集控站安全管理中基于LORA的共享無線地線管理系統設計與實現

作者簡介：田志平（1984-），男，碩士，工程師。研究方向為電力系統及自動化。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.030

摘? 要：集控站是基于多個無人自動化值班變電站實施集成化監控管理的系統，能夠在局部電網運行過程中，綜合控制所轄變電站，實現更高層次的管理研究。提出基于LORA的共享無線地線管理系統設計與實現方案，方案設計借助數字化和可視化運行模式，在集控站安全管理過程中完成變電站端無線接電線狀態的實時采集，實現對集控站所轄變電站接地線的去向管理，在共享無線管理結果過程中，優化資源配置。研究結果表明，集控站安全管理中基于LORA的共享無線地線管理系統設計與實現方案，能夠在應用過程中有效輔助變電站完成接地線統一無線管理，防止發生接地線使用不規范所引發的事故。

關鍵詞：物聯網；LORA；共享無線地線管理系統；集控站安全管理；變電站

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0133-04

Abstract： The centralized control station is based on a number of unmanned automatic substations on duty to implement integrated monitoring and management system， which can comprehensively control the substations under their jurisdiction during the operation of the local power grid to achieve higher-level management research. This paper puts forward the design and implementation of shared wireless ground wire management system based on LORA， which is designed with the help of digital and visual operation mode. In the process of the security management of the centralized control station， the real-time collection of the status of the wireless wiring at the end of the substation is completed， the destination management of the grounding wire of the substation under the jurisdiction of the centralized control station is realized， and the resource allocation is optimized in the process of sharing the results of wireless management. The research results show that the design and implementation of the shared wireless ground wire management system based on LORA in the security management of the centralized control station can effectively assist the substation to complete the unified wireless management of the grounding wire and prevent the accidents caused by the non-standard use of the grounding wire.

Keywords： Internet of Things; LORA; shared wireless ground wire management system; security management of centralized control station; substation

LORA是采用1 GHz以下非授權無線電頻譜，完成低功耗的超長距離無線數據傳輸技術，在實際通信距離上，最長可以達到15 km。LORA具備較高靈敏程度，在覆蓋范圍上更廣、穿透性更強，效率遠高于傳統的串口通信輪詢模式，因此，基于LORA可以構建智能感知網絡。有鑒于此，為強化集控站運行維護過程中的安全性，輔助變電站完成接地線有效管理，防止發生接地線使用不規范所引發的事故，研究針對集控站安全管理過程中，輸變電線路接地線掛設中頻繁出現的誤掛、漏拆現象，設計與實現基于LORA的共享無線地線管理系統，智能感知接地線去向及接地線掛設安全狀態，強化集控站運維、輔助安全生產。

1? 基于LORA的共享無線地線管理系統設計思路

1.1? 背景技術

為規范外來接地線的使用，防止因接地線使用不規范引發的電氣誤操作事故，研究積極運用先進的LORA物聯網技術，以超高靈敏度與超遠傳輸距離等技術優勢，優化集控站安全管理過程涉及設備，使其功耗小、成本低。

LORA在技術上呈現出的主要特點見表1。

一方面，LORA采用最為常見的星型網絡拓撲結構，以中心節點為核心連接設備，完成長距離連接需求下的終端節點與網關直接通信，這種星型網絡拓撲結構，呈現出較為明顯的易維護和易管理特征，能夠在設計與共享無線地線管理過程中，有效降低網絡復雜程度，成功連接無線傳感器節點、LORA網關，輕松識別和隔離單點故障，有效降低運維檢修的風險程度，確保智慧電網運行的安全性與穩定性[1]。

表1? LORA的技術特點

另一方面，LORA利用擴頻通信技術實現高抗干擾能力，在規劃網絡過程中采取無線傳播模型OKUMURA HATA完成對無線地線管理系統發送端口、通信鏈路、傳播環境與接收端口全部增益與衰減鏈路的核算，獲得網關實際需要數量后，利用提升終端與網關收發靈敏程度的有效方法，覆蓋長距離、寬范圍與低功耗，為智慧電網提供可靠性更高的運行、檢修作業保障，規避發生人身傷害事故[2]。

1.2? 設計思路

無線統一管理接地線的痛點在于接地線相互借用的現實問題，為完成對接地線的唯一身份標識，需要賦予集控站下轄各站接地線唯一超高頻標簽（物理ID），針對性安裝識別裝置，便于自動錄入防誤校核與閉鎖系統。同時，在系統中增設針對外來接電線的管理模塊，嚴格執行“五防”邏輯，完成對外來接地線的模擬預演、防誤校核、狀態顯示和電腦鑰匙數據回傳等防誤操作管理，防止發生誤掛風險和交接遺漏等重大安全隱患。

