組合式變壓器遠程通訊組網(wǎng)實例分析

魯 剛，張曉峰，袁乙專，何頌民，毛啟武

（明珠電氣股份有限公司，廣州 511400）

0 引言

在風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電領(lǐng)域，組合式變壓器被廣泛應(yīng)用，但組合式變壓器多安裝在遠離升壓站的控制室。在傳統(tǒng)中控室與組合式變壓器通信方案中，一般采用光纖地埋的方式將各機位通信裝置串接起來，并引入集中控制室，實現(xiàn)中控室與各機位的通信。但該結(jié)構(gòu)往往容易受地質(zhì)條件變化或意外破壞而引起光纖斷線，進而造成通訊中斷。而現(xiàn)場光纖網(wǎng)絡(luò)斷線故障查找和維修比較困難，對發(fā)電站正常運行造成不利影響。而無線通訊方案不受地質(zhì)條件影響，因此無須為線路故障而擔(dān)心，也省去線路維護的工作。因此，采用高效的無線通訊方案對風(fēng)電場或光伏電站通訊來說是有效的替代和補充，給用戶帶來極大便利。目前，國內(nèi)外風(fēng)電場和光伏電站在無線通訊技術(shù)運用上，特別是融和新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用方面，還處于興起階段，尚未廣泛應(yīng)用。本文將根據(jù)一個實際工程案例介紹如何根據(jù)現(xiàn)場的實際條件在組合式變壓器內(nèi)搭建一個高效可靠的無線網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的高效通訊。該案例將重點就主網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定、終端通訊協(xié)議的選用和設(shè)備通訊接口的選用進行深入分析和探討，并通過選擇合適的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，介紹如何在組合式變壓器的網(wǎng)絡(luò)中引入新型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以實現(xiàn)特殊條件下的信息采集，實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法完成的低功耗通信功能。在文末，將介紹一種新型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備遠程維護和管理方式。

1 遠程通訊應(yīng)用場景分析

本場景為某丘陵地區(qū)風(fēng)力發(fā)電場的一臺型號為ZGSB11-F-2200/35的組合式變壓器（也稱箱式變壓器、簡稱箱變）。根據(jù)技術(shù)需要，為了獲取設(shè)備運行參數(shù)和設(shè)備內(nèi)外環(huán)境條件，需在該設(shè)備內(nèi)安裝一套遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集設(shè)備電氣參數(shù)和其他非電量參數(shù)，并要求部分開關(guān)具備遠程控制功能，用于控制遠方設(shè)備。經(jīng)初步匯總與評估，現(xiàn)場設(shè)備包括以下終端設(shè)備，分別按照字母和數(shù)字為其進行分類和編碼，如表1所示。相關(guān)設(shè)備的主要安裝位置如圖1所示。

表1 終端設(shè)備分類和編碼

圖1 箱變內(nèi)數(shù)據(jù)采集可控制設(shè)備位置示意

現(xiàn)場需要架設(shè)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)需要新增部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將設(shè)備終端接入互聯(lián)網(wǎng)，使遠端能遠程采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并在必要時刻在遠方發(fā)出指令，控制部分現(xiàn)場設(shè)備的啟停。

需要指出，各設(shè)備對電源的要求也是設(shè)備選型的重要因素。箱變低壓室內(nèi)有輔助電源可供使用，而在其他部位（如高壓室、箱變外）則無法提供輔助電源，因此不便提供輔助電源的設(shè)備只能采用電池供電，必須具備低功耗無線通訊功能。

從上述需求來看，市場上較少能快速集成上述全部功能的遠程數(shù)據(jù)通訊設(shè)備。因此，考慮自行搭建網(wǎng)絡(luò)。在搭建網(wǎng)絡(luò)前，有必要對該系統(tǒng)各部分進行梳理，選擇合適的設(shè)備和通訊協(xié)議，以確保不同的設(shè)備被有效集成在一起，協(xié)同工作，互不干擾[1]。

