变电站继电保护室内屏柜紧密排列，各种控制屏、保护屏外形相同颜色一致，对不熟悉继电保护室内屏柜位置的工作人员需要花费大量的时间去寻找对应的屏柜。此外，在开展检修工作时，须要停运部分屏柜并悬挂警示标志，提醒人们哪些是运行设备，哪些是须要停运的设备^[1]。工作人员如果不能区分屏柜的工作状态，不清楚哪些屏柜及其控制的设备线路需要停运检修，极易产生误操作，造成事故。

在继电保护室布置安全措施时，需要综合考虑相邻屏柜情况，相邻屏柜的前后左右均放置红布，且在工作屏柜的前后放置“在此工作”标示牌，防止工作人员走错间隔^[2]。

为提升安全措施布置效率，文献[3]中提出在继保保护屏正面的顶端安装一个安全措施盒。安全措施盒参照卷尺弹簧结构，像卷尺般卷收布帘，包括“在此工作”“运行中”2种布帘，直接翻盒子的分组标示号码牌实现分组^[3]。另外，也有利用不锈钢材质的挂钩实现屏柜上布置安全措施^[4]。

本文旨在通过电子式标识牌和投影灯，替代继电保护室内实体的安全措施，并通过识别算法和单片机控制，让继电保护室内安全措施实现自动识别、一键布置，提升安全措施布置效率。

1.   变电站继电保护室安全措施布置基本流程

变电站继电保护室内放置有多个屏柜，屏柜内常设有保护装置、测控装置、自动装置、故障录波装置、交直流装置、蓄电池等设备。当某屏柜需要开展检修工作时，运维人员将采取保证安全的技术措施，简称“安措”，主要内容是确认须开展工作的屏柜后，找到相邻屏柜，悬挂“运行设备”红遮布，并在工作屏柜前后放置“在此工作”标示牌，提醒检修人员注意工作地点，布置流程如图1所示。

图  1  变电站继电保护室安全措施布置流程

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从流程图1中可以看出，继电保护室内安全措施布置的流程包括寻找屏柜、悬挂红遮布、放置标示牌3个环节。

2.   继电保护室安全措施电子化可行性分析

传统的继电保护室安全措施布置方式采用人工布置方式，费时费力，对人员身高有一定的要求。考虑到继电保护室内安全措施只有红遮布和标示牌，只须要将这2项设备进行电子化。参考智能家居系统中采用电动窗帘、智能电灯等自动设备，若将电子设备引入到继电保护室的安全措施中，能够实现安全措施自动布置。

“运行设备”红遮布参考电动卷帘，将印有“运行设备”的红布设计成卷帘，嵌入到转动电机内，电机的正反转能够带动“运行设备”红遮布的释放与收回，如图2所示。

图  2  电子式红遮布布置方案

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“在此工作”标示牌可采用投影灯方式，设计好具备传统标示牌的透镜，通过投影的方式在地面显示“在此工作”，达到提示效果，且可以通过电源通断的方式控制标示牌的打开与关闭，如图3所示。

图  3  电子式“在此工作”标识牌方案

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电子式标示牌和红遮布为安全措施自动布置提供可控终端，是实现智能化布置安全措施的必要条件。

3.   继电保护室安全措施自动布置系统方案设计

引入智能家居中模块组合的原理，将继电保护室内安全措施布置变得智能化、电子化。本文中系统应由4个模块构成，包括人机交互模块、通信模块、安全措施布置模块、供电模块。其控制关系如图4所示。

