王 敏，劉中澤，楊 瑞，朱何榮

(南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

微機(jī)五防系統(tǒng)在變電站電氣操作防誤中發(fā)揮著不可或缺的作用。風(fēng)電場(chǎng)一般參照常規(guī)變電站在升壓站內(nèi)配置離線式微機(jī)五防系統(tǒng)，部分風(fēng)電場(chǎng)在升壓站五防系統(tǒng)內(nèi)集成了單獨(dú)的風(fēng)機(jī)防誤功能，增加了對(duì)風(fēng)機(jī)、箱變等發(fā)電設(shè)備的防誤管控，主要包含防誤主機(jī)、電腦鑰匙、傳輸?shù)鬃C(jī)械編碼鎖、電氣編碼鎖等各類鎖具及閉鎖附件，電腦鑰匙采用串口、紅外等方式與傳輸?shù)鬃ㄐ拧?/p>

離線式微機(jī)五防系統(tǒng)主要存在以下問題。

(1) 網(wǎng)門、地線等離線輔助設(shè)備狀態(tài)，往往都是通過機(jī)械鎖具進(jìn)行防誤，沒有納入變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)視范圍，操作完成后通常電腦鑰匙回傳時(shí)才能更新狀態(tài)。

(2) 電腦鑰匙離開傳輸?shù)鬃笠蔡幱陔x線狀態(tài)，當(dāng)電腦鑰匙操作打開鎖具后即認(rèn)為當(dāng)前設(shè)備操作完畢，而不是根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)采集的開關(guān)、刀閘設(shè)備輔助接點(diǎn)信息確認(rèn)一次設(shè)備是否已經(jīng)到位，即存在走空程問題，設(shè)備就地操作后無法實(shí)時(shí)監(jiān)視操作是否到位，后續(xù)操作條件不滿足時(shí)，繼續(xù)操作可能引發(fā)事故甚至人身傷害。

(3) 離線設(shè)備操作時(shí)操作步驟的回傳、操作票下裝以及遠(yuǎn)方/就地權(quán)限的切換，需要頻繁往返于監(jiān)控室與操作場(chǎng)地之間，相對(duì)于集中布置的變電站而言，風(fēng)電場(chǎng)各個(gè)風(fēng)機(jī)布置分散且遠(yuǎn)離升壓站，頻繁往返于升壓站與風(fēng)機(jī)之間勢(shì)必浪費(fèi)大量的操作時(shí)間，影響操作及檢修作業(yè)效率。

目前，主流的無線傳輸技術(shù)主要有ZigBee，NB-IoT， LoRa等。

(1) ZigBee技術(shù)應(yīng)用較早，具有自組網(wǎng)能力，且功耗較低，在在線監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用，但存在傳輸距離短、穿透能力弱、需大量布點(diǎn)的缺點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍受到了制約。

(2) NB-IoT依賴于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，不適用于風(fēng)電場(chǎng)等偏僻環(huán)境中。

(3) LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)(1～2 km)，且功耗更低，因此，基于LoRa技術(shù)構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)在線式微機(jī)五防系統(tǒng)，具有一定的可行性和工程實(shí)用價(jià)值。

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)五防系統(tǒng)設(shè)備離線帶來的一系列問題，在風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)有微機(jī)五防系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加LoRa無線傳輸功能，實(shí)現(xiàn)電腦鑰匙實(shí)時(shí)通信回傳和網(wǎng)門、地線等離線設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，完善防誤校驗(yàn)過程，避免操作往返，有效提高操作安全性和時(shí)效性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)電場(chǎng)在線式微機(jī)五防系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，新增部分見圖1右側(cè)虛線框部分，包括正/反向隔離裝置、網(wǎng)關(guān)、基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

圖1 在線式微機(jī)五防系統(tǒng)架構(gòu)

(1) 正/反向隔離裝置用于安全區(qū)Ⅰ與安全區(qū)Ⅳ之間網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的單向數(shù)據(jù)交互，保證邊界安全。

(2) 升壓站網(wǎng)關(guān)通過LoRa無線下發(fā)操作票等信息至電腦鑰匙，同時(shí)接收電腦鑰匙操作過程信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)E文件，由反向隔離裝置傳遞至防誤主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電腦鑰匙離線后的實(shí)時(shí)通信。

(3) 網(wǎng)關(guān)與各個(gè)基站之間采用單獨(dú)光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證防誤主機(jī)與電腦鑰匙通信交互的及時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 無線組網(wǎng)及數(shù)據(jù)處理

風(fēng)機(jī)之間間距較遠(yuǎn)，加之無線基站發(fā)射功率有限，故在升壓站及每臺(tái)風(fēng)機(jī)下各布置了一臺(tái)無線基站，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋。各無線基站接入U(xiǎn)PS電源，保證風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)仍可正常操作。