2 通訊網(wǎng)絡(luò)功能分析及實現(xiàn)方式

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性，需要選擇多種網(wǎng)絡(luò)接口用于組網(wǎng)，用于連接所有設(shè)備（包括有線設(shè)備和無線設(shè)備），需要確認主要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型和主要的設(shè)備接口。

2.1 主通訊接口及模塊確定

首先從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上看，遠程數(shù)據(jù)采集的出口必須借助高可靠的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，用于與遠程主機進行通信。

在主流的無線通訊方式中，基于授權(quán)頻率的無線網(wǎng)絡(luò)具備較好的可靠性和通用性。可選對象主要包括國內(nèi)主要電信運營商的5G/4G/3G/2G（GPRS）網(wǎng)絡(luò)，其中5G網(wǎng)絡(luò)也包括最新的窄帶通訊的NB-IOT網(wǎng)絡(luò)，主要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均可以用于因特網(wǎng)入口[2]。

考察現(xiàn)場周邊地形和基站布置情況（圖2），箱變安裝位置開闊，發(fā)現(xiàn)距離本箱變西南方800 m處有一個中國移動基站，距離箱變正北方2.5 km處有一個中國電信基站，基于可靠性和信號強度的考慮，優(yōu)選距離較近的中國移動的無線通訊網(wǎng)絡(luò)。在800 m距離上，基站很難支持速度稍高的應(yīng)用，而對于普通工業(yè)應(yīng)用而言，只需穩(wěn)定保持數(shù)10 kb/s的速率即可。現(xiàn)場隨機測量移動4G信號通訊速率在100～500 kb/s，偶有速率不穩(wěn)定，不過其2G速率很穩(wěn)定，可以長期穩(wěn)定維持在10 kb/s左右，說明基站2G信號強，可以用于穩(wěn)定通訊。由于本區(qū)域是偏遠丘陵地區(qū)，基站數(shù)量稀少，不考慮采用以高速見長的5 G路由器作為主通訊，另由于NB-IOT窄帶通訊開發(fā)門檻和使用門檻均較高，本次不考慮采用該技術(shù)。最終確定配置一臺4G/3G/2G工業(yè)路由器作為主通訊模塊，該模塊可以將箱變內(nèi)以太網(wǎng)接入移動運行商通訊網(wǎng)絡(luò)，進而接入互聯(lián)網(wǎng)，而其他所有通訊設(shè)備必須通過路由器接入互聯(lián)網(wǎng)。

圖2 箱變運行周邊環(huán)境

2.2 子通訊接口確定

（1）本場景中，一共有4臺采用RS485接口的設(shè)備。僅需一對雙絞線就可在485總線上掛載多臺設(shè)備，通訊可靠性較高。考慮到原設(shè)備已經(jīng)有數(shù)臺采用RS485接口的設(shè)備，因此確定后續(xù)的溫度計C1、C2、C3均采用RS485接口，與原有設(shè)備共用總線接口。

（2）在子設(shè)備中，4套設(shè)備F1、F2、F3、G因為無法利用箱變電源，不得不采用無線數(shù)據(jù)采集方案，而且F3還遠在距離箱變10 m之外。基于該實際情況，應(yīng)選用低功耗的無線數(shù)據(jù)采集方案。

基于免費頻段的無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)包括WiFi、Zigbee、藍牙、lora，都具備較好的無線傳輸性能。但是在短距離、低速率、低功耗無線通訊場景中，Zigbee、藍牙、lora均有較優(yōu)秀的性能。在本場景中，相較于其他通訊設(shè)備，Zigbee通訊設(shè)備的綜合性能要更好一些，一個Zigbee模塊在普通電池支持下可以使用2年之久，用于普通數(shù)據(jù)采集已經(jīng)夠用。

