王上

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,上海 200092)

ZigBee技術(shù)在變電站監(jiān)測系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

王上

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,上海 200092)

現(xiàn)有的變電站通信多是采用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號的采集、傳輸和發(fā)送，且變電站設(shè)備繁多，信號復(fù)雜，存在綜合布線難、成本高、維護(hù)困難等弊端。針對現(xiàn)有變電站在線檢測方式的不足，提出了在變電站監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用ZigBee技術(shù)，論證了ZigBee技術(shù)在變電站自動化通信中應(yīng)用的可行性，設(shè)計了適用于變電站數(shù)據(jù)通信的終端ZigBee模塊，該設(shè)計提高了變電站監(jiān)測系統(tǒng)的安全性和可靠性，對于實現(xiàn)變電站監(jiān)測系統(tǒng)無人化及無線化，保障人民安全和財產(chǎn)安全具有重要意義，具有較好的應(yīng)用前景。

ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò) 監(jiān)測系統(tǒng)

1 ZigBee技術(shù)簡介

隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展,特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給變電站復(fù)雜的線路布線提供了很好的解決辦法。變電站電氣設(shè)備監(jiān)測的無線化已經(jīng)成為變電站設(shè)備監(jiān)測發(fā)展趨勢[1]。本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)就是基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過無線網(wǎng)絡(luò)將各設(shè)備監(jiān)測點的溫度、電流、電壓、頻率等參數(shù)信息發(fā)送到監(jiān)控中心, 既可以實現(xiàn)變電站內(nèi)各電氣設(shè)備監(jiān)測節(jié)點的輸出傳輸,又可以實現(xiàn)高壓和低壓的隔離,并且成本也不是很高。Zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，它依據(jù)IEEES02．15．4．IEEES02．15．4是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN，Persona Area Network)工組的一項標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee聯(lián)盟提供了上層協(xié)議棧，包括網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ZigBee協(xié)議定義了3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在網(wǎng)絡(luò)中依照處理能力大小分為精簡功能設(shè)備，ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

圖2 ZigBee定義的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 ZigBee技術(shù)應(yīng)用于變電站監(jiān)測系統(tǒng)的可行性

2.1 通信可靠性

采用碰撞避免機(jī)制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突，網(wǎng)絡(luò)具有自組織性和自愈能力.采用AES-128加密法，保證數(shù)據(jù)不會被“盜聽”或“誤判”，因此通信可靠”。

2.2 實時性

ZigBee從休眠狀態(tài)喚醒的時延很短。從休眠狀態(tài)喚醒的時延為15ms，進(jìn)行搜索的時延為30ms，活動裝置接入網(wǎng)絡(luò)時延為15ms。通過不工作時休眠，需要工作前快速喚醒的方式降低了模塊的能耗，可應(yīng)用于對時延要求較高的無線組網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 抗干擾性

采用2.4GHz的無線收發(fā)器，利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，通過正交相移鍵控調(diào)制方法來實現(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。

2.4 網(wǎng)絡(luò)容量大

ZigBee在進(jìn)行多節(jié)點組網(wǎng)時，可以采用星狀、網(wǎng)狀等結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，ZigBee最大組網(wǎng)能夠達(dá)到65000個，在整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，單個ZigBee模塊之間可以互相通信。

由上分析知，ZigBee通信技術(shù)符合變電站監(jiān)測系統(tǒng)對通信技術(shù)的要求，具有可行性。

圖3 變電站內(nèi)信息分層

3 系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)由若干無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點、路由器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、無線數(shù)傳終端、監(jiān)控機(jī)和報警裝置組成.終端節(jié)點部署在變電站要檢測的設(shè)備處，路由器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器得到匯總數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮并通過無線數(shù)傳終端發(fā)送至智能電子裝置(IED，Intelligent Electronic Device)。IED通過以太網(wǎng)傳至監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)實時接收采集到的各種數(shù)據(jù)，保存至后臺數(shù)據(jù)庫，前臺監(jiān)控系統(tǒng)實時檢測采集到的數(shù)據(jù)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是全功能設(shè)備(FFD)，包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，存儲容量最大，計算能力最強(qiáng)[3]。系統(tǒng)采用Chipcon公司的CC2430芯片作為無線收發(fā)模塊。CC2430芯片延用了CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，使用1個8位具有增強(qiáng)型MCU(8051)微控制器，具有32/64/128kb可編程閃存和8kb的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、AES一128安全協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/0，特別適合以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHZ波段對低成本、低功耗的應(yīng)用要求。

