王 敏，刘中泽，杨 瑞，朱何荣

(南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

微机五防系统在变电站电气操作防误中发挥着不可或缺的作用。风电场一般参照常规变电站在升压站内配置离线式微机五防系统，部分风电场在升压站五防系统内集成了单独的风机防误功能，增加了对风机、箱变等发电设备的防误管控，主要包含防误主机、电脑钥匙、传输底座、机械编码锁、电气编码锁等各类锁具及闭锁附件，电脑钥匙采用串口、红外等方式与传输底座通信。

离线式微机五防系统主要存在以下问题。

(1) 网门、地线等离线辅助设备状态，往往都是通过机械锁具进行防误，没有纳入变电站自动化系统的监视范围，操作完成后通常电脑钥匙回传时才能更新状态。

(2) 电脑钥匙离开传输底座后也处于离线状态，当电脑钥匙操作打开锁具后即认为当前设备操作完毕，而不是根据自动化系统采集的开关、刀闸设备辅助接点信息确认一次设备是否已经到位，即存在走空程问题，设备就地操作后无法实时监视操作是否到位，后续操作条件不满足时，继续操作可能引发事故甚至人身伤害。

(3) 离线设备操作时操作步骤的回传、操作票下装以及远方/就地权限的切换，需要频繁往返于监控室与操作场地之间，相对于集中布置的变电站而言，风电场各个风机布置分散且远离升压站，频繁往返于升压站与风机之间势必浪费大量的操作时间，影响操作及检修作业效率。

目前，主流的无线传输技术主要有ZigBee，NB-IoT， LoRa等。

(1) ZigBee技术应用较早，具有自组网能力，且功耗较低，在在线监测等领域得到了较广泛的应用，但存在传输距离短、穿透能力弱、需大量布点的缺点，使其应用范围受到了制约。

(2) NB-IoT依赖于运营商网络，不适用于风电场等偏僻环境中。

(3) LoRa技术传输距离远(1～2 km)，且功耗更低，因此，基于LoRa技术构建风电场在线式微机五防系统，具有一定的可行性和工程实用价值。

针对风电场五防系统设备离线带来的一系列问题，在风电场现有微机五防系统的基础上增加LoRa无线传输功能，实现电脑钥匙实时通信回传和网门、地线等离线设备状态的在线监测，完善防误校验过程，避免操作往返，有效提高操作安全性和时效性。

1 系统架构

风电场在线式微机五防系统整体架构如图1所示，新增部分见图1右侧虚线框部分，包括正/反向隔离装置、网关、基站等网络设备。

图1 在线式微机五防系统架构

(1) 正/反向隔离装置用于安全区Ⅰ与安全区Ⅳ之间网络报文的单向数据交互，保证边界安全。

(2) 升压站网关通过LoRa无线下发操作票等信息至电脑钥匙，同时接收电脑钥匙操作过程信息转换为标准E文件，由反向隔离装置传递至防误主机，从而实现电脑钥匙离线后的实时通信。

(3) 网关与各个基站之间采用单独光纤以太网环网结构，保证防误主机与电脑钥匙通信交互的及时性、可靠性和稳定性。

2 实现方案

2.1 无线组网及数据处理

风机之间间距较远，加之无线基站发射功率有限，故在升压站及每台风机下各布置了一台无线基站，实现关键区域LoRa网络覆盖。各无线基站接入UPS电源，保证风机停机时仍可正常操作。

防误主机与传输底座、网关采用客户端/服务器建立通信连接，传输底座、网关作为服务器端；网关与各个基站之间通过采用客户端/服务器建立通信连接。

防误主机需要启动五防操作票等业务数据传输时，一并向传输底座和网关下发电脑钥匙状态查询报文，电脑钥匙接收后从所接收通信端口返回查询结果。

若防误主机收到传输底座返回的网络报文，则认为电脑钥匙当前安放于传输底座，选择传输底座进行业务数据传输；若收到(网关生成后)反向隔离装置上传的E文件，认为电脑钥匙离开传输底座，选择无线网络作为后续业务数据传输路径。

升压站网关及各个基站从以下几个方面对收发的数据进行管控。

(1) 防误主机下发电脑钥匙状态查询报文时，由网关控制各个基站分批广播该查询命令，选取电脑钥匙所在(靠近)的基站，后续的业务数据由网关直接以太网点对点传输到该基站进行无线发送。

