基于混合RFID技術的變電站臨時接地線全過程管理系統設計

陳樑++盛志波++付軍++鄭原++朱彥升

摘 要提出一種基于混合RFID技術的變電站臨時接地線全過程管理方法。采用無源RFID和有源RIFD構成混合RFID系統，其中無源RFID采用低頻通信方式，主要實現RFID系統的激活和準確定位功能；有源RIFD采用高頻通信方式，主要實現電子標簽與后臺系統間的數據通信功能。該方案不僅能夠實現臨時接地線安裝和存放位置處的定位識別，還能完成接地線操作使用過程中的移動路徑監視，實現對接地線的全過程、全覆蓋管理，可替代現有的變電站臨時接地線管理方案，提供功能更豐富完善、性能更優越可靠的接地線管理功能。

【關鍵詞】混合RFID 臨時接地線 全過程管理

臨時接地線是變電站的重要安全防護用具，在對站內一次設備進行檢修時需要按規程要求進行掛接，以形成可靠的接地點，用來預防待檢修設備未徹底放電或突然送電對操作人員或設備所帶來的傷害。如果對臨時接地線的管理存在漏洞，如檢修完畢未及時移除臨時接地線，或臨時接地線隨意放置，可能會導致帶接地線合閘、意外短路等嚴重的生產事故，會給人身和設備帶來額外的安全隱患。因此有必要針對變電站臨時接地線的特點和使用要求，開發相應的臨時接地線管理系統，對變電站臨時接地線進行科學、有效的管理。

目前已有學者提出了多種變電站臨時接地線管理方法。文獻[4]分析了現在變電站臨時接地線管理存在的問題，介紹了智能臨時接地線管理系統的工作原理，結合實際闡述了臨時接地線管理系統在變電站的綜合應用，并對臨時接地線管理系統的應用進行了展望。文獻[5]提出一種基于GIS、GPS、GPRS、傳感器技術和數字信號處理技術的臨時接地線追蹤系統。文獻[6]根據目前變電站臨時接地線管理系統存在的弊端，提出了一種僅由地線管理機和無線式閉鎖器組成的臨時接地線管理系統，可應用于常規變電站獨立五防系統、智能變電站監控五防一體化系統。文獻[7]設計了一種基于三卡合一的臨時接地線管理系統，實現了系統硬件組成結構和軟件功能邏輯設計。該系統將人員標識卡、接地線標識卡、接地點標識卡三卡合一，使人、地線、接地點一一對應，可以實現對變電站臨時接地線借出歸還以及掛拆狀態的全面實時監測。文獻[8]介紹了一種新型臨時接地線管理系統，根據其工作原理，結合變電站的實際情況，通過臨時地線管理系統實現了臨時地線的有效管理。文獻[9]提出了一種基于RFID射頻識別技術實現變電站內臨時接地線的集中管理、運行過程的監控以及目的地定位的設計方法，介紹了系統的構成、硬件結構以及工作原理。文獻[10]提出一種由五防主機、臨時接地線管理機、臨時接地線閉鎖器組成的臨時接地線管理統。

總結分析當前的研究和應用現狀可見，實際應用的系統對臨時接地線的管理沒有做到全過程、全覆蓋，大多數只能監視其在接地線柜中的對應位置，少部分能夠監視其在接地線樁處的安裝位置，但從接地線柜到接地線樁這個過程中的位置情況無法監視；如果接地線使用完畢，既不在接地線樁處，也不在接地線柜中，運行人員無法確定接地線所在位置，接地線的管理還存在一定漏洞。此外，當前的接地線管理系統組網形式較為復雜。例如接地線與安裝位置的判斷采用RFID（Radio Frequency Identification）方式，接地線樁與管理主機采用無線通信（GPRS（General Packet Radio Service）或ZigBee等）方式，地線管理單元與管理主機采用有線通信（232，485或以太網）方式，采用的設備和通信技術較多，不利于降低系統成本和確保可靠性。

本文提出采用混合RFID技術對變電站臨時接線進行全過程、全覆蓋的定位與管理。基于混合RFID技術，不僅能實現臨時接地線固定安裝位置的判斷，還可對臨時接地線從一個位置到另一個位置的中間過程進行監視，得到臨時接地線的移動路徑。此外還可對臨時接地線進行定位，當接地線不在固定的安裝位置處，能夠判斷該接地線的具體位置，消除接地線管理的盲區。還可取代常用的GPRS或ZigBee等方式完成無線通信功能，簡化通信系統設計，實現接地線信息可靠、快速的無線采集和傳輸功能。

1 混合RFID技術

RFID又稱無線射頻識別，是一種近距離微波（1-100GHz）通信技術，可通過無線信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸，RFID作為構建“物聯網”的關鍵技術，在工業生產現場和日常生活中獲得了廣泛應用。

