基于无线通信的二次交流回路无线遥测系统的开发

2015-05-06桂小智王冠南谢国强

江西电力 2015年5期

桂小智，万勇，王冠南，谢国强，邹进

（国网江西省电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 引言

变电站新设备或者在正式投运前必须经过一系列的试验。为了使二次设备能安全可靠地实现对一次设备的保护，按照DL/T995-2006继电保护和电网安全自动装置检验规程的要求，二次设备新安装或者设备回路有较大变动时，在投入运行前必须利用工作电压、一次负荷电流验证测量电压、电流的幅值及相位关系，进而检验电压、电流二次回路接线的正确性，即对保护装置开展核相、带负荷校保护试验。

目前变电站二次设备新投运前开展核相和带负荷校保护试验是利用万用表、相位表开展的，即利用老设备电压UA、UB、UC为基准电压，通过试验线把基准电压引至新投运设备旁与新带电设备电压进行比较；带负荷校保护的方法是以UA为基准，利用相位表查看新设备电流回路相序是否为正序，并且查看电流互感器的极性是否正确。若基准电压与新投运设备之间距离较远，在试验过程中则必须用较长的试验线，使用很不方便，且具有一定的危险性。特别是在智能变电站中，由于智能汇控柜设置在升压站，在对合并单元进行核相与带负荷校保护试验时，由于各个设备之间的距离比较远，试验过程中的试验导线，必定会给整个送电调试带来很大的安全隐患与风险。

随着无线通信技术的发展及其传输数据的便捷性，在很多环境恶劣、现场危险、噪音干扰大、工作人员不宜停留的地方采用无线通信的方式进行各种物理参数的检测也越来越引起人们的关注。因此，本文提出一种基于无线通信的便携式变电站二次交流回路无线遥测系统的设计方案，依此方案实现了该遥测系统，并将此系统应用于实际变电站，验证了该系统的可靠性。

1 设计方案

1.1 系统通信方式

为了解决目前常规变电站和智能变电站送电调试过程中有线核相、保护所带来的安全隐患，本文设计了一种基于无线通信的便携式变电站二次交流回路无线遥测系统。系统的通信设计架构如图1所示。

图1 全双工通信方式

系统包含2台一模一样的采用全双工（full-duplex）通信的A、B设备组成。系统允许A、B二台设备间同时利用无线通信模块进行双向数据传输，在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器。全双工主要有2种形式：分别为时分双工（时间分隔多工）和频分双工，在该便携式变电站二次交流回路无线遥测系统中，由于要使接收和传送数据同步，因此本系统采用频分双工的形式，同时引入同步机制使A设备的传送和B设备的接收同步。

图2 设备原理结构

1.2 系统采集回路设计

系统中的每台设备原理结构如图2所示，包含信号调理电路、A/D采样模块、数据处理模块、同步对时模块、无线通信模块组成。图中，被测的三相交流电压Ua、Ub、Uc和三相交流电流Ia、Ib、Ic依次接入系统内部的三路小PT和三路小CT。由于A／D转换器采集电压信号范围0～3.3 V，而互感器检测到的信号输入电压一方面不在此范围内，另一方面，输入信号很容易被其他信号干扰，因此必须加入信号调理电路对信号进行适当衰减、偏置、放大等预处理。信号采集电路应满足如下基本要求：①高输入阻抗。以减轻信号源的负载效应和抑制传输网络电阻不对称引人的误差；②高共模抑制比。以抑制各种共模干扰引人的误差；③良好的动态性能。根据此要求，设计的信号采集电路如图3所示。

图3 信号调理电路

对所采集的电流电压信号进行隔离和信号调理，使外部输入模拟信号调整到A／D采样模块识别的电压范围内后，A／D采样模块通过内部的多路选择开关选择两路信号分别进入两路模、数转换器AD7689的A／D转换部分，转换结果由AD7689送入信号处理模块。

