基于物联网技术的变电站作业现场接地线管控系统研究

李春晓，高 冰，孔英会，陈智雄，李保罡

(1.国网河北省电力公司衡水供电分公司，河北 衡水 053000；2.华北电力大学，河北 保定 071003)

基于物联网技术的变电站作业现场接地线管控系统研究

李春晓1,2，高 冰1，孔英会2，陈智雄2，李保罡2

(1.国网河北省电力公司衡水供电分公司，河北 衡水 053000；2.华北电力大学，河北 保定 071003)

结合变电站作业现场临时接地线实时监测的需求，提出设计基于物联网技术的变电站作业现场接地线管控系统，介绍系统的硬件和软件设计方案，分析系统的测试和应用情况，认为该系统可完成作业现场接地线挂接位置和状态信息的实时采集，具有较好的应用推广价值。

变电站；特联网；接地线；RFID；Zigbee；实时监测

临时接地线是电力作业现场的安全保护屏障。变电站临时接地线的管理在考核中是一个重要环节，科学管理可有效减少事故的发生。目前，我国在电力工程施工现场，普遍采用人工方式检查临时接地线，手段原始，效率低，容易造成漏拆接地线、漏收接地线、带接地线合闸等误操作[1-3]，因此，需要采用新技术，提升临时接地线的管理水平。

1 概述

物联网已成为IT行业的新兴技术领域[4]，并在电力系统输变电设备状态监测、智能变电站维护、智能抄表等方面取得了一些研究成果[5-7]。目前，已经开始采用物联网新技术实现接地线的科学现代化管理，但有的成本过高，有的利用GPRS传输信息，会产生大量公网费用,推广使用受到某种限制。为此，设计了基于物联网技术的变电站作业现场地线管控系统,利用基于无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)与Zigbee的信息采集终端实现临时接地线挂接位置和状态的实时监测。

RFID可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触[8]。常用的RFID系统有低频、高频、超高频、有源系统等。目前，RFID技术广泛应用于交通、图书馆、门禁系统、食品安全溯源等领域。

Zigbee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。Zigbee主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备[9]，可以便捷地为用户提供无线数据传输功能，因此，在物联网领域应用较多。

2 系统设计

基于物联网技术的变电站作业现场接地线管控系统包括作业现场接地点的电子标签、监控单元(即接地线挂接位置和状态信息采集终端)、Zigbee无线信息传输网络、监控中心后台服务器四部分，如图1所示。其中，每个电子标签中存有该接地点的信息，如设备类型、所处地理位置等；监控单元完成变电站作业现场接地线信息的实时采集，并经过Zigbee无线网络实现接地线信息传输；监控中心后台服务器通过管理软件完成信息接收和处理。

图1 变电站作业现场接地线管控系统结构示意

2.1 硬件设计

2.1.1 电子标签

该系统RFID电子标签选择高频电子标签，工作在13.56 MHz，符合ISO 14443A标准，耐高温、抗老化、抗腐蚀、抗金属，标签打孔，置于接地点处。每个电子标签中存有该接地点的位置信息，如设备类型、所处地理位置等。

2.1.2 监控单元

接地线挂接信息采集终端由两部分组成，即RFID阅读器和Zigbee终端节点，封装在一个盒体内，盒体靠近RFID阅读器天线外侧为读卡区。临时接地线工作时该终端附着在靠近接地点的位置，该接地点对应的RFID电子标签进入终端的读卡区，采集终端成功读取该接地点RFID电子标签信息；Zigbee终端节点通过串口获取RFID阅读器读取的标签信息。RFID阅读器为高频读写器，工作频率为13.56 MHz，支持ISO 14443A标准，采用MFRC522系列低功耗芯片，Zigbee终端节点采用CC2530 模块。2.1.3 Zigbee无线信息传输网络

该部分主要是Zigbee 2.4 GHz无线传感器网络，由Zigbee终端节点、Zigbee路由节点和Zigbee协调器组成，连接RFID阅读器的Zigbee终端节点，通过Zigbee网络将读取的RFID电子标签位置信息发送给Zigbee协调器，Zigbee协调器收集各终端发送的接地线的电子标签信息，并通过USB接口发送到监控中心后台服务器软件进行处理。

2.1.4 监控中心后台服务器

该部分主要是安装于计算机上的分析管理软件和数据库等,计算机通过USB接口读取Zigbee协调器发送的接地线挂接位置和状态信息数据，并通过软件完成图形显示、数据管理、分析、存储等操作。