RFID技術一般分為有源RFID和無源RFID。有源RFID，又稱為主動式RFID，電子標簽內裝有電池，通常支持遠距離識別。無源RFID，又稱為被動式RFID，電子標簽沒有內裝電池，在有效范圍之外時，電子標簽處于無源狀態，在有效范圍之內時，電子標簽從激活器發出的射頻能量中提取其工作所需的電源，適合近距離識別，可完成目標定位。

所謂混合RFID技術即無源RFID與有源RFID的綜合，其中無源部分由外部的激活器觸發進入工作狀態，可完成準確定位功能；有源部分與外部的讀寫器配合工作，用于上傳RFID標簽內的信息，同時允許讀寫器將相關信息寫入到RFID標簽中。混合RFID系統工作原理示意圖如圖1所示。

2 基于混合RFID技術的變電站臨時接地線全過程管理系統設計

2.1 變電站臨時接地全過程管理需求

變電站臨時接地線的全過程管理涵蓋接地線的存放、安裝固定、從存放位置到安裝使用位置的中間移動過程等全部操作使用環節，不僅能夠完成對存放位置、安裝固定位置的靜態管理，還能完成取出、操作使用、放回等中間動態過程的管理，真正意義上做到全過程監視、無死區管理，可極大提高臨時接地線的科學管理水平，從根本上杜絕接地線管理和操作使用不當所帶來的安全隱患，具有極大的社會經濟效益。

變電站臨時接地全過程管理的需求總結如下：

（1）臨時接地線位于存放位置或固定安裝位置時，能夠進行精確定位，正確指示各接地線的具體存放和安裝點；

（2）臨時接地線的取出和使用應符合安全操作要求，當出現非法操作時能夠自動閉鎖，防止因非法取出接地線所帶來的安全隱患；

（3）對臨時接地線從存放位置取出到使用位置固定，以及使用完畢放回存放位置整個過程的移動路徑進行實時監視，防止出現臨時接地線使用完畢沒有及時移除、接地線隨意放置或送回不及時所帶來的安全和管理隱患，實現臨時接地線存放和使用的全過程管理；

（4）當臨時接地線長時間位于預定存放位置和使用位置以外的其它位置時，能夠發出告警信息并準確指示臨時接地線的具體位置；

（5）該系統應具有結構簡單、可靠性高、能耗低、便于維護等特點，即可獨立工作，也可與五防系統配合工作。

2.2 變電站臨時接地線全過程管理系統設計

為實現上述功能和要求，本文采用混合RFID技術，實現變電站臨時接地線的全過程管理。系統結構如圖2所示。

該系統包括混合型RFID電子標簽群、激活器、讀寫器、手持式RFID讀卡終端、以太網、數據服務器及人機交互工作站等主要部分。其中，混合型RFID電子標簽固定安裝在接地線上，作為接地線唯一的身份標識，同時存儲接地線的相關管理信息；激活器和讀寫器分散安裝在變電站接地線柜、主控室、開關處及接地線樁等位置處，激活器用來觸發RFID電子標簽中的無源RFID部分，啟動混合型RFID電子標簽進入工作狀態，然后與附近的讀寫器交互信息，完成數據的傳輸。設置了手持式RFID讀卡終端是為了方便運行人員隨時讀取、查看臨時接地線電子標簽中的數據和內容。

讀寫器和數據服務器之間采用以太網通信，實現快速、可靠的全雙工數據交互功能，人機交互工作站可從數據服務器中獲取所需數據，以圖形界面的形式實現各種管理、查詢和告警功能。

管理主機包括數據服務器和人機交互界面兩部分，對站內所有臨時接地線對應的RFID標簽信息、激活器及讀寫器的安裝位置和編號信息進行管理，以數據庫為支撐，采用圖形化的界面提供臨時接地線的全過程、全覆蓋管理。管理主機可通過讀寫器將臨時接地線的操作使用信息寫入到RFID標簽內，例如臨時接地線的使用年限、操作使用記錄、最近幾次的使用路徑等。

為了便于運行人員隨時掌握臨時接地線的使用和運行情況，本系統設置了手持式終端，該終端可以RFID的方式直接讀取臨時接地線電子標簽中的內容，通過液晶顯示屏顯示相關信息。

2.3 變電站臨時接地線全過程管理系統工作流程

混合型RFID電子標簽固定安裝在臨時接地線上，接地線存放在接地線柜中，每條接地線對應著一個固定安放的位置。RFID電子標簽中的無源部分需要由外部的激活器啟動工作，激活器采用低頻信號通信，信號頻帶在30kHz～300kHz之間，因此觸發器的有效工作半徑較小，一般在0～3.5米之間，在對RFID激活的同時可完成定位功能，需要在變電站的接地線柜內、接地線樁處，以及變電站主控制及開關場內安裝多個激活器。

