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Zigbee通信技術(shù)在配電線(xiàn)路安全監測中的應用
作者：
時(shí)間：2010-06-07
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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隨著(zhù)電力工業(yè)的迅速發(fā)展，對電力系統的安全監測提出了更高的要求。特別是隨著(zhù)電網(wǎng)覆蓋面的擴大以及電力設備數目種類(lèi)的增加，電網(wǎng)安全監測變得越來(lái)越復雜。只有不斷提高電網(wǎng)監測的自動(dòng)化水平，才能使電力系統安全、可靠、經(jīng)濟地供電。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(wú)人值守，提高效益?？墒亲冸娬镜陌踩\行需要對大量設備的輸入、輸出數據進(jìn)行在線(xiàn)檢測，對設備的運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，對運行環(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場(chǎng)巡查檢測各項參數[1](電壓、電流、頻率、設備溫升、振動(dòng)、噪聲等)，這不但勞動(dòng)強度大，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(wǎng)快速恢復正常供電，達到安全可靠經(jīng)濟運行的目的，變電站必須具備智能在線(xiàn)檢測與定位功能，而終端監測設備與自動(dòng)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(shí)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(dòng)強度。
1 Zigbee技術(shù)
在配電線(xiàn)路安全監測系統中，由于電磁環(huán)境干擾嚴重、監測點(diǎn)多、布線(xiàn)復雜等原因，建立一個(gè)可靠的無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )是配電線(xiàn)路安全監測所迫切需求的。工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無(wú)線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相繼問(wèn)世。其中Zigbee短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)技術(shù)以其數據傳輸安全可靠、設備成本低、組網(wǎng)簡(jiǎn)易靈活、電池使用壽命長(cháng)等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域中呈現出深厚的發(fā)展潛力。Zigbee技術(shù)在配電線(xiàn)路安全監測中也有著(zhù)廣泛的應用前景。
Zigbee具有低耗電、低成本、雙向傳輸、感應網(wǎng)絡(luò )功能等特點(diǎn)，主要適用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域。IEEE將Zigbee接納為IEEE 802.15.4標準。
Zigbee技術(shù)[2-3]的主要特點(diǎn)如下：
(1)低功耗。在低耗電待機模式下,2節5號干電池可支持一個(gè)節點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(cháng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢；
(2)低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)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,全功能的主節點(diǎn)需要32 KB代碼,子功能節點(diǎn)只需4 KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專(zhuān)利費。隨著(zhù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，Zigbee通信模塊的價(jià)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(mǎn)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(相鄰節點(diǎn)間的距離)。如果通過(guò)路由和節點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠；
(5)短時(shí)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，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30 ms，進(jìn)一步節省了電能；
(6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，一個(gè)主節點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節點(diǎn)；同時(shí)主節點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng)。一個(gè)區域內最多可以同時(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)傳感器和受控設備，每一個(gè)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(wú)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(chēng)密碼，以靈活確定其安全屬性；
(8)免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫療(ISM)頻段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
2 Zigbee在配電線(xiàn)路安全監測中的應用
目前，國外對于變電站配電參數的在線(xiàn)監測主要采用有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)相結合的方法，其優(yōu)點(diǎn)是測量準確、實(shí)時(shí)性好、能夠對整個(gè)檢測面進(jìn)行檢測，但是需要大量的現場(chǎng)布線(xiàn)、設置電源等，對于某些現場(chǎng)條件不具備的場(chǎng)合（如不允許布線(xiàn)、供電不便等），其應用范圍受到了極大的限制；對于傳統的無(wú)線(xiàn)應用，由于標準不統一，需要在各種通信協(xié)議之間進(jìn)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(xiàn)傳感監測方式，少數變電站采用部分無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)，但通信協(xié)議不統一，也沒(méi)有有效的集成，監控參數少，測量范圍窄，甚至需工作人員將儀器帶到現場(chǎng)才能對相關(guān)參數進(jìn)行測量，增加了工作人員的勞動(dòng)強度?？傊?，目前變電站配電參數的在線(xiàn)監測都離不開(kāi)有線(xiàn)的束縛和工作人員定期的現場(chǎng)巡查、維護，還沒(méi)有實(shí)現真正意義上的自動(dòng)化，人為因素影響嚴重，不利于異常情況的及時(shí)發(fā)現與處理。
針對目前國內外變電站配電參數監測的缺點(diǎn)，現提出一種將無(wú)線(xiàn)無(wú)源溫度傳感器裝置應用于配電線(xiàn)路的方案。
該裝置既無(wú)需外供電源，也無(wú)內置電池，以太陽(yáng)能為能源，以雙電層超級電容器為儲能裝置，通過(guò)超低功耗無(wú)線(xiàn)微處理器結合微功耗傳感器實(shí)現參數檢測和信號無(wú)線(xiàn)傳輸。該裝置可在各種復雜電磁干擾、強電場(chǎng)、高溫、高壓、高濕度等惡劣環(huán)境中長(cháng)期穩定地工作。
該裝置設有太陽(yáng)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(yáng)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(wú)線(xiàn)單片機CC2430[4]。
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