高 強(qiáng)，原 峰，李在林，劉 齊，代繼成，潘豐厚，張?jiān)迫A，潘加玉

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽 110006；2.沈陽科開電力技術(shù)有限公司，沈陽 110179）

0 引言

隨著金屬氧化物避雷器（MOA）在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)能否安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。MOA在運(yùn)行過程中，由于密封不良、電應(yīng)力劣化等問題，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部受潮、電阻片老化、電氣性能變差等問題，從而使MOA阻性電流、全電流增大，MOA內(nèi)部溫度升高等，造成MOA防雷性能變差、熱擊穿等情況[1-2]，因此可以通過對(duì)MOA阻性電流的測量來反應(yīng)MOA運(yùn)行的狀況。目前常用的MOA阻性電流測量方法多是采用有線連接方式，將MOA的泄漏電流和電壓互感器的電壓，通過傳感器采集傳送到數(shù)據(jù)集中處理設(shè)備，通過數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行計(jì)算和分析等工作[3-6]。經(jīng)多年的現(xiàn)場應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)，這種測量方式雖然能夠基本滿足測量精度等要求，但是由于在現(xiàn)場布設(shè)電纜，就會(huì)增加了現(xiàn)場測試人員的工作量和不安全因素。普通的無線測量方法能簡化現(xiàn)場布線的復(fù)雜度，操作簡便，但是由于現(xiàn)場抗干擾能力不足，存在同步效果差或測量不穩(wěn)定等問題[7]。針對(duì)上述存在的問題，本文基于變電站內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用的LoRa網(wǎng)絡(luò)[8]、高空速無線個(gè)域網(wǎng)的研究成果，設(shè)計(jì)出一種新型的基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的MOA阻性電流同步測量系統(tǒng)。通過不同頻段的無線通信構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，分別組成阻性電流測量子系統(tǒng)和全站阻性電流測量系統(tǒng)。解決了現(xiàn)場布線的復(fù)雜性問題，同時(shí)提高了系統(tǒng)的同步效果，提高了測量精度。

1 基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的MOA阻性電流測量方法

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)絡(luò)類型，其是由不同制造商生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和系統(tǒng)組成的，為了滿足終端業(yè)務(wù)的多樣性需求，需要將相互重疊的不同類型網(wǎng)絡(luò)融合起來以構(gòu)成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[9-10]。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是具有強(qiáng)大的自適應(yīng)性、高度的自治性、良好的可伸縮性和重構(gòu)性，可以滿足不同用戶在不同通信環(huán)境下的要求。本系統(tǒng)所用的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要是指高空速無線個(gè)域網(wǎng)和LoRa無線網(wǎng)絡(luò)相互融合完成MOA阻性電流在運(yùn)行電壓下的測試工作。其中，LoRa全稱是“Long Rang”，是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的低功耗長距離無線通信技術(shù)，主要面向物聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用于電池供電的無線局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)設(shè)備。

基于上述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合MOA阻性電流測量的實(shí)際問題，本文提出了基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的MOA阻性電流檢測系統(tǒng)[11-14]。該系統(tǒng)最小單元結(jié)構(gòu)見圖1，利用電壓傳感器和電流傳感器分別將同相電壓互感器的二次電壓信號(hào)和同相線路上MOA泄漏電流信號(hào)通過高空速無線個(gè)域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送給異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)。

圖1 單相MOA阻性電流檢測系統(tǒng)Fig.1 Resistance current detection system for single-phase arrester

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)接收到A、B、C三相MOA電壓、電流信號(hào)，并對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得出三相MOA的阻性電流值。該系統(tǒng)既可以作為現(xiàn)場在線監(jiān)測設(shè)備，也可以作為帶電檢測設(shè)備用于變電站巡檢工作中。當(dāng)作為帶電檢測設(shè)備用于現(xiàn)場MOA巡檢的時(shí)候需要使用手持設(shè)備，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)和手持設(shè)備之間通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。當(dāng)作為在線監(jiān)測設(shè)備使用時(shí)，通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)與IED進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 三相MOA阻性電流檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of three phase arrester resistance current detection system

