基于分?jǐn)?shù)階濾波系統(tǒng)的LoRa新型抗干擾SF6密度繼電器

劉暢，郭帥，武倩男

（國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050000）

SF6氣體密度繼電器是用來(lái)檢測(cè)高壓電器設(shè)備中SF6氣體密度的變化情況，廣泛用于SF6斷路器、互感器、避雷器、電容器、電纜等單一設(shè)備中，也用于氣體絕緣封閉式組合電器、插接式開(kāi)關(guān)系統(tǒng)等組合電器設(shè)備中，其密度數(shù)據(jù)能否準(zhǔn)確獲取直接影響高壓電器設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)SF6氣體密度繼電器數(shù)據(jù)獲取需要人工進(jìn)行設(shè)備全面巡視，設(shè)備的增多會(huì)導(dǎo)致工作量及巡視誤差的增大。部分變電站雖裝有SF6氣體密度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于設(shè)備所處電磁環(huán)境噪聲復(fù)雜，導(dǎo)致通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的SF6氣體密度數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確[1-4]。

為此，研究數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的新型抗干擾遠(yuǎn)傳式SF6氣體密度繼電器對(duì)突破傳統(tǒng)運(yùn)檢模式的信息獲取方式、提升數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性、保證設(shè)備安全穩(wěn)定具有重要意義。

1 SF6氣體密度繼電器

傳統(tǒng)SF6氣體密度繼電器是由帶報(bào)警和閉鎖觸點(diǎn)的密度表或密度表與繼電器合二為一組成，可以直觀(guān)地監(jiān)測(cè)SF6氣體的壓力情況。當(dāng)電器設(shè)備內(nèi)的SF6氣體密度下降至壓力報(bào)警值時(shí)，SF6密度繼電器發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)電器設(shè)備內(nèi)的SF6氣體密度下降至壓力閉鎖值時(shí)，SF6密度繼電器發(fā)出閉鎖信號(hào)[5]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)可將SF6氣體密度繼電器分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ型[6]。Ⅰ型SF6氣體密度繼電器主要用于早期高壓電氣設(shè)備，由感溫包、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、杠桿及波紋管組成，其原理是：設(shè)備工作于額定氣壓時(shí)杠桿平衡；當(dāng)溫度變化時(shí)兩組波紋管氣壓等幅變化，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；當(dāng)設(shè)備內(nèi)SF6漏氣時(shí)波紋管壓縮，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；若補(bǔ)氣不及時(shí)，會(huì)觸發(fā)閉鎖信號(hào)進(jìn)而閉鎖。

Ⅰ型繼電器的感溫包大多置于機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，并且箱內(nèi)與高壓設(shè)備內(nèi)部SF6溫度通常不等，造成繼電器誤報(bào)情況頻繁發(fā)生。Ⅱ型密度繼電器在Ⅰ型的基礎(chǔ)上，減少波紋管的個(gè)數(shù)，并配合SF6真空壓力表進(jìn)行檢測(cè)。由于同樣安裝于機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，誤報(bào)情況仍然頻繁發(fā)生。Ⅲ和Ⅳ密度繼電器將真空壓力表與SF6密度繼電器進(jìn)行組合，利用壓力檢測(cè)彈簧管檢測(cè)設(shè)備內(nèi)SF6氣體壓力，利用膨脹系數(shù)不同的雙金屬片進(jìn)行溫度補(bǔ)償并達(dá)到平衡，進(jìn)而減少了繼電器的誤報(bào)[6]。但由于雙金屬片特性，對(duì)繼電器精度有一定影響。Ⅳ型密度繼電器在Ⅲ型基礎(chǔ)上加入溫度補(bǔ)償彈簧管，使得可靠性進(jìn)一步提升。

現(xiàn)有大部分變電站高壓電器設(shè)備SF6密度信息需要傳統(tǒng)人工巡視獲取，無(wú)法在主控制室直接獲取。此外，部分變電站中密度繼電器雖裝有SF6密度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或采用有線(xiàn)傳輸SF6氣體密度繼電器[7]，由于元件設(shè)備所處電磁環(huán)境較為復(fù)雜，其數(shù)據(jù)采集存在一定誤差，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致誤判甚至設(shè)備已發(fā)生故障而未收到報(bào)警信息，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大影響。

