葉瀚冰，吳俊飛，于興羽

（國網(wǎng)衢州供電公司，浙江 衢州 324000）

0 引 言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速擴(kuò)大和智能化變電站的建設(shè)，因保護(hù)測控裝置和智能化二次設(shè)備故障導(dǎo)致變電站間隔斷路器無法分閘的情況時有發(fā)生。為避免越級跳閘及事故范圍擴(kuò)大，一般會要求將失去保護(hù)的間隔斷路器拉開。由于此時遙控功能缺失，運(yùn)維人員無法遠(yuǎn)方拉開斷路器，目前只能采取就地分閘的方式。為保證現(xiàn)場人員的人身安全，降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險，需要對目前的處置方式作出改進(jìn)。研發(fā)出一種遙控分閘智能終端，使得在保護(hù)測控裝置或智能化二次設(shè)備失能的情況下，仍然能實(shí)現(xiàn)斷路器的遙控分閘操作。無線遙控分閘智能終端裝置的使用能夠使得上述設(shè)備異常情況得到快速有效的處理。部分學(xué)者對該問題進(jìn)行了相關(guān)研究，研制出了一種基于無線控制方式的斷路器緊急分閘裝置，該裝置通過遠(yuǎn)距離的無線操作實(shí)現(xiàn)裝置的自動操作，設(shè)計了伺服電機(jī)、觸摸式操作面板等[1]。但是該斷路器分閘無線控制終端的響應(yīng)性能較差，分閘請求響應(yīng)速度慢，分閘成功控制率低，無法滿足實(shí)際需求。因此，針對上述方法存在的問題，研究一種新的基于無線通信技術(shù)的斷路器遙控分閘智能終端。

1 智能終端總體架構(gòu)設(shè)計

此次采用模塊式設(shè)計智能終端總體架構(gòu)，主要由輸出端子、電源開關(guān)、電池、充電接口以及主控板等功能模塊組成，具體如圖1所示[2]。

圖1 變電站間隔斷路器分閘智能終端總體架構(gòu)

遠(yuǎn)程開關(guān)控制裝置有多路開關(guān)量接口，設(shè)備內(nèi)置鋰電池供電，電壓為3.7 V，顯示界面實(shí)時顯示電池電量，解決現(xiàn)場電源接線不方便問題[3]。電池組具備電池電壓檢測功能，可監(jiān)測電池組的電壓狀態(tài)，并給出提示。遠(yuǎn)程開關(guān)控制設(shè)備具備獨(dú)立的控制主板，控制主板具備邏輯控制功能，可根據(jù)外部命令實(shí)現(xiàn)對開關(guān)量的邏輯控制及開關(guān)狀態(tài)的讀取上送。

遠(yuǎn)程開關(guān)控制設(shè)備內(nèi)置4G/5G通信模塊以及工業(yè)級5G全網(wǎng)通模塊，支持4G全網(wǎng)通，遠(yuǎn)程控制16路空接點(diǎn)輸出，交流接點(diǎn)的電壓為220 V，電流為0.5 A；直流接點(diǎn)的電壓為220 V，電流為0.2 A，并且設(shè)置一個網(wǎng)口，廣域網(wǎng)（Wide Area Network，WAN）/局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）自適應(yīng)。通信模塊與外部網(wǎng)絡(luò)通信，當(dāng)設(shè)備上電后，通信模塊自動與設(shè)定的云服務(wù)器端連接，并上送設(shè)備ID信息和設(shè)備狀態(tài)信號。移動終端App通過云服務(wù)器端與通信模塊通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)控制設(shè)備的控制應(yīng)用。

2 智能終端界面設(shè)計

根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計智能終端顯示界面，主要包括液晶屏、網(wǎng)口、充電接口、儀器開關(guān)、無線天線以及開關(guān)量端子，具體如圖2所示[4]。

