林天佑，葉旭燦，黃建波，章偉偉(．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 33；．浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 3003)

基于ZigBee的變電站設(shè)備災(zāi)害期水位監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置

林天佑1，葉旭燦1，黃建波1，章偉偉2
(1．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 311232；2．浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

傳統(tǒng)水位監(jiān)測(cè)只關(guān)注變電所整體水位，實(shí)際上各配電裝置安裝位置地勢(shì)各不相同，且設(shè)備構(gòu)架、大小尺寸也不盡相同，因此在災(zāi)害期間受災(zāi)情況、采取的應(yīng)對(duì)措施也不同。關(guān)注具體設(shè)備間隔的進(jìn)水情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)安裝于每個(gè)端子箱內(nèi)的水位監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置。采用壓力硅傳感器采集水位信息，激光測(cè)距傳感器獲得報(bào)警水位高度，CC2530具有的8051微控制器采集和處理數(shù)據(jù)，選用TI/Chipcon公司的CC2530硬件解決方案和Z-Stack協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)一種ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將水位信息發(fā)送給監(jiān)控中心。

無(wú)線傳感；ZigBee；變電所；水位監(jiān)測(cè)；激光測(cè)距

0 引 言

每年臺(tái)風(fēng)期間，多個(gè)地區(qū)的變電所均會(huì)遭受洪澇災(zāi)害。如果水位到達(dá)安裝位置最低的開(kāi)關(guān)端子箱端子排處，則必須立即拉停相關(guān)線路間隔及該間隔的全部交、直流電源，否則將造成配電裝置失控、二次回路短路、所用交直流電流短路接地等嚴(yán)重后果，甚至導(dǎo)致全所失電。但由于水位較深，人身安全受威脅，運(yùn)行人員無(wú)法實(shí)時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)巡視，也就無(wú)法掌握設(shè)備受災(zāi)情況。即使運(yùn)行人員到現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)箱檢查，也可能造成檢查時(shí)雨水進(jìn)箱，加重災(zāi)情。

因此調(diào)度在災(zāi)害期間無(wú)法實(shí)時(shí)掌握是否需要停電、何時(shí)停電，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行存在巨大的安全隱患。

針對(duì)上述分析，基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種適用于變電設(shè)備受災(zāi)期間的水位監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，在設(shè)備受災(zāi)時(shí)代替人工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)水情況。當(dāng)水位逼近設(shè)備一、二次帶電部位安全距離時(shí)，能及時(shí)報(bào)警并提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而為調(diào)度運(yùn)行的決策提供相關(guān)信息與預(yù)警，保證電網(wǎng)安全。

1 水位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)水位監(jiān)測(cè)只關(guān)注變電所整體水位，實(shí)際上各配電裝置安裝位置地勢(shì)各不相同，且設(shè)備構(gòu)架、大小尺寸也不盡相同，因此在災(zāi)害期間受災(zāi)情況、采取的應(yīng)對(duì)措施也不同。關(guān)注具體設(shè)備間隔的進(jìn)水情況，準(zhǔn)備研制安裝于設(shè)備內(nèi)的水位監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，對(duì)每個(gè)受災(zāi)裝置提供獨(dú)立的警報(bào)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

由于變電所單個(gè)間隔內(nèi)端子箱安裝位置最低，因此目標(biāo)為研制能夠通用于各類端子箱的水位監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置。對(duì)于各種類型的端子箱，以及端子排不同的安裝高度，該裝置作簡(jiǎn)單調(diào)整后均能適用。

為減少由此裝置增加的維護(hù)工作，本裝置設(shè)計(jì)自帶工作電源，且可移動(dòng)安裝。當(dāng)公司發(fā)布災(zāi)害預(yù)警響應(yīng)時(shí)，才將本裝置安裝到間隔的端子箱內(nèi)，響應(yīng)結(jié)束后即可拆除。日常無(wú)需維護(hù)，安裝時(shí)不涉及運(yùn)行設(shè)備。

