周 婷，管 州，王 政，賴政瑞

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市余杭區(qū)供電公司，浙江 杭州 311100）

變電站繼電保護(hù)室內(nèi)屏柜緊密排列，各種控制屏、保護(hù)屏外形相同顏色一致，對(duì)不熟悉繼電保護(hù)室內(nèi)屏柜位置的工作人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間去尋找對(duì)應(yīng)的屏柜。此外，在開展檢修工作時(shí)，須要停運(yùn)部分屏柜并懸掛警示標(biāo)志，提醒人們哪些是運(yùn)行設(shè)備，哪些是須要停運(yùn)的設(shè)備[1]。工作人員如果不能區(qū)分屏柜的工作狀態(tài)，不清楚哪些屏柜及其控制的設(shè)備線路需要停運(yùn)檢修，極易產(chǎn)生誤操作，造成事故。

在繼電保護(hù)室布置安全措施時(shí)，需要綜合考慮相鄰屏柜情況，相鄰屏柜的前后左右均放置紅布，且在工作屏柜的前后放置“在此工作”標(biāo)示牌，防止工作人員走錯(cuò)間隔[2]。

為提升安全措施布置效率，文獻(xiàn)[3]中提出在繼保保護(hù)屏正面的頂端安裝一個(gè)安全措施盒。安全措施盒參照卷尺彈簧結(jié)構(gòu)，像卷尺般卷收布簾，包括“在此工作”“運(yùn)行中”2 種布簾，直接翻盒子的分組標(biāo)示號(hào)碼牌實(shí)現(xiàn)分組[3]。另外，也有利用不銹鋼材質(zhì)的掛鉤實(shí)現(xiàn)屏柜上布置安全措施[4]。

本文旨在通過電子式標(biāo)識(shí)牌和投影燈，替代繼電保護(hù)室內(nèi)實(shí)體的安全措施，并通過識(shí)別算法和單片機(jī)控制，讓繼電保護(hù)室內(nèi)安全措施實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別、一鍵布置，提升安全措施布置效率。

1 變電站繼電保護(hù)室安全措施布置基本流程

變電站繼電保護(hù)室內(nèi)放置有多個(gè)屏柜，屏柜內(nèi)常設(shè)有保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、自動(dòng)裝置、故障錄波裝置、交直流裝置、蓄電池等設(shè)備。當(dāng)某屏柜需要開展檢修工作時(shí)，運(yùn)維人員將采取保證安全的技術(shù)措施，簡(jiǎn)稱“安措”，主要內(nèi)容是確認(rèn)須開展工作的屏柜后，找到相鄰屏柜，懸掛“運(yùn)行設(shè)備”紅遮布，并在工作屏柜前后放置“在此工作”標(biāo)示牌，提醒檢修人員注意工作地點(diǎn)，布置流程如圖1 所示。

圖1 變電站繼電保護(hù)室安全措施布置流程

從流程圖1 中可以看出，繼電保護(hù)室內(nèi)安全措施布置的流程包括尋找屏柜、懸掛紅遮布、放置標(biāo)示牌3 個(gè)環(huán)節(jié)。

2 繼電保護(hù)室安全措施電子化可行性分析

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)室安全措施布置方式采用人工布置方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)人員身高有一定的要求?？紤]到繼電保護(hù)室內(nèi)安全措施只有紅遮布和標(biāo)示牌，只須要將這2 項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行電子化。參考智能家居系統(tǒng)中采用電動(dòng)窗簾、智能電燈等自動(dòng)設(shè)備，若將電子設(shè)備引入到繼電保護(hù)室的安全措施中，能夠?qū)崿F(xiàn)安全措施自動(dòng)布置。

“運(yùn)行設(shè)備”紅遮布參考電動(dòng)卷簾，將印有“運(yùn)行設(shè)備”的紅布設(shè)計(jì)成卷簾，嵌入到轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)內(nèi)，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)能夠帶動(dòng)“運(yùn)行設(shè)備”紅遮布的釋放與收回，如圖2 所示。

圖2 電子式紅遮布布置方案

“在此工作”標(biāo)示牌可采用投影燈方式，設(shè)計(jì)好具備傳統(tǒng)標(biāo)示牌的透鏡，通過投影的方式在地面顯示“在此工作”，達(dá)到提示效果，且可以通過電源通斷的方式控制標(biāo)示牌的打開與關(guān)閉，如圖3 所示。

圖3 電子式“在此工作”標(biāo)識(shí)牌方案

電子式標(biāo)示牌和紅遮布為安全措施自動(dòng)布置提供可控終端，是實(shí)現(xiàn)智能化布置安全措施的必要條件。

3 繼電保護(hù)室安全措施自動(dòng)布置系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

引入智能家居中模塊組合的原理，將繼電保護(hù)室內(nèi)安全措施布置變得智能化、電子化。本文中系統(tǒng)應(yīng)由4 個(gè)模塊構(gòu)成，包括人機(jī)交互模塊、通信模塊、安全措施布置模塊、供電模塊。其控制關(guān)系如圖4 所示。

