基于LoRa的變電站地線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文中分析了變電站現(xiàn)有地線管理方面存在的問題，選取LoRa無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了地線管理系統(tǒng)，針對(duì)地線管理裝置、地線閉鎖裝置、地線頭、通信系統(tǒng)、地線操作校驗(yàn)方案等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并測(cè)試了所設(shè)計(jì)的地線管理系統(tǒng)的解鎖和閉鎖地線功能、掛接和拆除地線的操作延時(shí)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該地線管理系統(tǒng)可有效解決變電站地線管控方面存在的相關(guān)問題，滿足了地線實(shí)時(shí)防誤的要求，大幅提升了變電站運(yùn)維檢修作業(yè)的安全性。

關(guān)鍵詞：變電站；五防系統(tǒng)；地線管理；防誤主機(jī)；LoRa；實(shí)時(shí)防誤

中圖分類號(hào)：TP39；TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）10-0-04

0 引 言

地線是變電站停電檢修時(shí)保證作業(yè)人員安全的生命線，傳統(tǒng)的地線管理方法是將地線存放在地線柜內(nèi)，取用和歸還操作缺少強(qiáng)制性手段。因地線漏拆后帶地線合閘而造成人員傷亡和設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞等重大安全事故屢有發(fā)生，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)國家電網(wǎng)公司歷年統(tǒng)計(jì)分析，在誤操作事故中，地線管理混亂或使用混亂導(dǎo)致的事故占據(jù)相當(dāng)大的比例。

針對(duì)地線漏拆引發(fā)的安全問題，部分變電站設(shè)置了離線式地線管理系統(tǒng)，通過地線管理裝置、地線閉鎖裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)地線狀態(tài)、取用/歸還操作的管控[1-3]，并集成在五防系統(tǒng)內(nèi)，結(jié)合操作票回傳時(shí)強(qiáng)制校驗(yàn)地線歸還是否到位，有效降低了帶地線合閘事故的發(fā)生。但由于地線從地線柜內(nèi)取出后即處于離線狀態(tài)，未納入五防或其他系統(tǒng)的監(jiān)管范圍內(nèi)，打開地線鎖操作完成后電腦鑰匙回傳時(shí)才能以地線鎖的狀態(tài)作為地線的狀態(tài)進(jìn)行更新，故實(shí)際使用中仍然存在以下問題：

（1）地線取出后，無法確認(rèn)地線是否掛接到位，操作過程和結(jié)果完全依賴運(yùn)維人員的責(zé)任心和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)水平，可能出現(xiàn)未掛接地線即開始檢修作業(yè)的情況。

（2）地線掛接后，若通過解鎖工具打開地線鎖拆除地線，則地線已拆除的狀態(tài)無法回傳到五防系統(tǒng)，同樣影響后續(xù)檢修作業(yè)的安全。一旦檢修過程中復(fù)電，將嚴(yán)重危及作業(yè)人員的生命安全。

目前主流的無線傳輸技術(shù)主要有ZigBee、LoRa、NB-IoT等。ZigBee技術(shù)應(yīng)用較早，具有自組網(wǎng)能力、功耗較低、速率較高等優(yōu)點(diǎn)，在變電站數(shù)據(jù)采集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用[4-7]，但該技術(shù)存在傳輸距離短、穿透能力弱、功耗較高的缺點(diǎn)，制約了其應(yīng)用范圍。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，依賴于運(yùn)營商的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，不適用于變電站（地理位置偏遠(yuǎn)）。LoRa具有傳輸距離遠(yuǎn)（1～2 km）且功耗更低的優(yōu)勢(shì)[8-10]，因此基于LoRa技術(shù)構(gòu)建地線管理系統(tǒng)具有一定的可行性和工程實(shí)用價(jià)值。

本文針對(duì)變電站臨時(shí)地線使用過程中存在的一系列問題，設(shè)計(jì)了基于LoRa的地線管理系統(tǒng)，通過地線取用/歸還操作的解/閉鎖管控和掛接后的實(shí)時(shí)回傳，實(shí)現(xiàn)地線使用的全程管控，避免帶地線合閘事故的發(fā)生，有效提升了運(yùn)維作業(yè)的安全管控水平。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于LoRa的地線管理系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，包括防誤主機(jī)、地線管理裝置、地線閉鎖裝置、地線頭、地線樁、網(wǎng)關(guān)、基站、反向隔離裝置等。地線歸還狀態(tài)下，地線管理裝置通過地線閉鎖裝置采集地線頭RFID信息，確認(rèn)地線是否正確歸位；地線被取出后，地線頭讀取地線樁的RFID信息并確認(rèn)地線是否正確掛接，而后通過LoRa無線上傳至防誤主機(jī)，實(shí)現(xiàn)地線的在線管理。

