基于射频标签技术的变电站智能化管理解决方案分析

李春晓，高冰，李保罡

（1.国网衡水供电公司，河北衡水053000；2.华北电力大学，河北保定071003）

基于射频标签技术的变电站智能化管理解决方案分析

李春晓1,2，高冰1，李保罡2

（1.国网衡水供电公司，河北衡水053000；2.华北电力大学，河北保定071003）

论述了物联网技术作为信息通信技术发展中的一门新技术，对各行各业的信息化进程产生了深远的影响，在智能电网中的发、输、变、配、用各个环节更是进行了大量应用。基于物联网中射频标签（RFID）技术的不同频段特点，对变电站智能化管理解决方案进行整体设计和分析，并得出一些有益的结论，为今后智能变电站的信息化设计提供一些借鉴。

射频标签（RFID）；变电站；物联网；智能电网；智能化

建设坚强的智能电网是我国“十二五”经济社会发展的一项重要内容。变电站作为智能电网变电环节的重要基础设施依托，其投运数量也急剧增加。在变电站日常巡检、电力设备检修、重大设备管理和安全防护等任务日益繁重的情况下，科学合理的变电站智能化管理迫在眉睫。物联网技术作为信息通信技术发展中的一门新技术，可以应用于智能电网的各个环节，实现对电力系统设施的高效利用，促进电力系统的智能化生产管理[1-4]。射频标签RFID（Radio Frequency IDentification）技术作为电力物联网的关键技术，具有环境适应性好、可重复使用、设备简便、安全可靠等特点。将RFID技术应用到变电站设备智能巡检、重大设备管理、接地线管理、人员与门禁管理等方面，结合物联网中的Zigbee传输方式，会极大地提高变电站的智能化管理水平。

1 智能巡检

变电站巡检可以有效地保障变电站顺利运行，早期主要由工作人员到现场查看设备，用手抄方式记录相关状态信息，这种巡检方式不仅费时、费力，还容易导致由于巡检不到位、故障处理不及时而引发的电力事故。为避免传统巡检方式的弊端，国内外研究机构对基于RFID的智能巡检系统进行了研究[5-8]，已有解决方案综合采用射频识别技术和GPS及GPRS技术，如图1所示。然而，鉴于电力系统的特殊重要性，为保护电力系统安全运行，一般要求专网与公网是隔离开的，而该方案中公网GPS和GPRS技术势必会存在安全上的隐患，同时长期运行中的通信费用也是一笔不小的费用。

物联网中的Zigbee技术，采用IEEE 802.15.4标准，是一种短距离无线组网技术，可以满足局域网范围内的组网要求，具有可靠、低功耗、布置简便等特点。根据变电站实际场地的大小，如220 kV衡水变电站场地大约为300m×300m，巡检通信数据量大约为几十kB，所以Zigbee传输网络完全可以胜任，建议将RFID技术与Zigbee技术结合应用，克服前述方案中的公网通信弊端。数据采集部分由于阅读器和标签需要有几m的识读距离，可以采用915MHz超高频率RFID标签，通过调节发射功率实现远距离读取；数据传输部分通过在巡检路线上和监控中心之间均匀布置一些Zigbee路由节点，以多跳的方式实现现场数据的及时回传。采用的改进系统如图2所示。

图1 基于RFID+GPRS的巡检系统

图2 基于RFID+Zigbee的巡检系统

2 临时接地线管理

挂接地线在电力设备检修中是保护作业人员安全最为重要的一道安全屏障。变电站内临时接地线的科学管理对于减少事故能起到至关重要的作用。传统的接地线管理主要从制度流程上把关，由于接地线使用频繁且操作看似简单，容易使人产生麻痹思想，不正确的使用或漏拆接地线也极有可能引起严重电力系统事故。据统计，传统的接地线管理由于遗漏产生的事故，在所有电力系统故障中占到33%。国内对变电站接地线管理系统的研究比较分散，主要是针对变电站接地状态电子管理显示系统、配网中可移动地线防误管理系统、线路检修及接地线状态监视预警系统等方面[9,10]。

根据临时接地线管理中的遗漏拆特点以及操作流程特点，提出一个由数据采集、信息传输、数据处理三部分组成的临时接地线管控系统。其中，由于阅读器和标签之间需要保证尽量靠近但还要读取方便，实验表明保证10 cm左右读取距离即可。选取13.56MHz高频RFID标签和读写器可以实现临时地线接地挂接状态获取，基于Zigbee网络可以实现多个接地点信息搜集及远程发送，利用Web中心软件接收作业现场发送的接地数据信息、并显示各接地线的接地状态和位置信息。

其中，对于状态信息获得部分的RFID标签和读写器，提出对固定“接地点”配置RFID抗金属标签和临时地线配置RFID读写器，以便标签可以适应室外恶劣环境且价格便宜，适宜大量部署；而读写器可以灵活配置活动接地线，避免极端环境影响和需求量较少。对于Zigbee网络部分，主要利用Zigbee节点和Zigbee路由器搭建低功耗无线传输网络，将信息发送到监控中心，在强电磁场环境下实现2.4GHz无线信号的可靠传输是整个系统管控的保障。对于后台管理软件部分，利用组态软件实现地线状态信息的二维图形象显示，另外也可以加入报警和查询功能等。