圖4 各模塊連接示意圖

各模塊的功能為：

人機(jī)交互模塊顯示繼電保護(hù)室內(nèi)電子屏柜圖，即繼電保護(hù)室內(nèi)屏柜分布情況，運(yùn)維人員在人機(jī)交互模塊上選擇對(duì)應(yīng)的工作屏柜，系統(tǒng)運(yùn)行識(shí)別算法自動(dòng)判定安全措施類型；

無線通信模塊能夠接收人機(jī)交互模塊的指令信號(hào)，并發(fā)送給多個(gè)單片機(jī)，該單片機(jī)根據(jù)指令信號(hào)對(duì)安全措施進(jìn)行控制；

安全措施布置模塊包含自動(dòng)卷簾和電子式標(biāo)示牌，自動(dòng)卷簾能夠自動(dòng)布置“運(yùn)行設(shè)備”紅遮布，電子式標(biāo)示牌能夠投射出“在此工作”標(biāo)示牌，發(fā)揮電子式標(biāo)示牌的優(yōu)勢(shì)；

供電模塊是為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交直流供電。

3.1 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊能夠通過簡(jiǎn)單操作實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置設(shè)備的控制和操作，由硬件設(shè)備和識(shí)別算法構(gòu)成。作為本系統(tǒng)的核心，所設(shè)計(jì)算法需要大量的邏輯運(yùn)算，因此要求單片機(jī)的運(yùn)算速度快。

3.1.1 單片機(jī)

單片機(jī)是一種集成電路芯片，經(jīng)過對(duì)比，最終選擇STC8A8K64S4A12 系列單片機(jī)，運(yùn)算速度快，具有64 KB FLASH ROM、8 KB SRAM、5 個(gè)定時(shí)器、5 個(gè)外部中斷、43 個(gè)I/O 口和12 路高精度ADC。

3.1.2 觸摸屏

觸摸屏是一種可接收觸頭等輸入信號(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置，經(jīng)過對(duì)比，選用2.8 寸ILI93xx 系列觸摸屏，屏幕的分辨率為320×240，是16 位真彩屏顯示，自帶電阻式觸摸板，能顯示65 536 種顏色。設(shè)計(jì)TFT 液晶屏顯示界面，并設(shè)置多個(gè)功能鍵，包括“取消”“重置”“執(zhí)行”“復(fù)位”等，如圖5 所示。

圖5 觸摸屏顯示方式

3.2 無線通信模塊

無線通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，由微控制器接收信號(hào)進(jìn)一步對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。它可以根據(jù)交互模塊提供的信息準(zhǔn)確判斷須要?jiǎng)幼鞯碾妱?dòng)卷簾、電子式標(biāo)識(shí)牌，從而實(shí)現(xiàn)安全措施的自動(dòng)化布置。

該模塊可以完成人機(jī)交互模塊與安措布置模塊之間的信息傳遞，有穩(wěn)定的傳輸能力及傳輸距離，能夠有效實(shí)現(xiàn)各模塊間的智能互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)智能化、高效化的使用體驗(yàn)。本文分析藍(lán)牙、ZigBee 和GL24S3 種方案。

藍(lán)牙是一種無線數(shù)據(jù)和語音通信開放的技術(shù)，它可以基于近距離無線連接，為固定和移動(dòng)設(shè)備建立通信環(huán)境；Zigbee 無線網(wǎng)關(guān)是一種低功耗、低速率的短距離無線通信技術(shù)。它適用于須要構(gòu)建小型、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景；GL24S 芯片有較好的信號(hào)傳輸穩(wěn)定性，當(dāng)障礙物多的情況下依舊可以抗干擾。經(jīng)過對(duì)比，最終選用GL24S 芯片進(jìn)行站內(nèi)信號(hào)傳輸。

該模塊還要通過單片機(jī)控制無線通信模塊，在接收到控制模塊的信號(hào)后，可通過解碼控制信號(hào)并控制管狀電機(jī)和電子標(biāo)牌電源通斷，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)卷簾的上升與下降、電子式標(biāo)識(shí)牌的打開與關(guān)閉，該單片機(jī)采用STC89C52 即可滿足控制需求。

3.3 安全措施布置模塊

安全措施布置模塊根據(jù)變電站安全措施布置要求，由電動(dòng)卷簾和電子式標(biāo)識(shí)牌組成。如前所述，電動(dòng)卷簾能夠自動(dòng)布置“運(yùn)行設(shè)備”紅遮布，采用紅遮布+管狀電機(jī)組合而成。電子式標(biāo)示牌采用投影燈，透鏡上印有標(biāo)示圖案，能夠投射出“在此工作”標(biāo)示牌。