圖2 智能終端顯示界面

液晶屏顯示設(shè)備電池的電流，對電池電壓進(jìn)行監(jiān)測；以太網(wǎng)口用于連接攝像頭設(shè)備，對攝像頭提供網(wǎng)絡(luò)；充電接口對設(shè)備進(jìn)行充電，具有快速充電、電量達(dá)到滿電狀態(tài)自動斷開的功能；電源開關(guān)的作用是控制電源是否供電，其實(shí)現(xiàn)的功能為打開或者關(guān)閉設(shè)備；天線的作用是連接手機(jī)終端（ipad）與設(shè)備，從而通過無線通信技術(shù)達(dá)到遠(yuǎn)程控制設(shè)備的目的；開關(guān)量端子與被控制端進(jìn)行相連，遠(yuǎn)程控制開關(guān)量信號的分合。

3 基于無線通信技術(shù)的遠(yuǎn)程遙控

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控裝置采用芯片組PT2262/PT2272進(jìn)行編解碼，與無線發(fā)射模塊HS101連接構(gòu)成無線遙控裝置，但是該裝置無線通信數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計較差，并且地址域占用字節(jié)較大[4]。此次采用5G無線通信技術(shù)設(shè)計斷路器遙控分閘智能終端的遠(yuǎn)程遙控模塊，該功能模塊的遠(yuǎn)程遙控指令主要通過無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳輸，解決了傳統(tǒng)裝置存在的問題，并且具有響應(yīng)速度快、可以與手機(jī)移動端直接相連等優(yōu)點(diǎn)?；跓o線通信技術(shù)的遠(yuǎn)程遙控示意如圖3所示。

圖3 基于無線通信技術(shù)的遠(yuǎn)程遙控

如圖3所示，通過無線網(wǎng)絡(luò)將云服務(wù)器與手機(jī)移動端和遠(yuǎn)程開關(guān)控制裝置連接，利用無線通信協(xié)議傳輸遠(yuǎn)程遙控指令[5]。無線通信數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計為8 bits地址域、8 bits功能碼、N×8 bits數(shù)據(jù)域、16 bits校驗(yàn)碼[6]。地址域占用一個字節(jié)，用于表示斷路器分閘控制器名稱，在斷路器分閘指令無線通信過程中，發(fā)送的每2個數(shù)據(jù)包之間有5個字符時間停頓間隔[7]。斷路器遙控分閘智能終端置于間隔斷路器旁邊，與斷路器控制回路連接，手機(jī)移動端通過無線方式遠(yuǎn)程控制分閘智能終端的開關(guān)量斷開或閉合[8]。斷路器遙控分閘智能終端網(wǎng)口與監(jiān)控設(shè)備連接，手機(jī)移動端通過監(jiān)控軟件對斷路器一次設(shè)備分合狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視，以此實(shí)現(xiàn)基于無線通信技術(shù)的斷路器遙控分閘智能終端設(shè)計。

4 實(shí)驗(yàn)論證

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及過程

為了檢驗(yàn)本次設(shè)計的基于無線通信技術(shù)的斷路器遙控分閘智能終端的適應(yīng)性與可行性，選擇某變電站為研究對象。該變電站的電壓等級為110 kV，內(nèi)橋接線，全站110 kV及10 kV斷路器共38臺，利用此次設(shè)計的智能終端對該變電站間隔斷路器進(jìn)行分閘遠(yuǎn)程遙控，并選擇文獻(xiàn)[1]的終端作為對比方法。為了便于書寫和分析，以傳統(tǒng)終端命名文獻(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了1臺服務(wù)器以及1臺iPad，由5G網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)絡(luò)，將智能終端與通信網(wǎng)絡(luò)連接，接收和發(fā)送分閘指令，以下對智能終端響應(yīng)性能與分閘精度進(jìn)行測試。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

