实时地线管理系统在电力系统中的应用

2018-03-30赵泓博赵守忠

电气技术 2018年3期

杨林赵泓博赵守忠冯磊杨威

（1. 国网辽宁省电力有限公司技能培训中心，辽宁锦州 121001；2. 辽宁拓新电力电子有限公司，辽宁锦州 121000）

随着电子技术、通信技术的发展，我国电力五防系统的建设已经进入到一个高速发展的时期。近几年智能电网建设的兴起，更是掀起了一股全球性电网智能化建设研究的浪潮。五防智能化建设，作为智能电网的重要组成部分，在近几年的研究中，取得了长足的进步和可喜的研究成果。

因为设备检修后漏拆临时接地线引起带接地线合闸的恶性误操作，对电网存在严重威胁。对于地线的挂接与拆除，传统的地线管理已不能满足目前的要求。由于主控室无法直观掌握工作人员在现场对地线实际的操作情况，导致在运行管理过程中仍然需要安排人力，到现场进行巡查，以确保地线挂接的安全可靠、确保拆除地线的准确无误。这种运行管理模式，不仅浪费了人力和物力，而且在五防智能化方面也没有能够很好的体现。

实时地线管理系统能有效弥补了传统地线管理的不足，彻底解决临时地线的操作和日常管理过程中存在的安全隐患。该系统采用ZigBee无线通信技术，RFID无线射频技术和地线管理软件，可以对地线的挂接位置和状态等，进行规范管理，避免地线的随意使用，防止人为造成的误挂或漏拆。

1 工作原理

实时地线管理系统由地线管理主机、无线路由器、智能地线头、智能地线桩、地线柜等组成。实时地线管理系统采用 ZigBee无线通信模块和射频检测装置作为地线检测器。地线检测器安装在智能地线头内，当地线头挂接到地线桩上或者从地线桩上拆下时，地线桩内的磁柱触发地线检测器中的干簧管，使 LPC1114F微控制器从睡眠模式切换到正常运行模式，之后射频检测装置即可读取地线桩上的射频扣ID号，通过ZigBee无线通信技术把地线使用信息发送到与其邻近的路由器中，路由器向此地线检测器发送睡眠指令，这样就大大降低了地线检测器的日常功耗，由于路由器内都装有ZigBee模块，这样路由器之间就可以自动组网，使ZigBee无线通信以接力的形式把信息传送到主控室内。由于地线挂接点名称已与地线桩上的射频扣 ID号一一对应，因此主控室内的实时地线管理软件即可知道哪条地线挂接到具体什么位置，在图形界面上显示目前地线使用情况，并通过ADO数据库访问技术把此信息存储到Access数据库中，这样主控室人员即可清晰地了解到现场地线的挂接、取放状态，以及地线在现场的挂接位置并可以通过“记录查询”功能检索出相关记录。实时地线管理系统组成如图 1所示。

图1 实时地线管理系统组成

实时地线管理软件与防误系统软件安装在同一台计算机中（即管理机），它们之间能够以共享内存的方式通信从而使地线管理与防误系统很好地结合起来，以达到更理想的防误效果。例如：当从地线柜中取出地线时，主控室内的实时地线管理软件把这个操作信息传送给防误系统软件，防误系统软件即开始判断这个动作是否符合五防逻辑，如果符合，防误系统则允许继续预演，操作人员即可以使用无线电脑钥匙到现场开锁并操作设备；否则即强制闭锁并进行相应的语音提示；当使用无线电脑钥匙到现场解开地线锁具后，如果操作人员没有把地线挂接到地线桩上，主控室内的管理机接收不到此地线的挂接信息，这样就不会向无线电脑钥匙发送允许进行下一项操作的指令，无线电脑即不能操作下一项的锁具，从而达到了对地线实时防误的目的。

1.1 ZigBee无线通信技术

无线通信问题是实时地线管理系统遇到的技术难题，如果采用GPRS或3G无线网络，信号质量虽然很好，但需要二次收费；如果采用WiFi进行无线通信，信号的覆盖面积小，通信距离短无法满足要求；如果采用有线通信则由于现场复杂，无法满足布线的要求。ZigBee技术既解决了光纤通信投资大、敷设困难等问题，又克服了其他无线通信距离短、可靠性差和通信资费等弊端，因此，本系统采用该通信技术。ZigBee作为无线传感器网络支撑技术，由大量分布广泛的微小传感器通过无线电连接形成一个组网，这些传感器以微小的能量通过接力的方式将数据从一个节点传到下一个节点，具有很高的通信效率[1-3]。ZigBee无线网络如图2所示。

