ZigBee组网技术在电力SCADA中有怎样的应用

相对于电力微波通信网、电力DDN数字数据和公网等远程通讯技术相比，电网数字化需要“就地”获取信息，并快速作出反应，同时需要和远程通讯技术配合。ZigBee无线自组网技术针对电力系统监测、控制的需求，在通信容量、通信时延、通信可靠性、能量损耗上正是这样一项满足电力SCADA需求的技术。ZigBee技术首先被应用在数字化变电站和电网监控上。本文仅就配网和变电站数字化为例介绍ZigBee组网技术在电力SCADA中的应用，电网监控请参见笔者其他论文。

ZigBee技术在智能电网中的应用得益于近年来配网和变电站本身技术的发展提供的有利条件：

■ 数据采集数字化：光电互感器的应用改变了监控系统的结构。

■ 系统结构分散化：从集中控制、功能分散逐步向户外型、分散型网络发展。

■ 系统建模标准化：IEC 61850确立了电力系统的建模标准。

■ 系统分层分布化：通信技术分层独立，为采用新兴通信技术提供方便。

IEC 61850明确地将变电站系统分成3层：变电站层、间隔层和过程层。介于变电站层与过程层之间的间隔层智能电子设备（IED），围绕保护、测量、计量、参数设置等功能与上下层设备交换信息，向上主动传送报告记录、故障启动/动作、变位、模拟信号量、录波数据等报文，接收上层发出的各种控制块的参数设置（例如日志控制、报告控制、GOOSE、GSSE等设置）、开断开关或断路器的控制指令、查询记录（或召唤）、对时等操作请求;向同一个间隔单元或者不同间隔单元的IED发出互锁、报警、故障等信号，进行分布式功能的服务调用;向下接收过程层合并单元传来的周期性实时模拟信号，将主站控制操作断路器的命令下传给智能断路器控制器，能对合并单元的采样值控制块设置采样值周期、传输方式等参数，以改变传输质量（见图1）。

1：间隔层IED功能模型

2：微机闭锁示意图

数字化变电站智能电子设备（IED）应用ZigBee技术是电力SCADA发展趋势之一，其中五防闭锁装置是电力安全生产的重要设备（IED）。随着电网的不断发展，技术的不断更新，防误装置得到不断改进和完善。防误装置的设计原则是：凡有可能引起误操作的高压电气设备，均应装设防误装置和相应的防误电气闭锁回路。

电网中的五防是指：

■ 防止误分、合断路器。

■ 防止带负荷分、合隔离开关。

■ 防止带电挂（合）接地线（接地开关）

■ 防止带接地线（接地开关）合断路器（隔离开关）

■ 防止误入带电间隔。

80年代中期，计算机技术进入了防误闭锁领域，其装置统称为“微机闭锁装置”，二十年来，经过了几代技术的发展变迁，已成为既成熟又实用的一个技术分支。就微机五防产品而言，虽然各厂家的产品各有其特色，但基本原理和采用的技术手段大致相同，装置主要由PC机、智能模拟屏、工控机、电脑钥匙和各种锁具组成。 通过在PC机或智能模拟屏上模拟预演，由系统内预先存储的逻辑规则和状态对每步预演进行判断，并通过串行接口通讯将操作步骤输入电脑钥匙中，然后用电脑钥匙打开装于现场相应设备上的编码锁，然后进行倒闸操作。

微机闭锁经过十几年来不断的完善和发展，已开始在电力系统大面积推广应用，其综合指标相比其它防误闭锁装置具有不可比拟的优越性。特别是闭锁全面、操作方便、维护简单、性能可靠、造价相对较低受到电力系统的肯定。但是：实际上其自身还有很多不足，比如：

■ 离线操作模式的安全隐患问题;

■ 系统造价偏高，使微机防误闭锁无法向广度发展的问题;

所谓“离线” 操作模式，是指在操作过程中电脑钥匙与主控系统之间没有通讯联系，此种模式下电脑钥匙只能顺序执行预存的操作票。由于离线模式而导致微机防误装置失去防护效果，发生误操作事故的例子很多，比如某电厂对一条热备用线路转停电检修操作时，在运行人员前往现场操作的过程中由于二次的原因断路器重合，而运行人员未能及时接到通知，仍然用电脑钥匙按预存的操作票打开线路侧刀闸的防误锁具，然后拉开刀闸，造成一起带负荷拉刀闸事故。某变电站执行某线路停电检修操作时，运行人员持电脑钥匙接通电气锁回路并断开断路器，然后用电脑钥匙打开线路侧刀闸的防误锁具，拉开刀闸，却造成一起带负荷拉刀闸事故，事后分析原因是由于断路器的触头没有完全脱开造成的。此外，在综自站遇到代路、导母等操作时，运行人员遇到监控操作则必须返回主控室才能确认操作步骤，导致操作人员多次往返奔波于主控室和现场之间，增加了人员的负担，也降低了操作效率。以上种种问题，在“离线”模式的微机防误闭锁装置中是无法解决的。

采用ZigBee无线自组织网络技术，实现了微机防误闭锁系统的电脑钥匙与主控设备之间的无线信息同步，同时运用网络中心拓扑技术，成功解决强电磁干扰环境中无线信息发送及接收的稳定性和成功率等关键问题，并成功降低了发射功率，确保产品在变电站干扰敏感区的安全使用。

特色和创新之处在于：

■ 在不大幅提高产品造价的前提下，彻底解决了现有微机防误闭锁装置中普遍存在的离线操作存在安全隐患的问题;

■ 填补了“多组同一任务并行操作”的空白，使系统具有了真正意义上的并行操作功能。

■ 无线电脑钥匙在变电站无线网络覆盖的任何区域都可以轻松完成自学、接票、操作和回传等，无需像以往的五防模式运行人员来回跑上跑下进行操作。

■ 实时在线，实时防误：五防主机显示的一次设备状态是实时的，和现场设备的实际状态保持一致。在操作的过程中，五防主机始终进行实时逻辑判断，判断在操作过程中的任何时刻操作是否还满足五防逻辑，起到了真正实时有效的防误目的。

综述

基于可靠ZigBee组网技术的电力SCADA的应用具有如下特点：

■ 拥有无线组网的核心技术专利;

■ 符合国际和国内标准;

■ 批量使用后，比现有系统更高的性价比;

■ 安装维护极其方便，可以和现有系统无缝对接。

在电力SCADA从微机控制向综合智能化控制发展过程中，主要表现为电气设备的小型化、机电一体化，以及控制与保护的整体化，将控制、保护系统与一次设备就近安装在一起，向着智能型装置发展。高度综合化和智能化的应用将日益加快，优点显而易见，如紧凑的设计降低了空间要求;标准化、模块化的技术使保护、控制易于实现最优协调;功能自由的设置使之更具灵活性;优化测点可以降低成本和尽可能消除数据的不一致性;增强了的抗干扰能力，提高了SCADA（数据采集和控制）的准确性。把低成本、低功耗的无线ZigBee技术应用于电力SCADA，不但满足了数字化电网就地获取信息、快速作出反应、和远程通讯技术配合的要求，同时还提高了系统应用的灵活性。