智能變電站就地化保護(hù)無(wú)線(xiàn)接入方案設(shè)計(jì)

吳賽，仝杰，朱朝陽(yáng)，李巖軍，汪洋，劉小虎

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192)

智能變電站就地化保護(hù)無(wú)線(xiàn)接入方案設(shè)計(jì)

吳賽，仝杰，朱朝陽(yáng)，李巖軍，汪洋，劉小虎

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192)

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能電網(wǎng)中智能變電站得到了快速發(fā)展，繼電保護(hù)裝置的分布式布置已成為必然趨勢(shì)。為應(yīng)對(duì)智能變電站繼電保護(hù)分散化布置、信息遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題，提出了基于工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的變電站就地化保護(hù)方案。依據(jù)變電站特點(diǎn)，將工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)應(yīng)用于變電站就地化保護(hù)站控層，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)，開(kāi)發(fā)適用于變電站環(huán)境的無(wú)線(xiàn)通信模塊，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)證明該方案可實(shí)現(xiàn)變電站復(fù)雜環(huán)境下高可靠、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，為后續(xù)智能變電站就地化保護(hù)研究提供參考。

繼電保護(hù)；就地化；無(wú)線(xiàn)接入；可靠性；實(shí)時(shí)性

0 引 言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的啟動(dòng)、國(guó)家能源戰(zhàn)略的調(diào)整以及智能電網(wǎng)的大力推進(jìn)，對(duì)智能變電站的發(fā)展提出了更高的要求，同時(shí)給作為電網(wǎng)安全運(yùn)行第一道防線(xiàn)繼電保護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)保護(hù)存在諸多不足[1]，現(xiàn)代電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備正從電磁式、電子式等繼電保護(hù)方向向著遠(yuǎn)程控制、信息集成以及計(jì)算機(jī)控制等現(xiàn)代控制技術(shù)的方向發(fā)展。

建設(shè)“安全可靠、運(yùn)行靈活、運(yùn)維簡(jiǎn)便、節(jié)約環(huán)?！钡闹悄茏冸娬臼切乱淮冸娬镜陌l(fā)展方向，因此如何合理地減少占地面積、節(jié)約建設(shè)成本、保障可靠性是建設(shè)智能變電站要考慮的重要問(wèn)題。變電站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與繼電保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的布置密不可分。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，分布式電源接入、微網(wǎng)運(yùn)行等技術(shù)的應(yīng)用，繼電保護(hù)設(shè)備的布置日趨分散化[2]。為了完善對(duì)設(shè)備的監(jiān)管，需適時(shí)加強(qiáng)保護(hù)設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備的通信。分布的繼電保護(hù)設(shè)備與中心監(jiān)控系統(tǒng)采用有線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，這些基于通道的傳統(tǒng)保護(hù)裝置受通道制約較大。當(dāng)繼電保護(hù)設(shè)備分散就地安裝后，間隔層與站控層設(shè)備之間的距離更遠(yuǎn)，電纜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和安裝、調(diào)試工作都大大增加。且隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，變電站內(nèi)采集信息增多，數(shù)據(jù)傳輸量顯著增加，站控層與間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)文對(duì)實(shí)時(shí)性有一定的要求。目前國(guó)內(nèi)電力行業(yè)中，繼電保護(hù)設(shè)備與監(jiān)控后臺(tái)之間的通信方式都是有線(xiàn)的方式，設(shè)備間距離遠(yuǎn)，二次設(shè)備接線(xiàn)復(fù)雜，且智能變電站中數(shù)據(jù)傳輸量顯著增加，而物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有運(yùn)行可靠、安裝靈活、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，為此，本文提出一種變電站站控層采用無(wú)線(xiàn)方式接入就地化保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案，用以應(yīng)對(duì)智能變電站繼電保護(hù)分散化布置、信息遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題。