3 人员与门禁管理

变电站中的高压设备随时都会对周围人员的安全造成威胁，同时部分重要操作区域的进入权限必须得到有效控制，工作人员考勤也需要实现管理信息化。门禁系统是由现代安全防护技术和身份识别技术相结合，用于实现各种重要区域出入口的防护管理。在变电站中，应用门禁系统除满足一般的安防要求外，还可加强站内系统的管理以及对进出人员的记录、考勤等。

根据RFID门禁控制的基本原理和变电站的实际需求，采用紧耦合距离125 kHz低频RFID标签，设计如图3所示变电站人员与门禁管理系统。按照工作人员活动范围和权限，预制出各种等级卡；在相关区域入口处安装读卡器和门禁控制器，工作人员把标签卡放到读卡器上刷卡，读卡器把读到的卡号等信息发送到门禁控制器，经判断如符合级别条件，门磁装置就开启。系统把处理的结果进行内部统一记录，并且通过Zigbee网络传给监控管理中心作为历史纪录供以后查询。出门情况只需按下出门按钮，电子锁就会自动打开。系统还可以对进出人员实时监控，只要有读卡动作，门禁控制器就将当前的处理结果传送到监控管理中心并进行提示。

4 变电站智能化综合解决方案

基于上述智能巡检、临时接地线管理、人员与门禁控制三方面变电站智能化应用范例，可以设计一套采用多种频率RFID标签的综合变电站智能化解决方案，如图4所示，其中包含RFID在变电站重要设备管理等方面的应用。该系统中建议使用的RFID技术对比如表1所示。可见，通过物联网中的RFID射频识别技术和Zigbee无线传感网络技术，结合变电站常规设计和运行维护的实际需要，实现了物联网与电网的“最佳结合”[1]，对变电站的传统管理模式进行了智能化管理升级，有效实现了变电站管理的信息化和规范化。

图3 人员与门禁管理系统

图4 基于RFID的变电站综合智能化管理系统

表1 变电站智能化管理系统所用RFID技术对比

该变电站智能化管理综合解决方案具有如下显著特点。

a）充分利用物联网中RFID+Zigbee组合技术，发挥各自优势。

b）统一运用Zigbee无线多跳网络，节约信息传输开销。

c）统一的监控中心管理系统避免重复建设，发挥联动监控作用。

5 结论

本文将信息通信技术发展中的物联网技术与智能电网建设中的变电环节进行结合，基于RFID技术，对变电站的设备巡检、临时接地线管理、人员和门禁管理和重要设备管理中的智能化应用进行分析，并在此基础上进行整体模块方案设计，最后提出一套RFID在变电站中的综合应用解决方案，将对今后智能变电站的设计提供一些借鉴。

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［3］陈伟，蒋汉贵.基于物联网的变电站运行环境监测系统的设计［J］.电工技术，2011（1）：73-74.

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［6］王越，麻赛军.基于RFID的变电站巡检系统［J］.四川电力技术，2010，33（2）：77-79.

［7］徐恒博.基于RFID技术的变电站巡检系统［D］.郑州：郑州大学电气工程学院，2012.

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［9］刘仁琪，吕晓俊，黄进，等.临时接地线综合管理系统的开发和应用［J］.电力系统自动化，2010，34（22）：109-112.

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The Solutions of Substation Intellectual M anagement Based on RFID Technology

LIChun-Xiao1，2，GAO Bing1，LIBao-gang2
（1.State Grid Hengshui Power Supply Com pany，Hengshui，Hebei 053000，China；2.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China）

As a new technology in the developmentof information communication technology，the technology of Internetof Things has a profound impacton the informatization process ofall trades and professions.Ithas carried on a large amountofapplication in each link of smart grid，such as power generation，transmission，distribution，and power usage.In this paper，the solution for substation intellectualmanagementis designed and analysed based on band characteristicsofRFID technology.Some useful conclusionsare drawn to provide some references for the design ofsubstation informatization in the future.

RFID；substation；Internetof Things；SmartGrid；intellectualization

TP391.44

A

1671-0320（2014）05-0022-03

科技项目：2013年国家电网公司科技项目省重点项目衡水供电公司kj[2013]153号

2014-05-21，

2014-07-28

李春晓（1980-），男，河北衡水人，2013年毕业于华北电力大学电气工程及其自动化专业，硕士，高级工程师，研究方向为智能电网中的通信技术；

高冰（1982-），男，河北衡水人，2011年毕业于华北电力大学电气工程及其自动化专业，硕士，高级工程师，研究方向为农网配电自动化；

李保罡（1980-），男，河北保定人，2012年毕业于北京邮电大学通信与信息系统专业，博士，讲师，研究方向为物联网技术和智能电网通信技术。