挂接地线是铁路接触网系统中检修工作中至关重要的一环。在接触网作业中，检修工作是靠人工通过电话与电调联系所需停电点，根据确定的停电点与停电线路，作业人员挂接地线，开始检修作业，作业完成后，拆接地线，报告生产调度，变电所送电恢复线路供电。在检修作业过程中主要依靠的是操作票制度和现场作业人员对操作规程的执行程度，因此存在着漏洞和误操作的可能性。作业过程中因误操作导致电死烧伤作业人员的事故时有发生。研究一种新型电力检修作业接地线检报装置，可以在挂接地线和拆接地线时，给现场的工作人员音响信号及灯光信号，并且可以将该操作信号通过GSM网络以短信息的形式发送到相关人员的手机上，便于及时了解检修作业的状态。 

1. 系统研究的理论和实践依据

1.1系统实施方案

通过研究电力线作业检修方式与作业规程，提出了由地线挂接状态检测装置和信息收集装置两部分构成地线挂接状态信息检测系统的方案。地线挂接状态检测装置实现在挂接地线或拆接地线时，给现场的工作人员音响信号及灯光信号，并且可以将该操作信号通过GSM网络以短信息的形式发送到相关人员的手机上，便于及时了解检修作业的状态，实现检修作业自动化，提高电力生产的安全性，保障人身和设备安全。信息收集装置收集由地线装置在挂接地线或拆接地线时通过GPRS无线或其它通信方式发送的操作信号及地线挂接状态，通过计算机信息处理给生产调度以提示、防止相应线路误送电的发生，进一步开发一套信息管理软件可实现挂接地线的信息化管理。利用单片机技术实现对现场挂接地线的状态监测，即数据采集；利用GSM短消息业务实现远程数据传输；利用DSP技术实现铁路局或供电段管内停电检修作业挂接地线数据接收、处理、状态显示和管理的系统结构与功能实现思路，使整个工作流程趋于自动化，为检修作业挂接地线信息化管理提供硬件设备条件和手段。

本系统采用了mega16作为系统下位机的硬件核心，设计了由监测传感器、GSM通讯模块所构成的下位监测检报装置的总体结构；采用了TMS320F2812作为系统上位机的硬件核心，设计了系统的主程序流程，开发了各功能模块。充分利用了GSM网络所提供的短消息通讯功能，解决了后台监控中心不能实时监控各检修作业现场的现状。系统构架如图1所示。

图1  检报装置结构示意图

图1中并不是一个下位机，而是一个接地线检报装置对应一个下位机，也就是n个下位机进行接地线状态监测，下位机监测到的信息通过GSM网络以短消息的形式发送到接地线状态收集装置（上位机）和相关人员的手机上，使得整个检修作业能得到有效的监控，减少人员伤亡和设备损坏。

下位机即接地线检报装置的结构示意图如图2所示。

图2  接地线监测装置结构示意图

控制芯片用于整个检报装置实时过程控制系统中，对实时数据进行处理和控制；电源模块用于给整个检报装置提供电源，保证装置的正常供电；GSM模块用于检报装置将监控信息通过GSM方式传输至调度中心和相关人员的手机上；接地线监测传感器用于检测检修作业接地线的挂接状态；参数整定模块用于检报装置初始化时，根据现场的实际情况实时整定接地线状态判定条件，提高检报装置的工作精度；显示与键盘输入模块，显示模块用于实时显示检报装置的工作状态，键盘输入模块用于输入控制信息给检报装置。上位机即接地线状态信息收集装置的结构示意图如图3所示。

图3 接地线状态信息收集装置结构示意图

控制芯片用于整个信息收集装置实时过程控制系统中，对实时数据进行处理和控制；电源模块用于给整个信息收集装置提供电源，保证装置的正常供电；GSM模块用于通过GSM方式无线接收各作业点的检修信息；显示与键盘输入模块，显示模块用于实时显示各作业作点的检修信息，键盘输入模块用于输入控制信息给控制芯片进行程序设定；通讯接口用于信息接收装置将各作业点检修信息传输到电力调度中心计算机。

1.2 接地线状态检测原理

 考虑到现场作业的实际情况，本装置需附挂在接地线的绝缘杆上，方便采集接地线状态。如图4所示：

图4  挂接地线系统现场检测装置

由于接触网上方除了承力索再没有其它物体，而且挂接地线和拆接地线时线路上极有可能有残压，故一般的传感器因为电磁干扰的影响很难准确的采集信号。

我们对接地线状态的信号采集利用了超声波传感器测量装置和输电线之间的距离变化的方法来判断接地线是否已经挂上。测出距离以后，利用单片机对采集数据进行处理和判断，当距离达到一定值后长时间不变，只偶尔小幅度变动（考虑到实际操作过程中风引起的晃动），即可认为接地线已挂上；反之，当距离由稳定距离开始逐渐变大，即可认为接地线已拆除。

超声波是指频率高于20KHz的机械波。超声波传感器是利用压电效应的原理将超声波和电能相互转换，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波;而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理是采用渡越时间法TOF(time of flight)。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回的时间，乘以超声波的速度再除以二，即可得到声源和障碍物之间的距离：

D=CT/2

其中C为超声波在空气中的传播速度，在通常情况下超声波的传播速度取341m/s；T为超声波发射出去到接收到回波所需时间；D为所需测量的距离。       

超声波测距电路中共用到了两个重要的频率，在设计时用到了单片机。由单片机产生的频率必须准确，否则测得的距离会产生很大的误差。

1.3 通信方案的选择

   目前国内外在电力系统在线监测系统方面选择的通信方式主要分为有线通信和无线通信，其中有线通信主要有光纤、电力载波等；无线通信主要有微波、数传电台、扩频、公网移动数据通信等。这些通信方式都存在着不同的局限性，无法满足电力系统在线监测所有层次的要求。

