基于混合RFID技术的变电站临时接地线全过程管理系统设计

陈樑++盛志波++付军++郑原++朱彦升

摘 要提出一种基于混合RFID技术的变电站临时接地线全过程管理方法。采用无源RFID和有源RIFD构成混合RFID系统，其中无源RFID采用低频通信方式，主要实现RFID系统的激活和准确定位功能；有源RIFD采用高频通信方式，主要实现电子标签与后台系统间的数据通信功能。该方案不仅能够实现临时接地线安装和存放位置处的定位识别，还能完成接地线操作使用过程中的移动路径监视，实现对接地线的全过程、全覆盖管理，可替代现有的变电站临时接地线管理方案，提供功能更丰富完善、性能更优越可靠的接地线管理功能。

【关键词】混合RFID 临时接地线 全过程管理

临时接地线是变电站的重要安全防护用具，在对站内一次设备进行检修时需要按规程要求进行挂接，以形成可靠的接地点，用来预防待检修设备未彻底放电或突然送电对操作人员或设备所带来的伤害。如果对临时接地线的管理存在漏洞，如检修完毕未及时移除临时接地线，或临时接地线随意放置，可能会导致带接地线合闸、意外短路等严重的生产事故，会给人身和设备带来额外的安全隐患。因此有必要针对变电站临时接地线的特点和使用要求，开发相应的临时接地线管理系统，对变电站临时接地线进行科学、有效的管理。

目前已有学者提出了多种变电站临时接地线管理方法。文献[4]分析了现在变电站临时接地线管理存在的问题，介绍了智能临时接地线管理系统的工作原理，结合实际阐述了临时接地线管理系统在变电站的综合应用，并对临时接地线管理系统的应用进行了展望。文献[5]提出一种基于GIS、GPS、GPRS、传感器技术和数字信号处理技术的临时接地线追踪系统。文献[6]根据目前变电站临时接地线管理系统存在的弊端，提出了一种仅由地线管理机和无线式闭锁器组成的临时接地线管理系统，可应用于常规变电站独立五防系统、智能变电站监控五防一体化系统。文献[7]设计了一种基于三卡合一的临时接地线管理系统，实现了系统硬件组成结构和软件功能逻辑设计。该系统将人员标识卡、接地线标识卡、接地点标识卡三卡合一，使人、地线、接地点一一对应，可以实现对变电站临时接地线借出归还以及挂拆状态的全面实时监测。文献[8]介绍了一种新型临时接地线管理系统，根据其工作原理，结合变电站的实际情况，通过临时地线管理系统实现了临时地线的有效管理。文献[9]提出了一种基于RFID射频识别技术实现变电站内临时接地线的集中管理、运行过程的监控以及目的地定位的设计方法，介绍了系统的构成、硬件结构以及工作原理。文献[10]提出一种由五防主机、临时接地线管理机、临时接地线闭锁器组成的临时接地线管理统。

总结分析当前的研究和应用现状可见，实际应用的系统对临时接地线的管理没有做到全过程、全覆盖，大多数只能监视其在接地线柜中的对应位置，少部分能够监视其在接地线桩处的安装位置，但从接地线柜到接地线桩这个过程中的位置情况无法监视；如果接地线使用完毕，既不在接地线桩处，也不在接地线柜中，运行人员无法确定接地线所在位置，接地线的管理还存在一定漏洞。此外，当前的接地线管理系统组网形式较为复杂。例如接地线与安装位置的判断采用RFID（Radio Frequency Identification）方式，接地线桩与管理主机采用无线通信（GPRS（General Packet Radio Service）或ZigBee等）方式，地线管理单元与管理主机采用有线通信（232，485或以太网）方式，采用的设备和通信技术较多，不利于降低系统成本和确保可靠性。

本文提出采用混合RFID技术对变电站临时接线进行全过程、全覆盖的定位与管理。基于混合RFID技术，不仅能实现临时接地线固定安装位置的判断，还可对临时接地线从一个位置到另一个位置的中间过程进行监视，得到临时接地线的移动路径。此外还可对临时接地线进行定位，当接地线不在固定的安装位置处，能够判断该接地线的具体位置，消除接地线管理的盲区。还可取代常用的GPRS或ZigBee等方式完成无线通信功能，简化通信系统设计，实现接地线信息可靠、快速的无线采集和传输功能。

1 混合RFID技术

RFID又称无线射频识别，是一种近距离微波（1-100GHz）通信技术，可通过无线信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，RFID作为构建“物联网”的关键技术，在工业生产现场和日常生活中获得了广泛应用。

