision and management technology, in this paper, the construction site management system based on Zigbee and RFID is put forward. Through the real-time monitoring and management of the field equipment, personnel and supplies, and the establishment of multi-scale regulatory levels, the overall process real-time monitoring is achieved. The level of construction management is raised overall, and the steady progress of UHV substation site construction is ensured.

Zigbee; RFID; UHV; site management system

2015-04-26 通讯作者：王少华

江 宝(1981-)，男，硕士，安徽六安人，工程师，主要从事特高压建设管理工作。 卞秀杰(1988-)，男，硕士，江苏连云港人，工程师，主要从事特高压建设管理工作。 王少华(1981-)，男，博士，安徽宁国人，高级工程师，主要从事高电压技术研究工作。 E-mail:wshcqu@163.com

TP73

A

1672-9706(2015)03- 0111- 05