基于物聯(lián)網(wǎng)技術的變電站作業(yè)現(xiàn)場接地線管控系統(tǒng)研究

李春曉，高 冰，孔英會，陳智雄，李保罡

(1.國網(wǎng)河北省電力公司衡水供電分公司，河北 衡水 053000；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的變電站作業(yè)現(xiàn)場接地線管控系統(tǒng)研究

李春曉1,2，高 冰1，孔英會2，陳智雄2，李保罡2

(1.國網(wǎng)河北省電力公司衡水供電分公司，河北 衡水 053000；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

結(jié)合變電站作業(yè)現(xiàn)場臨時接地線實時監(jiān)測的需求，提出設計基于物聯(lián)網(wǎng)技術的變電站作業(yè)現(xiàn)場接地線管控系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的硬件和軟件設計方案，分析系統(tǒng)的測試和應用情況，認為該系統(tǒng)可完成作業(yè)現(xiàn)場接地線掛接位置和狀態(tài)信息的實時采集，具有較好的應用推廣價值。

變電站；特聯(lián)網(wǎng)；接地線；RFID；Zigbee；實時監(jiān)測

臨時接地線是電力作業(yè)現(xiàn)場的安全保護屏障。變電站臨時接地線的管理在考核中是一個重要環(huán)節(jié)，科學管理可有效減少事故的發(fā)生。目前，我國在電力工程施工現(xiàn)場，普遍采用人工方式檢查臨時接地線，手段原始，效率低，容易造成漏拆接地線、漏收接地線、帶接地線合閘等誤操作[1-3]，因此，需要采用新技術，提升臨時接地線的管理水平。

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)已成為IT行業(yè)的新興技術領域[4]，并在電力系統(tǒng)輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測、智能變電站維護、智能抄表等方面取得了一些研究成果[5-7]。目前，已經(jīng)開始采用物聯(lián)網(wǎng)新技術實現(xiàn)接地線的科學現(xiàn)代化管理，但有的成本過高，有的利用GPRS傳輸信息，會產(chǎn)生大量公網(wǎng)費用,推廣使用受到某種限制。為此，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的變電站作業(yè)現(xiàn)場地線管控系統(tǒng),利用基于無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)與Zigbee的信息采集終端實現(xiàn)臨時接地線掛接位置和狀態(tài)的實時監(jiān)測。

RFID可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸[8]。常用的RFID系統(tǒng)有低頻、高頻、超高頻、有源系統(tǒng)等。目前，RFID技術廣泛應用于交通、圖書館、門禁系統(tǒng)、食品安全溯源等領域。

Zigbee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。Zigbee主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備[9]，可以便捷地為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此，在物聯(lián)網(wǎng)領域應用較多。

2 系統(tǒng)設計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的變電站作業(yè)現(xiàn)場接地線管控系統(tǒng)包括作業(yè)現(xiàn)場接地點的電子標簽、監(jiān)控單元(即接地線掛接位置和狀態(tài)信息采集終端)、Zigbee無線信息傳輸網(wǎng)絡、監(jiān)控中心后臺服務器四部分，如圖1所示。其中，每個電子標簽中存有該接地點的信息，如設備類型、所處地理位置等；監(jiān)控單元完成變電站作業(yè)現(xiàn)場接地線信息的實時采集，并經(jīng)過Zigbee無線網(wǎng)絡實現(xiàn)接地線信息傳輸；監(jiān)控中心后臺服務器通過管理軟件完成信息接收和處理。

圖1 變電站作業(yè)現(xiàn)場接地線管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.1 硬件設計

2.1.1 電子標簽

該系統(tǒng)RFID電子標簽選擇高頻電子標簽，工作在13.56 MHz，符合ISO 14443A標準，耐高溫、抗老化、抗腐蝕、抗金屬，標簽打孔，置于接地點處。每個電子標簽中存有該接地點的位置信息，如設備類型、所處地理位置等。

