基于无线通信技术的断路器遥控分闸智能终端

叶瀚冰，吴俊飞，于兴羽

（国网衢州供电公司，浙江 衢州 324000）

0 引 言

随着电网规模的快速扩大和智能化变电站的建设，因保护测控装置和智能化二次设备故障导致变电站间隔断路器无法分闸的情况时有发生。为避免越级跳闸及事故范围扩大，一般会要求将失去保护的间隔断路器拉开。由于此时遥控功能缺失，运维人员无法远方拉开断路器，目前只能采取就地分闸的方式。为保证现场人员的人身安全，降低电网运行风险，需要对目前的处置方式作出改进。研发出一种遥控分闸智能终端，使得在保护测控装置或智能化二次设备失能的情况下，仍然能实现断路器的遥控分闸操作。无线遥控分闸智能终端装置的使用能够使得上述设备异常情况得到快速有效的处理。部分学者对该问题进行了相关研究，研制出了一种基于无线控制方式的断路器紧急分闸装置，该装置通过远距离的无线操作实现装置的自动操作，设计了伺服电机、触摸式操作面板等[1]。但是该断路器分闸无线控制终端的响应性能较差，分闸请求响应速度慢，分闸成功控制率低，无法满足实际需求。因此，针对上述方法存在的问题，研究一种新的基于无线通信技术的断路器遥控分闸智能终端。

1 智能终端总体架构设计

此次采用模块式设计智能终端总体架构，主要由输出端子、电源开关、电池、充电接口以及主控板等功能模块组成，具体如图1所示[2]。

图1 变电站间隔断路器分闸智能终端总体架构

远程开关控制装置有多路开关量接口，设备内置锂电池供电，电压为3.7 V，显示界面实时显示电池电量，解决现场电源接线不方便问题[3]。电池组具备电池电压检测功能，可监测电池组的电压状态，并给出提示。远程开关控制设备具备独立的控制主板，控制主板具备逻辑控制功能，可根据外部命令实现对开关量的逻辑控制及开关状态的读取上送。

远程开关控制设备内置4G/5G通信模块以及工业级5G全网通模块，支持4G全网通，远程控制16路空接点输出，交流接点的电压为220 V，电流为0.5 A；直流接点的电压为220 V，电流为0.2 A，并且设置一个网口，广域网（Wide Area Network，WAN）/局域网（Local Area Network，LAN）自适应。通信模块与外部网络通信，当设备上电后，通信模块自动与设定的云服务器端连接，并上送设备ID信息和设备状态信号。移动终端App通过云服务器端与通信模块通信，实现远程开关控制设备的控制应用。

2 智能终端界面设计

根据实际需求，设计智能终端显示界面，主要包括液晶屏、网口、充电接口、仪器开关、无线天线以及开关量端子，具体如图2所示[4]。

图2 智能终端显示界面

液晶屏显示设备电池的电流，对电池电压进行监测；以太网口用于连接摄像头设备，对摄像头提供网络；充电接口对设备进行充电，具有快速充电、电量达到满电状态自动断开的功能；电源开关的作用是控制电源是否供电，其实现的功能为打开或者关闭设备；天线的作用是连接手机终端（ipad）与设备，从而通过无线通信技术达到远程控制设备的目的；开关量端子与被控制端进行相连，远程控制开关量信号的分合。

3 基于无线通信技术的远程遥控

传统的远程遥控装置采用芯片组PT2262/PT2272进行编解码，与无线发射模块HS101连接构成无线遥控装置，但是该装置无线通信数据帧格式设计较差，并且地址域占用字节较大[4]。此次采用5G无线通信技术设计断路器遥控分闸智能终端的远程遥控模块，该功能模块的远程遥控指令主要通过无线通信协议实现传输，解决了传统装置存在的问题，并且具有响应速度快、可以与手机移动端直接相连等优点。基于无线通信技术的远程遥控示意如图3所示。

