基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

孫秋芹，汪 沨，馬 勇，劉 洋，周志成

（1．湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2．江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103）

新建超、特高壓輸電線路投入運(yùn)行前，為考核線路的絕緣性能，在線路首端對(duì)斷路器進(jìn)行分閘、合閘連續(xù)操作，以模擬系統(tǒng)的操作電磁暫態(tài)過程．試驗(yàn)過程中測(cè)量輸電線路的電壓、電流信號(hào)，以反映線路的絕緣狀況［1－3］．

現(xiàn)有的測(cè)量系統(tǒng)通常由電容分壓器、電流互感器、光電隔離器和錄波儀等組成．為保證試驗(yàn)過程中測(cè)量人員人身安全，并給測(cè)量?jī)x器進(jìn)行供電，通常將光電隔離器、錄波儀等設(shè)備布置于室內(nèi)，通過電纜將變電站現(xiàn)場(chǎng)電容分壓器低壓側(cè)電壓信號(hào)、電流互感器二次側(cè)電流信號(hào)與室內(nèi)儀器相連［4］．該測(cè)量方法異常繁瑣，部分大型變電站，電纜長(zhǎng)度可達(dá)百米，現(xiàn)場(chǎng)布線工作量大，由于受變電站復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，在電纜中可能感應(yīng)出較高的過電壓，影響測(cè)量系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性［5－8］．

目前，國(guó)內(nèi)外很多研究者將無線測(cè)控技術(shù)應(yīng)用于高壓輸變電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，例如應(yīng)用Zigbee，Wi－Fi，Wimax，UWB，藍(lán)牙等無線通信方法進(jìn)行電能計(jì)量抄表、高壓開關(guān)柜、變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等［9－12］．上述方法各具優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍，例如：Zigbee適用于近距離、低速率、低成本的無線測(cè)控和狀態(tài)監(jiān)測(cè)．針對(duì)輸電線路調(diào)試，電壓電流信息采集點(diǎn)通常距離站控室較遠(yuǎn)（50～100 m），同時(shí)需承受變電站復(fù)雜電磁環(huán)境影響等，目前鮮有無線測(cè)控技術(shù)應(yīng)用文獻(xiàn)報(bào)道．

本文采用2．4GHz頻段高速無線網(wǎng)橋進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，設(shè)計(jì)了一套基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)．采用基于IEEE1588協(xié)議的高精度時(shí)鐘同步模塊以便于多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步傳輸；將傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行雙通道異步處理，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率．使用本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)，在江蘇電網(wǎng)某500kV 變電站進(jìn)行了性能測(cè)試，驗(yàn)證了測(cè)量方法的可行性．本系統(tǒng)避免了復(fù)雜的布線工作，保證測(cè)量系統(tǒng)的安全，大大減少試驗(yàn)工作量．

1 測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．

該測(cè)量系統(tǒng)由無線中心主站、無線電流采集傳輸節(jié)點(diǎn)、無線電壓采集傳輸節(jié)點(diǎn)組成．其中，無線中心主站面對(duì)用戶，負(fù)責(zé)控制采集傳輸節(jié)點(diǎn)和接收采集傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波形顯示、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表自動(dòng)生成等；無線電壓、無線電流采集傳輸節(jié)點(diǎn)與電容分壓器、電流探頭相連，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并通過無線模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到中心主站．測(cè)量過程中，無線電流和無線電壓采集傳輸節(jié)點(diǎn)間使用基于IEEE1588 協(xié)議的時(shí)鐘同步模塊進(jìn)行時(shí)間同步．

圖1 基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)Fig．1 Measurement system for the testing of transmission lines based on wireless communication

1．1 電容分壓系統(tǒng)

考慮到測(cè)量系統(tǒng)的帶寬及測(cè)量方案的簡(jiǎn)易性，測(cè)量過程中，利用變電站電流互感器電容式套管和小型電容器共同構(gòu)成電容分壓系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示［13］．電容分壓系統(tǒng)等效電路如圖3所示［4］．

圖2 電容分壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Schematic diagram of capacitive voltage divider system

