集控站安全管理中基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者簡(jiǎn)介：田志平（1984-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及自動(dòng)化。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.030

摘? 要：集控站是基于多個(gè)無(wú)人自動(dòng)化值班變電站實(shí)施集成化監(jiān)控管理的系統(tǒng)，能夠在局部電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，綜合控制所轄變電站，實(shí)現(xiàn)更高層次的管理研究。提出基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，方案設(shè)計(jì)借助數(shù)字化和可視化運(yùn)行模式，在集控站安全管理過(guò)程中完成變電站端無(wú)線接電線狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)集控站所轄變電站接地線的去向管理，在共享無(wú)線管理結(jié)果過(guò)程中，優(yōu)化資源配置。研究結(jié)果表明，集控站安全管理中基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，能夠在應(yīng)用過(guò)程中有效輔助變電站完成接地線統(tǒng)一無(wú)線管理，防止發(fā)生接地線使用不規(guī)范所引發(fā)的事故。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；LORA；共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)；集控站安全管理；變電站

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0133-04

Abstract： The centralized control station is based on a number of unmanned automatic substations on duty to implement integrated monitoring and management system， which can comprehensively control the substations under their jurisdiction during the operation of the local power grid to achieve higher-level management research. This paper puts forward the design and implementation of shared wireless ground wire management system based on LORA， which is designed with the help of digital and visual operation mode. In the process of the security management of the centralized control station， the real-time collection of the status of the wireless wiring at the end of the substation is completed， the destination management of the grounding wire of the substation under the jurisdiction of the centralized control station is realized， and the resource allocation is optimized in the process of sharing the results of wireless management. The research results show that the design and implementation of the shared wireless ground wire management system based on LORA in the security management of the centralized control station can effectively assist the substation to complete the unified wireless management of the grounding wire and prevent the accidents caused by the non-standard use of the grounding wire.

Keywords： Internet of Things; LORA; shared wireless ground wire management system; security management of centralized control station; substation

LORA是采用1 GHz以下非授權(quán)無(wú)線電頻譜，完成低功耗的超長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在實(shí)際通信距離上，最長(zhǎng)可以達(dá)到15 km。LORA具備較高靈敏程度，在覆蓋范圍上更廣、穿透性更強(qiáng)，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的串口通信輪詢模式，因此，基于LORA可以構(gòu)建智能感知網(wǎng)絡(luò)。有鑒于此，為強(qiáng)化集控站運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中的安全性，輔助變電站完成接地線有效管理，防止發(fā)生接地線使用不規(guī)范所引發(fā)的事故，研究針對(duì)集控站安全管理過(guò)程中，輸變電線路接地線掛設(shè)中頻繁出現(xiàn)的誤掛、漏拆現(xiàn)象，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)，智能感知接地線去向及接地線掛設(shè)安全狀態(tài)，強(qiáng)化集控站運(yùn)維、輔助安全生產(chǎn)。

1? 基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1? 背景技術(shù)

為規(guī)范外來(lái)接地線的使用，防止因接地線使用不規(guī)范引發(fā)的電氣誤操作事故，研究積極運(yùn)用先進(jìn)的LORA物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以超高靈敏度與超遠(yuǎn)傳輸距離等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化集控站安全管理過(guò)程涉及設(shè)備，使其功耗小、成本低。

LORA在技術(shù)上呈現(xiàn)出的主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。

一方面，LORA采用最為常見(jiàn)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以中心節(jié)點(diǎn)為核心連接設(shè)備，完成長(zhǎng)距離連接需求下的終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)直接通信，這種星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出較為明顯的易維護(hù)和易管理特征，能夠在設(shè)計(jì)與共享無(wú)線地線管理過(guò)程中，有效降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度，成功連接無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、LORA網(wǎng)關(guān)，輕松識(shí)別和隔離單點(diǎn)故障，有效降低運(yùn)維檢修的風(fēng)險(xiǎn)程度，確保智慧電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性[1]。

表1? LORA的技術(shù)特點(diǎn)

