电力互感器在线校准无线数据传输系统的研制.pdf

第 5 1卷第 9期 2 0 1 4年5月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I ns t r u m e n t at i o n V0 1 ． 51 No ． 9 M a y ． 1 0， 2 01 4 电力互感器在 线校准无线数据传输 系统的研 制 熊前柱 ， 李前 ， 胡浩亮 ， 李鹤 ， 李进 国 ， 王越恒 ( 1 ． 中国电力科 学研究院， 武汉 4 3 0 0 7 4； 2 ． 中广核 工程有限公 司， 广东 深圳 5 1 8 0 0 0 ) 摘要 ： 阐述 了电力互感器在线校准用无线数据传输装置的设计原理和结构 ， 详细介绍了装置的硬软件设计思想 和流程， 研制了低功耗、 高抗= F 扰性的无线数据传输装置样机， 并在变电站进行了现场试验， 实验证明该无线数 据传输装置能稳定地传输实验数据， 并能通过无线方式更新装置的程序， 达到了现场在线校准的目的。 关键词： 互感器 ； 无线传输 ； 在线校准 ； A R M处理器 中图分类号： T M9 3 0 ． 9 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1—1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9— 0 0 1 3— 0 4 De v e l o p m e nt o f a W i r e l e s s Da t a Tr a n s mi s s i o n S y s t e m Us e d f o r P o we r Tr a n s f o r me r On ． Li n e Ca l i b r a t i o n X I O N G Q i a n ． z h u ， L I Q i a n ，H U H a o — l i a n g ， L I H e ， L I J i n — g u o ， WA N G Y u e ． h e n g ( 1 ．C h i n a E l e c t ri c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4， C h i n a ． 2 ．C h i n a N u c l e a r P o w e r E n g i n e e ri n g C o ． ，L t d ， S h e n z h e n 5 1 8 0 0 0 ， G u a n g d o n g ， C h i n a ) Abs t r a c t ：De s i g n p rin c i p l e a n d s t r u c t u r e o f wi r e l e s s d a t a t r a n s mi s s i o n d e v i c e s us e d f o r p o we r t r a n s f o r me r o n - l i n e c a l i - b r a t i o n i s d e s c rib e d i n t h i s p a p e r ．Th e d e s i g n c o nc e p t a n d p r o c e s s for d e v i c e h a r d wa r e a n d s o ft wa r e a r e i n t r o du c e d i n d e t a i l ．A p r o t o t y p e o f t h e l o w— p o we r，hi g h a n t i - i nt e r f e r e n c e wi r e l e s s d a t a t r a n s mi s s i o n d e v i c e i s d e v e l o p e d，a nd a fie l d t e s t h a s b e e n c o n d uc t e d i n t h e s u b s t a t i o n． Ex p e rime n t s s h o w t h a t t h e wi r e l e s s da t a t r a ns mi s s i o n d e v i c e c a n t r a n s mi t e x p e r i me n t a l d a t