基于GPRS的同塔双回线接地安全防御装置研究

李燕青，范环宇

(华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003)

目前，同塔双回输电线路带地线合闸事故时有发生［1－5］，为了避免人为误操作对设备造成的损坏，文献［6］采用由电子钮扣、电子钮扣识读器及无线通信模块构成了线路检修和接地线状态监视预警系统;文献［7－8］在变电站内投用了基于红外光电传感监测器的临时地线闭锁装置。但这些检测装置均为低压供电装置，同塔双回线路存在较大的感应电压和电流，会干扰检测装置正常工作。因此，本文针对双回线间存在较大的静电耦合和电磁耦合问题，通过比较装置上电流的幅值以判断其极性、线路上是否存在未拆除的临时接地线，研究了一种同塔双回输电线路接地安全防御装置。在拆除接地线时，该安全防御装置给现场的工作人员发出音响信号和灯光信号，将该操作信号通过GPRS发送到调度中心的管理主机，并与五防系统配合实现强制闭锁保护，避免了人为误操作带来的人员伤亡和设备损坏危机，同时也摆脱了人工巡视的缺点。

1 检测装置的系统设计

考虑到同塔双回输电线路两回线间存在较大的电磁耦合和静电耦合，该安全防御装置采用如下设计方案:作业人员按原来的方式挂接和拆除地线，在检修完成后、合闸送电之前，使用安全防御装置检测是否存在漏拆的临时接地线。安全防御装置的结构如图1所示。装置包括一组经过改造的检测用临时地线、感性参考信号单元、控制芯片、电源模块以及无线模块。在合闸送电前，管理主机发送查询信号给无线模块，查询线路上是否还有未拆除的临时地线，并根据查询结果将“闭锁操作”以及“允许合闸送电”操作信号发送给五防机。

图1 检测装置结构示意图Fig.1 Monitoring device structure schematic diagram

安全防御装置的检测判据:检测地线上的电流与感性参考信号单元的电流其幅值若小于两者之间较大的电流幅值，则可判定临时接地线已全部拆除;反之其幅值若大于两者之间较大的电流幅值，则判定线路上存在漏拆的临时接地线，同时通过GPRS网络传输给调度中心，实现强制闭锁保护。

2 检测原理及装置硬件设计

2.1 检测原理

同塔双回输电线路一回正常运行，另一回停电检修时，两回线间同时存在静电耦合和电磁耦合，停运线路上存在较大的感应电压和电流。为了确保检修人员的人身安全和设备的正常工作，需要在停运线路上挂接临时地线。检修工作完成后、合闸送电之前，为了确保挂接的地线全部拆除，将装置的检测地线挂接在停运线路上。若线路上挂接的临时地线已全部拆除，则相当于停运线路单端接地，此时由于停运线路上的感性感应电流没有通路，所以感性感应电流为0，检测地线上的电流主要为静电感应电流呈容性;若线路上存在漏拆的临时接地线，则相当于同塔双回输电线路双端或多端接地，停运线路上的容性感应电流通过停运线路双端接地线流入大地，停运线路因为电磁感应将形成感性感应电流，检测地线上的电流以感性电流为主［9］。

同塔双回输电线路接地安全防御装置结构如图2所示。

图2中Ⅰ回线正常运行，Ⅱ回线停电检修。S为远端接地刀闸，用来模拟未拆除的地线，在实际中并不存在。检测地线上装设电流互感器，感性参考信号单元用于提供标准的感性电流，由感性元件与运行回线上的电压互感器二次侧电压产生，单片机的输出端与蜂鸣器、“存在漏拆地线”指示灯LED1、“无漏拆地线”指示灯LED2相连。参考电流产生电路与检测地线互感器采用联动开关，以确保两者能够同时闭合。R1、R2、R3为指示灯和蜂鸣器的限流电阻，其阻值为1 kΩ。