另一方面，LORA利用擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)高抗干擾能力，在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中采取無(wú)線傳播模型OKUMURA HATA完成對(duì)無(wú)線地線管理系統(tǒng)發(fā)送端口、通信鏈路、傳播環(huán)境與接收端口全部增益與衰減鏈路的核算，獲得網(wǎng)關(guān)實(shí)際需要數(shù)量后，利用提升終端與網(wǎng)關(guān)收發(fā)靈敏程度的有效方法，覆蓋長(zhǎng)距離、寬范圍與低功耗，為智慧電網(wǎng)提供可靠性更高的運(yùn)行、檢修作業(yè)保障，規(guī)避發(fā)生人身傷害事故[2]。

1.2? 設(shè)計(jì)思路

無(wú)線統(tǒng)一管理接地線的痛點(diǎn)在于接地線相互借用的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，為完成對(duì)接地線的唯一身份標(biāo)識(shí)，需要賦予集控站下轄各站接地線唯一超高頻標(biāo)簽（物理ID），針對(duì)性安裝識(shí)別裝置，便于自動(dòng)錄入防誤校核與閉鎖系統(tǒng)。同時(shí)，在系統(tǒng)中增設(shè)針對(duì)外來(lái)接電線的管理模塊，嚴(yán)格執(zhí)行“五防”邏輯，完成對(duì)外來(lái)接地線的模擬預(yù)演、防誤校核、狀態(tài)顯示和電腦鑰匙數(shù)據(jù)回傳等防誤操作管理，防止發(fā)生誤掛風(fēng)險(xiǎn)和交接遺漏等重大安全隱患。

1.3? 系統(tǒng)架構(gòu)

1.3.1? 智能接地線管理裝置

系統(tǒng)在綜合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)LORA技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)管接地線位置、授權(quán)領(lǐng)用與領(lǐng)還等，智能感知接地線去向及接地線掛設(shè)安全狀態(tài)。裝置主要由地線管理器主機(jī)、地線檢測(cè)閉鎖機(jī)構(gòu)（從機(jī)）構(gòu)成[3]，裝置可以利用閉鎖狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地線多重身份識(shí)別、遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)接地參數(shù)和利用電腦鑰匙強(qiáng)制閉鎖等功能。實(shí)現(xiàn)APP登錄解鎖指定接地線及取用、歸還，防止接地線隨意取用與任意存放，在集中遠(yuǎn)程監(jiān)管接地線過(guò)程中，實(shí)時(shí)將接地線管理信息上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

1.3.2? 超高頻超聲傳感器

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采取特殊的天線一體式設(shè)計(jì)集成智能讀卡器，讀取臨時(shí)接地線的超高頻標(biāo)簽，實(shí)時(shí)將讀取到的14位物理ID數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送至地線管理器主機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程超高頻標(biāo)簽識(shí)別[4]。超高頻超聲傳感器支持主、從機(jī)配置，主、從機(jī)分別安裝在存放溫度為-15～+35 ℃、相對(duì)濕度80%以下、干燥通風(fēng)的安全工器具室內(nèi)和配備適用柜、架的安全工器具室外，如圖1所示，通過(guò)對(duì)接地線超高頻標(biāo)簽的識(shí)別順序，判斷接地線被取走、被放還。

圖1? 外來(lái)接地線管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.3.3? 超高頻標(biāo)簽（物理ID）

對(duì)接地線進(jìn)行唯一編碼，如圖2所示，由時(shí)隙號(hào)、資源塊號(hào)組成。

圖2? 超高頻標(biāo)簽（物理ID）圖

1.3.4? 地線五防鎖（選配）

地線五防鎖能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)接地線的首尾閉鎖，達(dá)到不運(yùn)用電腦鑰匙解鎖，就無(wú)法伸展的效果，實(shí)現(xiàn)外來(lái)接地線不經(jīng)過(guò)集控站微機(jī)防誤操作系統(tǒng)集中控制、統(tǒng)一調(diào)度，就無(wú)法使用的功能。

2? 基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1? 系統(tǒng)主要功能需求

2.1.1? 智能接地線唯一ID身份標(biāo)識(shí)

為促使接地線的身份標(biāo)識(shí)唯一化，每根接地線上需要安裝全球唯一化的身份ID，作為識(shí)別接地線唯一識(shí)別二維碼，規(guī)避集控站統(tǒng)一調(diào)度接地線過(guò)程中發(fā)生的接地線身份ID混亂。

2.1.2? 規(guī)范接地線存取放管理形態(tài)

