基于RS-485通信的變電站屏柜門智能鎖門禁系統(tǒng)

劉長富，胡洪武，李付勤，張忠杰，鐘顯，王蕾

（國家電網(wǎng)常德供電公司，湖南常德，415000）

變電站是電力系統(tǒng)輸送系統(tǒng)中重要的一環(huán)，變電站二次屏作為一次設(shè)備保護系統(tǒng)，在實際生產(chǎn)過程中對變電站相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定運行具有十分重要的作用。由于站內(nèi)二次屏數(shù)量多，生產(chǎn)廠家不一致，屏門機械鎖工藝質(zhì)量較差，而二次屏又有較多的檢修與維護作業(yè)，因此暴露出許多問題，因此，解決二次屏門的可靠監(jiān)控是變電運維工作中亟須解決的難題。

1 現(xiàn)狀

通常為了規(guī)范檢修人員的作業(yè)現(xiàn)場，采取在運行二次屏粘貼紅布幔和在工作屏設(shè)置“在此工作”標示牌的安全措施，由于紅布幔僅能起到警示作用，無法可靠閉鎖二次屏門，仍存在事故風(fēng)險，且二次屏數(shù)量較多時，粘貼紅布幔存在很大的工作量，人工粘貼容易出錯并增加了運維難度。針對上述問題，開發(fā)基于電磁鎖裝置的變電站二次屏門安措自動布置系統(tǒng)，通過組態(tài)屏幕，自動將工作運行及檢修狀態(tài)等信息顯示到屏幕上，增加顯示的準確性，降低勞動強度。系統(tǒng)支持屏門的多種開啟方式，包括就地刷卡開啟、變電站主控室集中控制開啟、控制中心遠程開啟。通過設(shè)計檢測系統(tǒng)，能夠精準地檢測屏門開閉狀態(tài)，并遠程顯示。

本文設(shè)計的變電站屏柜門智能鎖借鑒了家庭智能鎖的應(yīng)用場景，為了符合電網(wǎng)公司對于輔控設(shè)備的智能化管理要求，進行標準化設(shè)計，采用基于RS-485標準的通信機制，融入變電站輔控系統(tǒng)。智能鎖門禁系統(tǒng)的主要特點有：（1）采用RS-485通信機制，便于接入變電站輔控系統(tǒng)實現(xiàn)與變電站其他設(shè)備的統(tǒng)一智能管理；（2）專業(yè)的抗電磁干擾設(shè)計，提升設(shè)備的電磁兼容性能，智能鎖的抗磁干擾保障了其可靠性；（3）實時監(jiān)測與顯示二次屏柜門狀態(tài)，智能語音提醒工作人員離開時不要漏關(guān)屏門；（4）智能鎖同時具備軟件開關(guān)與硬件應(yīng)急開關(guān)，確保了系統(tǒng)在任何時刻均處于可控范圍。

2 屏柜門智能鎖門禁系統(tǒng)

該智能門禁系統(tǒng)的輔助設(shè)備監(jiān)控主機可通過接收由門禁系統(tǒng)采集器所采集的各二次屏柜門開關(guān)狀態(tài)來實時監(jiān)測柜門開關(guān)狀態(tài)，并可發(fā)送開關(guān)門指令給采集器并由其下發(fā)至對應(yīng)的門禁系統(tǒng)終端模塊執(zhí)行開關(guān)柜門指令，其中輔助設(shè)備監(jiān)控主機與采集器之間采用485通信，采集器與各門禁系統(tǒng)終端模塊之間采用CAN通信。采集器可輪詢每一個終端模塊并獲取其前后門開關(guān)狀態(tài)。該門禁系統(tǒng)終端連接有二次屏前后門電磁鎖裝置，可通過MCU控制執(zhí)行開關(guān)二次屏門電磁鎖的指令，并通過反饋感知二次屏當前柜門狀態(tài)，并將狀態(tài)實時顯示在LCD顯示屏上，供運維人員參考。其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 智能鎖門禁系統(tǒng)框圖

