Zigbee通信技术在配电线路安全监测中的应用

随着电力工业的迅速发展，对电力系统的安全监测提出了更高的要求。特别是随着电网覆盖面的扩大以及电力设备数目种类的增加，电网安全监测变得越来越复杂。只有不断提高电网监测的自动化水平，才能使电力系统安全、可靠、经济地供电。目前变电站的改造是电网升级改造的重点，为此提出了变电站要少人或无人值守，提高效益。可是变电站的安全运行需要对大量设备的输入、输出数据进行在线检测，对设备的运行状态进行实时监控，对运行环境和突发事件也要及时掌握。以前都是工作人员到现场巡查检测各项参数[1](电压、电流、频率、设备温升、振动、噪声等)，这不但劳动强度大，且实时性差。为了使电网能承受住特定的事故，且在严重事故下尽量缩小事故范围，防止事故的扩大，或者能迅速消除事故所造成的后果，使电网快速恢复正常供电，达到安全可靠经济运行的目的，变电站必须具备智能在线检测与定位功能，而终端监测设备与自动化系统主站之间能准确、快速地交换数据、命令，缩短参数异常和事故发现的响应时间，降低事故发生或扩大的机率，减少值班人员巡查的次数，降低值班人员的劳动强度。
1 Zigbee技术
    在配电线路安全监测系统中，由于电磁环境干扰严重、监测点多、布线复杂等原因，建立一个可靠的无线数据传输网络是配电线路安全监测所迫切需求的。工业控制环境下的短距离无线网络技术成为近年来研究热点之一，基于Wi-Fi、Bluetooth和Zigbee等技术的无线网络相继问世。其中Zigbee短距离无线网技术以其数据传输安全可靠、设备成本低、组网简易灵活、电池使用寿命长等优势，在工业控制领域中呈现出深厚的发展潜力。Zigbee技术在配电线路安全监测中也有着广泛的应用前景。
    Zigbee具有低耗电、低成本、双向传输、感应网络功能等特点，主要适用于自动控制和远程控制领域。IEEE将Zigbee接纳为IEEE 802.15.4标准。
    Zigbee技术[2-3]的主要特点如下：
    (1)低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持一个节点工作6～24个月，甚至更长。这是Zigbee的突出优势；
    (2)低成本。通过大幅简化协议,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32 KB代码,子功能节点只需4 KB代码,而且Zigbee免协议专利费。随着产品产业化，Zigbee通信模块的价格预计能降到1.5～2.5美元；
    (3)低速率。Zigbee工作在20 kb/s～250 kb/s的较低速率,分别提供250 kb/s(2.4 GHz)、40 kb/s(915 MHz)和20 kb/s(868 MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求；
    (4)近距离。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1 km～3 km(相邻节点间的距离)。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远；
    (5)短时延。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能；
    (6)高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。一个区域内最多可以同时存在100个Zigbee网络。每个Zigbee网络可以支持31个传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式，可以采集并传输数字量和模拟量；
    (7)高安全。Zigbee提供了三级安全模式：无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES-128)的对称密码，以灵活确定其安全属性；
    (8)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
2 Zigbee在配电线路安全监测中的应用
    目前，国外对于变电站配电参数的在线监测主要采用有线与无线相结合的方法，其优点是测量准确、实时性好、能够对整个检测面进行检测，但是需要大量的现场布线、设置电源等，对于某些现场条件不具备的场合（如不允许布线、供电不便等），其应用范围受到了极大的限制；对于传统的无线应用，由于标准不统一，需要在各种通信协议之间进行大量转换工作，限制了设备的有效应用，且需大量的维护人员和成本。在国内，大多数变电站延用有线传感监测方式，少数变电站采用部分无线传感技术，但通信协议不统一，也没有有效的集成，监控参数少，测量范围窄，甚至需工作人员将仪器带到现场才能对相关参数进行测量，增加了工作人员的劳动强度。总之，目前变电站配电参数的在线监测都离不开有线的束缚和工作人员定期的现场巡查、维护，还没有实现真正意义上的自动化，人为因素影响严重，不利于异常情况的及时发现与处理。
    针对目前国内外变电站配电参数监测的缺点，现提出一种将无线无源温度传感器装置应用于配电线路的方案。
    该装置既无需外供电源，也无内置电池，以太阳能为能源，以双电层超级电容器为储能装置，通过超低功耗无线微处理器结合微功耗传感器实现参数检测和信号无线传输。该装置可在各种复杂电磁干扰、强电场、高温、高压、高湿度等恶劣环境中长期稳定地工作。
    该装置设有太阳能发电装置、电能存储装置、数据采集传送装置，如图1所示。图中器件的型号与参数分别为：太阳能电池板—300 mA 3 V；超级电容—30 F 2.5 V的双电层电容器；负载—带温度检测传感器TC77的无线单片机CC2430[4]。