a s t e a d i l y a n d u p d a t e t h e d e v i c e p r o g r a m wi r e l e s s l y，t h e r e f o r e r e a c h e s t h e p u r p o s e o f c a l i b r a t i n g t h e t r a n s f o r l n e r o n l i n e ． Ke y wo r d s： t r a n s f o rm e r，wi r e l e s s t r a n s mi s s i o n，o n— l i n e c a l i b r a t i o n，ARM p r o c e s s o r 0 引 言 高压互感器作为关 口电能计量装置 的重要组成 部分 ， 是 发 电公 司与 电 网公 司、 电网公 司与供 电公 司 、 供 电公 司与 电力用户之 间进行公平公正 贸易结 算 ， 正确计算 、 考核电力系统 内部技术经济指标 的法 定计量器具 。 目前 ， 电力互感器离线 校准主要是 满 足作为电能计量装 置的互感器周检需要 ， 我 国电力 系统有数量 庞大的电力互感器 ， 停 电测试它们 的误 差性能工作量庞大 ， 费时费力 ， 而且不能获得三相在 线状态下的真实数据⋯。开展互感器在线校准技术 研究可以克 服上述 离线校准 的缺 点 ， 提高互感器误 差特性测量不 确定 度水平 ， 为实现电能计量装 置的 整体在 线 校准 打 下坚 实基 础 ， 提 高 电能 计量 的 准 确度 ] 。 为了实现 1 1 0 k V～ 2 2 0 k V电压等级关 口计量点的 计量用互感器的全 自动实时在线校准 ， 常规标准电压 电流互感器因体积大、 笨重等因素无法满足在线校准 的需要 ， 必须改造成方便安装 、 重量轻、 体积小的互感 器， 导致互感器输 出功率较小 ， 信号幅度较小， 容易受 外界电磁干扰的影响， 不利于信号的高精度和远距离 传输 J ， 必须采用数据采集装置将其转化为数字信 号后再进行传输。由于标准电流互感器安放在高压线 上， 数字信号传输到地面需考虑绝缘问题， 采用光纤传 输数据稳定， 但需定制光纤绝缘子 ， 成本较高， 且现场 环境复杂 ， 布线太多 ， 光纤 比较脆弱 ， 长期收放光纤极 容易折断 ， 一旦折断需更换光纤绝缘子， 维护成本太 高。为解决这一问题 ， 本文采用无线数据传输装置 ， 不 仅解决了绝缘问题 ， 而且简化了现场接线强度， 通过 自 动组建无线局域网， 将多个设备 的实验数据无线传输 到数据处理终端 ， 大大减小 了现场布线密度和接线出 错 的几率 ， 从而减小了变电站实验现场的安全隐患 ， 达 到现场在线校准的 目的。 一 l 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 9期 2 0 1 4年5月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t＆ I n s t r u me n t a t i o n VO 1 ． 5 1 NO ． 9 M a y ． 1 0。 2 0 1 4 1 在线校准系统结构图 图 1 为现场互感器在线校准系统的无线数据传 输系统的结构图 ， 现场标准互感器有一 台标 准 电容 分压式电压互感器和一 台开 口式标准 电流互感 器， 其准确度均达到 0 ． 0 5 ％ ， 每台标准互感器均装有无 线数据传输装置 ， 可以对 现场电压和电流互感器进 行无线误差校准。 由于误差校准实验需高速采集 电压电流信号 的 实时值并打包发送 ， 数据采集装置采样频率为 4 k H z ， 每个采样点的数据经过计算处理后 的至少 占用 3个 字节 ， 再加上各种标志字符的传输 ， 每 台互感器 的数 据传输带宽达到 1 1 0 k b p s左右。因数据传输数据量 大 ， 实时性要求较高 ， 因此将误差校准部分作为一个 独立的网段 ， 并配独立 的接收装置 1进行数据接收 ， 保证数据传输 的实时性和可靠性。电压互感器二次 压降及互感器二次负荷测量装置对 现场互感器二次 侧 回路进行测试 ， 每 台装置均配有无线数据传输装 置 ， 每 台发 出的数据量较小 ， 不到 1 0 k b p s ， 实 时性要 求也不高 ， 分配另一个网段进行数据接收。 