2.1.2 監(jiān)控單元

接地線掛接信息采集終端由兩部分組成，即RFID閱讀器和Zigbee終端節(jié)點，封裝在一個盒體內(nèi)，盒體靠近RFID閱讀器天線外側(cè)為讀卡區(qū)。臨時接地線工作時該終端附著在靠近接地點的位置，該接地點對應的RFID電子標簽進入終端的讀卡區(qū)，采集終端成功讀取該接地點RFID電子標簽信息；Zigbee終端節(jié)點通過串口獲取RFID閱讀器讀取的標簽信息。RFID閱讀器為高頻讀寫器，工作頻率為13.56 MHz，支持ISO 14443A標準，采用MFRC522系列低功耗芯片，Zigbee終端節(jié)點采用CC2530 模塊。2.1.3 Zigbee無線信息傳輸網(wǎng)絡

該部分主要是Zigbee 2.4 GHz無線傳感器網(wǎng)絡，由Zigbee終端節(jié)點、Zigbee路由節(jié)點和Zigbee協(xié)調(diào)器組成，連接RFID閱讀器的Zigbee終端節(jié)點，通過Zigbee網(wǎng)絡將讀取的RFID電子標簽位置信息發(fā)送給Zigbee協(xié)調(diào)器，Zigbee協(xié)調(diào)器收集各終端發(fā)送的接地線的電子標簽信息，并通過USB接口發(fā)送到監(jiān)控中心后臺服務器軟件進行處理。

2.1.4 監(jiān)控中心后臺服務器

該部分主要是安裝于計算機上的分析管理軟件和數(shù)據(jù)庫等,計算機通過USB接口讀取Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送的接地線掛接位置和狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，并通過軟件完成圖形顯示、數(shù)據(jù)管理、分析、存儲等操作。

2.2 軟件設計

軟件采用C語言編程，主要完成接地線掛接信息數(shù)據(jù)接收、圖形顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和存儲、告警信息處理等。

a. 數(shù)據(jù)接收。從串口讀取數(shù)據(jù)，對串口初始化后根據(jù)通信協(xié)議獲取接地線掛接位置和狀態(tài)信息。通信協(xié)議采用自定義格式，有16字節(jié)，其中前4字節(jié)68 09 09 68為起始信息，3字節(jié)功能信息(表示網(wǎng)絡工作狀況和對終端電池電壓信息)，6字節(jié)電子標簽和終端信息(4字節(jié)標簽ID，2位閱讀器編號)，2字節(jié)CRC校驗，1字節(jié)幀尾。

b. 圖形顯示。該部分以變電站一次接線圖為背景，根據(jù)接地線掛接狀態(tài)信息在相應接地點位置上以不同顏色動態(tài)顯示掛接情況，如圖2所示。

圖2 作業(yè)現(xiàn)場地線掛接狀態(tài)顯示

c. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和存儲。用于接地線掛接情況信息處理，如系統(tǒng)自動統(tǒng)計現(xiàn)場接地線的數(shù)量，并分析接地線掛接狀態(tài)數(shù)據(jù)是否存在異常。數(shù)據(jù)庫中詳細存儲和記錄接地線的掛接位置、掛接時間、拆除時間等信息，該部分提供友好的人機界面，并提供所需的打印表格文件或報告。

d. 告警信息處理。根據(jù)接收數(shù)據(jù)信息判斷Zigbee網(wǎng)絡狀況和終端電量消耗情況，出現(xiàn)異常后彈出提示框，并進行聲光警示，提示工作人員及時進行處理。

3 系統(tǒng)的測試和應用

3.1 系統(tǒng)部署

該系統(tǒng)部署在國網(wǎng)河北省電力公司某110 kV變電站，該變電站主控室在中間位置，周圍分布多個接地點，如圖3所示。

圖3 變電站現(xiàn)場主控室及接地點分布示意

其中，系統(tǒng)監(jiān)控主機和Zigbee協(xié)調(diào)器部署在主控室2樓，10個終端節(jié)點懸掛在各接地點，各終端具體部署位置描述見表1。其中，變電站一角和配電室內(nèi)開關設備處的終端部署如圖4所示。

