基于分数阶滤波系统的LoRa新型抗干扰SF6密度继电器

刘畅，郭帅，武倩男

（国网河北省电力有限公司检修分公司，河北 石家庄 050000）

SF6气体密度继电器是用来检测高压电器设备中SF6气体密度的变化情况，广泛用于SF6断路器、互感器、避雷器、电容器、电缆等单一设备中，也用于气体绝缘封闭式组合电器、插接式开关系统等组合电器设备中，其密度数据能否准确获取直接影响高压电器设备的安全稳定运行。传统SF6气体密度继电器数据获取需要人工进行设备全面巡视，设备的增多会导致工作量及巡视误差的增大。部分变电站虽装有SF6气体密度在线监测系统，由于设备所处电磁环境噪声复杂，导致通过在线监测系统获取的SF6气体密度数据并不准确[1-4]。

为此，研究数据准确的新型抗干扰远传式SF6气体密度继电器对突破传统运检模式的信息获取方式、提升数据精准性、保证设备安全稳定具有重要意义。

1 SF6气体密度继电器

传统SF6气体密度继电器是由带报警和闭锁触点的密度表或密度表与继电器合二为一组成，可以直观地监测SF6气体的压力情况。当电器设备内的SF6气体密度下降至压力报警值时，SF6密度继电器发出报警信号；当电器设备内的SF6气体密度下降至压力闭锁值时，SF6密度继电器发出闭锁信号[5]。

根据结构可将SF6气体密度继电器分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ型[6]。Ⅰ型SF6气体密度继电器主要用于早期高压电气设备，由感温包、微动开关、杠杆及波纹管组成，其原理是：设备工作于额定气压时杠杆平衡；当温度变化时两组波纹管气压等幅变化，实现温度补偿；当设备内SF6漏气时波纹管压缩，发出报警信号；若补气不及时，会触发闭锁信号进而闭锁。

Ⅰ型继电器的感温包大多置于机构箱内，并且箱内与高压设备内部SF6温度通常不等，造成继电器误报情况频繁发生。Ⅱ型密度继电器在Ⅰ型的基础上，减少波纹管的个数，并配合SF6真空压力表进行检测。由于同样安装于机构箱内，误报情况仍然频繁发生。Ⅲ和Ⅳ密度继电器将真空压力表与SF6密度继电器进行组合，利用压力检测弹簧管检测设备内SF6气体压力，利用膨胀系数不同的双金属片进行温度补偿并达到平衡，进而减少了继电器的误报[6]。但由于双金属片特性，对继电器精度有一定影响。Ⅳ型密度继电器在Ⅲ型基础上加入温度补偿弹簧管，使得可靠性进一步提升。

现有大部分变电站高压电器设备SF6密度信息需要传统人工巡视获取，无法在主控制室直接获取。此外，部分变电站中密度继电器虽装有SF6密度在线监测系统或采用有线传输SF6气体密度继电器[7]，由于元件设备所处电磁环境较为复杂，其数据采集存在一定误差，严重情况会导致误判甚至设备已发生故障而未收到报警信息，对电网安全稳定运行造成极大影响。

2 基于LoRa 的远传式SF6气体密度继电器

为了解决现有SF6气体密度继电器存在的问题，特别是在复杂电磁环境下无法准确采集气体密度数据的问题，本文研究一种基于远距离无线电技术（long range radio，LoRa）的抗干扰远传式SF6气体密度继电器。LoRa 是基于低功耗广域网络的远距离无线电技术[8-10]。与传统传输方式相比，LoRa具有传播距离远、低功耗、准确精度高的特点。LoRa通信技术的特性如表1所示。

表1 LoRa通信技术特性Tab.1 LoRa communication technology characteristics

在高压电器设备的SF6密度继电器上布置集成LoRa通信组件的数据采集传感器，传感器通过LoRa 组件与布置在类端的LoRa 基站通信；LoRa基站可以通过多跳的方式进行组网，将传感器处获得的感知数据通过电力光纤网回传至电力内网，并利用云平台处理利用，整体网络主架构如图1所示。

