基于混合RFID技術(shù)的變電站臨時(shí)接地線全過(guò)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳樑++盛志波++付軍++鄭原++朱彥升

摘 要提出一種基于混合RFID技術(shù)的變電站臨時(shí)接地線全過(guò)程管理方法。采用無(wú)源RFID和有源RIFD構(gòu)成混合RFID系統(tǒng)，其中無(wú)源RFID采用低頻通信方式，主要實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)的激活和準(zhǔn)確定位功能；有源RIFD采用高頻通信方式，主要實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽與后臺(tái)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信功能。該方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)臨時(shí)接地線安裝和存放位置處的定位識(shí)別，還能完成接地線操作使用過(guò)程中的移動(dòng)路徑監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地線的全過(guò)程、全覆蓋管理，可替代現(xiàn)有的變電站臨時(shí)接地線管理方案，提供功能更豐富完善、性能更優(yōu)越可靠的接地線管理功能。

【關(guān)鍵詞】混合RFID 臨時(shí)接地線 全過(guò)程管理

臨時(shí)接地線是變電站的重要安全防護(hù)用具，在對(duì)站內(nèi)一次設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)需要按規(guī)程要求進(jìn)行掛接，以形成可靠的接地點(diǎn)，用來(lái)預(yù)防待檢修設(shè)備未徹底放電或突然送電對(duì)操作人員或設(shè)備所帶來(lái)的傷害。如果對(duì)臨時(shí)接地線的管理存在漏洞，如檢修完畢未及時(shí)移除臨時(shí)接地線，或臨時(shí)接地線隨意放置，可能會(huì)導(dǎo)致帶接地線合閘、意外短路等嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，會(huì)給人身和設(shè)備帶來(lái)額外的安全隱患。因此有必要針對(duì)變電站臨時(shí)接地線的特點(diǎn)和使用要求，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的臨時(shí)接地線管理系統(tǒng)，對(duì)變電站臨時(shí)接地線進(jìn)行科學(xué)、有效的管理。

目前已有學(xué)者提出了多種變電站臨時(shí)接地線管理方法。文獻(xiàn)[4]分析了現(xiàn)在變電站臨時(shí)接地線管理存在的問(wèn)題，介紹了智能臨時(shí)接地線管理系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合實(shí)際闡述了臨時(shí)接地線管理系統(tǒng)在變電站的綜合應(yīng)用，并對(duì)臨時(shí)接地線管理系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。文獻(xiàn)[5]提出一種基于GIS、GPS、GPRS、傳感器技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的臨時(shí)接地線追蹤系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]根據(jù)目前變電站臨時(shí)接地線管理系統(tǒng)存在的弊端，提出了一種僅由地線管理機(jī)和無(wú)線式閉鎖器組成的臨時(shí)接地線管理系統(tǒng)，可應(yīng)用于常規(guī)變電站獨(dú)立五防系統(tǒng)、智能變電站監(jiān)控五防一體化系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于三卡合一的臨時(shí)接地線管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)和軟件功能邏輯設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)將人員標(biāo)識(shí)卡、接地線標(biāo)識(shí)卡、接地點(diǎn)標(biāo)識(shí)卡三卡合一，使人、地線、接地點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站臨時(shí)接地線借出歸還以及掛拆狀態(tài)的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[8]介紹了一種新型臨時(shí)接地線管理系統(tǒng)，根據(jù)其工作原理，結(jié)合變電站的實(shí)際情況，通過(guò)臨時(shí)地線管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了臨時(shí)地線的有效管理。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)臨時(shí)接地線的集中管理、運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控以及目的地定位的設(shè)計(jì)方法，介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成、硬件結(jié)構(gòu)以及工作原理。文獻(xiàn)[10]提出一種由五防主機(jī)、臨時(shí)接地線管理機(jī)、臨時(shí)接地線閉鎖器組成的臨時(shí)接地線管理統(tǒng)。

