作者简介：田志平（1984-），男，硕士，工程师。研究方向为电力系统及自动化。
DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.030
摘 要：集控站是基于多个无人自动化值班变电站实施集成化监控管理的系统，能够在局部电网运行过程中，综合控制所辖变电站，实现更高层次的管理研究。提出基于LORA的共享无线地线管理系统设计与实现方案，方案设计借助数字化和可视化运行模式，在集控站安全管理过程中完成变电站端无线接电线状态的实时采集，实现对集控站所辖变电站接地线的去向管理，在共享无线管理结果过程中，优化资源配置。研究结果表明，集控站安全管理中基于LORA的共享无线地线管理系统设计与实现方案，能够在应用过程中有效辅助变电站完成接地线统一无线管理，防止发生接地线使用不规范所引发的事故。
关键词：物联网；LORA；共享无线地线管理系统；集控站安全管理；变电站
中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）15-0133-04
Abstract： The centralized control station is based on a number of unmanned automatic substations on duty to implement integrated monitoring and management system， which can comprehensively control the substations under their jurisdiction during the operation of the local power grid to achieve higher-level management research. This paper puts forward the design and implementation of shared wireless ground wire management system based on LORA， which is designed with the help of digital and visual operation mode. In the process of the security management of the centralized control station， the real-time collection of the status of the wireless wiring at the end of the substation is completed， the destination management of the grounding wire of the substation under the jurisdiction of the centralized control station is realized， and the resource allocation is optimized in the process of sharing the results of wireless management. The research results show that the design and implementation of the shared wireless ground wire management system based on LORA in the security management of the centralized control station can effectively assist the substation to complete the unified wireless management of the grounding wire and prevent the accidents caused by the non-standard use of the grounding wire.
Keywords： Internet of Things; LORA; shared wireless ground wire management system; security management of centralized control station; substation
