實(shí)時地線管理系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
國網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心、遼寧拓新電力電子有限公司的研究人員楊林、趙泓博、趙守忠等,在2018年第3期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出,在電力系統(tǒng)中,因?yàn)樵O(shè)備檢修后漏拆臨時接地線引起帶接地線合閘的惡性誤操作,對電網(wǎng)存在嚴(yán)重威脅。對于地線的掛接與拆除,傳統(tǒng)的地線管理已不能滿足目前的要求。
為了有效地解決這一問題,實(shí)時地線管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)硬件部分采用最先進(jìn)的ZigBee無線通訊技術(shù)和RFID無線射頻技術(shù),后臺軟件采用微軟最新的開發(fā)平臺研制而成,這使得整個系統(tǒng)不僅提供了友好的人機(jī)操作界面、能夠?qū)崟r反映地線的掛接、取放狀態(tài)以及在現(xiàn)場的掛接位置,而且還能夠與五防系統(tǒng)相結(jié)合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果,達(dá)到了對地線實(shí)時的規(guī)范管理和防止誤操作的目的。
隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,我國電力五防系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入到一個高速發(fā)展的時期。近幾年智能電網(wǎng)建設(shè)的興起,更是掀起了一股全球性電網(wǎng)智能化建設(shè)研究的浪潮。五防智能化建設(shè),作為智能電網(wǎng)的重要組成部分,在近幾年的研究中,取得了長足的進(jìn)步和可喜的研究成果。
因?yàn)樵O(shè)備檢修后漏拆臨時接地線引起帶接地線合閘的惡性誤操作,對電網(wǎng)存在嚴(yán)重威脅。對于地線的掛接與拆除,傳統(tǒng)的地線管理已不能滿足目前的要求。由于主控室無法直觀掌握工作人員在現(xiàn)場對地線實(shí)際的操作情況,導(dǎo)致在運(yùn)行管理過程中仍然需要安排人力,到現(xiàn)場進(jìn)行巡查,以確保地線掛接的安全可靠、確保拆除地線的準(zhǔn)確無誤。這種運(yùn)行管理模式,不僅浪費(fèi)了人力和物力,而且在五防智能化方面也沒有能夠很好的體現(xiàn)。
實(shí)時地線管理系統(tǒng)能有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地線管理的不足,徹底解決臨時地線的操作和日常管理過程中存在的安全隱患。該系統(tǒng)采用ZigBee無線通訊技術(shù),RFID無線射頻技術(shù)和地線管理軟件,可以對地線的掛接位置和狀態(tài)等,進(jìn)行規(guī)范管理,避免地線的隨意使用,防止人為造成的誤掛或漏拆。
1 工作原理
實(shí)時地線管理系統(tǒng)由地線管理主機(jī)、無線路由器、智能地線頭、智能地線樁、地線柜等組成。實(shí)時地線管理系統(tǒng)采用ZigBee無線通訊模塊和射頻檢測裝置作為地線檢測器。
地線檢測器安裝在智能地線頭內(nèi),當(dāng)?shù)鼐€頭掛接到地線樁上或者從地線樁上拆下時,地線樁內(nèi)的磁柱觸發(fā)地線檢測器中的干簧管,使LPC1114F微控制器從睡眠模式切換到正常運(yùn)行模式,之后射頻檢測裝置即可讀取地線樁上的射頻扣ID號,通過ZigBee無線通訊技術(shù)把地線使用信息發(fā)送到與其鄰近的路由器中,路由器向此地線檢測器發(fā)送睡眠指令,這樣就大大降低了地線檢測器的日常功耗,由于路由器內(nèi)都裝有ZigBee模塊,這樣路由器之間就可以自動組網(wǎng),使ZigBee無線通訊以接力的形式把信息傳送到主控室內(nèi)。
由于地線掛接點(diǎn)名稱已與地線樁上的射頻扣ID號一一對應(yīng),因此主控室內(nèi)的實(shí)時地線管理軟件即可知道哪條地線掛接到具體什么位置,在圖形界面上顯示目前地線使用情況,并通過ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)把此信息存儲到Access數(shù)據(jù)庫中,這樣主控室人員即可清晰地了解到現(xiàn)場地線的掛接、取放狀態(tài),以及地線在現(xiàn)場的掛接位置并可以通過“記錄查詢”功能檢索出相關(guān)記錄。實(shí)時地線管理系統(tǒng)組成如圖1所示。
圖1實(shí)時地線管理系統(tǒng)組成
