CN212064265U - 基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，包括若干就地采集终端装置和远程主机装置，所述就地采集终端装置和远程主机装置之间通过LoRa模块进行数据互联；所述就地采集终端装置包括：包括依次连接的钳流表、AD模块、和FPGA模块，所述远程主机装置包括ARM以及与其连接显示屏和电网口模块，本实用新型针对就地检测方式下工作点距离一次电气设备较近，人员及设备存在极大安全隐患的问题，研制一种基于LoRa无线传输技术的远程电气量实时检测系统，满足电力系统用户对变电站一次电气量检测的需求。
Description
技术领域
本实用新型公开了基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，涉及微电网控制技术领域。
背景技术
目前电力系统在变电站投运的时候有大量的电气量需要进行检测已保证投运后电网的安全运行，但由于变电站在投运过程中大量的电气设备已经带电运行，这给现场检测人员带来了极大的风险，最近发生了多次在变电站投运过程中进行一次设备带电检测的时候，一次设备的损坏而造成检测人员的人身伤亡事故。
现有的现场投运检测基本都是现场人员在投运过程中手持测试仪器在需要进行电气量检测的部位进行关于电流、电压以及谐波的检测。这种检测方式使得检测人员暴露在一次设备带电的危险环境之中。在线监测技术由于成本与不可移动性还没法将所有需要检测点进行全方位覆盖。
所以目前阶段急需一种无线检测系统能够在变电站投运过程中实现无接触式电气量测量远距离无线传输，实现检测人员在远离带电设备不接触的情况下完成变电站的电气量检测工作。
实用新型内容
本实用新型针对上述背景技术中的缺陷，提供基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，结构简单，可靠性高。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，包括若干就地采集终端装置和远程主机装置，所述就地采集终端装置和远程主机装置之间通过LoRa模块进行数据互联。
进一步的，所述就地采集终端装置包括：包括依次连接的钳流表、AD模块、和FPGA模块，所述FPGA模块通过LoRa模块与远程主机装置进行数据互联；钳流表采用钳形开口结构，挂接在被测变电站的电流导线上，将大电流信号传变为测试设备可接入的小电压信号，现场测试时使用方便且不会对被测设备造成损坏；AD模块由FPGA芯片直接驱动，在较高采样率下实时将接入的模拟量信号转换为数字量信号；FPGA芯片控制AD模块的转换流程，并对AD模块转换的瞬时采样值进行信号分析，获取采样信号的基波及各次谐波含量，最后通过TTL串口协议将分析数据输出至LoRa模块，由其采用433MHz的LoRa无线调制技术，将数据上送至远程主机装置。
进一步的，所述远程主机装置包括ARM以及与其连接显示屏和电网口模块，所述ARM通过通过LoRa模块与就地采集终端装置进行数据互联； LoRa模块负责将远程主机装置与采集终端交互的通信数据转换为TTL电平信号； ARM依次控制各采集终端的无线通信，防止数据传输冲突，获取终端的无线信号强度，接收各终端上送的采样数据，并在液晶屏上显示检测结果，实现人机交互；电以太网口（电网口模块）用于装置的调试及将检测数据上送至主站。
进一步的，所述LoRa模块采用泽耀科技的AS32-TTL-100无线串口LoRa传输模块。
进一步的，包括充电电池，所述充电电池用于就地采集终端装置的供电；就地采集终端通过内置充电电池供电，无需外部电源，可在被测信号附近方便的放置。
进一步的，所述LoRa模块与ARM之间还可通过RS485模块连接，RS485模块负责将TTL信号转换为标准RS485电平信号，提高信号长距离传输的稳定性，实现LoRa通信模块的外置延伸。
进一步的，所述AD模块采用ADI公司的AD7606模数转换芯片，所述FPGA模块采用Xilinx的Spartan-6系列产品XC6SLX150。
进一步的，所述ARM采用NXP的i.MX 6系列处理器，基于Cortex-A9内核架构。
进一步的，所述RS485模块采用MAXIM公司的MAX13085E收发器。
进一步的，所述电网口采用Intel公司的LXT971网络通讯接口电路。
有益效果：1、变电站分布式远程实时检测：在变电站一次被测信号处，直接挂载内置电池的就地采集终端，所有后续操作均可在主控室内通过远程主机完成，有效实现了变电站内的一、二次设备隔离，极大程度避免了变电站检修调试过程中可能存在的安全隐患。
2、基于LoRa的无线传输技术：采用LoRa远距离无线电调制技术，相对于其它无线通信方式，在相同功耗下的传输距离更远，支持多信道多数据速率的并行处理，实现了无线传输低功耗与远距离的统一，具备较好的抗干扰传输能力，满足变电站实时监测系统的应用需求；
3、低功耗的就地采集终端：就地采集终端在硬件上采用了低功耗的模数准换、信号处理及无线传输设计方案，使用内置充电电池向终端供电，可持续工作时间长，在变电站现场使用方便，保证了变电站远程调试工作的可行性；
4、独立FPGA处理器设计。采集终端内部由独立的FPGA可编程逻辑实现采样信号计算，提高了对多路数据信号分析的实时性与同步性，无需ARM或DSP处理器辅助运算，降低了终端装置的整体功耗和生产成本；
