邢曉敏，陳 成，佟邢宇，張鵬宇

(1．東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2．國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司赤峰供電公司，內(nèi)蒙古赤峰024000;3．吉林省電力有限公司，吉林長春130021)

根據(jù)國家電網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)字表明，帶接地線(接地刀閘)合閘的惡性事故占各類電力安全事故的首位［1］．因此，對接地線使用過程的有效監(jiān)管一直是各級電力企業(yè)高度關(guān)注的焦點之一．這就需要一套有效的系統(tǒng)來對變電站內(nèi)的臨時接地線進行管理，最大程度地降低事故發(fā)生概率［2］．

目前，大多數(shù)新建變電站都為智能變電站，采用的是一體化五防系統(tǒng)，即由測控裝置來實現(xiàn)本間隔的開關(guān)、刀閘遙控操作，以及實現(xiàn)“五防專用閉鎖器”的解、閉鎖操作，而不再采用獨立五防系統(tǒng)．對于臨時接地線的管理主要是在常規(guī)變電站或者獨立五防系統(tǒng)中采用的“臨時接地線管理系統(tǒng)”［3］、“離線式電腦鑰匙回傳方式”、“一體化五防在線式接地線管理方式”以及“新一代在線監(jiān)控臨時接地線管理系統(tǒng)”［4］．這些管理方式都存在一定的問題:不能兼顧獨立五防系統(tǒng)的常規(guī)變電站和一體化五防系統(tǒng)的智能變電站;需要額外鋪設(shè)電纜或者搭建無線專用網(wǎng)絡(luò);過多依靠制度防誤和人為判斷，即容易產(chǎn)生誤掛/拆，漏掛/拆等安全問題［5］以及大多只提及對現(xiàn)場接地線的管理，而沒有將室內(nèi)地線柜中的臨時地線和現(xiàn)場臨時接地線進行區(qū)分，實現(xiàn)更加智能化的管理．

針對上述常用方法存在的問題，本文基于IEC61850標準提出了全方位無盲點監(jiān)測的智能接地線管理系統(tǒng)的開發(fā)和應用方案．

1 系統(tǒng)原理

隨著智能電網(wǎng)新技術(shù)應用的不斷深入，電網(wǎng)調(diào)控一體化要求滿足調(diào)度遠方遙控操作到冷備用，保障刀閘操作的安全防誤．而現(xiàn)有調(diào)控一體化系統(tǒng)仍存在一些不足，如調(diào)控中心信息不全面，缺失臨時地線、網(wǎng)門等監(jiān)控系統(tǒng)未采集的設(shè)備信息以及對光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)中基于IEC61850標準進行傳輸?shù)慕拥氐堕l信息不能充分識別利用等．這些不足均可導致防誤邏輯校驗精準度偏低［6］．因此，實時、準確地獲取臨時接地線、網(wǎng)/柜門的閉鎖狀態(tài)信息，實現(xiàn)主站與五防系統(tǒng)操作的相互閉鎖功能具有重要的現(xiàn)實意義．

本文研發(fā)的智能接地線管理系統(tǒng)可以與常規(guī)變電站的獨立五防系統(tǒng)聯(lián)合使用，實現(xiàn)對室內(nèi)、外臨時接地線的綜合管理，也可以與智能變電站的一體化五防系統(tǒng)監(jiān)控主機聯(lián)動，監(jiān)控室內(nèi)地線柜中臨時接地線的取/用狀態(tài)和室外臨時接地線的掛/拆狀態(tài)信息，以及網(wǎng)/柜門的解/閉鎖等操作，避免發(fā)生漏掛/拆，誤掛/拆等誤操作;考慮到實際室外現(xiàn)場存在監(jiān)測設(shè)備需要額外供電和強磁干擾等特殊情況，室內(nèi)地線柜內(nèi)采用無線式低功耗閉鎖，室外現(xiàn)場采用帶iButton信息紐扣的機械閉鎖．iButton信息紐扣是美國Dalise半導體公司的專利產(chǎn)品，與現(xiàn)在常用的IC卡等檢測裝置相比較，具有抗磁干擾、抗撞擊、防水、耐腐蝕、不需要額外供電、適應溫度范圍寬等優(yōu)點［7］．該系統(tǒng)不需要單獨鋪設(shè)電纜和搭建無線專用網(wǎng)絡(luò)，既降低了成本，又減少了后期維護．