根据IEC标准，500 kV的B类接地开关开、合感应电流的额定参数为额定感性电流200 A、额定容性电流25 A(均为有效值)。安全防御装置中采用电流互感器将地线上的大电流变换为数量级为10 A的小电流，防止地线上的大电流对人身安全和设备的正常工作造成伤害。安全防御装置工作时，单片机的A/D转换器将电流互感器的二次侧模拟电流转换为数字信号送入单片机的一个输入端;标准感性参考电流经过单片机的A/D转换器也送入单片机一个输入端，其数量级也为10 A。同塔双回输电线路上存在未拆除的临时地线时，安全防御装置地线上流过的电流与参考电流同为感性电流，其幅值大于检测电流和参考电流的幅值，单片机根据这一判定结果，点亮“存在漏拆地线”指示灯LED1和蜂鸣器，信号指示灯和蜂鸣器互为备用，确保能够可靠发出警报信号，检修人员即可及时巡视，同时单片机驱动无线模块将操作信息发送给调度中心的管理主机，管理主机与五防机通信以实现强制闭锁保护，从技术层面避免带地线合闸事故的发生。

图2 装置结构原理图Fig.2 Device structure diagram

2.2 装置硬件设计

该安全防御装置检测部分主要由单片机、电源模块、指示灯、蜂鸣器以及 PWM输出驱动电路组成。

单片机选用国产的STC12C5A60S2系列单片机，其运算速度快、可靠性高、功耗低、抗静电能力与抗干扰能力强，工作电压为5 V，工作频率为0～35 MHz。STC12C5A60S2能够通过串口直接下载用户程序，具有10位精度的ADC，可实现高速A/D转换，能在－40℃ ～+80℃正常工作。

为了满足便携式测量的要求，所设计的安全防御装置采用5 V可充电锂电池作为单片机的直流供电电源。考虑到安全防御装置经常用于户外作业的特点，指示灯需要选择亮度高、功率小的元件。某LED公司生产的有磷砷化镓红色发光二级管与磷化钾材料做成的绿色发光二级管，最高可承受70 V的反向电压，正常工作电流为2～20 mA，发光亮度较高，能够满足户外使用的需求，安全防御装置采用该公司提供的此类产品作为装置的检测结果指示灯。蜂鸣器选用某公司生产的5 V 12085蜂鸣器。指示灯供电的供电电源电压为5 V，发光二极管的工作电流为2～20 mA，由此可知，限流电阻的最小值为250 Ω，最大值为2.5 kΩ。为降低功耗，最终选择阻值1 kΩ功率1 W的电阻元件。

2.3 软件设计

该安全防御装置主要以电流幅值作为判据，检测流程如图3所示。地线电流和参考电流应严格实现同步采样，否则会有较大误差。联动开关闭合后，采样点应均匀分布在一个信号周期内。闭合开关后，单片机对采集数据进行A/D转换，并将检测电流与感性参考电流进行求和计算。若幅值小于两者中幅值的较大值，可判定参考电流信号与检测信号反极性，则此时流过检测地线的电流为容性的感应电流，说明临时地线已全部拆除，单片机驱动“无漏拆地线”指示灯LED2发光同时驱动无线模块发送信号给管理主机，管理主机发信给五防机允许合闸送电;若幅值大于两者幅值的最大值，则认为两者同极性，流过检测地线的电流为感性，说明线路上存在漏拆的临时地线，单片机驱动蜂鸣器发声、“存在漏拆地线”指示灯LED1发光，同时驱动无线模块发送操作信息至管理主机，管理主机发信给五防机实现强制闭锁，避免因人为误操作造成的带地线合闸事故。

3 通信方式的选择和实现

现场检测终端与管理主机之间的通信依靠GPRS(General Packet Radio Service)。GPRS是通用无线分组业务的英文简称，基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端、广域的无线IP连接。在原有GSM网络上，GPRS网络增加SGSN(GPRS服务支持节点)以及GGSN(网关GPRS支持节点)两种数据交换结点设备，用户可以在端到端分组方式下发送和接收数据，同时兼容电路型数据和分组交换数据，从而GPRS网络能够和因特网互相连接。