裝置帶通訊模塊，在水位報(bào)警啟動(dòng)后能實(shí)時(shí)將水位數(shù)據(jù)傳送至設(shè)立在主控室的通訊主機(jī)，讓運(yùn)行人員對(duì)各設(shè)備受淹情況實(shí)時(shí)掌握，從而為調(diào)度決策提供有力支撐，將災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)的影響降到最小。

系統(tǒng)總體拓?fù)淙鐖D1所示，水位監(jiān)測(cè)報(bào)警終端采集處理數(shù)據(jù)，當(dāng)水位達(dá)到一定位置的時(shí)候，報(bào)警電路啟動(dòng)，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)方監(jiān)控中心發(fā)送實(shí)時(shí)水位信息。

圖1 系統(tǒng)總體拓?fù)?/p>

2 通信系統(tǒng)

水位監(jiān)測(cè)終端和遠(yuǎn)方監(jiān)控中心通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)[1]。它適用于變電所內(nèi)的短距離通信，而傳輸水位信息所需要的實(shí)時(shí)性不是很高(1 min采集一次數(shù)據(jù)足夠)，并且ZigBee的低功耗使得可以采用電池實(shí)現(xiàn)供電。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種類型的節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)、終端(EndDevice)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有自組織能力，由協(xié)調(diào)器自動(dòng)管理網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，路由器和終端加入?yún)f(xié)調(diào)器組織的網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器為每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)地址，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的地址進(jìn)行管理；網(wǎng)絡(luò)中的終端和路由器節(jié)點(diǎn)可通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)路由，延長(zhǎng)通信距離或通過(guò)鏈路迂回提高通信可靠性[2]。

ZigBee通信的有效距離一般考慮不大于1 km，對(duì)于應(yīng)用在變電所中，考慮到電磁干擾、遮擋、設(shè)備功耗以及通信可靠性等因素，其有效距離可按100 m考慮。因此，必須合理安排安裝該設(shè)備到變電所的端子箱內(nèi)。

選用TI/Chipcon公司的CC2530硬件解決方案和Z-Stack協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。CC2530是一款完全支持ZigBee 2007協(xié)議的高性能SOC(片上系統(tǒng))芯片，整合了ZigBee射頻(RF)、收發(fā)器、增強(qiáng)型8051微控制器和存儲(chǔ)器，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的理想單芯片解決方案。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中樞，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，工作量大，為防止數(shù)據(jù)溢出，對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行了擴(kuò)展。LED指示燈用于指示設(shè)備工作狀態(tài)。串口組件用于與系統(tǒng)服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，如此，可在服務(wù)器的可視窗口中查看各設(shè)備的拓?fù)淝闆r、工作狀態(tài)及歷史記錄等，方便人機(jī)交互。

3 水位監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

水位監(jiān)控終端主要由水位傳感器、激光測(cè)距傳感器、微控制器和ZigBee無(wú)線通信模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。液位傳感器選用投入式壓力硅傳感器[3，4]，輸出4～20 mA電流；選用TI/Chipcon公司的CC2530硬件解決方案和Z-Stack協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而 CC2530具有優(yōu)良的性能和具有代碼預(yù)取功能的低功耗8051微控制器內(nèi)核可以用來(lái)采集和處理數(shù)據(jù)；測(cè)距采用激光測(cè)距傳感器。

圖3 監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)圖

水位傳感器采集水位高度a，激光測(cè)距傳感器測(cè)量端子箱內(nèi)排線到箱底的距離b作為報(bào)警水位，當(dāng)水位高度達(dá)到報(bào)警水位的時(shí)候向遠(yuǎn)方監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息。水位測(cè)量示意如圖4所示。

圖4 水位監(jiān)測(cè)示意圖

3.1 投入式壓力液位傳感器

投入式液位傳感器的原理[5](如圖5所示)：當(dāng)液位傳感器投入到被測(cè)液體中時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力公式為

P=ρgh+P0

式中，P為傳感器迎液面所受壓力；ρ為被測(cè)液體密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；P0為液面上大氣壓；h為傳感器投入液體的深度。

