許繼昌南通信設(shè)備有限公司　馬躍軍華北電力大學(xué)　翟偉杰許繼昌南通信設(shè)備有限公司　翟文博許繼電氣股份有限公司　馮帥軍　王首萌

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淺析短距離無線通信在變電站中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

許繼昌南通信設(shè)備有限公司馬躍軍
華北電力大學(xué)翟偉杰
許繼昌南通信設(shè)備有限公司翟文博
許繼電氣股份有限公司馮帥軍王首萌

為實(shí)現(xiàn)變電站的智能化建設(shè)，變電站現(xiàn)場需要部署大量的無線溫度傳感器、無線濕度傳感器、無線水侵傳感器和無線開關(guān)傳感器以及對應(yīng)的短距離無線通信技術(shù)。本文介紹了短距離無線通信在變電站中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有應(yīng)用中存在的問題與挑戰(zhàn)，并展望了未來的發(fā)展趨勢。

短距離；無線通信；變電站

1.引言

智能電網(wǎng)是電網(wǎng)的智能化，它建立在集成、高速、雙向的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的發(fā)展目標(biāo)［1］。智能電網(wǎng)的發(fā)展要求采用高效適用的信息通信技術(shù)對電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的物理信息進(jìn)行廣泛采集，為電網(wǎng)廣域范圍的態(tài)勢感知提供信息。最近幾年，電網(wǎng)公司針對變電環(huán)節(jié)開展了包括變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、智能變電站和新一代智能變電站等在內(nèi)的智能化建設(shè)，這些工作均需要在現(xiàn)場部署大量的無線溫度傳感器、無線濕度傳感器、無線水侵傳感器和無線開關(guān)傳感器以及對應(yīng)的短距離無線通信技術(shù)。本文圍繞短距離無線通信在變電站中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢展開論述。

2.短距離無線通信簡介

短距離無線通信泛指在較小的區(qū)域內(nèi)提供無線通信的技術(shù)。短距離無線通信的通信距離較短，通常在幾米到兩百米范圍內(nèi)，覆蓋范圍小。同時(shí)，短距離無線通信的發(fā)射功率較低，通常小于100mW，且通常不使用授權(quán)頻段（國家無線電管理委員會分配給某個(gè)通信系統(tǒng)的專用頻段），無需設(shè)置短距離無線通信系統(tǒng)運(yùn)營管理機(jī)構(gòu)，運(yùn)營維護(hù)成本低，用戶可靈活地部署、拆除通信系統(tǒng)［2］。上述特性促進(jìn)了短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展，使其不僅廣泛應(yīng)用在便攜式電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)外設(shè)、各種家用電器、傳感器設(shè)備等的互聯(lián)中，實(shí)現(xiàn)了信息共享和多業(yè)務(wù)的無線傳輸，還廣泛應(yīng)用在了高速無線接入中，成為互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)移動互聯(lián)。

圖1　短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展歷程

短距離無線通信技術(shù)起源于二十世紀(jì)九十年代末，如在寬帶移動化背景下產(chǎn)生的無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)和超寬帶無線通信（UWB）技術(shù)、面向移動設(shè)備互聯(lián)應(yīng)用的藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)、面向傳感控制應(yīng)用的紫蜂（Zigbee）技術(shù)。此外，隨著高清數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，人們對家庭、辦公室場景中超高速（吉比特級數(shù)據(jù)速率）、短距離通信的需求日益增加，在此背景下，毫米波（60GHz）通信技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注。與此同時(shí)，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)及移動支付的發(fā)展，頻率為13.56MHz，通信距離不超過20cm的近距離無線通信技術(shù)（NFC）也得到了快速發(fā)展［3-5］。圖1給出了短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展歷程。

3.短距離無線通信在變電站中的應(yīng)用現(xiàn)狀

短距離無線通信技術(shù)發(fā)展的日新月異，也加速了其在智能電網(wǎng)“最后幾百米”接入中的應(yīng)用。目前，短距離無線通信在變電站中的應(yīng)用，主要集中在無線防誤系統(tǒng)、地線管理、在線監(jiān)測、工區(qū)作業(yè)安全、智能巡檢、視頻監(jiān)控以及智能變電站新應(yīng)用等環(huán)節(jié)。