防誤主機(jī)與傳輸?shù)鬃⒕W(wǎng)關(guān)采用客戶端/服務(wù)器建立通信連接，傳輸?shù)鬃?、網(wǎng)關(guān)作為服務(wù)器端；網(wǎng)關(guān)與各個(gè)基站之間通過采用客戶端/服務(wù)器建立通信連接。

防誤主機(jī)需要啟動(dòng)五防操作票等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，一并向傳輸?shù)鬃途W(wǎng)關(guān)下發(fā)電腦鑰匙狀態(tài)查詢報(bào)文，電腦鑰匙接收后從所接收通信端口返回查詢結(jié)果。

若防誤主機(jī)收到傳輸?shù)鬃祷氐木W(wǎng)絡(luò)報(bào)文，則認(rèn)為電腦鑰匙當(dāng)前安放于傳輸?shù)鬃?，選擇傳輸?shù)鬃M(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸；若收到(網(wǎng)關(guān)生成后)反向隔離裝置上傳的E文件，認(rèn)為電腦鑰匙離開傳輸?shù)鬃?，選擇無線網(wǎng)絡(luò)作為后續(xù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸路徑。

升壓站網(wǎng)關(guān)及各個(gè)基站從以下幾個(gè)方面對(duì)收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管控。

(1) 防誤主機(jī)下發(fā)電腦鑰匙狀態(tài)查詢報(bào)文時(shí)，由網(wǎng)關(guān)控制各個(gè)基站分批廣播該查詢命令，選取電腦鑰匙所在(靠近)的基站，后續(xù)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)直接以太網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)皆摶具M(jìn)行無線發(fā)送。

(2) 各個(gè)基站接收到電腦鑰匙上傳的操作過程信息時(shí)，通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行去重處理后轉(zhuǎn)換為E文件。

(3) 基站、電腦鑰匙發(fā)送無線報(bào)文前先監(jiān)聽當(dāng)前信道是否有空中數(shù)據(jù)。若收到數(shù)據(jù)，則按指數(shù)避退原則等待，直至信道空閑，防止影響正在傳輸?shù)目罩袛?shù)據(jù)。

(4) 丟棄接收到的不符合無線傳輸協(xié)議要求或校驗(yàn)不通過的異常報(bào)文，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送方未及時(shí)收到回復(fù)啟動(dòng)重傳。

2.2 電腦鑰匙設(shè)計(jì)

在常規(guī)離線式電腦鑰匙基礎(chǔ)上增配LoRa通信模塊，主CPU通過高速串口與LoRa通信模塊交互實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。此外，還可通過該串口對(duì)LoRa通信信道、擴(kuò)頻因子、發(fā)射功率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行靈活配置，滿足不同網(wǎng)絡(luò)條件下的通信可靠性要求。

2.3 規(guī)約設(shè)計(jì)

考慮到風(fēng)電場(chǎng)存在監(jiān)控五防一體化的情形，即監(jiān)控系統(tǒng)主備機(jī)都可通過配置啟用防誤軟件作為防誤主機(jī)使用，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)(見表1)，滿足多(防誤主機(jī))對(duì)多(終端設(shè)備，如電腦鑰匙等)通信要求。

表1 防誤主機(jī)與電腦鑰匙交互數(shù)據(jù)幀 單位：B

(1) 網(wǎng)關(guān)接收到某一臺(tái)防誤主機(jī)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文(下行報(bào)文)時(shí)，將該幀報(bào)文中的源地址與該防誤主機(jī)IP地址進(jìn)行綁定。

(2) 當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到基站轉(zhuǎn)發(fā)的電腦鑰匙報(bào)文(上行報(bào)文)時(shí)，則根據(jù)電腦鑰匙報(bào)文中目的地址(即下行報(bào)文的源地址)查詢對(duì)應(yīng)防誤主機(jī)IP地址，生成E文件到以防誤主機(jī)IP地址命名的目錄，由反向隔離裝置傳送至對(duì)應(yīng)的防誤主機(jī)。

通過網(wǎng)關(guān)、基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配合正/反向隔離設(shè)備提供信息交互通道，實(shí)現(xiàn)防誤主機(jī)與電腦鑰匙之間透明的信息交互，如圖2所示。

圖2 防誤主機(jī)與電腦鑰匙交互圖示

2.4 實(shí)時(shí)防誤檢驗(yàn)

