變電站啟動調試無線同步測錄系統開發設計

陳 忠，朱太云，楊 為，趙恒陽，張國寶，蔡夢怡

（國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

新建的輸電線路在投入使用前都要對線路絕緣性能進行考核，在線路首端實現斷路器分閘及合閘的連續操作，以此對系統操作電磁暫態過程進行模擬。實驗過程中，對輸電線路電流電壓信號進行測量，從而充分反映線路的絕緣情況。目前，測量系統都是通過電流互感器、電容分壓器、錄波儀及光電隔離器構成。為了保證實驗過程中測量人員的人身安全，為測量儀器實現供電，一般將錄波儀、光電隔離器等布置在室內，利用電纜使變電站現場電容分壓器低壓側電壓信號和二次側電流信號連接室內儀器。此測量方法較為繁瑣，部分大型變電站的電纜較長，現場布線的工作量較大。因此，需要實現此系統的改進和優化。

1 變電站啟動調試無線同步測錄系統的設計需求及結構

在設計變電站啟動調試無線同步測錄系統過程中，要求系統能夠滿足以下需求。第一，無線化。本文設計的系統采用3G/4G、WiFi等無線通信技術，在檢位旁布置功能單元，不需要長遠距離布設檢測線纜。第二，高效率。系統中使多檢測單元分布于所有檢測位，一次開關動作即可完成所有數據檢測；系統自動匹配操作，無需人為協同。第三，可靠性高。所有檢測通道具備獨立觸發、并行觸發能力，多種觸發模式相互印證，信號觸發可靠。檢測單元按IP65防護等級設計，傳感器具備開路保護功能，確保主設備可靠接地。第四，準確性高。本地化檢測可以最大限度減小特征信號的損失；系統本體噪音低，抗干擾能力強，觸發信號檢測準確。

本文設計的系統主要由電壓采集單元、電流采集單元、開關控制單元和操控分析單元組成。圖1為變電站啟動調試無線同步測錄系統的結構。其中，電壓采集單元的主要作用是采集、處理套管末屏、CVT二次回路等處的電壓信號。電流采集單元的主要功能是采集、處理CT二次回路的電流信號。開關控制單元的主要功能是實時投切控制開關。操控分析單元的主要作用是協調控制整個系統的運行，匯集、處理被檢設備的狀態信息。

2 變電站啟動調試無線同步測錄系統的設計

2.1 電壓收集模塊

單一電壓收集模塊主要包括六個數據收集通道。在實現主變啟動調試實驗過程中，只需要一個節點，就能夠實現高壓側和低壓側的錄波任務。數據傳輸過程中，使用大功率無線模塊和定向平板天線，通過變電站中的鋼架設備，能夠應用到無線信用遮擋環境中。使用全封閉金屬屏蔽外殼，保護內部不受到外界強電磁干擾的影響。節點內部設置獨立節點無線管理系統，能夠對電池電量、設備的工作狀態及溫度進行實時的有效檢測。利用433M無線信號到主控端上位機軟件顯示中傳輸，上位機軟件能夠實現設備電源開關。使用便于更換的外置鋰電池實現供電，能夠連續工作15小時以上。

電壓收集模塊的節點采樣率為200 kS/s。通過FPGA收集六路同步數據，還能夠接收到GPS及射頻時鐘同步模塊時鐘信號，實現收集數據的分幀打包，將精準時間戳設置到幀頭，之后對ARM傳輸，并且實現數據預處理及上傳。

2.2 電流收集模塊

電流收集模塊的內部結構基本上和電壓收集模塊相同，不同點在于電流手機節點中利用外置開合式電流探頭實現信號的收集。此種探頭小巧且輕便，在實現變電站二次電路中能夠實現此電流的測量，不需要在電路中連接此設備，只需將探頭打開，并且在待測線纜中夾上即可。探頭的體積較小，重量較輕，不會影響測線路，操作簡單，具有較高的安全性。

圖1 變電站啟動調試無線同步測錄系統的結構

2.3 開關控制單元

開關控制單元主要包括控制通道、GPS授時單元、無線通信模塊、嵌入式計算機、數據存儲和內置電池。本單元用于開關的分合動作控制。操控端口有分、合、公共端幾類，可同時控制2路開關。每個通道操作指令發出時刻與持續時間都可以設置，時間精度為0.01 ms，時長0～1 000 ms。另外，還能夠單獨發出F/H操作指令，或者F**H**F等組合操作，其中動作延時可由后臺設置。作為系統的功能組件，由后臺系統軟件設定時序和條件，遠程實施相關斷路器操作。表1為開關控制單元的結構配置。

2.4 操縱分析單元

操縱分析單元的主要目的是協調、控制各個單元的啟動和運行，匯集、分析收集的相關數據和信息，屬于整個系統的核心部分。此系統的操控分析單元使用FPGA及ARM相互結合的架構方式實現。ARM使用Cortex A8處理器，實現中心主站的通信，管理數據收集及傳輸，從而確定觸發時間。FPGA對A/D數據收集、時間戳標記及時間同步進行控制，在獲得A/D模塊中的數據后，利用時鐘同步獲得同步信息，將時間戳到每幀數據幀頭進行標記，并在ARM系統內存中存儲數據，通過ARM中的運行收集控制軟件系統進行處理，利用無線模塊在中心主站中上傳。

表1 開關控制單元的結構配置

無線通信模塊使用Karlnet2400系列無線網橋，通信的頻段設置為2.4 GHz，支持點對點及點對多的網絡通信。因為不使用電纜，所以能夠有效避免空間電磁耦合引入的傳導干擾影響。另外，變電站干擾源主要包括工頻及諧波干擾源、載頻干擾源等，都使用2.4 GHz通信頻段，能夠避免諧波、工頻及載頻等干擾源。

中心主站無線通信模塊具有10/100 Mb/s網絡IP接口，利用網線和服務器相互連接。無線電壓、無線電流收集傳輸節點也具有網絡IP接口，和收集控制器相互連接，能夠實現無線網橋之前的相互通信。

3 現場使用

變電站啟動調試無線同步測錄系統，從使用以來

共參與到10余次變電站啟動調試試驗，目前已經和使用成熟的錄波儀共同工作。

電壓節點使用三根雙屏蔽短線纜和斷路器末屏中連接，收集的電壓信號利用無線到上位機中發送，節約了大量放線工作，進一步提高了工作效率，避免了傳統錄波儀系統通過路面線纜受到碾壓斷裂的問題。上位機只需要一臺具有無線功能的電腦，即可實現數據測錄工作。在實驗前期及后期過程中，無線同步測錄系統的架構簡單，線纜較少，具有明顯效率優勢。在后期處理過程中，具備專業化及智能化自動計算功能，有效節約了實驗人員的時間。圖2為實驗的波形對比。通過圖2可以看出，此系統滿足啟動調試實驗技術需求。

圖2 實驗的波形對比

4 結 論

收集端精準時間同步能夠保證錄波系統的正常運行。本文實現了變電站啟動調試無線同步測錄系統的設計，主要包括電壓采集單元、電流采集單元、開關控制單元和操控分析單元構成。之后對系統進行測試，表示系統能夠有效實現數據存儲、數據分析、波形顯示及報表生成，性能能夠滿足使用需求。