總結(jié)分析當(dāng)前的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀可見(jiàn)，實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)對(duì)臨時(shí)接地線的管理沒(méi)有做到全過(guò)程、全覆蓋，大多數(shù)只能監(jiān)視其在接地線柜中的對(duì)應(yīng)位置，少部分能夠監(jiān)視其在接地線樁處的安裝位置，但從接地線柜到接地線樁這個(gè)過(guò)程中的位置情況無(wú)法監(jiān)視；如果接地線使用完畢，既不在接地線樁處，也不在接地線柜中，運(yùn)行人員無(wú)法確定接地線所在位置，接地線的管理還存在一定漏洞。此外，當(dāng)前的接地線管理系統(tǒng)組網(wǎng)形式較為復(fù)雜。例如接地線與安裝位置的判斷采用RFID（Radio Frequency Identification）方式，接地線樁與管理主機(jī)采用無(wú)線通信（GPRS（General Packet Radio Service）或ZigBee等）方式，地線管理單元與管理主機(jī)采用有線通信（232，485或以太網(wǎng)）方式，采用的設(shè)備和通信技術(shù)較多，不利于降低系統(tǒng)成本和確保可靠性。

本文提出采用混合RFID技術(shù)對(duì)變電站臨時(shí)接線進(jìn)行全過(guò)程、全覆蓋的定位與管理。基于混合RFID技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)臨時(shí)接地線固定安裝位置的判斷，還可對(duì)臨時(shí)接地線從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的中間過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視，得到臨時(shí)接地線的移動(dòng)路徑。此外還可對(duì)臨時(shí)接地線進(jìn)行定位，當(dāng)接地線不在固定的安裝位置處，能夠判斷該接地線的具體位置，消除接地線管理的盲區(qū)。還可取代常用的GPRS或ZigBee等方式完成無(wú)線通信功能，簡(jiǎn)化通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)接地線信息可靠、快速的無(wú)線采集和傳輸功能。

1 混合RFID技術(shù)

RFID又稱無(wú)線射頻識(shí)別，是一種近距離微波（1-100GHz）通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，RFID作為構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)”的關(guān)鍵技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和日常生活中獲得了廣泛應(yīng)用。

RFID技術(shù)一般分為有源RFID和無(wú)源RFID。有源RFID，又稱為主動(dòng)式RFID，電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，通常支持遠(yuǎn)距離識(shí)別。無(wú)源RFID，又稱為被動(dòng)式RFID，電子標(biāo)簽沒(méi)有內(nèi)裝電池，在有效范圍之外時(shí)，電子標(biāo)簽處于無(wú)源狀態(tài)，在有效范圍之內(nèi)時(shí)，電子標(biāo)簽從激活器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源，適合近距離識(shí)別，可完成目標(biāo)定位。

所謂混合RFID技術(shù)即無(wú)源RFID與有源RFID的綜合，其中無(wú)源部分由外部的激活器觸發(fā)進(jìn)入工作狀態(tài)，可完成準(zhǔn)確定位功能；有源部分與外部的讀寫(xiě)器配合工作，用于上傳RFID標(biāo)簽內(nèi)的信息，同時(shí)允許讀寫(xiě)器將相關(guān)信息寫(xiě)入到RFID標(biāo)簽中。混合RFID系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示。

2 基于混合RFID技術(shù)的變電站臨時(shí)接地線全過(guò)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 變電站臨時(shí)接地全過(guò)程管理需求

變電站臨時(shí)接地線的全過(guò)程管理涵蓋接地線的存放、安裝固定、從存放位置到安裝使用位置的中間移動(dòng)過(guò)程等全部操作使用環(huán)節(jié)，不僅能夠完成對(duì)存放位置、安裝固定位置的靜態(tài)管理，還能完成取出、操作使用、放回等中間動(dòng)態(tài)過(guò)程的管理，真正意義上做到全過(guò)程監(jiān)視、無(wú)死區(qū)管理，可極大提高臨時(shí)接地線的科學(xué)管理水平，從根本上杜絕接地線管理和操作使用不當(dāng)所帶來(lái)的安全隱患，具有極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