2 基于LoRa 的遠(yuǎn)傳式SF6氣體密度繼電器

為了解決現(xiàn)有SF6氣體密度繼電器存在的問(wèn)題，特別是在復(fù)雜電磁環(huán)境下無(wú)法準(zhǔn)確采集氣體密度數(shù)據(jù)的問(wèn)題，本文研究一種基于遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（long range radio，LoRa）的抗干擾遠(yuǎn)傳式SF6氣體密度繼電器。LoRa 是基于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)電技術(shù)[8-10]。與傳統(tǒng)傳輸方式相比，LoRa具有傳播距離遠(yuǎn)、低功耗、準(zhǔn)確精度高的特點(diǎn)。LoRa通信技術(shù)的特性如表1所示。

表1 LoRa通信技術(shù)特性Tab.1 LoRa communication technology characteristics

在高壓電器設(shè)備的SF6密度繼電器上布置集成LoRa通信組件的數(shù)據(jù)采集傳感器，傳感器通過(guò)LoRa 組件與布置在類(lèi)端的LoRa 基站通信；LoRa基站可以通過(guò)多跳的方式進(jìn)行組網(wǎng)，將傳感器處獲得的感知數(shù)據(jù)通過(guò)電力光纖網(wǎng)回傳至電力內(nèi)網(wǎng)，并利用云平臺(tái)處理利用，整體網(wǎng)絡(luò)主架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于LoRa的遠(yuǎn)傳式SF6密度繼電器網(wǎng)絡(luò)主架構(gòu)Fig.1 Main architecture of remote SF6 density relay network based on LoRa

1）LoRa 接入網(wǎng)：SF6數(shù)據(jù)采集裝置通過(guò)“多對(duì)一”的方式接入到類(lèi)端節(jié)點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)的LoRa WAN 通信協(xié)議基礎(chǔ)上，針對(duì)SF6數(shù)據(jù)采集傳感器的使用特點(diǎn)，進(jìn)行協(xié)議裁剪和優(yōu)化。

2）類(lèi)端組網(wǎng)：類(lèi)端節(jié)點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線(xiàn)多跳實(shí)現(xiàn)信息傳輸，具備自組網(wǎng)、自適應(yīng)路由等功能，優(yōu)化數(shù)據(jù)的調(diào)度和傳輸質(zhì)量。

3）電力光纖網(wǎng)：利用成熟的電力光纖網(wǎng)技術(shù)，在類(lèi)端加裝終端模塊，實(shí)現(xiàn)類(lèi)端接入電力專(zhuān)網(wǎng)能力；或者利用變電站已鋪設(shè)電力光纖網(wǎng)，通過(guò)有線(xiàn)接入方式并經(jīng)加密和防火墻，實(shí)現(xiàn)電力內(nèi)網(wǎng)的接入。

根據(jù)LoRa 通信技術(shù)容量大特點(diǎn)，1 個(gè)類(lèi)端節(jié)點(diǎn)可以連接上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)采集信號(hào)，即在采集SF6數(shù)據(jù)信號(hào)的基礎(chǔ)上，可以獲取大量元件信息，進(jìn)而組成SF6數(shù)據(jù)信息電力物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)高壓電器設(shè)備信息的有效獲取。

2.1 遠(yuǎn)傳式SF6密度繼電器數(shù)據(jù)感知裝置

SF6密度繼電器數(shù)據(jù)感知裝置一般由感知、處理、通信和供電這4個(gè)基本功能模塊組成，總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。數(shù)據(jù)感知裝置連接于SF6密度繼電器本體下部。

圖2 數(shù)據(jù)感知裝置總體架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Overall architecture design of data sensing device

