浅析短距离无线通信在变电站中的应用与发展趋势

2016-08-29许继昌南通信设备有限公司马跃军华北电力大学翟伟杰许继昌南通信设备有限公司翟文博许继电气股份有限公司冯帅军王首萌

电子世界 2016年15期

许继昌南通信设备有限公司　马跃军华北电力大学　翟伟杰许继昌南通信设备有限公司　翟文博许继电气股份有限公司　冯帅军　王首萌

许继昌南通信设备有限公司马跃军
华北电力大学翟伟杰
许继昌南通信设备有限公司翟文博
许继电气股份有限公司冯帅军王首萌

为实现变电站的智能化建设，变电站现场需要部署大量的无线温度传感器、无线湿度传感器、无线水侵传感器和无线开关传感器以及对应的短距离无线通信技术。本文介绍了短距离无线通信在变电站中的应用现状，指出了现有应用中存在的问题与挑战，并展望了未来的发展趋势。

短距离；无线通信；变电站

1.引言

智能电网是电网的智能化，它建立在集成、高速、双向的通信网络基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统，实现电网可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的发展目标［1］。智能电网的发展要求采用高效适用的信息通信技术对电网各环节的物理信息进行广泛采集，为电网广域范围的态势感知提供信息。最近几年，电网公司针对变电环节开展了包括变电设备状态监测系统、智能变电站和新一代智能变电站等在内的智能化建设，这些工作均需要在现场部署大量的无线温度传感器、无线湿度传感器、无线水侵传感器和无线开关传感器以及对应的短距离无线通信技术。本文围绕短距离无线通信在变电站中的应用与发展趋势展开论述。

2.短距离无线通信简介

短距离无线通信泛指在较小的区域内提供无线通信的技术。短距离无线通信的通信距离较短，通常在几米到两百米范围内，覆盖范围小。同时，短距离无线通信的发射功率较低，通常小于100mW，且通常不使用授权频段（国家无线电管理委员会分配给某个通信系统的专用频段），无需设置短距离无线通信系统运营管理机构，运营维护成本低，用户可灵活地部署、拆除通信系统［2］。上述特性促进了短距离无线通信技术的发展，使其不仅广泛应用在便携式电子设备、计算机外设、各种家用电器、传感器设备等的互联中，实现了信息共享和多业务的无线传输，还广泛应用在了高速无线接入中，成为互联网的扩展，实现移动互联。

图1　短距离无线通信技术的发展历程

短距离无线通信技术起源于二十世纪九十年代末，如在宽带移动化背景下产生的无线局域网（WLAN）技术和超宽带无线通信（UWB）技术、面向移动设备互联应用的蓝牙（Bluetooth）技术、面向传感控制应用的紫蜂（Zigbee）技术。此外，随着高清数字技术的发展，人们对家庭、办公室场景中超高速（吉比特级数据速率）、短距离通信的需求日益增加，在此背景下，毫米波（60GHz）通信技术得到了越来越多的关注。与此同时，随着移动互联网及移动支付的发展，频率为13.56MHz，通信距离不超过20cm的近距离无线通信技术（NFC）也得到了快速发展［3-5］。图1给出了短距离无线通信技术的发展历程。

3.短距离无线通信在变电站中的应用现状

短距离无线通信技术发展的日新月异，也加速了其在智能电网“最后几百米”接入中的应用。目前，短距离无线通信在变电站中的应用，主要集中在无线防误系统、地线管理、在线监测、工区作业安全、智能巡检、视频监控以及智能变电站新应用等环节。

3.1无线防误系统

无线防误系统主要由无线电脑钥匙、无线传输适配器、防误主机、无线基站等一系列无线通信产品组成，防误主机与电脑钥匙实时连接，电脑钥匙可在线获取现场一次设备的状态，为电脑钥匙智能解锁提供有力保证。操作人员在现场操作，当遇到断路器或隔离开关就地操作时，此设备操作完毕后，电脑钥匙主动通过现场的无线基站向主控室的防误主机询问此设备是否变位，如果此设备已变位，电脑钥匙提示继续下一步操作，否则，继续等待，直到此设备变位。此功能的增加，有效地解决了“空程序”的问题。操作人员在现场操作，当遇到电动设备要在主控室监控后台上操作时，电脑钥匙可通过现场的无线基站与主控室的防误主机交换信息，向防误主机上报要操作的设备名称，由防误主机对监控系统解除闭锁，然后在监控系统上对此设备远方遥控操作，这样就减少了操作人员在传统防误操作过程中可能需多次往返于主控室与现场的烦琐过程，同时也确保了操作能够严格按照预定顺序进行。

