基于無線通信技術的斷路器遙控分閘智能終端

葉瀚冰，吳俊飛，于興羽

（國網衢州供電公司，浙江 衢州 324000）

0 引 言

隨著電網規模的快速擴大和智能化變電站的建設，因保護測控裝置和智能化二次設備故障導致變電站間隔斷路器無法分閘的情況時有發生。為避免越級跳閘及事故范圍擴大，一般會要求將失去保護的間隔斷路器拉開。由于此時遙控功能缺失，運維人員無法遠方拉開斷路器，目前只能采取就地分閘的方式。為保證現場人員的人身安全，降低電網運行風險，需要對目前的處置方式作出改進。研發出一種遙控分閘智能終端，使得在保護測控裝置或智能化二次設備失能的情況下，仍然能實現斷路器的遙控分閘操作。無線遙控分閘智能終端裝置的使用能夠使得上述設備異常情況得到快速有效的處理。部分學者對該問題進行了相關研究，研制出了一種基于無線控制方式的斷路器緊急分閘裝置，該裝置通過遠距離的無線操作實現裝置的自動操作，設計了伺服電機、觸摸式操作面板等[1]。但是該斷路器分閘無線控制終端的響應性能較差，分閘請求響應速度慢，分閘成功控制率低，無法滿足實際需求。因此，針對上述方法存在的問題，研究一種新的基于無線通信技術的斷路器遙控分閘智能終端。

1 智能終端總體架構設計

此次采用模塊式設計智能終端總體架構，主要由輸出端子、電源開關、電池、充電接口以及主控板等功能模塊組成，具體如圖1所示[2]。

圖1 變電站間隔斷路器分閘智能終端總體架構

遠程開關控制裝置有多路開關量接口，設備內置鋰電池供電，電壓為3.7 V，顯示界面實時顯示電池電量，解決現場電源接線不方便問題[3]。電池組具備電池電壓檢測功能，可監測電池組的電壓狀態，并給出提示。遠程開關控制設備具備獨立的控制主板，控制主板具備邏輯控制功能，可根據外部命令實現對開關量的邏輯控制及開關狀態的讀取上送。

遠程開關控制設備內置4G/5G通信模塊以及工業級5G全網通模塊，支持4G全網通，遠程控制16路空接點輸出，交流接點的電壓為220 V，電流為0.5 A；直流接點的電壓為220 V，電流為0.2 A，并且設置一個網口，廣域網（Wide Area Network，WAN）/局域網（Local Area Network，LAN）自適應。通信模塊與外部網絡通信，當設備上電后，通信模塊自動與設定的云服務器端連接，并上送設備ID信息和設備狀態信號。移動終端App通過云服務器端與通信模塊通信，實現遠程開關控制設備的控制應用。

2 智能終端界面設計

根據實際需求，設計智能終端顯示界面，主要包括液晶屏、網口、充電接口、儀器開關、無線天線以及開關量端子，具體如圖2所示[4]。

圖2 智能終端顯示界面

液晶屏顯示設備電池的電流，對電池電壓進行監測；以太網口用于連接攝像頭設備，對攝像頭提供網絡；充電接口對設備進行充電，具有快速充電、電量達到滿電狀態自動斷開的功能；電源開關的作用是控制電源是否供電，其實現的功能為打開或者關閉設備；天線的作用是連接手機終端（ipad）與設備，從而通過無線通信技術達到遠程控制設備的目的；開關量端子與被控制端進行相連，遠程控制開關量信號的分合。

3 基于無線通信技術的遠程遙控

傳統的遠程遙控裝置采用芯片組PT2262/PT2272進行編解碼，與無線發射模塊HS101連接構成無線遙控裝置，但是該裝置無線通信數據幀格式設計較差，并且地址域占用字節較大[4]。此次采用5G無線通信技術設計斷路器遙控分閘智能終端的遠程遙控模塊，該功能模塊的遠程遙控指令主要通過無線通信協議實現傳輸，解決了傳統裝置存在的問題，并且具有響應速度快、可以與手機移動端直接相連等優點。基于無線通信技術的遠程遙控示意如圖3所示。

