基于LoRa的變電站地線管理系統(tǒng)設(shè)計

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)計了地線管理系統(tǒng)，針對地線管理裝置、地線閉鎖裝置、地線頭、通信系統(tǒng)、地線操作校驗方案等內(nèi)容進行了詳細闡述，并測試了所設(shè)計的地線管理系統(tǒng)的解鎖和閉鎖地線功能、掛接和拆除地線的操作延時。實測結(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，滿足了地線實時防誤的要求，大幅提升了變電站運維檢修作業(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；LoRa；實時防誤

中圖分類號：TP39；TM76 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-0-04

0 引 言

地線是變電站停電檢修時保證作業(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)備嚴重損壞等重大安全事故屢有發(fā)生，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。根據(jù)國家電網(wǎng)公司歷年統(tǒng)計分析，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、地線閉鎖裝置實現(xiàn)對地線狀態(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)合操作票回傳時強制校驗地線歸還是否到位，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才能以地線鎖的狀態(tài)作為地線的狀態(tài)進行更新，故實際使用中仍然存在以下問題：

（1）地線取出后，無法確認地線是否掛接到位，操作過程和結(jié)果完全依賴運維人員的責(zé)任心和現(xiàn)場監(jiān)護水平，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，在變電站數(shù)據(jù)采集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等領(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，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）。LoRa具有傳輸距離遠（1～2 km）且功耗更低的優(yōu)勢[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用價值。

本文針對變電站臨時地線使用過程中存在的一系列問題，設(shè)計了基于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時回傳，實現(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、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信息并確認地線是否正確掛接，而后通過LoRa無線上傳至防誤主機，實現(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)過反向隔離裝置進行物理隔離，保證數(shù)據(jù)跨區(qū)安全傳遞。

2 方案設(shè)計

2.1 地線管理裝置設(shè)計

地線管理裝置主要負責(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。同時校驗地線頭狀態(tài)，檢測到地線歸還錯誤、通信中斷等異常時進行語音告警提示。

地線遠程控制：接收防誤主機下發(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，實現(xiàn)地線遠程解鎖。

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

管理功能：用戶權(quán)限分級管控、通信交互管理等。

2.2 地線閉鎖裝置設(shè)計

地線閉鎖裝置負責(zé)實現(xiàn)地線歸位后的狀態(tài)檢測和解鎖/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標簽比對，確定歸還的地線是否正確，不一致則通過指示燈進行告警提示，避免地線歸還錯誤。

（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，實現(xiàn)地線取用/歸還的管控。

（3）對地線頭充電。

2.3 地線頭設(shè)計

地線頭是地線取出后進行在線管理的關(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別的RFID標簽，并與地線閉鎖裝置一一綁定，根據(jù)該RFID標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)動作喚醒內(nèi)部MCU啟動地線樁讀取RFID信息并通過LoRa模塊發(fā)送，由防誤主機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。對于掛接操作，無線交互完畢后地線頭整體進入休眠模式以降低功耗，同時周期喚醒并上送當(dāng)前狀態(tài)，保證防誤主機接收到的地線狀態(tài)與實際一致。

2.4 通信系統(tǒng)設(shè)計

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通過二者之間的通信交互實現(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個網(wǎng)關(guān)及多個無線基站，并將部分無線基站作為中繼節(jié)點組建多跳網(wǎng)絡(luò)，實現(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)動作后，如讀取到所掛地線樁RFID信息，則通過無線網(wǎng)絡(luò)實時回傳。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解析處理。

2.5 地線操作檢驗

地線掛接操作的交互流程如圖6所示。地線掛接后通過LoRa實時回傳所掛接地線樁的RFID信息，防誤主機解析E文件后判斷掛接位置是否正確。如檢測到掛接位置錯誤，防誤主機通過彈窗、音響告警等方式提醒運維人員及時處理。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)下防誤主機也能及時獲取地線頭的狀態(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1 s確認當(dāng)前處于已拆除狀態(tài)并實時回傳，強制校驗地線歸位狀態(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)，防誤主機判定為誤拆除地線，而后通過彈窗、音響告警等方式提醒運維人員確認處理。

3 設(shè)計方案驗證

LoRa網(wǎng)關(guān)/基站布點圖如圖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。

針對該變電站地線管理需求，按照圖1所示架構(gòu)配置基于LoRa的地線管理系統(tǒng)。其中，1臺地線管理裝置及6臺地線閉鎖裝置安裝于工器具室地線柜，6臺地線閉鎖裝置分別對應(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)點間接接入，從而實現(xiàn)全站LoRa通信覆蓋。

3.1 地線解鎖/閉鎖測試

分別通過防誤主機遠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/閉鎖測試各進行10次，檢查操作正確率。測試結(jié)果見表1所列。

由表1數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計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/拆除操作測試

選取站內(nèi)6個接地樁安裝點J1～J6進行地線掛接和拆除操作驗證，如下：

（1）接地樁J1：高壓室遠離基站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。

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

由表2可以看到，各接地樁點位掛接/拆除地線時的通信耗時較短，基本滿足地線操作后的實時校驗要求，且回傳報文經(jīng)過的基站層級越少耗時越短。拆除地線時，因地線頭設(shè)置了1 s讀不到RFID信息的延時，故平均耗時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)計了變電站地線管理系統(tǒng)，實際應(yīng)用證明了該系統(tǒng)完全可滿足變電站地線實時防誤管控的要求，有效避免帶地線合閘事故的發(fā)生，大幅提高了運維檢修作業(yè)的安全性。

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