黨宏社　史笑軍

摘要：傳統(tǒng)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)采用有線連接方式，造成施工復(fù)雜，成本高的問(wèn)題。該文分析了ZigBee在變電站通訊中的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)智能變電站在線監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，在綜合考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功耗、運(yùn)行穩(wěn)定以及組建成本的前提下，采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，設(shè)計(jì)了變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案與流程。該設(shè)計(jì)克服了布線麻煩、維護(hù)不方便等困難，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。

關(guān)鍵詞：ZigBee；變電站；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）27-0142-03

Abstract： Traditional electrical equipment on-line monitoring using wired connection， lead to complex construction and high cost problem. This paper analyzes the advantages of ZigBee in substation communication， according to the content of the intelligent substation on-line monitoring， in consideration of the network structure of power consumption， stable operation， and set up cost， use ZigBee wireless sensor network （WSN） to build and design the software and hardware design scheme of on-line monitoring system for substation and process. This design overcome the wiring trouble， it is not convenient to maintenance difficulties， improve the flexibility of the system application.

Key words： ZigBee； substation； monitoring system

近年來(lái)，智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)研究已被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了研究規(guī)劃，以“感、傳、知”為特征，力爭(zhēng)在3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用[1]。國(guó)家電網(wǎng)公司針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也規(guī)劃了三個(gè)階段，現(xiàn)處（2012年-2015年）第二階段，即全面建設(shè)階段。此階段主要任務(wù)為研發(fā)多種傳感器，并在新能源并網(wǎng)、輸配電自動(dòng)化、輸電線路巡檢等關(guān)鍵領(lǐng)域能有所重大突破，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中可以得到廣泛的應(yīng)用。智能變電站作為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，其主要表現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化和二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。一次設(shè)備智能化主要是指對(duì)一次設(shè)備實(shí)行廣泛的在線監(jiān)測(cè)，將一次設(shè)備的監(jiān)測(cè)策略定位到“在線監(jiān)測(cè)”[2]。在智能電網(wǎng)建設(shè)中，智能變電站起著對(duì)電力系統(tǒng)變配電作用[3]，可以及時(shí)對(duì)電路網(wǎng)絡(luò)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與輸出，是非常重要的結(jié)構(gòu)[4]。

變電站對(duì)一次電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)大多都采用有線網(wǎng)絡(luò)，其存在的弊端有布線難、成本高、維護(hù)困難等[5]。因此，而低成本、低功耗的ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)將成為解決這些問(wèn)題的可行方案。ZigBee技術(shù)采用2.4GHz的無(wú)線收發(fā)器，利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，通過(guò)正交相移鍵控調(diào)制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣不僅隱蔽性好，抗干擾性強(qiáng)，而且工作頻段靈活，可以調(diào)高通信速率。同時(shí)，采用碰撞避免機(jī)制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，網(wǎng)絡(luò)具有自組織性和自愈能力[6]。采用AES-128加密法，確保數(shù)據(jù)不會(huì)被“盜聽(tīng)”或“誤判”，增強(qiáng)通信可靠性[7]。由此，ZigBee通信技術(shù)符合變電站自動(dòng)化對(duì)通信技術(shù)的要求，具有可行性。

本文設(shè)計(jì)采用了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和監(jiān)測(cè)終端，以GPRS作為遠(yuǎn)程技術(shù)，來(lái)解決變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的有線設(shè)計(jì)的弊端。

1 智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的及組成結(jié)構(gòu)

1.1 智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的

變電站一次設(shè)備數(shù)量很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用有線的數(shù)據(jù)傳輸方式，其布線繁瑣，成本高昂，也容易遭受雷擊及老化。設(shè)備的可靠性受到了影響，并且監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置不能隨意移動(dòng)，靈活性差[8]。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)給有線傳輸?shù)牟蛔闾峁┝撕芎玫慕鉀Q方案，利用它的高靈活性，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)合理地布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域，便可對(duì)一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不必考慮布線的問(wèn)題，從而可以降低投入成本和工作復(fù)雜度。