基于LoRa的嵌入式數(shù)據(jù)感知裝置，采用模塊化、芯片化設(shè)計(jì)技術(shù)提高裝置的集成度。將傳感器模塊和核心板（microcontroller unit，MCU）的接口標(biāo)準(zhǔn)化，使各類(lèi)傳感器可以接入同一個(gè)MCU核心板，MCU 核心板是數(shù)據(jù)感知裝置算法和通信協(xié)議的載體。低功耗高能電池管理模塊包括用于切除傳感器模塊的可控開(kāi)關(guān)、用于調(diào)節(jié)不同類(lèi)型傳感器供電電壓的升壓和降壓模塊、用于為傳感器提供穩(wěn)定參考電壓的Vref 模塊以及用于電池管理的模塊（system on chip technology，SOC）。LoRa通信模塊為傳感器數(shù)據(jù)與基站進(jìn)行通信。

2.2 遠(yuǎn)傳式SF6氣體密度繼電器類(lèi)端設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)傳式SF6氣體密度繼電器的類(lèi)端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景根據(jù)電壓等級(jí)或設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行區(qū)域劃分。

根據(jù)電壓等級(jí)進(jìn)行區(qū)域劃分時(shí)，同一電壓等級(jí)電氣間隔末端設(shè)置類(lèi)端節(jié)點(diǎn)，收集該電壓等級(jí)內(nèi)不同設(shè)備SF6氣體密度繼電器數(shù)據(jù)。圖3 所示為220 kV 電壓等級(jí)GIS 設(shè)備每個(gè)電氣間隔裝設(shè)1個(gè)SF6氣體密度繼電器類(lèi)端，該類(lèi)端收集220 kV電氣間隔三相設(shè)備中SF6密度繼電器的數(shù)據(jù)信息。圖中虛線(xiàn)框表示采集傳感器設(shè)計(jì)位置，采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳遞至該電壓等級(jí)類(lèi)端節(jié)點(diǎn)。不同的電壓等級(jí)類(lèi)端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，并通過(guò)電力光纖網(wǎng)傳至數(shù)據(jù)云平臺(tái)。

圖3 220 kV電壓等級(jí)GIS設(shè)備無(wú)線(xiàn)類(lèi)端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of wireless end node of 220 kV voltage grade GIS equipment

該型區(qū)域劃分的類(lèi)端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方式可以橫向獲得同一電壓等級(jí)不同設(shè)備的SF6數(shù)據(jù)信息，提升了該電壓等級(jí)下設(shè)備狀況分析效率。根據(jù)電壓等級(jí)進(jìn)行區(qū)域劃分的類(lèi)端節(jié)點(diǎn)可以廣泛適用于各種電壓等級(jí)變電站。

根據(jù)設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行劃分的設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。該型區(qū)域劃分的類(lèi)端設(shè)計(jì)方式，可以縱向獲得同一類(lèi)型設(shè)備在不同電壓設(shè)備區(qū)的SF6數(shù)據(jù)信息。根據(jù)設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行區(qū)域劃分時(shí)，類(lèi)端節(jié)點(diǎn)收集不同電壓等級(jí)電氣間隔同類(lèi)型設(shè)備的SF6氣體密度繼電器數(shù)據(jù)。例如1 000 kV特高壓變電站中，斷路器類(lèi)端節(jié)點(diǎn)可分別收集1 000 kV，500 kV，110 kV，35 kV 電壓等級(jí)中各三相斷路器的SF6密度數(shù)據(jù)信息，見(jiàn)圖4。隔離開(kāi)關(guān)類(lèi)端節(jié)點(diǎn)可收集不同電壓等級(jí)中各三相隔離開(kāi)關(guān)的SF6密度數(shù)據(jù)信息，不同設(shè)備類(lèi)端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，并傳至數(shù)據(jù)云平臺(tái)。

圖4 設(shè)備型無(wú)線(xiàn)類(lèi)端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)Fig.4 Design of device type wireless end node

