虞佳佳

(浙江機電職業(yè)技術學院，浙江 杭州 310053)

隨著國家電網(wǎng)的發(fā)展，高效精密的傳感器技術、信息數(shù)字化平臺技術、在線系統(tǒng)決策技術、通訊技術成為電網(wǎng)信息化、智能化的主要支持[1-2]。

根據(jù)《BP Statistical Review of World Energy June 2019》[3]，2018年中國的發(fā)電量為7 111.8 TW·h，是世界上發(fā)電量最多且增幅最大的電力生產國家，比2017年增加了7.7%，占世界總量的26.7%。電網(wǎng)中各供配電系統(tǒng)的規(guī)模更加巨大、分布更加復雜，其穩(wěn)定性、實時性、易用性等性能也面臨更高的要求[4-5]。同時終端需求的激增，也使得電網(wǎng)負荷增加，穩(wěn)定性能要求提升，因此建立一套有效穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠的電力監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。筆者從電力設備監(jiān)控系統(tǒng)入手，以無線傳輸技術為重點，研究基于ZigBee技術的電力監(jiān)控無線通訊系統(tǒng)。

1 電力設備監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控兩部分作用，在電力的生產過程中，電力監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行可視化展示，并用于對電力生產過程進行控制、調度，以實現(xiàn)電力生產的自動化,又被稱為PSCADA系統(tǒng)[6]。它包括對電力系統(tǒng)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集，并實現(xiàn)遠程控制和設備運行參數(shù)調節(jié)、系統(tǒng)報警等,使中控系統(tǒng)能實時了解和掌握供配電系統(tǒng)中各個設備的運行情況,并直接對設備進行操控[7]。

電力監(jiān)控系統(tǒng)可以通過遠程方法進行電力設備操作，包括通過電力監(jiān)控系統(tǒng)獲取線路設備運行狀態(tài)，并實現(xiàn)遠程開關；同時為了避免操作過程中的誤操作或未發(fā)送指令等錯誤，需要在電力監(jiān)控系統(tǒng)中設置多層確認操作，以保障運行的安全性。

電力電網(wǎng)運行和管理需要及時有效的在線運行參數(shù)，以便及時了解設備運行狀況，實現(xiàn)電力設備管理的智能化。但是，電力設備監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境復雜，分布分散，單靠人工抄表和負荷監(jiān)控進行，會大幅提高企業(yè)監(jiān)控成本。同時，高配電站的環(huán)境惡劣，工作人員難以在現(xiàn)場進行檢測，這就給電力設備檢測帶來了盲區(qū)。因此，急需要一種有效的電力監(jiān)控系統(tǒng)來解決現(xiàn)有的弊端，加速電力設備的智能化管理。

2 無線通信技術在電力設備監(jiān)控系統(tǒng)的應用

隨著電力設備監(jiān)控的需求越來越大，無線通信技術作為一種遠程傳輸技術，可以通過電磁波信號實現(xiàn)信息傳播。隨著無線通信技術的需求越來越大，WLAN技術、NB技術、Bluetooth傳輸技術、Loar技術、GSM技術、GPRS技術、WIFI技術、5G技術、ZigBee技術越來越多的傳輸模式被應用到信息傳輸中來[8]。

電力監(jiān)控系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，通過信息管理云平臺系統(tǒng)對運行數(shù)據(jù)進行可視化展示和數(shù)字化存檔，能為電力系統(tǒng)排除故障提高效率，并對遠程抄表、系統(tǒng)運行提供技術支持。因此，筆者提出了利用ZigBee無線通信技術實現(xiàn)電力系統(tǒng)監(jiān)控。

利用無線通信可以把電力系統(tǒng)中的用戶、運行設備、傳輸線路等數(shù)據(jù)和控制指令通過電力監(jiān)控系統(tǒng)鏈接起來，如在用戶端，通過遠程抄表終端，定時將電力用戶的電表信息抄回，并存儲在數(shù)據(jù)庫中；同時實時采集電路設備的運行參數(shù)，有效判定用戶端設備是否出現(xiàn)故障，并以故障表單的形式傳送到中控，自動給用戶發(fā)出警告，并上報保修需求，在無人參與和采集數(shù)據(jù)的數(shù)字化呈現(xiàn)上，有效避免了人為因素，提高了工作效率和自動化水平[9-10]。

ZigBee技術是一種采用IEEE 802.15.4標準規(guī)范的媒體訪問層與物理層的低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議。由于ZigBee模塊可靠的雙向無線通信能力，其傳輸距離從幾十米到幾千米，因此可將ZigBee模塊作為小區(qū)域范圍的基站AP，擴展電力監(jiān)控系統(tǒng)的遠端拓撲。ZigBee技術具有低功耗、低成本、傳輸效率高、信息容量大、安全可靠等特點，可以通過ZigBee無線通訊技術作為通訊方式來進行電力設備監(jiān)控。

