变电站启动调试无线同步测录系统开发设计

2018-02-16朱太云赵恒阳张国宝蔡梦怡

通信电源技术 2018年12期

陈忠，朱太云，杨为，赵恒阳，张国宝，蔡梦怡

（国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽合肥 230601）

0 引言

新建的输电线路在投入使用前都要对线路绝缘性能进行考核，在线路首端实现断路器分闸及合闸的连续操作，以此对系统操作电磁暂态过程进行模拟。实验过程中，对输电线路电流电压信号进行测量，从而充分反映线路的绝缘情况。目前，测量系统都是通过电流互感器、电容分压器、录波仪及光电隔离器构成。为了保证实验过程中测量人员的人身安全，为测量仪器实现供电，一般将录波仪、光电隔离器等布置在室内，利用电缆使变电站现场电容分压器低压侧电压信号和二次侧电流信号连接室内仪器。此测量方法较为繁琐，部分大型变电站的电缆较长，现场布线的工作量较大。因此，需要实现此系统的改进和优化。

1 变电站启动调试无线同步测录系统的设计需求及结构

在设计变电站启动调试无线同步测录系统过程中，要求系统能够满足以下需求。第一，无线化。本文设计的系统采用3G/4G、WiFi等无线通信技术，在检位旁布置功能单元，不需要长远距离布设检测线缆。第二，高效率。系统中使多检测单元分布于所有检测位，一次开关动作即可完成所有数据检测；系统自动匹配操作，无需人为协同。第三，可靠性高。所有检测通道具备独立触发、并行触发能力，多种触发模式相互印证，信号触发可靠。检测单元按IP65防护等级设计，传感器具备开路保护功能，确保主设备可靠接地。第四，准确性高。本地化检测可以最大限度减小特征信号的损失；系统本体噪音低，抗干扰能力强，触发信号检测准确。

本文设计的系统主要由电压采集单元、电流采集单元、开关控制单元和操控分析单元组成。图1为变电站启动调试无线同步测录系统的结构。其中，电压采集单元的主要作用是采集、处理套管末屏、CVT二次回路等处的电压信号。电流采集单元的主要功能是采集、处理CT二次回路的电流信号。开关控制单元的主要功能是实时投切控制开关。操控分析单元的主要作用是协调控制整个系统的运行，汇集、处理被检设备的状态信息。

2 变电站启动调试无线同步测录系统的设计

2.1 电压收集模块

单一电压收集模块主要包括六个数据收集通道。在实现主变启动调试实验过程中，只需要一个节点，就能够实现高压侧和低压侧的录波任务。数据传输过程中，使用大功率无线模块和定向平板天线，通过变电站中的钢架设备，能够应用到无线信用遮挡环境中。使用全封闭金属屏蔽外壳，保护内部不受到外界强电磁干扰的影响。节点内部设置独立节点无线管理系统，能够对电池电量、设备的工作状态及温度进行实时的有效检测。利用433M无线信号到主控端上位机软件显示中传输，上位机软件能够实现设备电源开关。使用便于更换的外置锂电池实现供电，能够连续工作15小时以上。

电压收集模块的节点采样率为200 kS/s。通过FPGA收集六路同步数据，还能够接收到GPS及射频时钟同步模块时钟信号，实现收集数据的分帧打包，将精准时间戳设置到帧头，之后对ARM传输，并且实现数据预处理及上传。

2.2 电流收集模块

电流收集模块的内部结构基本上和电压收集模块相同，不同点在于电流手机节点中利用外置开合式电流探头实现信号的收集。此种探头小巧且轻便，在实现变电站二次电路中能够实现此电流的测量，不需要在电路中连接此设备，只需将探头打开，并且在待测线缆中夹上即可。探头的体积较小，重量较轻，不会影响测线路，操作简单，具有较高的安全性。

图1 变电站启动调试无线同步测录系统的结构

2.3 开关控制单元

开关控制单元主要包括控制通道、GPS授时单元、无线通信模块、嵌入式计算机、数据存储和内置电池。本单元用于开关的分合动作控制。操控端口有分、合、公共端几类，可同时控制2路开关。每个通道操作指令发出时刻与持续时间都可以设置，时间精度为0.01 ms，时长0～1 000 ms。另外，还能够单独发出F/H操作指令，或者F**H**F等组合操作，其中动作延时可由后台设置。作为系统的功能组件，由后台系统软件设定时序和条件，远程实施相关断路器操作。表1为开关控制单元的结构配置。

2.4 操纵分析单元

操纵分析单元的主要目的是协调、控制各个单元的启动和运行，汇集、分析收集的相关数据和信息，属于整个系统的核心部分。此系统的操控分析单元使用FPGA及ARM相互结合的架构方式实现。ARM使用Cortex A8处理器，实现中心主站的通信，管理数据收集及传输，从而确定触发时间。FPGA对A/D数据收集、时间戳标记及时间同步进行控制，在获得A/D模块中的数据后，利用时钟同步获得同步信息，将时间戳到每帧数据帧头进行标记，并在ARM系统内存中存储数据，通过ARM中的运行收集控制软件系统进行处理，利用无线模块在中心主站中上传。

表1 开关控制单元的结构配置

无线通信模块使用Karlnet2400系列无线网桥，通信的频段设置为2.4 GHz，支持点对点及点对多的网络通信。因为不使用电缆，所以能够有效避免空间电磁耦合引入的传导干扰影响。另外，变电站干扰源主要包括工频及谐波干扰源、载频干扰源等，都使用2.4 GHz通信频段，能够避免谐波、工频及载频等干扰源。

中心主站无线通信模块具有10/100 Mb/s网络IP接口，利用网线和服务器相互连接。无线电压、无线电流收集传输节点也具有网络IP接口，和收集控制器相互连接，能够实现无线网桥之前的相互通信。

3 现场使用

变电站启动调试无线同步测录系统，从使用以来

共参与到10余次变电站启动调试试验，目前已经和使用成熟的录波仪共同工作。

电压节点使用三根双屏蔽短线缆和断路器末屏中连接，收集的电压信号利用无线到上位机中发送，节约了大量放线工作，进一步提高了工作效率，避免了传统录波仪系统通过路面线缆受到碾压断裂的问题。上位机只需要一台具有无线功能的电脑，即可实现数据测录工作。在实验前期及后期过程中，无线同步测录系统的架构简单，线缆较少，具有明显效率优势。在后期处理过程中，具备专业化及智能化自动计算功能，有效节约了实验人员的时间。图2为实验的波形对比。通过图2可以看出，此系统满足启动调试实验技术需求。