基于RS-485通信的变电站屏柜门智能锁门禁系统

刘长富，胡洪武，李付勤，张忠杰，钟显，王蕾

（国家电网常德供电公司，湖南常德，415000）

变电站是电力系统输送系统中重要的一环，变电站二次屏作为一次设备保护系统，在实际生产过程中对变电站相关设备的稳定运行具有十分重要的作用。由于站内二次屏数量多，生产厂家不一致，屏门机械锁工艺质量较差，而二次屏又有较多的检修与维护作业，因此暴露出许多问题，因此，解决二次屏门的可靠监控是变电运维工作中亟须解决的难题。

1 现状

通常为了规范检修人员的作业现场，采取在运行二次屏粘贴红布幔和在工作屏设置“在此工作”标示牌的安全措施，由于红布幔仅能起到警示作用，无法可靠闭锁二次屏门，仍存在事故风险，且二次屏数量较多时，粘贴红布幔存在很大的工作量，人工粘贴容易出错并增加了运维难度。针对上述问题，开发基于电磁锁装置的变电站二次屏门安措自动布置系统，通过组态屏幕，自动将工作运行及检修状态等信息显示到屏幕上，增加显示的准确性，降低劳动强度。系统支持屏门的多种开启方式，包括就地刷卡开启、变电站主控室集中控制开启、控制中心远程开启。通过设计检测系统，能够精准地检测屏门开闭状态，并远程显示。

本文设计的变电站屏柜门智能锁借鉴了家庭智能锁的应用场景，为了符合电网公司对于辅控设备的智能化管理要求，进行标准化设计，采用基于RS-485标准的通信机制，融入变电站辅控系统。智能锁门禁系统的主要特点有：（1）采用RS-485通信机制，便于接入变电站辅控系统实现与变电站其他设备的统一智能管理；（2）专业的抗电磁干扰设计，提升设备的电磁兼容性能，智能锁的抗磁干扰保障了其可靠性；（3）实时监测与显示二次屏柜门状态，智能语音提醒工作人员离开时不要漏关屏门；（4）智能锁同时具备软件开关与硬件应急开关，确保了系统在任何时刻均处于可控范围。

2 屏柜门智能锁门禁系统

该智能门禁系统的辅助设备监控主机可通过接收由门禁系统采集器所采集的各二次屏柜门开关状态来实时监测柜门开关状态，并可发送开关门指令给采集器并由其下发至对应的门禁系统终端模块执行开关柜门指令，其中辅助设备监控主机与采集器之间采用485通信，采集器与各门禁系统终端模块之间采用CAN通信。采集器可轮询每一个终端模块并获取其前后门开关状态。该门禁系统终端连接有二次屏前后门电磁锁装置，可通过MCU控制执行开关二次屏门电磁锁的指令，并通过反馈感知二次屏当前柜门状态，并将状态实时显示在LCD显示屏上，供运维人员参考。其系统示意图如图1所示。

图1 智能锁门禁系统框图

变电站二次屏门门楣处可装设显示器，屏柜侧面可安装刷卡区，电网公司智慧监控中心和变电站现场监控平台安装辅控显示器，接入终端传回的柜门状态信息，并实现远程控制和显示。安装电磁锁的二次屏如图2所示，可在屏门右上方安装电磁锁，同时为考虑电磁锁的可靠性，对部分重要设备的二次屏门，可采用上下双锁的安装结构。为了不改变屏柜门整体结构，采用暗装的方式完成现场施工。屏柜门楣处为屏门状态显示器，关闭状态下显示“运行设备”，开启状态下显示“在此工作”，箱柜侧面为刷卡开锁感应区。

图2 二次屏设计图

门禁系统控制终端主要由电磁锁、LCD、CAN构成，其系统控制示意图如图3所示。

图3 门禁系统控制终端示意图

屏柜的开关门通过控制电磁门锁的吸合与否来实现，在屏门内部安装有门禁系统控制终端，在屏柜门上安装彩色LCD显示屏，CPU通过检测霍尔元件的反馈信号来获取屏门的开闭状态。正常运行工况下，屏柜处于关门状态，屏柜上方的显示屏显示“运行设备”，发出屏门开启指令后，屏门打开，相应的显示屏显示“在此工作”。终端模块不断采集屏门异常状态反馈信息，并与实时的屏门状态进行比较，若此时处于开门状态，则忽略异常状态反馈信息；若此时处于关门状态，则异常状态反馈生效，若关门状态下触发了异常状态位，则表示屏门并未按规定关好关牢，存在安全隐患，此时屏幕发出等待关门警示语音及相应的图片显示，并向系统发送报警信息，当人工介入恢复正常后，警报解除，屏幕恢复“运行设备”显示。屏门的开启与闭锁通过电磁锁线圈的通断控制。

