基于WIFI无线传输网络的变电站分布式核相结构设计

冯驰 陈山 吴丽莎 吴屏 占晓云 王东 张伟

摘 要： 为了满足智能变电站的大规模建设，需要开发关于核相设备对电力系统中的电源三相相序进行核准。核相工作往往耗费很大的人力与物力，那么在这方面，设计合理高效的核相结构系统对于提高工作效率、减少成本有着积极的意义。在简单介绍我国变电站的发展历程之后，阐述在现今条件下，如何利用无线通信技术结合核相工作。分析了WIFI技术的组成和网络拓扑结构。将WIFI技术运用到核相的硬件架构和软件实现流程中。然后通过测试室内不同距离的信号质量，检测实现的核相结构的正确性，为保证无线电力设备在监测方面提供了技术支持，有着积极的经济价值和社会意义。

关键词： 核相; 分布式系统; 智能变电站; 无线传输

中图分类号： TM 933      文献标志码： A

Design of Distributed Phase-detecting Structure for Substation

Based on WIFI Wireless Transmission Network

FENG Chi， CHEN Shan， WU Lisha， WU Ping， ZHAN Xiaoyun， WANG Dong， ZHANG Wei

（State Grid Anqing Power Supply Company， Anqing， Anhui  246000， China）

Abstract：

In order to meet the large-scale construction of smart substation， it is necessary to develop nuclear phase equipment to approve the three-phase sequence of power supply in power system. Nuclear phase work often consumes a lot of manpower and material resources， so in this regard， the design of a reasonable and efficient nuclear phase structure system has a positive significance for improving work efficiency and reducing costs. Firstly， this paper briefly introduces the development process of substation in China， and expounds how to use wireless communication technology to combine nuclear phase work under current conditions. The composition and network topology of WIFI technology are analyzed. WIFI technology is applied to the hardware architecture and software implementation process of nuclear phase. Then， by testing the signal quality of different distances in the room， the correctness of the nuclear phase structure is detected， which provides technical support for monitoring radio power equipment， and has positive economic value and social significance.

Key words：

nuclear phase; distributed system; smart substation; wireless transmission

0 引言

電力系统是一个国家社会发展的基础，关乎国计民生[1]。其中变电站的有效运行显得十分重要，如图1是我国变电站的发展历程，如图1所示。

经过多年建设，逐渐向智能化过渡[2]。在智能电力系统的实际运行过程中，往往需要进行核相的工作，所谓核相就是在变电站新建、扩建、改建的过程中，需要检修输电线[3]。向用户输电前，用仪表对三相电路的两端电源进行核相试验，确保变电站的电力设备三相相序一致[4]。避免在二路电源并列运行或倒闸操作时，因非同相运行造成短路事故。所以核相试验是变电站正常运行中十分基础而又重要的工作。由于核相技术的不断发展，核相设备趋向于便携式，并且操作简单，测试灵活，受到测试人员的青睐。同时随着嵌入式技术、通信技术的快速发展，人们利用无线传感器WIFI技术直接对变电站中的电力系统参数进行实时监测[5]。而且利用电子数字化的技术解决核相结果随时间波动，同步信号接入繁琐的问题。

1 WIFI应用于变电站的可行性分析

1.1 WIFI的组成结构

WIFI技术是一种无线局域网数据传输技术。可以应用在不同的频段上，其传输速率可高达54Mbps。由于WFI采

用的是直接序列扩频技术，容易受到多种因素的干扰，尤其以设备功率的影响最大。两个设备之间的WIFI通信既可以借助基站和访问点来进行，也可以通过Ad Hoc的方式。相比于其他的短距离通信技术，例如ZigBee技术，WIFI覆盖范围更广，传输速率更快更加稳定[6]。常见的短距离通信技术如表1所示。

在实际的WIFI网络中，它包含了许多因素，如图2所示。

其组成结构包含站点、无线介质和接入点。站点在网络既是信息的发送者也是信息的接受者，实现人机交互功能。所有信号的传输都需要介质来传递，在WIFI结构中，接入点与站点的数据交换媒介就是无线介质。接入点则是整个服务集的控制中心，管理所有的站点，并且也发挥网络中桥接的作用。

2.2 WIFI的网络拓扑结构

依据不同接入点的功能，可以将WIFI分成不同种类的网络拓扑结构，最为常见的网络拓扑结构为点对点模式、多接入点模式以及基础架构模式。点对点模式是全部由站点自行组成，如图3所示。