變電站臨時(shí)接地全過(guò)程管理的需求總結(jié)如下：

（1）臨時(shí)接地線位于存放位置或固定安裝位置時(shí)，能夠進(jìn)行精確定位，正確指示各接地線的具體存放和安裝點(diǎn)；

（2）臨時(shí)接地線的取出和使用應(yīng)符合安全操作要求，當(dāng)出現(xiàn)非法操作時(shí)能夠自動(dòng)閉鎖，防止因非法取出接地線所帶來(lái)的安全隱患；

（3）對(duì)臨時(shí)接地線從存放位置取出到使用位置固定，以及使用完畢放回存放位置整個(gè)過(guò)程的移動(dòng)路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，防止出現(xiàn)臨時(shí)接地線使用完畢沒(méi)有及時(shí)移除、接地線隨意放置或送回不及時(shí)所帶來(lái)的安全和管理隱患，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)接地線存放和使用的全過(guò)程管理；

（4）當(dāng)臨時(shí)接地線長(zhǎng)時(shí)間位于預(yù)定存放位置和使用位置以外的其它位置時(shí)，能夠發(fā)出告警信息并準(zhǔn)確指示臨時(shí)接地線的具體位置；

（5）該系統(tǒng)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、能耗低、便于維護(hù)等特點(diǎn)，即可獨(dú)立工作，也可與五防系統(tǒng)配合工作。

2.2 變電站臨時(shí)接地線全過(guò)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述功能和要求，本文采用混合RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變電站臨時(shí)接地線的全過(guò)程管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該系統(tǒng)包括混合型RFID電子標(biāo)簽群、激活器、讀寫(xiě)器、手持式RFID讀卡終端、以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器及人機(jī)交互工作站等主要部分。其中，混合型RFID電子標(biāo)簽固定安裝在接地線上，作為接地線唯一的身份標(biāo)識(shí)，同時(shí)存儲(chǔ)接地線的相關(guān)管理信息；激活器和讀寫(xiě)器分散安裝在變電站接地線柜、主控室、開(kāi)關(guān)處及接地線樁等位置處，激活器用來(lái)觸發(fā)RFID電子標(biāo)簽中的無(wú)源RFID部分，啟動(dòng)混合型RFID電子標(biāo)簽進(jìn)入工作狀態(tài)，然后與附近的讀寫(xiě)器交互信息，完成數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)置了手持式RFID讀卡終端是為了方便運(yùn)行人員隨時(shí)讀取、查看臨時(shí)接地線電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)和內(nèi)容。

讀寫(xiě)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器之間采用以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)快速、可靠的全雙工數(shù)據(jù)交互功能，人機(jī)交互工作站可從數(shù)據(jù)服務(wù)器中獲取所需數(shù)據(jù)，以圖形界面的形式實(shí)現(xiàn)各種管理、查詢和告警功能。

管理主機(jī)包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和人機(jī)交互界面兩部分，對(duì)站內(nèi)所有臨時(shí)接地線對(duì)應(yīng)的RFID標(biāo)簽信息、激活器及讀寫(xiě)器的安裝位置和編號(hào)信息進(jìn)行管理，以數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，采用圖形化的界面提供臨時(shí)接地線的全過(guò)程、全覆蓋管理。管理主機(jī)可通過(guò)讀寫(xiě)器將臨時(shí)接地線的操作使用信息寫(xiě)入到RFID標(biāo)簽內(nèi)，例如臨時(shí)接地線的使用年限、操作使用記錄、最近幾次的使用路徑等。

為了便于運(yùn)行人員隨時(shí)掌握臨時(shí)接地線的使用和運(yùn)行情況，本系統(tǒng)設(shè)置了手持式終端，該終端可以RFID的方式直接讀取臨時(shí)接地線電子標(biāo)簽中的內(nèi)容，通過(guò)液晶顯示屏顯示相關(guān)信息。

