基于LoRa的變電站地線管理系統設計

摘 要：文中分析了變電站現有地線管理方面存在的問題，選取LoRa無線通信技術設計了地線管理系統，針對地線管理裝置、地線閉鎖裝置、地線頭、通信系統、地線操作校驗方案等內容進行了詳細闡述，并測試了所設計的地線管理系統的解鎖和閉鎖地線功能、掛接和拆除地線的操作延時。實測結果表明，該地線管理系統可有效解決變電站地線管控方面存在的相關問題，滿足了地線實時防誤的要求，大幅提升了變電站運維檢修作業的安全性。

關鍵詞：變電站；五防系統；地線管理；防誤主機；LoRa；實時防誤

中圖分類號：TP39；TM76 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-0-04

0 引 言

地線是變電站停電檢修時保證作業人員安全的生命線，傳統的地線管理方法是將地線存放在地線柜內，取用和歸還操作缺少強制性手段。因地線漏拆后帶地線合閘而造成人員傷亡和設備嚴重損壞等重大安全事故屢有發生，嚴重威脅電力系統的安全穩定運行。根據國家電網公司歷年統計分析，在誤操作事故中，地線管理混亂或使用混亂導致的事故占據相當大的比例。

針對地線漏拆引發的安全問題，部分變電站設置了離線式地線管理系統，通過地線管理裝置、地線閉鎖裝置實現對地線狀態、取用/歸還操作的管控[1-3]，并集成在五防系統內，結合操作票回傳時強制校驗地線歸還是否到位，有效降低了帶地線合閘事故的發生。但由于地線從地線柜內取出后即處于離線狀態，未納入五防或其他系統的監管范圍內，打開地線鎖操作完成后電腦鑰匙回傳時才能以地線鎖的狀態作為地線的狀態進行更新，故實際使用中仍然存在以下問題：

（1）地線取出后，無法確認地線是否掛接到位，操作過程和結果完全依賴運維人員的責任心和現場監護水平，可能出現未掛接地線即開始檢修作業的情況。

（2）地線掛接后，若通過解鎖工具打開地線鎖拆除地線，則地線已拆除的狀態無法回傳到五防系統，同樣影響后續檢修作業的安全。一旦檢修過程中復電，將嚴重危及作業人員的生命安全。

目前主流的無線傳輸技術主要有ZigBee、LoRa、NB-IoT等。ZigBee技術應用較早，具有自組網能力、功耗較低、速率較高等優點，在變電站數據采集、設備狀態監測等領域得到了較廣泛的應用[4-7]，但該技術存在傳輸距離短、穿透能力弱、功耗較高的缺點，制約了其應用范圍。NB-IoT構建于蜂窩網絡，依賴于運營商的基礎網絡設施，不適用于變電站（地理位置偏遠）。LoRa具有傳輸距離遠（1～2 km）且功耗更低的優勢[8-10]，因此基于LoRa技術構建地線管理系統具有一定的可行性和工程實用價值。

本文針對變電站臨時地線使用過程中存在的一系列問題，設計了基于LoRa的地線管理系統，通過地線取用/歸還操作的解/閉鎖管控和掛接后的實時回傳，實現地線使用的全程管控，避免帶地線合閘事故的發生，有效提升了運維作業的安全管控水平。

1 系統架構

基于LoRa的地線管理系統整體架構如圖1所示，包括防誤主機、地線管理裝置、地線閉鎖裝置、地線頭、地線樁、網關、基站、反向隔離裝置等。地線歸還狀態下，地線管理裝置通過地線閉鎖裝置采集地線頭RFID信息，確認地線是否正確歸位；地線被取出后，地線頭讀取地線樁的RFID信息并確認地線是否正確掛接，而后通過LoRa無線上傳至防誤主機，實現地線的在線管理。

網關與各基站之間采用無線自組網結構，實現LoRa全覆蓋，保證地線頭掛接狀態等信息能夠可靠傳輸。安全區Ⅰ與安全區Ⅳ之間的數據交互經過反向隔離裝置進行物理隔離，保證數據跨區安全傳遞。