RFID技术一般分为有源RFID和无源RFID。有源RFID，又称为主动式RFID，电子标签内装有电池，通常支持远距离识别。无源RFID，又称为被动式RFID，电子标签没有内装电池，在有效范围之外时，电子标签处于无源状态，在有效范围之内时，电子标签从激活器发出的射频能量中提取其工作所需的电源，适合近距离识别，可完成目标定位。

所谓混合RFID技术即无源RFID与有源RFID的综合，其中无源部分由外部的激活器触发进入工作状态，可完成准确定位功能；有源部分与外部的读写器配合工作，用于上传RFID标签内的信息，同时允许读写器将相关信息写入到RFID标签中。混合RFID系统工作原理示意图如图1所示。

2 基于混合RFID技术的变电站临时接地线全过程管理系统设计

2.1 变电站临时接地全过程管理需求

变电站临时接地线的全过程管理涵盖接地线的存放、安装固定、从存放位置到安装使用位置的中间移动过程等全部操作使用环节，不仅能够完成对存放位置、安装固定位置的静态管理，还能完成取出、操作使用、放回等中间动态过程的管理，真正意义上做到全过程监视、无死区管理，可极大提高临时接地线的科学管理水平，从根本上杜绝接地线管理和操作使用不当所带来的安全隐患，具有極大的社会经济效益。

变电站临时接地全过程管理的需求总结如下：

（1）临时接地线位于存放位置或固定安装位置时，能够进行精确定位，正确指示各接地线的具体存放和安装点；

（2）临时接地线的取出和使用应符合安全操作要求，当出现非法操作时能够自动闭锁，防止因非法取出接地线所带来的安全隐患；

（3）对临时接地线从存放位置取出到使用位置固定，以及使用完毕放回存放位置整个过程的移动路径进行实时监视，防止出现临时接地线使用完毕没有及时移除、接地线随意放置或送回不及时所带来的安全和管理隐患，实现临时接地线存放和使用的全过程管理；

（4）当临时接地线长时间位于预定存放位置和使用位置以外的其它位置时，能够发出告警信息并准确指示临时接地线的具体位置；

（5）该系统应具有结构简单、可靠性高、能耗低、便于维护等特点，即可独立工作，也可与五防系统配合工作。

2.2 变电站临时接地线全过程管理系统设计

为实现上述功能和要求，本文采用混合RFID技术，实现变电站临时接地线的全过程管理。系统结构如图2所示。

该系统包括混合型RFID电子标签群、激活器、读写器、手持式RFID读卡终端、以太网、数据服务器及人机交互工作站等主要部分。其中，混合型RFID电子标签固定安装在接地线上，作为接地线唯一的身份标识，同时存储接地线的相关管理信息；激活器和读写器分散安装在变电站接地线柜、主控室、开关处及接地线桩等位置处，激活器用来触发RFID电子标签中的无源RFID部分，启动混合型RFID电子标签进入工作状态，然后与附近的读写器交互信息，完成数据的传输。设置了手持式RFID读卡终端是为了方便运行人员随时读取、查看临时接地线电子标签中的数据和内容。

读写器和数据服务器之间采用以太网通信，实现快速、可靠的全双工数据交互功能，人机交互工作站可从数据服务器中获取所需数据，以图形界面的形式实现各种管理、查询和告警功能。

管理主机包括数据服务器和人机交互界面两部分，对站内所有临时接地线对应的RFID标签信息、激活器及讀写器的安装位置和编号信息进行管理，以数据库为支撑，采用图形化的界面提供临时接地线的全过程、全覆盖管理。管理主机可通过读写器将临时接地线的操作使用信息写入到RFID标签内，例如临时接地线的使用年限、操作使用记录、最近几次的使用路径等。

为了便于运行人员随时掌握临时接地线的使用和运行情况，本系统设置了手持式终端，该终端可以RFID的方式直接读取临时接地线电子标签中的内容，通过液晶显示屏显示相关信息。

2.3 变电站临时接地线全过程管理系统工作流程

混合型RFID电子标签固定安装在临时接地线上，接地线存放在接地线柜中，每条接地线对应着一个固定安放的位置。RFID电子标签中的无源部分需要由外部的激活器启动工作，激活器采用低频信号通信，信号频带在30kHz～300kHz之间，因此触发器的有效工作半径较小，一般在0～3.5米之间，在对RFID激活的同时可完成定位功能，需要在变电站的接地线柜内、接地线桩处，以及变电站主控制及开关场内安装多个激活器。