本方案最終選擇了4臺內(nèi)置Zigbee通訊模塊的傳感器F1、F2、F3、G，用于無線數(shù)據(jù)采集。但Zigbee網(wǎng)絡(luò)無法直接將數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)，需要借助其他網(wǎng)關(guān)設(shè)備建立起同外部互聯(lián)網(wǎng)的連接通道。因此需要另外配置一臺網(wǎng)關(guān)，將Zigbee接口采集的數(shù)據(jù)上傳[3]。本案采用一臺具備WiFi通訊功能的Zigbee網(wǎng)關(guān)，將Zigbee傳感器數(shù)據(jù)接入，然后通過WiFi接口與路由器通訊，接入互聯(lián)網(wǎng)，形成完整的數(shù)據(jù)通訊鏈路[4-5]。

（3）關(guān)于設(shè)備H1、H2、H3、H4控制開關(guān)的通訊要求。這4臺設(shè)備一直連接在電源上，具備輔助電源的接入條件，考慮到輔助電源接線的復(fù)雜性，且現(xiàn)場已經(jīng)有Zigbee網(wǎng)關(guān)、并有WiFi網(wǎng)絡(luò)可用，因此考慮采用Zigbee接口或者WiFi接口控制開關(guān)。基于通用性的考慮，最終選擇了市場上廣泛應(yīng)用的WiFi接口的控制模塊，該開關(guān)可通過路由器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接⑻鼐W(wǎng)，建立完整的遠程通信鏈路。

（4）關(guān)于電壓、電流、功率A、B、D模塊的數(shù)據(jù)，由于該套設(shè)備本身就有RS485接口，因此考慮通過全網(wǎng)通路由器內(nèi)置的RS485接口轉(zhuǎn)換模塊，與上述設(shè)備進行通訊，協(xié)議則采用Modbus RTU協(xié)議[6]。

（5）關(guān)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要遵循的必要的通訊協(xié)議和要求。在選擇好主要設(shè)備后，應(yīng)嚴格梳理相應(yīng)設(shè)備的接口和對應(yīng)接口的參數(shù)、設(shè)備接口通訊頻段、通訊速率。如選定4G/3G/2G路由器時，要確定通訊設(shè)備能運行在移動運行商的GSM/TD-SCDMA/TD-LTE等網(wǎng)絡(luò)制式，路由器的WiFi接口應(yīng)符合標準IEEE802.11b/g/n，通訊協(xié)議應(yīng)具備基本的TCP/IP和其他必要的網(wǎng)際協(xié)議。RS485接口必須符合ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485要求，其通訊協(xié)議必須符合國家標準GB/T 19582-2008基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。相關(guān)要求應(yīng)在設(shè)備確定前予以明確，以免設(shè)備各接口因參數(shù)不匹配而無法接入網(wǎng)絡(luò)[7]。所選定設(shè)備如圖3所示。

圖3 全網(wǎng)通路由器（集成4G/3G/2G、WiFi模塊、以太網(wǎng)接口、串口、GPS模塊）

3 通訊組網(wǎng)搭建

主要設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口、通訊協(xié)議基本確定之后，本案的大致網(wǎng)絡(luò)拓撲圖可以按照如下方式繪制，將通訊鏈路示意圖繪出，如圖4所示。由圖可知，路由器主要負責(zé)箱變內(nèi)與移動基站之間的通訊。路由器的WiFi端口主要負責(zé)同Zigbee網(wǎng)關(guān)和H1、H2、H3、H4共5臺設(shè)備進行通信，而Zigbee網(wǎng)關(guān)主要負責(zé)路由器與無線傳感器F1、F2、F3、G之間的通訊。路由器的以太網(wǎng)接口主要負責(zé)同路由器內(nèi)置的串口服務(wù)器通訊，路由器內(nèi)置串口服務(wù)器主要負責(zé)路由器與RS485接口設(shè)備之間的通訊。

