國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心、遼寧拓新電力電子有限公司的研究人員楊林、趙泓博、趙守忠等，在2018年第3期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，在電力系統(tǒng)中，因?yàn)樵O(shè)備檢修后漏拆臨時(shí)接地線引起帶接地線合閘的惡性誤操作，對(duì)電網(wǎng)存在嚴(yán)重威脅。對(duì)于地線的掛接與拆除，傳統(tǒng)的地線管理已不能滿足目前的要求。

為了有效地解決這一問(wèn)題，實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)硬件部分采用最先進(jìn)的ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)和RFID無(wú)線射頻技術(shù)，后臺(tái)軟件采用微軟最新的開(kāi)發(fā)平臺(tái)研制而成，這使得整個(gè)系統(tǒng)不僅提供了友好的人機(jī)操作界面、能夠?qū)崟r(shí)反映地線的掛接、取放狀態(tài)以及在現(xiàn)場(chǎng)的掛接位置，而且還能夠與五防系統(tǒng)相結(jié)合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到了對(duì)地線實(shí)時(shí)的規(guī)范管理和防止誤操作的目的。

隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)電力五防系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。近幾年智能電網(wǎng)建設(shè)的興起，更是掀起了一股全球性電網(wǎng)智能化建設(shè)研究的浪潮。五防智能化建設(shè)，作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，在近幾年的研究中，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和可喜的研究成果。

因?yàn)樵O(shè)備檢修后漏拆臨時(shí)接地線引起帶接地線合閘的惡性誤操作，對(duì)電網(wǎng)存在嚴(yán)重威脅。對(duì)于地線的掛接與拆除，傳統(tǒng)的地線管理已不能滿足目前的要求。由于主控室無(wú)法直觀掌握工作人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地線實(shí)際的操作情況，導(dǎo)致在運(yùn)行管理過(guò)程中仍然需要安排人力，到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡查，以確保地線掛接的安全可靠、確保拆除地線的準(zhǔn)確無(wú)誤。這種運(yùn)行管理模式，不僅浪費(fèi)了人力和物力，而且在五防智能化方面也沒(méi)有能夠很好的體現(xiàn)。

實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)能有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地線管理的不足，徹底解決臨時(shí)地線的操作和日常管理過(guò)程中存在的安全隱患。該系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)，RFID無(wú)線射頻技術(shù)和地線管理軟件，可以對(duì)地線的掛接位置和狀態(tài)等，進(jìn)行規(guī)范管理，避免地線的隨意使用，防止人為造成的誤掛或漏拆。

1 工作原理

實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)由地線管理主機(jī)、無(wú)線路由器、智能地線頭、智能地線樁、地線柜等組成。實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線通訊模塊和射頻檢測(cè)裝置作為地線檢測(cè)器。

地線檢測(cè)器安裝在智能地線頭內(nèi)，當(dāng)?shù)鼐€頭掛接到地線樁上或者從地線樁上拆下時(shí)，地線樁內(nèi)的磁柱觸發(fā)地線檢測(cè)器中的干簧管，使LPC1114F微控制器從睡眠模式切換到正常運(yùn)行模式，之后射頻檢測(cè)裝置即可讀取地線樁上的射頻扣ID號(hào)，通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)把地線使用信息發(fā)送到與其鄰近的路由器中，路由器向此地線檢測(cè)器發(fā)送睡眠指令，這樣就大大降低了地線檢測(cè)器的日常功耗，由于路由器內(nèi)都裝有ZigBee模塊，這樣路由器之間就可以自動(dòng)組網(wǎng)，使ZigBee無(wú)線通訊以接力的形式把信息傳送到主控室內(nèi)。

由于地線掛接點(diǎn)名稱已與地線樁上的射頻扣ID號(hào)一一對(duì)應(yīng)，因此主控室內(nèi)的實(shí)時(shí)地線管理軟件即可知道哪條地線掛接到具體什么位置，在圖形界面上顯示目前地線使用情況，并通過(guò)ADO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)把此信息存儲(chǔ)到Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣主控室人員即可清晰地了解到現(xiàn)場(chǎng)地線的掛接、取放狀態(tài)，以及地線在現(xiàn)場(chǎng)的掛接位置并可以通過(guò)“記錄查詢”功能檢索出相關(guān)記錄。實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)組成

