實時地線管理系統在電力系統中的應用

楊 林 趙泓博 趙守忠 馮 磊 楊 威

（1. 國網遼寧省電力有限公司技能培訓中心，遼寧 錦州 121001；2. 遼寧拓新電力電子有限公司，遼寧 錦州 121000）

隨著電子技術、通信技術的發展，我國電力五防系統的建設已經進入到一個高速發展的時期。近幾年智能電網建設的興起，更是掀起了一股全球性電網智能化建設研究的浪潮。五防智能化建設，作為智能電網的重要組成部分，在近幾年的研究中，取得了長足的進步和可喜的研究成果。

因為設備檢修后漏拆臨時接地線引起帶接地線合閘的惡性誤操作，對電網存在嚴重威脅。對于地線的掛接與拆除，傳統的地線管理已不能滿足目前的要求。由于主控室無法直觀掌握工作人員在現場對地線實際的操作情況，導致在運行管理過程中仍然需要安排人力，到現場進行巡查，以確保地線掛接的安全可靠、確保拆除地線的準確無誤。這種運行管理模式，不僅浪費了人力和物力，而且在五防智能化方面也沒有能夠很好的體現。

實時地線管理系統能有效彌補了傳統地線管理的不足，徹底解決臨時地線的操作和日常管理過程中存在的安全隱患。該系統采用ZigBee無線通信技術，RFID無線射頻技術和地線管理軟件，可以對地線的掛接位置和狀態等，進行規范管理，避免地線的隨意使用，防止人為造成的誤掛或漏拆。

1 工作原理

實時地線管理系統由地線管理主機、無線路由器、智能地線頭、智能地線樁、地線柜等組成。實時地線管理系統采用 ZigBee無線通信模塊和射頻檢測裝置作為地線檢測器。地線檢測器安裝在智能地線頭內，當地線頭掛接到地線樁上或者從地線樁上拆下時，地線樁內的磁柱觸發地線檢測器中的干簧管，使 LPC1114F微控制器從睡眠模式切換到正常運行模式，之后射頻檢測裝置即可讀取地線樁上的射頻扣ID號，通過ZigBee無線通信技術把地線使用信息發送到與其鄰近的路由器中，路由器向此地線檢測器發送睡眠指令，這樣就大大降低了地線檢測器的日常功耗，由于路由器內都裝有ZigBee模塊，這樣路由器之間就可以自動組網，使ZigBee無線通信以接力的形式把信息傳送到主控室內。由于地線掛接點名稱已與地線樁上的射頻扣 ID號一一對應，因此主控室內的實時地線管理軟件即可知道哪條地線掛接到具體什么位置，在圖形界面上顯示目前地線使用情況，并通過ADO數據庫訪問技術把此信息存儲到Access數據庫中，這樣主控室人員即可清晰地了解到現場地線的掛接、取放狀態，以及地線在現場的掛接位置并可以通過“記錄查詢”功能檢索出相關記錄。實時地線管理系統組成如圖 1所示。

圖1 實時地線管理系統組成

實時地線管理軟件與防誤系統軟件安裝在同一臺計算機中（即管理機），它們之間能夠以共享內存的方式通信從而使地線管理與防誤系統很好地結合起來，以達到更理想的防誤效果。例如：當從地線柜中取出地線時，主控室內的實時地線管理軟件把這個操作信息傳送給防誤系統軟件，防誤系統軟件即開始判斷這個動作是否符合五防邏輯，如果符合，防誤系統則允許繼續預演，操作人員即可以使用無線電腦鑰匙到現場開鎖并操作設備；否則即強制閉鎖并進行相應的語音提示；當使用無線電腦鑰匙到現場解開地線鎖具后，如果操作人員沒有把地線掛接到地線樁上，主控室內的管理機接收不到此地線的掛接信息，這樣就不會向無線電腦鑰匙發送允許進行下一項操作的指令，無線電腦即不能操作下一項的鎖具，從而達到了對地線實時防誤的目的。

1.1 ZigBee無線通信技術

無線通信問題是實時地線管理系統遇到的技術難題，如果采用GPRS或3G無線網絡，信號質量雖然很好，但需要二次收費；如果采用WiFi進行無線通信，信號的覆蓋面積小，通信距離短無法滿足要求；如果采用有線通信則由于現場復雜，無法滿足布線的要求。ZigBee技術既解決了光纖通信投資大、敷設困難等問題，又克服了其他無線通信距離短、可靠性差和通信資費等弊端，因此，本系統采用該通信技術。ZigBee作為無線傳感器網絡支撐技術，由大量分布廣泛的微小傳感器通過無線電連接形成一個組網，這些傳感器以微小的能量通過接力的方式將數據從一個節點傳到下一個節點，具有很高的通信效率[1-3]。ZigBee無線網絡如圖2所示。

