《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Zigbee通信技術(shù)在配電線路安全監(jiān)測中的應(yīng)用
陳建明,陳利平,魏錦美
華北水利水電學(xué)院,河南 鄭州450011
摘要: 介紹了在配電線路安全監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用Zigbee通信技術(shù),即使用一種以太陽能為能源、超級電容為儲能裝置、超低功耗的Zigbee芯片發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器裝置實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸。由于該裝置無需外供電源且采用無線通信,因而使配電線路的安全監(jiān)測變得更加方便可靠。
中圖分類號: TM764.1
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
Application of Zigbee wireless communication technology in safety monitoring of electrical power distribution line
CHEN Jian Ming,CHEN Li Ping,WEI Jin Mei
North China University of Water Conservancy and Electric Power,Zhengzhou 450011,China
Abstract: This paper mostly introduces the Zigbee communication technology applied in the temperature date transmission of safety monitoring of electrical power distribution line.It uses a sensor device that using solar-energy, super capacitor for energy storage, ultra-low-power Zigbee chip for data sending to achieve the wireless transmission of temperature data. Because of the device without external power supply and wireless communications, the safety monitoring of distribution lines has become more convenient and reliable.
Key words : electrical power distribution line;safety monitoring;communication technology;Zigbee

    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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