3 基于ZigBee無線通訊技術的電力設備監(jiān)控系統(tǒng)的研究

3.1 總體設計

基于ZigBee無線通訊技術的電力設備監(jiān)控系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)傳感、數(shù)據(jù)采集、無線通訊、邊緣計算、設備監(jiān)控管理系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)，其總體設計如圖1所示。本系統(tǒng)使用于變電所，將變電所運行關心的運行參數(shù)進行分析，選擇溫度、電流電壓、濕度、SF6氣體濃度作為數(shù)據(jù)采集的對象。通過ZigBee無線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘売嬎愎?jié)點，并組網(wǎng)傳輸?shù)皆O備監(jiān)控管理系統(tǒng)，由監(jiān)控管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)再次分析，展示設備狀態(tài)監(jiān)控圖以及作為故障診斷分析的參考參數(shù)。

圖1 基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設備監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計

3.2 通訊協(xié)議設計

Modbus通訊協(xié)議是一種主從式的通訊協(xié)議，在小型變電所的組網(wǎng)系統(tǒng)中非常實用。Modbus通訊協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，由于電力設備監(jiān)控參數(shù)相對單一，筆者采用了Modbus RTU的通訊協(xié)議來作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，其通訊協(xié)議結構如圖2所示。

圖2 Modbus RTU 通用協(xié)議標準

命令號為其功能碼。在Modbus RTU協(xié)議中預設了255個功能碼，其中已經約定了21種功能碼作用，在研究中采用了功能碼(表1)來實現(xiàn)參數(shù)的獲取和設置。

表1 項目所用的Modbus協(xié)議功能碼

3.3 數(shù)據(jù)接口設計

基于ZigBee網(wǎng)絡的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)要求，將系統(tǒng)要求的運行電壓、電流、線路溫度、變壓器溫度、環(huán)境濕度以及SF6氣體濃度(圖3)的數(shù)據(jù)采集進行接口設計，在系統(tǒng)設計過程中基于參數(shù)的特性，設置了相應的寄存器地址和參數(shù)類型(表2)。

圖3 基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設備監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參數(shù)

表2 基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設備監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定義表

3.4 通訊模塊設計

由于所用傳感器均支持485通訊協(xié)議，因此在選擇ZigBee無線通訊模塊時，筆者選取DRF2659C 的RS485轉ZigBee的無線模塊,其模塊如圖4所示。關鍵參數(shù)如表3所示，DRF2659C的無線頻率為2.4 GHz，包括4種串口速率，并支持3種串口格式，在空曠環(huán)境下最大傳輸距離為1 600 m，可配置為不同的節(jié)點方式，滿足我們對電力設備監(jiān)控系統(tǒng)的無線通訊要求。

表3 DRF2659C 關鍵參數(shù)

在DRF2659C模塊中，包括一個基于DRF1609H的ZigBee模塊電路,一個基于MAX3485的RS485通訊模塊電路以及一個基于AMS1117的電壓轉換電路。通過其自帶的ZigBee模塊配置軟件ZigBee Confiuration,可以將模塊隨意設置成Coordinator(網(wǎng)關)，Router(路由)，并可設置其他相關通訊參數(shù)，具體界面如圖5所示。

圖5 DRF2659C自帶的ZigBee模塊配置軟件界面

3.5 網(wǎng)絡拓撲結構

系統(tǒng)采用圖6的網(wǎng)絡拓撲結構，通過中繼節(jié)點的方式來提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和組網(wǎng)安全性。這種方式也能更好地減少網(wǎng)絡傳輸負載，提高網(wǎng)絡的傳輸性能，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

圖6 基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設備監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

為了更好地實時傳輸數(shù)據(jù)，筆者對不同級別的節(jié)點設置了相同的組網(wǎng)權限。設置組網(wǎng)權限可以有效地緩解相同網(wǎng)絡通訊壓力，同時對節(jié)點模塊化提供很好的保障。在具體實施過程中，將信號采集節(jié)點設置為最低權限，網(wǎng)絡只可應答上一級節(jié)點命令，使其能更好地在低功耗模式下工作。中繼節(jié)點具有上傳下達的作用，在各關鍵檢測區(qū)域，起到提高組網(wǎng)范圍的作用。

4 結 語

筆者從無線通訊系統(tǒng)出發(fā)，圍繞著如何將ZigBee無線傳輸技術融入到電力設備監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了無線通信技術在電力設備監(jiān)控系統(tǒng)的應用情況，并完成了基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計。從系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)、數(shù)據(jù)接口、網(wǎng)絡拓撲等入手，基于傳感器數(shù)據(jù)接口RS485，系統(tǒng)選取了DRF2659C模塊作為ZigBee通訊模塊，由此設計了一種基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設備監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能很好地滿足電力設備監(jiān)控的需求，值得在實際應用中加以推廣。