5、可外置的主机通信模块。考虑远程主机一般放置在密闭的主控室内，为提高其与各采集终端的无线通信稳定性，主机的LoRa通信模块可通过RS485有线方式外拓。当主控室内环境复杂，无线通信信号强度较差时，可将主机的无线通信模块延伸至户外，提升测试系统的可用性。
附图说明
图1是本实用新型的系统框架；
图2是本实用新型的就地采集终端硬件架构；
图3是本实用新型远程主机装置硬件架构。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1所示，基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，包括若干就地采集终端装置和远程主机装置，所述就地采集终端装置和远程主机装置之间通过LoRa模块进行数据互联。
如图2所示，所述就地采集终端装置包括：包括依次连接的钳流表、AD模块、和FPGA模块，所述FPGA模块通过LoRa模块与远程主机装置进行数据互联。
如图3所示，所述远程主机装置包括ARM以及与其连接显示屏和电网口模块，所述ARM通过通过LoRa模块与就地采集终端装置进行数据互联。
就地采集终端装置由电池供电，接入钳形表传变的被测电气信号，通过模数转换获取的数字信号，并在终端内部直接对信号进行分析，然后将信号处理结果通过433MHz的LoRa调制无线通信传输至远程主机；远程主机位于变电站主控室内，可将接收的多组终端电气信号实时显示至外部。
所述钳形表传采用高精度交流钳形互感器，额定变比1A/10mV，测量范围%1至120%额定值，绝缘电阻大于1000MΩ，工作环境温度: - 10℃至40℃，符合“CAT III”等级的要求，安全使用范围300V及以下，通过BNC接口接入后端。
钳形互感器采集变电站一次信号，使用开口结构，可方便的挂接在被测变电站的电流导线上，将大电流信号传变为测试设备可接入的小电压信号，送入采集终端转换分析。
所述LoRa模块采用泽耀科技的AS32-TTL-100无线串口LoRa传输模块；AS32是一款433MHz，100mW，具有高稳定性，工业级的无线数传模块。采用射频芯片SX1278设计开发，LORA扩频调制，TTL电平输出，大大提高了模块的抗干扰性和高稳定性；具有四种工作状态，并可以在运行时自由切换，在省电工作状态下，消耗电流极低，非常适合超低功耗应用。
所述AD模块采用ADI公司的AD7606模数转换芯片，AD7606具有16bit的采用精度，支持8通道同步采样，输入电压范围最高可达±10V，支持单电源供电，内置2阶抗混叠模拟滤波器，采样频率最高可达200kSPS；通过专用的隔离芯片隔离内部模拟电路与数字电路，可提高其抗干扰能力，减少模拟信号对AD采样精度的影响；终端每次开始采样后，在转换信号上升沿，AD7606对差分输入引脚之间的电压差进行采样；基准电压由外部提供，并且可以设置为电源电压；AD7606的功耗和吞吐速率呈线性变化关系；支持SPI通信方式和菊花链连结模式。
所述FPGA模块采用Xilinx的Spartan-6系列产品XC6SLX150；基于45nm低功耗工艺，包含有147443个逻辑单元，4824Kb的Block RAM专用存储器和6个CMT时钟管理模块，资源丰富，运行速度快，实现了性价比与功耗的完美平衡；利用FPGA的并行信号处理能力和实时性，控制AD模块实现高速AD采样；实时对多路模数转换结果进行信号分析；并控制LoRa模块将分析结果无线上送至远程主机；由于仅采用独立的FPGA处理器实现终端的所有主控功能，因此可进一步降低终端的整体功耗。
所述ARM采用NXP的i.MX 6系列处理器，基于Cortex-A9内核架构；包含一个四核平台，运行频率最高可达1.2 GHz，配备1MB L2缓存、图形硬件加速和64位DDR3或2通道、32位LPDDR2支持；该平台了集成了FlexCAN和MLB总线、PCI Express和SATA-2，提供卓越的连接性，同时还集成了双通道MIPI显示屏接口、MIPI摄像头接口和HDMI v1.4，非常适合用于自动化工业应用。
ARM控制LoRa模块与所有就地终端进行数据交互，控制终端的数据传输防止通信冲突，并将检测结果输出至液晶屏，获取检测参数配置，实现测试系统与外部的人机交互。
所述LoRa模块与ARM之间还可通过RS485模块连接；所述RS485模块采用MAXIM公司的MAX13085E收发器；MAX13085E是一款通过+5v电压供电，具备ESD保护、失效保护以及热插拔控制的RS-485控制器，包含一路驱动器和一路接收器；器件内置失效保护电路，当接收器输入开路或短路时，可以确保接收器输出逻辑高电平；同时具备低摆率驱动器，可以减少EMI及电路干扰对传输的影响，实现最高500kb吞吐量的数据传输波特率；RS485模块负责将主机LoRa模块交互的TTL电平信号转换为RS485电平信号，可有效增加信号传输的稳定性及抗干扰能力。基于RS485传输方式，可将主机的LoRa通信模块外置延伸至主控室外，消除室内屏蔽环境对LoRa数据传输的影响，有效提高测试系统的远程测试覆盖范围。
所述电网口采用Intel公司的LXT971网络通讯接口电路；符合IEEE标准，直接支持10Mb/s/100Mb/s双绞线应用，也支持100Mb/s光纤接口。兼容IEEE802.3，支持10Base5、10Base2、10BaseT, 100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自动检测所连接的介质；电以太网口可用于工作人员对测试系统调试，同时可用作测试系统与变电站通信主站的信息交互接口。
