基于LoRa的風電場在線式五防系統設計

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

微機五防系統在變電站電氣操作防誤中發揮著不可或缺的作用。風電場一般參照常規變電站在升壓站內配置離線式微機五防系統，部分風電場在升壓站五防系統內集成了單獨的風機防誤功能，增加了對風機、箱變等發電設備的防誤管控，主要包含防誤主機、電腦鑰匙、傳輸底座、機械編碼鎖、電氣編碼鎖等各類鎖具及閉鎖附件，電腦鑰匙采用串口、紅外等方式與傳輸底座通信。

離線式微機五防系統主要存在以下問題。

(1) 網門、地線等離線輔助設備狀態，往往都是通過機械鎖具進行防誤，沒有納入變電站自動化系統的監視范圍，操作完成后通常電腦鑰匙回傳時才能更新狀態。

(2) 電腦鑰匙離開傳輸底座后也處于離線狀態，當電腦鑰匙操作打開鎖具后即認為當前設備操作完畢，而不是根據自動化系統采集的開關、刀閘設備輔助接點信息確認一次設備是否已經到位，即存在走空程問題，設備就地操作后無法實時監視操作是否到位，后續操作條件不滿足時，繼續操作可能引發事故甚至人身傷害。

(3) 離線設備操作時操作步驟的回傳、操作票下裝以及遠方/就地權限的切換，需要頻繁往返于監控室與操作場地之間，相對于集中布置的變電站而言，風電場各個風機布置分散且遠離升壓站，頻繁往返于升壓站與風機之間勢必浪費大量的操作時間，影響操作及檢修作業效率。

目前，主流的無線傳輸技術主要有ZigBee，NB-IoT， LoRa等。

(1) ZigBee技術應用較早，具有自組網能力，且功耗較低，在在線監測等領域得到了較廣泛的應用，但存在傳輸距離短、穿透能力弱、需大量布點的缺點，使其應用范圍受到了制約。

(2) NB-IoT依賴于運營商網絡，不適用于風電場等偏僻環境中。

(3) LoRa技術傳輸距離遠(1～2 km)，且功耗更低，因此，基于LoRa技術構建風電場在線式微機五防系統，具有一定的可行性和工程實用價值。

針對風電場五防系統設備離線帶來的一系列問題，在風電場現有微機五防系統的基礎上增加LoRa無線傳輸功能，實現電腦鑰匙實時通信回傳和網門、地線等離線設備狀態的在線監測，完善防誤校驗過程，避免操作往返，有效提高操作安全性和時效性。

1 系統架構

風電場在線式微機五防系統整體架構如圖1所示，新增部分見圖1右側虛線框部分，包括正/反向隔離裝置、網關、基站等網絡設備。

圖1 在線式微機五防系統架構

(1) 正/反向隔離裝置用于安全區Ⅰ與安全區Ⅳ之間網絡報文的單向數據交互，保證邊界安全。

(2) 升壓站網關通過LoRa無線下發操作票等信息至電腦鑰匙，同時接收電腦鑰匙操作過程信息轉換為標準E文件，由反向隔離裝置傳遞至防誤主機，從而實現電腦鑰匙離線后的實時通信。

(3) 網關與各個基站之間采用單獨光纖以太網環網結構，保證防誤主機與電腦鑰匙通信交互的及時性、可靠性和穩定性。

2 實現方案

2.1 無線組網及數據處理

風機之間間距較遠，加之無線基站發射功率有限，故在升壓站及每臺風機下各布置了一臺無線基站，實現關鍵區域LoRa網絡覆蓋。各無線基站接入UPS電源，保證風機停機時仍可正常操作。

防誤主機與傳輸底座、網關采用客戶端/服務器建立通信連接，傳輸底座、網關作為服務器端；網關與各個基站之間通過采用客戶端/服務器建立通信連接。

防誤主機需要啟動五防操作票等業務數據傳輸時，一并向傳輸底座和網關下發電腦鑰匙狀態查詢報文，電腦鑰匙接收后從所接收通信端口返回查詢結果。

若防誤主機收到傳輸底座返回的網絡報文，則認為電腦鑰匙當前安放于傳輸底座，選擇傳輸底座進行業務數據傳輸；若收到(網關生成后)反向隔離裝置上傳的E文件，認為電腦鑰匙離開傳輸底座，選擇無線網絡作為后續業務數據傳輸路徑。

升壓站網關及各個基站從以下幾個方面對收發的數據進行管控。

(1) 防誤主機下發電腦鑰匙狀態查詢報文時，由網關控制各個基站分批廣播該查詢命令，選取電腦鑰匙所在(靠近)的基站，后續的業務數據由網關直接以太網點對點傳輸到該基站進行無線發送。