1 無(wú)線(xiàn)就地化繼電保護(hù)概述

智能變電站的快速發(fā)展過(guò)程中，繼電保護(hù)裝置逐步從集中式布置向著分布式布置發(fā)展，而就地化保護(hù)更加契合分布式的布置方式[3]。就地化保護(hù)裝置是指將保護(hù)裝置布置于一次設(shè)備附近，從而減少經(jīng)電纜傳輸過(guò)程中的信號(hào)功率損耗，簡(jiǎn)化各個(gè)保護(hù)裝置之間的連接布置。目前，就地化布置存在的方式有：繼保小室、預(yù)置集成倉(cāng)、室內(nèi)/外匯控柜，一次設(shè)備集成[4]，實(shí)際部署如圖1所示。其中繼保小室應(yīng)用最多，預(yù)制集成艙次之，室內(nèi)/外匯控柜較少，多用于110 kV電壓等級(jí)以下變電站或城市站中。

圖1 就地化繼電保護(hù)裝置實(shí)際部署示意圖Fig.1 Actual deployment of locally installed mode of relay protection

就地化保護(hù)技術(shù)將保護(hù)、測(cè)控等裝置模塊化、單元化，分布式布置于一次設(shè)備附近。這種方式使得二次回路較傳統(tǒng)方式更加清晰；采用就地化方式，可以降低小室、主控室建設(shè)面積，節(jié)約建設(shè)投資成本。就地化繼電保護(hù)裝置使得站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備間距離加大，這使得站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備間需要鋪設(shè)大量的電/光纜，無(wú)疑會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪設(shè)、調(diào)試及維護(hù)的工作量[5-6]，為此，提出采用先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效率采集及快速傳輸，減輕保護(hù)裝置對(duì)有線(xiàn)通道的依賴(lài)，降低后期的維護(hù)成本。

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)近年來(lái)的迅速發(fā)展，通過(guò)引入多天線(xiàn)(multiple-input multiple-output，MIMO)、正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)以及載波聚合等技術(shù)，可以提升無(wú)線(xiàn)通信的頻譜利用率，從而大大提升系統(tǒng)的有效性和可靠性，也大大擴(kuò)展了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應(yīng)用范圍，因此考慮將無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)中。

結(jié)合就地化保護(hù)特點(diǎn)，采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)接入變電站站控層，可以解決如下幾方面問(wèn)題：(1)簡(jiǎn)化二次回路，基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的繼電保護(hù)技術(shù)簡(jiǎn)化了變電站內(nèi)間隔層與站控層設(shè)備之間的有線(xiàn)信號(hào)聯(lián)系，節(jié)約了屏間電纜，使得二次回路更加清晰、簡(jiǎn)單，消除二次回路隱患故障；(2)節(jié)約建設(shè)投資成本，采用無(wú)線(xiàn)方式通信，可以更大限度地降低小室、主控室建設(shè)面積，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)等設(shè)備分層分布式布置，提高變電站的自動(dòng)化水平，節(jié)約投資，節(jié)省電纜/光纜投資，控制經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；(3)方便運(yùn)行維護(hù)，繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)布置，減少施工的工作量，大量直采信號(hào)實(shí)現(xiàn)就地化采集，其余信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)傳，簡(jiǎn)化二次回路的同時(shí)，減輕維護(hù)人員的查線(xiàn)工作，方便運(yùn)行維護(hù)。

2 無(wú)線(xiàn)保護(hù)方案設(shè)計(jì)

變電站就地化保護(hù)就近安裝于一次設(shè)備附近，所處環(huán)境比較惡劣，受站內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境干擾，無(wú)線(xiàn)方式接入保護(hù)設(shè)備存在可靠性是否滿(mǎn)足要求，以及采集數(shù)據(jù)是否能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上傳和共享等問(wèn)題。為此，提出采用工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)(wireless networks for industrial automation，WIA)應(yīng)用于變電站就地化保護(hù)站控層，并用理論及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該方案的有效性。

工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)工廠自動(dòng)化高實(shí)時(shí)、高可靠性要求而研究開(kāi)發(fā)的一組工廠自動(dòng)化無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸解決方案，適用于工廠自動(dòng)化或者其他對(duì)速度及可靠性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景[7]，實(shí)現(xiàn)高速無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，面向工業(yè)應(yīng)用的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)又可分為兩大類(lèi)，分別為基于IEEE 802.15.4的短距離工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)和基于IEEE 802.11的短距離工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)。前者通信速率低，最高只能達(dá)到250 kbit/s，適用于變化速度慢，對(duì)時(shí)延要求約為100 ms以上的通信場(chǎng)合；后者通信速率高，近年推出的IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)理論速率可達(dá)到600 Mbit/s，適用于變化速度快，對(duì)時(shí)延要求較小的通信場(chǎng)合。

