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一种电力线空气开关信号鲁棒传输与控制技术

2024-10-18 134 上传者：管理员

摘要：针对电力线空气开关远程控制中鲁棒性差的问题，提出一种电力线空气开关信号鲁棒传输与控制方法。利用电力线载波通信技术对空气开关的远程传输模块进行优化，通过继电器模块、载波通信模块、显示模块、开关动作模块和摄像头模块之间的协调配合，增强抗电磁干扰能力，提升硬件控制过程的鲁棒性。采用RSA算法确定空气开关信息素数，根据信息加密和密钥参数建立电力线载波空气开关远程通信协议，防止空气开关误操作和远程信号入侵，提升了控制信号鲁棒性。实验结果表明，应用该方法的控制信号抗干扰效果较好；触头压力较为稳定，为350 N；防误操作效率较高，为97%。控制鲁棒性增强。

关键词：
电磁干扰
空气开关
载波通信
远程控制
鲁棒性
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电力智能化、远程化发展逐渐成为电力企业的需求之一，尤其是远程控制技术，可逐步改善变电站与输配电线路等电力设备的控制模式[1-2]。空气开关是变电站设备的主要连接元件之一，通过变电站隔离开关远程操作，可以远程退出电机控制操作和电机电源。早期国内的空气开关采用无线射频的方式远程传输电力控制信号[3]。由于无线射频作用距离较短，不便于整合到移动设备，造成空气开关无线电波的抗干扰能力、稳定性较差，控制鲁棒性差[4]。为了提高空气开关的接触器分断电流能力、过流保护能力和电力信息安全传输能力等，采用电力线载波通信技术优化电力系统。电力线载波通信(Power Line Communication,PLC)[5]指某种电力系统无须二次架设网络，而是通过交、直流电力线，以载波的形式调制初始信号，待其转变为高频信号后加载至电力线，飞速传递所模拟的数字信号至接收端后，利用滤波器解调调制信号获取初始信号，完成控制信息传递。然而，电力线空气开关的远程控制信号传输过程中，可能面临着外界电磁干扰、一相触头不能闭合、空气开关误动作、开关无法分断等问题，造成控制鲁棒性差的问题。因此，研究载波通信下的电力线空气开关控制信号鲁棒传输，具有一定的价值意义，对电力系统规划、用电分配和调度管理起着至关重要的作用。

相关学者针对电力线空气开关控制信号传输展开了研究。石智永等人针对电力线载波通信研究一种干扰过滤技术[6]，李建岐等人以虚拟MAC为前提提出融合分配电力线载波和无线的方法[7]，但是将其应用在空气开关中存在一些弊端，例如，无线式空气开关造价高、抗干扰能力差、容易受到其他无线电信号和天气的影响，误码率高，在进行开关控制时会出现频繁的拒动影响开关正常使用。有线式空气开关，多采用开关节点或RS485通信方式，需要对变电站内的线缆进行重新敷设，施工量与工程造价都较高。

针对上述方法存在的问题，提出了基于载波通信的电力线空气开关远程鲁棒控制方法。在扩展频谱的基础上，主动选择高可靠性的频段通信的方法，克服低压电力线的强衰减、强干扰的缺陷，提升控制信号抗干扰能力，确保电力信息传输的安全性。

1、空气开关电力控制信号鲁棒传输方法设计

1.1 电力线空气开关结构的鲁棒性改进设计

将电力线载波通信技术结合电力系统，在不改变变电站线路分布情况下，设计空气开关功能模块，提升电力信息传输鲁棒性，避免由电磁干扰导致工作电流大于热继电器设定电流，产生热保护结构误动作跳闸。电力线载波空气开关模块设计框图如图1所示。

图1 电力线空气开关硬件框图

通过图1可以看出，电力线空气开关采用EBD-CS5800集中控制器为主控芯片，其外围电路包括显示模块、继电器模块、摄像头模块、开关动作模块、发送模块、接收模块、滤波模块和载波通信模块。其中，载波通信模块是电力线空气开关的核心部分，选择MI200E电力线载波芯片构成低压电力线载波通信模块，以解析报文的形式呈现电流和电机工作电流数值。MI200E电力线载波芯片具有高集成度和高性能的特点，可以实现共享信道的网络接入协议，提升电力信息传输效率[8]。电力线空气开关内部集成了电力线载波调制解调电路，采用串电阻的方法降低控制电路上升沿，为继电器模块提供有源阻尼电路，提高工作零线的绝缘电阻。显示模块采用RA696IC驱动芯片作为彩色点阵型液晶显示，通过1/128的驱动提高分辨率。摄像头模块采用OV7670图像传感器，其像素数可以达到31万，同时具备耐冲击和耐振动的特点。开关动作模块采用EM9108S数据采集设备，以8路开关量采集电力数据，控制开关行为，提升频段通信可靠性。滤波模块采用HMC1044可编程谐波低通滤波器，有效克服电力线空气开关低压电力线的强衰减、强干扰的缺陷，提升电力信息通信鲁棒性，减少电磁干扰引起电力线空气开关过热跳闸。

