基于物联网的RFID接地线管理装置设计

国网上海市电力公司市北供电公司 崔若涵 吴 昊 柴 俊 陆增洁 安 帅 上海久隆电力（集团）有限公司 费嘉禄

针对数量多、使用频繁的接地线已形成成套的接地线使用管理规定。现有的接地线管理措施中，多采用专用记录本人工记录接地线的使用。接地线管理需要借具人和出借人履行手续并进行详细记录和登记，手续较为繁琐，且平均登记记录时间大于15分钟。接地线出库后，只能通过人为的记录获取接地线的信息，信息途径单一、容错率小，存在因人员疏忽漏登记或忘拆导致带接地线合闸的可能。尤其是在交接班时，交接人员也可能因繁忙或疏忽未交待清楚设备位置状态。这些情况一旦发生都可能引起误操作事故，后果不堪设想。若记录发生遗漏或错误，经过较长时间未校正，则会导致接地线当前状态无法确证，会提高电力系统故障发生率。

接地线在国外被比喻为生命线，由此可见接地线的重要程度。国外关于接地线的使用管理规范也非常多种多样化，从接地线颜色、使用流程、记录方法、施工与监督等方面，多角度的对接地线的使用和管理制定了标准和规范，但也局限于通过制度上的调整和人为的记录与监督来保障接地线正确的使用和管理。

综上所述，现有针对接地线的防务操作管理系统，主要是通过制度和人为的方式来避免误操作的可能，加上现有设备自带的一些五防逻辑判断、带电显示器等辅助五防功能，能有效降低操作失误率。实际上，在国内外电网重大安全事故中，带电挂接地线或带地线送电的恶性误操作事故仍时有发生，虽然目前的“五防”装置通过对变电站内接地桩的闭锁强制按程序操作来避免地线的误装、漏拆，但却不能解决变电站内临时接地线的安全拆卸问题，对领出的接地线是否已挂接、挂接在什么位置、作业完成后是否均拆卸等工作环节无法实时监控确定，使得现有的防误系统存在安全漏洞[1]，带地线合闸行为无法及时被发现和制止。

1 总体设计方案

从现有的管理制度来看，在变电站中对变压器挂接地线的管理目前无法做到相对闭锁，且反馈时间较长。针对该问题，本设计使用基于物联网射频技术的RFID接地线管理装置，可准实时的反应各个接地点和接地线状态的反馈。在通讯方面，由于电站内电磁干扰较强，在硬件技术选型上选用了物联网射频技术--RFID技术，拟在接地点端增加一个基于物联网的感应通信装置，它做到远程管控，现场模拟图清晰提醒状态，以供施工人员参考。反馈信号携带的信息包括接地线器具编号、感应装置编号，以及详细的房间信息、位置信息、位置工作状态信息，使用物联网技术的优势还有更加安全、可靠，且RFID物联网技术数据设备从其他设备收集数据的方式能够完美解决。

物联网在系统中起着至关重要的作用，在资源方面可对现有资源进行高效利用，也最大程度减少了人力和时间成本，对数据信号采集十分效率，在安全性上也更加高效。整个系统的分层如下：展现层。采用Web网页和小程序的方式，为电站内工作人员、运检人员提供更加直观的交互页面；业务层。实现数据处理、加工、等业务层面操作；服务层。提供接口，实现数据采集到服务器和其他服务；数据层。使用mysql数据库作为底层库，对配置文件进行配置；信息传输层。支撑整个项目的信息基础硬件、操作系统等，影响信息传输及网络服务。

2 接地线装置硬件设计

2.1 硬件的选型

根据实地勘察，选用了高频定位读写器、RFID读写器和高频抗金属标签。首先根据变电站环境对传输条件进行测试，最终选用了高频抗金属标签放在接地线上，接地点旁使用高频定位读写器，检测施工过程中的接地线上的高频标签，检测的状态信息通过远距离433MHz无线上传给RFID读写器。RFID读写器起到集中的作用，它汇集各高频定位读写器上传来的数据，缓存后按照指定格式上传至服务器。硬件设备主要有高频定位读写器、RFID集中器、高频抗金属标签。

2.2 RFID集中器功能及流程设计

RFID技术是一种无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification）[2]，是属于物联网射频技术的一种，通过无线射频的方式进行非接触式双向数据通信，利用无线射频技术对电子标签进行读写操作，来识别目标和获取目标数据的目的。

