基于IEC61850的临时接地线综合管理系统研发

邢晓敏，陈 成，佟邢宇，张鹏宇

(1．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012;2．国网内蒙古东部电力有限公司赤峰供电公司，内蒙古赤峰024000;3．吉林省电力有限公司，吉林长春130021)

根据国家电网统计数字表明，带接地线(接地刀闸)合闸的恶性事故占各类电力安全事故的首位［1］．因此，对接地线使用过程的有效监管一直是各级电力企业高度关注的焦点之一．这就需要一套有效的系统来对变电站内的临时接地线进行管理，最大程度地降低事故发生概率［2］．

目前，大多数新建变电站都为智能变电站，采用的是一体化五防系统，即由测控装置来实现本间隔的开关、刀闸遥控操作，以及实现“五防专用闭锁器”的解、闭锁操作，而不再采用独立五防系统．对于临时接地线的管理主要是在常规变电站或者独立五防系统中采用的“临时接地线管理系统”［3］、“离线式电脑钥匙回传方式”、“一体化五防在线式接地线管理方式”以及“新一代在线监控临时接地线管理系统”［4］．这些管理方式都存在一定的问题:不能兼顾独立五防系统的常规变电站和一体化五防系统的智能变电站;需要额外铺设电缆或者搭建无线专用网络;过多依靠制度防误和人为判断，即容易产生误挂/拆，漏挂/拆等安全问题［5］以及大多只提及对现场接地线的管理，而没有将室内地线柜中的临时地线和现场临时接地线进行区分，实现更加智能化的管理．

针对上述常用方法存在的问题，本文基于IEC61850标准提出了全方位无盲点监测的智能接地线管理系统的开发和应用方案．

1 系统原理

随着智能电网新技术应用的不断深入，电网调控一体化要求满足调度远方遥控操作到冷备用，保障刀闸操作的安全防误．而现有调控一体化系统仍存在一些不足，如调控中心信息不全面，缺失临时地线、网门等监控系统未采集的设备信息以及对光纤数据网中基于IEC61850标准进行传输的接地刀闸信息不能充分识别利用等．这些不足均可导致防误逻辑校验精准度偏低［6］．因此，实时、准确地获取临时接地线、网/柜门的闭锁状态信息，实现主站与五防系统操作的相互闭锁功能具有重要的现实意义．

本文研发的智能接地线管理系统可以与常规变电站的独立五防系统联合使用，实现对室内、外临时接地线的综合管理，也可以与智能变电站的一体化五防系统监控主机联动，监控室内地线柜中临时接地线的取/用状态和室外临时接地线的挂/拆状态信息，以及网/柜门的解/闭锁等操作，避免发生漏挂/拆，误挂/拆等误操作;考虑到实际室外现场存在监测设备需要额外供电和强磁干扰等特殊情况，室内地线柜内采用无线式低功耗闭锁，室外现场采用带iButton信息纽扣的机械闭锁．iButton信息纽扣是美国Dalise半导体公司的专利产品，与现在常用的IC卡等检测装置相比较，具有抗磁干扰、抗撞击、防水、耐腐蚀、不需要额外供电、适应温度范围宽等优点［7］．该系统不需要单独铺设电缆和搭建无线专用网络，既降低了成本，又减少了后期维护．

2 整体架构

为兼容智能变电站，本系统相应功能也按IEC61850标准中规定的站控层、间隔层和过程层三层架构体系进行划分［8］，其中地线管理上位机软件分布在站控层;手持地线状态采集器(以下简称采集器)接入间隔层;智能地线柜及地线桩防误闭锁器安置于过程层．系统整体结构框图，如图1所示．

图1 智能接地线管理系统整体架构

2．1 站控层

系统依托独立五防主机和一体化监控主机实现站控层防误，并将地线所有监管信息传至上位机管理软件进行综合管理．上位机管理软件基于JAVA语言和SQL数据库搭建，实现对室内外临时接地线和接地刀闸使用情况的记录、检索等功能，并以图形化界面和LED屏的形式直观显示，以便变电站工作人员观察．为了确保显示的实时性，显示控制模块将收到的信息转换成串口信息发送给LED屏，上位机管理软件需要不停地发送显示信息，刷新显示数据．同时，系统还能把智能变电站基于IEC61850标准传输的信息中已包含的接地刀闸信息采集过来一并实现对接地刀闸/临时接地线的实时监管，提高防误逻辑校验的精准度．