1.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

電力物聯(lián)網(wǎng)，其目的是將各個(gè)變電站的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)各個(gè)變電站配置的監(jiān)控子系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，諸如運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。電力物聯(lián)網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上可以分為管理層、網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場(chǎng)層，如圖1所示。其中，管理層是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入至智能電網(wǎng)中，以完成電力網(wǎng)絡(luò)的智能化運(yùn)行。管理層包括監(jiān)控中心。網(wǎng)絡(luò)層的作用是完成信息數(shù)據(jù)在管理層與現(xiàn)場(chǎng)層之間的相互傳遞?，F(xiàn)場(chǎng)層由各個(gè)功能的監(jiān)控子系統(tǒng)組成?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層分為四個(gè)子檢測(cè)系統(tǒng)，包括高壓柜子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，變壓器子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，低壓柜子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及避雷子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在需要檢測(cè)的電氣設(shè)備上安裝各種傳感器，包括壓力傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器，行程傳感器等。將Zigbee終端節(jié)點(diǎn)與各精密傳感器或者智能儀表相結(jié)合，構(gòu)成檢測(cè)層網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)變電站運(yùn)行時(shí)參數(shù)的采集。在每個(gè)子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中分配一個(gè)路由器，路由器將每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)匯集，并一起發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)所發(fā)送到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并處理，最后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)要負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和儲(chǔ)存，同時(shí)還要負(fù)責(zé)無(wú)線局域網(wǎng)的建立以及與GPRS協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。因此，LM3S9B96作為無(wú)線芯片CC2520的微控制器單元構(gòu)成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)還包括電源供電模塊、JTAG和GPRS無(wú)線通訊模塊電路。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件模塊框圖如圖2所示。通過(guò)節(jié)點(diǎn)配置，實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議下的終端數(shù)據(jù)采集和無(wú)線組網(wǎng)通信功能，以及超低功耗，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

電源供電模塊：因?yàn)閰f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)所需用電量大并一直處于供電狀態(tài)，所以節(jié)點(diǎn)的供電模塊采用交流互感器自給供電。在母線上安裝電流互感器，經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后，提供各節(jié)點(diǎn)所需要的電源。模塊自給供電，解決了“電池供電”需要定期更換電池的問(wèn)題。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是精簡(jiǎn)功能設(shè)備，主要由傳感器模塊、JTAG、ZigBee無(wú)線通信模塊CC253以及電源模塊組成。終端節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。終端節(jié)點(diǎn)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程遙控，監(jiān)控報(bào)警等功能。無(wú)線通信模塊是傳感器的通信接口，負(fù)責(zé)與傳感器交換信息和收發(fā)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包傳送至網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。電源模塊通常采用微型電池。

路由器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的采集和融合，主要由處理器CC2530模塊、時(shí)鐘模塊、天線模塊、電源模塊等部分組成。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee組網(wǎng)

ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)包括信標(biāo)和非信標(biāo)兩種工作模式。本設(shè)計(jì)采用非信標(biāo)的模式，允許終端設(shè)備進(jìn)行周期性休眠，而協(xié)調(diào)器和路由器設(shè)備則處于長(zhǎng)期工作狀態(tài)。終端設(shè)備大多數(shù)時(shí)間都處于休眠模式，周期性醒來(lái)與路由器一并把數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，最大限度地節(jié)約終端節(jié)點(diǎn)的功耗。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建主要包括兩個(gè)基本步驟：先是協(xié)調(diào)器初始化，然后是路由器節(jié)點(diǎn)或者終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。利用LM3S9B96網(wǎng)關(guān)微處理器和CC2520協(xié)調(diào)器進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)的流程如下圖4所示。

在組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和終端子設(shè)備之間采用相同的ZigBee2007/PRO協(xié)議棧，一致的PAN ID號(hào)，以及相同的信道。

3.2 ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)