2 整體架構(gòu)

為兼容智能變電站，本系統(tǒng)相應功能也按IEC61850標準中規(guī)定的站控層、間隔層和過程層三層架構(gòu)體系進行劃分［8］，其中地線管理上位機軟件分布在站控層;手持地線狀態(tài)采集器(以下簡稱采集器)接入間隔層;智能地線柜及地線樁防誤閉鎖器安置于過程層．系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示．

圖1 智能接地線管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

2．1 站控層

系統(tǒng)依托獨立五防主機和一體化監(jiān)控主機實現(xiàn)站控層防誤，并將地線所有監(jiān)管信息傳至上位機管理軟件進行綜合管理．上位機管理軟件基于JAVA語言和SQL數(shù)據(jù)庫搭建，實現(xiàn)對室內(nèi)外臨時接地線和接地刀閘使用情況的記錄、檢索等功能，并以圖形化界面和LED屏的形式直觀顯示，以便變電站工作人員觀察．為了確保顯示的實時性，顯示控制模塊將收到的信息轉(zhuǎn)換成串口信息發(fā)送給LED屏，上位機管理軟件需要不停地發(fā)送顯示信息，刷新顯示數(shù)據(jù)．同時，系統(tǒng)還能把智能變電站基于IEC61850標準傳輸?shù)男畔⒅幸寻慕拥氐堕l信息采集過來一并實現(xiàn)對接地刀閘/臨時接地線的實時監(jiān)管，提高防誤邏輯校驗的精準度．

2．2 間隔層

采集器接入間隔層，實現(xiàn)間隔層防誤．采用1－Wire通信協(xié)議通過ATmega16L平臺進行控制，完成與各個地線樁防誤閉鎖器以及站控層的通信．考慮變電站的實際規(guī)模問題，為了確保信息傳遞的可靠性，系統(tǒng)采用遠距離無線通信SX1278擴頻模塊完成與站控層系統(tǒng)的通信．SX1278應用LORA擴頻技術(shù)，具有低功耗，傳輸距離遠(有效距離5 km)，抗干擾能力強等優(yōu)點，能滿足覆蓋操作區(qū)域的要求．考慮到若網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不理想等特殊情況，本系統(tǒng)還設(shè)置了接觸式回傳信息方式，即手持地線狀態(tài)采集器直接通過串口向站控層傳輸數(shù)據(jù)，以確保防誤邏輯校驗的精準度．為了滿足常規(guī)變電站和智能變電站的不同需求，采集器通信采用GOOSE通信機制．

2．3 過程層

過程層柜內(nèi)地線閉鎖器和地線樁防誤閉鎖器分別實時監(jiān)控室內(nèi)地線柜中臨時接地線和室外現(xiàn)場臨時接地線、網(wǎng)/柜門和手動刀閘等設(shè)備，并且實現(xiàn)位置和設(shè)備的點對點信息采集．

地線樁防誤閉鎖器的設(shè)計選用iButton信息鈕扣．每一個iButton信息紐扣都有其安全的、獨一無二的、可用于尋址的64位ROM碼，數(shù)據(jù)通過1－Wire協(xié)議(單總線協(xié)議)串行傳輸．設(shè)計時只需要一根數(shù)據(jù)線和一根地線［9］．手持地線狀態(tài)采集器通過一個三態(tài)端口連接到單總線，使其在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線，讓地線樁防誤閉鎖器使用總線，進而控制閉鎖器的解/閉鎖．具體工作方式為:iButton信息紐扣和對應的地線樁防誤閉鎖器都固定在現(xiàn)場接地樁、網(wǎng)門、開關(guān)柜門、手動刀閘等設(shè)備處，每個信息紐扣中都含有對應設(shè)備的位置信息．當操作人員持采集器按照操作票的步驟到規(guī)定設(shè)備處，將其與信息紐扣接觸完成信息采集、傳輸與接收，并按照防誤比對結(jié)果完成解/閉鎖等操作．

