張永伍1，黃  毅1，王  洋1，王政國2，王秋英2

　?。?.國網(wǎng)天津市電力公司電力調(diào)度控制中心，天津 300010；2.東方電子集團，山東 煙臺 264000）

　　摘  要： 電力行業(yè)二次設備運維通常使用手工記錄操作記錄和攜帶紙質(zhì)圖紙資料的方式進行二次設備資產(chǎn)管理和運維管理，存在數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性差、資料攜帶困難、設備和人工成本高、設備工作惡劣環(huán)境檢測困難等問題。針對上述問題，本文結(jié)合無線傳感網(wǎng)WSN和RFID兩者的技術(shù)優(yōu)勢，在RFID電子標簽和溫度傳感器的基礎上，設計并實現(xiàn)了一種基于RFID技術(shù)與ZigBee無線網(wǎng)絡相融合的分布式設備管理和環(huán)境檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了設備帳、卡、物的一致，運維工作可靠管理和設備運行環(huán)境實時檢測的功能。

　　關鍵詞： RFID; ZigBee; WSN; 傳感器; 二次設備

0  引言

　　繼電保護是保證電力系統(tǒng)安全的重要環(huán)節(jié)，其對保障系統(tǒng)安全之重要、設備數(shù)量之繁多、種類之龐雜、邏輯之嚴密、信息之海量都充分表明繼電保護專業(yè)的管理是一個復雜而龐大的系統(tǒng)工程。隨著電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴大和各項技術(shù)的飛速發(fā)展，國家電網(wǎng)公司對繼電保護專業(yè)管理工作的要求也越來越高，明確地提出了“規(guī)程系統(tǒng)化、設備標準化、管理規(guī)范化、分析精益化”的四化原則。為了滿足管理的需要，必須不斷加強對規(guī)劃、設計、設備選型、施工調(diào)試、運行維護、人員管理等全過程的管理。

　　電網(wǎng)繼電保護專業(yè)的管理者需要進行二次設備全壽命周期跟蹤管理，并全面掌控二次設備在購置、建設、運維、大修、退運、報廢等關鍵環(huán)節(jié)的相關信息，并實現(xiàn)各個管理環(huán)節(jié)的有效銜接和信息及時更新，對二次設備的實物進行快捷、高效、準確的管理。因此，需要建設基于RFID身份識別及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的二次設備全壽命周期管理軟硬件平臺，實現(xiàn)對二次設備進行統(tǒng)一集中管理，促進設備資產(chǎn)管理的標準化、精益化，有效提高設備資產(chǎn)利用率。

　　對于上述管理方面的困難，本文提出了基于WSN和RFID技術(shù)的變電站二次設備全生命周期運維管理系統(tǒng)?；赪SN和RFID技術(shù)的變電站二次設備全生命周期運維管理系統(tǒng)，應用RFID技術(shù)，采用超高頻RFID標簽，其存儲保護設備的唯一身份標識信息和出廠信息，與保護設備相關聯(lián)，實現(xiàn)對保護設備的唯一標識，實現(xiàn)保護設備資產(chǎn)信息快速、高效、準確采集，提供保護設備信息及保護插件信息的查詢，實現(xiàn)設備操作前校驗功能，防止錯誤操作的發(fā)生，提供設備巡檢、設備檢驗功能管理，為設備的巡檢和校驗提供標準化模板和規(guī)范?；赗FID技術(shù)的二次設備全壽命周期管理系統(tǒng)對保護設備的資產(chǎn)管理和運行管理有著重要的意義。

　　變電站內(nèi)運行的二次設備，均是高精密電子產(chǎn)品，對運行環(huán)境要求嚴格，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)，能夠無線分布式地自由安裝在所需檢測點上，不受布線條件限制，自由靈活，調(diào)整方便，并且能夠和空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動，自動調(diào)節(jié)空調(diào)溫度，保證二次設備運行在一個恒定的溫度環(huán)境中，保證二次設備可靠運行[1-4]。

1 技術(shù)背景

　　射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動識別技術(shù)，讀寫器通過接收電子標簽發(fā)出的無線電波接收讀取數(shù)據(jù)。其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID讀卡器可識別高速物體并可同時識別多個標簽，是物聯(lián)網(wǎng)最重要的終端之一[4]。

