基于無線通信的二次交流回路無線遙測系統(tǒng)的開發(fā)

桂小智，萬 勇，王冠南，謝國強，鄒 進

（國網(wǎng)江西省電力科學研究院，江西南昌 330096）

0 引言

變電站新設(shè)備或者在正式投運前必須經(jīng)過一系列的試驗。為了使二次設(shè)備能安全可靠地實現(xiàn)對一次設(shè)備的保護，按照DL/T995-2006繼電保護和電網(wǎng)安全自動裝置檢驗規(guī)程的要求，二次設(shè)備新安裝或者設(shè)備回路有較大變動時，在投入運行前必須利用工作電壓、一次負荷電流驗證測量電壓、電流的幅值及相位關(guān)系，進而檢驗電壓、電流二次回路接線的正確性，即對保護裝置開展核相、帶負荷校保護試驗。

目前變電站二次設(shè)備新投運前開展核相和帶負荷校保護試驗是利用萬用表、相位表開展的，即利用老設(shè)備電壓UA、UB、UC為基準電壓，通過試驗線把基準電壓引至新投運設(shè)備旁與新帶電設(shè)備電壓進行比較；帶負荷校保護的方法是以UA為基準，利用相位表查看新設(shè)備電流回路相序是否為正序，并且查看電流互感器的極性是否正確。若基準電壓與新投運設(shè)備之間距離較遠，在試驗過程中則必須用較長的試驗線，使用很不方便，且具有一定的危險性。特別是在智能變電站中，由于智能匯控柜設(shè)置在升壓站，在對合并單元進行核相與帶負荷校保護試驗時，由于各個設(shè)備之間的距離比較遠，試驗過程中的試驗導線，必定會給整個送電調(diào)試帶來很大的安全隱患與風險。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展及其傳輸數(shù)據(jù)的便捷性，在很多環(huán)境惡劣、現(xiàn)場危險、噪音干擾大、工作人員不宜停留的地方采用無線通信的方式進行各種物理參數(shù)的檢測也越來越引起人們的關(guān)注。因此，本文提出一種基于無線通信的便攜式變電站二次交流回路無線遙測系統(tǒng)的設(shè)計方案，依此方案實現(xiàn)了該遙測系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于實際變電站，驗證了該系統(tǒng)的可靠性。

1 設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)通信方式

為了解決目前常規(guī)變電站和智能變電站送電調(diào)試過程中有線核相、保護所帶來的安全隱患，本文設(shè)計了一種基于無線通信的便攜式變電站二次交流回路無線遙測系統(tǒng)。系統(tǒng)的通信設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。

圖1 全雙工通信方式

系統(tǒng)包含2臺一模一樣的采用全雙工（full-duplex）通信的A、B設(shè)備組成。系統(tǒng)允許A、B二臺設(shè)備間同時利用無線通信模塊進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器。全雙工主要有2種形式：分別為時分雙工（時間分隔多工）和頻分雙工，在該便攜式變電站二次交流回路無線遙測系統(tǒng)中，由于要使接收和傳送數(shù)據(jù)同步，因此本系統(tǒng)采用頻分雙工的形式，同時引入同步機制使A設(shè)備的傳送和B設(shè)備的接收同步。

圖2 設(shè)備原理結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)采集回路設(shè)計

系統(tǒng)中的每臺設(shè)備原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含信號調(diào)理電路、A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、同步對時模塊、無線通信模塊組成。圖中，被測的三相交流電壓Ua、Ub、Uc和三相交流電流Ia、Ib、Ic依次接入系統(tǒng)內(nèi)部的三路小PT和三路小CT。由于A／D轉(zhuǎn)換器采集電壓信號范圍0～3.3 V，而互感器檢測到的信號輸入電壓一方面不在此范圍內(nèi)，另一方面，輸入信號很容易被其他信號干擾，因此必須加入信號調(diào)理電路對信號進行適當衰減、偏置、放大等預處理。信號采集電路應(yīng)滿足如下基本要求：①高輸入阻抗。以減輕信號源的負載效應(yīng)和抑制傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對稱引人的誤差；②高共模抑制比。以抑制各種共模干擾引人的誤差；③良好的動態(tài)性能。根據(jù)此要求，設(shè)計的信號采集電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路

對所采集的電流電壓信號進行隔離和信號調(diào)理，使外部輸入模擬信號調(diào)整到A／D采樣模塊識別的電壓范圍內(nèi)后，A／D采樣模塊通過內(nèi)部的多路選擇開關(guān)選擇兩路信號分別進入兩路模、數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7689的A／D轉(zhuǎn)換部分，轉(zhuǎn)換結(jié)果由AD7689送入信號處理模塊。

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

信號處理模塊采用TMS320VC5416DSP信號處理器，DSP芯片選擇主要依據(jù)：處理器運算速度、片內(nèi)存儲器的大小、外圍硬件資源以及開發(fā)工具的難易程度。TI的TMS320VC54XX系列定點DSP廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信設(shè)備當中，并且有著豐富的通信接口如：可復用通用輸入輸出口（GPIO）、多通道緩沖串口（MeBSP）、并口等。