圖2 ZigBee無線網絡

ZigBee網絡具有自組織性，每個ZigBee網絡節點只要在通信范圍內，就會自動搜索并形成一個互聯的通信網絡，網絡模塊終端的相對位置發生變化時，模塊會自動重新搜索通信對象，建立聯系。ZigBee網絡還具有無線網路自愈能力，當有節點出現通信故障時，網絡可自行排除該節點，通過其他節點重新建立網絡連接[4-6]，從而增加了網絡通信的可靠性；其傳送距離可達到 1000m，在接收或發送數據時其功耗只有120mW，并且在睡眠狀態下功耗僅為30μW，另外ZigBee無線網絡的每個節點都可以充當路由，并且最多可達20級。

1.2 RFID射頻識別技術

由于需要反映出地線在現場掛接與拆除的具體位置，地線掛接位置的識別又是一個關鍵所在。因此，本系統采用 RFID無線射頻技術。該無線射頻技術是自動識別技術的一種高級形式，一般由兩部分組成：閱讀器和應答器。應答器也稱發射器或標簽，是射頻識別系統的數據載體，其通常放在需要識別的物件上，可以發送和接收信息，并進行讀/寫操作。應答器分為兩大類，即有源應答器和無源應答器[3]。鑒于節電方面的考慮，本系統采用無源應答器，也稱為被動式標簽，其由耦合組件和芯片組成，工作所需要的能量通過耦合單元傳輸接收，因此只有在閱讀器的響應范圍內，它才處于激活狀態。通過電路設計和選擇工作模式有效地降低了系統的功耗。根據實際情況的需求，該 RFID系統采用125kHz的振蕩頻率，并且具有低功耗、高效防碰撞等特征，主要包括：基于SOC的硬件控制電路、微控制器與射頻模塊的通信。在軟件決策中，提出了一種改進的防碰撞算法，將閱讀器跳頻輪詢技術和標簽的分頻技術與傳統的幀時隙ALOHA算法相結合，降低了標簽的碰撞幾率，減少了識別時間和重復發射次數，從而提高了識別效率。

該 RFID系統利用 LPC1114F微控制器的一個I/O引腳產生一個標準載波信號，經過限流電阻送入推挽式連接的三極管功率放大電路，放大后的載波信號通過天線發射出去[7-8]。天線與電容構成串聯諧振電路，諧振頻率為125kHz，諧振電路的作用是使天線上獲得最大的電流，從而產生最大的磁通量，獲得更大的讀卡距離。利用二極管、電阻和電容組成一個檢波電路，該電路用來去除 125kHz載波信號，還原出有用信號。再用電容和電阻構成一個帶通濾波電路，濾除 125kHz以外的干擾信號。最后通過濾波放大電路對檢波后的信號進行濾波放大，放大后的信號送入LPC1114F微控制器的定時/計數器T1的輸入引腳，由微控制器對接收到的信號進行解碼，實現對ID號的識別。

1.3 實時地線管理系統設計

實時地線管理系統采用 ZigBee無線通信技術實現了對現場地線使用情況的實時反饋；采用RFID無線射頻技術實現了對現場地線的每個掛接位置的識別；利用軟件開發平臺所研制的地線管理軟件實現了以界面形式直觀地顯示現場地線的具體使用情況，并具有實時記錄、語音提示、歷史查詢、系統配置、圖形切換等功能，也可以與防誤系統相結合，從而達到五防閉鎖的目的[9-13]。實時地線管理系統軟件總體結構圖如圖3所示。本系統還實現了調控模式的地線管理方案，使其能夠接入MIS及綜自系統，實現資源共享，每個人都可以掌握臨時接地線的使用情況，不但對單站起到了防誤的作用，而且在站間五防的應用中也起到了很好的效果。

圖3 實時地線管理系統軟件總體結構圖

2 實時地線管理系統應用

2017年初實時地線管理系統在沈陽地鐵二號線渾南停車場得到了實際應用。該系統目前運用已近10個月，系統運行穩定，無事故發生。通過該系統的實時性，現場操作人員可以準確的得知設備帶電情況以及地線使用情況，每步操作都有語音報警提示。傳統地線操作時，由于沒有操作規則，經常出現帶電掛地線的情況，出現大量事故。本系統使現場設備狀態與防誤主機狀態實時對位，在現場設備帶電的情況下，無法進行掛接地線操作，只有當設備斷電，反饋回防誤主機，防誤主機判斷設備是否帶電，判斷準確無誤后允許進行地線掛接操作。