为了监视临时接地线的准确固定位置，在接地线柜内的每个安放位置处需要安装一个激活器。由于安放位置间的距离较近，为防止各激活器的工作范围出现重叠，需要设置激活器的信号功率和激活范围，使其能够准确、可靠激活固定位置处的电子标签。变电站主控制及开关场内激活器的激活范围可以设置的较大，以便有效控制激活器的布点数量，降低系统成本。当临时接地线与激活器的相对位置小于事先设定好的激活距离时，激活器启动RFID标签进入工作状态，RFID标签会记录激活器的编号和激活时间，作为临时接地线的定位依据。

RFID标签被成功触发进入工作状态后，采用高频信号与附近的读写器通信，信号频带在2GHz～3GHz之间，因此读写器的有效工作范围较大，一般在0～120米之间。RFID标签将激活器编号、激活时间等信息发送至读写器，读写器通过以太网将采集到的RFID标签信息发送至管理主机，完成临时接地线位置信息的上传。

为提高混合RFID标签内置电池的使用寿命，正常情况下RFID处于休眠状态，功耗极低，通过激活器发出信号才会启动有源RFID工作。有源RFID与附近的读写器通信，将电子标签内的激活位置和激活时间等信息发送给读写器，同时读写器也可将需要写入的内容以无线的方式写入到电子标签内，完成数据的双向通信。

读写器读取到RFID电子标签发送的信息后经以太网上传至数据服务器和接地线管理主机，主机对接地线的安放位置做出识别和判断，如果安放位置不正确，接地线管理主机可发出告警信号。如果接地线的安放位置正确，在接地线管理主机的人机交互界面中标识出接地线与安放位置的对应关系，供运行人员查看。如果长时间不对接地线进行操作，激活器和RFID电子标签的对应关系不会改变，RFID标签不再频繁与读写器通信，进入休眠状态以降低功耗，直到电子标签被不同的激活器触发。工作流程示意图如图3所示。

如果需要对临时接地线进行操作时，首先需要接地线管理主机进行使用授权，获得使用授权后临时接地线安放位置处的电磁锁会自动打开，允许运行人员对接地线进行操作。当接地线从安放位置取走后，会进入其它激活器的有效工作范围内，RFID电子标签被触发进入工作状态，将对应激活器的编号以及自身电子标签的编号发送给附近的读写器，读写器将RFID电子标签上传的数据发送给数据服务器，然后发送给接地线管理主机，在管理主机中实时显示接地线与激活器的对应关系，完成接地线的实时定位功能。

接地线在操作使用过程中，会依次经过多个激活器，RFID电子标签会记录并借助读写器上传所有触发器的编号，在接地线管理主机中就可形成接地线的移动路径，实现接地线使用全过程的监视与管理。

如果RFID电子标签处于所有激活器的工作范围以外，表明该接地线失去了有效的监控和管理，在管理主机中无法将RFID电子标签与激活器进行有效匹配，此时管理主机发出告警信号，并给出最近一次的RFID电子标签与激活器的匹配信息，提示运行人员及时查找相应的接地线，避免出现不安全的接地线操作、接地线丢失等意外情况。

管理主机通过接收RFID电子标签上传的信息记录所进行的操作，并对接地线的使用年限、操作使用情况、移动路径、告警信息等进行分类和存储，当上述信息有更新时通过读写器将更新信息写入到RFID电子标签内。运行人员可以通过手持式RFID读卡终端，随时读取RFID电子标签中的相关内容，便于运行人员随时掌握每台接地线的具体信息。上述操作使用流程如图4所示。

3 结论

本文提出了一种基于混合RIFD技术的变电站临时接地线全过程管理方法，该方法采用无源RFID与有源RFID相结合的技术，利用无源RFID低频通信的特点实现准确定位，利用有源RFID高频通信的特点进行无线通信组网完成信息的传输。与已有的变电站临时接地线管理方法相比，本文所提方法有如下优点：

（1）采用混合RFID技术，能够充分利用无源RFID和有源RFID的特点，为变电站临时接地线管理提供完整、统一的解决方案；

（2）不仅能够实现临时接地线安装和存放位置处的定位识别，还能完成接地线操作使用过程中的移动路径监视，实现对接地线的全过程、全覆盖管理；

（3）该方案具有较低的成本，较高的可靠性、通用性和可扩展性，可替代现有的变电站临时接地线管理方案，提供功能更丰富完善、性能更优越可靠的接地线管理功能。

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作者简介

陈樑（1979-），男，大学本科学历。现为国网江西省电力公司萍乡供电分公司助工，从事变电站接地线同期应用及监控方向的研究。

作者单位

国网江西省电力公司萍乡供电分公司 江西省萍乡市 337000