文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展,對電力系統(tǒng)的安全監(jiān)測提出了更高的要求。特別是隨著電網(wǎng)覆蓋面的擴(kuò)大以及電力設(shè)備數(shù)目種類的增加,電網(wǎng)安全監(jiān)測變得越來越復(fù)雜。只有不斷提高電網(wǎng)監(jiān)測的自動化水平,才能使電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地供電。目前變電站的改造是電網(wǎng)升級改造的重點(diǎn),為此提出了變電站要少人或無人值守,提高效益??墒亲冸娬镜陌踩\(yùn)行需要對大量設(shè)備的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行在線檢測,對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,對運(yùn)行環(huán)境和突發(fā)事件也要及時掌握。以前都是工作人員到現(xiàn)場巡查檢測各項參數(shù)[1](電壓、電流、頻率、設(shè)備溫升、振動、噪聲等),這不但勞動強(qiáng)度大,且實(shí)時性差。為了使電網(wǎng)能承受住特定的事故,且在嚴(yán)重事故下盡量縮小事故范圍,防止事故的擴(kuò)大,或者能迅速消除事故所造成的后果,使電網(wǎng)快速恢復(fù)正常供電,達(dá)到安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的,變電站必須具備智能在線檢測與定位功能,而終端監(jiān)測設(shè)備與自動化系統(tǒng)主站之間能準(zhǔn)確、快速地交換數(shù)據(jù)、命令,縮短參數(shù)異常和事故發(fā)現(xiàn)的響應(yīng)時間,降低事故發(fā)生或擴(kuò)大的機(jī)率,減少值班人員巡查的次數(shù),降低值班人員的勞動強(qiáng)度。
1 Zigbee技術(shù)
在配電線路安全監(jiān)測系統(tǒng)中,由于電磁環(huán)境干擾嚴(yán)重、監(jiān)測點(diǎn)多、布線復(fù)雜等原因,建立一個可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是配電線路安全監(jiān)測所迫切需求的。工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為近年來研究熱點(diǎn)之一,基于Wi-Fi、Bluetooth和Zigbee等技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)相繼問世。其中Zigbee短距離無線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、設(shè)備成本低、組網(wǎng)簡易靈活、電池使用壽命長等優(yōu)勢,在工業(yè)控制領(lǐng)域中呈現(xiàn)出深厚的發(fā)展?jié)摿?。Zigbee技術(shù)在配電線路安全監(jiān)測中也有著廣泛的應(yīng)用前景。
Zigbee具有低耗電、低成本、雙向傳輸、感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能等特點(diǎn),主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。IEEE將Zigbee接納為IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。
Zigbee技術(shù)[2-3]的主要特點(diǎn)如下:
(1)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下,2節(jié)5號干電池可支持一個節(jié)點(diǎn)工作6~24個月,甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢;
(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議,降低了對通信控制器的要求,按預(yù)測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32 KB代碼,子功能節(jié)點(diǎn)只需4 KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費(fèi)。隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化,Zigbee通信模塊的價格預(yù)計能降到1.5~2.5美元;
(3)低速率。Zigbee工作在20 kb/s~250 kb/s的較低速率,分別提供250 kb/s(2.4 GHz)、40 kb/s(915 MHz)和20 kb/s(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求;
(4)近距離。傳輸范圍一般介于10~100 m之間,在增加RF發(fā)射功率后,亦可增加到1 km~3 km(相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離)。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn);
(5)短時延。Zigbee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能;
(6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),一個主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個子節(jié)點(diǎn);同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65 000個節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。一個區(qū)域內(nèi)最多可以同時存在100個Zigbee網(wǎng)絡(luò)。每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以支持31個傳感器和受控設(shè)備,每一個傳感器和受控設(shè)備可以有8種不同的接口方式,可以采集并傳輸數(shù)字量和模擬量;
(7)高安全。Zigbee提供了三級安全模式:無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性;
(8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
2 Zigbee在配電線路安全監(jiān)測中的應(yīng)用
