基于GPRS的同塔雙回線接地安全防御裝置研究

李燕青，范環(huán)宇

(華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

目前，同塔雙回輸電線路帶地線合閘事故時(shí)有發(fā)生［1－5］，為了避免人為誤操作對(duì)設(shè)備造成的損壞，文獻(xiàn)［6］采用由電子鈕扣、電子鈕扣識(shí)讀器及無線通信模塊構(gòu)成了線路檢修和接地線狀態(tài)監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng);文獻(xiàn)［7－8］在變電站內(nèi)投用了基于紅外光電傳感監(jiān)測器的臨時(shí)地線閉鎖裝置。但這些檢測裝置均為低壓供電裝置，同塔雙回線路存在較大的感應(yīng)電壓和電流，會(huì)干擾檢測裝置正常工作。因此，本文針對(duì)雙回線間存在較大的靜電耦合和電磁耦合問題，通過比較裝置上電流的幅值以判斷其極性、線路上是否存在未拆除的臨時(shí)接地線，研究了一種同塔雙回輸電線路接地安全防御裝置。在拆除接地線時(shí)，該安全防御裝置給現(xiàn)場的工作人員發(fā)出音響信號(hào)和燈光信號(hào)，將該操作信號(hào)通過GPRS發(fā)送到調(diào)度中心的管理主機(jī)，并與五防系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制閉鎖保護(hù)，避免了人為誤操作帶來的人員傷亡和設(shè)備損壞危機(jī)，同時(shí)也擺脫了人工巡視的缺點(diǎn)。

1 檢測裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到同塔雙回輸電線路兩回線間存在較大的電磁耦合和靜電耦合，該安全防御裝置采用如下設(shè)計(jì)方案:作業(yè)人員按原來的方式掛接和拆除地線，在檢修完成后、合閘送電之前，使用安全防御裝置檢測是否存在漏拆的臨時(shí)接地線。安全防御裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置包括一組經(jīng)過改造的檢測用臨時(shí)地線、感性參考信號(hào)單元、控制芯片、電源模塊以及無線模塊。在合閘送電前，管理主機(jī)發(fā)送查詢信號(hào)給無線模塊，查詢線路上是否還有未拆除的臨時(shí)地線，并根據(jù)查詢結(jié)果將“閉鎖操作”以及“允許合閘送電”操作信號(hào)發(fā)送給五防機(jī)。

圖1 檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Monitoring device structure schematic diagram

安全防御裝置的檢測判據(jù):檢測地線上的電流與感性參考信號(hào)單元的電流其幅值若小于兩者之間較大的電流幅值，則可判定臨時(shí)接地線已全部拆除;反之其幅值若大于兩者之間較大的電流幅值，則判定線路上存在漏拆的臨時(shí)接地線，同時(shí)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制閉鎖保護(hù)。

2 檢測原理及裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測原理

同塔雙回輸電線路一回正常運(yùn)行，另一回停電檢修時(shí)，兩回線間同時(shí)存在靜電耦合和電磁耦合，停運(yùn)線路上存在較大的感應(yīng)電壓和電流。為了確保檢修人員的人身安全和設(shè)備的正常工作，需要在停運(yùn)線路上掛接臨時(shí)地線。檢修工作完成后、合閘送電之前，為了確保掛接的地線全部拆除，將裝置的檢測地線掛接在停運(yùn)線路上。若線路上掛接的臨時(shí)地線已全部拆除，則相當(dāng)于停運(yùn)線路單端接地，此時(shí)由于停運(yùn)線路上的感性感應(yīng)電流沒有通路，所以感性感應(yīng)電流為0，檢測地線上的電流主要為靜電感應(yīng)電流呈容性;若線路上存在漏拆的臨時(shí)接地線，則相當(dāng)于同塔雙回輸電線路雙端或多端接地，停運(yùn)線路上的容性感應(yīng)電流通過停運(yùn)線路雙端接地線流入大地，停運(yùn)線路因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)將形成感性感應(yīng)電流，檢測地線上的電流以感性電流為主［9］。

