基于LoRa無線技術的便攜式繼電保護跳閘矩陣校驗裝置的設計

摘要：常規變電站主變壓器等多元件保護裝置跳閘矩陣的校驗通常是二次人員使用萬用表校驗，存在保護裝置動作次數多、效率低、漏檢、錯檢等問題。因此，研制了基于LoRa（Long Range Wide Area）無線技術的便攜式繼電保護跳閘矩陣校驗裝置。通過開關量輸入模塊、數據處理與無線模塊、移動終端，實現校驗裝置的便攜性設計與跳閘接點數字化處理。開發移動終端可視界面，顯示各接點動作時間，將跳閘矩陣生成十六進制數值比對定值單，保存數據并生成調試報告，多元件保護裝置跳閘矩陣校驗調試效率提升了82%以上。

關鍵詞：LoRa無線技術；便攜式；跳閘矩陣；繼電保護

中圖分類號：TM77；TP301.6" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0052-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.013

0" " 引言

目前繼電保護裝置中，類似主變保護、母線差動保護等多元件保護裝置，根據不同的保護與不同的時限，跳閘的開關不同，從而在裝置中整定了跳閘矩陣。在基建、例檢、補充檢驗中，均需要對多元件保護裝置進行跳閘矩陣的校驗。常規跳閘矩陣校驗方式一次只能測量一組接點，需要多次進行重復的保護裝置調試，且兩個人配合才能完成跳閘矩陣的校驗。當前研究中，跳閘矩陣校驗裝置存在體積太大，不夠便攜[1]，輸入接點較少[2]、數據顯示較為簡單，不能靈活顯示所需的數字化信息[3]，功能有限，不能同時測量有源接點和無源接點[4]等問題。而當前物聯網技術極速發展，大量無線技術被應用于各種電力系統檢測與數據通信裝置中[5-7]，LoRa技術因其低功率、遠距離、抗干擾、穿透性強、簡單高效的特性，十分適合作為變電站內的無線傳輸技術[8]。因此，將無線技術與傳統跳閘矩陣校驗裝置相結合，利用快速發展的移動終端處理器性能，可以大大減少跳閘矩陣校驗裝置的體積和數據處理量，并且利用移動終端的硬件進行數據處理、顯示和保存，提高多元件保護跳閘矩陣校驗效率，符合當前數字化變電站的發展趨勢。

本文研制了一種基于LoRa無線技術的便攜式繼電保護跳閘矩陣校驗裝置，采用無線技術將多元件繼電保護裝置采集的跳閘矩陣開關量信息進行數字化轉換，并發送至各種移動終端。該裝置單人即可完成操作，無線手持終端不被采集裝置位置束縛，且具有友好的人機交互界面，跳閘矩陣數據處理、顯示和保存人性化，縮短了基建、例檢、驗收調試時間與停電時間，減少了工作人員的數量，降低了人工成本，相比于傳統的跳閘矩陣驗證方式，校驗調試效率提升了82%以上。

1" " LoRa無線技術

LoRa是一種低功率的無線網絡協議，被廣泛應用于電力物聯網領域。LoRa相比于Wi-Fi、藍牙通信，具有傳輸距離遠和抗干擾性強兩大優勢，一座基站在變電站室內覆蓋半徑可達2～3 km，室外覆蓋半徑可達5 km，同時其傳輸速率為幾百到幾十千比特每秒。在繼電保護校驗任務中應用LoRa無線技術，不僅可以滿足校驗數據的傳輸速率需求，還可以大幅提升遠距離下的抗干擾性，從而提升數據傳輸整體穩定性。

2" " 校驗裝置設計

目前，在變電站多元件繼電保護裝置校驗時，除了校驗各保護動作邏輯的正確性外，還需要校驗各保護裝置的出口情況，以主變保護為例，需要驗證其跳閘矩陣，橫坐標為裝置的出口跳閘或啟動功能，縱坐標為各保護類型，如表1所示。