根據(jù)DL/T860《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)[8]，變電站內(nèi)不同邏輯節(jié)點(diǎn)之間不同性能類(lèi)報(bào)文的實(shí)時(shí)性需求，保護(hù)與控制中的1B類(lèi)快速報(bào)文在自動(dòng)化系統(tǒng)與過(guò)程層互動(dòng)的時(shí)間需求在P1性能類(lèi)配電線(xiàn)間隔或其他要求較低的間隔的傳輸時(shí)間需求≤100 ms；應(yīng)用于數(shù)據(jù)響應(yīng)，采樣值計(jì)算的中速報(bào)文在P1、P2、P3性能類(lèi)的傳送報(bào)文時(shí)間需求為≤100 ms；應(yīng)用于慢自動(dòng)控制、事件記錄的低速報(bào)文在P1、P2、P3性能類(lèi)的傳輸時(shí)間要求為≤500 ms；應(yīng)用于記錄、定值等大型數(shù)據(jù)的文件傳輸類(lèi)報(bào)文的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間要求甚至沒(méi)有限制，大于等于1 000 ms；應(yīng)用于站控層與間隔層之間的訪(fǎng)問(wèn)控制命令報(bào)文的傳輸時(shí)間要求為小于500 ms。以上列舉的智能變電站內(nèi)保護(hù)和控制的報(bào)文實(shí)時(shí)性需求都不是非常嚴(yán)格，可以將基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)組的中高速短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于智能變電站的保護(hù)與控制之中。 IEEE 802.11是國(guó)際電工電子工程學(xué)會(huì)(IEEE)為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)制定的標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了2.4和5.8 GHz 2個(gè)工作頻段。IEEE 802.11a使用5.8 GHz頻段，數(shù)據(jù)率達(dá)到54 Mbit/s；IEEE 802.11g是WIFI標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)版本，數(shù)據(jù)率達(dá)到54 Mbit/s； IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)率可達(dá)600 Mbit/s，速率提升近10倍，更適用于對(duì)時(shí)延要求小于100 ms的通信場(chǎng)合。結(jié)合上述分析，802.11n更適用于變電站高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，因此選取IEEE 802.11n的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為此次方案設(shè)計(jì)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)IEEE 802.11n無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)規(guī)范，接入網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)置冗余網(wǎng)關(guān)構(gòu)成加強(qiáng)型星型結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)用自適應(yīng)跳頻技術(shù)、時(shí)分多址(time division multiple access，TDMA)技術(shù)、分級(jí)安全策略及依據(jù)業(yè)務(wù)特征簡(jiǎn)化的協(xié)議棧確保接入網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實(shí)時(shí)性，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變電站就地化保護(hù)設(shè)備無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.2 Wireless access network topology diagram of substation local protection equipment

圖中設(shè)備如下文所述。

(1)主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)位于變電站站控層，用于操作/管理/維護(hù)人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置、狀態(tài)監(jiān)控、保護(hù)投退控制命令發(fā)布等操作。

(2)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供接入網(wǎng)絡(luò)與變電站MMS網(wǎng)絡(luò)接口，提供協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)映射功能，同時(shí)能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和安全管理。通過(guò)接入設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備進(jìn)行通信。同時(shí)作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中唯一的時(shí)鐘源，網(wǎng)關(guān)設(shè)備還擔(dān)負(fù)著實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的任務(wù)。

(3)接入設(shè)備，接入設(shè)備包含無(wú)線(xiàn)模塊，是此網(wǎng)絡(luò)中信息交換的樞紐，負(fù)責(zé)接收不同保護(hù)設(shè)備上送的數(shù)據(jù)并傳送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將由網(wǎng)關(guān)設(shè)備傳送來(lái)的控制命令發(fā)送給不同的保護(hù)設(shè)備；同時(shí)由網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的管理、配置和組態(tài)信息及由保護(hù)設(shè)備上送的報(bào)警、網(wǎng)管信息都要經(jīng)由接入設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