1.2 通信数据发送与接收程序鲁棒性设计

基于模块化思考设计电力线空气开关远程通信数据发送与接收程序，以此优化传输效果。电力线空气开关远程通信数据发送与接收的流程如图2所示。

图2 远程通信数据发送与接收流程图

图2中的数据传输环境为集成开发环境，当通信数据写入时开始发送开始位、数据位，若写入的数据符合8位元数据则继续发送至校验位，若不符合则返回数据位进行调整。使用满足电力线空气开关通信信息传输要求的最低频率时钟，通过地线将时钟区包围的方式缩短时钟线长度，避免零线重复接地。经过校验的数据结合接收时钟确认信号得到传送一个数据位所需要的时间，判断校验是否正确，正确则判断是否进行重发，不正确则不重发并返回开发环境，重发则返回开始位重新进行发送[9-10]。I/O驱动电路在接收站用220 V交流线信号时，可以通过滤波电路优化站用信号，减小信号对外的发射与耦合，使电力线空气开关具备一定的抗电磁干扰能力，避免接地线产生环流，造成空气开关短路跳闸。

1.3 基于RSA算法的电力线空气开关控制信息鲁棒传输

采用基于电力线载波的Modbus现场总线协议作为模块控制的基础，该协议类型为串行，可以为电力线空气开关与网络提供通信服务[11]。Modbus协议的传输模式主要包括ASCII、RTU和TCP，其中RTU模式具有电力数据传输较多、互联互通效率较高、波特率较高的特点[12]，所以本文应用RTU模式。但是，由于波特率较高，其响应速度也随之提升，在一定条件下其受干扰的可能性增加。因此，本文通过Modbus协议将独立存在的协议数据单元定义为一字节功能码和n字节数据的结合，以此提升抗干扰性能和传输鲁棒性。

因为Modbus协议为明文模式，采用RSA算法确定空气开关信息素数，以此建立电力线载波空气开关通信协议，有效提升电力线空气开关防误操作效果，完成电力线空气开关控制信息鲁棒传输。

采用RSA算法任意选择两个素数，将其当作电力控制信息的保密素数，表示为p、q（私有），同时求解其模数，得到n=pq，为判断其与欧拉函数之间是否存在互素关系，求解其欧拉函数表示为：

任意选择某整数e为电力线空气开关信息加密指数，令e与Φ(n)之间构成互素关系，并满足如下要求：

得到电力线空气开关控制信息解密指数（私有）的计算公式为：

利用欧几里得方法计算alog2Φ(n)次后得出控制信息解密指数d的值。计算控制信息公共密钥，得到：

计算控制信息的私有密钥，得到：

分别通过M、C描述电力控制信息的明文、密文信息，其中M<n,C<n，得到电力线空气开关控制信息加密与解密的计算公式分别是：

在电路接通电流过程中，为了避免电源电路承载过重，需要按照优化后的欧拉定理判定电力线空气开关控制信息素数。电力线空气开关控制信息E的全部整数值均需符合如下要求：

该要求具有非充分必要性，若E符合要求，可判定所选择p、q是素数，否则令p+1、q+1并循环上述流程，令所得p、q是素数后结束。根据素数结果建立电力线载波空气开关通信协议。

电力线载波空气开关通信协议为控制信息安全传输提供支持。在密钥与素数判定中，将触头压力数据、零序电压数据和电流脱扣数据等作为循环运算的参数，以此避免电磁干扰导致电源电路承载过重，空气开关自动跳闸。任意抽取电力线空气开关控制信息参数，获取其与Φ(n)之间的关系是否为互素关系，否则需令e+1并循环运算至二者之间关系为互素关系。为判断e与Φ(n)之间是否存在互素关系，需要断定二者是否存在数值为1的公约数，若存在即说明二者之间存在互素关系。运用欧几里得方法可得：

