国网西安供电公司等单位张龙、黄亭 等：智能变电站安全措施自动布设系统的研制与应用

随着电力行业的快速发展，充分应用先进通信技术、人工智能、移动互联等现代信息技术，实现电力系统各环节的人机交互、万物互联，拥有应用便捷灵活、信息处理高效、状态全面感知特征的智慧化工作系统越来越重要。众多电力相关设施采用自动控制技术来提升智能化管理水平和安全管控能力，改善了传统方案的局限性。

在设备检修工作中，运维人员进行倒闸操作后需要根据工作票内容布置安全措施，包括装设遮栏、红布幔、标示牌等保证作业人员的工作安全。传统的安全措施人工布设方式耗时费力，需要多种安全工器具，难以满足当前发展智能变电站的各项要求。此外，安全措施中需要有防误机制，以控制并分析整个作业过程，当发现违规行为时，立即提醒或禁止，减少事故发生，提高作业的安全性与可靠性。因此，研发一套安全措施智能布设系统十分必要。

针对变电站围栏现存的智能化、自动化程度低等问题，本文设计变电站可见激光网格红外光栅电子围栏预警系统，利用投影灯、显示液晶屏和可见激光网格替代红布幔、标示牌等；自行开发磁吸式空气开关保护盒，由安全措施布设卡激活，微型电吸铁通电工作，限制保护盒的开启，达到空气开关防误操作的目的。

1  智能变电站安全措施自动布设系统设计方案

1.1  整体架构

智能变电站安全措施自动布设系统采用物联网技术、移动通信技术、自动控制技术，实现安全措施智能布设。设计基于超高频的射频识别（radio frequency identification, RFID）读写器操作界面，将工作票安全措施布设内容写入安全措施布设卡中，实现运维人员辨识、安全措施任务下达等功能；运维人员领取安全措施布设卡到达指定操作区域后，刷卡激活安全措施布设命令，实现以下三方面安全措施的自动布设。

1）智能启动红外光栅电子围栏，替代软硬遮栏人工布设，如检测到非法入侵，可实现现场报警。

2）智能启动投影灯+显示屏，替代标示牌等的人工布设，投影灯根据安全措施布设卡中的命令，自动显示“运行中”“止步，高压危险”“从此进出”“在此工作”等文字，显示屏自动显示“禁止合闸，线路有人工作”“禁止合闸，有人工作”等文字。

3）智能启动自主研发的磁吸式空气开关保护盒，显示屏可显示“禁止合闸，有人工作”等文字及图片，替代悬挂标示牌，不仅提高了安全系数，而且避免了悬挂标示牌的人工操作，极大地提高了工作效率。

系统整体架构如图1所示。系统为分布式布置，基于总线分发原则，采用单配电柜模块级联，进而实现整体配电柜智能匹配组网，根据RFID标签信息，判断需要操作及布防的配电柜，实现电子化自动布防。

图1  系统整体架构

1.2  部署方案

1）系统控制原理

传统的工作票安全措施布置需要人工操作，运维人员根据工作票指令，按操作任务类型进行分类组织管理，其中的安全措施包括：装设遮栏、红布幔、标示牌等；通过五防来保证操作人员的操作安全。传统布设方式的工作任务量大且过度依赖人工核对，存在较高风险。

利用物联网技术可将安全措施布设任务编号写入基于超高频的RFID安全措施布设卡中，下发给操作人员进行现场读卡，实现任务读取并启动相关安全措施布设程序。图2为智能变电站安全措施自动布设系统控制原理，其中WiFi网络不使用外部网络，而是项目组建的内部局域网，可在实现内部通信的同时有效保障网络安全。

图2  智能变电站安全措施自动布设系统控制原理

2）系统软件设计

双击智能变电站安全措施自动布设系统软件图标后可打开软件，显示界面如图3所示。图3中，现场布置区分为GIS室、高压室和中控室三个区域。如需对某台机柜布设安全措施，点击对应的机柜即可实现一键写卡操作，并实时显示安全措施布设状态。

图3  软件显示界面

3）系统功能设计和实现方式说明

（1）超高频RFID安全措施布设卡读写

对危险区域的红外光栅电子围栏、显示屏+可见激光束、磁吸式空气开关保护盒进行编号，利用超高频RFID读写器，将工作票安全措施布设内容写入安全措施布设卡中；领到布设卡的操作人员到现场读卡，激活相关命令，实现工作票安全措施的智能布设。

（2）安全措施智能布设

成功读取安全措施布设卡后，激活工作票中的安全措施布设命令，智能启动红外光栅电子围栏，替代软硬遮栏的人工布设，如检测到非法入侵，立即报警；智能启动投影灯+可见激光束，替代红布幔、标示牌等的人工布设；智能启动磁吸式空气开关保护盒，显示屏可显示“禁止合闸，有人工作”等文字及图片，替代悬挂标示牌。上述布设方法不仅可以提高安全系数，而且可以避免人工布设，极大地提高了工作效率。

（3）自动报警

用户可根据实际情况选择或组合合适的报警方式，以保证异常发生时的告警通知到达率。变电站内可实现联动警铃、警示灯等其他报警方式。

红外对射电子围栏工作原理如图4所示。一对红外对射光栅分为发射端和接收端两个部分，发射端发射不可见红外光线，接收端接收信号。若发射端与接收端之间被遮挡，接收端发送信号给上位机报警。在使用红外对射电子围栏时只能看见光点，看不到光束，需将发射端和接收端对齐使用，指向角小于3°，有效检测距离为20m。