2．2 间隔层

采集器接入间隔层，实现间隔层防误．采用1－Wire通信协议通过ATmega16L平台进行控制，完成与各个地线桩防误闭锁器以及站控层的通信．考虑变电站的实际规模问题，为了确保信息传递的可靠性，系统采用远距离无线通信SX1278扩频模块完成与站控层系统的通信．SX1278应用LORA扩频技术，具有低功耗，传输距离远(有效距离5 km)，抗干扰能力强等优点，能满足覆盖操作区域的要求．考虑到若网络环境不理想等特殊情况，本系统还设置了接触式回传信息方式，即手持地线状态采集器直接通过串口向站控层传输数据，以确保防误逻辑校验的精准度．为了满足常规变电站和智能变电站的不同需求，采集器通信采用GOOSE通信机制．

2．3 过程层

过程层柜内地线闭锁器和地线桩防误闭锁器分别实时监控室内地线柜中临时接地线和室外现场临时接地线、网/柜门和手动刀闸等设备，并且实现位置和设备的点对点信息采集．

地线桩防误闭锁器的设计选用iButton信息钮扣．每一个iButton信息纽扣都有其安全的、独一无二的、可用于寻址的64位ROM码，数据通过1－Wire协议(单总线协议)串行传输．设计时只需要一根数据线和一根地线［9］．手持地线状态采集器通过一个三态端口连接到单总线，使其在不发送数据时能够释放总线，让地线桩防误闭锁器使用总线，进而控制闭锁器的解/闭锁．具体工作方式为:iButton信息纽扣和对应的地线桩防误闭锁器都固定在现场接地桩、网门、开关柜门、手动刀闸等设备处，每个信息纽扣中都含有对应设备的位置信息．当操作人员持采集器按照操作票的步骤到规定设备处，将其与信息纽扣接触完成信息采集、传输与接收，并按照防误比对结果完成解/闭锁等操作．

由于室内不存在监测设备供电困难和强磁干扰等特殊环境，因此柜内地线闭锁器采用无线式闭锁器，其应用高斯频移键控调制(GFSK)，多通道微功率无线数据传输，并内置可靠的扫描纠错编码处理能力，抗突发干扰，能够自动滤除错误及虚假信息［10］．变电站操作人员按操作票到室内临时地线柜中拿取地线，先按动柜内地线闭锁器按钮，编号通过NRF2401模块向站控层的一体化监控主机或独立五防主机发送地线编号［11］，信息经过站控层的比较分析，如果满足操作票和全站防误要求则向柜内地线闭锁器发送“解锁”命令，反之发送“闭锁”命令，给出告警并在临时地线柜的显示屏上显示“操作有误，请核对后操作”．

3 硬件功能的实现

本系统按功能可以划分为四个组成部分，分别为地线管理上位机软件、手持地线状态采集器、室内地线柜内闭锁器和现场基于iButton信息纽扣的地线桩防误闭锁器．本节着重介绍分布在间隔层和过程层的三部分硬件功能的实现．

3．1 手持地线状态采集器的设计

3．1．1 硬件总体结构

3.2.1 肉眼下小鼠乳腺肿瘤外观形态特征 肿瘤离体后肉眼下观察可见，乳腺肿瘤呈不规则的长椭圆形、球形或结节形，外表有完整的包膜包被，颜色为肉红色，有丰富的血管包裹，部分肿瘤分化生长成多个瘤体，或者有黑色的坏死区，质硬。结果见图1。

采集器主要功能是将iButton信息纽扣中收集的信息发送至站控层．考虑采集器的封装尺寸和通信速率等问题，设计采用I2C总线协议，通过串行数据(SDA)线和串行时钟(SCL)线在连接到总线的器件间传递信息．由于iButton信息纽扣数据信息的读取采用单总线1－Wire协议，选取DS2482－100作为1－Wire主机．本设计还选择了ATmega16作为采集器的微控制器芯片，结合1－Wire主机对采集到的信息进行综合处理．手持地线状态采集器硬件结构，如图2所示．