本系統(tǒng)采用德州儀器公司的TMS320VC5416定點DSP作為數(shù)字基帶信號處理部分的核心CPU。它具有以下主要性能特點：

1）采用了先進的多總線技術(shù)，圍繞1組程序總線、3組數(shù)據(jù)總線建立的改進型哈佛結(jié)構(gòu)，使得性能和多功能性得以提高；

2）供電方式：CPU內(nèi)核1.5 V單電源供電，I/O引腳3 V單電源供電；

3）最高處理速度為160 MSPS；

4）片內(nèi)存儲器：16 K的片內(nèi)ROM和128 KB的RAM；

5）軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器：能把外部總線周期擴展，以適應(yīng)較慢的片外存儲器和I/O設(shè)備，它不需要任何外部硬件，只由軟件完成；

6）時鐘發(fā)生器：時鐘發(fā)生器由一個內(nèi)部振蕩器和一個鎖相環(huán)電路組成。它可以由內(nèi)部的晶振或外部的時鐘源驅(qū)動，鎖相環(huán)電路能使時鐘源乘以一個特定的系數(shù)，來得到一個比內(nèi)部CPU時鐘低的時鐘源；

在接收到采樣數(shù)據(jù)之后，一方面利用時間同步系統(tǒng)所提供的基準時鐘，對所采樣的數(shù)據(jù)進行時間的標刻，并對所采得的數(shù)據(jù)以A相電壓為基準，進行相位和幅值的測量和計算；另一方面，DSP系統(tǒng)又將所采的數(shù)據(jù)通過通過無線發(fā)射接收模塊發(fā)送到對側(cè)，且通過該模塊接收對側(cè)傳送過來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)按照本側(cè)數(shù)據(jù)一樣，以A相電壓為基準，進行相位和幅值的測量和計算。

1.4 無線通信系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)中采用全雙工（full-duplex）通信的A、B設(shè)備的通信是利用RF無線收發(fā)芯片完成的。無線收發(fā)模塊采用的是NRF2401射頻芯片，NRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。其基本特性包括：

1）全球開放的2.4 GHz頻段，125個頻道，滿足多點通信及跳頻的需要；

2）高速率1 Mbps，具有高數(shù)據(jù)吞吐量；

3）外圍元件只需一個晶振和一個電阻，芯片能耗非常低；

4）發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成；

5）芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC開關(guān)電源均有很好的通信效果；

6）通過軟件設(shè)置最多40 bit地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，編程方便；

7）內(nèi)置了CRC檢錯硬件電路和協(xié)議；

8）所有高頻元件振蕩器等全部集成在芯片內(nèi)部，性能穩(wěn)定不受外界影響。

2 工作原理

設(shè)電壓第k次諧波的實部和虛部分別為R（CU p[k]）和IC（U p[k]）；電流第k次諧波的實部和虛部分別為RC（I p[k]）和IC（I p[k]），則電流電壓基波幅值和初相位分別為：

3 試驗及結(jié)果分析

為了驗證設(shè)計系統(tǒng)的正確性和有效性，本文以常規(guī)數(shù)字式繼電保護測試儀輸出的電流和電壓為源，輸出的電流電壓相角都以A相電壓為基準。

表1 單臺測試儀電壓測量精度

表2 單臺測試儀電流測量精度

表1、2分別為單臺測試儀電壓和電流的測量精度。根據(jù)《DL/T 478—2013繼電保護和安全自動裝置通用技術(shù)條件》的要求，準確度按照連續(xù)五次測量中最大相對誤差或絕對誤差表示。其要求如下：交流電流在0.05IN~20IN范圍內(nèi)，相對誤差不大于2.5%或絕對誤差不大于0.01IN；或者交流電流在0.1IN~40IN范圍內(nèi)，相對誤差不大于2.5%或絕對誤差不大于0.02IN。當交流電壓在0.01UN~1.5UN范圍內(nèi)，相對誤差不大于2.5%或絕對誤差不大于0.002UN。由表2數(shù)據(jù)顯示，該測試系統(tǒng)測量精度滿足相關(guān)標準要求。

3.2 本對側(cè)聯(lián)調(diào)校驗

利用該無線遙測系統(tǒng)對表3繼電保護測試儀同時輸出的電壓電流開展聯(lián)調(diào)測試校驗，其中核相聯(lián)調(diào)校驗結(jié)果如表4所示，帶負荷聯(lián)調(diào)校驗如表5所示。核相聯(lián)調(diào)校驗以本側(cè)UA1、UB1、UC1為基準電壓，帶負荷聯(lián)調(diào)試驗電流相角以本側(cè)電壓UA1為基準。由表4、5測試結(jié)果表明，該基于無線通信的便攜式變電站二次交流回路無線遙測系統(tǒng)測試準確，滿足相關(guān)標準規(guī)范的要求。

表3 本、對側(cè)測試儀聯(lián)調(diào)測試數(shù)據(jù)

表4 核相聯(lián)調(diào)測試結(jié)果

表5 帶負荷聯(lián)調(diào)測試結(jié)果

4 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)已達到了相關(guān)標準規(guī)程要求的技術(shù)性能指標，解決了傳統(tǒng)送電調(diào)試過程中所存在的安全隱患與風險，該系統(tǒng)不僅適用于智能變電站，也適用于傳統(tǒng)變電站。

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