應用物聯網技術的流動接地線狀態采集研究

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 濟南 250000

1 接地線狀態采集現狀

在電力系統中,接地是重要的安全措施。電力作業過程中,按照電力安全規程要求,對于可能產生送電的停電設備,都應裝設接地線或合上接地刀開關,以保證現場施工作業和檢修人員的安全[1]。流動接地線的狀態采集一直是工作難點,對此,通常采取對全網接地線進行狀態采集的方法,保證電網的安全檢修、施工。

目前電網作業中,為保證安全,采取的技術措施有停電、驗電、裝設接地線、懸掛標志牌、裝設遮欄圍欄。裝設接地線的作用是當停電設備由于各種原因產生送電時,由接地線制造三相短路故障,使保護裝置迅速動作,進而保障作業人員的人身安全。

電力系統安全措施中,接地方式主要有接地刀開關和流動接地線兩種。接地刀開關基本配置有觸點,通過觸點狀態采集裝置可以實時采集接地刀開關的運行狀態。流動接地線由人工操作安裝,不使用時放置在工器具柜內,現場安裝過程中應符合電力安全規程中的相關要求,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工作的情況,應征得運行人員的許可,工作完畢后應立即恢復。根據調度員指令裝設的接地線,應征得調度員的許可。每組接地線均應編號,并存放于固定地點。存放位置亦應編號,接地線編號與存放位置編號應一致。裝拆接地線應做好記錄,交接班時應交待清楚。流動接地線的管理通過管理制度進行約束,在調度后臺系統中通過人工手動置入的方式進行操作,因此無法進行實時監控[2]。

由以上接地線狀態采集現狀分析可知,電網中的接地線無法實現全面接入,流動接地線的狀態采集是電力系統數據采集的空白,長期以來無法進行實時采集。由于對流動接地線進行人工管理和操作,因此降低了防誤操作系統的可靠性,造成帶接地線進行開關送電操作或刀開關操作,嚴重時甚至引發設備燒毀或操作人員人身傷害事故。

2 應用物聯網技術的流動接地線狀態采集裝置

2.1 設計原理

應用物聯網技術的流動接地線狀態采集裝置采用一體化設計,在傳統接地線的接地端頭安裝全球定位系統定位模塊[3],實現接地線的定位。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。變電站內部分流動接地線存在安裝位置過近的情況,現有的全球定位系統定位模塊無法滿足位置精度要求,因此在接地樁固定端設置射頻識別標簽,使接地線的定位精度更加高[4]。流動接地線狀態采集裝置如圖1所示。

圖1 流動接地線狀態采集裝置

2.2 通信方式

流動接地線與變電站網關之間采用加密LoRa(Long Range Radio)通信方式,通過網關將變電站內的數據傳送至云平臺通道。在一個變電站內,采用目前處于規模商用階段的窄帶物聯網(NB-IoT)技術。窄帶物聯網技術具有覆蓋廣、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數據的傳輸,因為流動接地線的狀態數據量極少,基本只有由振動引起的信號和接地線安裝后產生的信號。采用窄帶物聯網技術,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10 a,進而有效提高流動接地線終端應用的可靠性。在流動接地線信號覆蓋方面,窄帶物聯網技術增益達到20 dB,具有更好的覆蓋能力,在較大的干擾或開關柜內,也可以進行數據的收發。在連接數量方面,每個網關覆蓋面積內可以支持5萬個終端,完全滿足單個變電站或一個地區線路的流動接地線數量要求。

每次建立通信時,系統會自動同步當前的流動接地線位置至變電站網關,由網關判斷是否正常。約定時間段內沒有產生通信,即發出報警。若流動接地線發生變位,則立即與前置服務器進行毫秒級同步。正常情況下,網關與前置服務器通過循環冗余碼保持同步,通過循環機制來將錯誤概率降至最低。變電站網關通過普通4G通道卡、消息隊列遙測傳輸協議與云平臺通道實現實時一發多收。前置服務器對現場流動接地線的狀態數據進行存儲,調度系統通過隔離網閘,由企業4G通道卡和ModBus協議單向訪問前置服務器,進而保證數據訪問的安全性。

流動接地線狀態數據傳輸流程如圖2所示。

2.3 電源系統

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

圖2 流動接地線狀態數據傳輸流程

圖3 流動接地線狀態采集裝置電源管理邏輯

3 現場應用

在勝利油田110 kV郝現變電站現場應用流動接地線狀態采集裝置,根據實際情況配備25組接地線,接地樁固定端更換為帶有射頻識別標簽的新固定端。根據現場情況,為便于裝設流動接地線,設計了L形接地樁固定端和普通型接地樁固定端,如圖4所示。

郝現變電站配備一組無線網關,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采集裝置,將流動接地線狀態數據通過變電站網關實時傳輸至云平臺通道,并存儲于前置服務器。調度系統通過企業4G通道卡和ModBus協議,實現對流動接地線狀態的在線監控。

郝現變電站流動接地線狀態采集裝置工作流程如圖5所示,后臺監控系統截圖如圖6所示。

4 測試

在110 kV郝現變電站中應用流動接地線狀態采集裝置,主要進行以下現場測試:前置服務器工作測試、變電站網關工作測試、流動接地線狀態采集裝置工作測試、接地樁固定端工作測試[6]、通信壓力測試。通過現場測試,確保流動接地線狀態數據傳送過程的可靠性。

圖4 接地樁固定端

表1 郝現變電站間隔L形接地樁固定端安裝情況

表2 郝現變電站間隔室內普通型接地樁固定端安裝情況

表3 郝現變電站間隔室外普通型接地樁固定端安裝情況

圖5 郝現變電站流動接地線狀態采集裝置工作流程

4.1 前置服務器工作測試

重復進行變電站網關與前置服務器的連接操作,測試變電站網關與前置服務器及云平臺通道的通信是否受工作環境干擾。后臺監控系統全部工作,監控前置服務器的后臺數據是否存在丟包、粘包現象,所接收的流動接地線狀態數據是否完整,能否準確快速得到流動接地線的操作位置。連續模擬流動接地線操作,確認前置服務器是否正確接收狀態數據,并可以正常存儲。

圖6 郝現變電站后臺監控系統截圖

4.2 變電站網關工作測試

測試變電站網關與云平臺通道及流動接地線狀態采集裝置的通信是否正常,相關信息顯示是否正確。對變電站內距離最遠的流動接地線安裝地點進行測試,確認有效工作范圍。監控變電站網關的交互信息,檢查數據傳輸是否符合通信協議要求,是否存在粘包現象。對比操作日志,檢查變電站網關通信是否存在延遲、丟包現象。

4.3 流動接地線狀態采集裝置與接地樁固定端工作測試

測試流動接地線狀態采集裝置能否正常通電運行,接地樁固定端射頻識別標簽是否能準確讀取,接地線位置是否能正確指示。監控流動接地線狀態采集裝置與變電站網關的交互信息,檢查數據傳輸是否符合通信協議要求,并通過對比操作日志,檢查通信是否存在延遲現象。根據表1～表3對接地樁固定端逐個進行工作測試。

4.4 通信壓力測試

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

5 結束語

筆者對應用物聯網技術的流動接地線狀態采集問題進行了研究[7-8],設計了流動接地線狀態采集裝置,以較低成本實現了電網中流動接地線的實時狀態監控,為微機保護的防誤操作和操作票的在線自動生成提供了全面信息。通過應用流動接地線狀態采集裝置,可以實現電網接地線及各種觸點狀態的全面采集,杜絕了帶接地線送電操作的可能性,為電網檢修和施工作業提供了安全保障。