2.2 软件设计

软件采用C语言编程，主要完成接地线挂接信息数据接收、图形显示、数据统计分析和存储、告警信息处理等。

a. 数据接收。从串口读取数据，对串口初始化后根据通信协议获取接地线挂接位置和状态信息。通信协议采用自定义格式，有16字节，其中前4字节68 09 09 68为起始信息，3字节功能信息(表示网络工作状况和对终端电池电压信息)，6字节电子标签和终端信息(4字节标签ID，2位阅读器编号)，2字节CRC校验，1字节帧尾。

b. 图形显示。该部分以变电站一次接线图为背景，根据接地线挂接状态信息在相应接地点位置上以不同颜色动态显示挂接情况，如图2所示。

图2 作业现场地线挂接状态显示

c. 数据统计分析和存储。用于接地线挂接情况信息处理，如系统自动统计现场接地线的数量，并分析接地线挂接状态数据是否存在异常。数据库中详细存储和记录接地线的挂接位置、挂接时间、拆除时间等信息，该部分提供友好的人机界面，并提供所需的打印表格文件或报告。

d. 告警信息处理。根据接收数据信息判断Zigbee网络状况和终端电量消耗情况，出现异常后弹出提示框，并进行声光警示，提示工作人员及时进行处理。

3 系统的测试和应用

3.1 系统部署

该系统部署在国网河北省电力公司某110 kV变电站，该变电站主控室在中间位置，周围分布多个接地点，如图3所示。

图3 变电站现场主控室及接地点分布示意

其中，系统监控主机和Zigbee协调器部署在主控室2楼，10个终端节点悬挂在各接地点，各终端具体部署位置描述见表1。其中，变电站一角和配电室内开关设备处的终端部署如图4所示。

表1 终端部署位置描述

图4 变电站一角和配电室内开关设备处的终端部署

3.2 系统运行及功能测试

在部署好标签、终端、协调器和服务器后，需要进行软件配置，包括数据库环境配置、网关驱动环境安装、网关端口配置和系统主控软件安装配置。启动系统主控软件，可实现一次接线图显示、详细挂接列表、历史数据查询、告警信息查询、数据库管理等功能。现场有挂接和拆除时，可在一次接线图的接地点以红色显示，详细挂接列表可查看当前各终端阅读器的详细挂接信息，如挂接状态、接地点编号、标签ID、挂接时间，拆除时间等。

数据可以存储和查询，有异常会及时弹出告警框提示，各部分的测试结果满足设计要求。

3.3 应用效果

该系统基于RFID和Zigbee实现对作业现场临时接地线挂接位置和状态实时的远程监控，避免了使用公网通信产生的后期费用。接地线挂接信息采集终端也采取了一些有效的技术手段，保证了使用管理方便。

a. 终端平时在库中存放，作业时随接地线领出携带，作业完毕入库，便于管理维护。

b. 终端有外壳和接线的防水设计，满足室外作业需求。

c. 终端内配有定制的大容量电池，工作时间长。

d. 终端配置专用充电器和充电线，解决电能补充。

e. 终端内有电池电量检测电路，电量不足时会提前发送告警信息，提示充电。

4 结束语

综合应用物联网技术的RFID和Zigbee对变电站作业现场临时接地线挂接状态实时远程监控，可实现变电站作业现场接地点地线挂接位置和状态信息实时采集；接地线信息采集终端设计和使用科学合理，维护方便；采用Zigbee构成网状网，无需公网传输信息，节省后期运行费用，并保证了安全性，可满足稳定、可靠和智能化的要求，具有较好的应用推广价值。

[1] 彭宏桥，卢 刚，陈天锡，等.携带型智能接地线及其管理系统的研究[J]. 湖北电力，2011，35(6)：51-53.

[2] 郭方营，黎 英.基于RFID技术的变电站内临时接地线定位管理系统的研究[J]. 云南民族大学学报(自然科学版)，2011,20(6):515-518.

[3] 黄 锐，梁庆龙，张宝珠，等.变电站临时接地线在线监测系统[J]. 中国高新技术企业，2010,(33):87-88.

[4] 刘 玮，王红梅，肖 青，等.物联网概念解析[J].电信技术,2010,(01):5-8.

[5] 胡 雯，孙云莲，杨成月，等.基于物联网的智能电网信息化建设研究[J].电力信息化，2013,11(4):51-54.

[6] 龚钢军，孙 毅，蔡明明，等.面向智能电网的物联网架构与应用方案研究[J].电力系统保护与控制, 2011, 39(20): 52-58．

[7] 李 勋, 龚庆武, 乔 卉.物联网在电力系统的应用展望[J]．电力系统保护与控制，2010, 38(22): 232-236．

[8] 中国移动通信集团公司.什么是射频识别RFID？[EB/OL].(2011-07-21) [2013-10-17].http://iot.10086.cn/2011-07-21/1311057797011.html.

[9] soso百科.zigbee无线通讯模块[EB/OL].(2013-08-28)[2013-10-17].http://baike.soso.com/v55807978.html.

本文责任编辑：齐胜涛

Research on Grounding Wire Management System in Substation Operation Site Based on IOT Technologies

Considering the demand of temporary grounding wire real-time monitoring in substation operation site,this paper proposes design grounding wire management system in substation operation site based on IoT technologies,analyzes the design scheme of system for hardware and software,introduces the test and application of the system.These indicates that this system can implement real-time information acquisition for temporary ground wire hanging with position and status in operation site.It has good application and extension value.

substation;IOT;grounding wire;RFID;Zigbee;real-time monitoring

2013-10-17

李春晓(1980-)，男，工程师，主要从事电气工程及其自动化专业工作。

2013年国家电网公司资助科技项目(国网河北省电力公司衡水供电分公司科技项目KJ 2013-153)。

TM764

B

1001-9898(2014)01-0028-03