由于室內(nèi)不存在監(jiān)測設(shè)備供電困難和強磁干擾等特殊環(huán)境，因此柜內(nèi)地線閉鎖器采用無線式閉鎖器，其應用高斯頻移鍵控調(diào)制(GFSK)，多通道微功率無線數(shù)據(jù)傳輸，并內(nèi)置可靠的掃描糾錯編碼處理能力，抗突發(fā)干擾，能夠自動濾除錯誤及虛假信息［10］．變電站操作人員按操作票到室內(nèi)臨時地線柜中拿取地線，先按動柜內(nèi)地線閉鎖器按鈕，編號通過NRF2401模塊向站控層的一體化監(jiān)控主機或獨立五防主機發(fā)送地線編號［11］，信息經(jīng)過站控層的比較分析，如果滿足操作票和全站防誤要求則向柜內(nèi)地線閉鎖器發(fā)送“解鎖”命令，反之發(fā)送“閉鎖”命令，給出告警并在臨時地線柜的顯示屏上顯示“操作有誤，請核對后操作”．

3 硬件功能的實現(xiàn)

本系統(tǒng)按功能可以劃分為四個組成部分，分別為地線管理上位機軟件、手持地線狀態(tài)采集器、室內(nèi)地線柜內(nèi)閉鎖器和現(xiàn)場基于iButton信息紐扣的地線樁防誤閉鎖器．本節(jié)著重介紹分布在間隔層和過程層的三部分硬件功能的實現(xiàn)．

3．1 手持地線狀態(tài)采集器的設(shè)計

3．1．1 硬件總體結(jié)構(gòu)

3.2.1 肉眼下小鼠乳腺腫瘤外觀形態(tài)特征 腫瘤離體后肉眼下觀察可見，乳腺腫瘤呈不規(guī)則的長橢圓形、球形或結(jié)節(jié)形，外表有完整的包膜包被，顏色為肉紅色，有豐富的血管包裹，部分腫瘤分化生長成多個瘤體，或者有黑色的壞死區(qū)，質(zhì)硬。結(jié)果見圖1。

采集器主要功能是將iButton信息紐扣中收集的信息發(fā)送至站控層．考慮采集器的封裝尺寸和通信速率等問題，設(shè)計采用I2C總線協(xié)議，通過串行數(shù)據(jù)(SDA)線和串行時鐘(SCL)線在連接到總線的器件間傳遞信息．由于iButton信息紐扣數(shù)據(jù)信息的讀取采用單總線1－Wire協(xié)議，選取DS2482－100作為1－Wire主機．本設(shè)計還選擇了ATmega16作為采集器的微控制器芯片，結(jié)合1－Wire主機對采集到的信息進行綜合處理．手持地線狀態(tài)采集器硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示．

圖2 手持地線狀態(tài)采集器硬件結(jié)構(gòu)

3．1．2 1－wire 主機電路設(shè)計

1－wire主機是基于1－wire協(xié)議而衍生出的一種器件，它是手持地線狀態(tài)采集器中的最核心部分．所謂主機和從機都是根據(jù)相對主從順序而人為規(guī)定的一種具有類似上下級關(guān)系器件，用以區(qū)分二者的復雜關(guān)系．綜合考慮，本系統(tǒng)設(shè)計選用DS2482－100作為 1－wire主機，是 I2C 與 1－wire的橋接器件，可直接與標準(最大100 kHz)或快速(最大400kHz)I2C主控制器連接，在本系統(tǒng)中1－wire主機與ATmega16微控制器相連接．實現(xiàn)ATmega16微控制器和1－Wire從機即本系統(tǒng)的iButton信息紐扣之間的雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換．相對于iB-utton信息紐扣而言，DS2482－100相當于1－Wire主機，其核心電路，如圖3所示．