同塔雙回輸電線路接地安全防御裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中Ⅰ回線正常運(yùn)行，Ⅱ回線停電檢修。S為遠(yuǎn)端接地刀閘，用來模擬未拆除的地線，在實(shí)際中并不存在。檢測地線上裝設(shè)電流互感器，感性參考信號(hào)單元用于提供標(biāo)準(zhǔn)的感性電流，由感性元件與運(yùn)行回線上的電壓互感器二次側(cè)電壓產(chǎn)生，單片機(jī)的輸出端與蜂鳴器、“存在漏拆地線”指示燈LED1、“無漏拆地線”指示燈LED2相連。參考電流產(chǎn)生電路與檢測地線互感器采用聯(lián)動(dòng)開關(guān)，以確保兩者能夠同時(shí)閉合。R1、R2、R3為指示燈和蜂鳴器的限流電阻，其阻值為1 kΩ。

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，500 kV的B類接地開關(guān)開、合感應(yīng)電流的額定參數(shù)為額定感性電流200 A、額定容性電流25 A(均為有效值)。安全防御裝置中采用電流互感器將地線上的大電流變換為數(shù)量級(jí)為10 A的小電流，防止地線上的大電流對(duì)人身安全和設(shè)備的正常工作造成傷害。安全防御裝置工作時(shí)，單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器將電流互感器的二次側(cè)模擬電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)的一個(gè)輸入端;標(biāo)準(zhǔn)感性參考電流經(jīng)過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器也送入單片機(jī)一個(gè)輸入端，其數(shù)量級(jí)也為10 A。同塔雙回輸電線路上存在未拆除的臨時(shí)地線時(shí)，安全防御裝置地線上流過的電流與參考電流同為感性電流，其幅值大于檢測電流和參考電流的幅值，單片機(jī)根據(jù)這一判定結(jié)果，點(diǎn)亮“存在漏拆地線”指示燈LED1和蜂鳴器，信號(hào)指示燈和蜂鳴器互為備用，確保能夠可靠發(fā)出警報(bào)信號(hào)，檢修人員即可及時(shí)巡視，同時(shí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)無線模塊將操作信息發(fā)送給調(diào)度中心的管理主機(jī)，管理主機(jī)與五防機(jī)通信以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制閉鎖保護(hù)，從技術(shù)層面避免帶地線合閘事故的發(fā)生。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Device structure diagram

2.2 裝置硬件設(shè)計(jì)

該安全防御裝置檢測部分主要由單片機(jī)、電源模塊、指示燈、蜂鳴器以及 PWM輸出驅(qū)動(dòng)電路組成。

單片機(jī)選用國產(chǎn)的STC12C5A60S2系列單片機(jī)，其運(yùn)算速度快、可靠性高、功耗低、抗靜電能力與抗干擾能力強(qiáng)，工作電壓為5 V，工作頻率為0～35 MHz。STC12C5A60S2能夠通過串口直接下載用戶程序，具有10位精度的ADC，可實(shí)現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換，能在－40℃ ～+80℃正常工作。

為了滿足便攜式測量的要求，所設(shè)計(jì)的安全防御裝置采用5 V可充電鋰電池作為單片機(jī)的直流供電電源?？紤]到安全防御裝置經(jīng)常用于戶外作業(yè)的特點(diǎn)，指示燈需要選擇亮度高、功率小的元件。某LED公司生產(chǎn)的有磷砷化鎵紅色發(fā)光二級(jí)管與磷化鉀材料做成的綠色發(fā)光二級(jí)管，最高可承受70 V的反向電壓，正常工作電流為2～20 mA，發(fā)光亮度較高，能夠滿足戶外使用的需求，安全防御裝置采用該公司提供的此類產(chǎn)品作為裝置的檢測結(jié)果指示燈。蜂鳴器選用某公司生產(chǎn)的5 V 12085蜂鳴器。指示燈供電的供電電源電壓為5 V，發(fā)光二極管的工作電流為2～20 mA，由此可知，限流電阻的最小值為250 Ω，最大值為2.5 kΩ。為降低功耗，最終選擇阻值1 kΩ功率1 W的電阻元件。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