變電站二次屏門門楣處可裝設(shè)顯示器，屏柜側(cè)面可安裝刷卡區(qū)，電網(wǎng)公司智慧監(jiān)控中心和變電站現(xiàn)場監(jiān)控平臺安裝輔控顯示器，接入終端傳回的柜門狀態(tài)信息，并實現(xiàn)遠程控制和顯示。安裝電磁鎖的二次屏如圖2所示，可在屏門右上方安裝電磁鎖，同時為考慮電磁鎖的可靠性，對部分重要設(shè)備的二次屏門，可采用上下雙鎖的安裝結(jié)構(gòu)。為了不改變屏柜門整體結(jié)構(gòu)，采用暗裝的方式完成現(xiàn)場施工。屏柜門楣處為屏門狀態(tài)顯示器，關(guān)閉狀態(tài)下顯示“運行設(shè)備”，開啟狀態(tài)下顯示“在此工作”，箱柜側(cè)面為刷卡開鎖感應(yīng)區(qū)。

圖2 二次屏設(shè)計圖

門禁系統(tǒng)控制終端主要由電磁鎖、LCD、CAN構(gòu)成，其系統(tǒng)控制示意圖如圖3所示。

圖3 門禁系統(tǒng)控制終端示意圖

屏柜的開關(guān)門通過控制電磁門鎖的吸合與否來實現(xiàn)，在屏門內(nèi)部安裝有門禁系統(tǒng)控制終端，在屏柜門上安裝彩色LCD顯示屏，CPU通過檢測霍爾元件的反饋信號來獲取屏門的開閉狀態(tài)。正常運行工況下，屏柜處于關(guān)門狀態(tài)，屏柜上方的顯示屏顯示“運行設(shè)備”，發(fā)出屏門開啟指令后，屏門打開，相應(yīng)的顯示屏顯示“在此工作”。終端模塊不斷采集屏門異常狀態(tài)反饋信息，并與實時的屏門狀態(tài)進行比較，若此時處于開門狀態(tài)，則忽略異常狀態(tài)反饋信息；若此時處于關(guān)門狀態(tài)，則異常狀態(tài)反饋生效，若關(guān)門狀態(tài)下觸發(fā)了異常狀態(tài)位，則表示屏門并未按規(guī)定關(guān)好關(guān)牢，存在安全隱患，此時屏幕發(fā)出等待關(guān)門警示語音及相應(yīng)的圖片顯示，并向系統(tǒng)發(fā)送報警信息，當人工介入恢復(fù)正常后，警報解除，屏幕恢復(fù)“運行設(shè)備”顯示。屏門的開啟與閉鎖通過電磁鎖線圈的通斷控制。

3 輔控監(jiān)管與智能控制

為實現(xiàn)智能鎖的統(tǒng)一管控，電磁鎖需要接入國網(wǎng)變電站輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。輔控系統(tǒng)由國網(wǎng)南瑞開發(fā)，因此界面部分需要南瑞設(shè)計，通信協(xié)議按照輔控系統(tǒng)已有規(guī)約設(shè)計。根據(jù)輔控系統(tǒng)的相關(guān)通信協(xié)議，有兩種接入方案可供選擇：一是智能鎖控系統(tǒng)采用485通訊規(guī)約接入站內(nèi)已有的485就地模塊，再接入智慧站輔控平臺。該方案優(yōu)點：前端設(shè)備配置簡單，只需要配置具備485通訊功能的鎖控設(shè)備，485通訊方式較為成熟，利用站內(nèi)已有的485就地模塊進行規(guī)約轉(zhuǎn)換實現(xiàn)通信。缺點：前端設(shè)備數(shù)量過多造成485通訊的點表較多，調(diào)試工作量大；二是智能鎖控系統(tǒng)采用61850通訊規(guī)約直接接入站內(nèi)智慧站輔控平臺交換機。該方案優(yōu)點： 61850通訊廠家配置好ICD文件，調(diào)試簡單。缺點：前端設(shè)備需要在方案一的基礎(chǔ)上額外配置一臺IED設(shè)備，研發(fā)成本較大，產(chǎn)品不成熟極易出現(xiàn)通訊異常情況，且不好處理。經(jīng)過綜合比較，智能鎖門禁系統(tǒng)通信采用方案一設(shè)計。

3.1 輔控系統(tǒng)與采集器通信協(xié)議設(shè)計及實現(xiàn)

輔控系統(tǒng)主機與采集器之間采用485通信，485總線通信采用差分信號負邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示。不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。485通信接口是采用平衡驅(qū)動器和差分，接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。其最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kbps的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。

485通信數(shù)據(jù)格式如表1所示。其中主機通信內(nèi)容為門禁終端地址+功能碼+起始地址+數(shù)據(jù)個數(shù)+校驗位組成，固定8字節(jié)。采集器返回數(shù)據(jù)由門禁終端地址+功能碼+字節(jié)長度+數(shù)據(jù)內(nèi)容+校驗位組成，不固定字節(jié)長度。

