王海歐，林凌

（1.浙江省電力公司檢修分公司，杭州311232；2.臺(tái)州學(xué)院，浙江臺(tái)州318000）

變電站接地線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開發(fā)

王海歐1，林凌2

（1.浙江省電力公司檢修分公司，杭州311232；2.臺(tái)州學(xué)院，浙江臺(tái)州318000）

接地線在設(shè)備檢修過(guò)程中承擔(dān)著保護(hù)作業(yè)人員人身安全的重任，接地線管理不規(guī)范造成的后果非常嚴(yán)重。因此，提高接地線使用的可靠性是一個(gè)需要重視的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)接地線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了1套基于GSM（全球無(wú)線通信系統(tǒng)）的接地線管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將接地線的借出、歸還情況以及掛接位置等相關(guān)信息通過(guò)GSM發(fā)送到遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)后臺(tái)和相關(guān)人員的手機(jī)，從而加強(qiáng)對(duì)接地線的管理，有效減少現(xiàn)場(chǎng)接地線漏掛、漏拆等行為，避免了由此而產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性。

接地線；在線監(jiān)測(cè)；GSM；單片機(jī)

0 引言

在變電站檢修工作中，除了使用接地閘刀外，有時(shí)要求掛接地線。接地線是線路或電氣設(shè)備停電檢修工作中的一種安全用具，便于攜帶，可在現(xiàn)場(chǎng)靈活使用。接地線的作用是將大地零點(diǎn)電位與電氣設(shè)備相連接，使所檢修的電氣設(shè)備始終處于安全電位，防止線路或設(shè)備誤操作等導(dǎo)致的突然送電對(duì)工作人員和設(shè)備造成傷害。掛接地線是保護(hù)檢修人員安全的屏障，在實(shí)際工作中，由于需要頻繁掛接地線，而掛接地線的操作又看似簡(jiǎn)單，很容易使人產(chǎn)生麻痹思想，經(jīng)常發(fā)生誤掛、誤摘、漏掛、漏摘等誤操作，致使本應(yīng)起到保護(hù)作用的接地線反而成為了重大誤操作隱患。

為了防止帶接地刀閘或接地線送電的惡性誤操作事故的發(fā)生，在變電站一般裝設(shè)“五防”系統(tǒng)，通過(guò)事先設(shè)定的閉鎖條件和機(jī)械及電氣聯(lián)鎖來(lái)防止誤操作的發(fā)生，但是就目前來(lái)說(shuō)只對(duì)接地刀閘有比較好的效果，而對(duì)臨時(shí)加掛的接地線則起不到作用[1]。由于目前接地線的掛接狀態(tài)以及掛接位置都要靠值班員現(xiàn)場(chǎng)觀察得到，其主觀性較大，主要依靠人員的責(zé)任心，易發(fā)生誤操作，存在較大安全隱患。因此需要一種在線監(jiān)測(cè)接地線的系統(tǒng)，使值班員能準(zhǔn)確得知接地線的狀態(tài)和位置，并能查看每條接地線是否被借出、借出的時(shí)間以及掛接的地點(diǎn)等，從而輔助運(yùn)行人員加強(qiáng)接地線管理，減小誤操作的幾率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

隨著越來(lái)越多的變電站開始實(shí)行無(wú)人化值班，主站的工作人員想要掌握各子站現(xiàn)場(chǎng)的接地線情況，就需要采用一種長(zhǎng)距離的信息通信系統(tǒng)，讓遠(yuǎn)離變電站的運(yùn)行人員或相關(guān)專業(yè)人員能夠監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)接地線的借還和掛拆情況。本文設(shè)計(jì)一套基于GSM（全球無(wú)線通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)的接地線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

接地線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3部分組成：由單片機(jī)和GSM組成的接地線監(jiān)測(cè)裝置（負(fù)責(zé)信號(hào)采集以及數(shù)據(jù)傳輸）、用于采集現(xiàn)場(chǎng)接地線位置和狀態(tài)的連接樁頭以及位于遠(yuǎn)端主控室內(nèi)的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

接地線監(jiān)測(cè)裝置一方面采集接地線在安全工器具室內(nèi)的在位情況，另一方面采集借出的接地線在現(xiàn)場(chǎng)的位置和狀態(tài)情況。采集來(lái)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)GSM發(fā)送至遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)后臺(tái)，還可以設(shè)置發(fā)送至相關(guān)人員的手機(jī)，使工作人員遠(yuǎn)程掌握接地線的相關(guān)情況?，F(xiàn)場(chǎng)接地線連接樁頭由系統(tǒng)統(tǒng)一編碼，每個(gè)樁頭的編碼對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的1個(gè)位置，同時(shí)給每個(gè)接地線配置1個(gè)電子身份牌。當(dāng)電子身份牌和接地樁頭連接時(shí)，系統(tǒng)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)獲得接地線的編號(hào)及掛接位置。遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)后臺(tái)則通過(guò)和接地線監(jiān)測(cè)裝置通信來(lái)獲取接地線的相關(guān)情況，并以可視化的方式顯示在后臺(tái)系統(tǒng)上，為值班人員提供現(xiàn)場(chǎng)接地線的相關(guān)信息。接地線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 接地線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 接地線監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)