图4  红外对射电子围栏工作原理

红外自反射电子围栏（适用于高压室）工作原理如图5所示。红外自反射光栅一头为发射端，另一头为反射板。发射端发射信号，反射板用于反射发射端信号，若发射端与反射板之间被遮挡，则发射端发送信号给上位机报警。在使用红外自反射电子围栏时只能看见光点，看不到光束，需将发射端和反射板对齐使用，有效检测距离为20m以内可调。

图5  红外自反射电子围栏工作原理

2  智能变电站安全措施自动布设系统现场应用

2.1  智能启动红外光栅电子围栏替代软硬遮栏的人工布设

在开关前间隔工作时，由于需要在1512汇控柜进行检查，因此关闭1512汇控柜前的红外光栅，打开相邻开关间隔的红外光栅、可视光栅和“止步，高压危险”投影灯，打开1512开关及刀开关操作把手上的的“禁止合闸，有人工作”显示屏和“在此工作”投影灯。

1512间隔汇控柜工作安全措施布置如图6所示。图6中，①为“止步，高压危险”的投影灯；②为可视光栅，视觉效果如⑤所示；③为对射光栅，与支架④搭配使用，当检测到有物体靠近时发出报警。

图6  1512间隔汇控柜工作安全措施布置

2.2  智能启动投影灯+显示屏替代标示牌等人工布设

1）电缆后间隔工作安全措施布设

由于需要在1539电缆间隔进行检查、试验等工作，因此前间隔不需要开启红外光栅，在开关、刀开关操作把手上打开“禁止合闸，有人工作”“禁止合闸，线路有人工作”显示屏，在后间隔打开“在此工作”的指示灯，在相邻电缆间隔设置红外光栅、可视光栅和“止步，高压危险”投影灯。1539电缆操作布置效果如图7所示。

图7  1539电缆操作布置效果

2）保护屏工作安全措施布设

由于需要在保护室18P监控主机屏进行工作，因此需要打开18P前后“在此工作”投影灯，在相邻及对面间隔打开“运行中”投影灯。18P监控主机屏工作安全措施布置如图8所示。

传统工作票安全措施布设，使用悬挂标识牌实现开关柜内空气开关的防误操作，不仅费时费力，

图8  18P监控主机屏工作安全措施布置

而且空气开关位置不一，给悬挂操作增加了不必要的难度。

自行开发的磁吸式空气开关保护盒由安全措施布设卡激活，微型电吸铁通电工作，限制保护盒的开启，达到空气开关防误操作的目的。另外，可以利用显示屏显示“禁止合闸，有人工作”，达到双重核验的目的。磁吸式空气开关保护盒实物如图9所示。

图9  磁吸式空气开关保护盒实物

3  智能变电站安全措施自动布设系统的应用分析

3.1  技术分析

与低频系统相比，超高频射频识别技术的识别距离远、数据交换速度更快、伪造难度更高、抗干扰能力更强，符合电网相关要求，能够实现以安全措施自动布置技术为核心的变电站工作票安全措施智能布设，促进设备精益化管理水平的提升和安全生产标准化。

红外光栅电子围栏配合一字灯在操作间布置“口”字型安全围栏，经现场试验验证，与硬质遮栏的功能效果一致。在此基础上加装智能语音报警系统，从视觉和听觉两方面加强警示作用。

磁吸式空气开关保护盒配合智能显示屏显示“禁止合闸，有人工作”，达到空气开关防误操作目的。

智能启动显示屏采用独创的LED嵌入式条形结构，结合投影灯显示标示牌内容，在使用现场即可实现快速维护，且具有亮度高、使用寿命长的优点，能够实现悬挂标示牌的警示作用。

为确保智能安全措施自动布设系统在检修工作中可靠、稳定运行，其交流电源与站内不间断电源相连，在站用交流短暂缺失的情况下，不间断电源仍能为现场工作保障供电。

3.2  效益分析

智能安全措施自动布设系统功能的实现需要软、硬件相结合，红外对射装置、投影灯、液晶显示器、磁吸式空气开关保护盒的成本较低，易于建设。

综合检修类工作中从设备停电开始操作至工作票许可时间之前的时间间隔为2h。其中，综合检修用时中，倒闸操作平均用时趋于稳定，为1h，安全措施布置平均用时应为1h。安全措施布置工作重复率高，加之安全措施的重要性，应引起足够重视，采用针对性改进措施，以降低恶性违章事故发生，保障人身安全。

运维人员利用工作票安全措施智能布设系统可以实现min级的一键智能安防布置，一次可至少节省布置时间50min，有效提高了工作效率，降低了劳动强度，可确保按时完成工作任务。

4  结论

针对变电站安全措施布设中存在的效率低、耗时费力等问题，本文设计了智能变电站安全措施自动布设系统，有效提高了工作效率，提升了变电站无人值守化水平，可为后续技术创新及设备研发提供参考，从而切实提高变电站控制技术的水平，确保电网的安全稳定运行。

随着电网的发展，变电站对智能化的要求进一步提高，本文设计的智能变电站安全措施自动布设系统可以实现安全措施智能布设，减少人工布设工作量，提高安全可靠度，为完善变电站安全措施防误操作体系建设提供助力，为电网的安全运行提供更好的保障，因此可进行全面推广。