站点之间直接通信，网络中每个站点串联连接，一旦某个站点断链，通信就会失败。该模式适合用户少的情况。

基础构架模式中，无线接入点作为有线网络与站点之间的信息中继传输点[7]，完成网络通信中的所有无线传输，其组网结构如图4所示。

而多接入点模式由多个接入点和连接的分布式系统组成，形成一个扩展服务集[8]。

2.3 WIFI的TCP/IP协议

TCP协议规定数据包接收方在接收到信息后，返回给发送方一个确认信息，保证数据传输的正确性[9]。由于数据传输过程中，网络拥塞和数据丢失的情况时有发生，需要加入慢启动机制，控制初始传输时的数据量增加的情况。同时为了保证数据包接近门限值时的状况，应当考虑拥塞避免装置。保证数据传输的正确性和稳定性。

3 分布式智能变电站核相系统

由图5所示，变电站分布式核相结构系统由一台核相主机与若干分布式放置的采样终端组成，核相主机主要用来进行数据的计算，采集变电站的电源作为核相的基准相位。采样终端则用来获取电子式互感器输出的数字化采样结果，采样终端与核相主机的通信方式是依靠无线WIFI技术实现的，如图5所示。

3.1 核相系统实现方案

该分布式核相结构的设计主要分为两部分，硬件结构与软件实现。硬件结构上采用基于FPGA和PowerPC中央处理器的双处理器架构，如图6所示。

由于FPGA的处理数据能力强大，用于实现核相结构中的内部时钟与中断任务，以及其他模块的驱动。PowerPC处理器用于支持外围器件，负责核相结构的相位数据分析。采样终端相对于核相主机增加了AD转换模块和光纤以太网。

核相系统的软件流程，如图7所示。

采用核相系统主机的时钟作为时间标准，采用终端与核相主机交互进行时钟同步。采样终端依据将数据打上时间戳后上发至核相主机，核相主机根据站用电源的相位作为基准相位，对数字化采样的电气信号进行延迟补偿，计算每个采样值与基准值的相位差值，完成整个变电站的核相工作。

3.2 核相结构的关键技术实现

在基于WIFI传输的核相结构设计中，采样终端的上传数据与核相主机的时间同步性是十分关键的研究内容。WIFI的通信方式在变电站中受到很多信号的干扰，为保证数据的较高相位精度，要在三个方面重点分析。第一个方面是时间标记，在软件层次的时间标记相对容易实现，但是时钟抖动较大。在硬件层次上实现，实时性很强，不易受到任务的干扰。同时在接收到时间标记后，追溯到数据起始位的到达时刻。第二个方面是时间样本过滤，WIFI无线同步效果一般条件下是比较差的，只有在对以太网报文过滤，获得有效的MAC地址报文。而且为了减小算法误差和软件程序的抖动，应反复计算时间数据对样本筛选，筛选的公式如式（1）所示。

Tn为经最小值过滤的样本数据;T′n为筛选后的样本;N为采样点数据窗;T为筛选后样本均值。最后一个方面是频率的校正，测量平均路径延时调整主从时钟的频率偏差，计算出频率修正系数Ct，如式（2）所示。

Ct为频率修正系数;T′t为从时钟本次获取的报文达到时刻;T′t-1为从时钟前次获取的报文到达时刻;Tt为主时钟本次报文发送时刻;Tt-1为主时钟前次报文发送时刻。校正后的频率采用平滑方式，ft为校正后的频率，ft-1为前次校正后的频率。K为调节系数。其调节式如式（3）所示。

4 分布式核相结构的测试

设计完核相结构后，需要进一步地测试性能指标，测试条件如图8所示。

通过多台经过WIFI核对基准时钟，利用继电保护测试仪输出电流采样信号，1台输出模拟量，另外3台输出数字量，模拟3个采样终端的采样数据，记录新设计的核相结构的测试数据。分别对3种电流信号，配置室内测试环境，测试间距分别选取10 m、50 m、200 m，所有测试保护仪的数据设置是“电流有效值为5A，电流相位为0°，测试频率选取常见的50 Hz”。实验测试记录表如表2所示。

从该记录表上分析可知，在不同的室内测试距离下，变电站分布式核相结构的采样终端采样结果稳定，不同信号的不同测试距离之间的有效值误差范围在0.1%之内，相位误差值的范围在0.25%以内。该设计的变电站分布式核相结构可以满足目前电力系对于核相设备的要求。基于WIFI的通信技术在核相结构中的应用是可以实现功能的[10]。

5 总结

本文以智能电网中的变电站分布式核相结构入手，针对向智能化电网改善的过程中，通过分析各种短距离通信技术，阐述了WIFI无线通信技术的优势，分析了WIFI的组成结构与网络拓扑结构，利用WIFI进行数据传输。运用WIFI技术进行自组网，分别设计了核相结构的硬件架构和软件实现流程，组织核相结构系统，重点分析室内信号在不同环境距离测试下，其相位误差值和电流有效值的误差范围。未来的研究应当更加关注在相位测试之外，也要测量电力线的电压，同时设计出操作更加友好的人機交互界面。

参考文献

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（收稿日期： 2019.07.02）