采用LoRa 无线技术的高压互感器智能测试装置

2023-11-27翁铭杰纪梦楚

通信电源技术 2023年18期

翁铭杰，纪梦楚

（福建省送变电工程有限公司，福建福州 350013）

0 引言

高压互感器作为电力系统中的重要设备，用于测量和保护设备之间的电压和电流关系。随着电力系统的发展，对高压互感器的测试和监测需求不断增加。传统的有线测试方式存在布线复杂、成本高昂和受环境限制等问题。因此，研究一种无线通信技术应用于高压互感器的测试和监测具有重要的意义。文章旨在研究采用LoRa 无线技术的高压互感器智能测试装置，通过无线通信实现对高压互感器的远程监测和测试，提高测试效率。

1 高压互感器的基本原理和测试方法

1.1 高压互感器的基本原理

高压互感器是一种将高电压变换为低电压的电气设备，其基本原理是电磁感应。高压互感器由高压绕组和低压绕组组成，通过电磁耦合实现电压变换。

1.2 高压互感器的测试方法

高压互感器的测试方法主要包括电压比测试、绕组直流电阻、互感器负荷、绕组极性、零序电流测试以及时间特性测试等[1]。电压比测试用于测量高压互感器的变比；绕组直流电阻测试用于检测互感器内部的线圈是否损坏；互感器负荷测试用于判断互感器的后端在长距离的引线输出后是否产生误差超标；绕组极性用于判断继电保护测控装置是否正常运行；零序电流测试用于判断高压互感器的漏磁和对称性能；时间特性测试用于评估高压互感器的动态特性。

2 LoRa 无线技术的特点和工作原理

2.1 LoRa 无线技术的特点

LoRa 是一种低功耗、长距离的无线通信技术，具有覆盖范围广、抗干扰能力强和通信稳定可靠等特点。LoRa 遇到干扰与障碍物时的传输示意如图1所示。

图1 LoRa 遇到干扰与障碍物时的传输示意

2.2 LoRa 无线技术的工作原理

LoRa 无线技术采用频移键控调制技术，通过改变载波频率实现数据的传输[2]。LoRa 通信系统由发送端和接收端组成。发送端将待传输的数据进行编码和调制，然后通过天线发送信号。接收端接收信号后，通过解调和解码还原出原始数据。基于LoRa 发射模块结构原理如图2 所示，基于LoRa 信号接收装置结构原理如图3 所示。

图2 基于LoRa 发射模块结构原理

图3 基于LoRa 信号接收装置结构原理

3 基于LoRa 无线技术的高压互感器智能测试装置设计

3.1 系统框架设计

基于LoRa 无线技术的高压互感器智能测试装置主要由传感器模块、无线模块、微控制器以及显示模块组成。传感器模块用于采集高压互感器的相关数据，无线模块实现与接收端的无线通信，微控制器负责数据的处理和控制，显示模块用于实时显示测试结果。

3.2 传感器模块设计

传感器模块采用合适的传感器和信号处理电路，能够准确地采集高压互感器的电压和电流信号。采集的信号通过模数转换器转换为数字信号，然后传输至微控制器进行处理。

3.3 无线模块设计

无线模块采用LoRa 无线通信技术，通过天线进行信号的发送和接收。发送端将采集的数据经过编码和调制后发送出去，接收端将接收到的信号进行解调和解码来还原出原始数据。同时，将模块的数据收发中断用于终端设备的信号同步，并给传感器采样电路提供同步，实现基于无线的采样与相位计算。

3.4 微控制器设计

微控制器负责数据的处理和控制。它接收传感器模块采集的数据，并进行相应的算法处理，得到测试结果[3]。同时，微控制器通过无线模块将测试结果发送给接收端，并接收来自接收端的控制命令。采用32 位的微控制器AT32F403A，其采用cortex-M4 内核，拥有240 MHz 的主频、8 个串行接口、3 个独立的12 位模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）内核，很好地满足了本应用的硬件需求。

3.5 显示模块设计

显示模块用于实时显示测试结果，可以采用液晶显示屏或者其他合适的显示设备。测试结果包括高压互感器的变比、漏磁和对称性能以及动态特性等。目前，成熟的人机界面模块通常采用串行接口，可以很方便地连接微控制器，实现界面开发。

4 实验设计与结果验证

为验证基于LoRa 无线技术的高压互感器智能测试装置的可行性和可靠性，设计一系列实验[4-5]。实验中使用真实的高压互感器进行测试，并与传统有线测试方式进行对比。通过多个变电站现场进行验证，其中在远端即高压互感器的测控装置（以下简称远端）上布置一个带LoRa 发射模块的测量装置，在高压互感器本体位置（以下简称本体）布置一个LoRa 接收模块测量从机。在远端的测量装置通过LoRa 发送启动命令到本地端，启动采样监测，并且按次序对相应的高压互感器绕组施加电流信号。本体测量装置轮询测量各高压互感器绕组的信号，根据采样到信号的极性、信号到达的次序判断高压互感器的传输回路是否正确。LoRa 通信距离实测情况如表1 所示，基于LoRa 通信的自动化测量精度和核相逻辑如表2 所示，基于LoRa 通信的自动化测量与传统方式的时间对比如表3 所示。实验结果表明，采用LoRa 通信方法使用的嵌入式系统实现了自动化，完全替代了传统人工逐个校对的操作方法，测量时间答复缩短，从而提高变电站的高压互感器调试效率，并且可以实现远程监测和测试，具有较高的测试精度和稳定性。