圖3 基于無線通信技術的遠程遙控

如圖3所示，通過無線網絡將云服務器與手機移動端和遠程開關控制裝置連接，利用無線通信協議傳輸遠程遙控指令[5]。無線通信數據幀格式設計為8 bits地址域、8 bits功能碼、N×8 bits數據域、16 bits校驗碼[6]。地址域占用一個字節，用于表示斷路器分閘控制器名稱，在斷路器分閘指令無線通信過程中，發送的每2個數據包之間有5個字符時間停頓間隔[7]。斷路器遙控分閘智能終端置于間隔斷路器旁邊，與斷路器控制回路連接，手機移動端通過無線方式遠程控制分閘智能終端的開關量斷開或閉合[8]。斷路器遙控分閘智能終端網口與監控設備連接，手機移動端通過監控軟件對斷路器一次設備分合狀態進行實時監視，以此實現基于無線通信技術的斷路器遙控分閘智能終端設計。

4 實驗論證

4.1 實驗準備及過程

為了檢驗本次設計的基于無線通信技術的斷路器遙控分閘智能終端的適應性與可行性，選擇某變電站為研究對象。該變電站的電壓等級為110 kV，內橋接線，全站110 kV及10 kV斷路器共38臺，利用此次設計的智能終端對該變電站間隔斷路器進行分閘遠程遙控，并選擇文獻[1]的終端作為對比方法。為了便于書寫和分析，以傳統終端命名文獻方法。實驗準備了1臺服務器以及1臺iPad，由5G網絡作為通信網絡，將智能終端與通信網絡連接，接收和發送分閘指令，以下對智能終端響應性能與分閘精度進行測試。

4.2 實驗結果與討論

響應性能是斷路器遙控分閘智能終端的關鍵性能，正常情況下要求智能終端分閘服務響應時間不得超過3.5 s，響應時間越長，終端的分閘效果越差，因此實驗首先對智能終端響應性能進行測試。實驗分為8組，每組實驗由用戶通過終端操控界面發送分閘服務指令，利用khd軟件測量到分閘指令響應時間，并使用電子表格對測試數據進行記錄，具體如表1所示。

表1 不同終端分閘服務響應時間對比 單位：s

從表1可以看出，本次設計的終端分閘服務響應時間較短，分閘速度較快，最短響應時間為0.06 s，最長響應時間為0.26 s，平均響應時間約為0.16 s，可以將變電站間隔斷路器分閘響應時間控制在1 s以內，實現對變電站間隔斷路器實時分閘遙控；而傳統終端對于變電站間隔斷路器分閘遠程智能遙控的響應時間相對比較長，響應速度較慢，最短響應時間為4.14 s，最長響應時間為5.58 s，平均響應時間約為5.23 s，遠遠高于設計終端的時間，因此說明在響應性能方面設計終端優于傳統終端。

為了進一步驗證設計終端的適應性，測試不同終端的分閘精度，實驗以斷路器分閘遠程遙控距離為變量，以100 m為基數，針對各個斷路器，不同終端分別遠程遙控分閘100次，記錄不同距離斷路器分閘指令執行情況。以可靠控制成功率作為檢驗終端控制精度的指標，可靠控制成功率越高表示斷路器分閘遠程控制精度越高，具體實驗數據如表2所示。

表2 不同終端分閘可靠控制成功率對比

從表2中數據可以看出，本文設計的斷路器遙控分閘智能終端的可靠控制成功率不受距離因素的影響，在遙控距離100～500 m的分組實驗中，斷路器分支指令執行率均超過99%，可以實現無線遠程分閘遙控指令的有效執行，其分閘控制仍具備可靠性；而傳統終端分閘可靠控制的成功率相對較低，并且受遙控距離因素影響明顯，在遠程遙控距離為500 m時，傳統終端的分閘可靠控制成功率僅為81%，遠遠低于設計終端。這是因為本文設計的基于無線通信技術的斷路器遙控分閘智能終端采用了無線通信技術，通過該技術遠程控制設備的斷開或閉合狀態，在設計中設計了相應的無線通信協議，實現對數據的高精度、高效率傳輸，保證了遠程控制指令的傳輸質量，使分閘智能終端能夠準確接收到遠程遙控分閘指令。

通過實驗結果證明，無論是在響應性能方面還是分閘精度方面，該設計終端均體現出了絕對的優勢，相比較傳統終端更適用于變電站間隔斷路器的遠程分閘遙控。

5 結 論

結合變電站間隔斷路器在二次設備失能情況下的遠程分閘遙控需求以及針對傳統終端存在的不足和缺陷，利用無線通信技術設計了一個新的斷路器遙控分閘智能終端，有效提高了斷路器遠程無線遙控分閘精度，實現了對傳統終端的優化與創新，此次研究對推廣無線通信技術在變電站內控制領域的應用、降低變電站運行故障損失具有良好的現實意義。