實(shí)時(shí)地線管理軟件與防誤系統(tǒng)軟件安裝在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中（即管理機(jī)），它們之間能夠以共享內(nèi)存的方式通訊從而使地線管理與防誤系統(tǒng)很好地結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到更理想的防誤效果。

例如：當(dāng)從地線柜中取出地線時(shí)，主控室內(nèi)的實(shí)時(shí)地線管理軟件把這個(gè)操作信息傳送給防誤系統(tǒng)軟件，防誤系統(tǒng)軟件即開(kāi)始判斷這個(gè)動(dòng)作是否符合五防邏輯，如果符合，防誤系統(tǒng)則允許繼續(xù)預(yù)演，操作人員即可以使用無(wú)線電腦鑰匙到現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)鎖并操作設(shè)備；否則即強(qiáng)制閉鎖并進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音提示；當(dāng)使用無(wú)線電腦鑰匙到現(xiàn)場(chǎng)解開(kāi)地線鎖具后，如果操作人員沒(méi)有把地線掛接到地線樁上，主控室內(nèi)的管理機(jī)接收不到此地線的掛接信息，這樣就不會(huì)向無(wú)線電腦鑰匙發(fā)送允許進(jìn)行下一項(xiàng)操作的指令，無(wú)線電腦即不能操作下一項(xiàng)的鎖具，從而達(dá)到了對(duì)地線實(shí)時(shí)防誤的目的。

1.1 ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)

無(wú)線通信問(wèn)題是實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)遇到的技術(shù)難題，如果采用GPRS或3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)質(zhì)量雖然很好，但需要二次收費(fèi)；如果采用WIFI進(jìn)行無(wú)線通訊，信號(hào)的覆蓋面積小，通訊距離短無(wú)法滿足要求；如果采用有線通訊則由于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜，無(wú)法滿足布線的要求。

ZigBee技術(shù)既解決了光纖通信投資大、敷設(shè)困難等問(wèn)題又克服了其他無(wú)線通信距離短、可靠性差和通信資費(fèi)等弊端，因此，本系統(tǒng)采用該通信技術(shù)。ZigBee作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)，由大量分布廣泛的微小傳感器通過(guò)無(wú)線電連接形成一個(gè)組網(wǎng)，這些傳感器以微小的能量通過(guò)接力的方式將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有很高的通信效率[1-3]。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織性，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只要在通信范圍內(nèi)，就會(huì)自動(dòng)搜索并形成一個(gè)互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)模塊終端的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，模塊會(huì)自動(dòng)重新搜索通信對(duì)象，建立聯(lián)系。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)還具有無(wú)線網(wǎng)路自愈能力，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)通訊故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可自行排除該節(jié)點(diǎn)，通過(guò)其它節(jié)點(diǎn)重新建立網(wǎng)絡(luò)連接[4-6]，從而增加了網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性；它的傳送距離可達(dá)到1000米，在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)其功耗只有120mW，并且在睡眠狀態(tài)下功耗僅為30uW，另外ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由，并且最多可達(dá)20級(jí)。

1.2 RFID射頻識(shí)別技術(shù)

由于需要反映出地線在現(xiàn)場(chǎng)掛接與拆除的具體位置，地線掛接位置的識(shí)別又是一個(gè)關(guān)鍵所在。因此，本系統(tǒng)采用RFID無(wú)線射頻技術(shù)。該無(wú)線射頻技術(shù)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種高級(jí)形式，一般由兩部分組成：閱讀器和應(yīng)答器。

應(yīng)答器也稱發(fā)射器或標(biāo)簽，是射頻識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，它通常放在需要識(shí)別的物件上，可以發(fā)送和接收信息，并進(jìn)行讀／寫(xiě)操作。應(yīng)答器分為兩大類，即有源應(yīng)答器和無(wú)源應(yīng)答器[3]。鑒于節(jié)電方面的考慮，本系統(tǒng)采用無(wú)源應(yīng)答器，也稱為被動(dòng)式標(biāo)簽，它由耦合組件和芯片組成，工作所需要的能量通過(guò)耦合單元傳輸接收，因此只有在閱讀器的響應(yīng)范圍內(nèi)，它才處于激活狀態(tài)。通過(guò)電路設(shè)計(jì)和選擇工作模式有效地降低了系統(tǒng)的功耗。