(2) 各個基站接收到電腦鑰匙上傳的操作過程信息時，通過以太網轉發至網關，由網關進行去重處理后轉換為E文件。

(3) 基站、電腦鑰匙發送無線報文前先監聽當前信道是否有空中數據。若收到數據，則按指數避退原則等待，直至信道空閑，防止影響正在傳輸的空中數據。

(4) 丟棄接收到的不符合無線傳輸協議要求或校驗不通過的異常報文，業務數據發送方未及時收到回復啟動重傳。

2.2 電腦鑰匙設計

在常規離線式電腦鑰匙基礎上增配LoRa通信模塊，主CPU通過高速串口與LoRa通信模塊交互實現業務數據的無線收發。此外，還可通過該串口對LoRa通信信道、擴頻因子、發射功率等關鍵參數進行靈活配置，滿足不同網絡條件下的通信可靠性要求。

2.3 規約設計

考慮到風電場存在監控五防一體化的情形，即監控系統主備機都可通過配置啟用防誤軟件作為防誤主機使用，設計數據幀結構(見表1)，滿足多(防誤主機)對多(終端設備，如電腦鑰匙等)通信要求。

表1 防誤主機與電腦鑰匙交互數據幀 單位：B

(1) 網關接收到某一臺防誤主機的業務數據報文(下行報文)時，將該幀報文中的源地址與該防誤主機IP地址進行綁定。

(2) 當網關接收到基站轉發的電腦鑰匙報文(上行報文)時，則根據電腦鑰匙報文中目的地址(即下行報文的源地址)查詢對應防誤主機IP地址，生成E文件到以防誤主機IP地址命名的目錄，由反向隔離裝置傳送至對應的防誤主機。

通過網關、基站等網絡設備配合正/反向隔離設備提供信息交互通道，實現防誤主機與電腦鑰匙之間透明的信息交互，如圖2所示。

圖2 防誤主機與電腦鑰匙交互圖示

2.4 實時防誤檢驗

電腦鑰匙就地操作時的校驗交互流程如圖3所示，操作票每步操作后均通過無線及時回傳，通知防誤主機同步當前操作狀態信息，結合開關、刀閘設備輔助接點等信息核實操作是否到位，到位則發送繼續操作指令給電腦鑰匙，允許進行下一步操作；否則，應等待設備到位或排除故障后才能繼續操作。

圖3 電腦鑰匙就地操作校驗流程

通過防誤主機與電腦鑰匙實時在線交互，同步離線設備狀態信息，驗證設備操作是否到位，防止“走空程”發生；同時，對操作過程中因運行方式變化導致當前操作條件不滿足的情況，也可及時閉鎖電腦鑰匙當前操作，防止誤操作造成危險。

3 設計方案驗證

按照圖1所示架構配置，基于LoRa無線通信構建在線式微機五防系統，設置反向隔離裝置發送端軟件掃描周期為1 s。進行以下測試，驗證所設計系統功能和性能是否滿足現場使用要求。

3.1 典型五防報文延時測試

選取風電場微機五防系統典型的4種報文進行操作驗證，步驟如下。

(1) 電腦鑰匙查詢報文。單幀，共11 B，用于檢測通信鏈路是否正常，電腦鑰匙是否開機等。

(2) 操作票1。單幀，共150 B，包含10項操作任務。

(3) 操作票2。單幀，共550 B，包含50項操作任務。

(4) 鎖具信息。5幀，共4 617 B，包括全風電場設備鎖具、附件配置情況、編碼信息等。

按照電腦鑰匙有線(放置于傳輸底座)和無線(離開傳輸底座)通信分別測試上述報文交互的操作耗時。有線通信方式下，記防誤主機發出報文到收到電腦鑰匙回復報文時間之差為T1；無線通信方式下，記防誤主機發出報文到電腦鑰匙發出無線回復報文時間之差為T2；記防誤主機發出報文到防誤主機收到反向隔離裝置發送的E文件時間之差為T3。重復10次測試，平均耗時見表2。

表2 典型報文操作耗時 單位：s

由表2可知，采用LoRa無線通信方式時，典型報文通信總耗時相比有線通信有所增加，主要是增加了LoRa空中數據發送過程和正/反向隔離傳輸環節(T3—T1)。對現場手持電腦鑰匙的操作者來說，操作等待延時更短，增加的時間(T2—T1)相比往返操作現場與升壓站的路途耗時則可忽略。

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

3.2 實時操作防誤驗證

防誤主機生成10步操作票，下載至電腦鑰匙，按照就地操作—電腦鑰匙實時回傳—防誤主機允許下一步操作順序，測試操作步驟1～4實時防誤交互延時，測試結果顯示，電腦鑰匙就地操作到允許下一步的時間約3 s，一般不超過現場操作人員確認設備到位時間，即增加實時交互確認不影響現場操作的連續性，同時能夠提高電腦鑰匙就地操作的安全性。

4 結束語

實際應用證明，該風電場在線式五防系統滿足升壓站和風電場操作實時防誤要求，避免了操作往返，有效提高了檢修操作效率和安全性。