1.3 数据处理模块

信号处理模块采用TMS320VC5416DSP信号处理器，DSP芯片选择主要依据：处理器运算速度、片内存储器的大小、外围硬件资源以及开发工具的难易程度。TI的TMS320VC54XX系列定点DSP广泛应用于数字通信设备当中，并且有着丰富的通信接口如：可复用通用输入输出口（GPIO）、多通道缓冲串口（MeBSP）、并口等。

本系统采用德州仪器公司的TMS320VC5416定点DSP作为数字基带信号处理部分的核心CPU。它具有以下主要性能特点：

1）采用了先进的多总线技术，围绕1组程序总线、3组数据总线建立的改进型哈佛结构，使得性能和多功能性得以提高；

2）供电方式：CPU内核1.5 V单电源供电，I/O引脚3 V单电源供电；

3）最高处理速度为160 MSPS；

4）片内存储器：16 K的片内ROM和128 KB的RAM；

5）软件可编程等待状态发生器：能把外部总线周期扩展，以适应较慢的片外存储器和I/O设备，它不需要任何外部硬件，只由软件完成；

6）时钟发生器：时钟发生器由一个内部振荡器和一个锁相环电路组成。它可以由内部的晶振或外部的时钟源驱动，锁相环电路能使时钟源乘以一个特定的系数，来得到一个比内部CPU时钟低的时钟源；

在接收到采样数据之后，一方面利用时间同步系统所提供的基准时钟，对所采样的数据进行时间的标刻，并对所采得的数据以A相电压为基准，进行相位和幅值的测量和计算；另一方面，DSP系统又将所采的数据通过通过无线发射接收模块发送到对侧，且通过该模块接收对侧传送过来的数据，并对数据按照本侧数据一样，以A相电压为基准，进行相位和幅值的测量和计算。

1.4 无线通信系统的设计

系统中采用全双工（full-duplex）通信的A、B设备的通信是利用RF无线收发芯片完成的。无线收发模块采用的是NRF2401射频芯片，NRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。其基本特性包括：

1）全球开放的2.4 GHz频段，125个频道，满足多点通信及跳频的需要；

2）高速率1 Mbps，具有高数据吞吐量；

3）外围元件只需一个晶振和一个电阻，芯片能耗非常低；

4）发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成；

5）芯片内部设置了专门的稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果；

6）通过软件设置最多40 bit地址，只有收到本机地址时才会输出数据，编程方便；

7）内置了CRC检错硬件电路和协议；

8）所有高频元件振荡器等全部集成在芯片内部，性能稳定不受外界影响。

2 工作原理

设电压第k次谐波的实部和虚部分别为R（CU p[k]）和IC（U p[k]）；电流第k次谐波的实部和虚部分别为RC（I p[k]）和IC（I p[k]），则电流电压基波幅值和初相位分别为：

3 试验及结果分析

为了验证设计系统的正确性和有效性，本文以常规数字式继电保护测试仪输出的电流和电压为源，输出的电流电压相角都以A相电压为基准。

表1 单台测试仪电压测量精度

表2 单台测试仪电流测量精度

表1、2分别为单台测试仪电压和电流的测量精度。根据《DL/T 478—2013继电保护和安全自动装置通用技术条件》的要求，准确度按照连续五次测量中最大相对误差或绝对误差表示。其要求如下：交流电流在0.05IN~20IN范围内，相对误差不大于2.5%或绝对误差不大于0.01IN；或者交流电流在0.1IN~40IN范围内，相对误差不大于2.5%或绝对误差不大于0.02IN。当交流电压在0.01UN~1.5UN范围内，相对误差不大于2.5%或绝对误差不大于0.002UN。由表2数据显示，该测试系统测量精度满足相关标准要求。

3.2 本对侧联调校验

利用该无线遥测系统对表3继电保护测试仪同时输出的电压电流开展联调测试校验，其中核相联调校验结果如表4所示，带负荷联调校验如表5所示。核相联调校验以本侧UA1、UB1、UC1为基准电压，带负荷联调试验电流相角以本侧电压UA1为基准。由表4、5测试结果表明，该基于无线通信的便携式变电站二次交流回路无线遥测系统测试准确，满足相关标准规范的要求。