2 方案設計

2.1 地線管理裝置設計

地線管理裝置主要負責采集匯總各地線狀態和控制操作指令的轉發，其整體硬件架構如圖2所示。

地線頭狀態采集：通過多條二總線與各地線閉鎖裝置通信，采集各地線頭狀態并匯總上送至防誤主機。同時校驗地線頭狀態，檢測到地線歸還錯誤、通信中斷等異常時進行語音告警提示。

地線遠程控制：接收防誤主機下發的解鎖/閉鎖指令并通過轉發二總線轉發給相應的地線閉鎖裝置，實現地線遠程解鎖。

地線就地操作：在觸屏液晶面板上解鎖/閉鎖地線頭，權限校驗通過后轉發給相應的地線閉鎖裝置，實現地線就地解鎖。

管理功能：用戶權限分級管控、通信交互管理等。

2.2 地線閉鎖裝置設計

地線閉鎖裝置負責實現地線歸位后的狀態檢測和解鎖/閉鎖控制，其整體硬件架構如圖3所示。

（1）地線頭狀態采集：讀取地線頭表面的RFID標簽獲取地線頭狀態[1]，并通過二總線上送。讀取結果與所綁定的地線頭RFID標簽比對，確定歸還的地線是否正確，不一致則通過指示燈進行告警提示，避免地線歸還錯誤。

（2）地線頭解鎖/閉鎖控制：通過二總線接收地線管理裝置下發的解鎖/閉鎖指令，實現地線取用/歸還的管控。

（3）對地線頭充電。

2.3 地線頭設計

地線頭是地線取出后進行在線管理的關鍵設備，整體硬件架構如圖4所示。地線頭表面帶有可被地線閉鎖裝置識別的RFID標簽，并與地線閉鎖裝置一一綁定，根據該RFID標簽確定歸還的地線是否正確。地線掛接/拆除后，殼體表面觸發開關動作喚醒內部MCU啟動地線樁讀取RFID信息并通過LoRa模塊發送，由防誤主機接收后確定地線掛接位置與操作票是否一致或地線已拆除。對于掛接操作，無線交互完畢后地線頭整體進入休眠模式以降低功耗，同時周期喚醒并上送當前狀態，保證防誤主機接收到的地線狀態與實際一致。

2.4 通信系統設計

地線管理裝置通過二總線與地線閉鎖裝置交互，即借助內置供電/通信芯片將通信數據直接耦合到電源線上，向地線閉鎖裝置供電的同時通過二者之間的通信交互實現地線頭狀態采集、地線閉鎖裝置解鎖/閉鎖控制下發等，減少了布線數量，提升了系統的可靠性。二總線通信系統示意圖如圖5所示。

考慮到變電站占地面積較大，地線樁布置分散，加之無線基站發射功率有限，故在變電站內布置1個網關及多個無線基站，并將部分無線基站作為中繼節點組建多跳網絡，實現全站LoRa網絡覆蓋和可靠的通信傳輸。地線頭觸發開關動作后，如讀取到所掛地線樁RFID信息，則通過無線網絡實時回傳。無線基站接收后通過無線網絡轉發至網關，經匯總、去重處理后以E文件的方式上送至防誤主機解析處理。

2.5 地線操作檢驗

地線掛接操作的交互流程如圖6所示。地線掛接后通過LoRa實時回傳所掛接地線樁的RFID信息，防誤主機解析E文件后判斷掛接位置是否正確。如檢測到掛接位置錯誤，防誤主機通過彈窗、音響告警等方式提醒運維人員及時處理。掛接狀態下，地線頭周期喚醒并上傳掛接位置、電量等信息，保證掛接狀態下防誤主機也能及時獲取地線頭的狀態信息，避免出現監視盲區。

地線拆除操作的交互流程如圖7所示。正常地線拆除后，地線頭讀取不到地線樁RFID信息，延時1 s確認當前處于已拆除狀態并實時回傳，強制校驗地線歸位狀態，防止地線漏拆導致帶地線合閘。無操作票情況下，若地線頭上送當前已拆除狀態，防誤主機判定為誤拆除地線，而后通過彈窗、音響告警等方式提醒運維人員確認處理。