LORA是采用1 GHz以下非授权无线电频谱，完成低功耗的超长距离无线数据传输技术，在实际通信距离上，最长可以达到15 km。LORA具备较高灵敏程度，在覆盖范围上更广、穿透性更强，效率远高于传统的串口通信轮询模式，因此，基于LORA可以构建智能感知网络。有鉴于此，为强化集控站运行维护过程中的安全性，辅助变电站完成接地线有效管理，防止发生接地线使用不规范所引发的事故，研究针对集控站安全管理过程中，输变电线路接地线挂设中频繁出现的误挂、漏拆现象，设计与实现基于LORA的共享无线地线管理系统，智能感知接地线去向及接地线挂设安全状态，强化集控站运维、辅助安全生产。
1 基于LORA的共享无线地线管理系统设计思路
1.1 背景技术
为规范外来接地线的使用，防止因接地线使用不规范引发的电气误操作事故，研究积极运用先进的LORA物联网技术，以超高灵敏度与超远传输距离等技术优势，优化集控站安全管理过程涉及设备，使其功耗小、成本低。
LORA在技术上呈现出的主要特点见表1。
一方面，LORA采用最为常见的星型网络拓扑结构，以中心节点为核心连接设备，完成长距离连接需求下的终端节点与网关直接通信，这种星型网络拓扑结构，呈现出较为明显的易维护和易管理特征，能够在设计与共享无线地线管理过程中，有效降低网络复杂程度，成功连接无线传感器节点、LORA网关，轻松识别和隔离单点故障，有效降低运维检修的风险程度，确保智慧电网运行的安全性与稳定性[1]。
表1 LORA的技术特点
另一方面，LORA利用扩频通信技术实现高抗干扰能力，在规划网络过程中采取无线传播模型OKUMURA HATA完成对无线地线管理系统发送端口、通信链路、传播环境与接收端口全部增益与衰减链路的核算，获得网关实际需要数量后，利用提升终端与网关收发灵敏程度的有效方法，覆盖长距离、宽范围与低功耗，为智慧电网提供可靠性更高的运行、检修作业保障，规避发生人身伤害事故[2]。
1.2 设计思路
无线统一管理接地线的痛点在于接地线相互借用的现实问题，为完成对接地线的唯一身份标识，需要赋予集控站下辖各站接地线唯一超高频标签（物理ID），针对性安装识别装置，便于自动录入防误校核与闭锁系统。同时，在系统中增设针对外来接电线的管理模块，严格执行“五防”逻辑，完成对外来接地线的模拟预演、防误校核、状态显示和电脑钥匙数据回传等防误操作管理，防止发生误挂风险和交接遗漏等重大安全隐患。
1.3 系统架构
1.3.1 智能接地线管理装置
系统在综合移动互联网、物联网LORA技术、无线网络等技术的基础上，通过实时监管接地线位置、授权领用与领还等，智能感知接地线去向及接地线挂设安全状态。装置主要由地线管理器主机、地线检测闭锁机构（从机）构成[3]，装置可以利用闭锁状态检测机构，实现对接地线多重身份识别、远程在线监测接地参数和利用电脑钥匙强制闭锁等功能。实现APP登录解锁指定接地线及取用、归还，防止接地线随意取用与任意存放，在集中远程监管接地线过程中，实时将接地线管理信息上传至物联网平台。
1.3.2 超高频超声传感器
在设计过程中，采取特殊的天线一体式设计集成智能读卡器，读取临时接地线的超高频标签，实时将读取到的14位物理ID数据传输发送至地线管理器主机，实现远程超高频标签识别[4]。超高频超声传感器支持主、从机配置，主、从机分别安装在存放温度为-15～+35 ℃、相对湿度80%以下、干燥通风的安全工器具室内和配备适用柜、架的安全工器具室外，如图1所示，通过对接地线超高频标签的识别顺序，判断接地线被取走、被放还。
图1 外来接地线管理系统架构图
1.3.3 超高频标签（物理ID）
对接地线进行唯一编码，如图2所示，由时隙号、资源块号组成。
图2 超高频标签（物理ID）图
1.3.4 地线五防锁（选配）
地线五防锁能够实现针对接地线的首尾闭锁，达到不运用电脑钥匙解锁，就无法伸展的效果，实现外来接地线不经过集控站微机防误操作系统集中控制、统一调度，就无法使用的功能。
2 基于LORA的共享无线地线管理系统设计方案
2.1 系统主要功能需求
2.1.1 智能接地线唯一ID身份标识
为促使接地线的身份标识唯一化，每根接地线上需要安装全球唯一化的身份ID，作为识别接地线唯一识别二维码，规避集控站统一调度接地线过程中发生的接地线身份ID混乱。
2.1.2 规范接地线存取放管理形态
接地线管理过程中，需要运用智能接地线管理装置实施接地线的强制性闭锁管理，有效防止接地线的随意取放、摆放，能够远程在线检测集控站统一调度接地线的库存状态。
2.1.3 临时接地线挂、拆入集控站端防误管理
基于LORA的共享无线地线管理系统需要通过超高频超声传感器录入临时接地线编号，在集控站微机防误系统中，实现对临时接地线的模拟预演、防误校核、状态显示和电脑钥匙数据回传等防误操作管理，防止发生误挂风险和交接遗漏等重大安全隐患。
2.2 系统总体框架搭建
在集控站部署一套智能共享型接地线管理系统，另外，再部署一套可视化智能物联网接地线柜，智能物联网接地线柜能够实现接地线的定置摆放，规范接地线的摆放，便于取用，智能物联网接地线柜同时存放多条接地线并在实现闭锁控制过程中，通过专网接入基于LORA的共享无线地线管理系统。