　　最常見的射頻系統(tǒng)是被動射頻系統(tǒng)，讀寫器將加密數(shù)據(jù)載波信號經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)送，在其周圍形成電磁場；電子標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域后從電磁場中獲得能量激活標簽中的芯片電路，芯片將電磁波進行轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送給讀寫器，讀寫器把它轉(zhuǎn)換成相關數(shù)據(jù)。計算器應用系統(tǒng)就可以處理這些數(shù)據(jù)從而進行管理控制。

　　使用物聯(lián)網(wǎng)身份識別等技術(shù)完成二次設備全壽命周期管理軟硬件平臺的建設，統(tǒng)一集中管理二次設備，建立起一套科學完整的二次設備全壽命周期管理流程規(guī)范。系統(tǒng)應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，存儲二次設備的唯一身份標識和運行信息，實現(xiàn)對二次設備的唯一標示、快速、高效、準確采集，提供二次設備信息及保護插件管理，進行設備工作校驗、防止走錯間隔，提供設備全壽命周期管理功能，實現(xiàn)二次設備全壽命周期管理全程任意環(huán)節(jié)可追溯。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，這些傳感器節(jié)點能夠?qū)崟r采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點和觀察者，以實現(xiàn)復雜的指定范圍內(nèi)目標檢測與管理?；ヂ?lián)網(wǎng)（Internet）構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，而無線傳感器網(wǎng)絡則將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變了人類與自然界的交互方式，是一種全新的信息獲取平臺[3]。

　　無線傳感器網(wǎng)絡被廣泛應用于環(huán)境探測、天氣預報、安全監(jiān)控等領域，發(fā)展應用前景非常廣闊。無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)集采集、傳輸、融合分析于一體，對于網(wǎng)絡復雜龐大的測控系統(tǒng)，如果線路連接過多會使系統(tǒng)成本較高而且維護困難，尤其對于現(xiàn)場監(jiān)控點多且復雜的情況下，采用無線傳感器技術(shù)可非常容易解決。

　　ZigBee技術(shù)是一種新興的無線通信技術(shù)，常用于構(gòu)建能夠自組網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡（WSN），它適合于功耗要求低、實時性要求不高、需要節(jié)點較多、不方便布線、需支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊蟍2]。

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的應用于無線監(jiān)測與控制應用的全球性無線通信標準，在ZigBee 聯(lián)盟推動下進行網(wǎng)絡層和應用層的標準化[5]。ZigBee技術(shù)的核心是運行于微控制器內(nèi)部的一套軟件，也稱之為軟件協(xié)議棧。

　　在ZigBee網(wǎng)絡中，按網(wǎng)絡角色可以分為中心節(jié)點（協(xié)調(diào)器）、路由節(jié)點（中繼器）和終端節(jié)點（采集器）。這幾種類型的節(jié)點可以組成不同拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡，分別是星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)與網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

　　本系統(tǒng)采用（C）網(wǎng)型結(jié)構(gòu)(即MESH網(wǎng))進行變電站內(nèi)傳感器網(wǎng)絡的構(gòu)建。系統(tǒng)的每個終端節(jié)點都有RFID讀寫設備、溫度傳感器、ZigBee終端節(jié)點組成[6]，RFID讀寫器將讀取的設備信息以及溫度傳感器采集的設備環(huán)境溫度通過ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點逐級傳輸，最終到達設備管理工作站。

　　2 系統(tǒng)架構(gòu)

　　本文所設計的基于WSN和RFID技術(shù)的變電站二次設備全生命周期運維管理系統(tǒng)應用ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)實現(xiàn)對設備全壽命周期管理過程中的唯一身份識別、設備信息實時獲取、溫度在線運行監(jiān)測功能,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　系統(tǒng)按功能可分二次設備運維管理功能和二次設備環(huán)境檢測功能，按網(wǎng)絡區(qū)分則由無線傳感網(wǎng)和變電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)以及管理系統(tǒng)服務網(wǎng)絡構(gòu)成?；赪SN和RFID技術(shù)的變電站二次設備全生命周期運維管理系統(tǒng)方案設備主要包括：二次設備標識電子標簽、RFID手持管理終端、ZigBee溫濕度標簽、ZigBee無線路由器、ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、應用服務、管理工作站等設備。RFID手持機讀取RFID標簽ID信息，將相關聯(lián)的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享。無線傳感網(wǎng)絡通過協(xié)調(diào)器接入基于WSN和RFID技術(shù)的變電站二次設備全生命周期運維管理系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)庫服務器和管理工作站進行數(shù)據(jù)交互。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能。

