大中型電廠(chǎng)應用ZigBee技術(shù)的必要性和可行性研究

1 引 言

　　隨著(zhù)科技的發(fā)展，電廠(chǎng)運行維護對設備狀態(tài)監測系統提出更高要求。目前的監測系統的檢測信息量和測試點(diǎn)安裝問(wèn)題已經(jīng)出現不能滿(mǎn)足電廠(chǎng)安全、可靠、經(jīng)濟的運行要求的勢頭。當前，電廠(chǎng)狀態(tài)監測系統基本上是在有線(xiàn)的基礎實(shí)施監測的功能。有線(xiàn)方式受布線(xiàn)、供電電源、安裝場(chǎng)所和維修等的限制，如旋轉機械的轉動(dòng)部分的狀態(tài)監測、高電壓和大電流設備的狀態(tài)(溫度、絕緣)監測等采用有線(xiàn)方式是無(wú)法完成的，更不可能保證數據的實(shí)時(shí)性、可靠性和完整性，也將限制對設備運行狀態(tài)的評估、判斷和決策。

　　現代監測系統由傳感器網(wǎng)絡(luò )組成，傳感器網(wǎng)絡(luò )是有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的集合。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是基于IEEE 802.15.4技術(shù)標準和ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)議而設計的無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )，他是用大量的具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器，采用自組織無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )，與傳感器網(wǎng)絡(luò )控制器連接，構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。ZigBee技術(shù)是專(zhuān)門(mén)針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )而開(kāi)發(fā)的，利用ZigBee技術(shù)組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是電廠(chǎng)監測系統發(fā)展的必然趨勢。

2 ZigBee技術(shù)

　　(1)概論

　　ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本，工作在2.4 GHz和868／915 MHz的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，他是一種介于無(wú)線(xiàn)標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)方案，是一種雙向傳輸(two-way)的無(wú)線(xiàn)通信標準，主要用于中短距離無(wú)線(xiàn)系統連接，提供傳感器或二次儀表無(wú)線(xiàn)雙功網(wǎng)絡(luò )接入，能夠滿(mǎn)足對各種傳感器的數據輸出和輸入控制命令和信息的需求使現有系統網(wǎng)絡(luò )化、無(wú)線(xiàn)化。ZigBee技術(shù)采用一般IEEE 802.15.4收發(fā)器技術(shù)與嵌入ZigBee技術(shù)協(xié)議棧的組合；他依據IEEE 802.15.4標準，在數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調實(shí)現通信。這些傳感器設計成只需要很少的能量的裝置，并以接力的方式將數據從一個(gè)傳感器無(wú)線(xiàn)傳到另一個(gè)傳感器，依次傳遞，以構成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。ZigBee技術(shù)的主要特征如表1所示。

　　(2)ZigBee技術(shù)與其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較

　　無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的特性比較如表2所示。

3 ZigBee技術(shù)應用于電廠(chǎng)的可行性論證

　　電廠(chǎng)設備監測系統首先為電廠(chǎng)監控系統提供現場(chǎng)設備的各種參數、數據、圖表、曲線(xiàn)、開(kāi)關(guān)量和模擬量等信息，根據這些信息分析設備狀態(tài)、執行開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制與調節，對設備故障和事故進(jìn)行報警和相應處理，保證設備最優(yōu)運行狀態(tài)；為設備狀態(tài)檢修提供分析長(cháng)期的運行數據，以便形成狀態(tài)檢修決策；為遙測、搖訊、遙控、搖調等提供遠動(dòng)數據等。

　　ZigBee技術(shù)組成傳感器網(wǎng)絡(luò )系統本身具有以下特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性：實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測；低功耗：采用鈕扣電池可運行2年以上；先進(jìn)性：技術(shù)、器件、軟件先進(jìn)，為系統的可靠性、先進(jìn)性奠定了基礎；準確性：溫度測量精度可達±0.1℃；靈活性：用戶(hù)可根據自己的需求，靈活、方便地設置參數；系統性：可與電力系統綜合自動(dòng)化系統、消防系統等融為功能更加強大的綜合系統，可與局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、系統方便連接，實(shí)現數據共享，便捷管理；真實(shí)性：實(shí)時(shí)數據記錄、分析，為運行、管理、檢修、調度等部門(mén)提供真實(shí)數據；安全性：ZigBee技術(shù)系統不論是產(chǎn)品、還是工程及其維護，都具有安全性。ZigBee技術(shù)提供數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法，使數據安全得到保障；效益性：電力系統故障多以溫度升高而引起，有了這一套系統，可以節約購置其他測溫儀器等設備支出(如紅外成像儀、點(diǎn)式測穩儀等)；可以節省巡檢人員，提高數據獲取的工作效率；達到有的放矢地開(kāi)展設備維修的目的，將減少設備維護工作量；減少事故，提高供電可靠性；實(shí)踐性：ZigBee技術(shù)已經(jīng)成功應用于汽車(chē)電器中的測量高速轉動(dòng)的輪胎氣壓和溫度，ZigBee技術(shù)無(wú)線(xiàn)測溫系統用于大港油剛的110 kV的變電站。

