左江涛
国网山西长治电力勘测设计有限公司 山西省 长治市 046011
摘要：智能变电站采用无线就地化保护的方式极大地减少了变电站站控层与间隔层之间的接线，使变电站的建设成本尤其是后期维护成本大大下降。本文提出一种变电站站控层采用无线方式接入就地化保护装置的设计方案，用以应对智能变电站继电保护分散化布置、信息远程控制等问题。
关键词：继电保护；就地化；无线接入
近年来，随着无线技术的发展，各种无线技术在人们的生活和工业场景中得到了广泛的应用，为人们的生活和工作带来了很大的便利，如工业无线传感网络等技术在工业领域中的应用。
一、无线就地化继电保护简介
1、概述。就地化保护装置是指将保护装置布置于一次设备附近，从而减少经电缆传输过程中的信号功率损耗，简化各个保护装置间的连接布置。目前，就地化布置存在的方式有:继保小室、预置集成仓、室内/外汇控柜、一次设备集成。其中继保小室应用最多，预制集成舱次之，室内/外汇控柜较少，多用于110 kV电压等级以下变电站或城市站中。
2、优点。1)具有移动性，没有基于通道的通信方式的限制，通信终端可视具体情况在通信区域内任意移动或布置；2)组网快速灵活，采用无线方式接入就地化保护装置，避免了有线网铺设时电缆沟挖掘，电缆铺设等繁琐工作；3)覆盖面积广，无线通信方式与有线通信方式相比，具有更加广阔的覆盖区域，可覆盖到有线方式无法覆盖或覆盖成本高的区域；4)扩展能力强，相比有线通信有限的拓扑结构，无线通信组成灵活可组成多种拓扑结构，利于网络的扩展，同时其组网成本及难度也大幅降低。
二、无线保护方案设计
1、网络拓扑。依据IEEE802.11n无线通信技术规范，接入网络采用星型结构，设置冗余网关构成加强型星型结构，同时应用自适应跳频技术、TDMA技术、分级安全策略及依据业务特征简化的协议栈，确保接入网络的可靠性、实时性与安全性。
①主控计算机：主控计算机位于变电站站控层，用于操作/管理/维护人员进行网络配置、状态监控、保护投退控制命令发布等操作。
②网关设备：网关设备提供接入网络与变电站MMS网络接口，提供协议转换及数据映射功能，同时能进行网络管理和安全管理。通过接入设备与网络中的其他设备进行通信。同时作为网络结构中唯一的时钟源，网关设备还担负着实现网络时间同步的任务。
③接入设备：接入设备是网络中信息交换的枢纽，负责接收不同保护设备上送的数据并传送给网关设备，将由网关设备传送来的控制命令发送给不同的保护设备；同时由网关发来的管理、配置和组态信息及由保护设备上送报警、网管信息都要经由接入设备进行转发。
④就地化保护设备：就地化保护设备安装于一次设备附近，能依据一次设备的运行参数及站控层的控制命令控制一次设备运行与断开。
⑤手持设备：用于保护设备、接入设备及网关接入网络的预配置。
2、工业无线通信技术(WIA)关键技术。基于IEEE802.11n的就地化继电保护接入方案为保证其满足变电站高实时、高可靠的无线数据传输要求，其工作频率为2.4GHz/5GHz,速率可高达450Mbit/s(理论速率最高可达600Mbit/s)，满足变电站数据传输需求；采用n次重传机制，以确保丢包率低于0.01％，即可靠性达99.99％以上，满足变电站环境特点。
1）支持多设备接入。变电站就地化保护设计过程中，保护装置分散布置，且数目众多，需大量监测设备来进行数据采集传输。本文无线网络拓扑结构定义为增强星型拓扑结构，包括一个中心及若干现场设备，中心由一个网关设备(可存在冗余网关设备)及一个或多个接入设备组成。因此，该模型可存在多个接入设备，适用于变电站分散化的保护设备，且可扩展程度较高。
2）多样化传输速率和地址。IEEE802.11n物理层可采用不同调制解调方式(FHSS/OFDM等)，支持多样化的传输速率，可很好地保证采集数据的实时性，设计要求支持多样化地址设置，规定WIA工业无线网络中的现场设备、接入设备和网关设备都有一个全球唯一的64位长地址和一个8位或16位短地址。
3)基于重传的可靠传输技术。变电站内所处环境恶劣，存在复杂电磁环境干扰，对可靠性要求较高，因此采用多次重传方式保证系统可靠性。可靠性指在一定时间及一定运行条件下，装置或系统完成相应功能的能力。可靠性理论是进行系统可靠性分析的基础，系统可靠性可通过一系列技术指标来衡量。