图1 基于LoRa的远传式SF6密度继电器网络主架构Fig.1 Main architecture of remote SF6 density relay network based on LoRa

1）LoRa 接入网：SF6数据采集装置通过“多对一”的方式接入到类端节点。在标准的LoRa WAN 通信协议基础上，针对SF6数据采集传感器的使用特点，进行协议裁剪和优化。

2）类端组网：类端节点间通过无线多跳实现信息传输，具备自组网、自适应路由等功能，优化数据的调度和传输质量。

3）电力光纤网：利用成熟的电力光纤网技术，在类端加装终端模块，实现类端接入电力专网能力；或者利用变电站已铺设电力光纤网，通过有线接入方式并经加密和防火墙，实现电力内网的接入。

根据LoRa 通信技术容量大特点，1 个类端节点可以连接上万个数据采集信号，即在采集SF6数据信号的基础上，可以获取大量元件信息，进而组成SF6数据信息电力物联网，实现电网高压电器设备信息的有效获取。

2.1 远传式SF6密度继电器数据感知装置

SF6密度继电器数据感知装置一般由感知、处理、通信和供电这4个基本功能模块组成，总体架构设计如图2 所示。数据感知装置连接于SF6密度继电器本体下部。

图2 数据感知装置总体架构设计Fig.2 Overall architecture design of data sensing device

基于LoRa的嵌入式数据感知装置，采用模块化、芯片化设计技术提高装置的集成度。将传感器模块和核心板（microcontroller unit，MCU）的接口标准化，使各类传感器可以接入同一个MCU核心板，MCU 核心板是数据感知装置算法和通信协议的载体。低功耗高能电池管理模块包括用于切除传感器模块的可控开关、用于调节不同类型传感器供电电压的升压和降压模块、用于为传感器提供稳定参考电压的Vref 模块以及用于电池管理的模块（system on chip technology，SOC）。LoRa通信模块为传感器数据与基站进行通信。

2.2 远传式SF6气体密度继电器类端设计

远传式SF6气体密度继电器的类端节点应用场景根据电压等级或设备类型进行区域划分。

根据电压等级进行区域划分时，同一电压等级电气间隔末端设置类端节点，收集该电压等级内不同设备SF6气体密度继电器数据。图3 所示为220 kV 电压等级GIS 设备每个电气间隔装设1个SF6气体密度继电器类端，该类端收集220 kV电气间隔三相设备中SF6密度继电器的数据信息。图中虚线框表示采集传感器设计位置，采用无线传输的方式将数据传递至该电压等级类端节点。不同的电压等级类端节点进行组网，并通过电力光纤网传至数据云平台。

图3 220 kV电压等级GIS设备无线类端节点设计Fig.3 Design of wireless end node of 220 kV voltage grade GIS equipment

该型区域划分的类端节点设计方式可以横向获得同一电压等级不同设备的SF6数据信息，提升了该电压等级下设备状况分析效率。根据电压等级进行区域划分的类端节点可以广泛适用于各种电压等级变电站。

根据设备类型进行划分的设计原理图如图4所示。该型区域划分的类端设计方式，可以纵向获得同一类型设备在不同电压设备区的SF6数据信息。根据设备类型进行区域划分时，类端节点收集不同电压等级电气间隔同类型设备的SF6气体密度继电器数据。例如1 000 kV特高压变电站中，断路器类端节点可分别收集1 000 kV，500 kV，110 kV，35 kV 电压等级中各三相断路器的SF6密度数据信息，见图4。隔离开关类端节点可收集不同电压等级中各三相隔离开关的SF6密度数据信息，不同设备类端节点进行组网，并传至数据云平台。