3.1無線防誤系統(tǒng)

無線防誤系統(tǒng)主要由無線電腦鑰匙、無線傳輸適配器、防誤主機(jī)、無線基站等一系列無線通信產(chǎn)品組成，防誤主機(jī)與電腦鑰匙實(shí)時(shí)連接，電腦鑰匙可在線獲取現(xiàn)場一次設(shè)備的狀態(tài)，為電腦鑰匙智能解鎖提供有力保證。操作人員在現(xiàn)場操作，當(dāng)遇到斷路器或隔離開關(guān)就地操作時(shí)，此設(shè)備操作完畢后，電腦鑰匙主動通過現(xiàn)場的無線基站向主控室的防誤主機(jī)詢問此設(shè)備是否變位，如果此設(shè)備已變位，電腦鑰匙提示繼續(xù)下一步操作，否則，繼續(xù)等待，直到此設(shè)備變位。此功能的增加，有效地解決了“空程序”的問題。操作人員在現(xiàn)場操作，當(dāng)遇到電動設(shè)備要在主控室監(jiān)控后臺上操作時(shí)，電腦鑰匙可通過現(xiàn)場的無線基站與主控室的防誤主機(jī)交換信息，向防誤主機(jī)上報(bào)要操作的設(shè)備名稱，由防誤主機(jī)對監(jiān)控系統(tǒng)解除閉鎖，然后在監(jiān)控系統(tǒng)上對此設(shè)備遠(yuǎn)方遙控操作，這樣就減少了操作人員在傳統(tǒng)防誤操作過程中可能需多次往返于主控室與現(xiàn)場的煩瑣過程，同時(shí)也確保了操作能夠嚴(yán)格按照預(yù)定順序進(jìn)行。

3.2地線管理

臨時(shí)接地線（簡稱地線）是電力操作過程中用來保護(hù)人身安全、防止因意外來電而造成事故的一種常用的安全工器具。目前大多數(shù)用戶都使用地線柜存放臨時(shí)接地線，但都只具備地線存放的功能，而沒有地線管理功能，當(dāng)然，也有一部分產(chǎn)品可簡單提示地線是否存放在柜內(nèi)，但卻無法閉鎖地線和對其使用狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，與微機(jī)防誤閉鎖裝置的實(shí)時(shí)配合使用更是無從談起。短距離無線技術(shù)應(yīng)用于智能地線管理可以實(shí)現(xiàn)地線狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤，以及和微機(jī)防誤系統(tǒng)相結(jié)合對接地線強(qiáng)制閉鎖和授權(quán)解鎖，為接地線的操作帶來安全保障。

3.3在線監(jiān)測

短距離無線技術(shù)在變電站在線監(jiān)測方面也具有廣泛的應(yīng)用，比如利用無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合無線溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測母線接點(diǎn)、高壓電纜接頭、高壓開關(guān)觸點(diǎn)等處的溫度，可有效防止因相關(guān)觸點(diǎn)或接頭溫度過高而導(dǎo)致高壓輸、變電故障的發(fā)生。另外，除溫度外，電力設(shè)備的絕緣、壓力、振動等各種設(shè)備狀態(tài)都可以通過相應(yīng)的無線傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)傳送到后臺軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、分析和處理，為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修提供有效的狀態(tài)及預(yù)警信息。

3.4工區(qū)作業(yè)安全

變電工區(qū)是典型的高危工作區(qū)域，如果管理不到位，稍不注意就可能發(fā)生事故。變電站安全作業(yè)導(dǎo)航就是主動對靠近危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域、誤入非作業(yè)區(qū)域的工作人員進(jìn)行及時(shí)警示、提示的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由感應(yīng)終端、傳輸終端、移動終端、控制臺、中心服務(wù)器等硬件部分以及相關(guān)管理軟件組成。傳輸終端類似于手機(jī)的基站，沿著巡檢路線部署于目標(biāo)區(qū)域及其附近危險(xiǎn)點(diǎn)的監(jiān)測區(qū)域。傳輸終端、感應(yīng)終端以及控制臺能夠自動組網(wǎng)，形成自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采集信息并接收其覆蓋范圍內(nèi)的信號。感應(yīng)終端可以定時(shí)向傳輸終端發(fā)送信號，信號包括工作人員移動中不斷變化的區(qū)域范圍。當(dāng)傳輸終端構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)或接收到這些信號，即通過無線方式自動上傳到控制臺以及中心服務(wù)器。通過一定的定位算法或跟蹤收到信號的感應(yīng)終端的位置，即可跟蹤工作人員的當(dāng)前位置，并將環(huán)境信息和人員位置信息通過前臺展示給管理人員。當(dāng)工作人員誤入不合法區(qū)域或發(fā)生其他不允許的情況時(shí)，系統(tǒng)將自動向監(jiān)控后臺報(bào)警，管理部門可以選擇對其發(fā)出警報(bào)或采取其它應(yīng)急處理措施。

