基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路調試測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn)＊

孫秋芹，汪 沨，馬 勇，劉 洋，周志成

（1．湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2．江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103）

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

現(xiàn)有的測量系統(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．為保證試驗過程中測量人員人身安全，并給測量儀器進行供電，通常將光電隔離器、錄波儀等設備布置于室內，通過電纜將變電站現(xiàn)場電容分壓器低壓側電壓信號、電流互感器二次側電流信號與室內儀器相連［4］．該測量方法異常繁瑣，部分大型變電站，電纜長度可達百米，現(xiàn)場布線工作量大，由于受變電站復雜電磁環(huán)境的影響，在電纜中可能感應出較高的過電壓，影響測量系統(tǒng)安全運行的可靠性［5－8］．

目前，國內外很多研究者將無線測控技術應用于高壓輸變電設備的狀態(tài)監(jiān)測中，例如應用Zigbee，Wi－Fi，Wimax，UWB，藍牙等無線通信方法進行電能計量抄表、高壓開關柜、變壓器運行狀態(tài)監(jiān)測等［9－12］．上述方法各具優(yōu)缺點和應用范圍，例如：Zigbee適用于近距離、低速率、低成本的無線測控和狀態(tài)監(jiān)測．針對輸電線路調試，電壓電流信息采集點通常距離站控室較遠（50～100 m），同時需承受變電站復雜電磁環(huán)境影響等，目前鮮有無線測控技術應用文獻報道．

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

1 測量系統(tǒng)總體結構

基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路調試測量系統(tǒng)結構如圖1所示．

該測量系統(tǒng)由無線中心主站、無線電流采集傳輸節(jié)點、無線電壓采集傳輸節(jié)點組成．其中，無線中心主站面對用戶，負責控制采集傳輸節(jié)點和接收采集傳輸節(jié)點數(shù)據(jù)，同時進行數(shù)據(jù)存儲、波形顯示、數(shù)據(jù)分析、報表自動生成等；無線電壓、無線電流采集傳輸節(jié)點與電容分壓器、電流探頭相連，采集相關數(shù)據(jù)并通過無線模塊將數(shù)據(jù)實時上傳到中心主站．測量過程中，無線電流和無線電壓采集傳輸節(jié)點間使用基于IEEE1588 協(xié)議的時鐘同步模塊進行時間同步．

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

1．1 電容分壓系統(tǒng)

考慮到測量系統(tǒng)的帶寬及測量方案的簡易性，測量過程中，利用變電站電流互感器電容式套管和小型電容器共同構成電容分壓系統(tǒng)，其結構示意圖如圖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)結構示意圖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）為輸電線路一次側電壓，uo（t）為分壓電容器二次側電壓．

為保證測量儀器和試驗人員的安全，電容器輸出電壓信號幅值在100V 內．針對超高壓電流互感器電容式套管，其電容量通常為納法級，綜合考慮，將分壓電容器的值設為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，共同構成電流分流系統(tǒng)，其原理如圖4所示．

圖4 霍爾電流傳感器Fig．4 Hall current sensor

當原邊導線經(jīng)過電流傳感器時，原邊電流Ip產(chǎn)生磁力線，磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內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電壓，通過電子電路將該微小的信號轉變成副邊電流Is，原邊電流Ip與副邊電流Is滿足如下關系式：

式中：Np為原邊線圈匝數(shù)；Ns為副邊線圈匝數(shù)［14］．

2 測量系統(tǒng)硬件設計

2．1 無線電壓、無線電流采集傳輸節(jié)點

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

圖5 采集傳輸節(jié)點結構Fig．5 Schematic diagram of acquisition and transmission node

各模塊結構如下所述．

1）A／D 模塊．無線電壓、無線電流采集傳輸節(jié)點A／D 模塊均采用MAX125 芯片，可以實現(xiàn)多路信號的同步采集．采樣精度設置為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)點采用獨立電源，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，支持點對點和點對多點的網(wǎng)絡通信．由于不采用電纜，可避免空間電磁耦合引入的傳導干擾影響．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10／100 Mb／s網(wǎng)絡IP 接口，通過網(wǎng)線與服務器相連．無線電流、無線電壓采集傳輸節(jié)點分別提供一個10／100 Mb／s網(wǎng)絡IP 接口，與采集控制器相連．無線網(wǎng)橋間實現(xiàn)相互通信．

3）采集控制器．采集控制器實現(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時上傳數(shù)據(jù)到中心主站，本地保存重要數(shù)據(jù)等．本測量系統(tǒng)采集控制器采用ARM 與FPGA 相結合的架構方式．其中，ARM 系統(tǒng)采用Cortex A8處理器，負責與中心主站進行通信，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、時間同步、時間戳標記．