若存在：

那么：

式中，a、b、c为整数，gcd(a,b)与gcd(b,c)分别描述a、b与b、c存在的公约数极大值。通过每次运算的余数与加密策略的除数相除可获取gcd(a,b)。当gcd(a,b)=0时，则表明电力系统线路不当，造成输入性发热，导致电力线空气开关误动作。因此，利用RSA算法可以降低存在计算的电力线空气开关控制信息数，避免空气开关误动作，提高电力线空气开关控制信息传输鲁棒性，保证电网安全、稳定、高效运行。

2、实验分析

2.1 实验准备

以温州卓会电气有限公司生产的DZ47LE 3P+N型号三相四线空气开关作为实验对象，空气开关实样图如图3所示。

图3 空气开关实样图

实验使用PIExpert6.0软件辅助设计电路。PIExpert6.0软件为PI公司的免费软件，可以在PI公司的官方网站上下载。

首先选择输入电压（市电）以及芯片分类，其次写入输出电压及对应输出电流，如图4所示。

其次选择芯片，本电路选择是的TOP223Y，如图5所示。

图4 PIExpert第一步

图5 PIExpert第二步

第三步是选择变压器，如图6所示。

图6 PIExpert第三步

第四步是检查设计结果，如图7所示。

图7 PIExpert第四步

最后生成一个空气开关相关参数电子表格，如表1所示。

2.2 实验结果

为了能够进一步验证所提方法的电力线空气开关数据稳定传输鲁棒性，与文献[6]方法(电力线宽带载波通信干扰过滤技术)和文献[7]方法(基于虚拟MAC的电力线载波与无线融合及业务分配策略)进行对比分析，对比内容为电磁抗干扰、触头压力和防误操作效率，均为鲁棒性参数。

表1 空气开关相关参数信息

2.2.1 电磁抗干扰测试分析

载波通信模块可以有效滤除电力传输信号中的高频电磁骚扰信号，同时还可以降低采集单元的用电功耗，满足电力系统安全稳定运行。设置滤波电路的参数值为50 kΩ，调整滤波上限频率为470 Hz，在此条件下测试三种方法的电磁抗干扰效果，测试结果如图8所示。

图8 电磁抗干扰测试结果

根据图8可知，电力线空气开关在进行通信信息传输时，所提方法可以保持较为平稳的峰值，控制在30 d B(μV/m)，有效抑制瞬态电压峰值。而文献[6]方法和文献[7]方法的峰值幅度波动较大，最高值为55 dB(μV/m)和60 dB(μV/m)。这是因为所提方法通过功能模块设计，降低控制电路上升沿，以此强化电磁抗干扰性能。由此表明，所提方法可以有效抑制电磁干扰。

2.2.2 触头压力测试分析

图9 触头压力测试结果

电力线空气开关的每个触指电流分布会受到压力的影响，电流分布不均匀会造成触指发热，导致恶性循环，降低鲁棒性。所以，通过调节空气开关的触指压力能够有效避免空气开关误动作。通过温升测试压力值，当温度升高时压力值越低则表明方法具有一定的鲁棒性，测试结果如图9所示。

根据图9可知，当触头温升极限达到70 K时，所提方法的触头压力限值为350 N，而文献[6]方法为390 N、文献[7]方法为410 N。因此，所提方法的电阻应变能力较强，通过调节电压的方式均匀分布电流，确保电力系统安全运行。

2.2.3 防误操作效率测试分析

空气开关防误操作效率指在电力线空气开关通信信息加密和解密过程中，空气开关误动作识别次数与空气开关运行时信息量总和的比值。在同样环境下，对三种方法的空气开关防误操作效率进行对比分析，结果图10所示。

图1 0 防误操作效率测试结果

通过图10可知，随着电力信息数量的不断增加，所提方法的空气开关防误操作效率下降趋势较为缓慢，文献[6]方法次之，文献[7]方法下降趋势最快。所提方法在信息数量为350个时，空气开关防误操作效率可以保持在94%，具有一定的优越性。这是由于本文方法，采用RSA算法确定了空气开关信息素数，通过构建空气开关通信协议提升电力线空气开关防误操作效果。

3、结束语

本文设计一种电力线空气开关信号鲁棒传输与控制技术，其在具备较快传输速率的同时可以完成较远的传输距离，具有施工、运维操作方便的特点，只要有电便可使用，有效提升电网运行效果。通过文中的电力线空气开关可将电力实时状态信息远程传输至集控中心，减少外界电磁干扰。通过加密技术保证电力数据传输的安全性和不可篡改性，提升空气开关防误操作效率，进而提升鲁棒性。实验结果表明，所提方法的电磁抗干扰效果较好、触头压力较为稳定、防误操作效率较高。因此，本文方法的鲁棒性较好，可以为今后的电网自动化服务系统设计提供理论支持。

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