3.5智能巡檢

變電站智能巡檢系統(tǒng)整合機(jī)器人、模式識別、導(dǎo)航定位等技術(shù)，顯著提高了變電站巡檢工作的安全性和效率。變電站智能巡檢機(jī)器人會用到短距離無線通信技術(shù)獲取現(xiàn)場設(shè)備信息，并回傳給控制臺提供人工分析，是短距離無線通信在變電站中的重要應(yīng)用。

3.6視頻監(jiān)控

與輸電環(huán)節(jié)一樣，在變電站部分場合要求采用視頻監(jiān)控的手段，利用攝像機(jī)獲取現(xiàn)場的視頻再傳送到主站，視頻監(jiān)控要求遠(yuǎn)程遙控和連續(xù)數(shù)據(jù)，并且要求較高的清晰度，因此要求通信具備寬帶、低時(shí)延和連續(xù)數(shù)據(jù)流的傳輸能力，要求數(shù)據(jù)速率達(dá)到1-3Mbps。此外，在一些變電工區(qū)巡檢的應(yīng)用中，會有部分到達(dá)現(xiàn)場的移動終端（巡檢終端、移動計(jì)算機(jī)、監(jiān)測儀器）和臨時(shí)安裝的視頻監(jiān)測點(diǎn)加入監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，這部分通信要求比較隨機(jī)，可能是單向接受數(shù)據(jù)或者主動召喚數(shù)據(jù)，也可能要求與主站通信。

3.7智能變電站新應(yīng)用

隨著智能變電站建設(shè)工作的不斷展開，提出在變電站建設(shè)智能輔助控制系統(tǒng)，包括圖像監(jiān)視安全警衛(wèi)子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)等，這些應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)為短距離無線通信技術(shù)提出了新的應(yīng)用場景。此外，在目前電網(wǎng)公司新一代智能變電站的建設(shè)過程中，開始探討各種無線通信技術(shù)尤其是短距離無線通信技術(shù)在在變電站應(yīng)用的安全性和可行性問題，以及用于繼電保護(hù)的冗余通信通道。總體上看，新一代智能變電站要求部署更多的傳感器，對短距離無線通信提出了更多應(yīng)用需求。智能變電站應(yīng)用通信技術(shù)時(shí)，更多強(qiáng)調(diào)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息模型和通信協(xié)議，對通信傳輸速率提出了額外的要求。

4.存在的問題與挑戰(zhàn)

4.1短距離無線通信規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)致的電磁兼容問題尚未解決

電力二次設(shè)備是對電力系統(tǒng)內(nèi)一次設(shè)備進(jìn)行測量、控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)的輔助設(shè)備，包括測量表計(jì)，如電壓表、電流表、功率表、電能表，用于測量電路中的電氣參數(shù)；絕緣監(jiān)察裝置；繼電保護(hù)及自動裝置，如繼電器、自動裝置等，用于監(jiān)視一次系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，迅速反應(yīng)異常和事故，然后作用于斷路器，進(jìn)行保護(hù)控制等。它們的運(yùn)行電壓常見的有DC220/110V、DC48V、AC380/ 220V，相對一次設(shè)備的500kV、220kV、110kV的電壓，相差3-4個(gè)數(shù)量級，其內(nèi)部微處理器的工作電壓更低，一般為幾伏，極易受電磁信號干擾，產(chǎn)生功能故障，對變電站的正常運(yùn)行帶來極大的危害。過去電力系統(tǒng)從運(yùn)行安全角度出發(fā)，考慮到無線通信設(shè)備對二次設(shè)備具有潛在的干擾，禁止在變電站使用無線通信設(shè)備，客觀上阻礙了短距離無線技術(shù)的應(yīng)用推廣，也造成了現(xiàn)有變電站對短距離無線技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用帶來潛在干擾的估計(jì)不足。隨著變電站智能化建設(shè)的開展，妥善解決短距離無線通信規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)致的電磁兼容問題需求十分迫切。