FPGA 獲取A／D 模塊數(shù)據(jù)，通過時鐘同步模塊M50獲得時鐘同步信息，將時間戳標記到每幀數(shù)據(jù)的幀頭，然后將數(shù)據(jù)放入ARM 系統(tǒng)的內存中，由ARM 中運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）時鐘同步模塊．時鐘同步模塊對采集的數(shù)據(jù)進行時間戳標記，以便于多節(jié)點數(shù)據(jù)在中心主站上的同步顯示和分析．本測量系統(tǒng)采用基于IEEE1588協(xié)議的高精度時鐘同步模塊．上述協(xié)議中定義了4種消息Sync，F(xiàn)ollowup，DelayReq 和DelayResp，用來測量前向（主時鐘至從時鐘）和后向（從時鐘至主時鐘）路徑的通信延遲．消息Sync和Followup由主時鐘設備發(fā)送，從時鐘設備負責接收這些消息，并計算主時鐘設備到從時鐘設備的通信路徑延遲，對應產(chǎn)生的同步精度在無線網(wǎng)絡條件下可達微秒級．

時鐘同步源采用GPS，由無線中心主站作為授時主鐘，對各節(jié)點進行時鐘同步．時鐘同步模塊提供精確的秒脈沖、TOD（Time of Day）以及10MHz脈沖波，其硬件結構如圖6所示．

圖6 M50時鐘同步模塊結構Fig．6 Schematic diagram of M50 clock synchronization module

2．2 中心主站

無線中心主站由服務器和客戶機組成，其中：服務器負責處理分布式采集節(jié)點的大數(shù)據(jù)，包括分布式數(shù)據(jù)接收、對齊、存儲、轉發(fā)等功能．客戶機對服務器、采集節(jié)點進行設置，監(jiān)控采集節(jié)點行為，顯示和分析波形數(shù)據(jù)等．

本測量系統(tǒng)中服務器采用基于X86 平臺的工業(yè)便攜式服務器主機，單核CPU 頻率為2GHz，服務器配備無線通信模塊負責中心主站與采集節(jié)點間的無線通信，采用Unix操作系統(tǒng)；客戶機選用X86 PC機器，采用Windows 7操作系統(tǒng)．

3 測量系統(tǒng)軟件設計

測量系統(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)負責與中心主站通信，接收和執(zhí)行中心主站命令，進行數(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)點軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接受處理中心軟件系統(tǒng)等，進行數(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)結構如圖7所示．

圖7 采集控制端軟件系統(tǒng)結構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)實時向測量系統(tǒng)上傳測量數(shù)據(jù)，每秒傳輸速率約為40k；重要波形緩沖區(qū)本地保存測量數(shù)據(jù)，防止重要數(shù)據(jù)的丟失．本測量系統(tǒng)中，重要波形緩沖區(qū)設置保存10s的試驗數(shù)據(jù)（約400k），在傳輸過程中丟失采樣數(shù)據(jù)時，可在監(jiān)控端向采集控制端發(fā)送命令以獲取細節(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)點上的數(shù)據(jù)采集程序運行在QNX 上，通過Socket API發(fā)送數(shù)據(jù)包到中心主站．數(shù)據(jù)匯總程序運行在Web 服務器上，網(wǎng)絡連接采用Mina庫．中心主站的控制是通過在瀏覽器上輸入URL 來進行在線配置．

1）數(shù)據(jù)采集傳輸節(jié)點設計．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)由采集探頭驅動層和數(shù)據(jù)傳輸層組成．采集探頭驅動層負責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)進行數(shù)據(jù)轉換．

驅動層轉換數(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)之間的同步延長時間，將接收和發(fā)送公用一個緩沖區(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－消費者隊列模型，一邊采集接收數(shù)據(jù)，一邊發(fā)送數(shù)據(jù)．

2）數(shù)據(jù)處理中心設計．數(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)的同步實時數(shù)據(jù)．考慮到200k 數(shù)據(jù)的傳輸對無線帶寬的要求比較高，對傳輸數(shù)據(jù)進行壓縮和異步處理．將原始的200 k數(shù)據(jù)分為兩個通道進行發(fā)送，一個是實時通道，另一個是異步通道．實時通道將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到處理中心節(jié)點用于動態(tài)波形顯示；異步通道將數(shù)據(jù)在后臺下載到數(shù)據(jù)中心中．數(shù)據(jù)采用壓縮且哈希索引的方式進行存儲．數(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 試驗驗證

為驗證調試測量系統(tǒng)的性能，在江蘇電網(wǎng)某500kV 變電站進行了性能測試．試驗線路運行方式如圖9所示．

圖9 試驗線路運行方式示意圖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，輸電線路長度為90km．

試驗過程中，西津渡變斷路器S2處于分閘狀態(tài)，對茅山變斷路器S1進行分合閘操作，測量線路首端的電壓和電流，試驗現(xiàn)場電流互感器如圖10所示．輸電線路調試測量系統(tǒng)如圖11所示．試驗過程中測錄的典型電壓、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 輸電線路調試測量系統(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

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

5 結 論

本文設計了一套基于無線傳輸?shù)妮旊娋€路調試測量系統(tǒng)，由無線中心主站、無線電流采集傳輸節(jié)點、無線電壓采集傳輸節(jié)點組成．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，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．采用2．4GHz頻段高速無線網(wǎng)橋進行數(shù)據(jù)通信，避免了變電站電磁波的干擾影響．基于IEEE1588協(xié)議的時鐘同步模塊實現(xiàn)了多節(jié)點數(shù)據(jù)的時間同步；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量系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、波形顯示、數(shù)據(jù)分析和報表自動生成等功能．在江蘇電網(wǎng)某500kV 變電站進行了性能測試，驗證了測量系統(tǒng)的有效性．

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