表1 終端部署位置描述

圖4 變電站一角和配電室內(nèi)開關設備處的終端部署

3.2 系統(tǒng)運行及功能測試

在部署好標簽、終端、協(xié)調(diào)器和服務器后，需要進行軟件配置，包括數(shù)據(jù)庫環(huán)境配置、網(wǎng)關驅(qū)動環(huán)境安裝、網(wǎng)關端口配置和系統(tǒng)主控軟件安裝配置。啟動系統(tǒng)主控軟件，可實現(xiàn)一次接線圖顯示、詳細掛接列表、歷史數(shù)據(jù)查詢、告警信息查詢、數(shù)據(jù)庫管理等功能?，F(xiàn)場有掛接和拆除時，可在一次接線圖的接地點以紅色顯示，詳細掛接列表可查看當前各終端閱讀器的詳細掛接信息，如掛接狀態(tài)、接地點編號、標簽ID、掛接時間，拆除時間等。

數(shù)據(jù)可以存儲和查詢，有異常會及時彈出告警框提示，各部分的測試結(jié)果滿足設計要求。

3.3 應用效果

該系統(tǒng)基于RFID和Zigbee實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場臨時接地線掛接位置和狀態(tài)實時的遠程監(jiān)控，避免了使用公網(wǎng)通信產(chǎn)生的后期費用。接地線掛接信息采集終端也采取了一些有效的技術手段，保證了使用管理方便。

a. 終端平時在庫中存放，作業(yè)時隨接地線領出攜帶，作業(yè)完畢入庫，便于管理維護。

b. 終端有外殼和接線的防水設計，滿足室外作業(yè)需求。

c. 終端內(nèi)配有定制的大容量電池，工作時間長。

d. 終端配置專用充電器和充電線，解決電能補充。

e. 終端內(nèi)有電池電量檢測電路，電量不足時會提前發(fā)送告警信息，提示充電。

4 結(jié)束語

綜合應用物聯(lián)網(wǎng)技術的RFID和Zigbee對變電站作業(yè)現(xiàn)場臨時接地線掛接狀態(tài)實時遠程監(jiān)控，可實現(xiàn)變電站作業(yè)現(xiàn)場接地點地線掛接位置和狀態(tài)信息實時采集；接地線信息采集終端設計和使用科學合理，維護方便；采用Zigbee構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)，無需公網(wǎng)傳輸信息，節(jié)省后期運行費用，并保證了安全性，可滿足穩(wěn)定、可靠和智能化的要求，具有較好的應用推廣價值。

[1] 彭宏橋，盧 剛，陳天錫，等.攜帶型智能接地線及其管理系統(tǒng)的研究[J]. 湖北電力，2011，35(6)：51-53.

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[8] 中國移動通信集團公司.什么是射頻識別RFID？[EB/OL].(2011-07-21) [2013-10-17].http://iot.10086.cn/2011-07-21/1311057797011.html.

[9] soso百科.zigbee無線通訊模塊[EB/OL].(2013-08-28)[2013-10-17].http://baike.soso.com/v55807978.html.

本文責任編輯：齊勝濤

Research on Grounding Wire Management System in Substation Operation Site Based on IOT Technologies

Considering the demand of temporary grounding wire real-time monitoring in substation operation site,this paper proposes design grounding wire management system in substation operation site based on IoT technologies,analyzes the design scheme of system for hardware and software,introduces the test and application of the system.These indicates that this system can implement real-time information acquisition for temporary ground wire hanging with position and status in operation site.It has good application and extension value.

substation;IOT;grounding wire;RFID;Zigbee;real-time monitoring

2013-10-17

李春曉(1980-)，男，工程師，主要從事電氣工程及其自動化專業(yè)工作。

2013年國家電網(wǎng)公司資助科技項目(國網(wǎng)河北省電力公司衡水供電分公司科技項目KJ 2013-153)。

TM764

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1001-9898(2014)01-0028-03