基于LoRa無線技術(shù)的便攜式繼電保護跳閘矩陣校驗裝置的設(shè)計

摘

要：常規(guī)變電站主變壓器等多元件保護裝置跳閘矩陣的校驗通常是二次人員使用萬用表校驗，存在保護裝置動作次數(shù)多、效率低、漏檢、錯檢等問題。因此，研制了基于LoRa（LongRangeWideArea）無線技術(shù)的便攜式繼電保護跳閘矩陣校驗裝置。通過開關(guān)量輸入模塊、數(shù)據(jù)處理與無線模塊、移動終端，實現(xiàn)校驗裝置的便攜性設(shè)計與跳閘接點數(shù)字化處理。開發(fā)移動終端可視界面，顯示各接點動作時間，將跳閘矩陣生成十六進制數(shù)值比對定值單，保存數(shù)據(jù)并生成調(diào)試報告，多元件保護裝置跳閘矩陣校驗調(diào)試效率提升了82%以上。關(guān)鍵詞：LoRa無線技術(shù)；便攜式；跳閘矩陣；繼電保護0

引言目前繼電保護裝置中，類似主變保護、母線差動保護等多元件保護裝置，根據(jù)不同的保護與不同的時限，跳閘的開關(guān)不同，從而在裝置中整定了跳閘矩陣。在基建、例檢、補充檢驗中，均需要對多元件保護裝置進行跳閘矩陣的校驗。常規(guī)跳閘矩陣校驗方式一次只能測量一組接點，需要多次進行重復(fù)的保護裝置調(diào)試，且兩個人配合才能完成跳閘矩陣的校驗。當(dāng)前研究中，跳閘矩陣校驗裝置存在體積太大，不夠便攜，輸入接點較少、數(shù)據(jù)顯示較為簡單，不能靈活顯示所需的數(shù)字化信息，功能有限，不能同時測量有源接點和無源接點等問題。而當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極速發(fā)展，大量無線技術(shù)被應(yīng)用于各種電力系統(tǒng)檢測與數(shù)據(jù)通信裝置中，LoRa技術(shù)因其低功率、遠距離、抗干擾、穿透性強、簡單高效的特性，十分適合作為變電站內(nèi)的無線傳輸技術(shù)。因此，將無線技術(shù)與傳統(tǒng)跳閘矩陣校驗裝置相結(jié)合，利用快速發(fā)展的移動終端處理器性能，可以大大減少跳閘矩陣校驗裝置的體積和數(shù)據(jù)處理量，并且利用移動終端的硬件進行數(shù)據(jù)處理、顯示和保存，提高多元件保護跳閘矩陣校驗效率，符合當(dāng)前數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢。本文研制了一種基于LoRa無線技術(shù)的便攜式繼電保護跳閘矩陣校驗裝置，采用無線技術(shù)將多元件繼電保護裝置采集的跳閘矩陣開關(guān)量信息進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并發(fā)送至各種移動終端。該裝置單人即可完成操作，無線手持終端不被采集裝置位置束縛，且具有友好的人機交互界面，跳閘矩陣數(shù)據(jù)處理、顯示和保存人性化，縮短了基建、例檢、驗收調(diào)試時間與停電時間，減少了工作人員的數(shù)量，降低了人工成本，相比于傳統(tǒng)的跳閘矩陣驗證方式，校驗調(diào)試效率提升了82%以上。1

LoRa無線技術(shù)LoRa是一種低功率的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。LoRa相比于Wi-Fi、藍牙通信，具有傳輸距離遠和抗干擾性強兩大優(yōu)勢，一座基站在變電站室內(nèi)覆蓋半徑可達2～3km，室外覆蓋半徑可達5km，同時其傳輸速率為幾百到幾十千比特每秒。在繼電保護校驗任務(wù)中應(yīng)用LoRa無線技術(shù)，不僅可以滿足校驗數(shù)據(jù)的傳輸速率需求，還可以大幅提升遠距離下的抗干擾性，從而提升數(shù)據(jù)傳輸整體穩(wěn)定性。2