接地線在線監(jiān)測(cè)裝置主要涉及開關(guān)量的采集和GSM數(shù)據(jù)傳輸，計(jì)算簡(jiǎn)單并且計(jì)算量少，用普通的8位單片機(jī)足以勝任。因此本系統(tǒng)采用STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器STC89C52，其具有8K可編程Flash存儲(chǔ)器、512字節(jié)RAM、內(nèi)置4K EEPROM、4個(gè)外部中斷、1個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)以及全雙工串行口。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能，為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、高效的解決方案，裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 接地線在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

2.1 信號(hào)采集系統(tǒng)

信號(hào)采集系統(tǒng)主要是采集接地線柜中接地線的在位情況以及現(xiàn)場(chǎng)接地樁頭接地線連接情況。

首先，采集位于接地線柜底部的位控開關(guān)信號(hào)，判斷接地線是在位還是離位。為避免因放置位置偏差造成位控開關(guān)有效壓力低，造成接地線在線監(jiān)測(cè)裝置誤判，本設(shè)計(jì)中采用套筒來(lái)固定接地線，把壓控開關(guān)放置在套筒底部，套筒固定在接地線柜內(nèi)，再把接地線放入其中，這樣既美觀又不會(huì)因?yàn)榻拥鼐€沒(méi)放好而誤顯示接地線離位[2]。接地線在位布置如圖4所示。正常在位時(shí)，位控開關(guān)處于受壓狀態(tài)，裝置通過(guò)查詢相應(yīng)控制字來(lái)判斷接地線的狀態(tài)。當(dāng)接地系統(tǒng)從接地線柜中取出時(shí)即觸發(fā)位控開關(guān)，改變相關(guān)控制字，同時(shí)接地線監(jiān)測(cè)裝置給出聲光報(bào)警，并向后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)信，顯示相應(yīng)接地線的離位狀態(tài)[3]。

圖4 接地線在位布置

由于電壓等級(jí)高的變電站一般場(chǎng)地較大，而且其中的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，因此在使用無(wú)線傳輸時(shí)，電氣設(shè)備的電磁場(chǎng)易對(duì)信號(hào)傳輸造成干擾，導(dǎo)致對(duì)現(xiàn)場(chǎng)接地線狀態(tài)的誤判。采用有線傳輸能較好地屏蔽現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

由于單片機(jī)接口有限，而現(xiàn)場(chǎng)接地樁頭數(shù)量又較多，因此采用串口通信較為方便。典型的串行通信標(biāo)準(zhǔn)有RS232和RS485。相對(duì)于RS232來(lái)說(shuō)，RS485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器，抗共模干擾能力強(qiáng)，即抗噪聲干擾性能好；最大傳輸距離可達(dá)3 000 m，在總線上允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器，具有多站連接能力，方便用戶利用單一的RS485接口建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。因此現(xiàn)場(chǎng)接地樁頭采用RS485有線傳輸至單片機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)每個(gè)接地樁頭配1個(gè)簡(jiǎn)單的位控開關(guān)，而每根接地線配1個(gè)電子身份牌，每當(dāng)接地線掛接時(shí)，電子身份牌接入接地樁頭的開關(guān)回路，觸發(fā)給單片機(jī)1個(gè)信號(hào)，再由單片機(jī)判斷該信號(hào)的提供端口以及連接接地線的電子身份牌，查出相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)位置和接地線編號(hào)，從而得出相應(yīng)接地線掛接位置。

2.2 通信系統(tǒng)

GSM是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通信體制中比較成熟且應(yīng)用最廣泛的一種通信系統(tǒng)[4-5]。目前已建成的覆蓋全國(guó)的GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，是我國(guó)公眾移動(dòng)通信網(wǎng)的主要方式。SMS（短消息服務(wù)）是GSM技術(shù)應(yīng)用中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，具有如下優(yōu)點(diǎn)：一次可傳輸140Byte的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)的內(nèi)容可以是字符或數(shù)字，在短消息傳送過(guò)程中，不進(jìn)行呼叫連接建立和釋放；在終端設(shè)備關(guān)機(jī)時(shí)，可以保持消息在一定時(shí)間內(nèi)有效；可方便地實(shí)現(xiàn)小數(shù)據(jù)量的信號(hào)采集和遠(yuǎn)程控制。