3.2地线管理

临时接地线（简称地线）是电力操作过程中用来保护人身安全、防止因意外来电而造成事故的一种常用的安全工器具。目前大多数用户都使用地线柜存放临时接地线，但都只具备地线存放的功能，而没有地线管理功能，当然，也有一部分产品可简单提示地线是否存放在柜内，但却无法闭锁地线和对其使用状态进行实时跟踪，与微机防误闭锁装置的实时配合使用更是无从谈起。短距离无线技术应用于智能地线管理可以实现地线状态实时跟踪，以及和微机防误系统相结合对接地线强制闭锁和授权解锁，为接地线的操作带来安全保障。

3.3在线监测

短距离无线技术在变电站在线监测方面也具有广泛的应用，比如利用无线网络结合无线温度传感器，可以实时监测母线接点、高压电缆接头、高压开关触点等处的温度，可有效防止因相关触点或接头温度过高而导致高压输、变电故障的发生。另外，除温度外，电力设备的绝缘、压力、振动等各种设备状态都可以通过相应的无线传感器和无线网络传送到后台软件进行实时监视、分析和处理，为实现状态检修提供有效的状态及预警信息。

3.4工区作业安全

变电工区是典型的高危工作区域，如果管理不到位，稍不注意就可能发生事故。变电站安全作业导航就是主动对靠近危险作业区域、误入非作业区域的工作人员进行及时警示、提示的实时监测系统，系统主要由感应终端、传输终端、移动终端、控制台、中心服务器等硬件部分以及相关管理软件组成。传输终端类似于手机的基站，沿着巡检路线部署于目标区域及其附近危险点的监测区域。传输终端、感应终端以及控制台能够自动组网，形成自组织的网络系统，采集信息并接收其覆盖范围内的信号。感应终端可以定时向传输终端发送信号，信号包括工作人员移动中不断变化的区域范围。当传输终端构成的网络系统采集到数据或接收到这些信号，即通过无线方式自动上传到控制台以及中心服务器。通过一定的定位算法或跟踪收到信号的感应终端的位置，即可跟踪工作人员的当前位置，并将环境信息和人员位置信息通过前台展示给管理人员。当工作人员误入不合法区域或发生其他不允许的情况时，系统将自动向监控后台报警，管理部门可以选择对其发出警报或采取其它应急处理措施。

3.5智能巡检

变电站智能巡检系统整合机器人、模式识别、导航定位等技术，显著提高了变电站巡检工作的安全性和效率。变电站智能巡检机器人会用到短距离无线通信技术获取现场设备信息，并回传给控制台提供人工分析，是短距离无线通信在变电站中的重要应用。

3.6视频监控

与输电环节一样，在变电站部分场合要求采用视频监控的手段，利用摄像机获取现场的视频再传送到主站，视频监控要求远程遥控和连续数据，并且要求较高的清晰度，因此要求通信具备宽带、低时延和连续数据流的传输能力，要求数据速率达到1-3Mbps。此外，在一些变电工区巡检的应用中，会有部分到达现场的移动终端（巡检终端、移动计算机、监测仪器）和临时安装的视频监测点加入监测网络，这部分通信要求比较随机，可能是单向接受数据或者主动召唤数据，也可能要求与主站通信。

3.7智能变电站新应用

随着智能变电站建设工作的不断展开，提出在变电站建设智能辅助控制系统，包括图像监视安全警卫子系统、环境监测子系统、火灾报警子系统等，这些应用系统的建设为短距离无线通信技术提出了新的应用场景。此外，在目前电网公司新一代智能变电站的建设过程中，开始探讨各种无线通信技术尤其是短距离无线通信技术在在变电站应用的安全性和可行性问题，以及用于继电保护的冗余通信通道。总体上看，新一代智能变电站要求部署更多的传感器，对短距离无线通信提出了更多应用需求。智能变电站应用通信技术时，更多强调基于IEC61850标准的信息模型和通信协议，对通信传输速率提出了额外的要求。