3.1 GSM网络的可行性分析

图3 检测流程图Fig.3 Test flow chart

将数据以分组的形式发送给目标用户，可以最大程度地保证数据的传送，各个数据包由不同的路径到达目的地。与传统的 GSM网络相比较，GPRS网络具有以下优点［10］。

1)可充分利用全国范围的电信网络，具有覆盖面广、接入范围大、系统构建便捷、运行成本较低等特点。

2)传输速率高，理论数据传输速率可高达171 kbps，应用下一代的改进型 GPRS技术(EDGE)，甚至可以提供384 kbps带宽的广域数据通信服务。

3)GPRS登录接入等待时间短，可快速建立连接。

4)提供实时在线功能，用户将处于“永远在线”状态，不必频繁建立连接，传输延迟相对稳定。

5)收费合理，即使用户一直“在线”，但只按流量收费，性价比较高。

对同塔双回线进行检修时，经常需要多组接地线同时进行，接地线的悬挂地点分散，而且工作时间不固定。地域上的分散性决定了通信系统的覆盖面要很大，工作时间的不固定则要求系统的通信方式能够灵活地组网，快速进入工作状态。GPRS的上述特点非常适用于间歇、突发、频繁、小流量的数据传输，同时对偶有大流量数据传输也能承受，GPRS能够很好的满足装置的通信任务。

3.2 通信模块的硬件实现

无线模块采用华为公司的GTM900C模块，该模块具有标准的AT命令接口，内部集成了TCP/IP协议栈，使用时不必编写相关的IP协议程序，直接可以通过其内嵌协议进行GPRS上网传递数据［11］。GTM900C模块接口简单，使用方便且功能强大，只需要单一的电源即可工作，电流最大峰值可达2 A。该模块通信的最大速率可以达到15 200bps，支持800 MHz/900 MHz/1800 MHz频段自动选择，具有语音通信、短消息服务、无线数据传输等功能。GTM900C模块工作温度范围大，抗干扰能力强，与单片机间通过标准RS232串行接口进行通信，能够满足防御装置户外工作的需要。

4 与微机五防系统结合

微机五防系统从结构上分为站控层、间隔层、过程层3个层次。每个层次负责不同的功能。站控层能够完成操作票的模拟、防误逻辑的判断、实时状态的采集等工作;间隔层用于有线、无线网络的通信、解闭锁控制等功能，主要元件包括分布式控制器、网络控制器、无线路由器、无线电脑钥匙等;过程层完成的是闭锁各种设备的功能，由智能锁具、普通编码锁等构成。

同塔双回线接地安全防御装置与微机五防系统的配合，相当于将防御装置作为微机五防系统中站控层的一部分，负责接地情况的实时采集工作，通过五防系统间隔层，利用有线通信的方式将信息发送给微机五防系统，由五防系统根据接受信息的内容完成解闭锁操作。只要将信息按照微机五防系统的通信规约加以编译，将编译后的信息发送给微机五防系统站控层的五防主机，五防系统即可根据接收的信息完成相应设备的解闭锁操作。

5 结论

1)同塔双回线接地安全防御装置通过检测地线上电流的性质来判断是否存在漏拆的临时接地线，可以有效地解决传统检测装置受电磁干扰和静电干扰而无法正常工作的问题，技术路线可行，灵敏度高。

2)使用该安全防御装置进行地线检测，仍可以按照原有的方法挂接和拆除接地线，只在合闸送电前使用本装置进行“验地”，几乎不增加工作量，操作简单，具有很强的实用性。

3)该安全防御装置无需外加交流电源，只是利用运行线路的电压互感器二次侧电压构成了参考电流产生回路，便于携带，耗材少，便于管理。

4)该安全防御装置能够与五防系统配合，实现强制闭锁保护，从根本上避免带地线合闸事故的发生。

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