響應(yīng)性能是斷路器遙控分閘智能終端的關(guān)鍵性能，正常情況下要求智能終端分閘服務(wù)響應(yīng)時間不得超過3.5 s，響應(yīng)時間越長，終端的分閘效果越差，因此實(shí)驗(yàn)首先對智能終端響應(yīng)性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)分為8組，每組實(shí)驗(yàn)由用戶通過終端操控界面發(fā)送分閘服務(wù)指令，利用khd軟件測量到分閘指令響應(yīng)時間，并使用電子表格對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，具體如表1所示。

表1 不同終端分閘服務(wù)響應(yīng)時間對比 單位：s

從表1可以看出，本次設(shè)計的終端分閘服務(wù)響應(yīng)時間較短，分閘速度較快，最短響應(yīng)時間為0.06 s，最長響應(yīng)時間為0.26 s，平均響應(yīng)時間約為0.16 s，可以將變電站間隔斷路器分閘響應(yīng)時間控制在1 s以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對變電站間隔斷路器實(shí)時分閘遙控；而傳統(tǒng)終端對于變電站間隔斷路器分閘遠(yuǎn)程智能遙控的響應(yīng)時間相對比較長，響應(yīng)速度較慢，最短響應(yīng)時間為4.14 s，最長響應(yīng)時間為5.58 s，平均響應(yīng)時間約為5.23 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計終端的時間，因此說明在響應(yīng)性能方面設(shè)計終端優(yōu)于傳統(tǒng)終端。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計終端的適應(yīng)性，測試不同終端的分閘精度，實(shí)驗(yàn)以斷路器分閘遠(yuǎn)程遙控距離為變量，以100 m為基數(shù)，針對各個斷路器，不同終端分別遠(yuǎn)程遙控分閘100次，記錄不同距離斷路器分閘指令執(zhí)行情況。以可靠控制成功率作為檢驗(yàn)終端控制精度的指標(biāo)，可靠控制成功率越高表示斷路器分閘遠(yuǎn)程控制精度越高，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同終端分閘可靠控制成功率對比

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計的斷路器遙控分閘智能終端的可靠控制成功率不受距離因素的影響，在遙控距離100～500 m的分組實(shí)驗(yàn)中，斷路器分支指令執(zhí)行率均超過99%，可以實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程分閘遙控指令的有效執(zhí)行，其分閘控制仍具備可靠性；而傳統(tǒng)終端分閘可靠控制的成功率相對較低，并且受遙控距離因素影響明顯，在遠(yuǎn)程遙控距離為500 m時，傳統(tǒng)終端的分閘可靠控制成功率僅為81%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計終端。這是因?yàn)楸疚脑O(shè)計的基于無線通信技術(shù)的斷路器遙控分閘智能終端采用了無線通信技術(shù)，通過該技術(shù)遠(yuǎn)程控制設(shè)備的斷開或閉合狀態(tài)，在設(shè)計中設(shè)計了相應(yīng)的無線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高精度、高效率傳輸，保證了遠(yuǎn)程控制指令的傳輸質(zhì)量，使分閘智能終端能夠準(zhǔn)確接收到遠(yuǎn)程遙控分閘指令。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，無論是在響應(yīng)性能方面還是分閘精度方面，該設(shè)計終端均體現(xiàn)出了絕對的優(yōu)勢，相比較傳統(tǒng)終端更適用于變電站間隔斷路器的遠(yuǎn)程分閘遙控。

5 結(jié) 論

結(jié)合變電站間隔斷路器在二次設(shè)備失能情況下的遠(yuǎn)程分閘遙控需求以及針對傳統(tǒng)終端存在的不足和缺陷，利用無線通信技術(shù)設(shè)計了一個新的斷路器遙控分閘智能終端，有效提高了斷路器遠(yuǎn)程無線遙控分閘精度，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)終端的優(yōu)化與創(chuàng)新，此次研究對推廣無線通信技術(shù)在變電站內(nèi)控制領(lǐng)域的應(yīng)用、降低變電站運(yùn)行故障損失具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。