适用于避雷器阻性电流测量的异构网络应用

高 强，原 峰，李在林，刘 齐，代继成，潘丰厚，张云华，潘加玉

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳 110006；2.沈阳科开电力技术有限公司，沈阳 110179）

0 引言

随着金属氧化物避雷器（MOA）在电力系统中的广泛应用，对电网系统能否安全运行起着至关重要的作用。MOA在运行过程中，由于密封不良、电应力劣化等问题，会导致内部受潮、电阻片老化、电气性能变差等问题，从而使MOA阻性电流、全电流增大，MOA内部温度升高等，造成MOA防雷性能变差、热击穿等情况[1-2]，因此可以通过对MOA阻性电流的测量来反应MOA运行的状况。目前常用的MOA阻性电流测量方法多是采用有线连接方式，将MOA的泄漏电流和电压互感器的电压，通过传感器采集传送到数据集中处理设备，通过数据处理设备进行计算和分析等工作[3-6]。经多年的现场应用和实验，这种测量方式虽然能够基本满足测量精度等要求，但是由于在现场布设电缆，就会增加了现场测试人员的工作量和不安全因素。普通的无线测量方法能简化现场布线的复杂度，操作简便，但是由于现场抗干扰能力不足，存在同步效果差或测量不稳定等问题[7]。针对上述存在的问题，本文基于变电站内已经应用的LoRa网络[8]、高空速无线个域网的研究成果，设计出一种新型的基于异构网络的MOA阻性电流同步测量系统。通过不同频段的无线通信构建异构网络，分别组成阻性电流测量子系统和全站阻性电流测量系统。解决了现场布线的复杂性问题，同时提高了系统的同步效果，提高了测量精度。

1 基于异构网络的MOA阻性电流测量方法

异构网络是一种网络类型，其是由不同制造商生产的计算机、网络设备和系统组成的，为了满足终端业务的多样性需求，需要将相互重叠的不同类型网络融合起来以构成异构网络[9-10]。异构网络的特点是具有强大的自适应性、高度的自治性、良好的可伸缩性和重构性，可以满足不同用户在不同通信环境下的要求。本系统所用的异构网络主要是指高空速无线个域网和LoRa无线网络相互融合完成MOA阻性电流在运行电压下的测试工作。其中，LoRa全称是“Long Rang”，是一种基于扩频技术的低功耗长距离无线通信技术，主要面向物联网，应用于电池供电的无线局域网、广域网设备。

基于上述异构网络的优点，结合MOA阻性电流测量的实际问题，本文提出了基于异构网络的MOA阻性电流检测系统[11-14]。该系统最小单元结构见图1，利用电压传感器和电流传感器分别将同相电压互感器的二次电压信号和同相线路上MOA泄漏电流信号通过高空速无线个域网将数据传送给异构网络网关机。

图1 单相MOA阻性电流检测系统Fig.1 Resistance current detection system for single-phase arrester

异构网络网关机接收到A、B、C三相MOA电压、电流信号，并对测量信号进行分析计算，得出三相MOA的阻性电流值。该系统既可以作为现场在线监测设备，也可以作为带电检测设备用于变电站巡检工作中。当作为带电检测设备用于现场MOA巡检的时候需要使用手持设备，异构网络网关机和手持设备之间通过LoRa无线网络进行通信。当作为在线监测设备使用时，通过LoRa无线网络与IED进行数据交互，系统整体结构见图2。

图2 三相MOA阻性电流检测系统整体结构图Fig.2 Structure diagram of three phase arrester resistance current detection system

异构网络网关机通过LoRa网络与现场手持设备和IED进行通信，主要利用LoRa网络的可靠性高、网络健壮、远距离、低功耗等特性。由于异构网络具有良好的可伸缩性和重构性，可以将该系统扩展到全站其他MOA或者站内设备的在线监测和带电检测。