實(shí)時地線管理軟件與防誤系統(tǒng)軟件安裝在同一臺計(jì)算機(jī)中(即管理機(jī)),它們之間能夠以共享內(nèi)存的方式通訊從而使地線管理與防誤系統(tǒng)很好地結(jié)合起來,以達(dá)到更理想的防誤效果。
例如:當(dāng)從地線柜中取出地線時,主控室內(nèi)的實(shí)時地線管理軟件把這個操作信息傳送給防誤系統(tǒng)軟件,防誤系統(tǒng)軟件即開始判斷這個動作是否符合五防邏輯,如果符合,防誤系統(tǒng)則允許繼續(xù)預(yù)演,操作人員即可以使用無線電腦鑰匙到現(xiàn)場開鎖并操作設(shè)備;否則即強(qiáng)制閉鎖并進(jìn)行相應(yīng)的語音提示;當(dāng)使用無線電腦鑰匙到現(xiàn)場解開地線鎖具后,如果操作人員沒有把地線掛接到地線樁上,主控室內(nèi)的管理機(jī)接收不到此地線的掛接信息,這樣就不會向無線電腦鑰匙發(fā)送允許進(jìn)行下一項(xiàng)操作的指令,無線電腦即不能操作下一項(xiàng)的鎖具,從而達(dá)到了對地線實(shí)時防誤的目的。
1.1 ZigBee無線通訊技術(shù)
無線通信問題是實(shí)時地線管理系統(tǒng)遇到的技術(shù)難題,如果采用GPRS或3G無線網(wǎng)絡(luò),信號質(zhì)量雖然很好,但需要二次收費(fèi);如果采用WIFI進(jìn)行無線通訊,信號的覆蓋面積小,通訊距離短無法滿足要求;如果采用有線通訊則由于現(xiàn)場復(fù)雜,無法滿足布線的要求。
ZigBee技術(shù)既解決了光纖通信投資大、敷設(shè)困難等問題又克服了其他無線通信距離短、可靠性差和通信資費(fèi)等弊端,因此,本系統(tǒng)采用該通信技術(shù)。ZigBee作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù),由大量分布廣泛的微小傳感器通過無線電連接形成一個組網(wǎng),這些傳感器以微小的能量通過接力的方式將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點(diǎn)傳到下一個節(jié)點(diǎn),具有很高的通信效率[1-3]。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。
圖2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織性,每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只要在通信范圍內(nèi),就會自動搜索并形成一個互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)模塊終端的相對位置發(fā)生變化時,模塊會自動重新搜索通信對象,建立聯(lián)系。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)還具有無線網(wǎng)路自愈能力,當(dāng)有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)通訊故障時,網(wǎng)絡(luò)可自行排除該節(jié)點(diǎn),通過其它節(jié)點(diǎn)重新建立網(wǎng)絡(luò)連接[4-6],從而增加了網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性;它的傳送距離可達(dá)到1000米,在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時其功耗只有120mW,并且在睡眠狀態(tài)下功耗僅為30uW,另外ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由,并且最多可達(dá)20級。
1.2 RFID射頻識別技術(shù)
由于需要反映出地線在現(xiàn)場掛接與拆除的具體位置,地線掛接位置的識別又是一個關(guān)鍵所在。因此,本系統(tǒng)采用RFID無線射頻技術(shù)。該無線射頻技術(shù)是自動識別技術(shù)的一種高級形式,一般由兩部分組成:閱讀器和應(yīng)答器。
應(yīng)答器也稱發(fā)射器或標(biāo)簽,是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體,它通常放在需要識別的物件上,可以發(fā)送和接收信息,并進(jìn)行讀/寫操作。應(yīng)答器分為兩大類,即有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器[3]。鑒于節(jié)電方面的考慮,本系統(tǒng)采用無源應(yīng)答器,也稱為被動式標(biāo)簽,它由耦合組件和芯片組成,工作所需要的能量通過耦合單元傳輸接收,因此只有在閱讀器的響應(yīng)范圍內(nèi),它才處于激活狀態(tài)。通過電路設(shè)計(jì)和選擇工作模式有效地降低了系統(tǒng)的功耗。
