隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，對電力系統的安全監(jiān)測提出了更高的要求。特別是隨著電網覆蓋面的擴大以及電力設備數目種類的增加，電網安全監(jiān)測變得越來越復雜。只有不斷提高電網監(jiān)測的自動化水平，才能使電力系統安全、可靠、經濟地供電。目前變電站的改造是電網升級改造的重點，為此提出了變電站要少人或無人值守，提高效益。可是變電站的安全運行需要對大量設備的輸入、輸出數據進行在線檢測，對設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，對運行環(huán)境和突發(fā)事件也要及時掌握。以前都是工作人員到現場巡查檢測各項參數[1](電壓、電流、頻率、設備溫升、振動、噪聲等)，這不但勞動強度大，且實時性差。為了使電網能承受住特定的事故，且在嚴重事故下盡量縮小事故范圍，防止事故的擴大，或者能迅速消除事故所造成的后果，使電網快速恢復正常供電，達到安全可靠經濟運行的目的，變電站必須具備智能在線檢測與定位功能，而終端監(jiān)測設備與自動化系統主站之間能準確、快速地交換數據、命令，縮短參數異常和事故發(fā)現的響應時間，降低事故發(fā)生或擴大的機率，減少值班人員巡查的次數，降低值班人員的勞動強度。
1 Zigbee技術
    在配電線路安全監(jiān)測系統中，由于電磁環(huán)境干擾嚴重、監(jiān)測點多、布線復雜等原因，建立一個可靠的無線數據傳輸網絡是配電線路安全監(jiān)測所迫切需求的。工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無線網絡技術成為近年來研究熱點之一，基于Wi-Fi、Bluetooth和Zigbee等技術的無線網絡相繼問世。其中Zigbee短距離無線網技術以其數據傳輸安全可靠、設備成本低、組網簡易靈活、電池使用壽命長等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領域中呈現出深厚的發(fā)展?jié)摿?。Zigbee技術在配電線路安全監(jiān)測中也有著廣泛的應用前景。
    Zigbee具有低耗電、低成本、雙向傳輸、感應網絡功能等特點，主要適用于自動控制和遠程控制領域。IEEE將Zigbee接納為IEEE 802.15.4標準。
    Zigbee技術[2-3]的主要特點如下：
    (1)低功耗。在低耗電待機模式下,2節(jié)5號干電池可支持一個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢；
    (2)低成本。通過大幅簡化協議,降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點需要32 KB代碼,子功能節(jié)點只需4 KB代碼,而且Zigbee免協議專利費。隨著產品產業(yè)化，Zigbee通信模塊的價格預計能降到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)的原始數據吞吐率,滿足低速率傳輸數據的應用需求；
    (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)點間的距離)。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠；
    (5)短時延。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網絡只需30 ms，進一步節(jié)省了電能；
    (6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，一個主節(jié)點最多可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網絡節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網。一個區(qū)域內最多可以同時存在100個Zigbee網絡。每個Zigbee網絡可以支持31個傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備可以有8種不同的接口方式，可以采集并傳輸數字量和模擬量；
    (7)高安全。Zigbee提供了三級安全模式：無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性；
    (8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(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)測中的應用
    目前，國外對于變電站配電參數的在線監(jiān)測主要采用有線與無線相結合的方法，其優(yōu)點是測量準確、實時性好、能夠對整個檢測面進行檢測，但是需要大量的現場布線、設置電源等，對于某些現場條件不具備的場合（如不允許布線、供電不便等），其應用范圍受到了極大的限制；對于傳統的無線應用，由于標準不統一，需要在各種通信協議之間進行大量轉換工作，限制了設備的有效應用，且需大量的維護人員和成本。在國內，大多數變電站延用有線傳感監(jiān)測方式，少數變電站采用部分無線傳感技術，但通信協議不統一，也沒有有效的集成，監(jiān)控參數少，測量范圍窄，甚至需工作人員將儀器帶到現場才能對相關參數進行測量，增加了工作人員的勞動強度。總之，目前變電站配電參數的在線監(jiān)測都離不開有線的束縛和工作人員定期的現場巡查、維護，還沒有實現真正意義上的自動化，人為因素影響嚴重，不利于異常情況的及時發(fā)現與處理。
    針對目前國內外變電站配電參數監(jiān)測的缺點，現提出一種將無線無源溫度傳感器裝置應用于配電線路的方案。
    該裝置既無需外供電源，也無內置電池，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合微功耗傳感器實現參數檢測和信號無線傳輸。該裝置可在各種復雜電磁干擾、強電場、高溫、高壓、高濕度等惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。
    該裝置設有太陽能發(fā)電裝置、電能存儲裝置、數據采集傳送裝置，如圖1所示。圖中器件的型號與參數分別為：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；負載—帶溫度檢測傳感器TC77的無線單片機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，將產生約3 V的開路電壓和300 mA的短路電流；太陽能電池產生的電能在對雙電層電容器充電的同時，也對無線單片機CC2430供電；溫度傳感器通過SPI/UART與CC2430連接，在CC2430控制下進行信號的采集，并將采集到的信號通過CC2430內部集成的射頻收發(fā)電路通過2.4 GHz/SIM頻段進行轉發(fā)；CC2430一方面控制傳感器工作，另一方面可接受上位機的指令，設置自身或傳感器的工作狀態(tài)，并可進入低功耗休眠狀態(tài)；整個裝置在無光照、太陽能電池不發(fā)電時，轉由雙電層電容器供電。數據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)測某導線溫升情況時，只需把溫度傳感器緊挨導線。在CC2430內寫入程序，可以通過軟件設置數據發(fā)送的周期，或當溫升超過某值時發(fā)送數據等。
    圖1中的設備型號及參數選擇基于以下幾個方面的原因：
    (1)選用CC2430可實現多個參數的無線傳輸，且其功耗低，它可通過軟件設置多種工作狀態(tài)（發(fā)送數據狀態(tài)、接受數據狀態(tài)、信息采集狀態(tài)、休眠狀態(tài)），且方便地實現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：
    ①幾乎可以永無止境地充放電(100 000次)，但是電池卻很難達到1 000次充放電；
    ②可提供很高的放電電流，根據經驗，電池的電流卻會因為多次的電流脈沖而不斷減少；
    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，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，實驗結果如圖3所示。該結果表明，在一般光照強度下(約15 000 LUX)，電容起始電壓為0 V，經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中超級電容放電實驗電路圖。實驗結果表明，30 F 2.5 V的超級電容從2.95 V開始放電(CC2430節(jié)點每10 s發(fā)送1次數據)：共放電4 275次，約12 h，至1.75 V截止。
    (6)本裝置選用的設備數目少、成本低、維修量也小。
    由于Zigbee通信技術的低功耗、低成本、低速率、近距離、短延時、高容量、高安全、協議統一的眾多特點，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的安全可靠經濟運行。
參考文獻
[1] 王士政，馮金光．發(fā)電廠電氣部分[M]．北京：中國水利水電出版社，2002．
[2] 黃雙華．趙志宏．Zigbee無線傳感器網絡路由研究與實現[J]．電子測量技術，2007，30(2)：59-62．
[3] 王銳華，于全．淺析Zigbee技術[J]．電視技術，2003，6(6)：33-35．
[4] 李文仲，段朝玉．Zigbee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007．