2.3 變電站臨時(shí)接地線全過(guò)程管理系統(tǒng)工作流程

混合型RFID電子標(biāo)簽固定安裝在臨時(shí)接地線上，接地線存放在接地線柜中，每條接地線對(duì)應(yīng)著一個(gè)固定安放的位置。RFID電子標(biāo)簽中的無(wú)源部分需要由外部的激活器啟動(dòng)工作，激活器采用低頻信號(hào)通信，信號(hào)頻帶在30kHz～300kHz之間，因此觸發(fā)器的有效工作半徑較小，一般在0～3.5米之間，在對(duì)RFID激活的同時(shí)可完成定位功能，需要在變電站的接地線柜內(nèi)、接地線樁處，以及變電站主控制及開(kāi)關(guān)場(chǎng)內(nèi)安裝多個(gè)激活器。

為了監(jiān)視臨時(shí)接地線的準(zhǔn)確固定位置，在接地線柜內(nèi)的每個(gè)安放位置處需要安裝一個(gè)激活器。由于安放位置間的距離較近，為防止各激活器的工作范圍出現(xiàn)重疊，需要設(shè)置激活器的信號(hào)功率和激活范圍，使其能夠準(zhǔn)確、可靠激活固定位置處的電子標(biāo)簽。變電站主控制及開(kāi)關(guān)場(chǎng)內(nèi)激活器的激活范圍可以設(shè)置的較大，以便有效控制激活器的布點(diǎn)數(shù)量，降低系統(tǒng)成本。當(dāng)臨時(shí)接地線與激活器的相對(duì)位置小于事先設(shè)定好的激活距離時(shí)，激活器啟動(dòng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入工作狀態(tài)，RFID標(biāo)簽會(huì)記錄激活器的編號(hào)和激活時(shí)間，作為臨時(shí)接地線的定位依據(jù)。

RFID標(biāo)簽被成功觸發(fā)進(jìn)入工作狀態(tài)后，采用高頻信號(hào)與附近的讀寫(xiě)器通信，信號(hào)頻帶在2GHz～3GHz之間，因此讀寫(xiě)器的有效工作范圍較大，一般在0～120米之間。RFID標(biāo)簽將激活器編號(hào)、激活時(shí)間等信息發(fā)送至讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器通過(guò)以太網(wǎng)將采集到的RFID標(biāo)簽信息發(fā)送至管理主機(jī)，完成臨時(shí)接地線位置信息的上傳。

為提高混合RFID標(biāo)簽內(nèi)置電池的使用壽命，正常情況下RFID處于休眠狀態(tài)，功耗極低，通過(guò)激活器發(fā)出信號(hào)才會(huì)啟動(dòng)有源RFID工作。有源RFID與附近的讀寫(xiě)器通信，將電子標(biāo)簽內(nèi)的激活位置和激活時(shí)間等信息發(fā)送給讀寫(xiě)器，同時(shí)讀寫(xiě)器也可將需要寫(xiě)入的內(nèi)容以無(wú)線的方式寫(xiě)入到電子標(biāo)簽內(nèi)，完成數(shù)據(jù)的雙向通信。

讀寫(xiě)器讀取到RFID電子標(biāo)簽發(fā)送的信息后經(jīng)以太網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器和接地線管理主機(jī)，主機(jī)對(duì)接地線的安放位置做出識(shí)別和判斷，如果安放位置不正確，接地線管理主機(jī)可發(fā)出告警信號(hào)。如果接地線的安放位置正確，在接地線管理主機(jī)的人機(jī)交互界面中標(biāo)識(shí)出接地線與安放位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，供運(yùn)行人員查看。如果長(zhǎng)時(shí)間不對(duì)接地線進(jìn)行操作，激活器和RFID電子標(biāo)簽的對(duì)應(yīng)關(guān)系不會(huì)改變，RFID標(biāo)簽不再頻繁與讀寫(xiě)器通信，進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗，直到電子標(biāo)簽被不同的激活器觸發(fā)。工作流程示意圖如圖3所示。

