应用物联网技术的流动接地线状态采集研究

聂万庆, 高佩忠, 孙百超, 杜欣源

1.胜利油田电力分公司 山东东营 257000 2.山东科技大学 济南 250000

1 接地线状态采集现状

在电力系统中,接地是重要的安全措施。电力作业过程中,按照电力安全规程要求,对于可能产生送电的停电设备,都应装设接地线或合上接地刀开关,以保证现场施工作业和检修人员的安全[1]。流动接地线的状态采集一直是工作难点,对此,通常采取对全网接地线进行状态采集的方法,保证电网的安全检修、施工。

目前电网作业中,为保证安全,采取的技术措施有停电、验电、装设接地线、悬挂标志牌、装设遮栏围栏。装设接地线的作用是当停电设备由于各种原因产生送电时,由接地线制造三相短路故障,使保护装置迅速动作,进而保障作业人员的人身安全。

电力系统安全措施中,接地方式主要有接地刀开关和流动接地线两种。接地刀开关基本配置有触点,通过触点状态采集装置可以实时采集接地刀开关的运行状态。流动接地线由人工操作安装,不使用时放置在工器具柜内,现场安装过程中应符合电力安全规程中的相关要求,工作人员不得擅自移动或拆除流动接地线。对于高压回路中工作时必须要拆除全部或一部分接地线方能继续工作的情况,应征得运行人员的许可,工作完毕后应立即恢复。根据调度员指令装设的接地线,应征得调度员的许可。每组接地线均应编号,并存放于固定地点。存放位置亦应编号,接地线编号与存放位置编号应一致。装拆接地线应做好记录,交接班时应交待清楚。流动接地线的管理通过管理制度进行约束,在调度后台系统中通过人工手动置入的方式进行操作,因此无法进行实时监控[2]。

由以上接地线状态采集现状分析可知,电网中的接地线无法实现全面接入,流动接地线的状态采集是电力系统数据采集的空白,长期以来无法进行实时采集。由于对流动接地线进行人工管理和操作,因此降低了防误操作系统的可靠性,造成带接地线进行开关送电操作或刀开关操作,严重时甚至引发设备烧毁或操作人员人身伤害事故。

2 应用物联网技术的流动接地线状态采集装置

2.1 设计原理

应用物联网技术的流动接地线状态采集装置采用一体化设计,在传统接地线的接地端头安装全球定位系统定位模块[3],实现接地线的定位。各模块集成在同一块电路板上,全封闭于塑壳中,并安装固定在接地线连接金属片上。变电站内部分流动接地线存在安装位置过近的情况,现有的全球定位系统定位模块无法满足位置精度要求,因此在接地桩固定端设置射频识别标签,使接地线的定位精度更加高[4]。流动接地线状态采集装置如图1所示。

图1 流动接地线状态采集装置

2.2 通信方式

流动接地线与变电站网关之间采用加密LoRa(Long Range Radio)通信方式,通过网关将变电站内的数据传送至云平台通道。在一个变电站内,采用目前处于规模商用阶段的窄带物联网(NB-IoT)技术。窄带物联网技术具有覆盖广、功耗低、连接多、成本低等四个主要特点,在降低传输速率的同时降低功耗,适合用于流动接地线状态数据的传输,因为流动接地线的状态数据量极少,基本只有由振动引起的信号和接地线安装后产生的信号。采用窄带物联网技术,可以大幅提升终端的待机效率,部分终端的待机时间可以长达10 a,进而有效提高流动接地线终端应用的可靠性。在流动接地线信号覆盖方面,窄带物联网技术增益达到20 dB,具有更好的覆盖能力,在较大的干扰或开关柜内,也可以进行数据的收发。在连接数量方面,每个网关覆盖面积内可以支持5万个终端,完全满足单个变电站或一个地区线路的流动接地线数量要求。

每次建立通信时,系统会自动同步当前的流动接地线位置至变电站网关,由网关判断是否正常。约定时间段内没有产生通信,即发出报警。若流动接地线发生变位,则立即与前置服务器进行毫秒级同步。正常情况下,网关与前置服务器通过循环冗余码保持同步,通过循环机制来将错误概率降至最低。变电站网关通过普通4G通道卡、消息队列遥测传输协议与云平台通道实现实时一发多收。前置服务器对现场流动接地线的状态数据进行存储,调度系统通过隔离网闸,由企业4G通道卡和ModBus协议单向访问前置服务器,进而保证数据访问的安全性。