　　（1）基于電子標簽技術(shù)的二次設備信息數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，通過對設備資產(chǎn)全壽命周期內(nèi)身份識別，建立設備實時管理信息。

　?。?）對二次設備進行統(tǒng)一集中管理，實現(xiàn)設備資產(chǎn)管理的標準化、精益化。

　　（3）與繼電保護系統(tǒng)進行信息互動，達到設備資產(chǎn)信息管理與實物管理統(tǒng)一，與變電站保護運行系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

　?。?）實現(xiàn)設備操作前校驗功能，對設備資產(chǎn)進行快速、準確的操作管理，防止錯誤操作的發(fā)生，確保工作人員到場工作，監(jiān)督工作人員。

　?。?）建立資產(chǎn)管理系統(tǒng)，可進行臺賬管理，可記錄、可追溯資產(chǎn)事件。

　　（6）實時監(jiān)測二次設備運行環(huán)境的溫度變化情況，實時調(diào)節(jié)空調(diào)溫度，確保設備運行環(huán)境溫度恒定。

3 變電站二次設備全生命周期運維管理

　　變電站二次設備全生命周期運維管理系統(tǒng)，首次通過應用物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)對電網(wǎng)二次設備建立起“電子卡片”，為二次設備資產(chǎn)管理提供有效的唯一身份識別碼，實現(xiàn)對設備全生命周期管理過程中的唯一身份識別，提高信息維護的方便性，實現(xiàn)設備信息全生命過程中可查詢、可追溯。在設備資產(chǎn)管理過程中，制定規(guī)范的信息規(guī)范標準，通過標準接口直接導入、導出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，減少信息人工維護工作量，并減少人為數(shù)據(jù)維護出錯量，提高信息的準確性、實時性、完整性。

　　實現(xiàn)設備精細化管理，首次將二次設備信息管理深入到設備板卡級別，對設備板卡信息進行全壽命過程跟蹤，如圖3所示。記錄設備板卡更換信息，可實現(xiàn)對板卡缺陷及更換的統(tǒng)計分析功能，為企業(yè)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。另外，還可查詢退運設備中可重復利用的未達到使用年限的板卡信息，作為二次利用，節(jié)約了設備投入成本，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　實現(xiàn)設備智能巡檢和校驗管理，制定電力系統(tǒng)二次設備的標準的巡視和校驗作業(yè)指導書，由二次設備全壽命周期管理系統(tǒng)制定巡視或校驗任務，通過USB離線方式將巡視任務、巡視作業(yè)指導書下載至移動終端，由移動終端完成巡視或校驗工作。具體巡視工作時，以移動終端為載體，工作人員掃描安裝在設備上的RFID電子標簽讀取識別設備，系統(tǒng)自動彈出巡視作業(yè)指導書，并提示所巡視設備的巡視內(nèi)容項，工作人員依據(jù)提示完成設備的巡檢工作和校驗工作，完成巡視工作后，將巡視結(jié)果或校驗結(jié)果上傳至客戶端系統(tǒng)。巡視任務作業(yè)展示圖如圖4所示。

4 變電站二次設備工作環(huán)境監(jiān)測

　　系統(tǒng)實現(xiàn)了二次設備環(huán)境溫濕度監(jiān)控報警功能，首次利用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)二次設備室內(nèi)環(huán)境的無線監(jiān)控，并提供超限的溫濕度信息報警和空調(diào)實時調(diào)節(jié)功能。利用有源溫濕度標簽實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境的溫濕度信息進行檢測，將檢測信息轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee路由器，然后再統(tǒng)一上傳至二次設備全壽命周期管理系統(tǒng)。利用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)二次設備環(huán)境溫濕度監(jiān)控報警功能，實現(xiàn)溫濕度上下限信息設置功能，如圖5所示，并提供超限預警功能以及空調(diào)自動調(diào)節(jié)功能。減少了系統(tǒng)投入成本和現(xiàn)場環(huán)境布線的復雜性，使現(xiàn)場更加整潔美觀。

5 溫度采集終端節(jié)點

　　溫度采集終端節(jié)點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊、外圍電路模塊組成，用于對待測點的溫度進行采集，并通過無線通信網(wǎng)絡將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。處理器模塊是溫度采集終端節(jié)點的核心模塊，用于進行數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)處理、執(zhí)行通信協(xié)議和節(jié)點調(diào)度管理等工作；傳感器模塊用于感知溫度數(shù)據(jù)和執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換；無線通信模塊由無線射頻電路和天線組成，用于完成無線通信任務；電源模塊為節(jié)點內(nèi)的其他模塊提供電能，是所有電子系統(tǒng)的基礎，電源模塊的設計直接關系到節(jié)點的壽命[7]；外圍電路包括電源電量檢測、低電量本地報警等功能。溫度采集終端節(jié)點的框圖如圖6所示。