光纤通信就是以光波为载体，以光导纤维作为传输媒质，利用光电转换设备，将欲传输的数据、语音、图像等信号转变成光信号，用光波进行远距离传输，在接收端将光信号还原的一种通信方式。具有带宽大、抗干扰性能好、可靠性高的优点，不足之处是投资大。

电力线载波通信方式是以与要传输的信息路径相同的电力线路为传输媒质，通过结合滤波设备，将要传输的数据、话音等低频、低电压信号转变成能在高压线路上传输的高频信号，在电力线路上传输并在接受端还原的一种通信方式。由于利用配电线路作为信号传输通道，而配电线路直接延伸到每个用户的每个用电器，因此用配电线来传输自动化信号有着其它通信方式无法比拟的独特优势，它是农村配电设备远程监测信号传输的最好通道。

无线数传电台大多工作于220-240MHz或400-470MHz频段(其中230MHz频段为国家无线电管理委员会分配给电力系统的专用频率)，具有数话兼容、数据传输实时性好、专用数据传输通道、一次建设投资、适用于恶劣环境、稳定性好等优点。它提供某些特殊条件下专网中监控信号的实时、可靠的数据传输。对于数据量大、实时性要求高、覆盖范围在50km以内，彼此间阻挡物不多且监控点分散的系统，建立无线数传专网是比较理想的方式。

扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)的特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。扩频通信研究始于二次世界大战末，由于技术复杂，价格昂贵、相关学科综合要求高等原因，直到80年代末期，才逐渐进入实用阶段。它具有抗干扰性强，对外界的干扰小，易于实现码分多址等优点，但是由于无线扩频通信系统的工作频率较高，因此其信号传输收到视距的限制，在遇到障碍物或进行远距离传输时，必须采用中继器，故其应用成本太高。

GSM短消息是利用电信局移动电话网的短消息发送实现双向通信的。该方式的优点是建设费用低、组网灵活、通信效率高、不受环境距离和规模的限制以及通信覆盖范围广等；但是它的实时性能稍差一点，而且需要向中国移动缴纳少量的通信费用。GPRS(General Packer Radio Service)是基于GSM的一种无线分组业务，是一项高速数据处理的科技，即以“分组”的形式将数据传送到用户手上。这种无线通信的方式具有实时性好、传输数据量大等特点，但是目前其网络覆盖面还不够全面，稳定性还有待于进步提高，适合于小规模应用。

从上面对一些在电力系统在线监测几种通信方式的介绍可知，不同的通信方式有不同的性能、特点和用用，其系统造价、工程维护等经济指标也有很大的差异，这些对远程监测系统来说是比较关键的问题，各种通信方案的技术和经济指标如表1所示。

表1 各种通信方式的比较

Table3-1 Comparison of various communication mode

根据接地线作业时的特点，接地线在线监测通信网络分析如下：

（1）检修作业时接地线数量较多，所以单个在线监测装置的成本不能太高，也就决定了通信的终端设备费用不能高；

（2）检修作业时接地线分布离散，所以在线监测系统的网络无论采用光纤电缆还是普通电话拨号的方式，都需要重新铺设物理信道，代价很高；

（3）每个终端设备都是一个独立装置，可以实现数据的分析、报警等，系统服务器只接收终端设备传送的报警信号和已经分析了的数据，上传的数据量很小，因此对通信的传输能力没有限制；

（4）在线监测对数据传输的实时性要求不高，所以允许系统前端和后端之间通信延时。

对接触网进行线路检修时，往往是多组接地线同时进行，接地线的悬挂地点一般很分散，而且工作时间不固定。地域上的分散性决定了通信系统的覆盖面要很大，工作时间的不固定则要求系统的通信方式能够灵活的组网，快速进入工作状态。GSM传播方式很好的满足了上述要求，而且从近几年的研究来看，GSM通讯传播方式已经在电力系统实时监测方面有了很多应用。

SMS（短消息业务）是GSM提供的不需要建立端到端连接的业务，是GSM中最简单、最方便的数据通信方式。短消息由短消息中心存储和转发，在手机之间进行中、英文信息交流。共有三种方式来发送和接收SMS信息：Block Mode，Text Mode和PDU Mode。其中PDU Mode被所有的手机支持，可以使用任何字符集，也是手机默认的编码方式。

2. 结束语

接触网人工检修挂接地线检测系统由作业地线检测装置与接触网信息收集装置组成，是一种能防止电气误操作的接触网检修作业新型工具地线装置及系统。地线检测装置附着于现在的地线工具绝缘杆上，能够在挂接地线或拆接地线时，给现场的工作人员音响信号及灯光信号，并且将该操作信号通过GSM无线发送到电调、变电所或段生产调度以及需要传送的地方。该装置可以解决目前防止电气误操作中存在的难题，可以杜绝带接地线合断路器（隔离开关）误操作所造成的人身和设备事故，以提高接触网产生的安全性，保障人身和设备安全。信息收集装置置于段生产调度、局电力调度，能够实时收集各检修作业点通过GSM无线发送或其它通信方式发送来的作业地线挂接信息，并通过通信口将收集到的信息传给调度计算机以便进行信息处理，给调度人员以声光提示、地线挂接时闭锁相应线路合闸送电操作；同时以便段生产调度、电力调度及时了解和准确掌握段内各接触网检修作业点接地地线挂接状态，防止调度误送电以避免人身伤害和设备损害。该装置可以解决目前防止电气误操作中存在的难题，可以杜绝带接地线合断路器（隔离开关）误操作所造成的人身和设备事故。从而实现对接触网检修作业挂接地线状态的实时监测。