基于WIFI無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的變電站分布式核相結(jié)構(gòu)設(shè)計

馮馳 陳山 吳麗莎 吳屏 占曉云 王東 張偉

摘 要：?為了滿足智能變電站的大規(guī)模建設(shè)，需要開發(fā)關(guān)于核相設(shè)備對電力系統(tǒng)中的電源三相相序進(jìn)行核準(zhǔn)。核相工作往往耗費很大的人力與物力，那么在這方面，設(shè)計合理高效的核相結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對于提高工作效率、減少成本有著積極的意義。在簡單介紹我國變電站的發(fā)展歷程之后，闡述在現(xiàn)今條件下，如何利用無線通信技術(shù)結(jié)合核相工作。分析了WIFI技術(shù)的組成和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將WIFI技術(shù)運用到核相的硬件架構(gòu)和軟件實現(xiàn)流程中。然后通過測試室內(nèi)不同距離的信號質(zhì)量，檢測實現(xiàn)的核相結(jié)構(gòu)的正確性，為保證無線電力設(shè)備在監(jiān)測方面提供了技術(shù)支持，有著積極的經(jīng)濟價值和社會意義。

關(guān)鍵詞：?核相; 分布式系統(tǒng); 智能變電站; 無線傳輸

中圖分類號： TM 933? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of Distributed Phase-detecting Structure for Substation

Based on WIFI Wireless Transmission Network

FENG Chi， CHEN Shan， WU Lisha， WU Ping， ZHAN Xiaoyun， WANG Dong， ZHANG Wei

（State Grid Anqing Power Supply Company， Anqing， Anhui? 246000， China）

Abstract：

In order to meet the large-scale construction of smart substation， it is necessary to develop nuclear phase equipment to approve the three-phase sequence of power supply in power system. Nuclear phase work often consumes a lot of manpower and material resources， so in this regard， the design of a reasonable and efficient nuclear phase structure system has a positive significance for improving work efficiency and reducing costs. Firstly， this paper briefly introduces the development process of substation in China， and expounds how to use wireless communication technology to combine nuclear phase work under current conditions. The composition and network topology of WIFI technology are analyzed. WIFI technology is applied to the hardware architecture and software implementation process of nuclear phase. Then， by testing the signal quality of different distances in the room， the correctness of the nuclear phase structure is detected， which provides technical support for monitoring radio power equipment， and has positive economic value and social significance.

Key words：

nuclear phase; distributed system; smart substation; wireless transmission

0 引言

電力系統(tǒng)是一個國家社會發(fā)展的基礎(chǔ)，關(guān)乎國計民生[1]。其中變電站的有效運行顯得十分重要，如圖1是我國變電站的發(fā)展歷程，如圖1所示。

經(jīng)過多年建設(shè)，逐漸向智能化過渡[2]。在智能電力系統(tǒng)的實際運行過程中，往往需要進(jìn)行核相的工作，所謂核相就是在變電站新建、擴建、改建的過程中，需要檢修輸電線[3]。向用戶輸電前，用儀表對三相電路的兩端電源進(jìn)行核相試驗，確保變電站的電力設(shè)備三相相序一致[4]。避免在二路電源并列運行或倒閘操作時，因非同相運行造成短路事故。所以核相試驗是變電站正常運行中十分基礎(chǔ)而又重要的工作。由于核相技術(shù)的不斷發(fā)展，核相設(shè)備趨向于便攜式，并且操作簡單，測試靈活，受到測試人員的青睞。同時隨著嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們利用無線傳感器WIFI技術(shù)直接對變電站中的電力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測[5]。而且利用電子數(shù)字化的技術(shù)解決核相結(jié)果隨時間波動，同步信號接入繁瑣的問題。

1 WIFI應(yīng)用于變電站的可行性分析

1.1 WIFI的組成結(jié)構(gòu)

WIFI技術(shù)是一種無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。可以應(yīng)用在不同的頻段上，其傳輸速率可高達(dá)54Mbps。由于WFI采