根據(jù)實(shí)際情況的需求，該RFID系統(tǒng)采用125kHz的振蕩頻率，并且具有低功耗、高效防碰撞等特征，主要包括：基于SOC的硬件控制電路、微控制器與射頻模塊的通信。在軟件決策中，提出了一種改進(jìn)的防碰撞算法，將閱讀器跳頻輪詢技術(shù)和標(biāo)簽的分頻技術(shù)與傳統(tǒng)的幀時(shí)隙ALOHA算法相結(jié)合，降低了標(biāo)簽的碰撞幾率，減少了識(shí)別時(shí)間和重復(fù)發(fā)射次數(shù)，從而提高了識(shí)別效率。

該RFID系統(tǒng)利用LPC1114F微控制器的一個(gè)I/O引腳產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載波信號(hào)，經(jīng)過(guò)限流電阻送入推挽式連接的三極管功率放大電路，放大后的載波信號(hào)通過(guò)天線發(fā)射出去[7-8]。天線與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，諧振頻率為125 kHz，諧振電路的作用是使天線上獲得最大的電流，從而產(chǎn)生最大的磁通量，獲得更大的讀卡距離。

利用二極管、電阻和電容組成一個(gè)檢波電路，該電路用來(lái)去除125 kHz載波信號(hào)，還原出有用信號(hào)。再用電容和電阻構(gòu)成一個(gè)帶通濾波電路，濾除125 kHz以外的干擾信號(hào)。最后通過(guò)濾波放大電路對(duì)檢波后的信號(hào)進(jìn)行濾波放大，放大后的信號(hào)送入LPC1114F微控制器的定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1的輸入引腳，由微控制器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)ID號(hào)的識(shí)別。

1.3 實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地線使用情況的實(shí)時(shí)反饋；采用RFID無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地線的每個(gè)掛接位置的識(shí)別；利用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)所研制的地線管理軟件實(shí)現(xiàn)了以界面形式直觀地顯示現(xiàn)場(chǎng)地線的具體使用情況，并具有實(shí)時(shí)記錄、語(yǔ)音提示、歷史查詢、系統(tǒng)配置、圖形切換等功能，也可以與防誤系統(tǒng)相結(jié)合，從而達(dá)到五防閉鎖的目的[9-13]。實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了調(diào)控模式的地線管理方案，使其能夠接入MIS及綜自系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源共享，每個(gè)人都可以掌握臨時(shí)接地線的使用情況，不但對(duì)單站起到了防誤的作用，而且在站間五防的應(yīng)用中也起到了很好的效果。

圖3 實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)應(yīng)用

2017年初實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)在沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線渾南停車場(chǎng)得到了實(shí)際應(yīng)用。該系統(tǒng)目前運(yùn)用已近10個(gè)月，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)事故發(fā)生。通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以準(zhǔn)確的得知設(shè)備帶電情況以及地線使用情況，每步操作都有語(yǔ)音報(bào)警提示。傳統(tǒng)地線操作時(shí)，由于沒(méi)有操作規(guī)則，經(jīng)常出現(xiàn)帶電掛地線的情況，出現(xiàn)大量事故。

本系統(tǒng)使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)與防誤主機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)對(duì)位，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備帶電的情況下，無(wú)法進(jìn)行掛接地線操作，只有當(dāng)設(shè)備斷電，反饋回防誤主機(jī)，防誤主機(jī)判斷設(shè)備是否帶電，判斷準(zhǔn)確無(wú)誤后允許進(jìn)行地線掛接操作。

實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)圖形界面如圖4所示，該界面是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，使用戶可以直觀的查看相關(guān)變電站的地線頭狀態(tài)、電量、信號(hào)強(qiáng)度、地線使用情況、地線掛接位置等信息，同時(shí)能夠統(tǒng)計(jì)接地組數(shù)，并且具有誤操作報(bào)警和歷史記錄等功能，極大的提高了地線系統(tǒng)操作的智能化管理程度。地線掛接正確、放回正確、已拆除、通訊故障如圖5地線狀態(tài)所示。

圖4 實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)圖形界面

圖5 地線狀態(tài)

2.1 接線圖界面

在變電站一次接線圖界面下，用戶可查看相關(guān)地線掛接情況及掛接位置，在一次接線系統(tǒng)圖上直接顯示掛接的地線號(hào)及掛接位置（如圖6所示），“3號(hào)地線已掛接”更方便、更直觀。