3 辅控监管与智能控制

为实现智能锁的统一管控，电磁锁需要接入国网变电站辅助设备监控系统。辅控系统由国网南瑞开发，因此界面部分需要南瑞设计，通信协议按照辅控系统已有规约设计。根据辅控系统的相关通信协议，有两种接入方案可供选择：一是智能锁控系统采用485通讯规约接入站内已有的485就地模块，再接入智慧站辅控平台。该方案优点：前端设备配置简单，只需要配置具备485通讯功能的锁控设备，485通讯方式较为成熟，利用站内已有的485就地模块进行规约转换实现通信。缺点：前端设备数量过多造成485通讯的点表较多，调试工作量大；二是智能锁控系统采用61850通讯规约直接接入站内智慧站辅控平台交换机。该方案优点： 61850通讯厂家配置好ICD文件，调试简单。缺点：前端设备需要在方案一的基础上额外配置一台IED设备，研发成本较大，产品不成熟极易出现通讯异常情况，且不好处理。经过综合比较，智能锁门禁系统通信采用方案一设计。

3.1 辅控系统与采集器通信协议设计及实现

辅控系统主机与采集器之间采用485通信，485总线通信采用差分信号负逻辑，逻辑“1”以两线间的电压差为+(2～6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2～6)V表示。不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。数据最高传输速率为10Mbps。485通信接口是采用平衡驱动器和差分，接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。其最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100Kbps的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

485通信数据格式如表1所示。其中主机通信内容为门禁终端地址+功能码+起始地址+数据个数+校验位组成，固定8字节。采集器返回数据由门禁终端地址+功能码+字节长度+数据内容+校验位组成，不固定字节长度。

表1 数据包格式

其功能码与寄存器地址如表2所示，分别有读写功能码和5个相应的可读/写寄存器。

表2 功能码及地址

具体的寄存器地址内容如表3所示。

表3 数据解析内容

采集器通过485通信将采集到的数据反馈给辅控主机。主机根据该通信协议对反馈数据进行读取和分析，最终解析出当前屏柜状态。同时辅控主机根据通信协议拼接指令，传达给采集器并下发至门禁系统控制终端，实现对屏柜门状态的智能感知与实时控制。

3.2 辅控系统软件界面展示

实现变电站屏柜门智能锁门禁系统的辅控系统界面如图4所示。辅控系统通过远端网关机与远端服务器建立连接，实时反馈门锁状态，实现电磁锁的智能管理。

图4 辅控监视主机界面

网关机与服务器之间通过套接字(Socket)连接。套接字是网络中不同主机上的应用进程之间进行双向通信的端点的抽象。一个套接字就是网络上进程通信的一端，提供了应用层进程利用网络协议交换数据的机制。从所处的地位来阐述，套接字上联应用进程，下联网络协议栈，是应用程序通过网络协议进行通信的接口。

屏柜门电磁锁终端与辅控系统监控平台采用光缆进行物理连接，利用TCP协议进行通信，实现了屏柜门状态的可靠监控与智能管理。对需要打开的柜门，点击图4右侧“屏柜授权”，授权“在此工作”再点“确定”，对应的门锁断电去屏柜前打开门，等待2秒钟左右对应门的授权状态信号由“运行设备”变为“在此工作”。

系统实时显示安装有电磁锁的屏柜门状态，实现了屏柜门的在线监控；电磁锁授权开门功能实现了屏柜门的统一管理，屏柜门上显示屏实时更新状态，极大减少了现场安措的工作量。配合变电站的其他辅控手段，便于故障定位；对于未授权、异常开启的屏柜门，电磁锁会将状态以告警形式呈现在监控界面，提醒值班人员关注现场状况；系统存储了屏柜门的历史开门及告警记录，相较于传统机械锁，大大提高了管理水平，实现了屏柜门的智能控制。

4 结论

该系统通过服务器与辅控系统、辅控系统与采集器之间两种通信机制的联合设计，实现屏柜门状态的实时感知与智能监控。电磁锁及相关电路控制板的设计考虑了有效的滤波电路，进行合理的元器件分区布局，提升设备的电磁兼容性能，确保门禁设备可靠运行。考虑到变电站内部对于无线信号严格的管理规范，布设专门的通信线路，选择合适的有线通信接入变电站辅控系统。在系统的开门软件设计环节，深入梳理相应的授权机制，形成逻辑严密的授权体系，结合可储存芯片的信息、远程通信手段等，实现了正常的开关门控制程序设计。

本系统通过融入国网辅控系统软件监控平台，实现了变电站屏柜门的实时监控与智能管理，提高了二次安措布置过程中的工作效率，具备极强的推广价值。