具体工作步骤如下：
步骤1：就地电气量采集
按采样间隔数量，将多个就地采集终端分别放置在变电站一次被测信号附近，实现在变电站现场的分布式就地电气量采样；采用钳形可开口互感器钳入被测一次电流导线，将一次电流信号传变为二次小电压信号，然后接入至采集终端的模数转换模块，将小电压信号变换为数字量信号，完成信号传变采集；一次电气信号就地采集后由终端内部FPGA对信号进行处理。
步骤2： 终端内部信号处理
由步骤1采集转换获取的数据，直接在终端内部进行快速傅里叶变换（FFT）。终端配置了独立的FPGA可编程逻辑作为数据处理模块，当步骤1中AD采样频率设置为12800Hz时，将步骤2中的FFT计算长度设置为256个采样数据点，即FFT的分辨率为50Hz。FFT输入为定点16bit数据，经过4组蝶形运算后输出25bit的无压缩数据，得到所有采样信号的直流、工频基波及各次谐波（最大为255次）的瞬时向量值实、虚部，后续通过步骤3将数据上传至远程主机装置，由主机二次计算获取幅值和相位信息；终端内部采用硬件并行处理模式，由FPGA按采样通道数建立多组FFT算法模块，并行输入前级AD采样的瞬时数字量，同步进行FFT运算，保证了多路数据处理结果的实时性与同步性；步骤2处理后的数据，由LoRa模块无线发送至远程主机装置；
步骤3：LoRa无线数据传输
就地采集终端通过步骤2计算出所有采样通道的信号含量后，由内部的LoRa模块将数据传输至远程主机装置；采集终端内部的FPGA通过UART协议与LoRa模块交互数据，基于3.3VTTL电平，使用RX、TX及GND三路信号线。LoRa模块采用定点传输模式，发送方报文首附加“目的地址高”、“目的地址低”及“信道”3个字节，主机地址固定，终端地址可由 “终端ID”参数设置，信道可更改；接收方收到数据后，首先检测地址与信道是否匹配，若匹配则获取后续数据，否则丢弃报文。
为避免无线数据传输冲突，远程主机装置采用轮询模式依次向各采集终端获取数据，当完全获取一个终端的上送数据后，才向下一终端发送数据召唤命令。每次步骤2中FFT运算结束后，各就地终端的FPGA将结果缓存在片内FIFO中，等待主机召唤；当接收到主机的数据召唤命令后，终端立即将有效信息附加地址与信道参数输出，然后转入召唤等待状态。
步骤4： 远程主机装置数据汇总显示
通过步骤3，远程主机装置依次召唤所有就地终端采集信号的实、虚部数据，然后计算相应的信号幅值与相位，并在液晶屏上显示。远程主机可以配置各终端通信参数、无线模块参数和数据召唤频率。为方便系统调试，远程主机装置还可显示所有终端的原始上送报文及LoRa通信强度。另外的，远程主机装置还可通过百兆RJ45电以太网与外部系统进行连接，实现采集信息上送及远程调试等功能。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，其特征在于，包括若干就地采集终端装置和远程主机装置，所述就地采集终端装置和远程主机装置之间通过LoRa模块进行数据互联，所述就地采集终端装置包括：包括依次连接的钳流表、AD模块、和FPGA模块，所述FPGA模块通过LoRa模块与远程主机装置进行数据互联，包括充电电池，所述充电电池用于就地采集终端装置的供电。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，其特征在于，所述远程主机装置包括ARM以及与其连接显示屏和电网口模块，所述ARM通过LoRa模块与就地采集终端装置进行数据互联。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，其特征在于，所述LoRa模块采用泽耀科技的AS32-TTL-100无线串口LoRa传输模块。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，其特征在于，所述LoRa模块与ARM之间还可通过RS485模块连接。
5.根据权利要求1所述的基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，其特征在于，所述AD模块采用ADI公司的AD7606模数转换芯片，所述FPGA模块采用Xilinx的Spartan-6系列产品XC6SLX150。
6.根据权利要求2所述的基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，其特征在于，所述ARM采用NXP的i.MX 6系列处理器，基于Cortex-A9内核架构。
7.根据权利要求4所述的基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，其特征在于，所述RS485模块采用MAXIM公司的MAX13085E收发器。
8.根据权利要求2所述的基于LoRa无线传输技术的变电站实时检测系统，其特征在于，所述电网口模块采用Intel公司的LXT971网络通讯接口电路。
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| CN113671411A (zh) * | 2021-09-02 | 2021-11-19 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于LoRa通讯的变电站短路试验过电压测试装置及方法 |
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