同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓P0與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的P0，使傳感器測(cè)得壓力為ρgh，顯然 ，通過(guò)測(cè)取壓力P，可以得到液位深度。

圖5 壓力式水位監(jiān)測(cè)原理

投入式壓力傳感器具有穩(wěn)定性好、固態(tài)結(jié)構(gòu)可靠性高、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用等特點(diǎn)?？紤]到變電所有較大的電磁干擾，這就要求壓力傳感器不僅要過(guò)壓能力強(qiáng)，而且要求機(jī)械密封可靠、防松動(dòng)，傳感器自身的引線、引腳以及外導(dǎo)線都應(yīng)加以電磁屏蔽，并將屏蔽良好接地。

3.2 激光測(cè)距傳感器

考慮到變電所內(nèi)端子箱的大小不同以及箱內(nèi)排線到箱底的距離也不一定，無(wú)法統(tǒng)一設(shè)定報(bào)警水位。因此采用激光測(cè)距傳感器來(lái)獲得最低的排線到端子箱底的距離作為報(bào)警水位。

排線到箱底的距離一般只有幾十厘米，測(cè)量的距離比較短，要求的精度相對(duì)較高，故選擇高精度短距離測(cè)量[6]的激光測(cè)距傳感器。

利用激光傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量距離的基本原理是通過(guò)測(cè)量激光往返目標(biāo)所需時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)距離。

3.3 微控制器

CC2530[7，8]是用于2.4 GHz IEEE 802.15.5/ZigBee/RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPUC，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530有2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART，可以用來(lái)分別和水位傳感器和激光測(cè)距傳感器通信。而CC2530具有的8051微控制器內(nèi)核可以用來(lái)采集和處理數(shù)據(jù)。

3.4 電源

為減少由此裝置增加的維護(hù)工作，本裝置設(shè)計(jì)自帶工作電源，且可移動(dòng)安裝。設(shè)計(jì)中的CC2530具有低功耗的特點(diǎn)，且本裝置只在災(zāi)害來(lái)臨時(shí)安裝于變電所端子箱內(nèi)，災(zāi)害過(guò)后即拆除，蓄電池的供電完全可以滿足工作需求。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

激光測(cè)距傳感器將測(cè)量的報(bào)警水位傳輸給CC2530，水位傳感器將采集的水位信息傳輸給CC2530，通過(guò)CC2530處理數(shù)據(jù)，當(dāng)水位達(dá)到報(bào)警水位的時(shí)候，發(fā)送報(bào)警信息給監(jiān)控中心，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序程序框圖

4 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的水位監(jiān)測(cè)只能監(jiān)測(cè)變電所整體的水位，而不能關(guān)注具體的設(shè)備進(jìn)水情況，所提出的水位監(jiān)測(cè)報(bào)警終端對(duì)安裝位置最低的端子箱進(jìn)行實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)。同時(shí)，在監(jiān)控終端增加一個(gè)激光測(cè)距模塊解決了不同端子箱中排線最低位置不同造成的報(bào)警水位不同的問(wèn)題。采用ZigBee技術(shù)將水位信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方監(jiān)控中心，有效保護(hù)災(zāi)害期電網(wǎng)安全。

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林天佑(1984)，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化等；

葉旭燦(1986)，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)檢修及運(yùn)行等；

黃建波(1982)，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)檢修及運(yùn)行等；

章偉偉(1991)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)通信等。

The traditional water level detection only focuses on the whole water level of substation. But actually, the installation position of distribution devices is quite different as well as their architectures and sizes. Focusing on the water circumstance of specific device, one kind of water level detecting and warning equipment which is installed on each terminal box is designed. Pressure silicon sensor is used to collect the information of water level and laser ranging sensor is used to obtain the height of alarm water level. The inner 8051 microcontroller of CC2530 is used to collect and process the data. And ZigBee wireless sensor is proposed to transmit the water level information to the monitoring center, which is based on CC2530 hardware solution and Z-Stack protocol stack of TI/Chipcon Company.

wireless sensor; ZigBee; substation; water level detection; laser ranging

TM763

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1003-6954(2015)02-0059-04

2014-11-14)