图2 ZigBee无线网络

ZigBee网络具有自组织性，每个ZigBee网络节点只要在通信范围内，就会自动搜索并形成一个互联的通信网络，网络模块终端的相对位置发生变化时，模块会自动重新搜索通信对象，建立联系。ZigBee网络还具有无线网路自愈能力，当有节点出现通信故障时，网络可自行排除该节点，通过其他节点重新建立网络连接[4-6]，从而增加了网络通信的可靠性；其传送距离可达到 1000m，在接收或发送数据时其功耗只有120mW，并且在睡眠状态下功耗仅为30μW，另外ZigBee无线网络的每个节点都可以充当路由，并且最多可达20级。

1.2 RFID射频识别技术

由于需要反映出地线在现场挂接与拆除的具体位置，地线挂接位置的识别又是一个关键所在。因此，本系统采用 RFID无线射频技术。该无线射频技术是自动识别技术的一种高级形式，一般由两部分组成：阅读器和应答器。应答器也称发射器或标签，是射频识别系统的数据载体，其通常放在需要识别的物件上，可以发送和接收信息，并进行读/写操作。应答器分为两大类，即有源应答器和无源应答器[3]。鉴于节电方面的考虑，本系统采用无源应答器，也称为被动式标签，其由耦合组件和芯片组成，工作所需要的能量通过耦合单元传输接收，因此只有在阅读器的响应范围内，它才处于激活状态。通过电路设计和选择工作模式有效地降低了系统的功耗。根据实际情况的需求，该 RFID系统采用125kHz的振荡频率，并且具有低功耗、高效防碰撞等特征，主要包括：基于SOC的硬件控制电路、微控制器与射频模块的通信。在软件决策中，提出了一种改进的防碰撞算法，将阅读器跳频轮询技术和标签的分频技术与传统的帧时隙ALOHA算法相结合，降低了标签的碰撞几率，减少了识别时间和重复发射次数，从而提高了识别效率。

该 RFID系统利用 LPC1114F微控制器的一个I/O引脚产生一个标准载波信号，经过限流电阻送入推挽式连接的三极管功率放大电路，放大后的载波信号通过天线发射出去[7-8]。天线与电容构成串联谐振电路，谐振频率为125kHz，谐振电路的作用是使天线上获得最大的电流，从而产生最大的磁通量，获得更大的读卡距离。利用二极管、电阻和电容组成一个检波电路，该电路用来去除 125kHz载波信号，还原出有用信号。再用电容和电阻构成一个带通滤波电路，滤除 125kHz以外的干扰信号。最后通过滤波放大电路对检波后的信号进行滤波放大，放大后的信号送入LPC1114F微控制器的定时/计数器T1的输入引脚，由微控制器对接收到的信号进行解码，实现对ID号的识别。

1.3 实时地线管理系统设计

实时地线管理系统采用 ZigBee无线通信技术实现了对现场地线使用情况的实时反馈；采用RFID无线射频技术实现了对现场地线的每个挂接位置的识别；利用软件开发平台所研制的地线管理软件实现了以界面形式直观地显示现场地线的具体使用情况，并具有实时记录、语音提示、历史查询、系统配置、图形切换等功能，也可以与防误系统相结合，从而达到五防闭锁的目的[9-13]。实时地线管理系统软件总体结构图如图3所示。本系统还实现了调控模式的地线管理方案，使其能够接入MIS及综自系统，实现资源共享，每个人都可以掌握临时接地线的使用情况，不但对单站起到了防误的作用，而且在站间五防的应用中也起到了很好的效果。

图3 实时地线管理系统软件总体结构图

2 实时地线管理系统应用

2017年初实时地线管理系统在沈阳地铁二号线浑南停车场得到了实际应用。该系统目前运用已近10个月，系统运行稳定，无事故发生。通过该系统的实时性，现场操作人员可以准确的得知设备带电情况以及地线使用情况，每步操作都有语音报警提示。传统地线操作时，由于没有操作规则，经常出现带电挂地线的情况，出现大量事故。本系统使现场设备状态与防误主机状态实时对位，在现场设备带电的情况下，无法进行挂接地线操作，只有当设备断电，反馈回防误主机，防误主机判断设备是否带电，判断准确无误后允许进行地线挂接操作。