在常規的保護裝置測試方法中，測量人員需要采用萬用表逐一測試表1中的數值，完成一次測試需要檢測200次以上，通常會消耗巨大的人力和時間成本。此外，逐一檢查接觸點位有效性時，很容易發生萬用表接觸不良導致誤判的情況，進而威脅電網安全穩定運行。

在常規的測試方法基礎上，本文設計的校驗裝置采用了多口智能跳閘矩陣測試法，通過十六進制的方式，完成同一控制字同步校驗，將所有的出口接點接入裝置，一次試驗可將出口動作先后順序及時記錄，從而有效提高保護裝置測試效率，減少裝置動作次數，減輕測試任務。

2.1" " 硬件電路設計

測試法所采用的硬件電路連接方式如圖1所示。

設計方案中，保護裝置的高壓電與110 V的低壓電通過中間繼電器進行隔離。在高壓側，保護裝置輸出的待檢測電壓通過限流電阻接入中間繼電保護器中，當某個跳閘出口動作后，信號電流會連通中間繼電器，觸發繼電器常開觸點閉合。在弱電側，當常開觸點閉合后，接入模組的電位被拉低，從而通過干濕接點兼容電路，接入到STM32F103RCT6主控芯片中，之后通過OLED模塊進行可視化展示，并由2.4 GHz無線傳輸模塊借助LoRa技術發送測試位數據接入移動終端。

2.2" " 干濕接點兼容模塊設計方案

干濕接點兼容采集電路可以起到測量對象切換的效果，設計方案如圖2所示。U1為光電耦合器，U2為常閉型固態繼電器，K1為常規電磁繼電器。其中P_CH1和N_CH1通過設備外殼的插座引出，作為測量接點邏輯狀態的輸入口。SW是接點模式切換自鎖開關，用于切換干濕接點測量狀態。

上電后，默認支持濕接點，此時若P_CH1接+110 V，由于光耦U1導通，則IN1輸出低電平；此時若P_CH1接入0 V或-110 V，由于D3的單向導電性，光耦不導通，IN1輸出高電平。此時若接線錯誤，P_CH1和N_CH1短接，則與P_CH1接入0 V一樣，IN1輸出高電平，從而達到有效值測量的目的。

2.3" " LoRa無線通信架構設計

LoRa無線數據傳輸模塊具有距離遠、功率低、傳輸穩定等優點，跳閘接點輸入與各開入動作時間數據可以透傳至手機、平板或電腦等移動終端進行顯示，從而高效地進行站內繼電保護裝置大規模同步檢驗。

所設計的無線模塊與組網后的分布式智能檢測系統如圖3所示。通過將測試生成的結果傳入移動終端，將接點動作時間、跳閘矩陣生成十六進制值，方便與定值單比對，并且生成測試報表，上傳至故障信息系統。

3" " 校驗測試

為了精準校驗動作時間，本檢測方法采用了以段為基礎單位的測試方法，每一特定時限保護為一單獨的時限邏輯。計算公式如下：

T=C×Ta×保護邏輯數量

式中：T為跳閘矩陣校驗時間；C為保護裝置套數；Ta為單個邏輯平均校驗時間。

在220 kV與110 kV變電站主變開展測試，得到的結果如表2所示，測試裝置如圖4所示。

4" " 結論

本文設計了一種基于LoRa無線技術的便攜式繼電保護跳閘矩陣校驗裝置，與原始的人工逐項檢測相比，具有以下顯著優點：

（1）有效提升了測試結果的準確性和可靠性。在移動終端內部部署了測試算法，顯示接點動作時間，并將跳閘矩陣生成十六進制值方便與定值單比對，在傳統的人工校驗和機器校驗的基礎上，校驗調試效率提高82%以上，大幅減小了裝置體積、重量，并且測試正確率提升23%。

（2）移動終端可現場實時生成調試報告，減少了工作人員調試后人工撰寫報告的時間，同時避免了人工測試疏漏情況的出現，減少了人為因素影響，在降低誤檢率的同時，有效提升了繼電保護測試自動化與智能化的程度。

[參考文獻]

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收稿日期：2022-12-14

作者簡介：張藝淵（1991—），男，福建漳州人，工程師，研究方向：電力系統繼電保護。