1.3? 系統架構

1.3.1? 智能接地線管理裝置

系統在綜合移動互聯網、物聯網LORA技術、無線網絡等技術的基礎上，通過實時監管接地線位置、授權領用與領還等，智能感知接地線去向及接地線掛設安全狀態。裝置主要由地線管理器主機、地線檢測閉鎖機構（從機）構成[3]，裝置可以利用閉鎖狀態檢測機構，實現對接地線多重身份識別、遠程在線監測接地參數和利用電腦鑰匙強制閉鎖等功能。實現APP登錄解鎖指定接地線及取用、歸還，防止接地線隨意取用與任意存放，在集中遠程監管接地線過程中，實時將接地線管理信息上傳至物聯網平臺。

1.3.2? 超高頻超聲傳感器

在設計過程中，采取特殊的天線一體式設計集成智能讀卡器，讀取臨時接地線的超高頻標簽，實時將讀取到的14位物理ID數據傳輸發送至地線管理器主機，實現遠程超高頻標簽識別[4]。超高頻超聲傳感器支持主、從機配置，主、從機分別安裝在存放溫度為-15～+35 ℃、相對濕度80%以下、干燥通風的安全工器具室內和配備適用柜、架的安全工器具室外，如圖1所示，通過對接地線超高頻標簽的識別順序，判斷接地線被取走、被放還。

圖1? 外來接地線管理系統架構圖

1.3.3? 超高頻標簽（物理ID）

對接地線進行唯一編碼，如圖2所示，由時隙號、資源塊號組成。

圖2? 超高頻標簽（物理ID）圖

1.3.4? 地線五防鎖（選配）

地線五防鎖能夠實現針對接地線的首尾閉鎖，達到不運用電腦鑰匙解鎖，就無法伸展的效果，實現外來接地線不經過集控站微機防誤操作系統集中控制、統一調度，就無法使用的功能。

2? 基于LORA的共享無線地線管理系統設計方案

2.1? 系統主要功能需求

2.1.1? 智能接地線唯一ID身份標識

為促使接地線的身份標識唯一化，每根接地線上需要安裝全球唯一化的身份ID，作為識別接地線唯一識別二維碼，規避集控站統一調度接地線過程中發生的接地線身份ID混亂。

2.1.2? 規范接地線存取放管理形態

接地線管理過程中，需要運用智能接地線管理裝置實施接地線的強制性閉鎖管理，有效防止接地線的隨意取放、擺放，能夠遠程在線檢測集控站統一調度接地線的庫存狀態。

2.1.3? 臨時接地線掛、拆入集控站端防誤管理

基于LORA的共享無線地線管理系統需要通過超高頻超聲傳感器錄入臨時接地線編號，在集控站微機防誤系統中，實現對臨時接地線的模擬預演、防誤校核、狀態顯示和電腦鑰匙數據回傳等防誤操作管理，防止發生誤掛風險和交接遺漏等重大安全隱患。

2.2? 系統總體框架搭建

在集控站部署一套智能共享型接地線管理系統，另外，再部署一套可視化智能物聯網接地線柜，智能物聯網接地線柜能夠實現接地線的定置擺放，規范接地線的擺放，便于取用，智能物聯網接地線柜同時存放多條接地線并在實現閉鎖控制過程中，通過專網接入基于LORA的共享無線地線管理系統。

在集控站下轄變電站部署5G無線數據匯聚終端，用來接收智能物聯網接地線柜所發送的數據信息，隨即通過專網將數據信息傳輸至共享無線地線管理系統。每個接地線樁加裝1套無線接地線RFID無線射頻識別二維碼，將二維碼碼片作為識別每個接地線樁的身份信息，每個接地線頭加裝1套無線智能互聯的接地線頭，該接地線頭擁有唯一的RFID無線射頻識別二維碼，可以通過無線網絡收發器進行信號的收發[5]。接地線頭、接地線樁連接后自動觸發信息傳送，將對應的接地線頭、接地線樁RFID無線射頻識別二維碼上傳至5G無線數據匯聚終端。5G無線數據匯聚終端間通過無線信號互聯實現數據信息交叉上傳。