因此本文采用GSM短消息方式將采集到的信息和預(yù)先設(shè)定好的內(nèi)容一起通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控后臺(tái)以及相關(guān)工作人員的手機(jī)里。由于GSM網(wǎng)絡(luò)具有重發(fā)、延時(shí)重發(fā)機(jī)制，可以最大程度避免幀發(fā)送錯(cuò)誤、幀丟失的現(xiàn)象，保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。本裝置使用西門子公司的GSM模塊TC35i，通過(guò)AT命令集指令實(shí)現(xiàn)SMS的接收和發(fā)送。

后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用LT8010模塊和遠(yuǎn)端的接地線監(jiān)測(cè)裝置通信。LT8010是利事達(dá)公司生產(chǎn)的一款集成GSM模塊，內(nèi)置SIM卡口。每個(gè)LT8010對(duì)應(yīng)1個(gè)SIM卡號(hào)，用相應(yīng)的AT命令參數(shù)，可以靈活實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多或信息廣播等數(shù)據(jù)傳輸功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

接地線在線監(jiān)測(cè)裝置正常工作狀態(tài)下，程序通過(guò)不斷查詢相關(guān)控制字獲得接地線在位情況，并通過(guò)中斷方式獲取接地線掛接位置的相關(guān)信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制GSM模塊和遠(yuǎn)端后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信，將各個(gè)狀態(tài)及其時(shí)間發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)以及相關(guān)工作人員的手機(jī)，從而為運(yùn)行人員提供接地線狀態(tài)管理依據(jù)。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

此外，由于目前短信息的廣泛使用，各種垃圾信息日益增多。為了避免此類信息對(duì)系統(tǒng)造成的影響，裝置在接收到SMS信息后，首先判斷信息的來(lái)源，由于從GSM通信模塊讀出的內(nèi)容包括了發(fā)送信息的通信模塊的卡號(hào)，只要判斷該號(hào)碼與原先在線監(jiān)測(cè)裝置通信模塊的卡號(hào)是否一致即可，若不一致則直接作刪除處理[6]。同時(shí)也要考慮到在進(jìn)行短消息發(fā)送時(shí)GSM網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)繁忙、發(fā)送失敗的情況，為此，在短消息發(fā)送失敗后會(huì)自動(dòng)重發(fā)，確保相關(guān)信息能被傳送至后臺(tái)。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 接地線在線監(jiān)測(cè)裝置主程序流程

通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)接地線狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接地線在位情況以及現(xiàn)場(chǎng)掛接情況的管理，可有效避免接地線因人為操作不當(dāng)或者現(xiàn)場(chǎng)多種工作同時(shí)開工帶來(lái)的安全隱患，有效保證人身及設(shè)備的安全。同時(shí)利用遠(yuǎn)距離GSM傳輸方式，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)目的，有利于無(wú)人值班變電站的接地線管理。

[1]王理金，李金雄.接地線使用注意事項(xiàng)[J].電力安全技術(shù)，2005，4（7）∶43.

[2]徐建源，竇文君，王愛弘.接地線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（7）∶111-113.

[3]劉家軍，繆俊.新型電力檢修作業(yè)接地線裝置的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（23）∶119-121.

[4]李從榮.利用GSM短消息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[J].電子工程師，2005，31（4）∶34-35.

[5]戴暢，官伯然.GSM無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23（4）∶25-28.

[6]李鴻.用單片機(jī)控制手機(jī)收發(fā)短信息[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)，2004，（11）∶23-24.

（本文編輯：趙曉明）

Research and Development of Online Monitoring System of Substation Grounding Wire

WANG Haiou1，LIN Ling2
（1.State Grid Zhejiang Maintenance Company，Hangzhou 311232，China；2.Taizhou University，Taizhou Zhejiang 318000，China）

The Grounding wire in the process of equipment maintenance bears the important task of protecting personal safety of workers.Meanwhile，the consequence caused by nonstandard management of the grounding wire is very serious.Therefore，improving the reliability of the grounding wire using needs to stressed.For real-time monitoring of the grounding wire，a grounding wire management system has been designed based on GSM（global system for mobile communication）.This system can send information including the records of borrowing and returning and active connection location of grounding wire to the remote monitoring background and cell phones of related personnel via GSM，by which the management of the grounding wire is strengthened and oversight of wire grounding and removing on the site is reduced，and the consequent result is prevented and security of the site work is improved.

grounding wire；online monitoring；GSM；single-chip microcomputer

TM862+.3

B

1007-1881（2015）06-0024-04

2014-12-11

王海歐（1982），男，工程師，從事變電運(yùn)行工作。