基于无线传输的输电线路调试测量系统设计与实现＊

孙秋芹，汪 沨，马 勇，刘 洋，周志成

（1．湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2．江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103）

新建超、特高压输电线路投入运行前，为考核线路的绝缘性能，在线路首端对断路器进行分闸、合闸连续操作，以模拟系统的操作电磁暂态过程．试验过程中测量输电线路的电压、电流信号，以反映线路的绝缘状况［1－3］．

现有的测量系统通常由电容分压器、电流互感器、光电隔离器和录波仪等组成．为保证试验过程中测量人员人身安全，并给测量仪器进行供电，通常将光电隔离器、录波仪等设备布置于室内，通过电缆将变电站现场电容分压器低压侧电压信号、电流互感器二次侧电流信号与室内仪器相连［4］．该测量方法异常繁琐，部分大型变电站，电缆长度可达百米，现场布线工作量大，由于受变电站复杂电磁环境的影响，在电缆中可能感应出较高的过电压，影响测量系统安全运行的可靠性［5－8］．

目前，国内外很多研究者将无线测控技术应用于高压输变电设备的状态监测中，例如应用Zigbee，Wi－Fi，Wimax，UWB，蓝牙等无线通信方法进行电能计量抄表、高压开关柜、变压器运行状态监测等［9－12］．上述方法各具优缺点和应用范围，例如：Zigbee适用于近距离、低速率、低成本的无线测控和状态监测．针对输电线路调试，电压电流信息采集点通常距离站控室较远（50～100 m），同时需承受变电站复杂电磁环境影响等，目前鲜有无线测控技术应用文献报道．

本文采用2．4GHz频段高速无线网桥进行数据通信，设计了一套基于无线传输的输电线路调试测量系统．采用基于IEEE1588协议的高精度时钟同步模块以便于多节点数据的同步传输；将传输数据进行双通道异步处理，以提高数据传输速率．使用本文设计的测量系统，在江苏电网某500kV 变电站进行了性能测试，验证了测量方法的可行性．本系统避免了复杂的布线工作，保证测量系统的安全，大大减少试验工作量．

1 测量系统总体结构

基于无线传输的输电线路调试测量系统结构如图1所示．

该测量系统由无线中心主站、无线电流采集传输节点、无线电压采集传输节点组成．其中，无线中心主站面对用户，负责控制采集传输节点和接收采集传输节点数据，同时进行数据存储、波形显示、数据分析、报表自动生成等；无线电压、无线电流采集传输节点与电容分压器、电流探头相连，采集相关数据并通过无线模块将数据实时上传到中心主站．测量过程中，无线电流和无线电压采集传输节点间使用基于IEEE1588 协议的时钟同步模块进行时间同步．

图1 基于无线传输的输电线路调试测量系统Fig．1 Measurement system for the testing of transmission lines based on wireless communication

1．1 电容分压系统

考虑到测量系统的带宽及测量方案的简易性，测量过程中，利用变电站电流互感器电容式套管和小型电容器共同构成电容分压系统，其结构示意图如图2 所示［13］．电容分压系统等效电路如图3所示［4］．

图2 电容分压系统结构示意图Fig．2 Schematic diagram of capacitive voltage divider system

图3中，C1为电容式套管等效电容，C2为分压电容器电容，ui（t）为输电线路一次侧电压，uo（t）为分压电容器二次侧电压．

为保证测量仪器和试验人员的安全，电容器输出电压信号幅值在100V 内．针对超高压电流互感器电容式套管，其电容量通常为纳法级，综合考虑，将分压电容器的值设为4μF．

图3 电容分压系统等效电路Fig．3 Equivalent circuit of capacitive voltage divider system

1．2 电流分流系统

本文采用霍尔电流传感器，将其安装于电流互感器二次侧，共同构成电流分流系统，其原理如图4所示．

图4 霍尔电流传感器Fig．4 Hall current sensor

当原边导线经过电流传感器时，原边电流Ip产生磁力线，磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过电子电路将该微小的信号转变成副边电流Is，原边电流Ip与副边电流Is满足如下关系式：