(2) 各个基站接收到电脑钥匙上传的操作过程信息时，通过以太网转发至网关，由网关进行去重处理后转换为E文件。

(3) 基站、电脑钥匙发送无线报文前先监听当前信道是否有空中数据。若收到数据，则按指数避退原则等待，直至信道空闲，防止影响正在传输的空中数据。

(4) 丢弃接收到的不符合无线传输协议要求或校验不通过的异常报文，业务数据发送方未及时收到回复启动重传。

2.2 电脑钥匙设计

在常规离线式电脑钥匙基础上增配LoRa通信模块，主CPU通过高速串口与LoRa通信模块交互实现业务数据的无线收发。此外，还可通过该串口对LoRa通信信道、扩频因子、发射功率等关键参数进行灵活配置，满足不同网络条件下的通信可靠性要求。

2.3 规约设计

考虑到风电场存在监控五防一体化的情形，即监控系统主备机都可通过配置启用防误软件作为防误主机使用，设计数据帧结构(见表1)，满足多(防误主机)对多(终端设备，如电脑钥匙等)通信要求。

表1 防误主机与电脑钥匙交互数据帧 单位：B

(1) 网关接收到某一台防误主机的业务数据报文(下行报文)时，将该帧报文中的源地址与该防误主机IP地址进行绑定。

(2) 当网关接收到基站转发的电脑钥匙报文(上行报文)时，则根据电脑钥匙报文中目的地址(即下行报文的源地址)查询对应防误主机IP地址，生成E文件到以防误主机IP地址命名的目录，由反向隔离装置传送至对应的防误主机。

通过网关、基站等网络设备配合正/反向隔离设备提供信息交互通道，实现防误主机与电脑钥匙之间透明的信息交互，如图2所示。

图2 防误主机与电脑钥匙交互图示

2.4 实时防误检验

电脑钥匙就地操作时的校验交互流程如图3所示，操作票每步操作后均通过无线及时回传，通知防误主机同步当前操作状态信息，结合开关、刀闸设备辅助接点等信息核实操作是否到位，到位则发送继续操作指令给电脑钥匙，允许进行下一步操作；否则，应等待设备到位或排除故障后才能继续操作。

图3 电脑钥匙就地操作校验流程

通过防误主机与电脑钥匙实时在线交互，同步离线设备状态信息，验证设备操作是否到位，防止“走空程”发生；同时，对操作过程中因运行方式变化导致当前操作条件不满足的情况，也可及时闭锁电脑钥匙当前操作，防止误操作造成危险。

3 设计方案验证

按照图1所示架构配置，基于LoRa无线通信构建在线式微机五防系统，设置反向隔离装置发送端软件扫描周期为1 s。进行以下测试，验证所设计系统功能和性能是否满足现场使用要求。

3.1 典型五防报文延时测试

选取风电场微机五防系统典型的4种报文进行操作验证，步骤如下。

(1) 电脑钥匙查询报文。单帧，共11 B，用于检测通信链路是否正常，电脑钥匙是否开机等。

(2) 操作票1。单帧，共150 B，包含10项操作任务。

(3) 操作票2。单帧，共550 B，包含50项操作任务。

(4) 锁具信息。5帧，共4 617 B，包括全风电场设备锁具、附件配置情况、编码信息等。

按照电脑钥匙有线(放置于传输底座)和无线(离开传输底座)通信分别测试上述报文交互的操作耗时。有线通信方式下，记防误主机发出报文到收到电脑钥匙回复报文时间之差为T1；无线通信方式下，记防误主机发出报文到电脑钥匙发出无线回复报文时间之差为T2；记防误主机发出报文到防误主机收到反向隔离装置发送的E文件时间之差为T3。重复10次测试，平均耗时见表2。

表2 典型报文操作耗时 单位：s

由表2可知，采用LoRa无线通信方式时，典型报文通信总耗时相比有线通信有所增加，主要是增加了LoRa空中数据发送过程和正/反向隔离传输环节(T3—T1)。对现场手持电脑钥匙的操作者来说，操作等待延时更短，增加的时间(T2—T1)相比往返操作现场与升压站的路途耗时则可忽略。

锁库传送因报文分为5帧，单帧报文较长，增加了空中发送时间，加之需要透过正/反向隔离装置逐帧传送和确认，故增加的时间较多，但锁库报文主要在调试过程中使用，日常操作不涉及，影响也可接受。

3.2 实时操作防误验证

防误主机生成10步操作票，下载至电脑钥匙，按照就地操作—电脑钥匙实时回传—防误主机允许下一步操作顺序，测试操作步骤1～4实时防误交互延时，测试结果显示，电脑钥匙就地操作到允许下一步的时间约3 s，一般不超过现场操作人员确认设备到位时间，即增加实时交互确认不影响现场操作的连续性，同时能够提高电脑钥匙就地操作的安全性。

4 结束语

实际应用证明，该风电场在线式五防系统满足升压站和风电场操作实时防误要求，避免了操作往返，有效提高了检修操作效率和安全性。