无线传输1 l l 无线传输2 l l无线传输3 l l 无线传输 I 1 无线传输5 无线接收设备1 1 I 无线接收设备2 互感器较验仪 图 1 无 线数据 传输 系统 结构 图 F i g ． 1 S t r u c t u r e o f wi r e l e s s da t a t r a n s mi s s i o n d e v i c e s 2数据传输装置的实现 2 ． 1 数据 处理 与 无线传 输硬件 平 台的研 制 在综合考虑装置 的功耗 和数据处理速度后 ， 本 装置 采 用 S T M3 2系 列 3 2位 增 强 型 A R M 处 理器 S T M3 2 F 1 0 3 V E T 6作为数据处理平台 的核心 ， 用于数 据缓存 、 数据打包 、 运算和控制等功能。S T M3 2系列 基于专为要求高性能 、 低成本 、 低功耗 的嵌入式应用 专门设计 的 A R M C o r t e x— M3内核 ， 其增强型系列时 钟频率达到 7 2 MH z ， 不仅 内置 3 2 K到 1 2 8 K的闪存 、 复位电路 、 低 电压检测 、 调压器 、 精确 的 R C振荡器等 基本电路 ， 而且内置高性能 的片上资源 ， 如 1 s 的双 一 1 4 — 1 2位 A D C、 4兆位／ 秒的 U A R T、 1 8兆位／ 秒 的 S P I 、 全 速 U S B 2 ． 0接 口等 ， 也是 同类产 品中性能最 高的产 品 J 。更值得一提 的是它支持通过 U A R T 1进行在 线程序升级功能， 可配合无线模块控制 ， 对处理器里 的程序在线升级 ， 可现场修改误差校准值 ， 方便 了今 后设备的维护 。 无线数据传输模块种类 较多， 由于变 电站现场 环境较恶劣 ， 部分变 电站对无线产品的频率有限制 ， 最终选择频率为 2 ． 4 G公用频率 的无线数据传输模 块。经过多次 现场测试 一种蓝 牙 N R F 2 4 0 1模 块和 WI F I 模块 ， 综合稳定性 、 功耗 和带宽等 因素考虑 ， 最 终选择 了一款串 口和网 口 WI F I 模块 WI F I 2 3 2 L 9 1 o ] 。 该模块具有 R S 2 3 2串行接 口和标 准的网 口， 可任选 其一接 口进行操作 ， 数据传输方式可用透 明传输 ， 也 可采用协议传输 ， 带宽能达到 4 M b i t ／ s ， 完全能满足本 装置数据传输 带宽要求 。其开放式 的操作 指令 ， 可 以由软件现场 配置该模块 的参数， 并能控制其空 闲 引脚 ， 该功能可用于在线更新 S T M 3 2处理器 的程序 。 其 电路原理图如 图 2所示 ， R e s e t 为 WI F I 2 3 2模块 的 复位端 口， 由 S T M3 2的 P E 0控制 ， 配合串口对该模块 进行 A T指 令 操 作 ， 可 任 意 改 变 该 模 块 的配 置； n R e a d y和 n L i n k为 WI F I 2 3 2模块的状态指示端 口， 分 别表示模块起动完成和网络连接 完成 ， 由 S T M3 2的 P E 1和 P E 2端 口读入状态 ， 即可判断数 据是否能进 行有 效 传 输 。P A 9和 P A I O为 S T M 3 2处 理 器 的 U A R T 1的数据发送和接收端 口， 这样就可以通过无 线方式更新 S T M3 2的程序。 RES ET PE 0 n Re a d y PEl W I F 1 2 3 2 n Li n k PE2 STM 3 2 UART TXD P A l 0 UAR T RXD P A9 图 2 S T M3 2处理 器与 WI F I 2 3 2的连接 F i g ． 2 Co n n e c t i o n s b e t we e n S T M3 2 p r o c e s s o r a n d WI F I 2 3 2 2 ． 2 数 据传 输装 置的软 件 实现 采用 串口通讯方式是一种最方便 的透明传输模 式 ， 但采用透明模式的传输方式会存在丢包的危 险， 由于 A ／ D采样 的数 据是 按 先 后 顺 序逐 点 存 储 在 F I F O缓存区中， 采样 1 0个周波后再经过无线数据传 输装置进行传输 。因此只要其 中有一个点 的数据丢 失 ， 以致后面的数据全部发生移位 ， 数据处理平 台终 端 的 F F T运算失效 ， 最终导致互感器误差计算 超过 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 9期 2 0 1 4年5月 1 O日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e nt a t i o n VO 1 ． 