基于物聯網的RFID接地線管理裝置設計

國網上海市電力公司市北供電公司 崔若涵 吳 昊 柴 俊 陸增潔 安 帥 上海久隆電力（集團）有限公司 費嘉祿

針對數量多、使用頻繁的接地線已形成成套的接地線使用管理規定。現有的接地線管理措施中，多采用專用記錄本人工記錄接地線的使用。接地線管理需要借具人和出借人履行手續并進行詳細記錄和登記，手續較為繁瑣，且平均登記記錄時間大于15分鐘。接地線出庫后，只能通過人為的記錄獲取接地線的信息，信息途徑單一、容錯率小，存在因人員疏忽漏登記或忘拆導致帶接地線合閘的可能。尤其是在交接班時，交接人員也可能因繁忙或疏忽未交待清楚設備位置狀態。這些情況一旦發生都可能引起誤操作事故，后果不堪設想。若記錄發生遺漏或錯誤，經過較長時間未校正，則會導致接地線當前狀態無法確證，會提高電力系統故障發生率。

接地線在國外被比喻為生命線，由此可見接地線的重要程度。國外關于接地線的使用管理規范也非常多種多樣化，從接地線顏色、使用流程、記錄方法、施工與監督等方面，多角度的對接地線的使用和管理制定了標準和規范，但也局限于通過制度上的調整和人為的記錄與監督來保障接地線正確的使用和管理。

綜上所述，現有針對接地線的防務操作管理系統，主要是通過制度和人為的方式來避免誤操作的可能，加上現有設備自帶的一些五防邏輯判斷、帶電顯示器等輔助五防功能，能有效降低操作失誤率。實際上，在國內外電網重大安全事故中，帶電掛接地線或帶地線送電的惡性誤操作事故仍時有發生，雖然目前的“五防”裝置通過對變電站內接地樁的閉鎖強制按程序操作來避免地線的誤裝、漏拆，但卻不能解決變電站內臨時接地線的安全拆卸問題，對領出的接地線是否已掛接、掛接在什么位置、作業完成后是否均拆卸等工作環節無法實時監控確定，使得現有的防誤系統存在安全漏洞[1]，帶地線合閘行為無法及時被發現和制止。

1 總體設計方案

從現有的管理制度來看，在變電站中對變壓器掛接地線的管理目前無法做到相對閉鎖，且反饋時間較長。針對該問題，本設計使用基于物聯網射頻技術的RFID接地線管理裝置，可準實時的反應各個接地點和接地線狀態的反饋。在通訊方面，由于電站內電磁干擾較強，在硬件技術選型上選用了物聯網射頻技術--RFID技術，擬在接地點端增加一個基于物聯網的感應通信裝置，它做到遠程管控，現場模擬圖清晰提醒狀態，以供施工人員參考。反饋信號攜帶的信息包括接地線器具編號、感應裝置編號，以及詳細的房間信息、位置信息、位置工作狀態信息，使用物聯網技術的優勢還有更加安全、可靠，且RFID物聯網技術數據設備從其他設備收集數據的方式能夠完美解決。

物聯網在系統中起著至關重要的作用，在資源方面可對現有資源進行高效利用，也最大程度減少了人力和時間成本，對數據信號采集十分效率，在安全性上也更加高效。整個系統的分層如下：展現層。采用Web網頁和小程序的方式，為電站內工作人員、運檢人員提供更加直觀的交互頁面；業務層。實現數據處理、加工、等業務層面操作；服務層。提供接口，實現數據采集到服務器和其他服務；數據層。使用mysql數據庫作為底層庫，對配置文件進行配置；信息傳輸層。支撐整個項目的信息基礎硬件、操作系統等，影響信息傳輸及網絡服務。

2 接地線裝置硬件設計

2.1 硬件的選型

根據實地勘察，選用了高頻定位讀寫器、RFID讀寫器和高頻抗金屬標簽。首先根據變電站環境對傳輸條件進行測試，最終選用了高頻抗金屬標簽放在接地線上，接地點旁使用高頻定位讀寫器，檢測施工過程中的接地線上的高頻標簽，檢測的狀態信息通過遠距離433MHz無線上傳給RFID讀寫器。RFID讀寫器起到集中的作用，它匯集各高頻定位讀寫器上傳來的數據，緩存后按照指定格式上傳至服務器。硬件設備主要有高頻定位讀寫器、RFID集中器、高頻抗金屬標簽。

2.2 RFID集中器功能及流程設計

RFID技術是一種無線射頻識別即射頻識別技術（Radio Frequency Identification）[2]，是屬于物聯網射頻技術的一種，通過無線射頻的方式進行非接觸式雙向數據通信，利用無線射頻技術對電子標簽進行讀寫操作，來識別目標和獲取目標數據的目的。