图  4  各模块连接示意图

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各模块的功能为：

人机交互模块显示继电保护室内电子屏柜图，即继电保护室内屏柜分布情况，运维人员在人机交互模块上选择对应的工作屏柜，系统运行识别算法自动判定安全措施类型；

无线通信模块能够接收人机交互模块的指令信号，并发送给多个单片机，该单片机根据指令信号对安全措施进行控制；

安全措施布置模块包含自动卷帘和电子式标示牌，自动卷帘能够自动布置“运行设备”红遮布，电子式标示牌能够投射出“在此工作”标示牌，发挥电子式标示牌的优势；

供电模块是为整个系统提供稳定的交直流供电。

3.1   人机交互模块

人机交互模块能够通过简单操作实现对装置设备的控制和操作，由硬件设备和识别算法构成。作为本系统的核心，所设计算法需要大量的逻辑运算，因此要求单片机的运算速度快。

3.1.1   单片机

单片机是一种集成电路芯片，经过对比，最终选择STC8A8K64S4A12系列单片机，运算速度快，具有64 KB FLASH ROM、8 KB SRAM、5个定时器、5个外部中断、43个I/O口和12路高精度ADC。

3.1.2   触摸屏

触摸屏是一种可接收触头等输入信号的感应式液晶显示装置，经过对比，选用2.8寸ILI93xx系列触摸屏，屏幕的分辨率为320 × 240，是16位真彩屏显示，自带电阻式触摸板，能显示65536种颜色。设计TFT液晶屏显示界面，并设置多个功能键，包括“取消”“重置”“执行”“复位”等，如图5所示。

图  5  触摸屏显示方式

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3.2   无线通信模块

无线通信模块能够实现数据无线传输，由微控制器接收信号进一步对采集的数据进行处理。它可以根据交互模块提供的信息准确判断须要动作的电动卷帘、电子式标识牌，从而实现安全措施的自动化布置。

该模块可以完成人机交互模块与安措布置模块之间的信息传递，有稳定的传输能力及传输距离，能够有效实现各模块间的智能互联，实现智能化、高效化的使用体验。本文分析蓝牙、ZigBee和GL24S3种方案。

蓝牙是一种无线数据和语音通信开放的技术，它可以基于近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境；Zigbee无线网关是一种低功耗、低速率的短距离无线通信技术。它适用于须要构建小型、低功耗的无线传感器网络的场景；GL24S芯片有较好的信号传输稳定性，当障碍物多的情况下依旧可以抗干扰。经过对比，最终选用GL24S芯片进行站内信号传输。

该模块还要通过单片机控制无线通信模块，在接收到控制模块的信号后，可通过解码控制信号并控制管状电机和电子标牌电源通断，从而驱动电动卷帘的上升与下降、电子式标识牌的打开与关闭，该单片机采用STC89C52即可满足控制需求。

3.3   安全措施布置模块

安全措施布置模块根据变电站安全措施布置要求，由电动卷帘和电子式标识牌组成。如前所述，电动卷帘能够自动布置“运行设备”红遮布，采用红遮布 + 管状电机组合而成。电子式标示牌采用投影灯，透镜上印有标示图案，能够投射出“在此工作”标示牌。

3.4   供电模块

供电模块可以为整个系统提供可靠电源，保证安全措施布置模块正确运行。本系统需要稳定交流电源，通过各屏柜内的照明电源接入，为投影灯和管状电机供电，另外，交流电源还须要转化为3.3 V直流电压，为单片机、通信设备等芯片供电，完成安全措施的布置。

供电模块选用交直混供的方式，电压波动率<5%，所提供电源可以随情况自动切换，当装置任一路电源失电后仍可继续供电，保障装置运行可靠稳定，如图6所示。

图  6  混合供电模块示意图

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4.   算法分析

如图7所示，继电保护室内的屏柜分布无规律，开展检修工作涉及多个屏柜，安全措施布置非常复杂，尤其是传统的综合自动化变电站，屏柜数量多，安全措施布置工作量大。

图  7  安全措施识别算法

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通过人机交互模块可以将屏柜的位置分布情况导入到模块中，运维人员选取须要开展工作的屏柜，算法自动识别哪些屏柜须要布置安全措施，时间短、效率高。