(4)就地化保護(hù)設(shè)備，就地化保護(hù)設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱(chēng)保護(hù)設(shè)備)就地安裝于一次設(shè)備附近，能夠依據(jù)一次設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及站控層的控制命令控制一次設(shè)備運(yùn)行。

2.2 工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)(WIA)關(guān)鍵技術(shù)

基于IEEE 802.11n的就地化繼電保護(hù)接入方案為保證其滿(mǎn)足變電站高實(shí)時(shí)、高可靠的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸要求，其工作頻率為2.4 GHz/5 GHz，速率可高達(dá)450 Mbit/s(理論速率最高可達(dá)600 Mbit/s)，滿(mǎn)足變電站數(shù)據(jù)傳輸需求；采用n次重傳機(jī)制，以確保丟包率低于0.01%，即可靠性達(dá)99.99%以上，滿(mǎn)足變電站環(huán)境特點(diǎn)，具體技術(shù)要求如下詳述。

(1)支持多設(shè)備接入。變電站就地化保護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，保護(hù)裝置分散布置，且數(shù)目眾多，需要大量監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸[9]。本文無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義為增強(qiáng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(enhanced star topology)，包括一個(gè)中心及若干現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。中心由一個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備(可存在冗余網(wǎng)關(guān)設(shè)備)及一個(gè)或多個(gè)接入設(shè)備組成，因此，該模型可存在多個(gè)接入設(shè)備，適用于變電站分散化的保護(hù)設(shè)備，且可擴(kuò)展程度較高。

(2)多樣化傳輸速率和地址。IEEE 802.11n物理層可采用不同調(diào)制解調(diào)方式(FHSS/OFDM等)[10]，支持多樣化的傳輸速率，傳輸速率如表1所示，可以很好地保證采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)要求支持多樣化地址設(shè)置，規(guī)定WIA工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、接入設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備都有一個(gè)全球惟一的64位長(zhǎng)地址和一個(gè)8位或16位短地址[11]。

表1 WIA傳輸速率
Table 1 Transmission rate of WIA

(3)基于重傳的可靠傳輸技術(shù)。變電站內(nèi)所處環(huán)境惡劣，存在復(fù)雜電磁環(huán)境干擾，對(duì)可靠性要求較高，因此采用多次重傳方式保證系統(tǒng)可靠性。可靠性指在一定時(shí)間及一定運(yùn)行條件下裝置或系統(tǒng)完成相應(yīng)功能的能力。可靠性理論是進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析的基礎(chǔ)，系統(tǒng)可靠性可以通過(guò)一系列技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量，為統(tǒng)計(jì)方便，規(guī)定可靠度R(t)表示裝置或系統(tǒng)在一定時(shí)間及一定運(yùn)行條件下，完成相應(yīng)功能的概率。產(chǎn)品壽命T是隨機(jī)變量，可靠度R(t)為

R(t)=P(T>t)(t≥0)

(1)

式中P(T>t)指在t時(shí)刻產(chǎn)品的可靠度，即在(0，t)時(shí)間范圍內(nèi)裝置完成相應(yīng)功能的概率。

為保證滿(mǎn)足變電站要求，WIA采用基于重傳的可靠傳輸技術(shù)，選取基于多次廣播重傳方式[11]，網(wǎng)關(guān)設(shè)備向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備周期性發(fā)送聚合數(shù)據(jù)時(shí)，采用聚合幀廣播重傳方式，保障數(shù)據(jù)接受的成功概率，確保一定的可靠度。

2.3 WIA無(wú)線(xiàn)模塊設(shè)計(jì)

通信協(xié)議棧在架構(gòu)上遵循 ISO/OSI 基本參考模型，從下到上依次采用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，如圖3所示。

