ZigBee技术在变电站监测系统中的研究与应用

2014-04-25王上

中国科技纵横 2014年5期

关键词：间隔变电站终端

王上

(同济大学电子与信息工程学院,上海 200092)

ZigBee技术在变电站监测系统中的研究与应用

王上

(同济大学电子与信息工程学院,上海 200092)

现有的变电站通信多是采用有线网络进行信号的采集、传输和发送，且变电站设备繁多，信号复杂，存在综合布线难、成本高、维护困难等弊端。针对现有变电站在线检测方式的不足，提出了在变电站监测系统中应用ZigBee技术，论证了ZigBee技术在变电站自动化通信中应用的可行性，设计了适用于变电站数据通信的终端ZigBee模块，该设计提高了变电站监测系统的安全性和可靠性，对于实现变电站监测系统无人化及无线化，保障人民安全和财产安全具有重要意义，具有较好的应用前景。

ZigBee 无线网络监测系统

1 ZigBee技术简介

随着无线技术的高速发展,特别是无线传感器网络技术的发展给变电站复杂的线路布线提供了很好的解决办法。变电站电气设备监测的无线化已经成为变电站设备监测发展趋势[1]。本文提出的监测系统就是基于ZigBee无线传感器网络技术,通过无线网络将各设备监测点的温度、电流、电压、频率等参数信息发送到监控中心, 既可以实现变电站内各电气设备监测节点的输出传输,又可以实现高压和低压的隔离,并且成本也不是很高。Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，它依据IEEES02．15．4．IEEES02．15．4是IEEE无线个人区域网(PAN，Persona Area Network)工组的一项标准，ZigBee联盟提供了上层协议栈，包括网络层、安全层和应用层，其结构如图1所示。

ZigBee协议定义了3种拓扑结构：星型结构、树形结构、网状结构，如图2所示，在网络中依照处理能力大小分为精简功能设备，ZigBee协调器，ZigBee路由器和ZigBee终端设备。

图1 ZigBee协议栈结构

图2 ZigBee定义的3种拓扑结构

2 ZigBee技术应用于变电站监测系统的可行性

2.1 通信可靠性

采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突，网络具有自组织性和自愈能力.采用AES-128加密法，保证数据不会被“盗听”或“误判”，因此通信可靠”。

2.2 实时性

ZigBee从休眠状态唤醒的时延很短。从休眠状态唤醒的时延为15ms，进行搜索的时延为30ms，活动装置接入网络时延为15ms。通过不工作时休眠，需要工作前快速唤醒的方式降低了模块的能耗，可应用于对时延要求较高的无线组网数据的传输。

2.3 抗干扰性

采用2.4GHz的无线收发器，利用直接序列扩频技术，通过正交相移键控调制方法来实现.这样不仅隐蔽性好，抗干扰性强，而且工作频段灵活，可以调高通信速率。

2.4 网络容量大

ZigBee在进行多节点组网时，可以采用星状、网状等结构进行组网，ZigBee最大组网能够达到65000个，在整个ZigBee网络范围内，单个ZigBee模块之间可以互相通信。

由上分析知，ZigBee通信技术符合变电站监测系统对通信技术的要求，具有可行性。

图3 变电站内信息分层

3 系统设计

整个系统由若干无线传感器网络终端节点、路由器节点和网络协调器、无线数传终端、监控机和报警装置组成.终端节点部署在变电站要检测的设备处，路由器负责将数据路由转发至网络协调器.网络协调器得到汇总数据，对数据进行压缩并通过无线数传终端发送至智能电子装置(IED，Intelligent Electronic Device)。IED通过以太网传至监控主机，监控主机实时接收采集到的各种数据，保存至后台数据库，前台监控系统实时检测采集到的数据。

3.1 网络协调器

网络协调器是全功能设备(FFD)，包含所有的网络消息，存储容量最大，计算能力最强[3]。系统采用Chipcon公司的CC2430芯片作为无线收发模块。CC2430芯片延用了CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器，使用1个8位具有增强型MCU(8051)微控制器，具有32/64/128kb可编程闪存和8kb的RAM，还包含模拟数字转换器、AES一128安全协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/0，特别适合以ZigBee为基础的2.4GHZ波段对低成本、低功耗的应用要求。

3.2 终端节点和路由器节点

ZigBee终端节点结构和功能最简单，主要由RFD承担，由以下4部分组成：(1)数据采集模块，由传感器和A／D转换器组成，负责采集数据和模数转换；(2)数据处理模块(优化的8051)和存储器组成，负责节点的处理计算和控制、数据采集及存储；(3)无线射频通信模块，由CC2430组成，负责无线通信数据的发送和接收。

4 ZigBee在变电站中的应用

4.1 变电站的分层结构

目前，变电站综合自动化系统结构主要分为集中式和分层分布式两种。由于集中式结构要耗费大量二次电缆，容易产生数据传输瓶颈，且具有可扩展性、维护性差等缺点，主要用于小型变电站。变电站综合自动化系统通常采用分层分布式结构，即将变电站自动化系统内部信息分为3层，即变电站层、间隔层和过程层[3]，如图3所示。

最上层为变电站层.通过双极高速网络汇总全站的实时数据信息，不断实时刷新和登录数据库，接收、传送调度或控制中心的有关数据，命令并转向间隔层、过程层执行；对全站操作闭锁，实现站内当地具有对间隔层、过程层设备在线参数修改、变电站故障分析和操作培训的功能。

中间层为间隔层、间隔层汇聚本过程层的实时信息，具有一次设备保护控制、本间隔层的操作闭锁、实施同期操作、防误闭锁、数据采集统计运算及控制命令发出优先级别控制的功能.最底层是过程层，是一次设备与二次设备的结合面，包含各种现场电气设备，具有电气量检测、设备状态参数在线监测与统计、操作控制执行等功能。

4.2 应用分析

ZigBee技术主要应用在间隔层和过程层之间。变电站层和间隔层之间通过以太网把数据送往调度主站，并接收下发的控制命令。在间隔层，各种线路、元件设备，测控、保护单元都是一个智能电子装置IED，每个IED都有自己的CPU、输入输出设备、通讯口外界端子等，具有保护、测控、故障信息管理等功能ZigBee模块通过RS-232或RS-485接口附属在间隔层IED上作为中心协调器节点，用来接收和发送数据，供IED对其做出分析和判断，并向下层发送参数设置和跳闸指令。IED既可以采集过程层的参数和状态信息，对其进行处理并向变电站层发送相关的报告记录、故障启动动作、变位、模拟信号量、录波数据等报文，又可以接收上层发出的各种控制块的参数设置、开断开关或断路器的控制指令、查询记录、对时等操作请求，并把它们发给过程层，还能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。在过程层，ZigBee传感器终端节点附属在电气设备上，采集现场数据信号，并将数据通过ZigBee终端DAC数模转换器进行处理，通过ZigBee无线技术将信号发送至间隔层IED；同时该节点还可以接收来自间隔层的控制信息，距离中心节点远的终端节点，通过ZigBee路由节点转发。ZigBee模块可以附带温湿度、光、电压、电流等传感器，用来传输变电站内设备的运行情况和电力参数情况。