此外，为保证满足变电站要求，WIA采用基于重传的可靠传输技术，选取基于多次广播重传方式，网关设备向现场设备周期性发送聚合数据时，采用聚合帧广播重传方式，保障数据接受的成功概率，确保一定的可靠度。
WIA无线模块设计。通信协议栈在架构上遵循ISO/OSI基本参考模型，从下到上依次采用物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
本文设计的无线模块采用自带WIFI模块的RT3050 Ralink作为网络处理器，无线收发器模块主要由RT3050收发器及相关外围器件组成，RT3050由核心处理器、协处理器、外围总线接口、内部高速总线、存储器接口单元等几部分构成。?从成本方面及功能的稳定性方面进行考虑，无线通信模块选用PPT公司的PM44-11BP变压器完成组装。
软件设计部分，利用OpenWRT系统作为无线通信协议栈的软件开发环境,通过修改MAC层TDMA调度机制等一系列方式，完成WIA无线模块的软件开发。
三、变电站电力设备监测试验与分析
为更好地验证该方案的可行性，开展一系列试验。首先是实验室测试，再将无线模块放置于变电站现场，在电磁干扰的情况下进行试验，验证该方案的有效性。
图1 现场软件测试结果
1、实验室测试。测试网络为一个控制计算机及100个无线高速通信设备组成的星型网络，通信频段为2.4GHz。
1)基于WIA的可靠性测试。为更好地模拟变电站现场试验，选取3种环境进行实验室试验，无干扰环境、同频干扰环境、大物体局部遮挡环境，3种情况下分别进行接入设备数量为6、9、12及数据包大小为10、20、40字节的通信可靠性测试，并记录无线网络的数据传输成功率。由其结果可知，WIA网络在同频高斯白噪声干扰环境、大物体局部遮挡环境和无干扰空旷环境下可靠性均能达99.99％以上。
2)基于WIA的实时性测试。同样按以上方法进行实时性测试，由其结果可知，在网络运行的整个过程中，现场设备的数据包的时延在0.3～9.8ms,符合实际时延要求。
2、变电站现场试验。测试地点选取1000 kV某特高压保定站,在变压器和GIS附近，布置20个WIA节点设备和1个网关设备，以此展开测试。
1)基于WIA的传输成功率测试。配置速率为11Mbit/s情况下，由网络性能测试工具JPerf软件得到丢包率为1.8％,由此得到传输成功率为99.985％,具体如图1所示。
2)基于WIA的现场传输时延测试。通过现场测试软件得到网络的平均时延为3.99ms。
3、数据分析。通过实验室测试与现场试验可知，无线传感器网络与基于无线通道的保护系统各项测试正常。在无干扰环境、有同频高斯白噪声干扰及大物体遮挡环境中，网络的可靠性均能达到99％以上。在无干扰环境、有同频高斯白噪声干扰环境及大物体遮挡环境中网络的时延在10ms以下，平均时延约为5ms，不满足继电保护过程层采样、跳闸时间要求(不大于2ms)。另外，该时延小于变电站站控层网络相关业务时延要求(不大于500ms)。因此，基于无线通道网络的保护方案，能满足现有变电站面向站控层应用的时延及可靠性要求。
四、结语
随着能源互联网的启动、国家能源战略的调整及智能电网的大力推进，对智能变电站的发展提出了更高的要求，同时给作为电网安全运行第一道防线继电保护带来了挑战。传统保护存在诸多不足，现代电力系统继电保护设备正从电磁式、电子式等继电保护方向向着远程控制、信息集成及计算机控制等现代控制技术的方向发展。
参考文献：
[1]姜宪国.智能电网环境下的继电保护[J].电力系统保护与控制，2015.
[2]李岩军.继电保护就地化及测试研究[J].智能电网，2014.
[3]李力刚.基于WIA工业无线网关的设计[J].化工自动化及仪表，2014.
论文作者:左江涛
论文发表刊物:《防护工程》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/10
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