首先在M × N的数组中储存了变电站保护室的屏柜分布图，遇到备用屏柜或空屏柜则存为0；然后通过数组存储交互式屏幕获取的工作屏柜信息、存储的是工作屏柜相邻间隔信息和前后方的屏柜信息，通过遍历各个屏柜的方式实现须要布置安全措施信息的识别。

5.   策略实施及可行性验证

5.1   供电模块测试

在直流供电方面，选用的是额定输出直流电压5 V，额定容量为2500 mA·h的锂电池；在交流供电方面，设计了整流电路，即AC/DC转换电路，输入电压设计支持115～265 V，输出电压为直流5 V，最大功率25 W；加装了供电自动切换装置，初始时由直流电源供电，当直流电源输出不符合设定值后自动切换至220 V交流整流供电。经多次测试，能实现装置要求，测试结果如表1所示，测试结果表明直流供电稳定可靠。

表  1  供电模块测试情况

时间/min	电压/V		时间/min	电压/V
0	5.06		$\vdots$	$\vdots$
5	5.06		100	4.97
10	5.05		105	4.97
15	5.04		110	4.96
20	5.03		115	4.95
25	5.03		120	4.94

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5.2   无线通信模块测试

根据变电站继电保护室内环境要求，GL24S芯片在不同工况下满足传输距离$\geqslant50\;\rm m$，通过电脑上的串口软件进行传输性能测试，在地点1、地点2、地点3、地点4分别测试信号，测试结果如表2所示。

表  2  GL24S芯片传输距离测试

距离/m	地点1	地点2	地点3	地点4
5	√	√	√	√
15	√	√	√	√
25	√	√	√	√
35	√	√	√	√
45	√	√	√	√
55	√	√	√	√
65	√	√	√	√
75	√	√	√	√
85	√	√	√	√
95	√	√	×	×

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5.3   整体测试与现场实测

将整个模块进行组装，如图8所示。

图  8  整体组装效果（以3个屏柜为例）

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根据识别算法进行程序编写，要求系统安全措施类型判定正确率$\geqslant 99.9\text%$。经拟定任务对系统多次模拟测试后，结果满足要求，测试如表3所示。

表  3  系统测试

结果	测试1	测试2	测试3	测试4	测试5
满足要求	√	√	√	√	√
结果	测试6	测试7	测试8	测试9	测试10
满足要求	√	√	√	√	√

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在2023年3—5月通过在某变电站继电保护室内不定期的任务进行多次试验，统计安措布置的正确率及时间，测试结果如表4所示。

表  4  变电站工作测试 min

测试日期及平均值	安措布置时间	安措收回时间
2023-03-02	1.11	0.59
2023-03-07	1.22	0.51
2023-03-12	1.83	0.52
2023-03-15	1.92	0.53
2023-03-24	1.70	0.53
2023-03-27	1.93	0.50
2023-04-08	1.06	0.55
2023-04-13	1.47	0.58
2023-04-18	1.98	0.57
2023-04-22	1.63	0.54
2023-04-25	1.67	0.53
2023-04-27	1.96	0.54
2023-05-08	1.49	0.57
2023-05-12	1.68	0.60
2023-05-18	1.95	0.51
2023-05-22	1.39	0.58
2023-05-28	1.26	0.54
2023-05-29	1.33	0.58
平均值	1.58	0.55

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由此可见，使用变电站继电保护室安全措施一键布置系统后，布置安全措施所需平均时间仅需1.58 min，对比使用前的15.23 min，安措布置时间缩短为原来的10.3%。通过识别算法，还能避免人为失误而造成的漏掉布置安全措施的情况发生，实现安全措施智能化、电子化。

6.   结束语

本文设计的系统能够极大减少运维人员在安全措施布置环节花费的时间，布置安措所需平均时间仅需1.58 min，大大缩短工作时间，有效提升工作效率，节省更多人力资源，检修人员能够更早地开展工作。此外，工作结束以后的安全措施收回时间也得到了明显缩短，下降到0.55 min，有效提高安全措施布置效率，缩短设备停电时间。