如果需要對(duì)臨時(shí)接地線進(jìn)行操作時(shí)，首先需要接地線管理主機(jī)進(jìn)行使用授權(quán)，獲得使用授權(quán)后臨時(shí)接地線安放位置處的電磁鎖會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，允許運(yùn)行人員對(duì)接地線進(jìn)行操作。當(dāng)接地線從安放位置取走后，會(huì)進(jìn)入其它激活器的有效工作范圍內(nèi)，RFID電子標(biāo)簽被觸發(fā)進(jìn)入工作狀態(tài)，將對(duì)應(yīng)激活器的編號(hào)以及自身電子標(biāo)簽的編號(hào)發(fā)送給附近的讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器將RFID電子標(biāo)簽上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，然后發(fā)送給接地線管理主機(jī)，在管理主機(jī)中實(shí)時(shí)顯示接地線與激活器的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成接地線的實(shí)時(shí)定位功能。

接地線在操作使用過(guò)程中，會(huì)依次經(jīng)過(guò)多個(gè)激活器，RFID電子標(biāo)簽會(huì)記錄并借助讀寫(xiě)器上傳所有觸發(fā)器的編號(hào)，在接地線管理主機(jī)中就可形成接地線的移動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)接地線使用全過(guò)程的監(jiān)視與管理。

如果RFID電子標(biāo)簽處于所有激活器的工作范圍以外，表明該接地線失去了有效的監(jiān)控和管理，在管理主機(jī)中無(wú)法將RFID電子標(biāo)簽與激活器進(jìn)行有效匹配，此時(shí)管理主機(jī)發(fā)出告警信號(hào)，并給出最近一次的RFID電子標(biāo)簽與激活器的匹配信息，提示運(yùn)行人員及時(shí)查找相應(yīng)的接地線，避免出現(xiàn)不安全的接地線操作、接地線丟失等意外情況。

管理主機(jī)通過(guò)接收RFID電子標(biāo)簽上傳的信息記錄所進(jìn)行的操作，并對(duì)接地線的使用年限、操作使用情況、移動(dòng)路徑、告警信息等進(jìn)行分類(lèi)和存儲(chǔ)，當(dāng)上述信息有更新時(shí)通過(guò)讀寫(xiě)器將更新信息寫(xiě)入到RFID電子標(biāo)簽內(nèi)。運(yùn)行人員可以通過(guò)手持式RFID讀卡終端，隨時(shí)讀取RFID電子標(biāo)簽中的相關(guān)內(nèi)容，便于運(yùn)行人員隨時(shí)掌握每臺(tái)接地線的具體信息。上述操作使用流程如圖4所示。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于混合RIFD技術(shù)的變電站臨時(shí)接地線全過(guò)程管理方法，該方法采用無(wú)源RFID與有源RFID相結(jié)合的技術(shù)，利用無(wú)源RFID低頻通信的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，利用有源RFID高頻通信的特點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信組網(wǎng)完成信息的傳輸。與已有的變電站臨時(shí)接地線管理方法相比，本文所提方法有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用混合RFID技術(shù)，能夠充分利用無(wú)源RFID和有源RFID的特點(diǎn)，為變電站臨時(shí)接地線管理提供完整、統(tǒng)一的解決方案；

（2）不僅能夠?qū)崿F(xiàn)臨時(shí)接地線安裝和存放位置處的定位識(shí)別，還能完成接地線操作使用過(guò)程中的移動(dòng)路徑監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對(duì)接地線的全過(guò)程、全覆蓋管理；

（3）該方案具有較低的成本，較高的可靠性、通用性和可擴(kuò)展性，可替代現(xiàn)有的變電站臨時(shí)接地線管理方案，提供功能更豐富完善、性能更優(yōu)越可靠的接地線管理功能。

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作者簡(jiǎn)介

陳樑（1979-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為國(guó)網(wǎng)江西省電力公司萍鄉(xiāng)供電分公司助工，從事變電站接地線同期應(yīng)用及監(jiān)控方向的研究。

作者單位

國(guó)網(wǎng)江西省電力公司萍鄉(xiāng)供電分公司 江西省萍鄉(xiāng)市 337000