3.4 供電模塊

供電模塊可以為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠電源，保證安全措施布置模塊正確運(yùn)行。本系統(tǒng)需要穩(wěn)定交流電源，通過各屏柜內(nèi)的照明電源接入，為投影燈和管狀電機(jī)供電，另外，交流電源還須要轉(zhuǎn)化為3.3 V直流電壓，為單片機(jī)、通信設(shè)備等芯片供電，完成安全措施的布置。

供電模塊選用交直混供的方式，電壓波動(dòng)率＜5%，所提供電源可以隨情況自動(dòng)切換，當(dāng)裝置任一路電源失電后仍可繼續(xù)供電，保障裝置運(yùn)行可靠穩(wěn)定，如圖6 所示。

圖6 混合供電模塊示意圖

4 算法分析

如圖7 所示，繼電保護(hù)室內(nèi)的屏柜分布無規(guī)律，開展檢修工作涉及多個(gè)屏柜，安全措施布置非常復(fù)雜，尤其是傳統(tǒng)的綜合自動(dòng)化變電站，屏柜數(shù)量多，安全措施布置工作量大。

圖7 安全措施識(shí)別算法

通過人機(jī)交互模塊可以將屏柜的位置分布情況導(dǎo)入到模塊中，運(yùn)維人員選取須要開展工作的屏柜，算法自動(dòng)識(shí)別哪些屏柜須要布置安全措施，時(shí)間短、效率高。

首先在M×N的數(shù)組中儲(chǔ)存了變電站保護(hù)室的屏柜分布圖，遇到備用屏柜或空屏柜則存為0；然后通過數(shù)組存儲(chǔ)交互式屏幕獲取的工作屏柜信息、存儲(chǔ)的是工作屏柜相鄰間隔信息和前后方的屏柜信息，通過遍歷各個(gè)屏柜的方式實(shí)現(xiàn)須要布置安全措施信息的識(shí)別。

5 策略實(shí)施及可行性驗(yàn)證

5.1 供電模塊測(cè)試

在直流供電方面，選用的是額定輸出直流電壓5 V，額定容量為2 500 mA·h 的鋰電池；在交流供電方面，設(shè)計(jì)了整流電路，即AC/DC 轉(zhuǎn)換電路，輸入電壓設(shè)計(jì)支持115～265 V，輸出電壓為直流5 V，最大功率25 W；加裝了供電自動(dòng)切換裝置，初始時(shí)由直流電源供電，當(dāng)直流電源輸出不符合設(shè)定值后自動(dòng)切換至220 V 交流整流供電。經(jīng)多次測(cè)試，能實(shí)現(xiàn)裝置要求，測(cè)試結(jié)果如表1 所示，測(cè)試結(jié)果表明直流供電穩(wěn)定可靠。

表1 供電模塊測(cè)試情況

5.2 無線通信模塊測(cè)試

根據(jù)變電站繼電保護(hù)室內(nèi)環(huán)境要求，GL24S 芯片在不同工況下滿足傳輸距離 ≥50 m，通過電腦上的串口軟件進(jìn)行傳輸性能測(cè)試，在地點(diǎn)1、地點(diǎn)2、地點(diǎn)3、地點(diǎn)4 分別測(cè)試信號(hào)，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 GL24S 芯片傳輸距離測(cè)試

5.3 整體測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

將整個(gè)模塊進(jìn)行組裝，如圖8 所示。

圖8 整體組裝效果（以3 個(gè)屏柜為例）

根據(jù)識(shí)別算法進(jìn)行程序編寫，要求系統(tǒng)安全措施類型判定正確率 ≥99.9% 。經(jīng)擬定任務(wù)對(duì)系統(tǒng)多次模擬測(cè)試后，結(jié)果滿足要求，測(cè)試如表3 所示。

表3 系統(tǒng)測(cè)試

在2023 年3—5 月通過在某變電站繼電保護(hù)室內(nèi)不定期的任務(wù)進(jìn)行多次試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)安措布置的正確率及時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 變電站工作測(cè)試 min

由此可見，使用變電站繼電保護(hù)室安全措施一鍵布置系統(tǒng)后，布置安全措施所需平均時(shí)間僅需1.58 min，對(duì)比使用前的15.23 min，安措布置時(shí)間縮短為原來的10.3%。通過識(shí)別算法，還能避免人為失誤而造成的漏掉布置安全措施的情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全措施智能化、電子化。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠極大減少運(yùn)維人員在安全措施布置環(huán)節(jié)花費(fèi)的時(shí)間，布置安措所需平均時(shí)間僅需1.58 min，大大縮短工作時(shí)間，有效提升工作效率，節(jié)省更多人力資源，檢修人員能夠更早地開展工作。此外，工作結(jié)束以后的安全措施收回時(shí)間也得到了明顯縮短，下降到0.55 min，有效提高安全措施布置效率，縮短設(shè)備停電時(shí)間。