為了監視臨時接地線的準確固定位置，在接地線柜內的每個安放位置處需要安裝一個激活器。由于安放位置間的距離較近，為防止各激活器的工作范圍出現重疊，需要設置激活器的信號功率和激活范圍，使其能夠準確、可靠激活固定位置處的電子標簽。變電站主控制及開關場內激活器的激活范圍可以設置的較大，以便有效控制激活器的布點數量，降低系統成本。當臨時接地線與激活器的相對位置小于事先設定好的激活距離時，激活器啟動RFID標簽進入工作狀態，RFID標簽會記錄激活器的編號和激活時間，作為臨時接地線的定位依據。

RFID標簽被成功觸發進入工作狀態后，采用高頻信號與附近的讀寫器通信，信號頻帶在2GHz～3GHz之間，因此讀寫器的有效工作范圍較大，一般在0～120米之間。RFID標簽將激活器編號、激活時間等信息發送至讀寫器，讀寫器通過以太網將采集到的RFID標簽信息發送至管理主機，完成臨時接地線位置信息的上傳。

為提高混合RFID標簽內置電池的使用壽命，正常情況下RFID處于休眠狀態，功耗極低，通過激活器發出信號才會啟動有源RFID工作。有源RFID與附近的讀寫器通信，將電子標簽內的激活位置和激活時間等信息發送給讀寫器，同時讀寫器也可將需要寫入的內容以無線的方式寫入到電子標簽內，完成數據的雙向通信。

讀寫器讀取到RFID電子標簽發送的信息后經以太網上傳至數據服務器和接地線管理主機，主機對接地線的安放位置做出識別和判斷，如果安放位置不正確，接地線管理主機可發出告警信號。如果接地線的安放位置正確，在接地線管理主機的人機交互界面中標識出接地線與安放位置的對應關系，供運行人員查看。如果長時間不對接地線進行操作，激活器和RFID電子標簽的對應關系不會改變，RFID標簽不再頻繁與讀寫器通信，進入休眠狀態以降低功耗，直到電子標簽被不同的激活器觸發。工作流程示意圖如圖3所示。

如果需要對臨時接地線進行操作時，首先需要接地線管理主機進行使用授權，獲得使用授權后臨時接地線安放位置處的電磁鎖會自動打開，允許運行人員對接地線進行操作。當接地線從安放位置取走后，會進入其它激活器的有效工作范圍內，RFID電子標簽被觸發進入工作狀態，將對應激活器的編號以及自身電子標簽的編號發送給附近的讀寫器，讀寫器將RFID電子標簽上傳的數據發送給數據服務器，然后發送給接地線管理主機，在管理主機中實時顯示接地線與激活器的對應關系，完成接地線的實時定位功能。

接地線在操作使用過程中，會依次經過多個激活器，RFID電子標簽會記錄并借助讀寫器上傳所有觸發器的編號，在接地線管理主機中就可形成接地線的移動路徑，實現接地線使用全過程的監視與管理。

如果RFID電子標簽處于所有激活器的工作范圍以外，表明該接地線失去了有效的監控和管理，在管理主機中無法將RFID電子標簽與激活器進行有效匹配，此時管理主機發出告警信號，并給出最近一次的RFID電子標簽與激活器的匹配信息，提示運行人員及時查找相應的接地線，避免出現不安全的接地線操作、接地線丟失等意外情況。

管理主機通過接收RFID電子標簽上傳的信息記錄所進行的操作，并對接地線的使用年限、操作使用情況、移動路徑、告警信息等進行分類和存儲，當上述信息有更新時通過讀寫器將更新信息寫入到RFID電子標簽內。運行人員可以通過手持式RFID讀卡終端，隨時讀取RFID電子標簽中的相關內容，便于運行人員隨時掌握每臺接地線的具體信息。上述操作使用流程如圖4所示。

3 結論

本文提出了一種基于混合RIFD技術的變電站臨時接地線全過程管理方法，該方法采用無源RFID與有源RFID相結合的技術，利用無源RFID低頻通信的特點實現準確定位，利用有源RFID高頻通信的特點進行無線通信組網完成信息的傳輸。與已有的變電站臨時接地線管理方法相比，本文所提方法有如下優點：

（1）采用混合RFID技術，能夠充分利用無源RFID和有源RFID的特點，為變電站臨時接地線管理提供完整、統一的解決方案；

（2）不僅能夠實現臨時接地線安裝和存放位置處的定位識別，還能完成接地線操作使用過程中的移動路徑監視，實現對接地線的全過程、全覆蓋管理；

（3）該方案具有較低的成本，較高的可靠性、通用性和可擴展性，可替代現有的變電站臨時接地線管理方案，提供功能更豐富完善、性能更優越可靠的接地線管理功能。

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作者簡介

陳樑（1979-），男，大學本科學歷。現為國網江西省電力公司萍鄉供電分公司助工，從事變電站接地線同期應用及監控方向的研究。

作者單位

國網江西省電力公司萍鄉供電分公司 江西省萍鄉市 337000