基于RFID的高压试验安全防护与管控系统

摘 要：为了保证高压试验中人身安全并管控操作流程，开发了一种基于RFID（射频识别）和GPRS移动通信技术的高压试验安全防护与管控系统。本文介绍了系统功能、设计原理和硬件以及软件系统的详细设计。大量现场测试表明，该系统工作稳定可靠，能严格保证试验中人员的安全，并能实时监控试验现场状况。

关键词：高压试验；安全防护与管控；RFID技术；GPRS

中图分类号：TM81 文献标识码：A

高压试验是电力设备和电力系统运行维护的一个重要环节，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。为了模拟电气设备在运行时的情况，很多试验项目要给设备加高电压和局部放电，并且因其地点移动、时间不定性及电压级别不等性，很容易对安全工作造成威胁[1，2]。国家电网公司已制定了一系列的安全规范和措施，如规定了高压试验安全距离，规定了安全操作规程 ，加强试验人员的安全意识，实行互相监督制度等一些措施。但实践中仍然会发生因为试验人员经验不足、麻痹大意或者违章作业、监护不到位而导致人身伤亡的悲剧。

高压试验任务的日益繁重，迫切需要开发一套能够对试验人员人身安全起防护作用和管控试验流程的系统，以避免安全事故、提高工作效率并增强试验人员安全意识。本文介绍的安全防护与管控系统利用RFID技术[3]进行试验人员定位，结合红外感应探测和重力感应信号，推断试验工作中潜在危险，通过声光报警和自动跳闸等设计进行告警和自动切断供电电源以保护人身安全。通过GPRS移动数据网络，将各关键工作时点的状况实时发送到监控中心服务器，保存试验现场状况，便于事后评价和事故原因追溯。

1 系统总体设计

高压试验现场通常包括两个区域——试验区和电源控制区，安全防护与管控系统包括RFID定位子系统、现场控制子系统和局端管控子系统等，系统布置与总体结构如图1所示。工作人员到达试验现场，先在试验区内布置RFID定位子系统，包括工作人员携带的双频标签和一台射频识别器构成，射频识别器持续发射125KHz低频唤醒信号，当标签处于其识别范围内时会被唤醒，并通过射频发送模块发射433MHz射频信号给识别器。然后在电源控制区内布置现场控制子系统，其核心设备是控制器，主要功能是：1）接收射频识别器发送来的射频信号——“XX号工作人员在识别区”数据帧；2）采集4个方向的红外感应信号和重力感应信号；3）根据RFID人员定位信息、红外感应及重力感应信号，推断工作状况和潜在危险，通过控制分合闸执行机构、声光报警模块进行告警并自动切断供电电源；4）记录各关键工作时点的状况和信号，通过GPRS移动数据网络发送到监控中心服务器。位于管控中心的远程管控子系统负责记录试验人员工作状况和试验流程到数据库，并提供事后查询、评价和安全事故原因追溯。

2 硬件设计

根据上节分析的系统结构和功能要求，设计了工作人员佩戴的标签、射频识别器和现场控制器的硬件电路，其具体设计方法分别介绍如下。

2.1 射频识别子系统硬件电路设计

为了定位工作人员是否在试验区，利用125KHz低频信号单工通信和433MHz信号双工通信相结合的方式，标签集成了接收低频唤醒信号和高频信号收发功能，射频识别器集成了发送125KHz低频信号和高频信号收发功能，具体设计如图2和图3所示。标签电路的MCU采用低功耗芯片MSP430，可以在长时间无低频唤醒信号时进入休眠状态以节省电源消耗；识别器电路采用NXP 公司推出的基于ARM Cortex-M3 内核的微控制器LPC1768。识别器通过高速MOSFET驱动器TC4422驱动激励端125KHz的天线形成电磁场覆盖试验区域（一般覆盖半径1-3米可调），标签则利用模拟前端器件MCP2030接收125KHz低频信号。标签和识别器的433MHz信号收发电路基于Nordic 公司的单片无线收发芯片nRF905设计，采用高抗干扰GFSK调制，通信可靠、工作稳定。