校驗裝置設(shè)計目前，在變電站多元件繼電保護裝置校驗時，除了校驗各保護動作邏輯的正確性外，還需要校驗各保護裝置的出口情況，以主變保護為例，需要驗證其跳閘矩陣，橫坐標(biāo)為裝置的出口跳閘或啟動功能，縱坐標(biāo)為各保護類型，如表1所示。在常規(guī)的保護裝置測試方法中，測量人員需要采用萬用表逐一測試表1中的數(shù)值，完成一次測試需要檢測200次以上，通常會消耗巨大的人力和時間成本。此外，逐一檢查接觸點位有效性時，很容易發(fā)生萬用表接觸不良導(dǎo)致誤判的情況，進而威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。在常規(guī)的測試方法基礎(chǔ)上，本文設(shè)計的校驗裝置采用了多口智能跳閘矩陣測試法，通過十六進制的方式，完成同一控制字同步校驗，將所有的出口接點接入裝置，一次試驗可將出口動作先后順序及時記錄，從而有效提高保護裝置測試效率，減少裝置動作次數(shù)，減輕測試任務(wù)。2.1

硬件電路設(shè)計測試法所采用的硬件電路連接方式如圖1所示。設(shè)計方案中，保護裝置的高壓電與110V的低壓電通過中間繼電器進行隔離。在高壓側(cè)，保護裝置輸出的待檢測電壓通過限流電阻接入中間繼電保護器中，當(dāng)某個跳閘出口動作后，信號電流會連通中間繼電器，觸發(fā)繼電器常開觸點閉合。在弱電側(cè)，當(dāng)常開觸點閉合后，接入模組的電位被拉低，從而通過干濕接點兼容電路，接入到STM32F103RCT6主控芯片中，之后通過OLED模塊進行可視化展示，并由2.4GHz無線傳輸模塊借助LoRa技術(shù)發(fā)送測試位數(shù)據(jù)接入移動終端。2.2

干濕接點兼容模塊設(shè)計方案干濕接點兼容采集電路可以起到測量對象切換的效果，設(shè)計方案如圖2所示。U1為光電耦合器，U2為常閉型固態(tài)繼電器，K1為常規(guī)電磁繼電器。其中P_CH1和N_CH1通過設(shè)備外殼的插座引出，作為測量接點邏輯狀態(tài)的輸入口。SW是接點模式切換自鎖開關(guān)，用于切換干濕接點測量狀態(tài)。上電后，默認支持濕接點，此時若P_CH1接+110V，由于光耦U1導(dǎo)通，則IN1輸出低電平；此時若P_CH1接入0V或-110V，由于D3的單向?qū)щ娦裕怦畈粚?dǎo)通，IN1輸出高電平。此時若接線錯誤，P_CH1和N_CH1短接，則與P_CH1接入0V一樣，IN1輸出高電平，從而達到有效值測量的目的。2.3

LoRa無線通信架構(gòu)設(shè)計LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸模塊具有距離遠、功率低、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，跳閘接點輸入與各開入動作時間數(shù)據(jù)可以透傳至手機、平板或電腦等移動終端進行顯示，從而高效地進行站內(nèi)繼電保護裝置大規(guī)模同步檢驗。所設(shè)計的無線模塊與組網(wǎng)后的分布式智能檢測系統(tǒng)如圖3所示。通過將測試生成的結(jié)果傳入移動終端，將接點動作時間、跳閘矩陣生成十六進制值，方便與定值單比對，并且生成測試報表，上傳至故障信息系統(tǒng)。3

校驗測試為了精準校驗動作時間，本檢測方法采用了以段為基礎(chǔ)單位的測試方法，每一特定時限保護為一單獨的時限邏輯。計算公式如下：T=C×Ta×保護邏輯數(shù)量式中：T為跳閘矩陣校驗時間；C為保護裝置套數(shù)；Ta為單個邏輯平均校驗時間。在220kV與110kV變電站主變開展測試，得到的結(jié)果如表2所示，測試裝置如圖4所示。4

結(jié)論本文設(shè)計了一種基于LoRa無線技術(shù)的便攜式繼電保護跳閘矩陣校驗裝置，與原始的人工逐項檢測相比，具有以下顯著優(yōu)點：（1）有效提升了測試結(jié)果的準確性和可靠性。在移動終端內(nèi)部部署了測試算法，顯示接點動作時間，并將跳閘矩陣生成十六進制值方便與定值單比對，在傳統(tǒng)的人工校驗和機器校驗的基礎(chǔ)上，校