3 設計方案驗證

LoRa網關/基站布點圖如圖8所示。其中，110 kV一次設備、#1～#3主變、10 kV #1～#6電容位于戶外，10 kV間隔開關柜等設備位于主控樓1層，控制室位于主控樓2層。

針對該變電站地線管理需求，按照圖1所示架構配置基于LoRa的地線管理系統。其中，1臺地線管理裝置及6臺地線閉鎖裝置安裝于工器具室地線柜，6臺地線閉鎖裝置分別對應110 kV#1、#2地線，10 kV#1、#2地線，380 V#1、#2地線。網關、基站布置點位如圖8所示。網關A安裝于控制室2層墻面，基站B1安裝于主控樓1層（高壓室）墻面并直接接入網關A，設置于戶外的基站B2則以基站B1為中繼節點間接接入，從而實現全站LoRa通信覆蓋。

3.1 地線解鎖/閉鎖測試

分別通過防誤主機遠程操作和地線管理裝置就地操作解鎖/閉鎖110 kV#1地線，解鎖/閉鎖測試各進行10次，檢查操作正確率。測試結果見表1所列。

由表1數據可知，所設計的地線管理裝置和地線閉鎖裝置能可靠執行地線解鎖/閉鎖命令。

3.2 地線掛接/拆除操作測試

選取站內6個接地樁安裝點J1～J6進行地線掛接和拆除操作驗證，如下：

（1）接地樁J1：高壓室遠離基站B1側出線間隔接地樁；

（2）接地樁J2：高壓室靠近基站B1側出線間隔接地樁；

（3）接地樁J3、J4：戶外遠離基站B2的某110 kV出線間隔線路側接地樁；

（4）接地樁J5：#2主變本體接地樁；

（5）接地樁J6：#6電容器本體接地樁。

分別測試上述接地樁掛接和拆除地線時報文交互的操作耗時，即掛接/拆除操作完成到防誤主機收到反向隔離裝置發送的E文件的時間（反向隔離裝置發送端軟件掃描周期為1 s），重復測試10次，平均耗時見表2所列。

由表2可以看到，各接地樁點位掛接/拆除地線時的通信耗時較短，基本滿足地線操作后的實時校驗要求，且回傳報文經過的基站層級越少耗時越短。拆除地線時，因地線頭設置了1 s讀不到RFID信息的延時，故平均耗時相比掛接操作也增加了約1 s。

4 結 語

本文基于LoRa無線通信技術設計了變電站地線管理系統，實際應用證明了該系統完全可滿足變電站地線實時防誤管控的要求，有效避免帶地線合閘事故的發生，大幅提高了運維檢修作業的安全性。

參考文獻

[1]劉仁琪，袁興福，葛歡，等. ELMS智能地線管理系統研究和應用[J].電網與清潔能源，2010，26（11）：33-36.

[2]張慧慧.基于無線身份識別的地線管理系統[J].電工技術，2020（1）：58-59.

[3]徐振亞，沈志龍，董超，等.網絡化的變電站智能地線管理系統[J].電工技術，2013（7）：74-75.

[4]湯明，鄭婧，黃文婷，等.基于ZigBee的無線振動傳感器設計與實現[J].傳感技術學報，2018，31（2）：312-318.

[5]趙勤學，楊俊杰，樓志斌.智能變電站安全在線監測系統設計[J].電測與儀表，2017，54（7）：34-40.

[6]李小博，黃新波，陳紹英，等.基于ZigBee網絡的智能變電站設備溫度綜合監測系統[J].高壓電器，2011，47（8）：18-21.

[7]梁湖輝，張峰，常沖，等.基于ZigBee的變電站監測報警系統[J].電力系統保護與控制，2010，38（12）：121-124.

[8]魏天呈，張亮.基于LoRa的物聯網技術在變電站在線監測中的應用[J].電子技術與軟件工程，2021（24）：16-19.

[9]潘捷凱，徐瓊瓊，陳莉，等. LoRa物聯網技術在變電站中的應用前景[J].電工技術，2018（24）：125-127.

[10]張彩友，鄒暉，馮正偉，等. 500 kV變電站泛在電力物聯網應用技術研究[J].浙江電力，2019，38（8）：17-22.