目前,國外對于變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測主要采用有線與無線相結(jié)合的方法,其優(yōu)點(diǎn)是測量準(zhǔn)確、實(shí)時性好、能夠?qū)φ麄€檢測面進(jìn)行檢測,但是需要大量的現(xiàn)場布線、設(shè)置電源等,對于某些現(xiàn)場條件不具備的場合(如不允許布線、供電不便等),其應(yīng)用范圍受到了極大的限制;對于傳統(tǒng)的無線應(yīng)用,由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,需要在各種通信協(xié)議之間進(jìn)行大量轉(zhuǎn)換工作,限制了設(shè)備的有效應(yīng)用,且需大量的維護(hù)人員和成本。在國內(nèi),大多數(shù)變電站延用有線傳感監(jiān)測方式,少數(shù)變電站采用部分無線傳感技術(shù),但通信協(xié)議不統(tǒng)一,也沒有有效的集成,監(jiān)控參數(shù)少,測量范圍窄,甚至需工作人員將儀器帶到現(xiàn)場才能對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量,增加了工作人員的勞動強(qiáng)度??傊?,目前變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測都離不開有線的束縛和工作人員定期的現(xiàn)場巡查、維護(hù),還沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動化,人為因素影響嚴(yán)重,不利于異常情況的及時發(fā)現(xiàn)與處理。
針對目前國內(nèi)外變電站配電參數(shù)監(jiān)測的缺點(diǎn),現(xiàn)提出一種將無線無源溫度傳感器裝置應(yīng)用于配電線路的方案。
該裝置既無需外供電源,也無內(nèi)置電池,以太陽能為能源,以雙電層超級電容器為儲能裝置,通過超低功耗無線微處理器結(jié)合微功耗傳感器實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測和信號無線傳輸。該裝置可在各種復(fù)雜電磁干擾、強(qiáng)電場、高溫、高壓、高濕度等惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。
該裝置設(shè)有太陽能發(fā)電裝置、電能存儲裝置、數(shù)據(jù)采集傳送裝置,如圖1所示。圖中器件的型號與參數(shù)分別為:太陽能電池板—300 mA 3 V;超級電容—30 F 2.5 V的雙電層電容器;負(fù)載—帶溫度檢測傳感器TC77的無線單片機(jī)CC2430[4]。
該裝置工作原理如下:位于裝置頂部的太陽能電池在光照作用下,將產(chǎn)生約3 V的開路電壓和300 mA的短路電流;太陽能電池產(chǎn)生的電能在對雙電層電容器充電的同時,也對無線單片機(jī)CC2430供電;溫度傳感器通過SPI/UART與CC2430連接,在CC2430控制下進(jìn)行信號的采集,并將采集到的信號通過CC2430內(nèi)部集成的射頻收發(fā)電路通過2.4 GHz/SIM頻段進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);CC2430一方面控制傳感器工作,另一方面可接受上位機(jī)的指令,設(shè)置自身或傳感器的工作狀態(tài),并可進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài);整個裝置在無光照、太陽能電池不發(fā)電時,轉(zhuǎn)由雙電層電容器供電。數(shù)據(jù)采集傳送裝置中各芯片引腳接線如圖2所示。
該裝置在配電線路安全監(jiān)測應(yīng)用時,只需將其溫度傳感器置于需監(jiān)測的環(huán)境中,而將太陽能電池板置于陽光可直接照射處。例如需要監(jiān)測某導(dǎo)線溫升情況時,只需把溫度傳感器緊挨導(dǎo)線。在CC2430內(nèi)寫入程序,可以通過軟件設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送的周期,或當(dāng)溫升超過某值時發(fā)送數(shù)據(jù)等。
圖1中的設(shè)備型號及參數(shù)選擇基于以下幾個方面的原因:
(1)選用CC2430可實(shí)現(xiàn)多個參數(shù)的無線傳輸,且其功耗低,它可通過軟件設(shè)置多種工作狀態(tài)(發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)、接受數(shù)據(jù)狀態(tài)、信息采集狀態(tài)、休眠狀態(tài)),且方便地實(shí)現(xiàn)與傳感器不同的連接方式,以及可與不同類型傳感器連接。
(2)太陽能電池板的使用使本裝置無需外供電源。
(3)超級電容的使用使本裝置的維修量大大減少,與一般電池相比有以下優(yōu)點(diǎn):
①幾乎可以永無止境地充放電(100 000次),但是電池卻很難達(dá)到1 000次充放電;
②可提供很高的放電電流,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),電池的電流卻會因?yàn)槎啻蔚碾娏髅}沖而不斷減少;
③可快速充電,但如果是電池快速充電,容易發(fā)生危險;
④不需維護(hù),可在極端的惡裂的環(huán)境中(即便是-40 ℃的溫度中)使用。
(4)300 mA 3 V的太陽能電池板對30 F 2.5 V的超級電容充電速度快,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。該結(jié)果表明,在一般光照強(qiáng)度下(約15 000 LUX),電容起始電壓為0 V,經(jīng)4~5 min就可啟動CC2430,20 min就能將電容充到2.95 V左右。
(5)30 F 2.5 V超級電容的存儲電能的能力對于本裝置已足夠,圖4為圖1中超級電容放電實(shí)驗(yàn)電路圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,30 F 2.5 V的超級電容從2.95 V開始放電(CC2430節(jié)點(diǎn)每10 s發(fā)送1次數(shù)據(jù)):共放電4 275次,約12 h,至1.75 V截止。
(6)本裝置選用的設(shè)備數(shù)目少、成本低、維修量也小。
由于Zigbee通信技術(shù)的低功耗、低成本、低速率、近距離、短延時、高容量、高安全、協(xié)議統(tǒng)一的眾多特點(diǎn),Zigbee裝置適用于配電線路的安全監(jiān)測,提高了配電線路安全監(jiān)控的自動化水平和電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
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[2] 黃雙華.趙志宏.Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2007,30(2):59-62.
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[4] 李文仲,段朝玉.Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.