實時地線管理系統圖形界面如圖4所示，該界面是根據現場需求，使用戶可以直觀的查看相關變電站的地線頭狀態、電量、信號強度、地線使用情況、地線掛接位置等信息，同時能夠統計接地組數，并且具有誤操作報警和歷史記錄等功能，極大的提高了地線系統操作的智能化管理程度。地線掛接正確、放回正確、已拆除、通信故障如圖5地線狀態所示。

圖4 實時地線管理系統圖形界面

圖5 地線狀態

2.1 接線圖界面

在變電站一次接線圖界面下，用戶可查看相關地線掛接情況及掛接位置，在一次接線系統圖上直接顯示掛接的地線號及掛接位置（如圖6所示），“3號地線已掛接”更方便、更直觀。

2.2 操作流程

當運行人員對設備準備操作時，首先應該在五防系統下進行操作開票，確認操作票正確無誤后，按照操作票進行模擬預演，預演符合防誤規則，則將預演的操作邏輯規則傳入電腦鑰匙，傳輸完畢后，手持電腦鑰匙，進入現場進行操作。如果掛接#1和#2地線，則進入地線室取出該兩組地線，如果誤取出（如取出#2和#4），則后臺管理系統會自動語音報警取出地線不符。正確取出后進入現場，根據電腦鑰匙里傳入的邏輯規則開鎖，如果掛接位置與預演位置不符，后臺顯示錯誤掛接位置并語音報警。只有當掛接完全正確后才能進行下一步預演操作，否則閉鎖，這樣避免了漏掛和錯掛的現象出現。

圖6 實時地線管理系統一次接線圖界面

當拆除地線時，也應該嚴格按照五防邏輯進行拆除，并按照地線取出位置放回地線室，如果漏拆或拆錯，下一步操作將會閉鎖，不能進行下步操作。在地線掛接后，智能地線頭的檢測器會將掛接信息上報到實時地線管理后臺軟件上，后臺軟件會顯示當前地線掛接位置，并伴有語音提示。

2.3 系統實現的功能

1）地線身份具有惟一識別特點，區別于其他五防閉鎖設備。

2）實現不同電壓等級的實時管理。

3）支持調控模式地線管理，采用網絡通信方式并將地線分為私有地線（一般子站使用）、公共地線（一般操作隊使用）和全局地線（一般整個局內都能使用）三個等級類別，一套裝置最大可管理 256組地線。

4）實時反映地線的掛接、取放狀態，及在現場的掛接位置，并能夠與五防閉鎖軟件相結合從而實現對地線的五防閉鎖。

5）地線使用情況實時語音匯報，每條地線的掛接和使用狀態都能通過網絡與主機相連，能夠實時語音匯報（延時時間不超過5s）。

6）既可以與五防裝置聯機使用，又可以單獨運行。

7）多種數據通信接口，既可以采用串行通信又可以采用網絡通信。

8）采用微機顯示，用戶操作界面更人性化，操作直觀方便。

9）提供詳細的地線使用記錄和查詢，記錄容量大，可存儲2000條記錄。

3 結論

實時地線管理系統能有效彌補了傳統地線管理的不足，徹底解決臨時地線的操作和日常管理過程中存在的安全隱患。該系統采用ZigBee無線通信技術，RFID無線射頻技術和地線管理軟件，可以對地線的掛接位置和狀態等，進行規范管理，避免地線的隨意使用，防止人為造成的誤掛或漏拆。實時地線管理系統不但可以解決目前微機防誤閉鎖裝置對接地線無法識別管理的問題，而且還能實時查詢地線是否在地線室指定位置，并且還可以實時的跟蹤和檢測當前各組接地線在現場所掛接的位置及狀態。做到地線按章使用，規范管理，有記錄可查詢，防止隨意的使用，為電力安全生產提供有力的保障。

實時地線管理系統在地鐵二號線渾南停車場運行正常，無事故發生。通過實際應用和實驗發現地線管理軟件圖形顯示、操作記錄以及語音提示準確無誤。綜合考慮地線在使用過程中的特點所研制的“實時地線管理系統”實現了人在主控室即可實時掌握現場地線的使用情況，有效地提高了智能化管理水平。

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