4.存在的问题与挑战

4.1短距离无线通信规模应用导致的电磁兼容问题尚未解决

电力二次设备是对电力系统内一次设备进行测量、控制、保护、调节的辅助设备，包括测量表计，如电压表、电流表、功率表、电能表，用于测量电路中的电气参数；绝缘监察装置；继电保护及自动装置，如继电器、自动装置等，用于监视一次系统的运行状况，迅速反应异常和事故，然后作用于断路器，进行保护控制等。它们的运行电压常见的有DC220/110V、DC48V、AC380/ 220V，相对一次设备的500kV、220kV、110kV的电压，相差3-4个数量级，其内部微处理器的工作电压更低，一般为几伏，极易受电磁信号干扰，产生功能故障，对变电站的正常运行带来极大的危害。过去电力系统从运行安全角度出发，考虑到无线通信设备对二次设备具有潜在的干扰，禁止在变电站使用无线通信设备，客观上阻碍了短距离无线技术的应用推广，也造成了现有变电站对短距离无线技术大规模应用带来潜在干扰的估计不足。随着变电站智能化建设的开展，妥善解决短距离无线通信规模应用导致的电磁兼容问题需求十分迫切。

4.2变电站复杂电磁环境下短距离无线技术尚无整体解决方案

变电站电磁环境复杂，在正常运行和故障的条件下，变电站中电气装置主要的骚扰源有：雷电和静电放电、电网中的开关和隔离刀闸操作、电网中的接地和短路故障、运行的一次设备、二次回路、局部放电、通信设备等。电磁干扰不仅强度大，例如雷电电磁骚扰可以达到几十千伏，而且频率范围宽，从工频、低频到高频振荡，此外，还有传导、感应、辐射等耦合途径，可能造成无线网络的短暂中断。另外，短距离无线通信应用的功耗问题、电源获取问题均需要具体情况具体分析才能提高其应用的可靠性。目前，变电站复杂电磁环境下短距离无线技术尚无整体解决方案。最近几年，工业无线技术在工厂过程层、工厂自动化、工厂资产管理等方面具有大量的研究成果，可为变电站复杂电磁环境下短距离无线通信技术的研究和应用提供参考。

5.发展趋势

5.1建立电磁兼容性能良好的短距离无线通信平台

变电站作为电网的核心环节，设备集中，运行复杂，短距离无线技术具有较好的应用前景。总的来说，短距离无线通信技术在变电站的应用已经越来越广泛了，下一步，预期将在变电站内建立具有良好电磁兼容性能的短距离无线通信平台，实现对变电站内各种复杂电磁干扰的兼容，并且自身的工作不会对变电站内的电力一、二次设备造成干扰，此外还应支持各种应用，具备低功耗、安全可靠等性能。该平台的建立，无疑将为变电站的信息采集带来极大便利，可有效地弥补有线通信的局限性，实现变电站设备信息、环境信息的全面监测和管理。

5.2应用通用化、标准化的短距离工业无线技术

IEEE 802.11和IEEE 802.15.4标准在短距离无线通信方面应用较广。IEEE 802.11标准是国际电子与电气工程师学会（IEEE）为无线局域网络制定的标准，规定了2.4GHz和5.8GHz两个工作频段，其中2.4GHz的ISM频段为世界上绝大多数国家所采用，5.8GHz的ISM 频段在一些国家和地区的使用情况比较复杂。IEEE 802.15.4是ZigBee、WirelessHART等规范的基础，描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议，属于IEEE 802.15工作组。在2.4GHz的ISM频段上，数据传输速率最高可达250kbps，其低功耗、低成本的优点使它在很多领域获得了广泛的应用。目前的短距离工业无线技术标准主要在这两套标准基础上再定义网络层和应用层规范。变电站应用短距离工业无线技术时，采用这两个标准有利于实现系统的互联互通、降低技术实现成本、方便系统后期的维护和升级，是短距离无线技术在变电站中应用的发展方向。