該安全防御裝置主要以電流幅值作為判據(jù)，檢測流程如圖3所示。地線電流和參考電流應(yīng)嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)同步采樣，否則會(huì)有較大誤差。聯(lián)動(dòng)開關(guān)閉合后，采樣點(diǎn)應(yīng)均勻分布在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)。閉合開關(guān)后，單片機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將檢測電流與感性參考電流進(jìn)行求和計(jì)算。若幅值小于兩者中幅值的較大值，可判定參考電流信號(hào)與檢測信號(hào)反極性，則此時(shí)流過檢測地線的電流為容性的感應(yīng)電流，說明臨時(shí)地線已全部拆除，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)“無漏拆地線”指示燈LED2發(fā)光同時(shí)驅(qū)動(dòng)無線模塊發(fā)送信號(hào)給管理主機(jī)，管理主機(jī)發(fā)信給五防機(jī)允許合閘送電;若幅值大于兩者幅值的最大值，則認(rèn)為兩者同極性，流過檢測地線的電流為感性，說明線路上存在漏拆的臨時(shí)地線，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲、“存在漏拆地線”指示燈LED1發(fā)光，同時(shí)驅(qū)動(dòng)無線模塊發(fā)送操作信息至管理主機(jī)，管理主機(jī)發(fā)信給五防機(jī)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制閉鎖，避免因人為誤操作造成的帶地線合閘事故。

3 通信方式的選擇和實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場檢測終端與管理主機(jī)之間的通信依靠GPRS(General Packet Radio Service)。GPRS是通用無線分組業(yè)務(wù)的英文簡稱，基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端、廣域的無線IP連接。在原有GSM網(wǎng)絡(luò)上，GPRS網(wǎng)絡(luò)增加SGSN(GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn))以及GGSN(網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn))兩種數(shù)據(jù)交換結(jié)點(diǎn)設(shè)備，用戶可以在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時(shí)兼容電路型數(shù)據(jù)和分組交換數(shù)據(jù)，從而GPRS網(wǎng)絡(luò)能夠和因特網(wǎng)互相連接。

3.1 GSM網(wǎng)絡(luò)的可行性分析

圖3 檢測流程圖Fig.3 Test flow chart

將數(shù)據(jù)以分組的形式發(fā)送給目標(biāo)用戶，可以最大程度地保證數(shù)據(jù)的傳送，各個(gè)數(shù)據(jù)包由不同的路徑到達(dá)目的地。與傳統(tǒng)的 GSM網(wǎng)絡(luò)相比較，GPRS網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點(diǎn)［10］。

1)可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋面廣、接入范圍大、系統(tǒng)構(gòu)建便捷、運(yùn)行成本較低等特點(diǎn)。

2)傳輸速率高，理論數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)171 kbps，應(yīng)用下一代的改進(jìn)型 GPRS技術(shù)(EDGE)，甚至可以提供384 kbps帶寬的廣域數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