接地線管理過(guò)程中，需要運(yùn)用智能接地線管理裝置實(shí)施接地線的強(qiáng)制性閉鎖管理，有效防止接地線的隨意取放、擺放，能夠遠(yuǎn)程在線檢測(cè)集控站統(tǒng)一調(diào)度接地線的庫(kù)存狀態(tài)。

2.1.3? 臨時(shí)接地線掛、拆入集控站端防誤管理

基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)需要通過(guò)超高頻超聲傳感器錄入臨時(shí)接地線編號(hào)，在集控站微機(jī)防誤系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)臨時(shí)接地線的模擬預(yù)演、防誤校核、狀態(tài)顯示和電腦鑰匙數(shù)據(jù)回傳等防誤操作管理，防止發(fā)生誤掛風(fēng)險(xiǎn)和交接遺漏等重大安全隱患。

2.2? 系統(tǒng)總體框架搭建

在集控站部署一套智能共享型接地線管理系統(tǒng)，另外，再部署一套可視化智能物聯(lián)網(wǎng)接地線柜，智能物聯(lián)網(wǎng)接地線柜能夠?qū)崿F(xiàn)接地線的定置擺放，規(guī)范接地線的擺放，便于取用，智能物聯(lián)網(wǎng)接地線柜同時(shí)存放多條接地線并在實(shí)現(xiàn)閉鎖控制過(guò)程中，通過(guò)專網(wǎng)接入基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)。

在集控站下轄變電站部署5G無(wú)線數(shù)據(jù)匯聚終端，用來(lái)接收智能物聯(lián)網(wǎng)接地線柜所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，隨即通過(guò)專網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息傳輸至共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)。每個(gè)接地線樁加裝1套無(wú)線接地線RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼，將二維碼碼片作為識(shí)別每個(gè)接地線樁的身份信息，每個(gè)接地線頭加裝1套無(wú)線智能互聯(lián)的接地線頭，該接地線頭擁有唯一的RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼，可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)[5]。接地線頭、接地線樁連接后自動(dòng)觸發(fā)信息傳送，將對(duì)應(yīng)的接地線頭、接地線樁RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼上傳至5G無(wú)線數(shù)據(jù)匯聚終端。5G無(wú)線數(shù)據(jù)匯聚終端間通過(guò)無(wú)線信號(hào)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交叉上傳。

2.3? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)引入具備智能感知功能的接地線頭，智能接地線頭具備智能接地線樁監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，在檢測(cè)機(jī)構(gòu)識(shí)別到智能接地線樁的RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼及全部智能接地線頭的RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼后，智能接地線頭能夠通過(guò)專網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)上傳至共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)，以RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼為數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)分配集控站下轄變電站，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)收錄智能接地線樁與接地線頭，實(shí)現(xiàn)RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼與共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)點(diǎn)位的一一對(duì)應(yīng)，如圖3所示。

圖3? 總體方案圖

將集控站智能物聯(lián)網(wǎng)接地線柜納入基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。每個(gè)智能接地線頭、智能接地線樁均帶有證明身份的唯一RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼，接地線頭、接地線樁連接后自動(dòng)觸發(fā)信息傳送，將對(duì)應(yīng)的接地線頭、接地線樁RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼上傳至5G無(wú)線數(shù)據(jù)匯聚終端，5G無(wú)線數(shù)據(jù)匯聚終端在接收數(shù)據(jù)信息后實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至集控站中的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動(dòng)化跟蹤接地線的具體去向，在實(shí)時(shí)查看接地線掛設(shè)過(guò)程中，防止因掛接失誤，造成接地線的漏拆除和漏掛設(shè)。集控站下轄變電站運(yùn)維檢修過(guò)程中，一旦發(fā)生接地線不足的情況，可以從集控站端進(jìn)行接地線的借用，實(shí)現(xiàn)集控站下轄變電站間的接地線跨站使用，優(yōu)化配置接地線實(shí)際數(shù)量，實(shí)現(xiàn)基于LORA的共享無(wú)線地線共享與管理，避免接地線資源的大規(guī)模浪費(fèi)[6]。在后續(xù)集控站下轄變電站統(tǒng)一調(diào)度接地線過(guò)程中，可以將相關(guān)數(shù)據(jù)信息抄送至集控站的接地線調(diào)度部門與安全監(jiān)管部門，以此大幅度強(qiáng)化集控站端接地線的安全管理質(zhì)量。

