隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，對電力系統(tǒng)的安全監(jiān)測提出了更高的要求。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)測變得越來越復(fù)雜。只有不斷提高電網(wǎng)監(jiān)測的自動(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)升級改造的重點(diǎn)，為此提出了變電站要少人或無人值守，提高效益?？墒亲冸娬镜陌踩\(yùn)行需要對大量設(shè)備的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行在線檢測，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對運(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)場巡查檢測各項(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與定位功能，而終端監(jiān)測設(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)測系統(tǒng)中，由于電磁環(huán)境干擾嚴(yán)重、監(jiān)測點(diǎn)多、布線復(fù)雜等原因，建立一個(gè)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為近年來研究熱點(diǎn)之一，基于Wi-Fi、Bluetooth和Zigbee等技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)相繼問世。其中Zigbee短距離無線網(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)簡易靈活、電池使用壽命長等優(yōu)勢，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號干電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)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(xié)議,降低了對通信控制器的要求,按預(yù)測分析,以8051的8位微控制器測算,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提供了三級安全模式：無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(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(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)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(yīng)用
    目前，國外對于變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測主要采用有線與無線相結(jié)合的方法，其優(yōu)點(diǎn)是測量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好、能夠?qū)φ麄€(gè)檢測面進(jìn)行檢測，但是需要大量的現(xiàn)場布線、設(shè)置電源等，對于某些現(xiàn)場條件不具備的場合（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；對于傳統(tǒng)的無線應(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。在國內(nèi)，大多數(shù)變電站延用有線傳感監(jiān)測方式，少數(shù)變電站采用部分無線傳感技術(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，測量范圍窄，甚至需工作人員將儀器帶到現(xiàn)場才能對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，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)測都離不開有線的束縛和工作人員定期的現(xiàn)場巡查、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。
    針對目前國內(nèi)外變電站配電參數(shù)監(jiān)測的缺點(diǎn)，現(xiàn)提出一種將無線無源溫度傳感器裝置應(yīng)用于配電線路的方案。
    該裝置既無需外供電源，也無內(nèi)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(jié)合微功耗傳感器實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測和信號無線傳輸。該裝置可在各種復(fù)雜電磁干擾、強(qiáng)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(shè)有太陽能發(fā)電裝置、電能存儲裝置、數(shù)據(jù)采集傳送裝置，如圖1所示。圖中器件的型號與參數(shù)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(fù)載—帶溫度檢測傳感器TC77的無線單片機(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；太陽能電池產(chǎn)生的電能在對雙電層電容器充電的同時(shí)，也對無線單片機(jī)CC2430供電；溫度傳感器通過SPI/UART與CC2430連接，在CC2430控制下進(jìn)行信號的采集，并將采集到的信號通過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)裝置在無光照、太陽能電池不發(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)測應(yīng)用時(shí)，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(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(diǎn)：
    ①幾乎可以永無止境地充放電(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的太陽能電池板對30 F 2.5 V的超級電容充電速度快，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(shí)驗(yàn)電路圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(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，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。
參考文獻(xiàn)
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[4] 李文仲，段朝玉．Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．