應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的流動接地線狀態(tài)采集研究

聶萬慶, 高佩忠, 孫百超, 杜欣源

1.勝利油田電力分公司 山東東營 257000 2.山東科技大學(xué) 濟(jì)南 250000

1 接地線狀態(tài)采集現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)中,接地是重要的安全措施。電力作業(yè)過程中,按照電力安全規(guī)程要求,對于可能產(chǎn)生送電的停電設(shè)備,都應(yīng)裝設(shè)接地線或合上接地刀開關(guān),以保證現(xiàn)場施工作業(yè)和檢修人員的安全[1]。流動接地線的狀態(tài)采集一直是工作難點,對此,通常采取對全網(wǎng)接地線進(jìn)行狀態(tài)采集的方法,保證電網(wǎng)的安全檢修、施工。

目前電網(wǎng)作業(yè)中,為保證安全,采取的技術(shù)措施有停電、驗電、裝設(shè)接地線、懸掛標(biāo)志牌、裝設(shè)遮欄圍欄。裝設(shè)接地線的作用是當(dāng)停電設(shè)備由于各種原因產(chǎn)生送電時,由接地線制造三相短路故障,使保護(hù)裝置迅速動作,進(jìn)而保障作業(yè)人員的人身安全。

電力系統(tǒng)安全措施中,接地方式主要有接地刀開關(guān)和流動接地線兩種。接地刀開關(guān)基本配置有觸點,通過觸點狀態(tài)采集裝置可以實時采集接地刀開關(guān)的運行狀態(tài)。流動接地線由人工操作安裝,不使用時放置在工器具柜內(nèi),現(xiàn)場安裝過程中應(yīng)符合電力安全規(guī)程中的相關(guān)要求,工作人員不得擅自移動或拆除流動接地線。對于高壓回路中工作時必須要拆除全部或一部分接地線方能繼續(xù)工作的情況,應(yīng)征得運行人員的許可,工作完畢后應(yīng)立即恢復(fù)。根據(jù)調(diào)度員指令裝設(shè)的接地線,應(yīng)征得調(diào)度員的許可。每組接地線均應(yīng)編號,并存放于固定地點。存放位置亦應(yīng)編號,接地線編號與存放位置編號應(yīng)一致。裝拆接地線應(yīng)做好記錄,交接班時應(yīng)交待清楚。流動接地線的管理通過管理制度進(jìn)行約束,在調(diào)度后臺系統(tǒng)中通過人工手動置入的方式進(jìn)行操作,因此無法進(jìn)行實時監(jiān)控[2]。

由以上接地線狀態(tài)采集現(xiàn)狀分析可知,電網(wǎng)中的接地線無法實現(xiàn)全面接入,流動接地線的狀態(tài)采集是電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的空白,長期以來無法進(jìn)行實時采集。由于對流動接地線進(jìn)行人工管理和操作,因此降低了防誤操作系統(tǒng)的可靠性,造成帶接地線進(jìn)行開關(guān)送電操作或刀開關(guān)操作,嚴(yán)重時甚至引發(fā)設(shè)備燒毀或操作人員人身傷害事故。

2 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的流動接地線狀態(tài)采集裝置

2.1 設(shè)計原理

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的流動接地線狀態(tài)采集裝置采用一體化設(shè)計,在傳統(tǒng)接地線的接地端頭安裝全球定位系統(tǒng)定位模塊[3],實現(xiàn)接地線的定位。各模塊集成在同一塊電路板上,全封閉于塑殼中,并安裝固定在接地線連接金屬片上。變電站內(nèi)部分流動接地線存在安裝位置過近的情況,現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)定位模塊無法滿足位置精度要求,因此在接地樁固定端設(shè)置射頻識別標(biāo)簽,使接地線的定位精度更加高[4]。流動接地線狀態(tài)采集裝置如圖1所示。