用的是直接序列擴頻技術(shù)，容易受到多種因素的干擾，尤其以設(shè)備功率的影響最大。兩個設(shè)備之間的WIFI通信既可以借助基站和訪問點來進(jìn)行，也可以通過Ad Hoc的方式。相比于其他的短距離通信技術(shù)，例如ZigBee技術(shù)，WIFI覆蓋范圍更廣，傳輸速率更快更加穩(wěn)定[6]。常見的短距離通信技術(shù)如表1所示。

在實際的WIFI網(wǎng)絡(luò)中，它包含了許多因素，如圖2所示。

其組成結(jié)構(gòu)包含站點、無線介質(zhì)和接入點。站點在網(wǎng)絡(luò)既是信息的發(fā)送者也是信息的接受者，實現(xiàn)人機交互功能。所有信號的傳輸都需要介質(zhì)來傳遞，在WIFI結(jié)構(gòu)中，接入點與站點的數(shù)據(jù)交換媒介就是無線介質(zhì)。接入點則是整個服務(wù)集的控制中心，管理所有的站點，并且也發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)中橋接的作用。

2.2 WIFI的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

依據(jù)不同接入點的功能，可以將WIFI分成不同種類的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最為常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為點對點模式、多接入點模式以及基礎(chǔ)架構(gòu)模式。點對點模式是全部由站點自行組成，如圖3所示。

站點之間直接通信，網(wǎng)絡(luò)中每個站點串聯(lián)連接，一旦某個站點斷鏈，通信就會失敗。該模式適合用戶少的情況。

基礎(chǔ)構(gòu)架模式中，無線接入點作為有線網(wǎng)絡(luò)與站點之間的信息中繼傳輸點[7]，完成網(wǎng)絡(luò)通信中的所有無線傳輸，其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

而多接入點模式由多個接入點和連接的分布式系統(tǒng)組成，形成一個擴展服務(wù)集[8]。

2.3 WIFI的TCP/IP協(xié)議

TCP協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)包接收方在接收到信息后，返回給發(fā)送方一個確認(rèn)信息，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性[9]。由于數(shù)據(jù)傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)擁塞和數(shù)據(jù)丟失的情況時有發(fā)生，需要加入慢啟動機制，控制初始傳輸時的數(shù)據(jù)量增加的情況。同時為了保證數(shù)據(jù)包接近門限值時的狀況，應(yīng)當(dāng)考慮擁塞避免裝置。保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和穩(wěn)定性。

3 分布式智能變電站核相系統(tǒng)

由圖5所示，變電站分布式核相結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由一臺核相主機與若干分布式放置的采樣終端組成，核相主機主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算，采集變電站的電源作為核相的基準(zhǔn)相位。采樣終端則用來獲取電子式互感器輸出的數(shù)字化采樣結(jié)果，采樣終端與核相主機的通信方式是依靠無線WIFI技術(shù)實現(xiàn)的，如圖5所示。

3.1 核相系統(tǒng)實現(xiàn)方案

該分布式核相結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要分為兩部分，硬件結(jié)構(gòu)與軟件實現(xiàn)。硬件結(jié)構(gòu)上采用基于FPGA和PowerPC中央處理器的雙處理器架構(gòu)，如圖6所示。

由于FPGA的處理數(shù)據(jù)能力強大，用于實現(xiàn)核相結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部時鐘與中斷任務(wù)，以及其他模塊的驅(qū)動。PowerPC處理器用于支持外圍器件，負(fù)責(zé)核相結(jié)構(gòu)的相位數(shù)據(jù)分析。采樣終端相對于核相主機增加了AD轉(zhuǎn)換模塊和光纖以太網(wǎng)。

核相系統(tǒng)的軟件流程，如圖7所示。

采用核相系統(tǒng)主機的時鐘作為時間標(biāo)準(zhǔn)，采用終端與核相主機交互進(jìn)行時鐘同步。采樣終端依據(jù)將數(shù)據(jù)打上時間戳后上發(fā)至核相主機，核相主機根據(jù)站用電源的相位作為基準(zhǔn)相位，對數(shù)字化采樣的電氣信號進(jìn)行延遲補償，計算每個采樣值與基準(zhǔn)值的相位差值，完成整個變電站的核相工作。