式中：Np为原边线圈匝数；Ns为副边线圈匝数［14］．

2 测量系统硬件设计

2．1 无线电压、无线电流采集传输节点

无线电压与无线电流采集传输节点主要由A／D 模块、无线通信模块、控制器模块和时钟同步模块等组成，其结构如图5所示．

图5 采集传输节点结构Fig．5 Schematic diagram of acquisition and transmission node

各模块结构如下所述．

1）A／D 模块．无线电压、无线电流采集传输节点A／D 模块均采用MAX125 芯片，可以实现多路信号的同步采集．采样精度设置为16位，单通道的最高采样速率为250ksps．无线电压、无线电流采集传输节点采用独立电源，以减少变电站电磁干扰．

2）无线通信模块．无线通信模块采用Karlnet2400系列无线网桥，通信频段为2．4GHz，支持点对点和点对多点的网络通信．由于不采用电缆，可避免空间电磁耦合引入的传导干扰影响．此外，变电站干扰源主要可分为工频与谐波干扰源（50 Hz及其谐波）、少量的甚低频干扰源（30kHz以下）、载频干扰源（10～300kHz）、射频及视频干扰源（300 kHz）等．采用2．4GHz通信频段，可远离工频、谐波、载频等干扰源．

中心主站无线通信模块提供一个10／100 Mb／s网络IP 接口，通过网线与服务器相连．无线电流、无线电压采集传输节点分别提供一个10／100 Mb／s网络IP 接口，与采集控制器相连．无线网桥间实现相互通信．

3）采集控制器．采集控制器实现高精度数据采集、通过特定算法确定暂态触发事件、通过无线通信模块实时上传数据到中心主站，本地保存重要数据等．本测量系统采集控制器采用ARM 与FPGA 相结合的架构方式．其中，ARM 系统采用Cortex A8处理器，负责与中心主站进行通信，管理数据的采集和传输，确定触发事件发生．FPGA 控制A／D 数据的采集、时间同步、时间戳标记．

FPGA 获取A／D 模块数据，通过时钟同步模块M50获得时钟同步信息，将时间戳标记到每帧数据的帧头，然后将数据放入ARM 系统的内存中，由ARM 中运行的采集控制软件系统处理，此后通过无线模块上传到中心主站．

4）时钟同步模块．时钟同步模块对采集的数据进行时间戳标记，以便于多节点数据在中心主站上的同步显示和分析．本测量系统采用基于IEEE1588协议的高精度时钟同步模块．上述协议中定义了4种消息Sync，Followup，DelayReq 和DelayResp，用来测量前向（主时钟至从时钟）和后向（从时钟至主时钟）路径的通信延迟．消息Sync和Followup由主时钟设备发送，从时钟设备负责接收这些消息，并计算主时钟设备到从时钟设备的通信路径延迟，对应产生的同步精度在无线网络条件下可达微秒级．

时钟同步源采用GPS，由无线中心主站作为授时主钟，对各节点进行时钟同步．时钟同步模块提供精确的秒脉冲、TOD（Time of Day）以及10MHz脉冲波，其硬件结构如图6所示．

图6 M50时钟同步模块结构Fig．6 Schematic diagram of M50 clock synchronization module

2．2 中心主站

无线中心主站由服务器和客户机组成，其中：服务器负责处理分布式采集节点的大数据，包括分布式数据接收、对齐、存储、转发等功能．客户机对服务器、采集节点进行设置，监控采集节点行为，显示和分析波形数据等．

本测量系统中服务器采用基于X86 平台的工业便携式服务器主机，单核CPU 频率为2GHz，服务器配备无线通信模块负责中心主站与采集节点间的无线通信，采用Unix操作系统；客户机选用X86 PC机器，采用Windows 7操作系统．

3 测量系统软件设计

测量系统软件主要包括采集控制器端软件系统与中心主站软件系统．其中，采集控制器端软件系统负责与中心主站通信，接收和执行中心主站命令，进行数据采集、数据本地保存、数据上传等工作．主站软件系统包括数据采集传输节点软件系统、数据接受处理中心软件系统等，进行数据的采集、传输、处理及波形显示与分析等．

3．1 采集控制端软件系统

采集控制端软件系统结构如图7所示．

图7 采集控制端软件系统结构Fig．7 Structure of acquisition controller software system

采集控制端软件系统包括普通波形缓冲区与重要波形缓冲区两部分．其中，普通波形缓冲区实时向测量系统上传测量数据，每秒传输速率约为40k；重要波形缓冲区本地保存测量数据，防止重要数据的丢失．本测量系统中，重要波形缓冲区设置保存10s的试验数据（约400k），在传输过程中丢失采样数据时，可在监控端向采集控制端发送命令以获取细节信息．