2 系统的设计和实现

本系统的异构网络传输架构主要采用分层结构设计思想，将网络结构层分为高空速无线个域网网络层和LoRa无线网络层两部分，通过异构网络网关机的数据信息处理转换单元，将处于不同网络层的数据进行交换，如图3所示为基于异构网络的MOA阻性电流测量系统网络结构框图。高空速无线个域网作为A、B、C三相MOA电流和电压的数据传输层，将采集终端采集到的MOA相关数据上传异构网络网关机，由网关机计算分析后，通过LoRa无线网络将数据传送递给手持设备或IED。

图3 阻性电流测量仪网络结构框图Fig.3 Network structure block diagram of resistive current measuring instrument

2.1 采集终端的实现原理

数据采集单元分别包括三相电压采集装置和三相电流采集装置，如图4所示为单相电流或电压数据采集装置简化框图，主要包括电流和电压传感器、模数转换单元、中央处理器单元、高空速无线个域网。电流传感器测量MOA的泄漏电流，电压传感器测量电压互感器二次侧的电压；中央处理器集成有DSP内核，对数据进行高速计算和分析；模数转换单元采用的是16位高精度模数转换芯片，辅以可调放大器，能够根据信号的大小自动调节放大倍数；高空速无线个域网采用2.4G无线模块进行通信，具有通讯速率高、抗干扰能力强等优点。

图4 数据采集装置简化框图Fig.4 Simplified block diagram of data acquisition device

2.2 异构网络交换机的实现原理

异构网络网关机主要包括高空速无线个域网、中央处理器、LoRa无线网络、非易失存储器等，见图5。LoRa无线网络具有远距离无线传输、低功耗、多节点、低成本的特性，为MOA现场测量提供了很大的便利性，用于和IED或者手持装置进行数据通信。

图5 数据采集装置简化框图Fig.5 Simplified block diagram of data acquisition device

2.3 手持终端的实现原理

手持终端主要包括LoRa无线网络、中央处理器、LCD液晶屏和非易失存储器。中央处理器采用基于ARM Cortex-A9内核的900 M工业级微处理器AM3359，内部运行Linux操作系统，键盘和大尺寸LCD液晶显示屏提供良好的人机交互功能，方便MOA阻性电流的数据进行存储和显示。手持终端装置图见图6。

图6 手持终端装置简化框图Fig.6 Simplified block diagram of handheld terminal device

2.4 系统功能实现

系统工作流程见图7。该MOA阻性电流测量系统中，主要包括MOA电压电流采集装置、异构网络网关机、手持装置/IED 3部分。电流采集装置测量MOA的阻性电流，电压采集装置同步采集电压互感器的电压信号配合计算电流和电压相位差。采集器采集完数据后，送入异构网络网关机进行分析计算，异构网络网关机将计算后的结果通过LoRa网络传送到手持设备或IED，完成一次数据采集，通信和存储显示。

图7 系统工作流程图Fig.7 System workflow diagram

3 系统测试精度验证

首先在实验室利用三相电流源对该系统进行精度测试，不同全电流值的测量结果见表1。

表1 网络通信测量结果Table 1 Measurement accuracy of network communication mA

使用该系统在变电站现场对220 kV MOA三相同时测量，测量结果见表2。

表2 现场实际测量结果Table 2 Actual measurement in field

4 结论

适用于避雷器阻性电流测量的异构网络能够掌控全站MOA的健康状况，为全站MOA的安全运行提供保障。

采用LoRa无线网络、高空速无线个域网、符合I0规范的过程层网络相融合的方式，不仅解决了传统MOA阻性电流测量仪现场使用时需要较长的电缆来布局布线带来的麻烦和危险性，还避免了使用单一无线网络时各个终端之间相互干扰，同时降低了系统成本。除此之外，LoRa网络还具有传输距离远、功耗低等优点，还可以将变电站的其他监测设备融合到该异构网络里，为实现电网全面智能化奠定了基础。