图4 设备型无线类端节点设计Fig.4 Design of device type wireless end node

3 基于分数阶滤波系统的SF6气体密度继电器

通过电器设备外壳、信号线、电源端口、控制线、地线等方式形成电磁干扰是电器设备在复杂电网环境下所受电磁干扰的主要方式[11]。在远传式气体密度继电器的远传部分中，电源的地位极其重要。来自电网的干扰信号主要通过电子远传部分或数据采集传感器的供电电源等耦合串入远传密度继电器。此外，作为SF6气体密度继电器的重要数据源头，SF6气体压力或温度等数据采集传感器在接入MCU核心板前，其信号会受到来自地以及其两级间的硬件干扰。基于以上分析，提高SF6气体密度继电器抗干扰性的重要原则是阻止干扰信号的传播。

本节从供电电源干扰以及硬件干扰两个重要方面出发，研究基于分数阶滤波系统的远传式SF6气体密度继电器。

3.1 基于分数阶噪声滤波器的电源抗干扰处理

传统噪声滤波器是根据电感和电容的特性将其并联或串联入电源电路。虽然电路中电感和电容元件数的增多会一定程度降低电源电路中的干扰信号，但元件数的增多也会加大电路设计与实现难度。随着分数阶电路系统的发展，分数阶元件可以获得更多的电路特性及更大的设计自由度[12-14]。

在电源输入端增加分数阶电源噪声滤波器，其等效电路图如图5 所示。其中，电源输入端的正负接地电阻并入RS，电源等效为一个负载RL的分数阶滤波电路。图中，P，N，P′，N′分别代表分数阶噪声滤波器的输入端口以及输出端口。

图5 电源等效电路图Fig.5 Equivalent circuit diagram of power supply

分数阶噪声滤波器由分数阶差模及分数阶共模两部分组成，其电路原理如图6所示。其中，分数阶电容Cα1,Cα2的阶次为α1,α2，分数阶电感Lβ1,Lβ2的阶次为β1,β2。分数阶差模及共模分别用来衰减交流进线上的差模及共模干扰噪声。

图6 分数阶噪声滤波器电路原理图Fig.6 Schematic diagram of fractional-order noise filter circuit

根据图6 的分数阶噪声滤波器电路，可以得到输出电压U2如下式所示：

式中：ω为干扰信号角频率。

利用阻抗匹配法，使得分数阶噪声滤波器对高频传导干扰具有最大损耗。

对传统噪声滤波器及分数阶噪声滤波器分别施加频率ω=50 rad/s 的正弦电压，通过仿真测量电源输入端端口电流。传统噪声滤波器及分数阶噪声滤波器的响应特性分别如图7、图8所示。

图7 传统噪声滤波器响应特性Fig.7 Response characteristic of traditional noise filter

图8 分数阶噪声滤波器响应特性Fig.8 Response characteristic of fractional-order noise filter

由图7、图8 可以得出，传统噪声滤波器的电源响应特性需要大约5 个周期约0.7 s 达到稳态，同时其波峰及波谷相差较大；相同条件下分数阶噪声滤波器的电源响应特性仅需要2 个周期约0.2 s 达到稳态，同时其波峰及波谷相差很小。现场复杂电源环境下两种滤波器的电源响应特性之间差距更大，分数阶噪声滤波器更适合复杂环境下的电源抗干扰处理。

此外，给定相同输入信号，传统噪声滤波器与分数阶噪声滤波器的插入损耗如图9所示。由图可知，传统噪声滤波器的频率特性范围较窄（曲线斜率较小），分数阶噪声滤波器的频率特性范围较宽（曲线斜率较大）。传统噪声滤波器的衰减频率及通过频率的选择度较低，有可能导致部分信号衰减或噪声没有彻底去除。分数阶噪声滤波器频率的选择度较高，SF6气体密度继电器各类数据可以在几乎不衰减的状态下去除噪声。

图9 传统噪声滤波器与分数阶噪声滤波器插入损耗对比Fig.9 Comparison of insertion loss between traditional noise filter and fractional-order noise filter