3．1．3 手持地線狀態(tài)采集器的軟件設(shè)計

該部分軟件功能的實現(xiàn)主要是通過1－Wire通信協(xié)議完成與分散安裝的地線樁防誤閉鎖器的信息交互，通過if(DS2482_100_Read_DS1990A_ID(0x30，ID))循環(huán)讀取閉鎖器的鎖號 ID，通過crc=crc_array［crc^j［i］］查表得到一個 CRC，直到 if(crc==0 ＆＆ j［0］==0x01)判斷 CRC 校驗和家族碼正確則為讀取成功，綠燈亮，否則紅燈亮，其中0x30為1－Wire主機在I2C總線上的寫地址．將EEPROM中滿足CRC校驗的鎖號對應的現(xiàn)場臨時接地線的設(shè)備信息和位置信息按照GOOSE報文的編碼幀格式進行編碼，并通過遠距離無線通信方式發(fā)送到站控層的防誤主機或一體化監(jiān)控主機，經(jīng)過綜合分析，并把解/閉鎖信息通過遠距離無線通信方式發(fā)送到手持地線狀態(tài)采集器，進而通過信息紐扣控制機械式閉鎖器的動作．信息以基于IEC 61850標準的GOOSE報文快速傳輸機制進行傳輸，為一體化監(jiān)控系統(tǒng)的信息共享提供了支持，同時在常規(guī)變電站中也能通過信息解析將現(xiàn)場臨時接地線信息顯示出來．手持地線狀態(tài)采集器操作流程的設(shè)計，如圖4所示．

圖3 1－wire主機核心電路

圖4 手持地線狀態(tài)采集器操作流程圖

3．2 柜內(nèi)地線閉鎖器的設(shè)計

柜內(nèi)地線閉鎖器是智能地線柜的核心功能．該設(shè)計選取紅外感應開關(guān)E18－D80NK作為檢測傳感器．它是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，檢測距離為前方3 cm～80 cm(可以調(diào)節(jié))，采用直流5 V供電，只有1根信號線輸出，輸出的信號為開關(guān)量，即高電平或者低電平．無線通信采用支持SPI串行且最大的傳輸速率為2Mbps的NRF2401模塊．

柜內(nèi)地線閉鎖器軟件主要是通過紅外感應開關(guān)檢測柜內(nèi)臨時地線的狀態(tài)信息并通過無線模塊上傳給站控層，最終完成遙控解/閉鎖操作．當操作人員按照操作票對柜內(nèi)臨時接地線進行操作時，按下閉鎖器上的觸發(fā)按鍵，就會向站控層獨立五防主機或一體化監(jiān)控主機發(fā)送請求信息．站控層根據(jù)當前臨時地線的狀態(tài)和基于操作票及全站邏輯防誤規(guī)則的分析，如果滿足要求則向無線防誤閉鎖器發(fā)送“解鎖”命令，反之發(fā)送“閉鎖”命令．當不滿足取地線要求時，系統(tǒng)發(fā)出告警并在臨時地線柜的顯示屏上顯示“操作有誤，請核對后操作”．閉鎖器操作流程，如圖5所示．

3．3 地線樁防誤閉鎖器設(shè)計

采集器通過一個三態(tài)端口連接到單總線，三態(tài)端口的控制使能端EN無效時，采集器釋放總線，讓地線樁防誤閉鎖器使用總線．地線樁防誤閉鎖器的設(shè)計電路除了按鍵和液晶顯示電路、RS232通信電路和遠距離無線傳輸模塊電路外，包含了采集器的所有硬件電路設(shè)計及機械鎖驅(qū)動和執(zhí)行單元電路．

地線樁防誤閉鎖器軟件主要是在不同信息紐扣對應不同設(shè)備的情況下，將現(xiàn)場臨時接地樁、網(wǎng)/柜門和手動刀閘等設(shè)備和信息紐扣進行點對點信息編碼，即將設(shè)備信息和位置信息寫入對應的信息紐扣，如本系統(tǒng)中信息紐扣的注冊碼5B0000008048D502對應某變電站一條線路側(cè)接地樁．當采集器讀取信息紐扣中對應設(shè)備的設(shè)備信息和位置信息時，如果滿足要求則信息紐扣控制地線樁防誤閉鎖器完成解鎖操作，反之閉鎖操作．