圖3中，C1為電容式套管等效電容，C2為分壓電容器電容，ui（t）為輸電線路一次側(cè)電壓，uo（t）為分壓電容器二次側(cè)電壓．

為保證測(cè)量?jī)x器和試驗(yàn)人員的安全，電容器輸出電壓信號(hào)幅值在100V 內(nèi)．針對(duì)超高壓電流互感器電容式套管，其電容量通常為納法級(jí)，綜合考慮，將分壓電容器的值設(shè)為4μF．

圖3 電容分壓系統(tǒng)等效電路Fig．3 Equivalent circuit of capacitive voltage divider system

1．2 電流分流系統(tǒng)

本文采用霍爾電流傳感器，將其安裝于電流互感器二次側(cè)，共同構(gòu)成電流分流系統(tǒng)，其原理如圖4所示．

圖4 霍爾電流傳感器Fig．4 Hall current sensor

當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時(shí)，原邊電流Ip產(chǎn)生磁力線，磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應(yīng)電壓，通過電子電路將該微小的信號(hào)轉(zhuǎn)變成副邊電流Is，原邊電流Ip與副邊電流Is滿足如下關(guān)系式：

式中：Np為原邊線圈匝數(shù)；Ns為副邊線圈匝數(shù)［14］．

2 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 無線電壓、無線電流采集傳輸節(jié)點(diǎn)

無線電壓與無線電流采集傳輸節(jié)點(diǎn)主要由A／D 模塊、無線通信模塊、控制器模塊和時(shí)鐘同步模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示．

圖5 采集傳輸節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig．5 Schematic diagram of acquisition and transmission node

各模塊結(jié)構(gòu)如下所述．

1）A／D 模塊．無線電壓、無線電流采集傳輸節(jié)點(diǎn)A／D 模塊均采用MAX125 芯片，可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步采集．采樣精度設(shè)置為16位，單通道的最高采樣速率為250ksps．無線電壓、無線電流采集傳輸節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立電源，以減少變電站電磁干擾．

2）無線通信模塊．無線通信模塊采用Karlnet2400系列無線網(wǎng)橋，通信頻段為2．4GHz，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信．由于不采用電纜，可避免空間電磁耦合引入的傳導(dǎo)干擾影響．此外，變電站干擾源主要可分為工頻與諧波干擾源（50 Hz及其諧波）、少量的甚低頻干擾源（30kHz以下）、載頻干擾源（10～300kHz）、射頻及視頻干擾源（300 kHz）等．采用2．4GHz通信頻段，可遠(yuǎn)離工頻、諧波、載頻等干擾源．

中心主站無線通信模塊提供一個(gè)10／100 Mb／s網(wǎng)絡(luò)IP 接口，通過網(wǎng)線與服務(wù)器相連．無線電流、無線電壓采集傳輸節(jié)點(diǎn)分別提供一個(gè)10／100 Mb／s網(wǎng)絡(luò)IP 接口，與采集控制器相連．無線網(wǎng)橋間實(shí)現(xiàn)相互通信．

3）采集控制器．采集控制器實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集、通過特定算法確定暫態(tài)觸發(fā)事件、通過無線通信模塊實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)到中心主站，本地保存重要數(shù)據(jù)等．本測(cè)量系統(tǒng)采集控制器采用ARM 與FPGA 相結(jié)合的架構(gòu)方式．其中，ARM 系統(tǒng)采用Cortex A8處理器，負(fù)責(zé)與中心主站進(jìn)行通信，管理數(shù)據(jù)的采集和傳輸，確定觸發(fā)事件發(fā)生．FPGA 控制A／D 數(shù)據(jù)的采集、時(shí)間同步、時(shí)間戳標(biāo)記．

FPGA 獲取A／D 模塊數(shù)據(jù)，通過時(shí)鐘同步模塊M50獲得時(shí)鐘同步信息，將時(shí)間戳標(biāo)記到每幀數(shù)據(jù)的幀頭，然后將數(shù)據(jù)放入ARM 系統(tǒng)的內(nèi)存中，由ARM 中運(yùn)行的采集控制軟件系統(tǒng)處理，此后通過無線模塊上傳到中心主站．