无线射频识别技术就是利用无线电波来进行通信的一种自动识别技术。RFID主要由电子标签、阅读器和射频天线组成。电子标签即射频卡由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线、用户标签和射频天线质检的通信。阅读器主要用于读取标签的内部信息，天线主要在标签和阅读器间传递射频信号。其基本原理是通过感应头和标签质检的电磁耦合或电感耦合来进行数据通信，以达到对标签物品的自动识别[3]。无线射频识别技术通过无线电波零接触的信息交换技术和信息存储技术，通过无线通信结合数据的远程访问技术然后连接数据库，以实现非接触式的双向通信来达到识别的目的，用于数据交换，组合成一个十分复杂的系统。在识别系统中通过电磁波实现电子标签的读写与通信。此外RFID还是唯一可实现多标签同时识别的自动识别技术[4]。

RFID的基本工作原理：当标签信号进入阅读器后接收阅读器发出的射频信号，将得到的能量发送出在芯片中存储的数据信息，或由标签主动发出特定频率的信号，阅读器读取信息并解码后再进行有关的数据处理。RFID设备工作原理是阅读器发送一组特定频率的无线电波能量，再使用内部驱动电路将信号推送出去，阅读器就会按照推送顺序接收到解读好的数据，再把数据发送给应用服务器做相应处理。

图1 RFID读写器与电子标签的原理图

RFID高频定位读写器和电子标签质检的信息交互方式及能量感应方式可分为感应耦合与后向散射耦合两种，由于电站环境复杂、能量干扰相比其他环境严重，所以选择后向散射耦合方式来使用高频。阅读器和标签是半双工通信方式，阅读器的组成模块包括耦合模块、收发模块、接口单元和控制模块[5]。

2.3 特殊环境下的硬件选型分析

针对此项目选用RFID是因其具有以下优势：

电站室内易潮湿、电磁干扰较为严重，在这种特殊环境下选用设备的特性具有严格要求，一般须有防磁、防水、耐高温等特点，这样在电站中才能保证其运行的稳定性。射频技术的实时更新数据、使用寿命、效率、安全性等优点十分符合电站内使用环境。它大大改善了从前对信息处理的不便捷因素，保证了工作的顺利进行，而且射频技术识别同样有密码保护，不易被伪造，安全性较高。

图2 RFID设备与终端间信号传输

同时，在信号传输上使用了物联网技术，物联网卡通过专用的网元设备支持基础通信服务，并提供通信状态管理和通信鉴权等职能通道服务，物联网通信特点有：通信能力强，不管是使用GPRS通信还是短信通信，根据不同业务场景可切换不同通信方式；可向用户提供使用终端的位置信息、IP等信息；对用户开放账单信息查询，对消费记录、流量使用等查询；对于用户的费用统计报表进行统计；根据用户的使用情况来提供多种费用套餐。

2.4 基于物联网信息通信设计

针对通信，不但要做到通信顺畅，还要保证数据的安全传输，因此采用了带物联网卡的路由器设备。近距无线传输技术包含WIFI、手机蓝牙、UWB、MTC、ZigBee、NFC，数据信号覆盖面积则一般在几十厘米到五百米相互之间。近距无线传输技术具体运用在局域网络，例如无线网络、加工厂生产车间连接网络、商务办公连接网络。

Wi-Fi被普遍用于移动物联卡应用实例，最普遍的是做为从网关ip到联接网络的无线路由器的路由协议。物联网卡硬件和外观与普通SIM卡相似。加载针对智能硬件和物联网设备的专业化功能，采用专用号段，满足智能硬件和物联网行业对设备联网的管理需求。使用物联网卡实现RFID集中器向服务器发送数据的功能，因为物联网具有高质量的网络，通过物联网专用网元实现物联网用户与普通用户在网络上的分离，提供了可靠性和稳定性的网络通信。

3 接地线装置软件设计

软件系统的设计是围绕展示接地点状态和管理接地线为目的而搭建，现场通过RFID技术和物联网专网通信技术来实现数据的收发功能，软件方面通过接受物联网传输来的数据对接地点状态（是否接入接地线）和接地线进行管理。根据物联网的变电站挂接地线管理装置的研究内容，将研究的内容转化为软件代码从而实现软件的初步功能。开发软件使用的是IDEA2019版本，开发语言选用的Java，软件的环境配置使用jdk1.8版本、mysql5.6版本。