3 基于分?jǐn)?shù)階濾波系統(tǒng)的SF6氣體密度繼電器

通過(guò)電器設(shè)備外殼、信號(hào)線(xiàn)、電源端口、控制線(xiàn)、地線(xiàn)等方式形成電磁干擾是電器設(shè)備在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下所受電磁干擾的主要方式[11]。在遠(yuǎn)傳式氣體密度繼電器的遠(yuǎn)傳部分中，電源的地位極其重要。來(lái)自電網(wǎng)的干擾信號(hào)主要通過(guò)電子遠(yuǎn)傳部分或數(shù)據(jù)采集傳感器的供電電源等耦合串入遠(yuǎn)傳密度繼電器。此外，作為SF6氣體密度繼電器的重要數(shù)據(jù)源頭，SF6氣體壓力或溫度等數(shù)據(jù)采集傳感器在接入MCU核心板前，其信號(hào)會(huì)受到來(lái)自地以及其兩級(jí)間的硬件干擾。基于以上分析，提高SF6氣體密度繼電器抗干擾性的重要原則是阻止干擾信號(hào)的傳播。

本節(jié)從供電電源干擾以及硬件干擾兩個(gè)重要方面出發(fā)，研究基于分?jǐn)?shù)階濾波系統(tǒng)的遠(yuǎn)傳式SF6氣體密度繼電器。

3.1 基于分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器的電源抗干擾處理

傳統(tǒng)噪聲濾波器是根據(jù)電感和電容的特性將其并聯(lián)或串聯(lián)入電源電路。雖然電路中電感和電容元件數(shù)的增多會(huì)一定程度降低電源電路中的干擾信號(hào)，但元件數(shù)的增多也會(huì)加大電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)難度。隨著分?jǐn)?shù)階電路系統(tǒng)的發(fā)展，分?jǐn)?shù)階元件可以獲得更多的電路特性及更大的設(shè)計(jì)自由度[12-14]。

在電源輸入端增加分?jǐn)?shù)階電源噪聲濾波器，其等效電路圖如圖5 所示。其中，電源輸入端的正負(fù)接地電阻并入RS，電源等效為一個(gè)負(fù)載RL的分?jǐn)?shù)階濾波電路。圖中，P，N，P′，N′分別代表分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器的輸入端口以及輸出端口。

圖5 電源等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of power supply

分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器由分?jǐn)?shù)階差模及分?jǐn)?shù)階共模兩部分組成，其電路原理如圖6所示。其中，分?jǐn)?shù)階電容Cα1,Cα2的階次為α1,α2，分?jǐn)?shù)階電感Lβ1,Lβ2的階次為β1,β2。分?jǐn)?shù)階差模及共模分別用來(lái)衰減交流進(jìn)線(xiàn)上的差模及共模干擾噪聲。

圖6 分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of fractional-order noise filter circuit

根據(jù)圖6 的分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器電路，可以得到輸出電壓U2如下式所示：

式中：ω為干擾信號(hào)角頻率。

利用阻抗匹配法，使得分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器對(duì)高頻傳導(dǎo)干擾具有最大損耗。

對(duì)傳統(tǒng)噪聲濾波器及分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器分別施加頻率ω=50 rad/s 的正弦電壓，通過(guò)仿真測(cè)量電源輸入端端口電流。傳統(tǒng)噪聲濾波器及分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器的響應(yīng)特性分別如圖7、圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)噪聲濾波器響應(yīng)特性Fig.7 Response characteristic of traditional noise filter

圖8 分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器響應(yīng)特性Fig.8 Response characteristic of fractional-order noise filter

由圖7、圖8 可以得出，傳統(tǒng)噪聲濾波器的電源響應(yīng)特性需要大約5 個(gè)周期約0.7 s 達(dá)到穩(wěn)態(tài)，同時(shí)其波峰及波谷相差較大；相同條件下分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器的電源響應(yīng)特性?xún)H需要2 個(gè)周期約0.2 s 達(dá)到穩(wěn)態(tài)，同時(shí)其波峰及波谷相差很小?，F(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電源環(huán)境下兩種濾波器的電源響應(yīng)特性之間差距更大，分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器更適合復(fù)雜環(huán)境下的電源抗干擾處理。