4）時(shí)鐘同步模塊．時(shí)鐘同步模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間戳標(biāo)記，以便于多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在中心主站上的同步顯示和分析．本測(cè)量系統(tǒng)采用基于IEEE1588協(xié)議的高精度時(shí)鐘同步模塊．上述協(xié)議中定義了4種消息Sync，F(xiàn)ollowup，DelayReq 和DelayResp，用來測(cè)量前向（主時(shí)鐘至從時(shí)鐘）和后向（從時(shí)鐘至主時(shí)鐘）路徑的通信延遲．消息Sync和Followup由主時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送，從時(shí)鐘設(shè)備負(fù)責(zé)接收這些消息，并計(jì)算主時(shí)鐘設(shè)備到從時(shí)鐘設(shè)備的通信路徑延遲，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的同步精度在無線網(wǎng)絡(luò)條件下可達(dá)微秒級(jí)．

時(shí)鐘同步源采用GPS，由無線中心主站作為授時(shí)主鐘，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步．時(shí)鐘同步模塊提供精確的秒脈沖、TOD（Time of Day）以及10MHz脈沖波，其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示．

圖6 M50時(shí)鐘同步模塊結(jié)構(gòu)Fig．6 Schematic diagram of M50 clock synchronization module

2．2 中心主站

無線中心主站由服務(wù)器和客戶機(jī)組成，其中：服務(wù)器負(fù)責(zé)處理分布式采集節(jié)點(diǎn)的大數(shù)據(jù)，包括分布式數(shù)據(jù)接收、對(duì)齊、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)等功能．客戶機(jī)對(duì)服務(wù)器、采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，監(jiān)控采集節(jié)點(diǎn)行為，顯示和分析波形數(shù)據(jù)等．

本測(cè)量系統(tǒng)中服務(wù)器采用基于X86 平臺(tái)的工業(yè)便攜式服務(wù)器主機(jī)，單核CPU 頻率為2GHz，服務(wù)器配備無線通信模塊負(fù)責(zé)中心主站與采集節(jié)點(diǎn)間的無線通信，采用Unix操作系統(tǒng)；客戶機(jī)選用X86 PC機(jī)器，采用Windows 7操作系統(tǒng)．

3 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)軟件主要包括采集控制器端軟件系統(tǒng)與中心主站軟件系統(tǒng)．其中，采集控制器端軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)與中心主站通信，接收和執(zhí)行中心主站命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)本地保存、數(shù)據(jù)上傳等工作．主站軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集傳輸節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接受處理中心軟件系統(tǒng)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理及波形顯示與分析等．

3．1 采集控制端軟件系統(tǒng)

采集控制端軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示．

圖7 采集控制端軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．7 Structure of acquisition controller software system

采集控制端軟件系統(tǒng)包括普通波形緩沖區(qū)與重要波形緩沖區(qū)兩部分．其中，普通波形緩沖區(qū)實(shí)時(shí)向測(cè)量系統(tǒng)上傳測(cè)量數(shù)據(jù)，每秒傳輸速率約為40k；重要波形緩沖區(qū)本地保存測(cè)量數(shù)據(jù)，防止重要數(shù)據(jù)的丟失．本測(cè)量系統(tǒng)中，重要波形緩沖區(qū)設(shè)置保存10s的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（約400k），在傳輸過程中丟失采樣數(shù)據(jù)時(shí)，可在監(jiān)控端向采集控制端發(fā)送命令以獲取細(xì)節(jié)信息．

3．2 中心主站軟件系統(tǒng)

中心主站軟件系統(tǒng)包括電壓數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、電流數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接受處理中心系統(tǒng)、波形顯示和分析系統(tǒng)．

采集節(jié)點(diǎn)傳輸給中心主站的數(shù)據(jù)格式是每100 ms一幀的200k采樣格式數(shù)據(jù)．無線電壓、電流采集節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行在QNX 上，通過Socket API發(fā)送數(shù)據(jù)包到中心主站．?dāng)?shù)據(jù)匯總程序運(yùn)行在Web 服務(wù)器上，網(wǎng)絡(luò)連接采用Mina庫(kù)．中心主站的控制是通過在瀏覽器上輸入U(xiǎn)RL 來進(jìn)行在線配置．

