组合式变压器远程通讯组网实例分析

鲁 刚，张晓峰，袁乙专，何颂民，毛启武

（明珠电气股份有限公司，广州 511400）

0 引言

在风电、光伏等新能源发电领域，组合式变压器被广泛应用，但组合式变压器多安装在远离升压站的控制室。在传统中控室与组合式变压器通信方案中，一般采用光纤地埋的方式将各机位通信装置串接起来，并引入集中控制室，实现中控室与各机位的通信。但该结构往往容易受地质条件变化或意外破坏而引起光纤断线，进而造成通讯中断。而现场光纤网络断线故障查找和维修比较困难，对发电站正常运行造成不利影响。而无线通讯方案不受地质条件影响，因此无须为线路故障而担心，也省去线路维护的工作。因此，采用高效的无线通讯方案对风电场或光伏电站通讯来说是有效的替代和补充，给用户带来极大便利。目前，国内外风电场和光伏电站在无线通讯技术运用上，特别是融和新型物联网技术的运用方面，还处于兴起阶段，尚未广泛应用。本文将根据一个实际工程案例介绍如何根据现场的实际条件在组合式变压器内搭建一个高效可靠的无线网络，并实现该网络与外部网络的高效通讯。该案例将重点就主网络结构的确定、终端通讯协议的选用和设备通讯接口的选用进行深入分析和探讨，并通过选择合适的网络架构，介绍如何在组合式变压器的网络中引入新型物联网设备以实现特殊条件下的信息采集，实现传统网络无法完成的低功耗通信功能。在文末，将介绍一种新型的网络设备远程维护和管理方式。

1 远程通讯应用场景分析

本场景为某丘陵地区风力发电场的一台型号为ZGSB11-F-2200/35的组合式变压器（也称箱式变压器、简称箱变）。根据技术需要，为了获取设备运行参数和设备内外环境条件，需在该设备内安装一套远程数据采集系统，采集设备电气参数和其他非电量参数，并要求部分开关具备远程控制功能，用于控制远方设备。经初步汇总与评估，现场设备包括以下终端设备，分别按照字母和数字为其进行分类和编码，如表1所示。相关设备的主要安装位置如图1所示。

表1 终端设备分类和编码

图1 箱变内数据采集可控制设备位置示意

现场需要架设的数据采集网络需要新增部分网络设备，将设备终端接入互联网，使远端能远程采集现场数据，并在必要时刻在远方发出指令，控制部分现场设备的启停。

需要指出，各设备对电源的要求也是设备选型的重要因素。箱变低压室内有辅助电源可供使用，而在其他部位（如高压室、箱变外）则无法提供辅助电源，因此不便提供辅助电源的设备只能采用电池供电，必须具备低功耗无线通讯功能。

从上述需求来看，市场上较少能快速集成上述全部功能的远程数据通讯设备。因此，考虑自行搭建网络。在搭建网络前，有必要对该系统各部分进行梳理，选择合适的设备和通讯协议，以确保不同的设备被有效集成在一起，协同工作，互不干扰[1]。

2 通讯网络功能分析及实现方式

根据网络特性，需要选择多种网络接口用于组网，用于连接所有设备（包括有线设备和无线设备），需要确认主要的网络设备类型和主要的设备接口。

2.1 主通讯接口及模块确定

首先从网络架构上看，远程数据采集的出口必须借助高可靠的无线通讯网络，用于与远程主机进行通信。

在主流的无线通讯方式中，基于授权频率的无线网络具备较好的可靠性和通用性。可选对象主要包括国内主要电信运营商的5G/4G/3G/2G（GPRS）网络，其中5G网络也包括最新的窄带通讯的NB-IOT网络，主要的网络技术均可以用于因特网入口[2]。

考察现场周边地形和基站布置情况（图2），箱变安装位置开阔，发现距离本箱变西南方800 m处有一个中国移动基站，距离箱变正北方2.5 km处有一个中国电信基站，基于可靠性和信号强度的考虑，优选距离较近的中国移动的无线通讯网络。在800 m距离上，基站很难支持速度稍高的应用，而对于普通工业应用而言，只需稳定保持数10 kb/s的速率即可。现场随机测量移动4G信号通讯速率在100～500 kb/s，偶有速率不稳定，不过其2G速率很稳定，可以长期稳定维持在10 kb/s左右，说明基站2G信号强，可以用于稳定通讯。由于本区域是偏远丘陵地区，基站数量稀少，不考虑采用以高速见长的5 G路由器作为主通讯，另由于NB-IOT窄带通讯开发门槛和使用门槛均较高，本次不考虑采用该技术。最终确定配置一台4G/3G/2G工业路由器作为主通讯模块，该模块可以将箱变内以太网接入移动运行商通讯网络，进而接入互联网，而其他所有通讯设备必须通过路由器接入互联网。

图2 箱变运行周边环境

2.2 子通讯接口确定

（1）本场景中，一共有4台采用RS485接口的设备。仅需一对双绞线就可在485总线上挂载多台设备，通讯可靠性较高。考虑到原设备已经有数台采用RS485接口的设备，因此确定后续的温度计C1、C2、C3均采用RS485接口，与原有设备共用总线接口。

（2）在子设备中，4套设备F1、F2、F3、G因为无法利用箱变电源，不得不采用无线数据采集方案，而且F3还远在距离箱变10 m之外。基于该实际情况，应选用低功耗的无线数据采集方案。

基于免费频段的无线网络通讯技术包括WiFi、Zigbee、蓝牙、lora，都具备较好的无线传输性能。但是在短距离、低速率、低功耗无线通讯场景中，Zigbee、蓝牙、lora均有较优秀的性能。在本场景中，相较于其他通讯设备，Zigbee通讯设备的综合性能要更好一些，一个Zigbee模块在普通电池支持下可以使用2年之久，用于普通数据采集已经够用。