3)GPRS登錄接入等待時(shí)間短，可快速建立連接。

4)提供實(shí)時(shí)在線功能，用戶將處于“永遠(yuǎn)在線”狀態(tài)，不必頻繁建立連接，傳輸延遲相對(duì)穩(wěn)定。

5)收費(fèi)合理，即使用戶一直“在線”，但只按流量收費(fèi)，性價(jià)比較高。

對(duì)同塔雙回線進(jìn)行檢修時(shí)，經(jīng)常需要多組接地線同時(shí)進(jìn)行，接地線的懸掛地點(diǎn)分散，而且工作時(shí)間不固定。地域上的分散性決定了通信系統(tǒng)的覆蓋面要很大，工作時(shí)間的不固定則要求系統(tǒng)的通信方式能夠靈活地組網(wǎng)，快速進(jìn)入工作狀態(tài)。GPRS的上述特點(diǎn)非常適用于間歇、突發(fā)、頻繁、小流量的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)對(duì)偶有大流量數(shù)據(jù)傳輸也能承受，GPRS能夠很好的滿足裝置的通信任務(wù)。

3.2 通信模塊的硬件實(shí)現(xiàn)

無線模塊采用華為公司的GTM900C模塊，該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，使用時(shí)不必編寫相關(guān)的IP協(xié)議程序，直接可以通過其內(nèi)嵌協(xié)議進(jìn)行GPRS上網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)［11］。GTM900C模塊接口簡單，使用方便且功能強(qiáng)大，只需要單一的電源即可工作，電流最大峰值可達(dá)2 A。該模塊通信的最大速率可以達(dá)到15 200bps，支持800 MHz/900 MHz/1800 MHz頻段自動(dòng)選擇，具有語音通信、短消息服務(wù)、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。GTM900C模塊工作溫度范圍大，抗干擾能力強(qiáng)，與單片機(jī)間通過標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口進(jìn)行通信，能夠滿足防御裝置戶外工作的需要。

4 與微機(jī)五防系統(tǒng)結(jié)合

微機(jī)五防系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為站控層、間隔層、過程層3個(gè)層次。每個(gè)層次負(fù)責(zé)不同的功能。站控層能夠完成操作票的模擬、防誤邏輯的判斷、實(shí)時(shí)狀態(tài)的采集等工作;間隔層用于有線、無線網(wǎng)絡(luò)的通信、解閉鎖控制等功能，主要元件包括分布式控制器、網(wǎng)絡(luò)控制器、無線路由器、無線電腦鑰匙等;過程層完成的是閉鎖各種設(shè)備的功能，由智能鎖具、普通編碼鎖等構(gòu)成。

同塔雙回線接地安全防御裝置與微機(jī)五防系統(tǒng)的配合，相當(dāng)于將防御裝置作為微機(jī)五防系統(tǒng)中站控層的一部分，負(fù)責(zé)接地情況的實(shí)時(shí)采集工作，通過五防系統(tǒng)間隔層，利用有線通信的方式將信息發(fā)送給微機(jī)五防系統(tǒng)，由五防系統(tǒng)根據(jù)接受信息的內(nèi)容完成解閉鎖操作。只要將信息按照微機(jī)五防系統(tǒng)的通信規(guī)約加以編譯，將編譯后的信息發(fā)送給微機(jī)五防系統(tǒng)站控層的五防主機(jī)，五防系統(tǒng)即可根據(jù)接收的信息完成相應(yīng)設(shè)備的解閉鎖操作。

5 結(jié)論

1)同塔雙回線接地安全防御裝置通過檢測地線上電流的性質(zhì)來判斷是否存在漏拆的臨時(shí)接地線，可以有效地解決傳統(tǒng)檢測裝置受電磁干擾和靜電干擾而無法正常工作的問題，技術(shù)路線可行，靈敏度高。

2)使用該安全防御裝置進(jìn)行地線檢測，仍可以按照原有的方法掛接和拆除接地線，只在合閘送電前使用本裝置進(jìn)行“驗(yàn)地”，幾乎不增加工作量，操作簡單，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

3)該安全防御裝置無需外加交流電源，只是利用運(yùn)行線路的電壓互感器二次側(cè)電壓構(gòu)成了參考電流產(chǎn)生回路，便于攜帶，耗材少，便于管理。

4)該安全防御裝置能夠與五防系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制閉鎖保護(hù)，從根本上避免帶地線合閘事故的發(fā)生。

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