2.2 现场控制器硬件电路设计

现场控制器在识别器电路基础上删除了低频信号发射电路，增加了GPRS通信电路，并增加了读取红外传感信号和重力感应信号以及输出分合闸控制信号和声光报警信号等功能。相关外围传感模块和报警、分合闸执行机构采用现成模块实现[4，5]。4组红外感应模块分布在试验区四周，直接接入控制器的通用输入/输出端口，当探测到人员遮挡时输出高电平信号，否则输出低电平信号。重力感应器判断工作人员是否位于控制区，离开时输出高电平。分合闸执行机构把控制器输出的信号经三极管驱动后对继电器5 V 侧线圈进行控制，继电器常开触点与交流接触器的辅助线圈连接，实现对交流接触器的拉合闸操作。

3 软件设计

系统涉及的软件包括三个部分：基于RFID的人员定位子系统软件负责检测识别区内人员，并将其工号发送到现场控制器；现场控制器软件是通过采集到的红外感应信号、重力感应信号以及识别区内人员工号等，综合判断安全状况及决定是否自动分闸，并通过GPRS发送相关信息到管控中心服务器；在管控中心，由管控子系统软件记录试验人员的工作状况，并具有违规报警和历史事件查询功能。

3.1 RFID定位子系统软件设计

RFID定位子系统包括识别器和多个标签，它们的软件设计如下。标签的软件设计主要以超低功耗为目标，上电后进行必要的系统初始化，然后进入深度睡眠，直到外部中断（接收到125KHz低频信号）唤醒，将员工号通过nRF905发送到识别器，其后又进入深度睡眠，以最大程度地降低功耗。识别器上电后初始化系统后，就不间断地定时（200ms）发送125KHz低频信号，等待接收来自标签的回复，若收到标签发来的员工号则发送到现场控制器，如果等待超时则等200ms后继续发送低频信号。

3.2 现场控制器软件设计

现场控制器软件设计的核心是实时监测可能影响安全的外部输入并及时输出报警和跳闸信号，所以红外感应和重力感应信号都采用外部中断触发方式，保证快速跳闸和报警。在以下三种情况下，控制器输出声光报警和跳闸信号：（1）任何一路红外感应信号出现高电平脉冲触发中断，表明有人员闯入试验区；（2）收到识别器发送的标签编号，表示工作人员滞留在试验区；（3）重力感应器输出高电平触发中断，表明试验人员离开电源控制区。上述情况出现时，控制器通过GPRS模块发送数据帧到监控中心服务器[6]，报告现场报警跳闸事件。

3.2管控子系统软件设计

管控子系统的软件在监控中心服务器运行，服务器的IP地址是公网的IP地址且开通GPRS数据服务功能。数据库设计和客户端软件设计两部分。数据库采用SQL Server2008设计，存储工作人员信息表、试验现场感应信号数据表和报警事件记录表等表格，并根据GPRS接收到的数据帧实时更新。客户端软件则提供实时报警事件显示、历史报警记录查询、员工工作状况查询以及汇总工作过程中各事件并生成报表等功能，便于高压试验中各种状况的总结与分析，便于事故原因调查和事件追溯，进而为优化试验流程和提高安全保障提供有益的数据支撑。

4 结论

本文研制的高压试验中人身安全防护与管控系统，将射频识别技术用于试验区内工作人员定位，采用红外传感器进行试验区边界人员闯入管理，利用重力感应装置进行电源控制区人员的位置管控，确保了试验过程的安全；通过GPRS数据通信把现场工作状况实时传回监控中心，有效实现了工作全流程的记录，便于事后追溯和试验过程评估。目前，系统已经在某市供电局经过大量现场测试和应用，系统运行稳定，测试效果良好。下一步将完善现场控制器的安装和监管子系统软件功能，面向全省高压试验开展产品推广。

参考文献：

1. 成晓龙. 高压试验安全保证措施探析[J]. 中国电力教育， （23）： 229-230， 2013.

2. 曹小龙， 曹小虎， 吉玲等.高压试验工作中应重视的安全问题[J]. 电力安全技术， （12）： 55-57， 2010.

3.郭献崇， 康俊霞， 谢芳. 基于RFID技术的智能电网MIS的构建[J].电源技术， 36（6）： 832-833， 2012.

4.仲崇山， 韩筱慧， 吴冰等. 高压试验人身安全防护系统的研制[J]. 华中电力， （5）： 25-28， 2009.

5.钱锡颖， 舒建华. 新型高压试验安全防护装置设计分析[J]. 机电信息， （3）： 114-115， 2012.

6. 张忠会， 章璟， 欧峻彰. 基于GPRS的一种新型电力系统在线检测系统的设计[J].

电力系统保护与控制， 38（9）： 105-108， 2010.

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