基于RFID技术的变电站内临时接地线定位管理系统的研究
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摘要: 随着物联网技术的进一步发展，利用射频识别技术可以将更多的现场设备信息传输到调度后台，从而实现设备的智能化管理.提出了一种基于rfid射频识别技术实现变电站内临时接地线的集中管理、运行过程的监控以及目的地定位的设计方法，介绍了系统的构成、硬件结构以及工作原理，其优良的结构设计能够保证在电磁干扰环境条件下系统的稳定可靠运行，能够满足电力系统场合的需要.
关键词: RFID;电子标签;定位管理;网络
中图分类号:TN 919
文献标志码:A文章编号:1672-8513(2011)06-0515-04
The Positioning Management for the Temporary Grounding Wires in the Transformer Substation Based on RFID Technology
GUO Fangying, LI Ying
(School of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650051, China)
Abstract: With the further development of the network, using the RFID technology can get more information from the remote equipment so as to realize its intelligent management. Based on RFID technology, this paper proposes the design for the centralized management of temporary grounding wires in the transformer substation, the operation process monitoring and destination positioning. It also introduces the structure of the system, the hardware structure and the working principle, whose fine structure can guarantee the stability and reliability of the system under the electromagnetic interference and satisfy the needs of the power system.
Key words: RFID; electronic tag; locating management; network
变电站内临时接地线的管理在管理考核中也是一个重要的环节，科学管理对于减少事故也起到重要的作用，据统计全国因临时接地线使用不当造成的事故占全部误操作事故的60%[1].目前临时接地线管理大多是借助机械结构定位的方式，根据工具有没有在固定的位置上来判断工器具有没有使用，这种方式结构简单但是功能单一;另外有些变电站虽然采用了射频技术，通过读卡器读取卡号信息，来判断工器具在不在固定的位置，但是该技术适用于集中管理，不能对工器具的使用过程实现实时的定位，因而有一定的局限性.为了克服以上技术的不足，并针对当前电力检修部门接地线管理的现状，结合电力企业工作实际，并把RFID成熟的技术和物联网的设计融合在一起，通过智能读卡器识别电子标签，可以实现工具的集中管理、运动过程中的定位以及目的地的定位，并实现对接地线的状态判断、位置确定以及为检修人员提供准确的提示和告警信息等功能，因而可以有效地杜绝带地线合闸等恶性误操作事故的发生，最大限度地保障电网、设备和人身安全，具有很强的应用价值.
1 系统的构成
临时接地线定位管理系统主要有读卡器、电子标签、定位管理监控软件、数据库和网络传输设备组成.读卡器固定在临时接地线或者固定在工具柜上，用来读取电子标签上的数据；电子标签作为数据载体，并且具有世界上唯一的编码[2]，可以存储设备的各种有用信息，例如：设备的型号、生产厂家，检修记录等信息，而且价格低廉；读卡器读取电子标签时，就可以将包含的产品信息发送到读卡器内；定位管理监控软件以图形化的界面形式将临时接地线的状态显示在屏幕上，并且可以实现接地线运动轨迹的回放；数据库用来存储采集到设备的各种信息;网络传输基于TCP/IP 协议技术，将数据通过光纤网络实时地传送到调度中心，调度人员可以及时地掌握临时接地线的工作状况.系统框图如图1所示.
1.1 系统工作原理
在每条电力临时接地线上安装有地址号唯一的电子标签，当接地线处于未使用状态的情况下，电子标签与读卡器放在一起，如果电子标签离开读卡器的话，表示接地线处于被取走状态.所有的读卡器通过485总线连接，总线与网络交换机连接后可以将接地线的状态信息实时地传送到调度主站，在变电站内也可以通过MCGS组态监控软件实时地监控接地线的使用情况.
以一个变电站为单位根据现场的实际需要，预先安装读卡器，读卡器的数量根据变电站的面积和读卡器的覆盖范围而定，当带有电子标签的接地线经过读卡器的位置的时候，读卡器会自动读取电子标签的信息，同时还可以根据读卡器信号的强弱、信号的方向等方式判断电子标签的位置，数据经过处理后在后台监控软件上可以模拟出接地线的运行轨迹，读卡器接收到数据信息后，通过无线的方式将数据传送到采集终端，最后通过网络将数据传送到后台调度，从而实现接地线的过程监控.系统过程监控框图如图2所示.
2 智能读卡器硬件结构
智能读卡器的硬件原理框图如图3所示，读卡器内部的调制电路产生一定频率的电磁波（识别的距离范围与频率的强弱有关），电磁波从天线向空间发射，当电子标签进入读卡器的识别范围后，电子标签内部的天线感应到这个磁场，并且形成感应电压，对这个电压进行整流等信号处理后成为电子标签工作的电源电压.同时，电子标签将数据传送到读卡器内，读卡器接收到这些数据后，通过时钟线、数据输出线、数据输入线与MCU连接，MCU接收到数据后，驱动语音芯片，将采集到的电子标签的地址以语音的形式输出，提醒工作人员是不是在正确的位置工作.同时将数据进行打包处理，通过无线的方式将数据传送到采集主机上，从而实现数据的采集和处理工作.