本方案最终选择了4台内置Zigbee通讯模块的传感器F1、F2、F3、G，用于无线数据采集。但Zigbee网络无法直接将数据上传到互联网，需要借助其他网关设备建立起同外部互联网的连接通道。因此需要另外配置一台网关，将Zigbee接口采集的数据上传[3]。本案采用一台具备WiFi通讯功能的Zigbee网关，将Zigbee传感器数据接入，然后通过WiFi接口与路由器通讯，接入互联网，形成完整的数据通讯链路[4-5]。

（3）关于设备H1、H2、H3、H4控制开关的通讯要求。这4台设备一直连接在电源上，具备辅助电源的接入条件，考虑到辅助电源接线的复杂性，且现场已经有Zigbee网关、并有WiFi网络可用，因此考虑采用Zigbee接口或者WiFi接口控制开关。基于通用性的考虑，最终选择了市场上广泛应用的WiFi接口的控制模块，该开关可通过路由器将数据传输到英特网，建立完整的远程通信链路。

（4）关于电压、电流、功率A、B、D模块的数据，由于该套设备本身就有RS485接口，因此考虑通过全网通路由器内置的RS485接口转换模块，与上述设备进行通讯，协议则采用Modbus RTU协议[6]。

（5）关于网络设备需要遵循的必要的通讯协议和要求。在选择好主要设备后，应严格梳理相应设备的接口和对应接口的参数、设备接口通讯频段、通讯速率。如选定4G/3G/2G路由器时，要确定通讯设备能运行在移动运行商的GSM/TD-SCDMA/TD-LTE等网络制式，路由器的WiFi接口应符合标准IEEE802.11b/g/n，通讯协议应具备基本的TCP/IP和其他必要的网际协议。RS485接口必须符合ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485要求，其通讯协议必须符合国家标准GB/T 19582-2008基于Modbus协议的工业自动化网络规范。相关要求应在设备确定前予以明确，以免设备各接口因参数不匹配而无法接入网络[7]。所选定设备如图3所示。

图3 全网通路由器（集成4G/3G/2G、WiFi模块、以太网接口、串口、GPS模块）

3 通讯组网搭建

主要设备的网络接口、通讯协议基本确定之后，本案的大致网络拓扑图可以按照如下方式绘制，将通讯链路示意图绘出，如图4所示。由图可知，路由器主要负责箱变内与移动基站之间的通讯。路由器的WiFi端口主要负责同Zigbee网关和H1、H2、H3、H4共5台设备进行通信，而Zigbee网关主要负责路由器与无线传感器F1、F2、F3、G之间的通讯。路由器的以太网接口主要负责同路由器内置的串口服务器通讯，路由器内置串口服务器主要负责路由器与RS485接口设备之间的通讯。

图4 通讯组网方案网络拓扑示意

4 实际运行情况与改进

根据组网拓扑图进行组网后，对实际设备的通讯效率进行可靠性测试。通讯效率最关键的是响应速度和丢包率，在本案中，由于远程数据采集对传输速率并不敏感，但是对丢包率有一定的要求，丢包太多将严重影响数据采集的有效性。而且多接口采集的数据如果不能做到同期采集，采集的数据有效性也会大大降低。

在设备组网完成后，对RS485总线上的设备进行数据采集测试，发现系统丢包率较高，在外部网络良好的条件下，不同时段的丢包率在4%～10%，大量数据丢失不利于后期应用，因此须对相关环节进行调整，以提高数据通讯准确率。经分析，在基于低速移动通讯的无线数据采集中，系统延迟一般在1 500～2 500 ms或更高，远低于4G/5G/WiFi通讯场景，考虑到需要采集的数据对时钟同步要求并不高，因此该采样延时即便是达到数秒也对数据采集工作没有实质性影响。基于上述分析，后续在采样时增加系统延时许可，允许延时设置为3 500 ms[8]。后续对相关数据采集准确率进行统计，表2所示为近半年的实际采集的数据准确率统计表。由表可知，除8月份因人为原因服务器停机造成明显的数据遗失外，其他各月份数据采集的准确率都较高，均超过90%，预计中长期的数据准确率应可超过98%，已经能完全满足相关数据分析要求。另外本系统其他模块在实际运行中均能正常通讯并保持。说明本系统能维持正常的远程通讯功能。

表2 近半年实际采集的数据准确率统计

值得一提的是，为了便于提高设备维护效率，该系统采用了先进的P2P通讯技术。借助先进的云平台管理技术，使用户可以方便地对上述设备进行远程维护和管理[9]。实际运行中，通过ID与设备绑定的方式，可以在全国各地访问自己的设备，并配置设备的运行参数，进行必要的维护，如图5所示。设备的易用性和可维护性远高于传统的电力通讯设备。从是否采用P2P技术来看，本项目中的远程通讯设备与传统的GPRS/3G/4G远程数据终端有着本质的区别[10]。

图5 云平台展示的远程通讯装置的在线运行状态及近期通讯状态统计

5 结束语

本文基于对风电用箱变设备现场监测、科学研究和远程控制的基本需要，从理论构想到实际网络结构的规划，再到产品安装和组网调试，通过最新的物联网软硬件管理技术的应用，完成复杂电力设备的组网，并投入实际运行，并在投运后取得了预期效果。相关项目具有理论规划充分、网络结构灵活、实用性强、搭建速度快等特点，且采用了先进的P2P云平台通讯管理技术。随着新能源行业内对风电及光伏箱变设备管理要求提升，风电及光伏箱变设备远程通讯和智能化管理的多元化需求会日益增强，本文对箱变设备的远程通讯和智能化管理有着重要参考意义。