圖4 通訊組網(wǎng)方案網(wǎng)絡(luò)拓撲示意

4 實際運行情況與改進

根據(jù)組網(wǎng)拓撲圖進行組網(wǎng)后，對實際設(shè)備的通訊效率進行可靠性測試。通訊效率最關(guān)鍵的是響應(yīng)速度和丟包率，在本案中，由于遠程數(shù)據(jù)采集對傳輸速率并不敏感，但是對丟包率有一定的要求，丟包太多將嚴重影響數(shù)據(jù)采集的有效性。而且多接口采集的數(shù)據(jù)如果不能做到同期采集，采集的數(shù)據(jù)有效性也會大大降低。

在設(shè)備組網(wǎng)完成后，對RS485總線上的設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)丟包率較高，在外部網(wǎng)絡(luò)良好的條件下，不同時段的丟包率在4%～10%，大量數(shù)據(jù)丟失不利于后期應(yīng)用，因此須對相關(guān)環(huán)節(jié)進行調(diào)整，以提高數(shù)據(jù)通訊準確率。經(jīng)分析，在基于低速移動通訊的無線數(shù)據(jù)采集中，系統(tǒng)延遲一般在1 500～2 500 ms或更高，遠低于4G/5G/WiFi通訊場景，考慮到需要采集的數(shù)據(jù)對時鐘同步要求并不高，因此該采樣延時即便是達到數(shù)秒也對數(shù)據(jù)采集工作沒有實質(zhì)性影響。基于上述分析，后續(xù)在采樣時增加系統(tǒng)延時許可，允許延時設(shè)置為3 500 ms[8]。后續(xù)對相關(guān)數(shù)據(jù)采集準確率進行統(tǒng)計，表2所示為近半年的實際采集的數(shù)據(jù)準確率統(tǒng)計表。由表可知，除8月份因人為原因服務(wù)器停機造成明顯的數(shù)據(jù)遺失外，其他各月份數(shù)據(jù)采集的準確率都較高，均超過90%，預(yù)計中長期的數(shù)據(jù)準確率應(yīng)可超過98%，已經(jīng)能完全滿足相關(guān)數(shù)據(jù)分析要求。另外本系統(tǒng)其他模塊在實際運行中均能正常通訊并保持。說明本系統(tǒng)能維持正常的遠程通訊功能。

表2 近半年實際采集的數(shù)據(jù)準確率統(tǒng)計

值得一提的是，為了便于提高設(shè)備維護效率，該系統(tǒng)采用了先進的P2P通訊技術(shù)。借助先進的云平臺管理技術(shù)，使用戶可以方便地對上述設(shè)備進行遠程維護和管理[9]。實際運行中，通過ID與設(shè)備綁定的方式，可以在全國各地訪問自己的設(shè)備，并配置設(shè)備的運行參數(shù)，進行必要的維護，如圖5所示。設(shè)備的易用性和可維護性遠高于傳統(tǒng)的電力通訊設(shè)備。從是否采用P2P技術(shù)來看，本項目中的遠程通訊設(shè)備與傳統(tǒng)的GPRS/3G/4G遠程數(shù)據(jù)終端有著本質(zhì)的區(qū)別[10]。

圖5 云平臺展示的遠程通訊裝置的在線運行狀態(tài)及近期通訊狀態(tài)統(tǒng)計

5 結(jié)束語

本文基于對風(fēng)電用箱變設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)測、科學(xué)研究和遠程控制的基本需要，從理論構(gòu)想到實際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，再到產(chǎn)品安裝和組網(wǎng)調(diào)試，通過最新的物聯(lián)網(wǎng)軟硬件管理技術(shù)的應(yīng)用，完成復(fù)雜電力設(shè)備的組網(wǎng)，并投入實際運行，并在投運后取得了預(yù)期效果。相關(guān)項目具有理論規(guī)劃充分、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、實用性強、搭建速度快等特點，且采用了先進的P2P云平臺通訊管理技術(shù)。隨著新能源行業(yè)內(nèi)對風(fēng)電及光伏箱變設(shè)備管理要求提升，風(fēng)電及光伏箱變設(shè)備遠程通訊和智能化管理的多元化需求會日益增強，本文對箱變設(shè)備的遠程通訊和智能化管理有著重要參考意義。