如表2所示，选取不同分数阶次，分数阶噪声滤波器的插入损耗如图10所示。由图可知，随着阶次的升高，分数阶滤波器频率特性范围越大。此外，SF6气体密度继电器可以根据安装位置所处的不同噪声环境，选取适当分数阶滤波阶次，达到更好的预期滤波效果。值得一提的是，随着分数阶电容、电感的研究及开发，大部分的分数阶元件均可在市场中购买到，或通过整数阶电容、电感进行高阶次逼近而实现。

表2 分数阶噪声滤波器阶次Tab.2 Orders of fractional-order noise filter

图10 不同阶次分数阶噪声滤波器插入损耗Fig.10 Insertion loss of fractional-order noise filters with different order

3.2 基于分数阶切比雪夫滤波器的硬件抗干扰处理

对于传统SF6气体密度继电器的硬件抗干扰处理，通常是在SF6气体压力或温度等数据采集传感器信号接入MCU核心板前，通过信号线与地间并联电容来减少共模干扰；通过信号两极间的传统滤波器来减少差模干扰。因为电磁干扰的特性较为复杂并体现出了分数阶的特性，利用并联传统整数阶电容及电感、传统整数阶滤波器的方法无法更好地解决硬件抗干扰问题。本小节利用分数阶切比雪夫滤波器对硬件抗干扰问题进行研究。

在SF6气体压力或温度等数据采集传感器信号输出端增加分数阶切比雪夫滤波器，其等效电路如图11 所示。其中，Uo，Uin分别为数据采集传感器信号输出端电压及MCU核心板输入端电压；Ro，Rin分别为数据采集传感器信号输出端等效电阻及MCU核心板输入端等效电阻。

图11 硬件抗干扰等效电路图Fig.11 Equivalent circuit diagram of hardware anti-interference

分数阶切比雪夫抗干扰滤波器的电路原理图如图12所示，其中分数阶电容Cα1,Cα2的阶次分别为α1,α2。

图12 分数切比雪夫抗干扰滤波器电路原理图Fig.12 Schematic diagram of fractional-order Chebyshev anti-interference filter

根据图12的分数切比雪夫滤波器电路，结合电网络理论可以得到输出电压U2如下式所示：

给定相同输入信号，传统硬件抗干扰滤波与分数阶切比雪夫抗干扰滤波的插入损耗如图13所示。由图可知，传统硬件抗干扰滤波的频率特性范围较窄（曲线斜率较小），分数阶切比雪夫抗干扰滤波的频率特性范围较宽（曲线斜率较大）。传统硬件抗干扰滤波的衰减频率及通过频率的选择度较低，有可能导致部分硬件干扰无法彻底去除。分数阶切比雪夫抗干扰滤波频率的选择度较高，SF6气体压力或温度等数据采集传感器信号可以在衰减极少的状态下去除硬件干扰。

图13 传统硬件抗干扰滤波与分数阶切比雪夫抗干扰滤波插入损耗对比Fig.13 Comparison of insertion loss between traditional hardware anti-interference filter and fractional-order Chebyshev anti-interference filter

如表3所示，选取不同分数阶次，分数阶切比雪夫抗干扰滤波器的插入损耗如图14所示。

图14 不同阶次分数阶切比雪夫抗干扰滤波器插入损耗Fig.14 Insertion loss of fractional-order Chebyshev anti-interference filters with different order

表3 不同阶次分数阶切比雪夫滤波器参数Tab.3 Parameters of fractional-order Chebyshev filter under different orders

由图14 可知，随着阶次的升高，分数阶滤波器频率特性范围越大。采用分数阶切比雪夫硬件抗干扰方法，可以提高SF6气体密度继电器采用的硬件裕度，即选择适当的分数阶阶次来实现多种数据感知装置的硬件抗干扰。

对于表3 所示α2三种阶次0.2，0.5，0.8 的分数阶电容Cα2，其电容值可以通过4 阶整数阶电容、电阻组成的电路进行逼近实现，如图15所示。

图15 分数阶切比雪夫抗干扰滤波器中分数阶电容逼近等效电路Fig.15 Fractional capacitor approximation equivalent circuit for fractional-order Chebyshev anti-interference filters