圖1 流動接地線狀態(tài)采集裝置

2.2 通信方式

流動接地線與變電站網(wǎng)關(guān)之間采用加密LoRa(Long Range Radio)通信方式,通過網(wǎng)關(guān)將變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送至云平臺通道。在一個變電站內(nèi),采用目前處于規(guī)模商用階段的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有覆蓋廣、功耗低、連接多、成本低等四個主要特點,在降低傳輸速率的同時降低功耗,適合用于流動接地線狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸,因為流動接地線的狀態(tài)數(shù)據(jù)量極少,基本只有由振動引起的信號和接地線安裝后產(chǎn)生的信號。采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以大幅提升終端的待機效率,部分終端的待機時間可以長達(dá)10 a,進(jìn)而有效提高流動接地線終端應(yīng)用的可靠性。在流動接地線信號覆蓋方面,窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)增益達(dá)到20 dB,具有更好的覆蓋能力,在較大的干擾或開關(guān)柜內(nèi),也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。在連接數(shù)量方面,每個網(wǎng)關(guān)覆蓋面積內(nèi)可以支持5萬個終端,完全滿足單個變電站或一個地區(qū)線路的流動接地線數(shù)量要求。

每次建立通信時,系統(tǒng)會自動同步當(dāng)前的流動接地線位置至變電站網(wǎng)關(guān),由網(wǎng)關(guān)判斷是否正常。約定時間段內(nèi)沒有產(chǎn)生通信,即發(fā)出報警。若流動接地線發(fā)生變位,則立即與前置服務(wù)器進(jìn)行毫秒級同步。正常情況下,網(wǎng)關(guān)與前置服務(wù)器通過循環(huán)冗余碼保持同步,通過循環(huán)機制來將錯誤概率降至最低。變電站網(wǎng)關(guān)通過普通4G通道卡、消息隊列遙測傳輸協(xié)議與云平臺通道實現(xiàn)實時一發(fā)多收。前置服務(wù)器對現(xiàn)場流動接地線的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,調(diào)度系統(tǒng)通過隔離網(wǎng)閘,由企業(yè)4G通道卡和ModBus協(xié)議單向訪問前置服務(wù)器,進(jìn)而保證數(shù)據(jù)訪問的安全性。

流動接地線狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

2.3 電源系統(tǒng)

接地線的振動喚醒功能設(shè)置于工器具柜內(nèi)[5],未由振動喚醒時,流動接地線狀態(tài)采集裝置處于休眠狀態(tài);當(dāng)取出接地線產(chǎn)生振動時,流動接地線狀態(tài)采集裝置開始工作,通過射頻識別標(biāo)簽和全球定位系統(tǒng)來確認(rèn)接地線的安裝位置。流動接地線狀態(tài)采集裝置電源管理邏輯如圖3所示。

圖2 流動接地線狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸流程

圖3 流動接地線狀態(tài)采集裝置電源管理邏輯

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在勝利油田110 kV郝現(xiàn)變電站現(xiàn)場應(yīng)用流動接地線狀態(tài)采集裝置,根據(jù)實際情況配備25組接地線,接地樁固定端更換為帶有射頻識別標(biāo)簽的新固定端。根據(jù)現(xiàn)場情況,為便于裝設(shè)流動接地線,設(shè)計了L形接地樁固定端和普通型接地樁固定端,如圖4所示。

郝現(xiàn)變電站配備一組無線網(wǎng)關(guān),各間隔接地樁固定端安裝情況見表1～表3,L形接地樁固定端合計42個,室內(nèi)普通型接地樁固定端合計44個,室外普通型接地樁固定端合計27個。

通過流動接地線狀態(tài)采集裝置,將流動接地線狀態(tài)數(shù)據(jù)通過變電站網(wǎng)關(guān)實時傳輸至云平臺通道,并存儲于前置服務(wù)器。調(diào)度系統(tǒng)通過企業(yè)4G通道卡和ModBus協(xié)議,實現(xiàn)對流動接地線狀態(tài)的在線監(jiān)控。

郝現(xiàn)變電站流動接地線狀態(tài)采集裝置工作流程如圖5所示,后臺監(jiān)控系統(tǒng)截圖如圖6所示。

4 測試

在110 kV郝現(xiàn)變電站中應(yīng)用流動接地線狀態(tài)采集裝置,主要進(jìn)行以下現(xiàn)場測試:前置服務(wù)器工作測試、變電站網(wǎng)關(guān)工作測試、流動接地線狀態(tài)采集裝置工作測試、接地樁固定端工作測試[6]、通信壓力測試。通過現(xiàn)場測試,確保流動接地線狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送過程的可靠性。