3.1 ZigBee技術(shù)通信可靠性保證

　　ZigBee技術(shù)通信可靠性保證：通信可靠機制；網(wǎng)絡(luò )的自組織、自愈能力強；在低信噪比的環(huán)境下ZigBee技術(shù)具有很強的抗干擾性能；在低信噪比的環(huán)境下ZigBee技術(shù)的性能超群(藍牙、FSK和WiFi B)。

3.2 ZigBee技術(shù)安全性論證：

3.2.1 ZigBee技術(shù)射頻信號對電氣一次設備的影響

　　ZigBee技術(shù)射頻信號，即高頻諧波影響電氣設備安全運行和電能質(zhì)量的性質(zhì)，因此，高頻諧波必須在允許的范圍內?，F行數字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的頻率范圍：9～3.53 GHz，而ZigBee技術(shù)的頻段868／915 MHz和2.4 GHz，即ZigBee技術(shù)射頻信號在移動(dòng)通信網(wǎng)的頻率范圍內，也就是說(shuō)，無(wú)淪是否有ZigBee技術(shù)設備在場(chǎng)，其ZigBee技術(shù)的射頻已經(jīng)侵入電廠(chǎng)設備，而產(chǎn)生諧波。因此有必要測試電廠(chǎng)運行設備的諧波分量，即設備的高頻諧波電流、電壓分量，根據測試結果進(jìn)行評估，只需設計測試數字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的射頻信號對電氣設備的影響就可以。

　　理論上，電廠(chǎng)設備均處在現行數字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)包圍中，發(fā)電機的出口升壓變壓器高壓側分500 kV和220 kV兩個(gè)等級，測試主接線(xiàn)和測試點(diǎn)如圖1所示。

　　圖1中測點(diǎn)：A為發(fā)電機機端電壓、電流；B為升壓變壓器高壓側電壓；C為輸電線(xiàn)電壓、電流。

　　發(fā)電機變壓器組的測試：測試儀器：DZF-Ⅱ電能質(zhì)量?jì)x2臺、PP1電力仕1臺(美國產(chǎn))；測試時(shí)間：2006年4月10日，4月21日；測試工況：發(fā)電機帶變壓器額定電壓空載(未并網(wǎng))；發(fā)電機并網(wǎng)后多種負荷。

　　數據歸納原則：三相中取諧波含量最嚴重的一相為代表值；現場(chǎng)測試為2～50次諧波，為突出重點(diǎn)下列有些數據表中僅列出諧波含量較大的幾次。

　　機端諧波(測試點(diǎn)A)(見(jiàn)表3)：

　　從測試數據(見(jiàn)表1)來(lái)看各測試工況諧波數據特性差不多，為全面、直觀(guān)起見(jiàn)，我們畫(huà)出額定負荷時(shí)的諧波含量(2～50次)柱狀圖(見(jiàn)圖2)，圖2中：橫坐標為諧波次數，縱坐標為諧波含有率(％)。

　　從上面數據表可以得出以下幾點(diǎn)：況機端線(xiàn)電壓諧波總畸變率均<5％，無(wú)超標情況；電機并網(wǎng)帶負荷后，與空載相比，諧波電壓總畸變率有所減小，主要表現在高次諧波含量有所減??；負荷情況下機端諧波電壓總畸變率和各次諧波含有率變化不大并主要諧波成份為5次、3次；空載情況下機端主要諧波成份為5次、3次，14號機機端諧波電流見(jiàn)表4。

　　從表4數據可以得出：機端主要諧波電流為5次、3次，5次在90 A左右，3次在50 A左右，并5次、3次諧波電流隨負荷的增大變化不大。

　　升壓變壓器高壓側(500 kV)諧波(測試點(diǎn)B)(見(jiàn)表5)。

　　從測試數據來(lái)看各測試工況諧波數據特性差不多，為全面、直觀(guān)起見(jiàn)，這里畫(huà)出額定負荷時(shí)的諧波含量(2～50次)柱狀圖(見(jiàn)圖3)。圖3中：橫坐標為諧波次數，縱坐標為諧波含有率(％)。

　　從表5數據中可以得出：各測試工況下升壓變壓器500 kV側諧波電壓總畸變率在2.3～2.5左右，主要諧波成份均為5次、3次。發(fā)電機并網(wǎng)前后該點(diǎn)諧波變化不大。