图2 手持地线状态采集器硬件结构

3．1．2 1－wire 主机电路设计

1－wire主机是基于1－wire协议而衍生出的一种器件，它是手持地线状态采集器中的最核心部分．所谓主机和从机都是根据相对主从顺序而人为规定的一种具有类似上下级关系器件，用以区分二者的复杂关系．综合考虑，本系统设计选用DS2482－100作为 1－wire主机，是 I2C 与 1－wire的桥接器件，可直接与标准(最大100 kHz)或快速(最大400kHz)I2C主控制器连接，在本系统中1－wire主机与ATmega16微控制器相连接．实现ATmega16微控制器和1－Wire从机即本系统的iButton信息纽扣之间的双向协议转换．相对于iB-utton信息纽扣而言，DS2482－100相当于1－Wire主机，其核心电路，如图3所示．

3．1．3 手持地线状态采集器的软件设计

该部分软件功能的实现主要是通过1－Wire通信协议完成与分散安装的地线桩防误闭锁器的信息交互，通过if(DS2482_100_Read_DS1990A_ID(0x30，ID))循环读取闭锁器的锁号 ID，通过crc=crc_array［crc^j［i］］查表得到一个 CRC，直到 if(crc==0 ＆＆ j［0］==0x01)判断 CRC 校验和家族码正确则为读取成功，绿灯亮，否则红灯亮，其中0x30为1－Wire主机在I2C总线上的写地址．将EEPROM中满足CRC校验的锁号对应的现场临时接地线的设备信息和位置信息按照GOOSE报文的编码帧格式进行编码，并通过远距离无线通信方式发送到站控层的防误主机或一体化监控主机，经过综合分析，并把解/闭锁信息通过远距离无线通信方式发送到手持地线状态采集器，进而通过信息纽扣控制机械式闭锁器的动作．信息以基于IEC 61850标准的GOOSE报文快速传输机制进行传输，为一体化监控系统的信息共享提供了支持，同时在常规变电站中也能通过信息解析将现场临时接地线信息显示出来．手持地线状态采集器操作流程的设计，如图4所示．

图3 1－wire主机核心电路

图4 手持地线状态采集器操作流程图

3．2 柜内地线闭锁器的设计

柜内地线闭锁器是智能地线柜的核心功能．该设计选取红外感应开关E18－D80NK作为检测传感器．它是一种集发射与接收于一体的光电传感器，检测距离为前方3 cm～80 cm(可以调节)，采用直流5 V供电，只有1根信号线输出，输出的信号为开关量，即高电平或者低电平．无线通信采用支持SPI串行且最大的传输速率为2Mbps的NRF2401模块．

柜内地线闭锁器软件主要是通过红外感应开关检测柜内临时地线的状态信息并通过无线模块上传给站控层，最终完成遥控解/闭锁操作．当操作人员按照操作票对柜内临时接地线进行操作时，按下闭锁器上的触发按键，就会向站控层独立五防主机或一体化监控主机发送请求信息．站控层根据当前临时地线的状态和基于操作票及全站逻辑防误规则的分析，如果满足要求则向无线防误闭锁器发送“解锁”命令，反之发送“闭锁”命令．当不满足取地线要求时，系统发出告警并在临时地线柜的显示屏上显示“操作有误，请核对后操作”．闭锁器操作流程，如图5所示．

3．3 地线桩防误闭锁器设计

采集器通过一个三态端口连接到单总线，三态端口的控制使能端EN无效时，采集器释放总线，让地线桩防误闭锁器使用总线．地线桩防误闭锁器的设计电路除了按键和液晶显示电路、RS232通信电路和远距离无线传输模块电路外，包含了采集器的所有硬件电路设计及机械锁驱动和执行单元电路．

地线桩防误闭锁器软件主要是在不同信息纽扣对应不同设备的情况下，将现场临时接地桩、网/柜门和手动刀闸等设备和信息纽扣进行点对点信息编码，即将设备信息和位置信息写入对应的信息纽扣，如本系统中信息纽扣的注册码5B0000008048D502对应某变电站一条线路侧接地桩．当采集器读取信息纽扣中对应设备的设备信息和位置信息时，如果满足要求则信息纽扣控制地线桩防误闭锁器完成解锁操作，反之闭锁操作．