根據(jù)實(shí)際情況的需求,該RFID系統(tǒng)采用125kHz的振蕩頻率,并且具有低功耗、高效防碰撞等特征,主要包括:基于SOC的硬件控制電路、微控制器與射頻模塊的通信。在軟件決策中,提出了一種改進(jìn)的防碰撞算法,將閱讀器跳頻輪詢技術(shù)和標(biāo)簽的分頻技術(shù)與傳統(tǒng)的幀時隙ALOHA算法相結(jié)合,降低了標(biāo)簽的碰撞幾率,減少了識別時間和重復(fù)發(fā)射次數(shù),從而提高了識別效率。
該RFID系統(tǒng)利用LPC1114F微控制器的一個I/O引腳產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)載波信號,經(jīng)過限流電阻送入推挽式連接的三極管功率放大電路,放大后的載波信號通過天線發(fā)射出去[7-8]。天線與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振電路,諧振頻率為125 kHz,諧振電路的作用是使天線上獲得最大的電流,從而產(chǎn)生最大的磁通量,獲得更大的讀卡距離。
利用二極管、電阻和電容組成一個檢波電路,該電路用來去除125 kHz載波信號,還原出有用信號。再用電容和電阻構(gòu)成一個帶通濾波電路,濾除125 kHz以外的干擾信號。最后通過濾波放大電路對檢波后的信號進(jìn)行濾波放大,放大后的信號送入LPC1114F微控制器的定時/計(jì)數(shù)器T1的輸入引腳,由微控制器對接收到的信號進(jìn)行解碼,實(shí)現(xiàn)對ID號的識別。
1.3 實(shí)時地線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
實(shí)時地線管理系統(tǒng)采用ZigBee無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場地線使用情況的實(shí)時反饋;采用RFID無線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場地線的每個掛接位置的識別;利用軟件開發(fā)平臺所研制的地線管理軟件實(shí)現(xiàn)了以界面形式直觀地顯示現(xiàn)場地線的具體使用情況,并具有實(shí)時記錄、語音提示、歷史查詢、系統(tǒng)配置、圖形切換等功能,也可以與防誤系統(tǒng)相結(jié)合,從而達(dá)到五防閉鎖的目的[9-13]。實(shí)時地線管理系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了調(diào)控模式的地線管理方案,使其能夠接入MIS及綜自系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)資源共享,每個人都可以掌握臨時接地線的使用情況,不但對單站起到了防誤的作用,而且在站間五防的應(yīng)用中也起到了很好的效果。
圖3 實(shí)時地線管理系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖
2 實(shí)時地線管理系統(tǒng)應(yīng)用
2017年初實(shí)時地線管理系統(tǒng)在沈陽地鐵二號線渾南停車場得到了實(shí)際應(yīng)用。該系統(tǒng)目前運(yùn)用已近10個月,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,無事故發(fā)生。通過該系統(tǒng)的實(shí)時性,現(xiàn)場操作人員可以準(zhǔn)確的得知設(shè)備帶電情況以及地線使用情況,每步操作都有語音報警提示。傳統(tǒng)地線操作時,由于沒有操作規(guī)則,經(jīng)常出現(xiàn)帶電掛地線的情況,出現(xiàn)大量事故。
本系統(tǒng)使現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與防誤主機(jī)狀態(tài)實(shí)時對位,在現(xiàn)場設(shè)備帶電的情況下,無法進(jìn)行掛接地線操作,只有當(dāng)設(shè)備斷電,反饋回防誤主機(jī),防誤主機(jī)判斷設(shè)備是否帶電,判斷準(zhǔn)確無誤后允許進(jìn)行地線掛接操作。
實(shí)時地線管理系統(tǒng)圖形界面如圖4所示,該界面是根據(jù)現(xiàn)場需求,使用戶可以直觀的查看相關(guān)變電站的地線頭狀態(tài)、電量、信號強(qiáng)度、地線使用情況、地線掛接位置等信息,同時能夠統(tǒng)計(jì)接地組數(shù),并且具有誤操作報警和歷史記錄等功能,極大的提高了地線系統(tǒng)操作的智能化管理程度。地線掛接正確、放回正確、已拆除、通訊故障如圖5地線狀態(tài)所示。
圖4 實(shí)時地線管理系統(tǒng)圖形界面