流动接地线状态数据传输流程如图2所示。

2.3 电源系统

接地线的振动唤醒功能设置于工器具柜内[5],未由振动唤醒时,流动接地线状态采集装置处于休眠状态;当取出接地线产生振动时,流动接地线状态采集装置开始工作,通过射频识别标签和全球定位系统来确认接地线的安装位置。流动接地线状态采集装置电源管理逻辑如图3所示。

图2 流动接地线状态数据传输流程

图3 流动接地线状态采集装置电源管理逻辑

3 现场应用

在胜利油田110 kV郝现变电站现场应用流动接地线状态采集装置,根据实际情况配备25组接地线,接地桩固定端更换为带有射频识别标签的新固定端。根据现场情况,为便于装设流动接地线,设计了L形接地桩固定端和普通型接地桩固定端,如图4所示。

郝现变电站配备一组无线网关,各间隔接地桩固定端安装情况见表1～表3,L形接地桩固定端合计42个,室内普通型接地桩固定端合计44个,室外普通型接地桩固定端合计27个。

通过流动接地线状态采集装置,将流动接地线状态数据通过变电站网关实时传输至云平台通道,并存储于前置服务器。调度系统通过企业4G通道卡和ModBus协议,实现对流动接地线状态的在线监控。

郝现变电站流动接地线状态采集装置工作流程如图5所示,后台监控系统截图如图6所示。

4 测试

在110 kV郝现变电站中应用流动接地线状态采集装置,主要进行以下现场测试:前置服务器工作测试、变电站网关工作测试、流动接地线状态采集装置工作测试、接地桩固定端工作测试[6]、通信压力测试。通过现场测试,确保流动接地线状态数据传送过程的可靠性。

图4 接地桩固定端

表1 郝现变电站间隔L形接地桩固定端安装情况

表2 郝现变电站间隔室内普通型接地桩固定端安装情况

表3 郝现变电站间隔室外普通型接地桩固定端安装情况

图5 郝现变电站流动接地线状态采集装置工作流程

4.1 前置服务器工作测试

重复进行变电站网关与前置服务器的连接操作,测试变电站网关与前置服务器及云平台通道的通信是否受工作环境干扰。后台监控系统全部工作,监控前置服务器的后台数据是否存在丢包、粘包现象,所接收的流动接地线状态数据是否完整,能否准确快速得到流动接地线的操作位置。连续模拟流动接地线操作,确认前置服务器是否正确接收状态数据,并可以正常存储。

图6 郝现变电站后台监控系统截图

4.2 变电站网关工作测试

测试变电站网关与云平台通道及流动接地线状态采集装置的通信是否正常,相关信息显示是否正确。对变电站内距离最远的流动接地线安装地点进行测试,确认有效工作范围。监控变电站网关的交互信息,检查数据传输是否符合通信协议要求,是否存在粘包现象。对比操作日志,检查变电站网关通信是否存在延迟、丢包现象。

4.3 流动接地线状态采集装置与接地桩固定端工作测试

测试流动接地线状态采集装置能否正常通电运行,接地桩固定端射频识别标签是否能准确读取,接地线位置是否能正确指示。监控流动接地线状态采集装置与变电站网关的交互信息,检查数据传输是否符合通信协议要求,并通过对比操作日志,检查通信是否存在延迟现象。根据表1～表3对接地桩固定端逐个进行工作测试。

4.4 通信压力测试

针对流动接地线状态采集装置进行连续模拟接地线连接和拆卸操作,并记录操作次数,检查云平台通道和前置服务器通信日志是否正常,是否正确记录操作数据。随机选取25处室内、室外接地桩固定端,同时进行模拟接地线连接和拆卸操作,并记录操作次数,检查云平台通道和前置服务器通信日志是否正常,是否正确记录操作数据。通过通信压力测试,确保在变电站流动接地线最大使用数量的情况下,流动接地线状态采集装置、变电站网关、云平台通道及前置服务器通信正常。

5 结束语

笔者对应用物联网技术的流动接地线状态采集问题进行了研究[7-8],设计了流动接地线状态采集装置,以较低成本实现了电网中流动接地线的实时状态监控,为微机保护的防误操作和操作票的在线自动生成提供了全面信息。通过应用流动接地线状态采集装置,可以实现电网接地线及各种触点状态的全面采集,杜绝了带接地线送电操作的可能性,为电网检修和施工作业提供了安全保障。