網(wǎng)關(guān)與各基站之間采用無線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)LoRa全覆蓋，保證地線頭掛接狀態(tài)等信息能夠可靠傳輸。安全區(qū)Ⅰ與安全區(qū)Ⅳ之間的數(shù)據(jù)交互經(jīng)過反向隔離裝置進(jìn)行物理隔離，保證數(shù)據(jù)跨區(qū)安全傳遞。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 地線管理裝置設(shè)計(jì)

地線管理裝置主要負(fù)責(zé)采集匯總各地線狀態(tài)和控制操作指令的轉(zhuǎn)發(fā)，其整體硬件架構(gòu)如圖2所示。

地線頭狀態(tài)采集：通過多條二總線與各地線閉鎖裝置通信，采集各地線頭狀態(tài)并匯總上送至防誤主機(jī)。同時(shí)校驗(yàn)地線頭狀態(tài)，檢測(cè)到地線歸還錯(cuò)誤、通信中斷等異常時(shí)進(jìn)行語音告警提示。

地線遠(yuǎn)程控制：接收防誤主機(jī)下發(fā)的解鎖/閉鎖指令并通過轉(zhuǎn)發(fā)二總線轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的地線閉鎖裝置，實(shí)現(xiàn)地線遠(yuǎn)程解鎖。

地線就地操作：在觸屏液晶面板上解鎖/閉鎖地線頭，權(quán)限校驗(yàn)通過后轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的地線閉鎖裝置，實(shí)現(xiàn)地線就地解鎖。

管理功能：用戶權(quán)限分級(jí)管控、通信交互管理等。

2.2 地線閉鎖裝置設(shè)計(jì)

地線閉鎖裝置負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)地線歸位后的狀態(tài)檢測(cè)和解鎖/閉鎖控制，其整體硬件架構(gòu)如圖3所示。

（1）地線頭狀態(tài)采集：讀取地線頭表面的RFID標(biāo)簽獲取地線頭狀態(tài)[1]，并通過二總線上送。讀取結(jié)果與所綁定的地線頭RFID標(biāo)簽比對(duì)，確定歸還的地線是否正確，不一致則通過指示燈進(jìn)行告警提示，避免地線歸還錯(cuò)誤。

（2）地線頭解鎖/閉鎖控制：通過二總線接收地線管理裝置下發(fā)的解鎖/閉鎖指令，實(shí)現(xiàn)地線取用/歸還的管控。

（3）對(duì)地線頭充電。

2.3 地線頭設(shè)計(jì)

地線頭是地線取出后進(jìn)行在線管理的關(guān)鍵設(shè)備，整體硬件架構(gòu)如圖4所示。地線頭表面帶有可被地線閉鎖裝置識(shí)別的RFID標(biāo)簽，并與地線閉鎖裝置一一綁定，根據(jù)該RFID標(biāo)簽確定歸還的地線是否正確。地線掛接/拆除后，殼體表面觸發(fā)開關(guān)動(dòng)作喚醒內(nèi)部MCU啟動(dòng)地線樁讀取RFID信息并通過LoRa模塊發(fā)送，由防誤主機(jī)接收后確定地線掛接位置與操作票是否一致或地線已拆除。對(duì)于掛接操作，無線交互完畢后地線頭整體進(jìn)入休眠模式以降低功耗，同時(shí)周期喚醒并上送當(dāng)前狀態(tài)，保證防誤主機(jī)接收到的地線狀態(tài)與實(shí)際一致。

2.4 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地線管理裝置通過二總線與地線閉鎖裝置交互，即借助內(nèi)置供電/通信芯片將通信數(shù)據(jù)直接耦合到電源線上，向地線閉鎖裝置供電的同時(shí)通過二者之間的通信交互實(shí)現(xiàn)地線頭狀態(tài)采集、地線閉鎖裝置解鎖/閉鎖控制下發(fā)等，減少了布線數(shù)量，提升了系統(tǒng)的可靠性。二總線通信系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

考慮到變電站占地面積較大，地線樁布置分散，加之無線基站發(fā)射功率有限，故在變電站內(nèi)布置1個(gè)網(wǎng)關(guān)及多個(gè)無線基站，并將部分無線基站作為中繼節(jié)點(diǎn)組建多跳網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全站LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋和可靠的通信傳輸。地線頭觸發(fā)開關(guān)動(dòng)作后，如讀取到所掛地線樁RFID信息，則通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳。無線基站接收后通過無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)，經(jīng)匯總、去重處理后以E文件的方式上送至防誤主機(jī)解析處理。

2.5 地線操作檢驗(yàn)