3 软件设计
读卡器在进行电子标签识别的时候必须注意的问题就是数据的防碰撞处理，特别是在过程监控的时候，可能同时有多个电子标签同时被一个读卡器识别到，还有可能多个读卡器识别到同一个电子标签[3]，为了防止数据的碰撞和及时传输，必须进行数据的防碰撞处理[4]，主要的防碰撞方法有：时分法、频分法和码分法等，本程序设计时采用的是时分多路法.本系统软件的编程由C语言实现，主要解决读卡器的初始化、电子标签的数据读取、数据防碰撞处理以及数据的无线传输等方面问题.软件流程图如图4所示.
3.1 变电站内监控软件
站内监控软件采用MCGS组态软件实现，该软件系统包括组态环境和运行环境2个部分[5].组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统;运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能.与国内外同类产品相比，MCGS 51组态软件具有以下特点：全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面[5]，符合国内技术人员的使用习惯和要求，真正的32位程序，可在Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/XP等多种操作系统下运行.
3.2 变电站站内组态监控软件界面的设计
利用 MCGS组态软件编写主运行界面.主运行界面有3部分组成:第1个界面包括所有智能电力临时接地线身份识别号以及状态信息，如图5所示为利用组态软件搭建的第1界面的示意图，绿灯表示智能电力接地线在工具柜里面，处于待使用状态；红灯表示离开工具柜，处于工作状态，状态信息实时更新，检测时间间隔可由用户自行设计.第2个界面把变电站的平面图放到MCGS界面中，在变电站内所有可能使用到接地线的地方，在平面地图上做出标记，如果从工具柜内取出的接地线到达工作位置上，自动将信息传输到MCGS软件上，对应地点的标记指示灯将闪烁.第3个界面为数据库处理界面，主要包含的信息有：接地线取走和放回的时间以及使用频率等，用户可以很方便地查询任意一条接地线的资料信息.本监控软件还包含操作权限窗口，不同级别的工作人员可以查询到不同的资料信息.
3.3 组态软件协议
利用MCGS组态软件提供的脚本开发程序，可以很方便地实现软硬件的连接，MCGS组态软件目前支持Modbus通讯规约,暂时不支持电力规约CDT，所以脚本程序开发时需要做一个脚本转换才能与电力系统常用的CDT规约结合在一起.组态软件通信协议主要有全部接地线信息采集定时上报报文、读卡器故障报文和读卡器故障恢复报文组成，本系统设计的电力临时接地线管理系统默认的临时接地线的数量为40条，实际数量可根据用户接地线的数量进行调整.本系统的数据区功能表分别为0XF0、0XF7、0XF8，其中故障检测和恢复为即时上报，其中故障恢复连续上报3次后自动取消.
3.3.1 全部采集信息定时上报报文
EB 90 EB 90 EB 90 71 F4 02 01 01 9C F0 FF FF FF FF 28 F1 FF 00 00 00 27
下划线部分为标准CDT规约固定报文部分，F0 为数据区功能码，5个FF报文位置分别代表40组地线的遥信信息，默认为FF即地线均为放回状态.其中第1个字节FF为1~8号地线信息，其最低位代表1号地线，最高位为8号地线，依次第2个字节FF代表9~16号地线，第3个字节FF代表17~24号地线，第4个字节FF代表25~32号地线，第5个字节FF代表33~40号地线，该数据位位置为1代表地线放回状态，该数据位位置为0代表地线取出状态.
3.3.2 读卡器故障报文
每个读卡器地址与地线上电子标签号码相对应，当某读卡器出故障时，相应地线信息将不能进行采集，此时就认为相应位置的读卡器故障，这个位置与地线号码一致，当相应位置数据位为1时，表示该位置读卡器出故障，为0则正常.
EB 90 EB 90 EB 90 71 F4 02 01 01 9C F7 3C 00 00 00 9E F7 00 00 00 00 DF
假设有40组地线，上述报文代表3、4、5、6、7、8号地线读卡器故障，其它读卡器工作正常.
3.3.3 读卡器故障恢复报文
每个读卡器地址与地线号码相对应，当某读卡器故障恢复时，相应地线信息重新进行采集.
EB 90 EB 90 EB 90 71 F4 02 01 01 9C F8 01 00 00 00 F9 F8 00 00 00 00 EF
假设有40组地线，上述报文代表1号地线读卡器由故障状态恢复.
4 结语
基于RFID技术的变电站内临时接地线定位管理系统的应用，可以使事故后报警改为事故前预警；将接地线人工管理变为智能科学化的实时监视；将运行人员的现场目测检查死角变为全方位自动化监视；将分散的巡视检查变为集中监控，该系统满足数字化变电站的建设要求，同时随着物联网技术的推广，变电站内所有带智能电子标签的设备都可以融入到监控的范围内，实现真正的智能化、数字化管理.
参考文献:
［1］陈志根.智能临时接地线管理系统变电站的应用问题［J］.湖北电力，2010,34（6）：9-10.
［2］黄锐,梁庆龙,张宝珠.变电站临时接地线在线监测系统［J］.中国高新技术企业，2010,33:87-88.
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