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場手持設(shè)備和IED進(jìn)行通信，主要利用LoRa網(wǎng)絡(luò)的可靠性高、網(wǎng)絡(luò)健壯、遠(yuǎn)距離、低功耗等特性。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有良好的可伸縮性和重構(gòu)性，可以將該系統(tǒng)擴(kuò)展到全站其他MOA或者站內(nèi)設(shè)備的在線監(jiān)測和帶電檢測。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)主要采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層分為高空速無線個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和LoRa無線網(wǎng)絡(luò)層兩部分，通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)的數(shù)據(jù)信息處理轉(zhuǎn)換單元，將處于不同網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，如圖3所示為基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的MOA阻性電流測量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖。高空速無線個(gè)域網(wǎng)作為A、B、C三相MOA電流和電壓的數(shù)據(jù)傳輸層，將采集終端采集到的MOA相關(guān)數(shù)據(jù)上傳異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)，由網(wǎng)關(guān)機(jī)計(jì)算分析后，通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送遞給手持設(shè)備或IED。

圖3 阻性電流測量儀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Network structure block diagram of resistive current measuring instrument

2.1 采集終端的實(shí)現(xiàn)原理

數(shù)據(jù)采集單元分別包括三相電壓采集裝置和三相電流采集裝置，如圖4所示為單相電流或電壓數(shù)據(jù)采集裝置簡化框圖，主要包括電流和電壓傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、中央處理器單元、高空速無線個(gè)域網(wǎng)。電流傳感器測量MOA的泄漏電流，電壓傳感器測量電壓互感器二次側(cè)的電壓；中央處理器集成有DSP內(nèi)核，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速計(jì)算和分析；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采用的是16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，輔以可調(diào)放大器，能夠根據(jù)信號(hào)的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；高空速無線個(gè)域網(wǎng)采用2.4G無線模塊進(jìn)行通信，具有通訊速率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 數(shù)據(jù)采集裝置簡化框圖Fig.4 Simplified block diagram of data acquisition device

2.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)主要包括高空速無線個(gè)域網(wǎng)、中央處理器、LoRa無線網(wǎng)絡(luò)、非易失存儲(chǔ)器等，見圖5。LoRa無線網(wǎng)絡(luò)具有遠(yuǎn)距離無線傳輸、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性，為MOA現(xiàn)場測量提供了很大的便利性，用于和IED或者手持裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖5 數(shù)據(jù)采集裝置簡化框圖Fig.5 Simplified block diagram of data acquisition device

2.3 手持終端的實(shí)現(xiàn)原理

手持終端主要包括LoRa無線網(wǎng)絡(luò)、中央處理器、LCD液晶屏和非易失存儲(chǔ)器。中央處理器采用基于ARM Cortex-A9內(nèi)核的900 M工業(yè)級(jí)微處理器AM3359，內(nèi)部運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，鍵盤和大尺寸LCD液晶顯示屏提供良好的人機(jī)交互功能，方便MOA阻性電流的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。手持終端裝置圖見圖6。

圖6 手持終端裝置簡化框圖Fig.6 Simplified block diagram of handheld terminal device

2.4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)工作流程見圖7。該MOA阻性電流測量系統(tǒng)中，主要包括MOA電壓電流采集裝置、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)、手持裝置/IED 3部分。電流采集裝置測量MOA的阻性電流，電壓采集裝置同步采集電壓互感器的電壓信號(hào)配合計(jì)算電流和電壓相位差。采集器采集完數(shù)據(jù)后，送入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)機(jī)將計(jì)算后的結(jié)果通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳送到手持設(shè)備或IED，完成一次數(shù)據(jù)采集，通信和存儲(chǔ)顯示。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖Fig.7 System workflow diagram

3 系統(tǒng)測試精度驗(yàn)證

首先在實(shí)驗(yàn)室利用三相電流源對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行精度測試，不同全電流值的測量結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)通信測量結(jié)果Table 1 Measurement accuracy of network communication mA

使用該系統(tǒng)在變電站現(xiàn)場對(duì)220 kV MOA三相同時(shí)測量，測量結(jié)果見表2。

表2 現(xiàn)場實(shí)際測量結(jié)果Table 2 Actual measurement in field

4 結(jié)論

適用于避雷器阻性電流測量的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠掌控全站MOA的健康狀況，為全站MOA的安全運(yùn)行提供保障。

采用LoRa無線網(wǎng)絡(luò)、高空速無線個(gè)域網(wǎng)、符合I0規(guī)范的過程層網(wǎng)絡(luò)相融合的方式，不僅解決了傳統(tǒng)MOA阻性電流測量儀現(xiàn)場使用時(shí)需要較長的電纜來布局布線帶來的麻煩和危險(xiǎn)性，還避免了使用單一無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)各個(gè)終端之間相互干擾，同時(shí)降低了系統(tǒng)成本。除此之外，LoRa網(wǎng)絡(luò)還具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，還可以將變電站的其他監(jiān)測設(shè)備融合到該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)里，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全面智能化奠定了基礎(chǔ)。