在變電站光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)中基于IEC61850標準的GOOSE報文進行傳輸?shù)慕拥氐堕l信息不能充分識別利用．GOOSE報文的應用協(xié)議描述文件遵循ASN．1抽象語法標記的BER編碼規(guī)則，BER編碼的基本格式為TLV(Tag－Length－Value)格式．編碼后的GOOSE報文中IECGoosePdu的元素allData所反映的信息直接決定相應接地刀閘動作．鑒于變電站操作人員無法直接讀取GOOSE報文信息，本系統(tǒng)基于JAVA語言和Wireshark軟件對allData數(shù)據(jù)集中的信息進行解析，并能在站控層主機上以圖例和數(shù)據(jù)的形式清晰、直觀的顯示出來，既能方便變電站工作人員觀察又能提高全站防誤邏輯校驗的精準度．

圖5 柜內(nèi)地線閉鎖器軟件設(shè)計流程

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

本文研發(fā)的智能接地線管理系統(tǒng)在全面調(diào)研了現(xiàn)場需求的基礎(chǔ)上，既考慮到對智能電網(wǎng)新技術(shù)的適應，又兼顧了經(jīng)濟性．歸納起來有一下幾方面優(yōu)勢:

(1)系統(tǒng)基于智能變電站通用的IEC61850標準進行研發(fā)，不僅能滿足常規(guī)變電站對臨時接地線的管理要求，而且適用于智能變電站對監(jiān)控和防誤一體化的要求．較目前已有的大多數(shù)類似產(chǎn)品而言，本系統(tǒng)解決了智能變電站中基于IEC61850標準傳輸接地刀閘GOOSE報文信息不能充分識別利用的問題，不但能夠監(jiān)測臨時接地線實時狀態(tài)，而且還能有效監(jiān)測接地刀閘的實時工作狀態(tài)．

(2)系統(tǒng)實現(xiàn)了從室內(nèi)地線柜到室外現(xiàn)場對臨時地線的全程無縫智能化管理．本系統(tǒng)研發(fā)了室內(nèi)智能地線柜和現(xiàn)場接地線實時監(jiān)測裝置，通過基于1－Wire通信協(xié)議的iButton信息紐扣對現(xiàn)場臨時接地線、網(wǎng)/柜門、手動刀閘等設(shè)備進行唯一編碼和識別，實現(xiàn)了對現(xiàn)場臨時接地線等設(shè)備的點對點信息采集和實時對位，進而實現(xiàn)了站控層對設(shè)備狀態(tài)進行在線監(jiān)控．

(3)系統(tǒng)不需要額外鋪設(shè)電纜或搭建專用無線網(wǎng)絡(luò)．考慮現(xiàn)場工況，室內(nèi)外采用不同的防誤閉鎖器，即地線柜內(nèi)采用無線式閉鎖器;室外地線樁防誤閉鎖器采用基于信息紐扣的機械式閉鎖器，有效地解決了無線傳輸設(shè)備戶外供電、傳輸時信號易受現(xiàn)場強磁強電的干擾而產(chǎn)生誤碼問題．

該系統(tǒng)操作方便、維護簡單、可靠性高、通用性強、具有良好的可擴展性，能準確管控臨時接地線的工作狀況，避免帶接地線合刀閘等惡性電力事故的發(fā)生，減少國家的財產(chǎn)損失和電網(wǎng)工作人員的傷亡，這將對構(gòu)建堅強智能電網(wǎng)，獲得更大的經(jīng)濟效益與社會效益具有推動作用．

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)在吉林省某供電公司已成功試點運行半年有余．所有自主研發(fā)的硬件設(shè)備運行狀況良好，很好地實現(xiàn)了對臨時接地線的監(jiān)管，有效地杜絕了臨時接地線誤掛/拆，漏掛/拆等誤操作的發(fā)生;室內(nèi)外臨時地線的區(qū)別式管理，大大提高了變電站臨時接地線管理的規(guī)范水平;系統(tǒng)同時也實現(xiàn)了對網(wǎng)/柜門、手動刀閘等設(shè)備的實時管控，確保調(diào)控一體化信息全面采集，提高了調(diào)度遙控操作的安全性，真正做到了智能臨時接地線管理系統(tǒng)的全方位無盲點監(jiān)測．

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