《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(cè)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(cè)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(yáng)能為能源、超級(jí)電容為儲(chǔ)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(wú)線傳輸。由于該裝置無(wú)需外供電源且采用無(wú)線通信,因而使配電線路的安全監(jiān)測(cè)變得更加方便可靠。
中圖分類號(hào): TM764.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(duì)電力系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)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(cè)變得越來(lái)越復(fù)雜。只有不斷提高電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)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(jí)改造的重點(diǎn),為此提出了變電站要少人或無(wú)人值守,提高效益??墒亲冸娬镜陌踩\(yùn)行需要對(duì)大量設(shè)備的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行在線檢測(cè),對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,對(duì)運(yùn)行環(huán)境和突發(fā)事件也要及時(shí)掌握。以前都是工作人員到現(xiàn)場(chǎng)巡查檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)[1](電壓、電流、頻率、設(shè)備溫升、振動(dòng)、噪聲等),這不但勞動(dòng)強(qiáng)度大,且實(shí)時(shí)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(cè)與定位功能,而終端監(jiān)測(cè)設(shè)備與自動(dòng)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(shí)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(dòng)強(qiáng)度。
1 Zigbee技術(shù)
    在配電線路安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,由于電磁環(huán)境干擾嚴(yán)重、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、布線復(fù)雜等原因,建立一個(gè)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是配電線路安全監(jiān)測(cè)所迫切需求的。工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為近年來(lái)研究熱點(diǎn)之一,基于Wi-Fi、Bluetooth和Zigbee等技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相繼問世。其中Zigbee短距離無(wú)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(jiǎn)易靈活、電池使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),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(cè)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(dòng)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(hào)干電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24個(gè)月,甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì);
    (2)低成本。通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議,降低了對(duì)通信控制器的要求,按預(yù)測(cè)分析,以8051的8位微控制器測(cè)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(jià)格預(yù)計(jì)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(shí)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(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以支持31個(gè)傳感器和受控設(shè)備,每一個(gè)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(jí)安全模式:無(wú)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對(duì)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(guó))和868 MHz(歐洲)。
2 Zigbee在配電線路安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
    目前,國(guó)外對(duì)于變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)主要采用有線與無(wú)線相結(jié)合的方法,其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好、能夠?qū)φ麄€(gè)檢測(cè)面進(jìn)行檢測(cè),但是需要大量的現(xiàn)場(chǎng)布線、設(shè)置電源等,對(duì)于某些現(xiàn)場(chǎng)條件不具備的場(chǎng)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(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)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(guó)內(nèi),大多數(shù)變電站延用有線傳感監(jiān)測(cè)方式,少數(shù)變電站采用部分無(wú)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(cè)量范圍窄,甚至需工作人員將儀器帶到現(xiàn)場(chǎng)才能對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,增加了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度??傊?,目前變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)都離不開有線的束縛和工作人員定期的現(xiàn)場(chǎng)巡查、維護(hù),還沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)化,人為因素影響嚴(yán)重,不利于異常情況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理。
    針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外變電站配電參數(shù)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn),現(xiàn)提出一種將無(wú)線無(wú)源溫度傳感器裝置應(yīng)用于配電線路的方案。
    該裝置既無(wú)需外供電源,也無(wú)內(nèi)置電池,以太陽(yáng)能為能源,以雙電層超級(jí)電容器為儲(chǔ)能裝置,通過超低功耗無(wú)線微處理器結(jié)合微功耗傳感器實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)和信號(hào)無(wú)線傳輸。該裝置可在各種復(fù)雜電磁干擾、強(qiáng)電場(chǎng)、高溫、高壓、高濕度等惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。
    該裝置設(shè)有太陽(yáng)能發(fā)電裝置、電能存儲(chǔ)裝置、數(shù)據(jù)采集傳送裝置,如圖1所示。圖中器件的型號(hào)與參數(shù)分別為:太陽(yáng)能電池板—300 mA 3 V;超級(jí)電容—30 F 2.5 V的雙電層電容器;負(fù)載—帶溫度檢測(cè)傳感器TC77的無(wú)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(yáng)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(yáng)能電池產(chǎn)生的電能在對(duì)雙電層電容器充電的同時(shí),也對(duì)無(wú)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(hào)的采集,并將采集到的信號(hào)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(gè)裝置在無(wú)光照、太陽(yáng)能電池不發(fā)電時(shí),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(cè)應(yīng)用時(shí),只需將其溫度傳感器置于需監(jiān)測(cè)的環(huán)境中,而將太陽(yáng)能電池板置于陽(yáng)光可直接照射處。例如需要監(jiān)測(cè)某導(dǎo)線溫升情況時(shí),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(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)等。
    圖1中的設(shè)備型號(hào)及參數(shù)選擇基于以下幾個(gè)方面的原因:
    (1)選用CC2430可實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的無(wú)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(yáng)能電池板的使用使本裝置無(wú)需外供電源。
    (3)超級(jí)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(wú)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(huì)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(xiǎn);
    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(yáng)能電池板對(duì)30 F 2.5 V的超級(jí)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(dòng)CC2430,20 min就能將電容充到2.95 V左右。

    (5)30 F 2.5 V超級(jí)電容的存儲(chǔ)電能的能力對(duì)于本裝置已足夠,圖4為圖1中超級(jí)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(jí)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(shí)、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(cè),提高了配電線路安全監(jiān)控的自動(dòng)化水平和電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
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