　　升壓變壓器高壓側(220 kV)諧波(測試點(diǎn)B)(見(jiàn)表6)：

　　從上表數據中可以得出鼎各測試工況下升壓變壓器220 kV側諧波電壓總畸變率和各次諧波電壓含有率均未超標，主要諧波成份為3次，發(fā)電機并網(wǎng)前后諧波變化不大。

　　從以上測試結果(見(jiàn)表3～6)看，13次以上的諧波成分很少，且隨著(zhù)次數的增加諧波含量趨向于零，表明：被移動(dòng)通信信號包圍的發(fā)電機變壓器組，在各測試工況下發(fā)電機變壓器組諧波電壓和諧波電流均在標準范圍內，諧波電壓總畸變率也未超標，同時(shí)測試過(guò)程中發(fā)電機變壓器組運行正常。也就是說(shuō)移動(dòng)通信信號，即ZigBee技術(shù)射頻信號沒(méi)有引起電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化，沒(méi)有威脅發(fā)電機變壓器組安全運行。證明ZigBee技術(shù)應用于發(fā)電機變壓器組的監測系統中是可行的。

　　輸電線(xiàn)(220 kV)諧波(測試點(diǎn)C)：220 kV GIS站葛鋁I回線(xiàn)電壓、電流諧波檢測結果；測量時(shí)間：2007年1月15日；測量工具：中元華電ZH-2故障錄波裝置；CT變比：1000／1 PT變比：220 kV／100 V；

在表7中：

　　(1)14次以上的諧波成分已經(jīng)趨向零；葛鋁I回線(xiàn)負荷電流測量1次值為600 A，3次諧波電流最大一次值為3 A；葛鋁I回線(xiàn)電壓測量一次值為220 kV，5次諧波相電壓最大一次值為677 V；經(jīng)比較表5，6，7可知：開(kāi)關(guān)站500 kV和220 kV系統電壓、電流諧波與葛鋁I回線(xiàn)在同一水平。由上面數據分析出：ZigBee技術(shù)射頻信號沒(méi)有對輸電線(xiàn)路產(chǎn)生影響，說(shuō)明ZigBee技術(shù)應用在電廠(chǎng)輸電系統中也是可行的。

　　測試數據分析：

　　發(fā)電機空載額定電壓時(shí)線(xiàn)電壓諧波總畸變率為2.01％<5％，發(fā)電機帶負荷后機端線(xiàn)電壓諧波總畸變率有所下降(見(jiàn)數據表3)，各負荷下機端線(xiàn)電壓諧波總畸變率變化不大，主要諧波成份為5次、3次。機端諧波電流以5次、3次為主(見(jiàn)數據表4)，各測試工況變化不大；

　　(2)該發(fā)電機并網(wǎng)前后及并網(wǎng)后各負荷下，升壓變壓器高壓側諧波電壓總畸變率變化不大(見(jiàn)數據表5、表6)，最大值為2.57％，主要諧波成份為5次、3次；

　　(3)輸電線(xiàn)的主要諧波成份為5次、3次、14次以上的諧波電流、電壓趨向零。開(kāi)關(guān)站500 kV和220 kV系統電壓、電流諧波與葛鋁I回線(xiàn)在同一水平(見(jiàn)數據表5～7)。

　　綜上所述：移動(dòng)通信信號，即ZigBee技術(shù)射頻信號侵入電廠(chǎng)一次設備中不會(huì )惡化電能質(zhì)量。ZigBee技術(shù)射頻在設備中含量很低。ZigBee技術(shù)的射頻信號最大輸出功率：≤1 mW，如果單個(gè)網(wǎng)240個(gè)傳感器，其最大發(fā)射功率：≤240×1 mW，對十幾萬(wàn)千瓦或幾十萬(wàn)千瓦的大中型發(fā)電機的定、轉子的溫升幾乎沒(méi)有影響，而且240個(gè)點(diǎn)的射頻信號并非同時(shí)刻工作，采樣時(shí)間可以?xún)?yōu)化設置，另外，利用電機轉子輪轂(輪轂本身具有屏蔽作用)，采用屏蔽技術(shù)對射頻距離和方向可以根據需要調整設置，保證盡量減少射頻信號侵入電機。上述試驗表明電機內部的諧波主要成分是1次、2次、3次和5次諧波，且電機帶負荷后機端線(xiàn)電壓諧波總畸變率有所下降。這些成分沒(méi)有也不會(huì )與ZigBee技術(shù)的射頻信號重疊。

　　總之，ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò )不會(huì )惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量，也不會(huì )引起旋轉電機設備的溫升越限，對電廠(chǎng)一次設備和電力系統運行是安全的。