此外，給定相同輸入信號(hào)，傳統(tǒng)噪聲濾波器與分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器的插入損耗如圖9所示。由圖可知，傳統(tǒng)噪聲濾波器的頻率特性范圍較窄（曲線(xiàn)斜率較?。?，分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器的頻率特性范圍較寬（曲線(xiàn)斜率較大）。傳統(tǒng)噪聲濾波器的衰減頻率及通過(guò)頻率的選擇度較低，有可能導(dǎo)致部分信號(hào)衰減或噪聲沒(méi)有徹底去除。分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器頻率的選擇度較高，SF6氣體密度繼電器各類(lèi)數(shù)據(jù)可以在幾乎不衰減的狀態(tài)下去除噪聲。

圖9 傳統(tǒng)噪聲濾波器與分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器插入損耗對(duì)比Fig.9 Comparison of insertion loss between traditional noise filter and fractional-order noise filter

如表2所示，選取不同分?jǐn)?shù)階次，分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器的插入損耗如圖10所示。由圖可知，隨著階次的升高，分?jǐn)?shù)階濾波器頻率特性范圍越大。此外，SF6氣體密度繼電器可以根據(jù)安裝位置所處的不同噪聲環(huán)境，選取適當(dāng)分?jǐn)?shù)階濾波階次，達(dá)到更好的預(yù)期濾波效果。值得一提的是，隨著分?jǐn)?shù)階電容、電感的研究及開(kāi)發(fā)，大部分的分?jǐn)?shù)階元件均可在市場(chǎng)中購(gòu)買(mǎi)到，或通過(guò)整數(shù)階電容、電感進(jìn)行高階次逼近而實(shí)現(xiàn)。

表2 分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器階次Tab.2 Orders of fractional-order noise filter

圖10 不同階次分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器插入損耗Fig.10 Insertion loss of fractional-order noise filters with different order

3.2 基于分?jǐn)?shù)階切比雪夫?yàn)V波器的硬件抗干擾處理

對(duì)于傳統(tǒng)SF6氣體密度繼電器的硬件抗干擾處理，通常是在SF6氣體壓力或溫度等數(shù)據(jù)采集傳感器信號(hào)接入MCU核心板前，通過(guò)信號(hào)線(xiàn)與地間并聯(lián)電容來(lái)減少共模干擾；通過(guò)信號(hào)兩極間的傳統(tǒng)濾波器來(lái)減少差模干擾。因?yàn)殡姶鸥蓴_的特性較為復(fù)雜并體現(xiàn)出了分?jǐn)?shù)階的特性，利用并聯(lián)傳統(tǒng)整數(shù)階電容及電感、傳統(tǒng)整數(shù)階濾波器的方法無(wú)法更好地解決硬件抗干擾問(wèn)題。本小節(jié)利用分?jǐn)?shù)階切比雪夫?yàn)V波器對(duì)硬件抗干擾問(wèn)題進(jìn)行研究。

在SF6氣體壓力或溫度等數(shù)據(jù)采集傳感器信號(hào)輸出端增加分?jǐn)?shù)階切比雪夫?yàn)V波器，其等效電路如圖11 所示。其中，Uo，Uin分別為數(shù)據(jù)采集傳感器信號(hào)輸出端電壓及MCU核心板輸入端電壓；Ro，Rin分別為數(shù)據(jù)采集傳感器信號(hào)輸出端等效電阻及MCU核心板輸入端等效電阻。

圖11 硬件抗干擾等效電路圖Fig.11 Equivalent circuit diagram of hardware anti-interference

分?jǐn)?shù)階切比雪夫抗干擾濾波器的電路原理圖如圖12所示，其中分?jǐn)?shù)階電容Cα1,Cα2的階次分別為α1,α2。

圖12 分?jǐn)?shù)切比雪夫抗干擾濾波器電路原理圖Fig.12 Schematic diagram of fractional-order Chebyshev anti-interference filter

