基于物聯網技術的變電站作業現場接地線管控系統研究

李春曉，高 冰，孔英會，陳智雄，李保罡

(1.國網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)

基于物聯網技術的變電站作業現場接地線管控系統研究

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)

結合變電站作業現場臨時接地線實時監測的需求，提出設計基于物聯網技術的變電站作業現場接地線管控系統，介紹系統的硬件和軟件設計方案，分析系統的測試和應用情況，認為該系統可完成作業現場接地線掛接位置和狀態信息的實時采集，具有較好的應用推廣價值。

變電站；特聯網；接地線；RFID；Zigbee；實時監測

臨時接地線是電力作業現場的安全保護屏障。變電站臨時接地線的管理在考核中是一個重要環節，科學管理可有效減少事故的發生。目前，我國在電力工程施工現場，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

物聯網已成為IT行業的新興技術領域[4]，并在電力系統輸變電設備狀態監測、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，已經開始采用物聯網新技術實現接地線的科學現代化管理，但有的成本過高，有的利用GPRS傳輸信息，會產生大量公網費用,推廣使用受到某種限制。為此，設計了基于物聯網技術的變電站作業現場地線管控系統,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臨時接地線掛接位置和狀態的實時監測。

RFID可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸[8]。常用的RFID系統有低頻、高頻、超高頻、有源系統等。目前，RFID技術廣泛應用于交通、圖書館、門禁系統、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協議，根據這個協議規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、低數據速率、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據傳輸功能，因此，在物聯網領域應用較多。

2 系統設計

基于物聯網技術的變電站作業現場接地線管控系統包括作業現場接地點的電子標簽、監控單元(即接地線掛接位置和狀態信息采集終端)、Zigbee無線信息傳輸網絡、監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；監控單元完成變電站作業現場接地線信息的實時采集，并經過Zigbee無線網絡實現接地線信息傳輸；監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 變電站作業現場接地線管控系統結構示意

2.1 硬件設計

2.1.1 電子標簽

該系統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終端節點，封裝在一個盒體內，盒體靠近RFID閱讀器天線外側為讀卡區。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，采集終端成功讀取該接地點RFID電子標簽信息；Zigbee終端節點通過串口獲取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終端節點采用CC2530 模塊。2.1.3 Zigbee無線信息傳輸網絡

該部分主要是Zigbee 2.4 GHz無線傳感器網絡，由Zigbee終端節點、Zigbee路由節點和Zigbee協調器組成，連接RFID閱讀器的Zigbee終端節點，通過Zigbee網絡將讀取的RFID電子標簽位置信息發送給Zigbee協調器，Zigbee協調器收集各終端發送的接地線的電子標簽信息，并通過USB接口發送到監控中心后臺服務器軟件進行處理。

2.1.4 監控中心后臺服務器

該部分主要是安裝于計算機上的分析管理軟件和數據庫等,計算機通過USB接口讀取Zigbee協調器發送的接地線掛接位置和狀態信息數據，并通過軟件完成圖形顯示、數據管理、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據接收、圖形顯示、數據統計分析和存儲、告警信息處理等。

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

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

圖2 作業現場地線掛接狀態顯示

c. 數據統計分析和存儲。用于接地線掛接情況信息處理，如系統自動統計現場接地線的數量，并分析接地線掛接狀態數據是否存在異常。數據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。根據接收數據信息判斷Zigbee網絡狀況和終端電量消耗情況，出現異常后彈出提示框，并進行聲光警示，提示工作人員及時進行處理。

3 系統的測試和應用

3.1 系統部署

該系統部署在國網河北省電力公司某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 變電站現場主控室及接地點分布示意

其中，系統監控主機和Zigbee協調器部署在主控室2樓，10個終端節點懸掛在各接地點，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開關設備處的終端部署

3.2 系統運行及功能測試

在部署好標簽、終端、協調器和服務器后，需要進行軟件配置，包括數據庫環境配置、網關驅動環境安裝、網關端口配置和系統主控軟件安裝配置。啟動系統主控軟件，可實現一次接線圖顯示、詳細掛接列表、歷史數據查詢、告警信息查詢、數據庫管理等功能。現場有掛接和拆除時，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、接地點編號、標簽ID、掛接時間，拆除時間等。

數據可以存儲和查詢，有異常會及時彈出告警框提示，各部分的測試結果滿足設計要求。

3.3 應用效果

該系統基于RFID和Zigbee實現對作業現場臨時接地線掛接位置和狀態實時的遠程監控，避免了使用公網通信產生的后期費用。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，作業時隨接地線領出攜帶，作業完畢入庫，便于管理維護。

b. 終端有外殼和接線的防水設計，滿足室外作業需求。

c. 終端內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. 終端內有電池電量檢測電路，電量不足時會提前發送告警信息，提示充電。

4 結束語

綜合應用物聯網技術的RFID和Zigbee對變電站作業現場臨時接地線掛接狀態實時遠程監控，可實現變電站作業現場接地點地線掛接位置和狀態信息實時采集；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構成網狀網，無需公網傳輸信息，節省后期運行費用，并保證了安全性，可滿足穩定、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的研究[J]. 湖北電力，2011，35(6)：51-53.

[2] 郭方營，黎 英.基于RFID技術的變電站內臨時接地線定位管理系統的研究[J]. 云南民族大學學報(自然科學版)，2011,20(6):515-518.

[3] 黃 銳，梁慶龍，張寶珠，等.變電站臨時接地線在線監測系統[J]. 中國高新技術企業，2010,(33):87-88.

[4] 劉 瑋，王紅梅，肖 青，等.物聯網概念解析[J].電信技術,2010,(01):5-8.

[5] 胡 雯，孫云蓮，楊成月，等.基于物聯網的智能電網信息化建設研究[J].電力信息化，2013,11(4):51-54.

[6] 龔鋼軍，孫 毅，蔡明明，等.面向智能電網的物聯網架構與應用方案研究[J].電力系統保護與控制, 2011, 39(20): 52-58．

[7] 李 勛, 龔慶武, 喬 卉.物聯網在電力系統的應用展望[J]．電力系統保護與控制，2010, 38(22): 232-236．

[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工作。

2013年國家電網公司資助科技項目(國網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