3.2 終端節(jié)點和路由器節(jié)點

ZigBee終端節(jié)點結(jié)構(gòu)和功能最簡單，主要由RFD承擔(dān)，由以下4部分組成：(1)數(shù)據(jù)采集模塊，由傳感器和A／D轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換；(2)數(shù)據(jù)處理模塊(優(yōu)化的8051)和存儲器組成，負(fù)責(zé)節(jié)點的處理計算和控制、數(shù)據(jù)采集及存儲；(3)無線射頻通信模塊，由CC2430組成，負(fù)責(zé)無線通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

4 ZigBee在變電站中的應(yīng)用

4.1 變電站的分層結(jié)構(gòu)

目前，變電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為集中式和分層分布式兩種。由于集中式結(jié)構(gòu)要耗費大量二次電纜，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，且具有可擴(kuò)展性、維護(hù)性差等缺點，主要用于小型變電站。變電站綜合自動化系統(tǒng)通常采用分層分布式結(jié)構(gòu)，即將變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部信息分為3層，即變電站層、間隔層和過程層[3]，如圖3所示。

最上層為變電站層.通過雙極高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)信息，不斷實時刷新和登錄數(shù)據(jù)庫，接收、傳送調(diào)度或控制中心的有關(guān)數(shù)據(jù)，命令并轉(zhuǎn)向間隔層、過程層執(zhí)行；對全站操作閉鎖，實現(xiàn)站內(nèi)當(dāng)?shù)鼐哂袑﹂g隔層、過程層設(shè)備在線參數(shù)修改、變電站故障分析和操作培訓(xùn)的功能。

中間層為間隔層、間隔層匯聚本過程層的實時信息，具有一次設(shè)備保護(hù)控制、本間隔層的操作閉鎖、實施同期操作、防誤閉鎖、數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計運(yùn)算及控制命令發(fā)出優(yōu)先級別控制的功能.最底層是過程層，是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，包含各種現(xiàn)場電氣設(shè)備，具有電氣量檢測、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測與統(tǒng)計、操作控制執(zhí)行等功能。

4.2 應(yīng)用分析

ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在間隔層和過程層之間。變電站層和間隔層之間通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)送往調(diào)度主站，并接收下發(fā)的控制命令。在間隔層，各種線路、元件設(shè)備，測控、保護(hù)單元都是一個智能電子裝置IED，每個IED都有自己的CPU、輸入輸出設(shè)備、通訊口外界端子等，具有保護(hù)、測控、故障信息管理等功能ZigBee模塊通過RS-232或RS-485接口附屬在間隔層IED上作為中心協(xié)調(diào)器節(jié)點，用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，供IED對其做出分析和判斷，并向下層發(fā)送參數(shù)設(shè)置和跳閘指令。IED既可以采集過程層的參數(shù)和狀態(tài)信息，對其進(jìn)行處理并向變電站層發(fā)送相關(guān)的報告記錄、故障啟動動作、變位、模擬信號量、錄波數(shù)據(jù)等報文，又可以接收上層發(fā)出的各種控制塊的參數(shù)設(shè)置、開斷開關(guān)或斷路器的控制指令、查詢記錄、對時等操作請求，并把它們發(fā)給過程層，還能向同一個間隔單元或者不同間隔單元的IED發(fā)出互鎖、報警故障等信號，進(jìn)行分布式功能的服務(wù)調(diào)用。在過程層，ZigBee傳感器終端節(jié)點附屬在電氣設(shè)備上，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee終端DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，通過ZigBee無線技術(shù)將信號發(fā)送至間隔層IED；同時該節(jié)點還可以接收來自間隔層的控制信息，距離中心節(jié)點遠(yuǎn)的終端節(jié)點，通過ZigBee路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee模塊可以附帶溫濕度、光、電壓、電流等傳感器，用來傳輸變電站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行情況和電力參數(shù)情況。

5 結(jié)語

本文闡述了ZigBee技術(shù)及其特點，及其在變電站監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計。該設(shè)計滿足了變電站監(jiān)控系統(tǒng)通信的要求，實現(xiàn)了無線化，克服了變電站內(nèi)綜合布線復(fù)雜的缺點，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的實時性、安全性和靈活性，具有一定的應(yīng)用價值。

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