根據(jù)圖12的分?jǐn)?shù)切比雪夫?yàn)V波器電路，結(jié)合電網(wǎng)絡(luò)理論可以得到輸出電壓U2如下式所示：

給定相同輸入信號(hào)，傳統(tǒng)硬件抗干擾濾波與分?jǐn)?shù)階切比雪夫抗干擾濾波的插入損耗如圖13所示。由圖可知，傳統(tǒng)硬件抗干擾濾波的頻率特性范圍較窄（曲線(xiàn)斜率較?。?jǐn)?shù)階切比雪夫抗干擾濾波的頻率特性范圍較寬（曲線(xiàn)斜率較大）。傳統(tǒng)硬件抗干擾濾波的衰減頻率及通過(guò)頻率的選擇度較低，有可能導(dǎo)致部分硬件干擾無(wú)法徹底去除。分?jǐn)?shù)階切比雪夫抗干擾濾波頻率的選擇度較高，SF6氣體壓力或溫度等數(shù)據(jù)采集傳感器信號(hào)可以在衰減極少的狀態(tài)下去除硬件干擾。

圖13 傳統(tǒng)硬件抗干擾濾波與分?jǐn)?shù)階切比雪夫抗干擾濾波插入損耗對(duì)比Fig.13 Comparison of insertion loss between traditional hardware anti-interference filter and fractional-order Chebyshev anti-interference filter

如表3所示，選取不同分?jǐn)?shù)階次，分?jǐn)?shù)階切比雪夫抗干擾濾波器的插入損耗如圖14所示。

圖14 不同階次分?jǐn)?shù)階切比雪夫抗干擾濾波器插入損耗Fig.14 Insertion loss of fractional-order Chebyshev anti-interference filters with different order

表3 不同階次分?jǐn)?shù)階切比雪夫?yàn)V波器參數(shù)Tab.3 Parameters of fractional-order Chebyshev filter under different orders

由圖14 可知，隨著階次的升高，分?jǐn)?shù)階濾波器頻率特性范圍越大。采用分?jǐn)?shù)階切比雪夫硬件抗干擾方法，可以提高SF6氣體密度繼電器采用的硬件裕度，即選擇適當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)?shù)階階次來(lái)實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)感知裝置的硬件抗干擾。

對(duì)于表3 所示α2三種階次0.2，0.5，0.8 的分?jǐn)?shù)階電容Cα2，其電容值可以通過(guò)4 階整數(shù)階電容、電阻組成的電路進(jìn)行逼近實(shí)現(xiàn)，如圖15所示。

圖15 分?jǐn)?shù)階切比雪夫抗干擾濾波器中分?jǐn)?shù)階電容逼近等效電路Fig.15 Fractional capacitor approximation equivalent circuit for fractional-order Chebyshev anti-interference filters

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

基于分?jǐn)?shù)階濾波系統(tǒng)的LoRa 新型抗干擾遠(yuǎn)傳式SF6密度繼電器樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖16 所示。為了測(cè)試其供電電源抗干擾及硬件抗干擾兩方面的可靠性，將樣機(jī)分別安裝于河北南部電網(wǎng)某500 kV 變電站的220 kV，500 kV 兩種電壓等級(jí)SF6組合電器設(shè)備上，并與相同環(huán)境下傳統(tǒng)的SF6密度繼電器進(jìn)行對(duì)比。

圖16 新型抗干擾遠(yuǎn)傳式SF6密度繼電器現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)Fig.16 Field prototype of SF6 density relay with new anti-interference and remote transmission

新型抗干擾遠(yuǎn)傳式SF6密度繼電器與傳統(tǒng)SF6密度繼電器在220 kV 及500 kV 電壓等級(jí)的組合電器設(shè)備上供電電源抗干擾對(duì)比情況分別如圖17、圖18 所示。其中，兩種電壓等級(jí)中新型抗干擾遠(yuǎn)傳式SF6密度繼電器的分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器參數(shù)如表4所示。