圖3 WIA通信協(xié)議棧Fig.3 WIA communication protocol stack

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)模塊采用自帶WIFI模塊的臺(tái)灣雷凌的RT3050 Ralink作為網(wǎng)絡(luò)處理器，無(wú)線(xiàn)收發(fā)器模塊主要由RT3050收發(fā)器及相關(guān)外圍器件組成，RT3050由核心處理器、協(xié)處理器、外圍總線(xiàn)接口、內(nèi)部高速總線(xiàn)、存儲(chǔ)器接口單元等幾個(gè)部分構(gòu)成。從成本方面以及功能的穩(wěn)定性方面進(jìn)行考慮，無(wú)線(xiàn)通信模塊選用PPT公司的PM44-11BP變壓器完成組裝。

軟件設(shè)計(jì)部分，利用OpenWRT系統(tǒng)作為無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議棧的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)修改MAC 層 TDMA 調(diào)度機(jī)制[12]等一系列方式完成WIA無(wú)線(xiàn)模塊的軟件開(kāi)發(fā)，最后實(shí)物圖如圖4所示。

3 變電站電力設(shè)備監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與分析

為更好地驗(yàn)證該方案的可行性，開(kāi)展一系列的試驗(yàn)，首先是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，再將無(wú)線(xiàn)模塊放置于變電站現(xiàn)場(chǎng)，在電磁干擾的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證該方案的有效性。

圖4 WIA無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)物圖Fig.4 Physical map of WIA wireless communication module

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

測(cè)試網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)控制計(jì)算機(jī)及100個(gè)無(wú)線(xiàn)高速通信設(shè)備組成的星型網(wǎng)絡(luò)，通信頻段為2.4 GHz。

(1)基于WIA的可靠性測(cè)試。為了更好地模擬變電站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選取3種環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，無(wú)干擾環(huán)境、同頻干擾環(huán)境、大物體局部遮擋環(huán)境，3種情況下分別進(jìn)行接入設(shè)備數(shù)量為6、9、12以及數(shù)據(jù)包大小為10、20、40字節(jié)的通信可靠性測(cè)試，并記錄無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸成功率。統(tǒng)計(jì)的成功率數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖5—7所示。

圖5 10字節(jié)可靠性測(cè)試成功率統(tǒng)計(jì)Fig.5 Success rate statistics of 10 byte reliability test

由圖5—7可知，WIA網(wǎng)絡(luò)在同頻高斯白噪聲干擾環(huán)境、大物體局部遮擋環(huán)境和無(wú)干擾空曠環(huán)境下可靠性均能達(dá)到99.99%以上。

圖6 20字節(jié)可靠性測(cè)試成功率統(tǒng)計(jì)Fig.6 Success rate statistics of 20 byte reliability test

圖7 40字節(jié)可靠性測(cè)試成功率統(tǒng)計(jì)Fig.7 Success rate statistics of 40 byte reliability test

(2)基于WIA的實(shí)時(shí)性測(cè)試。繼續(xù)按照如上方法進(jìn)行實(shí)時(shí)性測(cè)試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8—9所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)最大時(shí)延Fig.8 Network maximum delay

通過(guò)圖8和圖9可以看出，網(wǎng)絡(luò)最大時(shí)延的最大值為9.800 85 ms，最小值為0.301 58 ms；網(wǎng)絡(luò)最小時(shí)延的最大值為9.801 00 ms，最小值為0.301 44 ms。因此在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)包的時(shí)延在0.3～9.8 ms，符合實(shí)際時(shí)延要求。

圖9 網(wǎng)絡(luò)最小時(shí)延Fig.9 Network minimum delay

3.2 變電站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

測(cè)試地點(diǎn)選取1 000 kV特高壓保定站(河北省保定市定興縣故城鎮(zhèn)境內(nèi))，在變壓器和GIS附近，布置20個(gè)WIA節(jié)點(diǎn)設(shè)備和1個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，展開(kāi)測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖Fig.10 Schematic of site test

(1)基于WIA的傳輸成功率測(cè)試。配置速率為1.1 Mbit/s情況下，由網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具JPerf軟件得到丟包率為1.8%，由此得到傳輸成功率為99.985%,具體如圖11所示。