在软件研发阶段，使用测试工具Insomnia或postman进行接口测试，项目中单元测试使用springboot中的Junit，需要导入依赖springboot-starter-test，主要数据流向、常规报错处理和逻辑错误处理进行调试，保证用户使用的体验感。在与硬件关联时使用udp来接收传输数据，并将数据在程序中进行处理，得到所需要的信息（接地点id和接地线id），在显示上为保证实时有效的显示使用了websocket技术。在项目中先使用分段调试，再根据功能调试，最后模拟真实应用环境总体调试，保证了软件在运行过程中的安全性和效率性。

图3 程序功能流程图

3.1 程序流程图

在小程序中入口处进入程序，通过用户名密码方式登录程序，在程序中可查看接地点上是否接上了接地线，在页面上会有红色标识提示，接地线快到质检日期或已过期在小程序中都可直观看到。该装置还有一个现场展示屏幕，该屏幕上标识哪个接地点挂载上了接地线可以准实时的显示。

3.2 数据流程及格式设计

在服务器端接收到RFID集中器发来的数据请求格式：2021-03-24 13:29:01.370 INFO 152207:收到客户端[ip:192.168.1.200]连接；2021-03-24 13:29:04.992 INFO 152207:服务端收到客户端[192.168.1.200]报文：FEFB00100107000180000 50100010507EC1B95315B6AFEFA；2021-03-24 13:29:04.997 INFO 152207:>>>>>>now time::2021-03-24 13:29:04；2021-03-24 13:29:04.997 INFO 152207:tagIdParam>>>>>>>>>>::TagIdVO(tagIdList=[00010507,EC1B9531],timestamp=1616563744993)；++++00010507；2021-03-24 13:29:05.099 WARN 152207:调用结果：true。

服务器接收到的数据为一个list数组，里面存放着接地点上高频定位读写器的唯一ID和接地线上标签的唯一ID，拿到了接地点上高频定位读写的ID和接地线上标签ID就可知道哪一条接地线接到了哪一个接地点上，在经过服务器内部程序处理后就可在显示终端上看到接地点上是否连接上了接地线。

程序中建立了接地线和接地点关联表，关联的数据为接地线上标签ID和接地点上高频定位读写器ID，表中两个唯一标识关联，并存在一个状态字段type，该字段在同时接收到接地点上RFID高频定位读写器ID和接地线上标签ID时改变其值为1，在收到只是接地点上高频定位读写器ID和00000000时改变其数值为2，以此在数据库中记录其是否接入状态。在接地线质检日期判断上，将日期通过SimpleDateFormat类对日期进行格式限定和转换，在使用日期算法对规定质检期限和质检日期进行毫秒计算，若小于阔值则提示工作人员该接地线需质检。

在办公室的终端上，使用物联网通信向服务器发送请求来获取数据，可查看需要质检的接地线、电站内是否有正在使用的接地点（已经挂上接地线）、新增接地点、更换接地线等一系列功能，项目中使用到物联网技术的技术点有RFID技术和物联网卡通信技术，物联网通信技术保证了数据传输的安全性，也十分符合项目的应用需求。

总结：本项目主要结合了应用程序，综合了程序的优点，提升了便捷性，将受到的信息传给指定服务器，在服务器中完成状态的更改和接地线的管理，使接地线的管理更加清楚明确，减轻了相关人员的工作。克服了电站内的环境干扰问题，也使接地线管理更加智能化、便捷化。使用软件管理最大的优势就是不会出现错误的情况，尤其是接地线管理，安全十分重要，通过这种科学有效的措施，不断的提高电网设备健康水平，为电网的可靠供电和安全稳定运行打下了扎实的基础。

展望：本项目旨在解决目前接地线使用管理主要靠人为记录接地线的行为信息，以及五防强制闭锁功能中还不能做到变压器在挂接地线时防误功能的问题。通过一种基于物联网通信的装置和信号感应装置以供作业人员了解，防止因施工结束时未及时拆除接地线、遗漏拆除接地线而造成的一系列安全事故的发生，提高电网的安全性。在通过小程序进行规范管理，对接地线的管理和人员的分配都有着重要的效率提升，有着很好的发展前景。