3.1.2 對電廠(chǎng)二次設備的影響分析

　　ZigBee技術(shù)的頻率范圍為868 MHz，915 MHz和2.4～2.483 5 GHz的3種高頻信號，而一般電機微機保護采集的是基波量、2次諧波量和3次諧波量。而且不論電流互感器，還是電壓互感器其本身就是電感元件，電感具有對高頻信號抑制的性質(zhì)，另外微機保護輸入還采用了光電隔離技術(shù)，加上一次設備中還裝有開(kāi)關(guān)電容器(見(jiàn)圖1)等都對高頻諧波有濾波和導通作用。因此，ZigBee技術(shù)的射頻信號對保護沒(méi)有影響，不會(huì )引起保護的誤動(dòng)。對保護裝置運行而言是安全的。

3.2 論證結果

　　在ZigBee技術(shù)通信可靠性保證的基礎上，ZigBee技術(shù)無(wú)論應用在電廠(chǎng)一次設備，還是二次設備中都是安全可行的，同時(shí)也不會(huì )影響電網(wǎng)的安全運行和電能質(zhì)量。

4 ZigBee技術(shù)可應用對象(application object)及數據特性研究

4.1 通常符合以下條件之一的應用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)

　　(1)設備成本很低，傳輸的數據量很??；

　　(2)設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；

　　(3)沒(méi)有充足的電力支持，只能使用一次性電池；

　　(4)頻繁地更換電池或者反復地充電無(wú)法做到或者很困難；

　　(5)需要支持大型網(wǎng)絡(luò )接點(diǎn)的數量級，需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò )中的設備非常多，但僅用于監測或控制；

　　(6)對通信服務(wù)質(zhì)量QoS要求不高(甚至無(wú)QoS)；

　　(7)需要可選擇的安全等級(采用AES-128)：加密、發(fā)送鑒別、報文的完整性；

　　(8)需要多方面的較復雜的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構應用；

　　(9)要求高的網(wǎng)絡(luò )自組織、自恢復能力。

4.2 電廠(chǎng)設備監測ZigBee技術(shù)符合以上條件之一的對象

　　(1)電機內部繞組溫升、絕緣在線(xiàn)監測，如轉子、定子、變壓器溫升和絕緣，特別是電機端部、匯流排等的接頭的溫升、絕緣監測；

　　(2)開(kāi)關(guān)觸頭、母線(xiàn)接頭、導線(xiàn)接頭、電纜接頭狀態(tài)和溫升在線(xiàn)監測；

　　(3)電廠(chǎng)發(fā)、配、輸電設備的絕緣和過(guò)電壓保護設備的在線(xiàn)監測；

　　(4)油庫、電纜廊道等溫度在線(xiàn)監測與報警，即火災報警；

　　(5)各類(lèi)大量的開(kāi)關(guān)位置，二次設備連片(壓板)狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量的在線(xiàn)監測；

　　(6)電廠(chǎng)水流域水文氣象監測；

　　(7)大壩安全監測；

　　(8)環(huán)境監測。

4.3 在ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò )中傳輸的數據可分為3類(lèi)

　　(1)周期性模擬量數據的傳輸：電廠(chǎng)油、水、風(fēng)系統數據，各類(lèi)電氣量(電流、電壓、電量有功和無(wú)功等)數據，機電各類(lèi)設備的溫度、絕緣等數據，水文氣象數據，等；

　　(2)間斷性開(kāi)關(guān)量數據的傳輸：大量各類(lèi)開(kāi)關(guān)量(接點(diǎn)、開(kāi)關(guān)、壓板／連片和伐門(mén)狀態(tài)等)數據，電氣設備的動(dòng)作記數和運行時(shí)間的累計等；

　　(3)還有反復性的低反應時(shí)間的數據傳輸。

5 結語(yǔ)

　　隨著(zhù)科技的發(fā)展，電廠(chǎng)設備監測系統沒(méi)有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的參人將是不完善的。ZigBee技術(shù)是專(zhuān)門(mén)針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )而開(kāi)發(fā)的，ZigBee技術(shù)通信具有可靠性保證，利用ZigBee技術(shù)組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是電廠(chǎng)設備監測系統發(fā)展的必然趨勢，是十分必要的。ZigBee技術(shù)射頻信號會(huì )侵入電廠(chǎng)設備產(chǎn)生高頻諧波，諧波超標會(huì )影響電廠(chǎng)的安全運行。本文給出了諧波測試方法和測試結果，并把測試結果和ZigBee設備的技術(shù)特性相結合進(jìn)行分析和總結，并進(jìn)一步給出ZigBee技術(shù)應用于電廠(chǎng)設備監測系統中的基礎和符合的技術(shù)條件、ZigBee技術(shù)適用對象和檢測的數據的特性，證明ZigBee技術(shù)應用于電廠(chǎng)是安全的、可行的和經(jīng)濟的?？傊?，ZigBee技術(shù)應用于電廠(chǎng)設備監測是必要的、是可行的。