無線射頻識別技術就是利用無線電波來進行通信的一種自動識別技術。RFID主要由電子標簽、閱讀器和射頻天線組成。電子標簽即射頻卡由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線、用戶標簽和射頻天線質檢的通信。閱讀器主要用于讀取標簽的內部信息，天線主要在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。其基本原理是通過感應頭和標簽質檢的電磁耦合或電感耦合來進行數據通信，以達到對標簽物品的自動識別[3]。無線射頻識別技術通過無線電波零接觸的信息交換技術和信息存儲技術，通過無線通信結合數據的遠程訪問技術然后連接數據庫，以實現非接觸式的雙向通信來達到識別的目的，用于數據交換，組合成一個十分復雜的系統。在識別系統中通過電磁波實現電子標簽的讀寫與通信。此外RFID還是唯一可實現多標簽同時識別的自動識別技術[4]。

RFID的基本工作原理：當標簽信號進入閱讀器后接收閱讀器發出的射頻信號，將得到的能量發送出在芯片中存儲的數據信息，或由標簽主動發出特定頻率的信號，閱讀器讀取信息并解碼后再進行有關的數據處理。RFID設備工作原理是閱讀器發送一組特定頻率的無線電波能量，再使用內部驅動電路將信號推送出去，閱讀器就會按照推送順序接收到解讀好的數據，再把數據發送給應用服務器做相應處理。

圖1 RFID讀寫器與電子標簽的原理圖

RFID高頻定位讀寫器和電子標簽質檢的信息交互方式及能量感應方式可分為感應耦合與后向散射耦合兩種，由于電站環境復雜、能量干擾相比其他環境嚴重，所以選擇后向散射耦合方式來使用高頻。閱讀器和標簽是半雙工通信方式，閱讀器的組成模塊包括耦合模塊、收發模塊、接口單元和控制模塊[5]。

2.3 特殊環境下的硬件選型分析

針對此項目選用RFID是因其具有以下優勢：

電站室內易潮濕、電磁干擾較為嚴重，在這種特殊環境下選用設備的特性具有嚴格要求，一般須有防磁、防水、耐高溫等特點，這樣在電站中才能保證其運行的穩定性。射頻技術的實時更新數據、使用壽命、效率、安全性等優點十分符合電站內使用環境。它大大改善了從前對信息處理的不便捷因素，保證了工作的順利進行，而且射頻技術識別同樣有密碼保護，不易被偽造，安全性較高。

圖2 RFID設備與終端間信號傳輸

同時，在信號傳輸上使用了物聯網技術，物聯網卡通過專用的網元設備支持基礎通信服務，并提供通信狀態管理和通信鑒權等職能通道服務，物聯網通信特點有：通信能力強，不管是使用GPRS通信還是短信通信，根據不同業務場景可切換不同通信方式；可向用戶提供使用終端的位置信息、IP等信息；對用戶開放賬單信息查詢，對消費記錄、流量使用等查詢；對于用戶的費用統計報表進行統計；根據用戶的使用情況來提供多種費用套餐。

2.4 基于物聯網信息通信設計

針對通信，不但要做到通信順暢，還要保證數據的安全傳輸，因此采用了帶物聯網卡的路由器設備。近距無線傳輸技術包含WIFI、手機藍牙、UWB、MTC、ZigBee、NFC，數據信號覆蓋面積則一般在幾十厘米到五百米相互之間。近距無線傳輸技術具體運用在局域網絡，例如無線網絡、加工廠生產車間連接網絡、商務辦公連接網絡。

Wi-Fi被普遍用于移動物聯卡應用實例，最普遍的是做為從網關ip到聯接網絡的無線路由器的路由協議。物聯網卡硬件和外觀與普通SIM卡相似。加載針對智能硬件和物聯網設備的專業化功能，采用專用號段，滿足智能硬件和物聯網行業對設備聯網的管理需求。使用物聯網卡實現RFID集中器向服務器發送數據的功能，因為物聯網具有高質量的網絡，通過物聯網專用網元實現物聯網用戶與普通用戶在網絡上的分離，提供了可靠性和穩定性的網絡通信。

3 接地線裝置軟件設計

軟件系統的設計是圍繞展示接地點狀態和管理接地線為目的而搭建，現場通過RFID技術和物聯網專網通信技術來實現數據的收發功能，軟件方面通過接受物聯網傳輸來的數據對接地點狀態（是否接入接地線）和接地線進行管理。根據物聯網的變電站掛接地線管理裝置的研究內容，將研究的內容轉化為軟件代碼從而實現軟件的初步功能。開發軟件使用的是IDEA2019版本，開發語言選用的Java，軟件的環境配置使用jdk1.8版本、mysql5.6版本。