(2)基于WIA的現(xiàn)場(chǎng)傳輸時(shí)延測(cè)試。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軟件得到網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延為3.99 ms。

3.3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與基于無(wú)線(xiàn)通道的保護(hù)系統(tǒng)各項(xiàng)測(cè)試正常。在無(wú)干擾環(huán)境、有同頻高斯白噪聲干擾及大物體遮擋環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的可靠性均能夠達(dá)到99%以上。在無(wú)干擾環(huán)境、有同頻高斯白噪聲干擾環(huán)境及大物體遮擋環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延在10 ms以下，平均時(shí)延約為5 ms，不滿(mǎn)足繼電保護(hù)過(guò)程層采樣、跳閘時(shí)間要求(不大于2 ms)。但另一方面，該時(shí)延小于變電站站控層網(wǎng)絡(luò)相關(guān)業(yè)務(wù)時(shí)延要求(不大于500 ms)。因此，基于無(wú)線(xiàn)通道網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)方案能夠滿(mǎn)足現(xiàn)有變電站面向站控層應(yīng)用的時(shí)延及可靠性要求。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)軟件測(cè)試結(jié)果Fig.11 Software test results

4 結(jié) 論

隨著智能電網(wǎng)與分布式繼電保護(hù)設(shè)備的發(fā)展，使得就地化繼電保護(hù)裝置站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備間距離加大，為減少電纜鋪設(shè)成本、后期運(yùn)維復(fù)雜程度及信息遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題，將無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用于變電站就地化保護(hù)站控層，具有一定優(yōu)勢(shì)。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的變電站環(huán)境，本文提出采用基于工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的就地化保護(hù)接入技術(shù)。首先分析無(wú)線(xiàn)就地化保護(hù)接入技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，結(jié)合變電站特性提出無(wú)線(xiàn)保護(hù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，結(jié)合IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)確定主要技術(shù)指標(biāo)，分析研究WIA協(xié)議棧并設(shè)計(jì)完成應(yīng)用于變電站的WIA無(wú)線(xiàn)通信模塊，之后對(duì)該方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室以及現(xiàn)場(chǎng)可行性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該方案可滿(mǎn)足變電站數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性、可靠性要求，對(duì)智能變電站就地化保護(hù)研究具有一定的參考價(jià)值。

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(編輯 張小飛)

Design Scheme of Local Relay Protection Wireless Access Technology for Intelligent Substation

WU Sai, TONG Jie , ZHU Chaoyang, LI Yanjun, WANG Yang,LIU Xiaohu

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

With the development of energy Internet, intelligent substation in smart grid has been developed rapidly, and the distribution layout of relay protection device has become an inevitable trend. In order to deal with the intelligent substation relay protection decentralized arrangement, information remote control and other issues, this paper puts forward local relay protection scheme for substation based on wireless networks for industrial automation (WIA). According to the characteristics of the substation, the industrial wireless communication system is applied to the local relay protection control station of substation, which can monitor the substation locally installed device. We develop the wireless communication module for substation, and carry out the laboratory test and field test, while, the experimental results show that the proposed scheme can achieve high reliable and real-time transmission in complex environment, which has a certain reference value for the follow-up study of local relay protection in intelligent substation.

relay protection; locally installed; wireless access; reliability; real-time

國(guó)家發(fā)改委物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)(發(fā)改辦高技〔2012〕2766號(hào))；國(guó)家電網(wǎng)公司重大基礎(chǔ)前瞻科技項(xiàng)目(DG71-15-038/5442DG150031)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGJSDK00ZPJS1600203)

TM76； TM77

A

1000-7229(2017)05-0069-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.009

2017-02-15

吳賽(1989)，女，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ξ锫?lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)；

仝杰(1983)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ξ锫?lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通信、傳感技術(shù)等；

朱朝陽(yáng)(1974)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏Υ髷?shù)據(jù)、電力信息安全、電力安全與應(yīng)急；

李巖軍(1973)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)控制及微機(jī)繼電保護(hù)；

汪洋(1981)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信技術(shù)；

劉小虎(1990)，男，助理工程師，主要從事電力無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)研究工作。