4 现场试验验证

基于分数阶滤波系统的LoRa 新型抗干扰远传式SF6密度继电器样机现场安装如图16 所示。为了测试其供电电源抗干扰及硬件抗干扰两方面的可靠性，将样机分别安装于河北南部电网某500 kV 变电站的220 kV，500 kV 两种电压等级SF6组合电器设备上，并与相同环境下传统的SF6密度继电器进行对比。

图16 新型抗干扰远传式SF6密度继电器现场样机Fig.16 Field prototype of SF6 density relay with new anti-interference and remote transmission

新型抗干扰远传式SF6密度继电器与传统SF6密度继电器在220 kV 及500 kV 电压等级的组合电器设备上供电电源抗干扰对比情况分别如图17、图18 所示。其中，两种电压等级中新型抗干扰远传式SF6密度继电器的分数阶噪声滤波器参数如表4所示。

图17 220 kV组合电器供电电源抗干扰对比Fig.17 Anti-interference comparison of power supply for 220 kV gas-insulated metal-enclosed switchgear

图18 500 kV组合电器供电电源抗干扰对比Fig.18 Anti-interference comparison of power supply for 500 kV gas-insulated metal-enclosed switchgear

表4 两种电压等级中的分数阶噪声滤波器参数Tab.4 Parameters of fractional-order noise filter in two types of voltage levels

由图17可以明显看出，采用分数阶噪声滤波器供电电源抗干扰的SF6密度继电器可以在高频范围上有效抑制电网通过供电电源耦合进入的干扰。而传统SF6密度继电器随着干扰频率的增加，供电电源抗干扰能力有所下降，无法有效抑制耦合进入的干扰。对于图18 所示500 kV 电压等级的组合电器两种SF6密度继电器供电电源抗干扰对比情况，采用分数阶噪声滤波器的SF6密度继电器将耦合进入的干扰信号幅值抑制在30～60 dB，而传统SF6密度继电器无法有效抑制干扰信号，同时随着频率的增加，干扰信号幅值高达120 dB，约为新型抗干扰滤波器的4倍。

新型抗干扰远传式SF6密度继电器与传统SF6密度继电器在220 kV 及500 kV 电压等级的组合电器设备上硬件抗干扰对比情况分别如图19、图20所示。其中，两种电压等级中新型抗干扰远传式SF6密度继电器的分数阶切比雪夫滤波器参数如表5所示。

表5 两种电压等级中的分数阶切比雪夫滤波器参数Tab.5 Parameters of fractional-order Chebyshev filter in two types of voltage levels

图19 220 kV组合电器硬件抗干扰对比Fig.19 Hardware anti-interference comparison of 220 kV gas-insulated metal-enclosed switchgear

图20 500 kV组合电器硬件抗干扰对比Fig.20 Hardware anti-interference comparison of 220 kV gas-insulated metal-enclosed switchgear

由图19可以明显看出，采用分数阶切比雪夫滤波器硬件抗干扰的SF6密度继电器可以有效抑制共模、差模干扰，使得接入MCU核心板的SF6气体压力或温度等数据采集传感器信号更加准确。对于图20 所示500 kV 电压等级的组合电器两种SF6密度继电器硬件抗干扰对比情况，两种SF6密度继电器均可以在105～107Hz 频带范围内对硬件干扰进行抑制。但通过试验对比可以发现，新型抗干扰SF6密度继电器的抑制效果更加明显。同时随着频率的增加，传统SF6密度继电器无法持续对硬件干扰进行抑制，虽然此时新型抗干扰SF6密度继电器的抑制作用有些减弱，但要比同频带的传统SF6密度继电器抑制效果好。高频带时新型SF6密度继电器抑制效果约为传统密度继电器的3倍。

5 结论

本文基于分数阶滤波系统的新型抗干扰SF6密度继电器，解决了传统SF6密度继电器在供电电源抗干扰和硬件抗干扰两方面问题，提高了SF6密度继电器在复杂电磁环境下的抗干扰性，提升了高压电器设备信息传输的可靠性。