3．2 中心主站软件系统

中心主站软件系统包括电压数据采集传输系统、电流数据采集传输系统、数据接受处理中心系统、波形显示和分析系统．

采集节点传输给中心主站的数据格式是每100 ms一帧的200k采样格式数据．无线电压、电流采集节点上的数据采集程序运行在QNX 上，通过Socket API发送数据包到中心主站．数据汇总程序运行在Web 服务器上，网络连接采用Mina库．中心主站的控制是通过在浏览器上输入URL 来进行在线配置．

1）数据采集传输节点设计．电压数据采集传输系统和电流数据采集传输系统由采集探头驱动层和数据传输层组成．采集探头驱动层负责接收探头采集到的原始数据，按照探头特性和探头变比参数进行数据转换．

驱动层转换数据后，经由数据传输层将数据暂存到缓冲区中．为了避免接受缓冲区和发送缓冲区之间的同步延长时间，将接收和发送公用一个缓冲区．为了避免因接收和发送速率不同带来的缓冲区数据堆积，系统缓冲区采用生产者－消费者队列模型，一边采集接收数据，一边发送数据．

2）数据处理中心设计．数据处理中心用于接收来自电压、电流数据采集传输系统的同步实时数据．考虑到200k 数据的传输对无线带宽的要求比较高，对传输数据进行压缩和异步处理．将原始的200 k数据分为两个通道进行发送，一个是实时通道，另一个是异步通道．实时通道将数据实时发送到处理中心节点用于动态波形显示；异步通道将数据在后台下载到数据中心中．数据采用压缩且哈希索引的方式进行存储．数据处理中心同步发送策略如图8所示．

图8 数据处理中心同步发送策略Fig．8 Strategy of data sending of data processing center

4 试验验证

为验证调试测量系统的性能，在江苏电网某500kV 变电站进行了性能测试．试验线路运行方式如图9所示．

图9 试验线路运行方式示意图Fig．9 Operation mode of testing transmission lines

输电线路参数：R1＝0．001 9 Ω／km，R0＝0．167 5Ω／km，L1＝0．913 6mH／km，L0＝2．719 0 mH／km，C1＝0．013 8μF／km，C0＝0．008 3μF／km，输电线路长度为90km．

试验过程中，西津渡变断路器S2处于分闸状态，对茅山变断路器S1进行分合闸操作，测量线路首端的电压和电流，试验现场电流互感器如图10所示．输电线路调试测量系统如图11所示．试验过程中测录的典型电压、电流波形分别如图12 和图13所示．

图10 电流互感器Fig．10 Current transformer

图11 输电线路调试测量系统Fig．11 Measurement system for the testing of transmission lines

图12 输电线路电压Fig．12 Voltage of transmission lines

图13 输电线路电流Fig．13 Current of transmission lines

该测量系统可满足变电站现场测试要求，由于采用2．4GHz频段无线通信，测量过程受变电站电磁干扰影响小．

5 结 论

本文设计了一套基于无线传输的输电线路调试测量系统，由无线中心主站、无线电流采集传输节点、无线电压采集传输节点组成．利用互感器电容式套管和电容器组成无线电压采集传输节点，基于霍尔电流传感器和电流互感器组成无线电流采集传输节点．采用2．4GHz频段高速无线网桥进行数据通信，避免了变电站电磁波的干扰影响．基于IEEE1588协议的时钟同步模块实现了多节点数据的时间同步；建立了新的数据同步发送策略，提高了数据传输的效率．本测量系统实现了数据存储、波形显示、数据分析和报表自动生成等功能．在江苏电网某500kV 变电站进行了性能测试，验证了测量系统的有效性．

［1］Q／GDW 284－2009 1 000kV 交流输变电工程系统调试规程［S］．北京：国家电网公司，2009．

Q／GDW 284－2009 Commissioning standards for 1 000kV AC transmission and distribution system［S］．Beijing：State Grid，2009．（In Chinese）

［2］GB 50150－2006 电气装置安装工程电气设备交接试验标准［S］．北京：国家电网公司，2006．

GB 50150－2006 Electric equipment installation engineering standards for hand over test of electric equipment［S］．Beijing：State Grid，2006．（In Chinese）