　?。?)傳感器模塊

　　系統(tǒng)中使用的溫度傳感器采用DALLAS公司的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，可編程分辨率為9～12位，對應的測溫分辨率為0.5、0.25、0.125、0.062 5℃。具有全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換與輸出、抗干擾能力強、功耗低、精度高等特點[8]。它的測量范圍為-55～+125 ℃，精度可達0.1℃，適用于精確測溫場合。DS18B20采用單總線的工作方式，通過一條單線接口對數(shù)據(jù)進行發(fā)送或接收，與微處理器連接時僅需要一根信號線就可實現(xiàn)通信。由于數(shù)據(jù)線本身可以為器件提供寄生電源，所以DSl8B20不需要外部電源。每一個DSl8B20在出廠時已經(jīng)給定了獨有的64位序列號，因此可以實現(xiàn)多個器件的連接。

　?。?）處理器與無線通信模塊

　　處理器模塊的作用主要是讀出溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)并且進行處理，然后按照一定的時序發(fā)送給無線通信模塊,然后無線通信模塊把溫度和地址數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送。在處理器與無線通信模塊中使用TI公司的CC2430芯片，它結(jié)合一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，是一款真正的系統(tǒng)芯片(SOC)CMOS解決方案[9]，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，及對低成本、低功耗的要求。

　?。?）電源模塊

　　獲取電能有兩種方案:一種是電力線電流通過電流互感器和整流濾波電路獲得電能，另一種是使用電池供電。

　　考慮到以下兩點，采用鋰電池供電。

　　（1）電源的穩(wěn)定性和持久性是溫度采集終端節(jié)點穩(wěn)定工作的重要因素，如果從電力線獲取則該電源獲取能量的大小隨電力線負荷的變化而改變，其變化幅度較大，因此時常會出現(xiàn)供電不足的現(xiàn)象。

　?。?）芯片采用0.18 μ CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別小于27 mA和25 mA；在休眠模式時僅0.9 μA的電流特性，外部的中斷或者RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機模式時小于0.6 μA的電流損耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。系統(tǒng)的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式是超短時間的特征，特別適合采用電池供電[10]。

6 設備管理工作站

　　網(wǎng)絡終端節(jié)點將讀取到的設備信息以及溫度傳感器采集的設備環(huán)境溫度，通過網(wǎng)絡傳輸給服務器系統(tǒng)，運行在工作站的設備管理軟件將服務處理過的數(shù)據(jù)顯示給變電站的管理人員，并提供相應的查詢和管理操作，系統(tǒng)的運行流程如圖7所示[11]。

　　系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，變電站管理人員通過IE等瀏覽器就可以根據(jù)設定的時間段、RFID讀寫器編號、傳感器編號進行歷史數(shù)據(jù)的查詢。溫度超過設定值時發(fā)出報警信息，并提供報警設備的位置信息。

　　本系統(tǒng)方案已在220 kV變電站進行了系統(tǒng)的建設和測試運行，對系統(tǒng)的某一終端節(jié)點采集的溫度曲線圖如圖8所示。

7 結(jié)論

　　本文提出的基于WSN和RFID技術(shù)搭建的一套變電站二次設備全生命周期運維管理系統(tǒng)，系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)無線傳感和自組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)變電站設備運行環(huán)境的多目標、多路徑、自組織、高可靠的在線采集監(jiān)測，利用RFID（無線射頻識別，俗稱電子標簽）具有的全球唯一編碼、多目標、遠距離快速識別、信息存儲、環(huán)境適應性好等突出優(yōu)點，通過RFID技術(shù)實現(xiàn)變電站二次設備全壽命周期運維的電子化管理和信息實時更新，使二次設備管理更加精細，可及時監(jiān)測二次設備資源的使用和流動情況，進行設備全生命周期跟蹤管理，保障二次設備在采購新增、建設投運、設備升級、運行管理、檢修維護、技改大修、報廢處置等關鍵環(huán)節(jié)的有效銜接和信息及時更新，能夠?qū)Χ卧O備的實物進行快捷、高效、準確的管理。

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