    该装置工作原理如下：位于装置顶部的太阳能电池在光照作用下，将产生约3 V的开路电压和300 mA的短路电流；太阳能电池产生的电能在对双电层电容器充电的同时，也对无线单片机CC2430供电；温度传感器通过SPI/UART与CC2430连接，在CC2430控制下进行信号的采集，并将采集到的信号通过CC2430内部集成的射频收发电路通过2.4 GHz/SIM频段进行转发；CC2430一方面控制传感器工作，另一方面可接受上位机的指令，设置自身或传感器的工作状态，并可进入低功耗休眠状态；整个装置在无光照、太阳能电池不发电时，转由双电层电容器供电。数据采集传送装置中各芯片引脚接线如图2所示。

    该装置在配电线路安全监测应用时，只需将其温度传感器置于需监测的环境中，而将太阳能电池板置于阳光可直接照射处。例如需要监测某导线温升情况时，只需把温度传感器紧挨导线。在CC2430内写入程序，可以通过软件设置数据发送的周期，或当温升超过某值时发送数据等。
    图1中的设备型号及参数选择基于以下几个方面的原因：
    (1)选用CC2430可实现多个参数的无线传输，且其功耗低，它可通过软件设置多种工作状态（发送数据状态、接受数据状态、信息采集状态、休眠状态），且方便地实现与传感器不同的连接方式，以及可与不同类型传感器连接。
    (2)太阳能电池板的使用使本装置无需外供电源。
    (3)超级电容的使用使本装置的维修量大大减少，与一般电池相比有以下优点：
    ①几乎可以永无止境地充放电(100 000次)，但是电池却很难达到1 000次充放电；
    ②可提供很高的放电电流，根据经验，电池的电流却会因为多次的电流脉冲而不断减少；
    ③可快速充电，但如果是电池快速充电，容易发生危险；
    ④不需维护，可在极端的恶裂的环境中(即便是-40 ℃的温度中)使用。
    (4)300 mA 3 V的太阳能电池板对30 F 2.5 V的超级电容充电速度快，实验结果如图3所示。该结果表明，在一般光照强度下(约15 000 LUX)，电容起始电压为0 V，经4～5 min就可启动CC2430，20 min就能将电容充到2.95 V左右。

    (5)30 F 2.5 V超级电容的存储电能的能力对于本装置已足够，图4为图1中超级电容放电实验电路图。实验结果表明，30 F 2.5 V的超级电容从2.95 V开始放电(CC2430节点每10 s发送1次数据)：共放电4 275次，约12 h，至1.75 V截止。
    (6)本装置选用的设备数目少、成本低、维修量也小。
    由于Zigbee通信技术的低功耗、低成本、低速率、近距离、短延时、高容量、高安全、协议统一的众多特点，Zigbee装置适用于配电线路的安全监测，提高了配电线路安全监控的自动化水平和电网的安全可靠经济运行。
参考文献
[1] 王士政，冯金光．发电厂电气部分[M]．北京：中国水利水电出版社，2002．
[2] 黄双华．赵志宏．Zigbee无线传感器网络路由研究与实现[J]．电子测量技术，2007，30(2)：59-62．
[3] 王锐华，于全．浅析Zigbee技术[J]．电视技术，2003，6(6)：33-35．
[4] 李文仲，段朝玉．Zigbee无线网络技术入门与实战[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007．