在軟件研發階段，使用測試工具Insomnia或postman進行接口測試，項目中單元測試使用springboot中的Junit，需要導入依賴springboot-starter-test，主要數據流向、常規報錯處理和邏輯錯誤處理進行調試，保證用戶使用的體驗感。在與硬件關聯時使用udp來接收傳輸數據，并將數據在程序中進行處理，得到所需要的信息（接地點id和接地線id），在顯示上為保證實時有效的顯示使用了websocket技術。在項目中先使用分段調試，再根據功能調試，最后模擬真實應用環境總體調試，保證了軟件在運行過程中的安全性和效率性。

圖3 程序功能流程圖

3.1 程序流程圖

在小程序中入口處進入程序，通過用戶名密碼方式登錄程序，在程序中可查看接地點上是否接上了接地線，在頁面上會有紅色標識提示，接地線快到質檢日期或已過期在小程序中都可直觀看到。該裝置還有一個現場展示屏幕，該屏幕上標識哪個接地點掛載上了接地線可以準實時的顯示。

3.2 數據流程及格式設計

在服務器端接收到RFID集中器發來的數據請求格式：2021-03-24 13:29:01.370 INFO 152207:收到客戶端[ip:192.168.1.200]連接；2021-03-24 13:29:04.992 INFO 152207:服務端收到客戶端[192.168.1.200]報文：FEFB00100107000180000 50100010507EC1B95315B6AFEFA；2021-03-24 13:29:04.997 INFO 152207:>>>>>>now time::2021-03-24 13:29:04；2021-03-24 13:29:04.997 INFO 152207:tagIdParam>>>>>>>>>>::TagIdVO(tagIdList=[00010507,EC1B9531],timestamp=1616563744993)；++++00010507；2021-03-24 13:29:05.099 WARN 152207:調用結果：true。

服務器接收到的數據為一個list數組，里面存放著接地點上高頻定位讀寫器的唯一ID和接地線上標簽的唯一ID，拿到了接地點上高頻定位讀寫的ID和接地線上標簽ID就可知道哪一條接地線接到了哪一個接地點上，在經過服務器內部程序處理后就可在顯示終端上看到接地點上是否連接上了接地線。

程序中建立了接地線和接地點關聯表，關聯的數據為接地線上標簽ID和接地點上高頻定位讀寫器ID，表中兩個唯一標識關聯，并存在一個狀態字段type，該字段在同時接收到接地點上RFID高頻定位讀寫器ID和接地線上標簽ID時改變其值為1，在收到只是接地點上高頻定位讀寫器ID和00000000時改變其數值為2，以此在數據庫中記錄其是否接入狀態。在接地線質檢日期判斷上，將日期通過SimpleDateFormat類對日期進行格式限定和轉換，在使用日期算法對規定質檢期限和質檢日期進行毫秒計算，若小于闊值則提示工作人員該接地線需質檢。

在辦公室的終端上，使用物聯網通信向服務器發送請求來獲取數據，可查看需要質檢的接地線、電站內是否有正在使用的接地點（已經掛上接地線）、新增接地點、更換接地線等一系列功能，項目中使用到物聯網技術的技術點有RFID技術和物聯網卡通信技術，物聯網通信技術保證了數據傳輸的安全性，也十分符合項目的應用需求。

總結：本項目主要結合了應用程序，綜合了程序的優點，提升了便捷性，將受到的信息傳給指定服務器，在服務器中完成狀態的更改和接地線的管理，使接地線的管理更加清楚明確，減輕了相關人員的工作?？朔穗娬緝鹊沫h境干擾問題，也使接地線管理更加智能化、便捷化。使用軟件管理最大的優勢就是不會出現錯誤的情況，尤其是接地線管理，安全十分重要，通過這種科學有效的措施，不斷的提高電網設備健康水平，為電網的可靠供電和安全穩定運行打下了扎實的基礎。

展望：本項目旨在解決目前接地線使用管理主要靠人為記錄接地線的行為信息，以及五防強制閉鎖功能中還不能做到變壓器在掛接地線時防誤功能的問題。通過一種基于物聯網通信的裝置和信號感應裝置以供作業人員了解，防止因施工結束時未及時拆除接地線、遺漏拆除接地線而造成的一系列安全事故的發生，提高電網的安全性。在通過小程序進行規范管理，對接地線的管理和人員的分配都有著重要的效率提升，有著很好的發展前景。