基于Wi―Fi的高压电磁环境下待电开关系统研究

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摘 要在千伏级高压雷电模拟发生器的研制中，考虑到操作的方便性，及在非工作条件下储能装置的待机时长等问题，将智能家居的开关系统理念引入到该系统中，设计了一个基于wi-fi的高压电磁环境下分布式待机控制网络系统，利用该系统有效的解决了高压雷电模拟发生器的待机时间短，使用其它方式实现，隔离复杂，成本高特点，增强了系统的操作易用，该系统的研制可以移植到其它类似系统的应用中。

【关键词】控制 Wi-Fi 开关

十千伏级高压雷电模拟器用模拟自然雷电的性能特点，产生电压冲击波，该装置的研制，可以更深入的研究和检验电力设备耐受过电压和操作电压的性能、规律。在该系统的研制过程中，因其储能装置，为多级电位不等的蓄电池，如果其待机过程中，不将其有效的关断，一方面大大的缩短整个系统的待机时间，增加系统的维护的工作量，另一方也会带来一些安全隐患。而采用传统的方式进行控制――手动开关，需要高空作业，操作起来具有很大的难度和危险性。为解决上述问题，系统研制的过程中，引入了无线控制的智能开关理念，从而有效的解决了上述问题。

1 Wi-fi电力通信控制技术

Wi-Fi（Wireless-Fidelity）基于IEEE 802.11标准的的宽带本地接入系统，从1997年第一代标准制定至今，已经走过了802.11、802.11b、802.11g/a、802.11n、802.llac五展历程，从最高速率2Mbps的802.11到Gbps的802.11ac，发展速度超人预料，已经在各个领域得到最为广泛的应用，如智能电网，工业控制、智能家居、手持设备、医疗卫生等。

Wi-Fi通信技术呈现如下特点：

1.1 高带宽

IEEE802.11 a/b/g/n使用的2.4GHz频段和5GHz频段提供的20MHz或40MHz，而IEEE 802.11ac工作在5G频段，理论上可以提供高达每秒1Gbit的数据传输能力。

1.2 较小体积

与微波元件和设备相比，Wi-Fi元件和尺寸要小的多，广泛应用到各种手持设备当中。

1.3 抗干扰能力强

由于Wi-Fi发射的频段更高，避开了一些低频段电磁波的干扰。

1.4 极低的成本

由于该项技术得到了广泛的应用，从而大大的降低了生成产本。

2 系统组成

基于Wi-Fi的十千伏级电力环境下的待电开关系统由控制台计算机、光纤网络、路由器及各级的Wi-Fi无线遥控开关组成。其控制原理如图1系统结构示意图所示。

控制台计算机，通过光纤网络将控制指令传至地面监控系统的路由器。路由器通过无线Wi-Fi将指令传输至各级遥控开关。各级遥控开关根据动作指令，对本体设备进行电源开关控制。

待电开关使用本体设备的电源进行工作。遥控开关的用电量远小于50级本体设备的用电量，基本功发耗为从而保证了本体待机时，极低的用电量，给80mW，本体采用24V 16Ah的蓄电池供电，理论上可以达到4800小时（约200天）的待机时长。

由于采用本体设备电源的供电方式，待电开关与本体设略备为同一电源，可以避免本体电源有电，遥控开关由于无电失去控制的情况发生。

设计过程中，待电开关可以采集到本体设备电源的实际开合状态，将电源的状态通过无线及光纤网络，传至控制台计算机进行显示。

3 Wi-Fi待电开关设计及实现

Wi-Fi待电开关基于低功耗的ARM控制芯片进行设计，其由ARM控制芯片、电源管理模块Wi-Fi芯片、继电器驱动模块、继电器开关模块、电源状态信号拾取模块、晶振、滤波器模块及天线组成。

天线接收信号，经滤波器滤波后，由Wi-Fi芯片将接收的Wi-Fi信号进行解板，传递给ARM控制芯片，ARM控制芯片将解析的数据指令，根据用户协议，进一步解板，并校验后，输出控制信号，控制IO信号经继电器驱动电器，控制继电器的开合，从而控制系统的24V电源通电与断电。

系统电源的通电与断电状态，经电源信号拾取电路，转换为ARM IO管脚可接收的高低电平后，输入至ARM 控制芯片。ARM控制芯片，以用户特定的协议，将数据发送至Wi-Fi芯片，Wi-Fi将ARM发送的状态信号，以IEEE 802.11标准协议格式，经天线发送至上位机系统，进行状态反馈。

系统模块开关实现的技术指示如下：

（1）Wi-Fi 2.4GHz；

（2）支持在各处模式下以极低功耗工作；

（3）支持多种网络协议和Wi-Fi设置功能；

（4）1路电源开关控制；

（5）1路开关状态采集；

（6）外置天线；

（7）24V电源供电；

（8）继电器电源开关控制输出，输出电流达到5A；

（9）持续发送

（10）正常模式，平均模式～80mA；

（11）工作温度-40～85℃；

4 系统的可靠性及电磁环境下的抗干扰设计

该系统要求较高的可靠性，对可靠性主要是防系统的开关的拒动及开关的误动。

系统在高压的环境下进行工作，电磁环境较恶劣，除在电磁兼容方面进行设计外，还在以下几方面进行了考虑和设计：

高压电孤放电的影响：高压放电的中心频率在MHz级别，而Wi-Fi模块使用了GHz的信号传输频率，避开了物理层之间的相互影响。从而保证了因电弧放电而造成的系统开关误动的发生。而高压电孤放电与电源控制开关工作的时段也不同，电孤放电在试验过程中，而电源控制在实验开始时和试验结束时，从而不会导致由于电孤放电，而使开关拒动的情况发生。

低速信号的影响：在软件上，限制用户协议速率，即禁止1、2、5.5、6、9、24Mb/s的接入协议速率，这样，可以在设备上避免低速信号的接入，规避空口干扰。

对于人为因素的破坏，在系统的软件上，增加密码验证功能，在路由器端进行Mac地址绑定，从而保证用户身份的安全性。

5 结论

本系统基于Wi-Fi技术，设计了高压雷电模拟器装置的待电开关，通过它可以方便的对装置的各级电源进行有效的控制，本次设计是在强电磁环境下的开关控制功能的一次有益尝试，该设计理念可以为其它强电磁环境的开关控制提供借鉴。

参考文献

[1]陈文周.Wi-Fi技术及研究[J].数据通信，2008（02）：15-17.

[2]王镭，陈鹏，徐民.Wi-Fi射频干扰和优化探讨[J].江苏电信，2011（03）.

[3]韩韦.Wi-Fi及其安全性研究[J].无线互联科技，2013（01）：6-7.