1）數(shù)據(jù)采集傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)．電壓數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和電流數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)由采集探頭驅(qū)動(dòng)層和數(shù)據(jù)傳輸層組成．采集探頭驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)接收探頭采集到的原始數(shù)據(jù)，按照探頭特性和探頭變比參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換．

驅(qū)動(dòng)層轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸層將數(shù)據(jù)暫存到緩沖區(qū)中．為了避免接受緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)之間的同步延長(zhǎng)時(shí)間，將接收和發(fā)送公用一個(gè)緩沖區(qū)．為了避免因接收和發(fā)送速率不同帶來的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)堆積，系統(tǒng)緩沖區(qū)采用生產(chǎn)者－消費(fèi)者隊(duì)列模型，一邊采集接收數(shù)據(jù)，一邊發(fā)送數(shù)據(jù)．

2）數(shù)據(jù)處理中心設(shè)計(jì)．?dāng)?shù)據(jù)處理中心用于接收來自電壓、電流數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)．考慮到200k 數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)無線帶寬的要求比較高，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和異步處理．將原始的200 k數(shù)據(jù)分為兩個(gè)通道進(jìn)行發(fā)送，一個(gè)是實(shí)時(shí)通道，另一個(gè)是異步通道．實(shí)時(shí)通道將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到處理中心節(jié)點(diǎn)用于動(dòng)態(tài)波形顯示；異步通道將數(shù)據(jù)在后臺(tái)下載到數(shù)據(jù)中心中．?dāng)?shù)據(jù)采用壓縮且哈希索引的方式進(jìn)行存儲(chǔ)．?dāng)?shù)據(jù)處理中心同步發(fā)送策略如圖8所示．

圖8 數(shù)據(jù)處理中心同步發(fā)送策略Fig．8 Strategy of data sending of data processing center

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)的性能，在江蘇電網(wǎng)某500kV 變電站進(jìn)行了性能測(cè)試．試驗(yàn)線路運(yùn)行方式如圖9所示．

圖9 試驗(yàn)線路運(yùn)行方式示意圖Fig．9 Operation mode of testing transmission lines

輸電線路參數(shù)：R1＝0．001 9 Ω／km，R0＝0．167 5Ω／km，L1＝0．913 6mH／km，L0＝2．719 0 mH／km，C1＝0．013 8μF／km，C0＝0．008 3μF／km，輸電線路長(zhǎng)度為90km．

試驗(yàn)過程中，西津渡變斷路器S2處于分閘狀態(tài)，對(duì)茅山變斷路器S1進(jìn)行分合閘操作，測(cè)量線路首端的電壓和電流，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電流互感器如圖10所示．輸電線路調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)如圖11所示．試驗(yàn)過程中測(cè)錄的典型電壓、電流波形分別如圖12 和圖13所示．

圖10 電流互感器Fig．10 Current transformer

圖11 輸電線路調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)Fig．11 Measurement system for the testing of transmission lines

圖12 輸電線路電壓Fig．12 Voltage of transmission lines

圖13 輸電線路電流Fig．13 Current of transmission lines

該測(cè)量系統(tǒng)可滿足變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求，由于采用2．4GHz頻段無線通信，測(cè)量過程受變電站電磁干擾影響小．

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)，由無線中心主站、無線電流采集傳輸節(jié)點(diǎn)、無線電壓采集傳輸節(jié)點(diǎn)組成．利用互感器電容式套管和電容器組成無線電壓采集傳輸節(jié)點(diǎn)，基于霍爾電流傳感器和電流互感器組成無線電流采集傳輸節(jié)點(diǎn)．采用2．4GHz頻段高速無線網(wǎng)橋進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，避免了變電站電磁波的干擾影響．基于IEEE1588協(xié)議的時(shí)鐘同步模塊實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)間同步；建立了新的數(shù)據(jù)同步發(fā)送策略，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩緶y(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波形顯示、數(shù)據(jù)分析和報(bào)表自動(dòng)生成等功能．在江蘇電網(wǎng)某500kV 變電站進(jìn)行了性能測(cè)試，驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的有效性．

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