在变电站光纤数据网中基于IEC61850标准的GOOSE报文进行传输的接地刀闸信息不能充分识别利用．GOOSE报文的应用协议描述文件遵循ASN．1抽象语法标记的BER编码规则，BER编码的基本格式为TLV(Tag－Length－Value)格式．编码后的GOOSE报文中IECGoosePdu的元素allData所反映的信息直接决定相应接地刀闸动作．鉴于变电站操作人员无法直接读取GOOSE报文信息，本系统基于JAVA语言和Wireshark软件对allData数据集中的信息进行解析，并能在站控层主机上以图例和数据的形式清晰、直观的显示出来，既能方便变电站工作人员观察又能提高全站防误逻辑校验的精准度．

图5 柜内地线闭锁器软件设计流程

4 系统优势

本文研发的智能接地线管理系统在全面调研了现场需求的基础上，既考虑到对智能电网新技术的适应，又兼顾了经济性．归纳起来有一下几方面优势:

(1)系统基于智能变电站通用的IEC61850标准进行研发，不仅能满足常规变电站对临时接地线的管理要求，而且适用于智能变电站对监控和防误一体化的要求．较目前已有的大多数类似产品而言，本系统解决了智能变电站中基于IEC61850标准传输接地刀闸GOOSE报文信息不能充分识别利用的问题，不但能够监测临时接地线实时状态，而且还能有效监测接地刀闸的实时工作状态．

(2)系统实现了从室内地线柜到室外现场对临时地线的全程无缝智能化管理．本系统研发了室内智能地线柜和现场接地线实时监测装置，通过基于1－Wire通信协议的iButton信息纽扣对现场临时接地线、网/柜门、手动刀闸等设备进行唯一编码和识别，实现了对现场临时接地线等设备的点对点信息采集和实时对位，进而实现了站控层对设备状态进行在线监控．

(3)系统不需要额外铺设电缆或搭建专用无线网络．考虑现场工况，室内外采用不同的防误闭锁器，即地线柜内采用无线式闭锁器;室外地线桩防误闭锁器采用基于信息纽扣的机械式闭锁器，有效地解决了无线传输设备户外供电、传输时信号易受现场强磁强电的干扰而产生误码问题．

该系统操作方便、维护简单、可靠性高、通用性强、具有良好的可扩展性，能准确管控临时接地线的工作状况，避免带接地线合刀闸等恶性电力事故的发生，减少国家的财产损失和电网工作人员的伤亡，这将对构建坚强智能电网，获得更大的经济效益与社会效益具有推动作用．

5 结 论

本系统在吉林省某供电公司已成功试点运行半年有余．所有自主研发的硬件设备运行状况良好，很好地实现了对临时接地线的监管，有效地杜绝了临时接地线误挂/拆，漏挂/拆等误操作的发生;室内外临时地线的区别式管理，大大提高了变电站临时接地线管理的规范水平;系统同时也实现了对网/柜门、手动刀闸等设备的实时管控，确保调控一体化信息全面采集，提高了调度遥控操作的安全性，真正做到了智能临时接地线管理系统的全方位无盲点监测．

［1］ 巫水萍，张瑜，臧和平．新型变电站接地线管理系统设计和实现［J］．电气技术，2012(8):77－80．

［2］ 孙业隆，吴树琛，郭树伟．变电站临时接地线管理系统［J］．农村电气化，2011(5):48－49．

［3］ 中国电力企业联合会标准化管理中心．微机型防止电气误操作系统通用技术条件:DL/T 687－2010［S］．北京:中国电力出版社，2010．

［4］ 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．

［5］ 彭彬，于浩，吕晓俊．新一代在线监控临时接地线管理系统的开发与应用［J］．电力系统自动化，2015，39(24):110－114．

［6］ 孙一民，侯林，揭萍，等．间隔层保护测控装置防误操作实现方法［J］．电力系统自动化，2006，30(11):81－85．

［7］ 彭晖，葛以踊，吴庆曦，等．地县调控一体化系统分区解并列机制的设计与实现［J］．电力系统自动化，2014，38(6):75－79．

［8］ 王璐．基于iButton的智能门禁安全管理系统［J］．电气自动化，2013，35(3):42－44．

［9］ 智全中，秦广召，娄伟，等．五防系统在智能化变电站中应用分析［J］．电力系统保护与控制，2009，37(23):108－111．

［10］ 郭晓利，孙邈．水电站通信管理机的设计［J］．东北电力大学学报，2017，37(4):94－97．

［11］刘家军，缪俊．新型电力检修作业地线装置的研究［J］．电力系统保护与控制，2009，37(23):119－121．