2.3? 系統總體設計方案

基于LORA的共享無線地線管理系統引入具備智能感知功能的接地線頭，智能接地線頭具備智能接地線樁監測機構，在檢測機構識別到智能接地線樁的RFID無線射頻識別二維碼及全部智能接地線頭的RFID無線射頻識別二維碼后，智能接地線頭能夠通過專網將數據信息實時上傳至共享無線地線管理系統，以RFID無線射頻識別二維碼為數據信息基礎分配集控站下轄變電站，點對點收錄智能接地線樁與接地線頭，實現RFID無線射頻識別二維碼與共享無線地線管理系統點位的一一對應，如圖3所示。

圖3? 總體方案圖

將集控站智能物聯網接地線柜納入基于LORA的共享無線地線管理系統進行統一管理。每個智能接地線頭、智能接地線樁均帶有證明身份的唯一RFID無線射頻識別二維碼，接地線頭、接地線樁連接后自動觸發信息傳送，將對應的接地線頭、接地線樁RFID無線射頻識別二維碼上傳至5G無線數據匯聚終端，5G無線數據匯聚終端在接收數據信息后實時轉發至集控站中的共享無線地線管理系統，系統將自動化跟蹤接地線的具體去向，在實時查看接地線掛設過程中，防止因掛接失誤，造成接地線的漏拆除和漏掛設。集控站下轄變電站運維檢修過程中，一旦發生接地線不足的情況，可以從集控站端進行接地線的借用，實現集控站下轄變電站間的接地線跨站使用，優化配置接地線實際數量，實現基于LORA的共享無線地線共享與管理，避免接地線資源的大規模浪費[6]。在后續集控站下轄變電站統一調度接地線過程中，可以將相關數據信息抄送至集控站的接地線調度部門與安全監管部門，以此大幅度強化集控站端接地線的安全管理質量。

3? 基于LORA的共享無線地線管理系統實現方式

系統軟件部分分為終端軟件和主節點軟件，2個部分軟件功能不同。主節點上電之后處于數據信息的實際接收狀態，對接收到數據信息進行處理后實時上傳至上位機。物理層協議的實現，主要經由4種數據包格式RTS、CTS、DATA和ACK完成算法的實現，射頻芯片對數據信息進行發送、接收和信道檢測等操作，其中，信道活動檢測主要經由信道活動監測技術完成，在實現系統協議軟件方面，以RREQ、RREP、RRER

3種數據包格式完成改進后的協議。

基于LORA的共享無線地線管理系統正常顯示情況見表2。

表2? 系統正常顯示情況表

對基于LORA的共享無線地線管理系統設計射頻模塊的性能、 網絡端到端延遲時間和網絡丟包率進行測試。在室外完成針對射頻模塊通信距離測試，結果可以達到1.2 km。在實驗室中搭建無線自組織網絡，對系統的實際運行性能進行測試，測試結果表明，網絡丟包率和延遲時間符合預期，完成預期功能。

4? 基于LORA的共享無線地線管理系統使用流程

4.1? 臨時接地線進站

將臨時接地線納入安全工器具室統一擺放，超高頻超聲傳感器將自動讀取臨時接地線RFID無線射頻識別二維碼并上傳微機防誤系統，微機防誤系統將自動點亮對應臨時接地線圖元，并顯示對應名稱。

4.2? 臨時接地線掛接

在微機防誤系統上，需要掛接臨時接地線時，直接在掛設位置選取對應臨時接地線圖元即可，其模擬操作與集控站接地線模擬過程一致[7]。接地線掛設完成，電腦鑰匙回傳數據后，微機防誤系統在對應位置顯示臨時接地線掛設狀態。

4.3? 臨時接地線拆除

與集控站內接地線拆除過程一致，在防誤系統模擬開票流程后，完成電腦鑰匙回傳數據后，防誤系統顯示臨時接地線的拆除狀態。臨時接地線放回安全工器具室，超高頻超聲傳感器將精準識別接地線放回后，將狀態上傳至系統的防誤主機，防誤主機將直接顯示接地線放回安全工器具狀態。

4.4? 臨時接地線離站

超高頻超聲傳感器識別到接地線取出安全工器具室后，將狀態自動化上傳至系統防誤主機，防誤主機將立即取消對應臨時接地線的在庫庫存狀態，變成不可模擬狀態。

5? 結論

集控站安全管理中，運用無線網絡在線式防誤閉鎖系統，可實現接地線從出庫掛設直至完工拆除入庫的全過程狀態實時監測，解決因設備信息更新滯后，信息不及時傳送引發的設備作業風險及設備管理問題[8]。通過無線匯聚終端打通站與站、站與集控站間的鏈路，協同管理并實現接地線共享，優化資源配置，是全新、完整的集控站無線接地線管理系統解決方案，可將接地線管理技術提高到新水平，滿足現代化使用要求。

參考文獻：

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