圖6 實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)一次接線圖界面

2.2 操作流程

當(dāng)運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備準(zhǔn)備操作時(shí)，首先應(yīng)該在五防系統(tǒng)下進(jìn)行操作開(kāi)票，確認(rèn)操作票正確無(wú)誤后，按照操作票進(jìn)行模擬預(yù)演，預(yù)演符合防誤規(guī)則，則將預(yù)演的操作邏輯規(guī)則傳入電腦鑰匙，傳輸完畢后，手持電腦鑰匙，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。

如果掛接#1和#2地線，則進(jìn)入地線室取出該兩組地線，如果誤取出（如取出#2和#4），則后臺(tái)管理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警取出地線不符。正確取出后進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)電腦鑰匙里傳入的邏輯規(guī)則開(kāi)鎖，如果掛接位置與預(yù)演位置不符，后臺(tái)顯示錯(cuò)誤掛接位置并語(yǔ)音報(bào)警。只有當(dāng)掛接完全正確后才能進(jìn)行下一步預(yù)演操作，否則閉鎖，這樣避免了漏掛和錯(cuò)掛的現(xiàn)象出現(xiàn)。

當(dāng)拆除地線時(shí)，也應(yīng)該嚴(yán)格按照五防邏輯進(jìn)行拆除，并按照地線取出位置放回地線室，如果漏拆或拆錯(cuò)，下一步操作將會(huì)閉鎖，不能進(jìn)行下步操作。在地線掛接后，智能地線頭的檢測(cè)器會(huì)將掛接信息上報(bào)到實(shí)時(shí)地線管理后臺(tái)軟件上，后臺(tái)軟件會(huì)顯示當(dāng)前地線掛接位置，并伴有語(yǔ)音提示。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

1）地線身份具有唯一識(shí)別特點(diǎn)，區(qū)別于其他五防閉鎖設(shè)備。

2）實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的實(shí)時(shí)管理。

3）支持調(diào)控模式地線管理，采用網(wǎng)絡(luò)通訊方式并將地線分為私有地線（一般子站使用）、公共地線（一般操作隊(duì)使用）和全局地線（一般整個(gè)局內(nèi)都能使用）三個(gè)等級(jí)類別，一套裝置最大可管理256組地線。

4）實(shí)時(shí)反映地線的掛接、取放狀態(tài)，及在現(xiàn)場(chǎng)的掛接位置，并能夠與五防閉鎖軟件相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地線的五防閉鎖。

5）地線使用情況實(shí)時(shí)語(yǔ)音匯報(bào)，每條地線的掛接和使用狀態(tài)都能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)相連，能夠?qū)崟r(shí)語(yǔ)音匯報(bào)（延時(shí)時(shí)間不超過(guò)5秒）。

6）既可以與五防裝置聯(lián)機(jī)使用又可以單獨(dú)運(yùn)行。

7）多種數(shù)據(jù)通訊接口，既可以采用串行通訊又可以采用網(wǎng)絡(luò)通訊。

8）采用微機(jī)顯示，用戶操作界面更人性化，操作直觀方便。

9）提供詳細(xì)的地線使用記錄和查詢，記錄容量大，可存儲(chǔ)2000條記錄。

3 結(jié)論

實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)能有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地線管理的不足，徹底解決臨時(shí)地線的操作和日常管理過(guò)程中存在的安全隱患。該系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)，RFID無(wú)線射頻技術(shù)和地線管理軟件，可以對(duì)地線的掛接位置和狀態(tài)等，進(jìn)行規(guī)范管理，避免地線的隨意使用，防止人為造成的誤掛或漏拆。

實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)不但可以解決目前微機(jī)防誤閉鎖裝置對(duì)接地線無(wú)法識(shí)別管理的問(wèn)題，而且還能實(shí)時(shí)查詢地線是否在地線室指定位置，并且還可以實(shí)時(shí)的跟蹤和檢測(cè)當(dāng)前各組接地線在現(xiàn)場(chǎng)所掛接的位置及狀態(tài)。做到地線按章使用，規(guī)范管理，有記錄可查詢，防止隨意的使用，為電力安全生產(chǎn)提供有力的保障。

實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)在地鐵二號(hào)線渾南停車場(chǎng)運(yùn)行正常，無(wú)事故發(fā)生。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)地線管理軟件圖形顯示、操作記錄以及語(yǔ)音提示準(zhǔn)確無(wú)誤。綜合考慮地線在使用過(guò)程中的特點(diǎn)所研制的“實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了人在主控室即可實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)地線的使用情況，有效地提高了智能化管理水平。