图3 基于无线通信技术的远程遥控

如图3所示，通过无线网络将云服务器与手机移动端和远程开关控制装置连接，利用无线通信协议传输远程遥控指令[5]。无线通信数据帧格式设计为8 bits地址域、8 bits功能码、N×8 bits数据域、16 bits校验码[6]。地址域占用一个字节，用于表示断路器分闸控制器名称，在断路器分闸指令无线通信过程中，发送的每2个数据包之间有5个字符时间停顿间隔[7]。断路器遥控分闸智能终端置于间隔断路器旁边，与断路器控制回路连接，手机移动端通过无线方式远程控制分闸智能终端的开关量断开或闭合[8]。断路器遥控分闸智能终端网口与监控设备连接，手机移动端通过监控软件对断路器一次设备分合状态进行实时监视，以此实现基于无线通信技术的断路器遥控分闸智能终端设计。

4 实验论证

4.1 实验准备及过程

为了检验本次设计的基于无线通信技术的断路器遥控分闸智能终端的适应性与可行性，选择某变电站为研究对象。该变电站的电压等级为110 kV，内桥接线，全站110 kV及10 kV断路器共38台，利用此次设计的智能终端对该变电站间隔断路器进行分闸远程遥控，并选择文献[1]的终端作为对比方法。为了便于书写和分析，以传统终端命名文献方法。实验准备了1台服务器以及1台iPad，由5G网络作为通信网络，将智能终端与通信网络连接，接收和发送分闸指令，以下对智能终端响应性能与分闸精度进行测试。

4.2 实验结果与讨论

响应性能是断路器遥控分闸智能终端的关键性能，正常情况下要求智能终端分闸服务响应时间不得超过3.5 s，响应时间越长，终端的分闸效果越差，因此实验首先对智能终端响应性能进行测试。实验分为8组，每组实验由用户通过终端操控界面发送分闸服务指令，利用khd软件测量到分闸指令响应时间，并使用电子表格对测试数据进行记录，具体如表1所示。

表1 不同终端分闸服务响应时间对比 单位：s

从表1可以看出，本次设计的终端分闸服务响应时间较短，分闸速度较快，最短响应时间为0.06 s，最长响应时间为0.26 s，平均响应时间约为0.16 s，可以将变电站间隔断路器分闸响应时间控制在1 s以内，实现对变电站间隔断路器实时分闸遥控；而传统终端对于变电站间隔断路器分闸远程智能遥控的响应时间相对比较长，响应速度较慢，最短响应时间为4.14 s，最长响应时间为5.58 s，平均响应时间约为5.23 s，远远高于设计终端的时间，因此说明在响应性能方面设计终端优于传统终端。

为了进一步验证设计终端的适应性，测试不同终端的分闸精度，实验以断路器分闸远程遥控距离为变量，以100 m为基数，针对各个断路器，不同终端分别远程遥控分闸100次，记录不同距离断路器分闸指令执行情况。以可靠控制成功率作为检验终端控制精度的指标，可靠控制成功率越高表示断路器分闸远程控制精度越高，具体实验数据如表2所示。

表2 不同终端分闸可靠控制成功率对比

从表2中数据可以看出，本文设计的断路器遥控分闸智能终端的可靠控制成功率不受距离因素的影响，在遥控距离100～500 m的分组实验中，断路器分支指令执行率均超过99%，可以实现无线远程分闸遥控指令的有效执行，其分闸控制仍具备可靠性；而传统终端分闸可靠控制的成功率相对较低，并且受遥控距离因素影响明显，在远程遥控距离为500 m时，传统终端的分闸可靠控制成功率仅为81%，远远低于设计终端。这是因为本文设计的基于无线通信技术的断路器遥控分闸智能终端采用了无线通信技术，通过该技术远程控制设备的断开或闭合状态，在设计中设计了相应的无线通信协议，实现对数据的高精度、高效率传输，保证了远程控制指令的传输质量，使分闸智能终端能够准确接收到远程遥控分闸指令。

通过实验结果证明，无论是在响应性能方面还是分闸精度方面，该设计终端均体现出了绝对的优势，相比较传统终端更适用于变电站间隔断路器的远程分闸遥控。

5 结 论

结合变电站间隔断路器在二次设备失能情况下的远程分闸遥控需求以及针对传统终端存在的不足和缺陷，利用无线通信技术设计了一个新的断路器遥控分闸智能终端，有效提高了断路器远程无线遥控分闸精度，实现了对传统终端的优化与创新，此次研究对推广无线通信技术在变电站内控制领域的应用、降低变电站运行故障损失具有良好的现实意义。