圖4 接地樁固定端

表1 郝現(xiàn)變電站間隔L形接地樁固定端安裝情況

表2 郝現(xiàn)變電站間隔室內(nèi)普通型接地樁固定端安裝情況

表3 郝現(xiàn)變電站間隔室外普通型接地樁固定端安裝情況

圖5 郝現(xiàn)變電站流動接地線狀態(tài)采集裝置工作流程

4.1 前置服務(wù)器工作測試

重復(fù)進(jìn)行變電站網(wǎng)關(guān)與前置服務(wù)器的連接操作,測試變電站網(wǎng)關(guān)與前置服務(wù)器及云平臺通道的通信是否受工作環(huán)境干擾。后臺監(jiān)控系統(tǒng)全部工作,監(jiān)控前置服務(wù)器的后臺數(shù)據(jù)是否存在丟包、粘包現(xiàn)象,所接收的流動接地線狀態(tài)數(shù)據(jù)是否完整,能否準(zhǔn)確快速得到流動接地線的操作位置。連續(xù)模擬流動接地線操作,確認(rèn)前置服務(wù)器是否正確接收狀態(tài)數(shù)據(jù),并可以正常存儲。

圖6 郝現(xiàn)變電站后臺監(jiān)控系統(tǒng)截圖

4.2 變電站網(wǎng)關(guān)工作測試

測試變電站網(wǎng)關(guān)與云平臺通道及流動接地線狀態(tài)采集裝置的通信是否正常,相關(guān)信息顯示是否正確。對變電站內(nèi)距離最遠(yuǎn)的流動接地線安裝地點進(jìn)行測試,確認(rèn)有效工作范圍。監(jiān)控變電站網(wǎng)關(guān)的交互信息,檢查數(shù)據(jù)傳輸是否符合通信協(xié)議要求,是否存在粘包現(xiàn)象。對比操作日志,檢查變電站網(wǎng)關(guān)通信是否存在延遲、丟包現(xiàn)象。

4.3 流動接地線狀態(tài)采集裝置與接地樁固定端工作測試

測試流動接地線狀態(tài)采集裝置能否正常通電運行,接地樁固定端射頻識別標(biāo)簽是否能準(zhǔn)確讀取,接地線位置是否能正確指示。監(jiān)控流動接地線狀態(tài)采集裝置與變電站網(wǎng)關(guān)的交互信息,檢查數(shù)據(jù)傳輸是否符合通信協(xié)議要求,并通過對比操作日志,檢查通信是否存在延遲現(xiàn)象。根據(jù)表1～表3對接地樁固定端逐個進(jìn)行工作測試。

4.4 通信壓力測試

針對流動接地線狀態(tài)采集裝置進(jìn)行連續(xù)模擬接地線連接和拆卸操作,并記錄操作次數(shù),檢查云平臺通道和前置服務(wù)器通信日志是否正常,是否正確記錄操作數(shù)據(jù)。隨機選取25處室內(nèi)、室外接地樁固定端,同時進(jìn)行模擬接地線連接和拆卸操作,并記錄操作次數(shù),檢查云平臺通道和前置服務(wù)器通信日志是否正常,是否正確記錄操作數(shù)據(jù)。通過通信壓力測試,確保在變電站流動接地線最大使用數(shù)量的情況下,流動接地線狀態(tài)采集裝置、變電站網(wǎng)關(guān)、云平臺通道及前置服務(wù)器通信正常。

5 結(jié)束語

筆者對應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的流動接地線狀態(tài)采集問題進(jìn)行了研究[7-8],設(shè)計了流動接地線狀態(tài)采集裝置,以較低成本實現(xiàn)了電網(wǎng)中流動接地線的實時狀態(tài)監(jiān)控,為微機保護(hù)的防誤操作和操作票的在線自動生成提供了全面信息。通過應(yīng)用流動接地線狀態(tài)采集裝置,可以實現(xiàn)電網(wǎng)接地線及各種觸點狀態(tài)的全面采集,杜絕了帶接地線送電操作的可能性,為電網(wǎng)檢修和施工作業(yè)提供了安全保障。