地線掛接操作的交互流程如圖6所示。地線掛接后通過LoRa實(shí)時(shí)回傳所掛接地線樁的RFID信息，防誤主機(jī)解析E文件后判斷掛接位置是否正確。如檢測(cè)到掛接位置錯(cuò)誤，防誤主機(jī)通過彈窗、音響告警等方式提醒運(yùn)維人員及時(shí)處理。掛接狀態(tài)下，地線頭周期喚醒并上傳掛接位置、電量等信息，保證掛接狀態(tài)下防誤主機(jī)也能及時(shí)獲取地線頭的狀態(tài)信息，避免出現(xiàn)監(jiān)視盲區(qū)。

地線拆除操作的交互流程如圖7所示。正常地線拆除后，地線頭讀取不到地線樁RFID信息，延時(shí)1 s確認(rèn)當(dāng)前處于已拆除狀態(tài)并實(shí)時(shí)回傳，強(qiáng)制校驗(yàn)地線歸位狀態(tài)，防止地線漏拆導(dǎo)致帶地線合閘。無操作票情況下，若地線頭上送當(dāng)前已拆除狀態(tài)，防誤主機(jī)判定為誤拆除地線，而后通過彈窗、音響告警等方式提醒運(yùn)維人員確認(rèn)處理。

3 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

LoRa網(wǎng)關(guān)/基站布點(diǎn)圖如圖8所示。其中，110 kV一次設(shè)備、#1～#3主變、10 kV #1～#6電容位于戶外，10 kV間隔開關(guān)柜等設(shè)備位于主控樓1層，控制室位于主控樓2層。

針對(duì)該變電站地線管理需求，按照?qǐng)D1所示架構(gòu)配置基于LoRa的地線管理系統(tǒng)。其中，1臺(tái)地線管理裝置及6臺(tái)地線閉鎖裝置安裝于工器具室地線柜，6臺(tái)地線閉鎖裝置分別對(duì)應(yīng)110 kV#1、#2地線，10 kV#1、#2地線，380 V#1、#2地線。網(wǎng)關(guān)、基站布置點(diǎn)位如圖8所示。網(wǎng)關(guān)A安裝于控制室2層墻面，基站B1安裝于主控樓1層（高壓室）墻面并直接接入網(wǎng)關(guān)A，設(shè)置于戶外的基站B2則以基站B1為中繼節(jié)點(diǎn)間接接入，從而實(shí)現(xiàn)全站LoRa通信覆蓋。

3.1 地線解鎖/閉鎖測(cè)試

分別通過防誤主機(jī)遠(yuǎn)程操作和地線管理裝置就地操作解鎖/閉鎖110 kV#1地線，解鎖/閉鎖測(cè)試各進(jìn)行10次，檢查操作正確率。測(cè)試結(jié)果見表1所列。

由表1數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)的地線管理裝置和地線閉鎖裝置能可靠執(zhí)行地線解鎖/閉鎖命令。

3.2 地線掛接/拆除操作測(cè)試

選取站內(nèi)6個(gè)接地樁安裝點(diǎn)J1～J6進(jìn)行地線掛接和拆除操作驗(yàn)證，如下：

（1）接地樁J1：高壓室遠(yuǎn)離基站B1側(cè)出線間隔接地樁；

（2）接地樁J2：高壓室靠近基站B1側(cè)出線間隔接地樁；

（3）接地樁J3、J4：戶外遠(yuǎn)離基站B2的某110 kV出線間隔線路側(cè)接地樁；

（4）接地樁J5：#2主變本體接地樁；

（5）接地樁J6：#6電容器本體接地樁。

分別測(cè)試上述接地樁掛接和拆除地線時(shí)報(bào)文交互的操作耗時(shí)，即掛接/拆除操作完成到防誤主機(jī)收到反向隔離裝置發(fā)送的E文件的時(shí)間（反向隔離裝置發(fā)送端軟件掃描周期為1 s），重復(fù)測(cè)試10次，平均耗時(shí)見表2所列。

由表2可以看到，各接地樁點(diǎn)位掛接/拆除地線時(shí)的通信耗時(shí)較短，基本滿足地線操作后的實(shí)時(shí)校驗(yàn)要求，且回傳報(bào)文經(jīng)過的基站層級(jí)越少耗時(shí)越短。拆除地線時(shí)，因地線頭設(shè)置了1 s讀不到RFID信息的延時(shí)，故平均耗時(shí)相比掛接操作也增加了約1 s。

4 結(jié) 語

本文基于LoRa無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了變電站地線管理系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用證明了該系統(tǒng)完全可滿足變電站地線實(shí)時(shí)防誤管控的要求，有效避免帶地線合閘事故的發(fā)生，大幅提高了運(yùn)維檢修作業(yè)的安全性。

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