3.2 核相結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

在基于WIFI傳輸?shù)暮讼嘟Y(jié)構(gòu)設(shè)計中，采樣終端的上傳數(shù)據(jù)與核相主機的時間同步性是十分關(guān)鍵的研究內(nèi)容。WIFI的通信方式在變電站中受到很多信號的干擾，為保證數(shù)據(jù)的較高相位精度，要在三個方面重點分析。第一個方面是時間標(biāo)記，在軟件層次的時間標(biāo)記相對容易實現(xiàn)，但是時鐘抖動較大。在硬件層次上實現(xiàn)，實時性很強，不易受到任務(wù)的干擾。同時在接收到時間標(biāo)記后，追溯到數(shù)據(jù)起始位的到達(dá)時刻。第二個方面是時間樣本過濾，WIFI無線同步效果一般條件下是比較差的，只有在對以太網(wǎng)報文過濾，獲得有效的MAC地址報文。而且為了減小算法誤差和軟件程序的抖動，應(yīng)反復(fù)計算時間數(shù)據(jù)對樣本篩選，篩選的公式如式（1）所示。

Tn為經(jīng)最小值過濾的樣本數(shù)據(jù);T′n為篩選后的樣本;N為采樣點數(shù)據(jù)窗;T為篩選后樣本均值。最后一個方面是頻率的校正，測量平均路徑延時調(diào)整主從時鐘的頻率偏差，計算出頻率修正系數(shù)Ct，如式（2）所示。

Ct為頻率修正系數(shù);T′t為從時鐘本次獲取的報文達(dá)到時刻;T′t-1為從時鐘前次獲取的報文到達(dá)時刻;Tt為主時鐘本次報文發(fā)送時刻;Tt-1為主時鐘前次報文發(fā)送時刻。校正后的頻率采用平滑方式，ft為校正后的頻率，ft-1為前次校正后的頻率。K為調(diào)節(jié)系數(shù)。其調(diào)節(jié)式如式（3）所示。

4 分布式核相結(jié)構(gòu)的測試

設(shè)計完核相結(jié)構(gòu)后，需要進(jìn)一步地測試性能指標(biāo)，測試條件如圖8所示。

通過多臺經(jīng)過WIFI核對基準(zhǔn)時鐘，利用繼電保護(hù)測試儀輸出電流采樣信號，1臺輸出模擬量，另外3臺輸出數(shù)字量，模擬3個采樣終端的采樣數(shù)據(jù)，記錄新設(shè)計的核相結(jié)構(gòu)的測試數(shù)據(jù)。分別對3種電流信號，配置室內(nèi)測試環(huán)境，測試間距分別選取10 m、50 m、200 m，所有測試保護(hù)儀的數(shù)據(jù)設(shè)置是“電流有效值為5A，電流相位為0°，測試頻率選取常見的50 Hz”。實驗測試記錄表如表2所示。

從該記錄表上分析可知，在不同的室內(nèi)測試距離下，變電站分布式核相結(jié)構(gòu)的采樣終端采樣結(jié)果穩(wěn)定，不同信號的不同測試距離之間的有效值誤差范圍在0.1%之內(nèi)，相位誤差值的范圍在0.25%以內(nèi)。該設(shè)計的變電站分布式核相結(jié)構(gòu)可以滿足目前電力系對于核相設(shè)備的要求。基于WIFI的通信技術(shù)在核相結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是可以實現(xiàn)功能的[10]。

5 總結(jié)

本文以智能電網(wǎng)中的變電站分布式核相結(jié)構(gòu)入手，針對向智能化電網(wǎng)改善的過程中，通過分析各種短距離通信技術(shù)，闡述了WIFI無線通信技術(shù)的優(yōu)勢，分析了WIFI的組成結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。運用WIFI技術(shù)進(jìn)行自組網(wǎng)，分別設(shè)計了核相結(jié)構(gòu)的硬件架構(gòu)和軟件實現(xiàn)流程，組織核相結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，重點分析室內(nèi)信號在不同環(huán)境距離測試下，其相位誤差值和電流有效值的誤差范圍。未來的研究應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注在相位測試之外，也要測量電力線的電壓，同時設(shè)計出操作更加友好的人機交互界面。

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（收稿日期： 2019.07.02）