表1 數(shù)據(jù)包格式

其功能碼與寄存器地址如表2所示，分別有讀寫功能碼和5個相應(yīng)的可讀/寫寄存器。

表2 功能碼及地址

具體的寄存器地址內(nèi)容如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)解析內(nèi)容

采集器通過485通信將采集到的數(shù)據(jù)反饋給輔控主機。主機根據(jù)該通信協(xié)議對反饋數(shù)據(jù)進行讀取和分析，最終解析出當前屏柜狀態(tài)。同時輔控主機根據(jù)通信協(xié)議拼接指令，傳達給采集器并下發(fā)至門禁系統(tǒng)控制終端，實現(xiàn)對屏柜門狀態(tài)的智能感知與實時控制。

3.2 輔控系統(tǒng)軟件界面展示

實現(xiàn)變電站屏柜門智能鎖門禁系統(tǒng)的輔控系統(tǒng)界面如圖4所示。輔控系統(tǒng)通過遠端網(wǎng)關(guān)機與遠端服務(wù)器建立連接，實時反饋門鎖狀態(tài)，實現(xiàn)電磁鎖的智能管理。

圖4 輔控監(jiān)視主機界面

網(wǎng)關(guān)機與服務(wù)器之間通過套接字(Socket)連接。套接字是網(wǎng)絡(luò)中不同主機上的應(yīng)用進程之間進行雙向通信的端點的抽象。一個套接字就是網(wǎng)絡(luò)上進程通信的一端，提供了應(yīng)用層進程利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交換數(shù)據(jù)的機制。從所處的地位來闡述，套接字上聯(lián)應(yīng)用進程，下聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，是應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行通信的接口。

屏柜門電磁鎖終端與輔控系統(tǒng)監(jiān)控平臺采用光纜進行物理連接，利用TCP協(xié)議進行通信，實現(xiàn)了屏柜門狀態(tài)的可靠監(jiān)控與智能管理。對需要打開的柜門，點擊圖4右側(cè)“屏柜授權(quán)”，授權(quán)“在此工作”再點“確定”，對應(yīng)的門鎖斷電去屏柜前打開門，等待2秒鐘左右對應(yīng)門的授權(quán)狀態(tài)信號由“運行設(shè)備”變?yōu)椤霸诖斯ぷ鳌薄?/p>

系統(tǒng)實時顯示安裝有電磁鎖的屏柜門狀態(tài)，實現(xiàn)了屏柜門的在線監(jiān)控；電磁鎖授權(quán)開門功能實現(xiàn)了屏柜門的統(tǒng)一管理，屏柜門上顯示屏實時更新狀態(tài)，極大減少了現(xiàn)場安措的工作量。配合變電站的其他輔控手段，便于故障定位；對于未授權(quán)、異常開啟的屏柜門，電磁鎖會將狀態(tài)以告警形式呈現(xiàn)在監(jiān)控界面，提醒值班人員關(guān)注現(xiàn)場狀況；系統(tǒng)存儲了屏柜門的歷史開門及告警記錄，相較于傳統(tǒng)機械鎖，大大提高了管理水平，實現(xiàn)了屏柜門的智能控制。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)通過服務(wù)器與輔控系統(tǒng)、輔控系統(tǒng)與采集器之間兩種通信機制的聯(lián)合設(shè)計，實現(xiàn)屏柜門狀態(tài)的實時感知與智能監(jiān)控。電磁鎖及相關(guān)電路控制板的設(shè)計考慮了有效的濾波電路，進行合理的元器件分區(qū)布局，提升設(shè)備的電磁兼容性能，確保門禁設(shè)備可靠運行?？紤]到變電站內(nèi)部對于無線信號嚴格的管理規(guī)范，布設(shè)專門的通信線路，選擇合適的有線通信接入變電站輔控系統(tǒng)。在系統(tǒng)的開門軟件設(shè)計環(huán)節(jié)，深入梳理相應(yīng)的授權(quán)機制，形成邏輯嚴密的授權(quán)體系，結(jié)合可儲存芯片的信息、遠程通信手段等，實現(xiàn)了正常的開關(guān)門控制程序設(shè)計。

本系統(tǒng)通過融入國網(wǎng)輔控系統(tǒng)軟件監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了變電站屏柜門的實時監(jiān)控與智能管理，提高了二次安措布置過程中的工作效率，具備極強的推廣價值。