電腦鑰匙就地操作時(shí)的校驗(yàn)交互流程如圖3所示，操作票每步操作后均通過無線及時(shí)回傳，通知防誤主機(jī)同步當(dāng)前操作狀態(tài)信息，結(jié)合開關(guān)、刀閘設(shè)備輔助接點(diǎn)等信息核實(shí)操作是否到位，到位則發(fā)送繼續(xù)操作指令給電腦鑰匙，允許進(jìn)行下一步操作；否則，應(yīng)等待設(shè)備到位或排除故障后才能繼續(xù)操作。

圖3 電腦鑰匙就地操作校驗(yàn)流程

通過防誤主機(jī)與電腦鑰匙實(shí)時(shí)在線交互，同步離線設(shè)備狀態(tài)信息，驗(yàn)證設(shè)備操作是否到位，防止“走空程”發(fā)生；同時(shí)，對(duì)操作過程中因運(yùn)行方式變化導(dǎo)致當(dāng)前操作條件不滿足的情況，也可及時(shí)閉鎖電腦鑰匙當(dāng)前操作，防止誤操作造成危險(xiǎn)。

3 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

按照?qǐng)D1所示架構(gòu)配置，基于LoRa無線通信構(gòu)建在線式微機(jī)五防系統(tǒng)，設(shè)置反向隔離裝置發(fā)送端軟件掃描周期為1 s。進(jìn)行以下測(cè)試，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能和性能是否滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3.1 典型五防報(bào)文延時(shí)測(cè)試

選取風(fēng)電場(chǎng)微機(jī)五防系統(tǒng)典型的4種報(bào)文進(jìn)行操作驗(yàn)證，步驟如下。

(1) 電腦鑰匙查詢報(bào)文。單幀，共11 B，用于檢測(cè)通信鏈路是否正常，電腦鑰匙是否開機(jī)等。

(2) 操作票1。單幀，共150 B，包含10項(xiàng)操作任務(wù)。

(3) 操作票2。單幀，共550 B，包含50項(xiàng)操作任務(wù)。

(4) 鎖具信息。5幀，共4 617 B，包括全風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備鎖具、附件配置情況、編碼信息等。

按照電腦鑰匙有線(放置于傳輸?shù)鬃?和無線(離開傳輸?shù)鬃?通信分別測(cè)試上述報(bào)文交互的操作耗時(shí)。有線通信方式下，記防誤主機(jī)發(fā)出報(bào)文到收到電腦鑰匙回復(fù)報(bào)文時(shí)間之差為T1；無線通信方式下，記防誤主機(jī)發(fā)出報(bào)文到電腦鑰匙發(fā)出無線回復(fù)報(bào)文時(shí)間之差為T2；記防誤主機(jī)發(fā)出報(bào)文到防誤主機(jī)收到反向隔離裝置發(fā)送的E文件時(shí)間之差為T3。重復(fù)10次測(cè)試，平均耗時(shí)見表2。

表2 典型報(bào)文操作耗時(shí) 單位：s

由表2可知，采用LoRa無線通信方式時(shí)，典型報(bào)文通信總耗時(shí)相比有線通信有所增加，主要是增加了LoRa空中數(shù)據(jù)發(fā)送過程和正/反向隔離傳輸環(huán)節(jié)(T3—T1)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)手持電腦鑰匙的操作者來說，操作等待延時(shí)更短，增加的時(shí)間(T2—T1)相比往返操作現(xiàn)場(chǎng)與升壓站的路途耗時(shí)則可忽略。

鎖庫傳送因報(bào)文分為5幀，單幀報(bào)文較長(zhǎng)，增加了空中發(fā)送時(shí)間，加之需要透過正/反向隔離裝置逐幀傳送和確認(rèn)，故增加的時(shí)間較多，但鎖庫報(bào)文主要在調(diào)試過程中使用，日常操作不涉及，影響也可接受。

3.2 實(shí)時(shí)操作防誤驗(yàn)證

防誤主機(jī)生成10步操作票，下載至電腦鑰匙，按照就地操作—電腦鑰匙實(shí)時(shí)回傳—防誤主機(jī)允許下一步操作順序，測(cè)試操作步驟1～4實(shí)時(shí)防誤交互延時(shí)，測(cè)試結(jié)果顯示，電腦鑰匙就地操作到允許下一步的時(shí)間約3 s，一般不超過現(xiàn)場(chǎng)操作人員確認(rèn)設(shè)備到位時(shí)間，即增加實(shí)時(shí)交互確認(rèn)不影響現(xiàn)場(chǎng)操作的連續(xù)性，同時(shí)能夠提高電腦鑰匙就地操作的安全性。

4 結(jié)束語

實(shí)際應(yīng)用證明，該風(fēng)電場(chǎng)在線式五防系統(tǒng)滿足升壓站和風(fēng)電場(chǎng)操作實(shí)時(shí)防誤要求，避免了操作往返，有效提高了檢修操作效率和安全性。