圖17 220 kV組合電器供電電源抗干擾對(duì)比Fig.17 Anti-interference comparison of power supply for 220 kV gas-insulated metal-enclosed switchgear

圖18 500 kV組合電器供電電源抗干擾對(duì)比Fig.18 Anti-interference comparison of power supply for 500 kV gas-insulated metal-enclosed switchgear

表4 兩種電壓等級(jí)中的分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器參數(shù)Tab.4 Parameters of fractional-order noise filter in two types of voltage levels

由圖17可以明顯看出，采用分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器供電電源抗干擾的SF6密度繼電器可以在高頻范圍上有效抑制電網(wǎng)通過(guò)供電電源耦合進(jìn)入的干擾。而傳統(tǒng)SF6密度繼電器隨著干擾頻率的增加，供電電源抗干擾能力有所下降，無(wú)法有效抑制耦合進(jìn)入的干擾。對(duì)于圖18 所示500 kV 電壓等級(jí)的組合電器兩種SF6密度繼電器供電電源抗干擾對(duì)比情況，采用分?jǐn)?shù)階噪聲濾波器的SF6密度繼電器將耦合進(jìn)入的干擾信號(hào)幅值抑制在30～60 dB，而傳統(tǒng)SF6密度繼電器無(wú)法有效抑制干擾信號(hào)，同時(shí)隨著頻率的增加，干擾信號(hào)幅值高達(dá)120 dB，約為新型抗干擾濾波器的4倍。

新型抗干擾遠(yuǎn)傳式SF6密度繼電器與傳統(tǒng)SF6密度繼電器在220 kV 及500 kV 電壓等級(jí)的組合電器設(shè)備上硬件抗干擾對(duì)比情況分別如圖19、圖20所示。其中，兩種電壓等級(jí)中新型抗干擾遠(yuǎn)傳式SF6密度繼電器的分?jǐn)?shù)階切比雪夫?yàn)V波器參數(shù)如表5所示。

表5 兩種電壓等級(jí)中的分?jǐn)?shù)階切比雪夫?yàn)V波器參數(shù)Tab.5 Parameters of fractional-order Chebyshev filter in two types of voltage levels

圖19 220 kV組合電器硬件抗干擾對(duì)比Fig.19 Hardware anti-interference comparison of 220 kV gas-insulated metal-enclosed switchgear

圖20 500 kV組合電器硬件抗干擾對(duì)比Fig.20 Hardware anti-interference comparison of 220 kV gas-insulated metal-enclosed switchgear

由圖19可以明顯看出，采用分?jǐn)?shù)階切比雪夫?yàn)V波器硬件抗干擾的SF6密度繼電器可以有效抑制共模、差模干擾，使得接入MCU核心板的SF6氣體壓力或溫度等數(shù)據(jù)采集傳感器信號(hào)更加準(zhǔn)確。對(duì)于圖20 所示500 kV 電壓等級(jí)的組合電器兩種SF6密度繼電器硬件抗干擾對(duì)比情況，兩種SF6密度繼電器均可以在105～107Hz 頻帶范圍內(nèi)對(duì)硬件干擾進(jìn)行抑制。但通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，新型抗干擾SF6密度繼電器的抑制效果更加明顯。同時(shí)隨著頻率的增加，傳統(tǒng)SF6密度繼電器無(wú)法持續(xù)對(duì)硬件干擾進(jìn)行抑制，雖然此時(shí)新型抗干擾SF6密度繼電器的抑制作用有些減弱，但要比同頻帶的傳統(tǒng)SF6密度繼電器抑制效果好。高頻帶時(shí)新型SF6密度繼電器抑制效果約為傳統(tǒng)密度繼電器的3倍。

5 結(jié)論

本文基于分?jǐn)?shù)階濾波系統(tǒng)的新型抗干擾SF6密度繼電器，解決了傳統(tǒng)SF6密度繼電器在供電電源抗干擾和硬件抗干擾兩方面問(wèn)題，提高了SF6密度繼電器在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾性，提升了高壓電器設(shè)備信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>