4.2變電站復(fù)雜電磁環(huán)境下短距離無線技術(shù)尚無整體解決方案

變電站電磁環(huán)境復(fù)雜，在正常運(yùn)行和故障的條件下，變電站中電氣裝置主要的騷擾源有：雷電和靜電放電、電網(wǎng)中的開關(guān)和隔離刀閘操作、電網(wǎng)中的接地和短路故障、運(yùn)行的一次設(shè)備、二次回路、局部放電、通信設(shè)備等。電磁干擾不僅強(qiáng)度大，例如雷電電磁騷擾可以達(dá)到幾十千伏，而且頻率范圍寬，從工頻、低頻到高頻振蕩，此外，還有傳導(dǎo)、感應(yīng)、輻射等耦合途徑，可能造成無線網(wǎng)絡(luò)的短暫中斷。另外，短距離無線通信應(yīng)用的功耗問題、電源獲取問題均需要具體情況具體分析才能提高其應(yīng)用的可靠性。目前，變電站復(fù)雜電磁環(huán)境下短距離無線技術(shù)尚無整體解決方案。最近幾年，工業(yè)無線技術(shù)在工廠過程層、工廠自動化、工廠資產(chǎn)管理等方面具有大量的研究成果，可為變電站復(fù)雜電磁環(huán)境下短距離無線通信技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

5.發(fā)展趨勢

5.1建立電磁兼容性能良好的短距離無線通信平臺

變電站作為電網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，設(shè)備集中，運(yùn)行復(fù)雜，短距離無線技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景?？偟膩碚f，短距離無線通信技術(shù)在變電站的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛了，下一步，預(yù)期將在變電站內(nèi)建立具有良好電磁兼容性能的短距離無線通信平臺，實(shí)現(xiàn)對變電站內(nèi)各種復(fù)雜電磁干擾的兼容，并且自身的工作不會對變電站內(nèi)的電力一、二次設(shè)備造成干擾，此外還應(yīng)支持各種應(yīng)用，具備低功耗、安全可靠等性能。該平臺的建立，無疑將為變電站的信息采集帶來極大便利，可有效地彌補(bǔ)有線通信的局限性，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備信息、環(huán)境信息的全面監(jiān)測和管理。

5.2應(yīng)用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的短距離工業(yè)無線技術(shù)

IEEE 802.11和IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在短距離無線通信方面應(yīng)用較廣。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)是國際電子與電氣工程師學(xué)會（IEEE）為無線局域網(wǎng)絡(luò)制定的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了2.4GHz和5.8GHz兩個(gè)工作頻段，其中2.4GHz的ISM頻段為世界上絕大多數(shù)國家所采用，5.8GHz的ISM 頻段在一些國家和地區(qū)的使用情況比較復(fù)雜。IEEE 802.15.4是ZigBee、WirelessHART等規(guī)范的基礎(chǔ)，描述了低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議，屬于IEEE 802.15工作組。在2.4GHz的ISM頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)250kbps，其低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)使它在很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。目前的短距離工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要在這兩套標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上再定義網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范。變電站應(yīng)用短距離工業(yè)無線技術(shù)時(shí)，采用這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)互通、降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本、方便系統(tǒng)后期的維護(hù)和升級，是短距離無線技術(shù)在變電站中應(yīng)用的發(fā)展方向。

6.結(jié)束語

智能電網(wǎng)作為新一代的電網(wǎng)是未來發(fā)展的必然趨勢，而變電站是電網(wǎng)變電、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力生產(chǎn)場所，其智能化建設(shè)首當(dāng)其沖。短距離無線通信技術(shù)以其獨(dú)有的特點(diǎn)，必將在未來變電站的智能化建設(shè)中發(fā)揮重要作用，具有迫切的應(yīng)用需求和良好的應(yīng)用前景。

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國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“電力復(fù)雜電磁環(huán)境下高可靠短距離無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究”資助。