基于已經(jīng)搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)和設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)以后，作為實(shí)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)就可以用來(lái)進(jìn)行變電站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

1）數(shù)據(jù)發(fā)送

只有加入了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備（即對(duì)應(yīng)多個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)的所在ZigBee子節(jié)點(diǎn)）才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。先在應(yīng)用層打包好一幀數(shù)據(jù)，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層的原語(yǔ)，然后按照網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議配置配置幀頭，進(jìn)行發(fā)送和傳輸。如果考慮安全機(jī)制，還應(yīng)做加密處理。

2）數(shù)據(jù)接收和再發(fā)送

在非信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備只要不發(fā)送數(shù)據(jù)，就處于接收的狀態(tài)，若在接收使能的情況下，收到一幀數(shù)據(jù)，將把該幀數(shù)據(jù)幀頭的傳輸半徑減一。如果幀頭的傳輸半徑為零，將不會(huì)再傳輸?shù)较乱粋€(gè)設(shè)備，該幀數(shù)據(jù)將被送到應(yīng)用層，或在網(wǎng)絡(luò)層做具體的處理。

對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)幀，如果目的地址是該接收設(shè)備或者是廣播數(shù)據(jù)幀，將會(huì)發(fā)送到應(yīng)用層，并且還會(huì)繼續(xù)傳播到其他設(shè)備。如果正在接收的設(shè)備是協(xié)調(diào)器或者路由器，但接收到的數(shù)據(jù)目的地址不是該設(shè)備，將中斷該幀數(shù)據(jù)到其他設(shè)備，若有其他情況，將舍棄該幀數(shù)據(jù)。如果接收到的數(shù)據(jù)是路由器，且目的地址是該設(shè)備，將按照路由器的方式處理，否則，將舍棄該幀數(shù)據(jù)，并且將發(fā)送錯(cuò)誤幀。

4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，在南山變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。本系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)終端安裝分析系統(tǒng)，以圖形和報(bào)表的形式對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示分析。圖5為截取的對(duì)變壓器油中溶解氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以看出此刻絕緣油中各溶解氣體的含量。

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，本傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集到變電站內(nèi)氣體含量，溫度等運(yùn)行參數(shù)，并且采集數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)誤差小，ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)的傳輸速率可達(dá)250kb/s，滿足變電站數(shù)據(jù)傳輸以及控制的實(shí)時(shí)性和可靠性需求。表明變電站運(yùn)行的參數(shù)可以被該系統(tǒng)及時(shí)監(jiān)測(cè)到，作出及時(shí)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為了確保網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低功耗、高穩(wěn)定性以及組建的低成本性，采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，對(duì)其軟硬件設(shè)計(jì)方案與流程進(jìn)行了分析。所研究的內(nèi)容有助于實(shí)現(xiàn)變電站監(jiān)測(cè)的無(wú)線化和智能化，方便值班人員可以及時(shí)地了解變電站的運(yùn)行狀態(tài)，在智能電網(wǎng)的建設(shè)中有很高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王春新， 楊洪， 王煥娟， 等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸變電設(shè)備管理中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)通信， 2011， 32（5）： 116-122.

[2] 魯東海， 孫純軍， 王曉虎，等. 智能變電站中在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備， 2011， 31（1）： 134-137.

[3] 彭剛， 吳廣宇， 王韜. 基于ZigBee的變電站無(wú)線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 11（2）： 82， 85.

[4] 崔遜學(xué)， 趙湛， 王成. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域應(yīng)用與設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2009： 158-160.

[5] 王春新， 楊洪， 王煥娟 等. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸變電設(shè)備管理中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)通信， 20ll， 32（223）： 116-122.

[6] 翠平， 柏逢明. 基于Zig-Bee技術(shù)的CC2530糧庫(kù)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 34（4）： 53-57.

[7] 黃玉立， 童玲， 田雨. 基于CC2530和CC2591的WSN節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2011， 32（1）： 71-73.

[8] 何方， 鄭浩， 張永江，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2013（12）： 61-63.