［3］华东电网电力科学研究院．华东电网交流500kV 输变电设备启动投运管理规定［R］．上海：华东电网有限公司，2008．

Electric Power Research Inotitote of East China Electical Power Grid．Administrative regulations for the operation of 500kV AC power transmission and transformation equipment of East China Electrical Power Grid［R］．Shanghai：East China Electrical Power Co．Ltd，2008．（In Chinese）

［4］张仁豫，陈昌渔，王昌长．高电压试验技术［M］．北京：清华大学出版社，2003：161－164．

ZHANG Ren－yu，CHEN Chang－yu，WANG Chang－chang．High－voltage testing technology［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2003：161－164．（In Chinese）

［5］孙涛，万保权．500kV 变电站电磁环境参数测量［J］．高电压技术，2006，32（6）：51－55．

SUN Tao，WAN Bao－quan．Measurement of electric－magnetic environment for 500kV substation［J］．High Voltage Engineering，2006，32（6）：51－55．（In Chinese）

［6］巩学海，何金良．变电所二次系统电磁兼容抗扰度指标分析［J］．高电压技术，2008，34（11）：2412－2416．

GONG Xue－hai，HE Jin－liang．Analysis on electromagnetic compatibility immunity indexes for secondary system of substation［J］．High Voltage Engineering，2008，34（11）：2412－2416．（In Chinese）

［7］林秀钦，梁家盛，吴沃生．220kV 变电站电磁环境实测分析［J］．电网技术，2008，32（2）：85－87．

LIN Xiu－qin，LIANG Jia－sheng，WU Wo－sheng．Analysis of actual measurement of electromagnetic environment of 220kV substations［J］．Power System Technology，2008，32（2）：85－87．（In Chinese）

［8］李永红，张晓冬．电磁环境自动检测系统的设计［J］．电测与仪表，2005，42（10）：34－36．

LI Yong－hong，ZHANG Xiao－dong．A design of electromagnetic environment automatic monitoring system［J］．Electrical Measurement ＆Instrumentation，2005，42（10）：34－36．（In Chinese）

［9］李涛，徐建政．基于GPRS无线技术的配电变压器监测系统［J］．电测与仪表，2004，41（6）：55－57．

LI Tao，XU Jian－zheng．Application of GPRS technology in monitoring system of distribution transformer［J］．Electrical Measurement ＆Instrumentation，2004，41（6）：55－57．（In Chinese）

［10］常云，许庆洲，刘萍．GPRS在电能计量远抄系统中的应用［J］．电测与仪表，2005，42（1）：42－44．

CHANG Yun，LI Qing－zhou，LIU Ping．The application of GPRS in the remote reading system for the electric power measurement［J］．Electrical Measurement ＆Instrumentation，2005，42（1）：42－44．（In Chinese）

［11］徐波，杨帆．高压开关柜无线测温系统的研究［J］．电测与仪表，2012，49（10）：91－95．

XU Bo，YANG Fan．The research of wireless temperature measurement system for the high－voltage switchgear［J］．Electrical Measurement ＆Instrumentation，2012，49（10）：91－95．（In Chinese）

［12］卜树坡，高华为，王蕴恒．变压器铁心接地电流在线监测系统的设计［J］．电测与仪表，2009，46（8）：63－66．

BU Shu－po，GAO Hua－wei，WANG Yun－heng．The design of on－line monitoring system of transformer’s core grounding current［J］．Electrical Measurement ＆ Instrumentation，2009，46（8）：63－66．（In Chinese）

［13］司马文霞，兰海涛，杜林，等．套管末屏电压传感器响应特性研究［J］．中国电机工程学报，2006，26（21）：172－176．

SIMA Wen－xia，LAN Hai－tao，DU Lin，etal．Study on response characteristic of voltage sensor mounted at the tap of transformer bushing［J］．Proceedings of the CSEE，2006，26（21）：172－176．（In Chinese）

［14］张维娜，杜忠．霍尔电流传感器的性能及其使用［J］．高电压技术，1996，22（2）：30－32．

ZHANG Wei－na，DU Zhong．The application of hall current sensor in on－line monitoring measurement of insulation［J］．High Voltage Engineering，1996，22（2）：30－32．（In Chinese）