5 1 NO ． 9 M a y． 1 0， 2 0 1 4 正常值， 甚至出现粗大误差。另外变电站电磁环境 恶劣， 部分无线传输装置于高压线上， 电磁干扰严 重 ， 为了解决这一 问题 ， 本系统采用协议 传输方式 ， 采用双方握手方式 、 C R C校验和数据重传机制 ， 保证 了数据传输的可靠性。数据传输装置 的软件流程图 如图 3所示。 有1． — — — —— 一 l A D采集 ， 数据进F I F Ol 是 — — — ] l 发 送 第 一 N 2 4 0 字 节 数 据 f -- t 完 成 图 3 无线传输装置软件流程图 F i g ． 3 S o f t wa r e flo w c h a r t o f wi r e l e s s d a t a t r a n s mi s s i o n de v i c e A ／ D采样的数据共 2 4 0 0个字节 ， 每个采样点的数 据占3个字节， 每个周波采样 8 O个点 ， 共 采 样 1 0个周 波 ， 发送端将每个周波 的采样数据打成一个数据包进 行发送 ， 接收端收到数据包后进行 C R C校验 ， 确认无 误后向发送端发送确认指令 ， 发送端立即将下个周波 的数据打包进行发送 ； 如果接收端接收到的数据出错 ， 则发送重传指令 ， 发送端将重传数据包 ， 直到收到确认 指令为止。数据包结构定义如图4所示。 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 叵巨 亚 图 4 数 据 包结构 与应 答指 令结 构 Fi g ． 4 S t r u c t u r e o f d a t a p a c k e t a n d r e s p o n s e c o mma n d 其中第一排为数 据包 结构 ， 第 1个字节为命令 字 ， 表示数据从采集端发送到接 收端 ； 第 2个字节 为 数据包序列号， 该序列号与应答序列号一一对应 ， 保 证数据传输队列不会错位 ； 第 3和 4个字节为地址字 节 ， 用于区分各个采集装置发过来 的数据 ； 第 5和 6 个字节为数据包长度 ， 表示该数据包的长度 ； 第 7个 字节 开始 即为采样 数据 ， 最后 两位 为该数 据包 的 C R C校验码 。 第二排为数据应答指令 ， 由接收端发出， 前四个 字节 的含义 与数据包结 构相 同， 最后一次为应答指 令 ， O 0表示数据接收正确 ， 非 0 0表示数据接 收不正 确 ， 需重传。无线数据传输装置组网的模式与 I P配 置如图 5所示。 模式 ： S t a t i o n 模式 ： S t a t i o n 模式： S t a t i o n 模式： S ta t i o n 模式： S ta t i o n I P： 1 0 ． 1 0． 1 0 0． 3 3 I P： 1 0． 1 0 ． 1 0 0． 5 5 I P： 1 0 ．1 0 ． 9 9．1 0 0 I P ： 1 0 ． 1 0 ． 9 9． 1 0 1 I P ： 1 0． 1 0 ． 9 9 ． 1 0 2 网关 ： 1 0 ． 1 0 ． 1 0 0 ． 2 5 4 网关： 1 0 ．1 0 ． 1 0 0 ． 2 5 4网关 ： 1 0 ． 1 0 ． 9 9． 2 5 4 网关 ： 1 0 ． 1 0 ． 9 9．2 5 4 网关 ： 1 0 ． 1 O ． 9 9． 2 5 4 图 5 无线数 据传 输装 置 组 网的模 式与 I P配 置 Fi g ． 5 Ne t wo r k i ng mo d e a n d I P c o n fig u r a t i o n s o f wi r e l e s s d a t a t r a ns mi s s i o n d e v i c e s 3 系统运行结果及分析 该无线数据传输模 块在地 面经过长 时间测试 ， 稳定性较好 ， 数据传输速度 也较快 ， 能够 满足系统要 求 。但标准电流互感器 的无线传输装置加上高压后 出现了一些问题 ， 数据无法传输 ， 经过多次试验发现 是该装置 的发射 天线产生 了电晕。该天线 有 2 5 c m 一 1 5 — 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m