圖5 地線狀態(tài)
2.1 接線圖界面
在變電站一次接線圖界面下,用戶可查看相關(guān)地線掛接情況及掛接位置,在一次接線系統(tǒng)圖上直接顯示掛接的地線號及掛接位置(如圖6所示),“3號地線已掛接”更方便、更直觀。
圖6 實(shí)時地線管理系統(tǒng)一次接線圖界面
2.2 操作流程
當(dāng)運(yùn)行人員對設(shè)備準(zhǔn)備操作時,首先應(yīng)該在五防系統(tǒng)下進(jìn)行操作開票,確認(rèn)操作票正確無誤后,按照操作票進(jìn)行模擬預(yù)演,預(yù)演符合防誤規(guī)則,則將預(yù)演的操作邏輯規(guī)則傳入電腦鑰匙,傳輸完畢后,手持電腦鑰匙,進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行操作。
如果掛接#1和#2地線,則進(jìn)入地線室取出該兩組地線,如果誤取出(如取出#2和#4),則后臺管理系統(tǒng)會自動語音報警取出地線不符。正確取出后進(jìn)入現(xiàn)場,根據(jù)電腦鑰匙里傳入的邏輯規(guī)則開鎖,如果掛接位置與預(yù)演位置不符,后臺顯示錯誤掛接位置并語音報警。只有當(dāng)掛接完全正確后才能進(jìn)行下一步預(yù)演操作,否則閉鎖,這樣避免了漏掛和錯掛的現(xiàn)象出現(xiàn)。
當(dāng)拆除地線時,也應(yīng)該嚴(yán)格按照五防邏輯進(jìn)行拆除,并按照地線取出位置放回地線室,如果漏拆或拆錯,下一步操作將會閉鎖,不能進(jìn)行下步操作。在地線掛接后,智能地線頭的檢測器會將掛接信息上報到實(shí)時地線管理后臺軟件上,后臺軟件會顯示當(dāng)前地線掛接位置,并伴有語音提示。
2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
1)地線身份具有唯一識別特點(diǎn),區(qū)別于其他五防閉鎖設(shè)備。
2)實(shí)現(xiàn)不同電壓等級的實(shí)時管理。
3)支持調(diào)控模式地線管理,采用網(wǎng)絡(luò)通訊方式并將地線分為私有地線(一般子站使用)、公共地線(一般操作隊(duì)使用)和全局地線(一般整個局內(nèi)都能使用)三個等級類別,一套裝置最大可管理256組地線。
4)實(shí)時反映地線的掛接、取放狀態(tài),及在現(xiàn)場的掛接位置,并能夠與五防閉鎖軟件相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)對地線的五防閉鎖。
5)地線使用情況實(shí)時語音匯報,每條地線的掛接和使用狀態(tài)都能通過網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)相連,能夠?qū)崟r語音匯報(延時時間不超過5秒)。
6)既可以與五防裝置聯(lián)機(jī)使用又可以單獨(dú)運(yùn)行。
7)多種數(shù)據(jù)通訊接口,既可以采用串行通訊又可以采用網(wǎng)絡(luò)通訊。
8)采用微機(jī)顯示,用戶操作界面更人性化,操作直觀方便。
9)提供詳細(xì)的地線使用記錄和查詢,記錄容量大,可存儲2000條記錄。
3 結(jié)論
實(shí)時地線管理系統(tǒng)能有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地線管理的不足,徹底解決臨時地線的操作和日常管理過程中存在的安全隱患。該系統(tǒng)采用ZigBee無線通訊技術(shù),RFID無線射頻技術(shù)和地線管理軟件,可以對地線的掛接位置和狀態(tài)等,進(jìn)行規(guī)范管理,避免地線的隨意使用,防止人為造成的誤掛或漏拆。
實(shí)時地線管理系統(tǒng)不但可以解決目前微機(jī)防誤閉鎖裝置對接地線無法識別管理的問題,而且還能實(shí)時查詢地線是否在地線室指定位置,并且還可以實(shí)時的跟蹤和檢測當(dāng)前各組接地線在現(xiàn)場所掛接的位置及狀態(tài)。做到地線按章使用,規(guī)范管理,有記錄可查詢,防止隨意的使用,為電力安全生產(chǎn)提供有力的保障。
實(shí)時地線管理系統(tǒng)在地鐵二號線渾南停車場運(yùn)行正常,無事故發(fā)生。通過實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)地線管理軟件圖形顯示、操作記錄以及語音提示準(zhǔn)確無誤。綜合考慮地線在使用過程中的特點(diǎn)所研制的“實(shí)時地線管理系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了人在主控室即可實(shí)時掌握現(xiàn)場地線的使用情況,有效地提高了智能化管理水平。

責(zé)任編輯:售電衡衡
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