3? 基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

系統(tǒng)軟件部分分為終端軟件和主節(jié)點(diǎn)軟件，2個(gè)部分軟件功能不同。主節(jié)點(diǎn)上電之后處于數(shù)據(jù)信息的實(shí)際接收狀態(tài)，對(duì)接收到數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理后實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)。物理層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，主要經(jīng)由4種數(shù)據(jù)包格式RTS、CTS、DATA和ACK完成算法的實(shí)現(xiàn)，射頻芯片對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行發(fā)送、接收和信道檢測(cè)等操作，其中，信道活動(dòng)檢測(cè)主要經(jīng)由信道活動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)完成，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)議軟件方面，以RREQ、RREP、RRER

3種數(shù)據(jù)包格式完成改進(jìn)后的協(xié)議。

基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)正常顯示情況見(jiàn)表2。

表2? 系統(tǒng)正常顯示情況表

對(duì)基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)射頻模塊的性能、 網(wǎng)絡(luò)端到端延遲時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)丟包率進(jìn)行測(cè)試。在室外完成針對(duì)射頻模塊通信距離測(cè)試，結(jié)果可以達(dá)到1.2 km。在實(shí)驗(yàn)室中搭建無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)丟包率和延遲時(shí)間符合預(yù)期，完成預(yù)期功能。

4? 基于LORA的共享無(wú)線地線管理系統(tǒng)使用流程

4.1? 臨時(shí)接地線進(jìn)站

將臨時(shí)接地線納入安全工器具室統(tǒng)一擺放，超高頻超聲傳感器將自動(dòng)讀取臨時(shí)接地線RFID無(wú)線射頻識(shí)別二維碼并上傳微機(jī)防誤系統(tǒng)，微機(jī)防誤系統(tǒng)將自動(dòng)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)臨時(shí)接地線圖元，并顯示對(duì)應(yīng)名稱。

4.2? 臨時(shí)接地線掛接

在微機(jī)防誤系統(tǒng)上，需要掛接臨時(shí)接地線時(shí)，直接在掛設(shè)位置選取對(duì)應(yīng)臨時(shí)接地線圖元即可，其模擬操作與集控站接地線模擬過(guò)程一致[7]。接地線掛設(shè)完成，電腦鑰匙回傳數(shù)據(jù)后，微機(jī)防誤系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)位置顯示臨時(shí)接地線掛設(shè)狀態(tài)。

4.3? 臨時(shí)接地線拆除

與集控站內(nèi)接地線拆除過(guò)程一致，在防誤系統(tǒng)模擬開票流程后，完成電腦鑰匙回傳數(shù)據(jù)后，防誤系統(tǒng)顯示臨時(shí)接地線的拆除狀態(tài)。臨時(shí)接地線放回安全工器具室，超高頻超聲傳感器將精準(zhǔn)識(shí)別接地線放回后，將狀態(tài)上傳至系統(tǒng)的防誤主機(jī)，防誤主機(jī)將直接顯示接地線放回安全工器具狀態(tài)。

4.4? 臨時(shí)接地線離站

超高頻超聲傳感器識(shí)別到接地線取出安全工器具室后，將狀態(tài)自動(dòng)化上傳至系統(tǒng)防誤主機(jī)，防誤主機(jī)將立即取消對(duì)應(yīng)臨時(shí)接地線的在庫(kù)庫(kù)存狀態(tài)，變成不可模擬狀態(tài)。

5? 結(jié)論

集控站安全管理中，運(yùn)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在線式防誤閉鎖系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)接地線從出庫(kù)掛設(shè)直至完工拆除入庫(kù)的全過(guò)程狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決因設(shè)備信息更新滯后，信息不及時(shí)傳送引發(fā)的設(shè)備作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及設(shè)備管理問(wèn)題[8]。通過(guò)無(wú)線匯聚終端打通站與站、站與集控站間的鏈路，協(xié)同管理并實(shí)現(xiàn)接地線共享，優(yōu)化資源配置，是全新、完整的集控站無(wú)線接地線管理系統(tǒng)解決方案，可將接地線管理技術(shù)提高到新水平，滿足現(xiàn)代化使用要求。

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