实时地线管理系统图形界面如图4所示，该界面是根据现场需求，使用户可以直观的查看相关变电站的地线头状态、电量、信号强度、地线使用情况、地线挂接位置等信息，同时能够统计接地组数，并且具有误操作报警和历史记录等功能，极大的提高了地线系统操作的智能化管理程度。地线挂接正确、放回正确、已拆除、通信故障如图5地线状态所示。

图4 实时地线管理系统图形界面

图5 地线状态

2.1 接线图界面

在变电站一次接线图界面下，用户可查看相关地线挂接情况及挂接位置，在一次接线系统图上直接显示挂接的地线号及挂接位置（如图6所示），“3号地线已挂接”更方便、更直观。

2.2 操作流程

当运行人员对设备准备操作时，首先应该在五防系统下进行操作开票，确认操作票正确无误后，按照操作票进行模拟预演，预演符合防误规则，则将预演的操作逻辑规则传入电脑钥匙，传输完毕后，手持电脑钥匙，进入现场进行操作。如果挂接#1和#2地线，则进入地线室取出该两组地线，如果误取出（如取出#2和#4），则后台管理系统会自动语音报警取出地线不符。正确取出后进入现场，根据电脑钥匙里传入的逻辑规则开锁，如果挂接位置与预演位置不符，后台显示错误挂接位置并语音报警。只有当挂接完全正确后才能进行下一步预演操作，否则闭锁，这样避免了漏挂和错挂的现象出现。

图6 实时地线管理系统一次接线图界面

当拆除地线时，也应该严格按照五防逻辑进行拆除，并按照地线取出位置放回地线室，如果漏拆或拆错，下一步操作将会闭锁，不能进行下步操作。在地线挂接后，智能地线头的检测器会将挂接信息上报到实时地线管理后台软件上，后台软件会显示当前地线挂接位置，并伴有语音提示。

2.3 系统实现的功能

1）地线身份具有惟一识别特点，区别于其他五防闭锁设备。

2）实现不同电压等级的实时管理。

3）支持调控模式地线管理，采用网络通信方式并将地线分为私有地线（一般子站使用）、公共地线（一般操作队使用）和全局地线（一般整个局内都能使用）三个等级类别，一套装置最大可管理 256组地线。

4）实时反映地线的挂接、取放状态，及在现场的挂接位置，并能够与五防闭锁软件相结合从而实现对地线的五防闭锁。

5）地线使用情况实时语音汇报，每条地线的挂接和使用状态都能通过网络与主机相连，能够实时语音汇报（延时时间不超过5s）。

6）既可以与五防装置联机使用，又可以单独运行。

7）多种数据通信接口，既可以采用串行通信又可以采用网络通信。

8）采用微机显示，用户操作界面更人性化，操作直观方便。

9）提供详细的地线使用记录和查询，记录容量大，可存储2000条记录。

3 结论

实时地线管理系统能有效弥补了传统地线管理的不足，彻底解决临时地线的操作和日常管理过程中存在的安全隐患。该系统采用ZigBee无线通信技术，RFID无线射频技术和地线管理软件，可以对地线的挂接位置和状态等，进行规范管理，避免地线的随意使用，防止人为造成的误挂或漏拆。实时地线管理系统不但可以解决目前微机防误闭锁装置对接地线无法识别管理的问题，而且还能实时查询地线是否在地线室指定位置，并且还可以实时的跟踪和检测当前各组接地线在现场所挂接的位置及状态。做到地线按章使用，规范管理，有记录可查询，防止随意的使用，为电力安全生产提供有力的保障。

实时地线管理系统在地铁二号线浑南停车场运行正常，无事故发生。通过实际应用和实验发现地线管理软件图形显示、操作记录以及语音提示准确无误。综合考虑地线在使用过程中的特点所研制的“实时地线管理系统”实现了人在主控室即可实时掌握现场地线的使用情况，有效地提高了智能化管理水平。

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