在集控站下辖变电站部署5G无线数据汇聚终端，用来接收智能物联网接地线柜所发送的数据信息，随即通过专网将数据信息传输至共享无线地线管理系统。每个接地线桩加装1套无线接地线RFID无线射频识别二维码，将二维码码片作为识别每个接地线桩的身份信息，每个接地线头加装1套无线智能互联的接地线头，该接地线头拥有唯一的RFID无线射频识别二维码，可以通过无线网络收发器进行信号的收发[5]。接地线头、接地线桩连接后自动触发信息传送，将对应的接地线头、接地线桩RFID无线射频识别二维码上传至5G无线数据汇聚终端。5G无线数据汇聚终端间通过无线信号互联实现数据信息交叉上传。
2.3 系统总体设计方案
基于LORA的共享无线地线管理系统引入具备智能感知功能的接地线头，智能接地线头具备智能接地线桩监测机构，在检测机构识别到智能接地线桩的RFID无线射频识别二维码及全部智能接地线头的RFID无线射频识别二维码后，智能接地线头能够通过专网将数据信息实时上传至共享无线地线管理系统，以RFID无线射频识别二维码为数据信息基础分配集控站下辖变电站，点对点收录智能接地线桩与接地线头，实现RFID无线射频识别二维码与共享无线地线管理系统点位的一一对应，如图3所示。
图3 总体方案图
将集控站智能物联网接地线柜纳入基于LORA的共享无线地线管理系统进行统一管理。每个智能接地线头、智能接地线桩均带有证明身份的唯一RFID无线射频识别二维码，接地线头、接地线桩连接后自动触发信息传送，将对应的接地线头、接地线桩RFID无线射频识别二维码上传至5G无线数据汇聚终端，5G无线数据汇聚终端在接收数据信息后实时转发至集控站中的共享无线地线管理系统，系统将自动化跟踪接地线的具体去向，在实时查看接地线挂设过程中，防止因挂接失误，造成接地线的漏拆除和漏挂设。集控站下辖变电站运维检修过程中，一旦发生接地线不足的情况，可以从集控站端进行接地线的借用，实现集控站下辖变电站间的接地线跨站使用，优化配置接地线实际数量，实现基于LORA的共享无线地线共享与管理，避免接地线资源的大规模浪费[6]。在后续集控站下辖变电站统一调度接地线过程中，可以将相关数据信息抄送至集控站的接地线调度部门与安全监管部门，以此大幅度强化集控站端接地线的安全管理质量。
3 基于LORA的共享无线地线管理系统实现方式
系统软件部分分为终端软件和主节点软件，2个部分软件功能不同。主节点上电之后处于数据信息的实际接收状态，对接收到数据信息进行处理后实时上传至上位机。物理层协议的实现，主要经由4种数据包格式RTS、CTS、DATA和ACK完成算法的实现，射频芯片对数据信息进行发送、接收和信道检测等操作，其中，信道活动检测主要经由信道活动监测技术完成，在实现系统协议软件方面，以RREQ、RREP、RRER
3种数据包格式完成改进后的协议。
基于LORA的共享无线地线管理系统正常显示情况见表2。
表2 系统正常显示情况表
对基于LORA的共享无线地线管理系统设计射频模块的性能、 网络端到端延迟时间和网络丢包率进行测试。在室外完成针对射频模块通信距离测试，结果可以达到1.2 km。在实验室中搭建无线自组织网络，对系统的实际运行性能进行测试，测试结果表明，网络丢包率和延迟时间符合预期，完成预期功能。
4 基于LORA的共享无线地线管理系统使用流程
4.1 临时接地线进站
将临时接地线纳入安全工器具室统一摆放，超高频超声传感器将自动读取临时接地线RFID无线射频识别二维码并上传微机防误系统，微机防误系统将自动点亮对应临时接地线图元，并显示对应名称。
4.2 临时接地线挂接
在微机防误系统上，需要挂接临时接地线时，直接在挂设位置选取对应临时接地线图元即可，其模拟操作与集控站接地线模拟过程一致[7]。接地线挂设完成，电脑钥匙回传数据后，微机防误系统在对应位置显示临时接地线挂设状态。
4.3 临时接地线拆除
与集控站内接地线拆除过程一致，在防误系统模拟开票流程后，完成电脑钥匙回传数据后，防误系统显示临时接地线的拆除状态。临时接地线放回安全工器具室，超高频超声传感器将精准识别接地线放回后，将状态上传至系统的防误主机，防误主机将直接显示接地线放回安全工器具状态。
4.4 临时接地线离站
超高频超声传感器识别到接地线取出安全工器具室后，将状态自动化上传至系统防误主机，防误主机将立即取消对应临时接地线的在库库存状态，变成不可模拟状态。
5 结论
集控站安全管理中，运用无线网络在线式防误闭锁系统，可实现接地线从出库挂设直至完工拆除入库的全过程状态实时监测，解决因设备信息更新滞后，信息不及时传送引发的设备作业风险及设备管理问题[8]。通过无线汇聚终端打通站与站、站与集控站间的链路，协同管理并实现接地线共享，优化资源配置，是全新、完整的集控站无线接地线管理系统解决方案，可将接地线管理技术提高到新水平，满足现代化使用要求。
参考文献：
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