Zigbee通信技术在配电线路安全监测中的应用

随着电力工业的迅速发展，对电力系统的安全监测提出了更高的要求。特别是随着电网覆盖面的扩大以及电力设备数目种类的增加，电网安全监测变得越来越复杂。只有不断提高电网监测的自动化水平，才能使电力系统安全、可靠、经济地供电。目前变电站的改造是电网升级改造的重点，为此提出了变电站要少人或无人值守，提高效益。可是变电站的安全运行需要对大量设备的输入、输出数据进行在线检测，对设备的运行状态进行实时监控，对运行环境和突发事件也要及时掌握。以前都是工作人员到现场巡查检测各项参数[1](电压、电流、频率、设备温升、振动、噪声等)，这不但劳动强度大，且实时性差。为了使电网能承受住特定的事故，且在严重事故下尽量缩小事故范围，防止事故的扩大，或者能迅速消除事故所造成的后果，使电网快速恢复正常供电，达到安全可靠经济运行的目的，变电站必须具备智能在线检测与定位功能，而终端监测设备与自动化系统主站之间能准确、快速地交换数据、命令，缩短参数异常和事故发现的响应时间，降低事故发生或扩大的机率，减少值班人员巡查的次数，降低值班人员的劳动强度。
1 Zigbee技术
在配电线路安全监测系统中，由于电磁环境干扰严重、监测点多、布线复杂等原因，建立一个可靠的无线数据传输网络是配电线路安全监测所迫切需求的。工业控制环境下的短距离无线网络技术成为近年来研究热点之一，基于Wi-Fi、Bluetooth和Zigbee等技术的无线网络相继问世。其中Zigbee短距离无线网技术以其数据传输安全可靠、设备成本低、组网简易灵活、电池使用寿命长等优势，在工业控制领域中呈现出深厚的发展潜力。Zigbee技术在配电线路安全监测中也有着广泛的应用前景。
Zigbee具有低耗电、低成本、双向传输、感应网络功能等特点，主要适用于自动控制和远程控制领域。IEEE将Zigbee接纳为IEEE 802.15.4标准。
Zigbee技术[2-3]的主要特点如下：
(1)低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持一个节点工作6～24个月，甚至更长。这是Zigbee的突出优势；
(2)低成本。通过大幅简化协议,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32 KB代码,子功能节点只需4 KB代码,而且Zigbee免协议专利费。随着产品产业化，Zigbee通信模块的价格预计能降到1.5～2.5美元；
(3)低速率。Zigbee工作在20 kb/s～250 kb/s的较低速率,分别提供250 kb/s(2.4 GHz)、40 kb/s(915 MHz)和20 kb/s(868 MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求；
(4)近距离。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1 km～3 km(相邻节点间的距离)。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远；
(5)短时延。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能；
(6)高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。一个区域内最多可以同时存在100个Zigbee网络。每个Zigbee网络可以支持31个传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式，可以采集并传输数字量和模拟量；
(7)高安全。Zigbee提供了三级安全模式：无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES-128)的对称密码，以灵活确定其安全属性；
(8)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
2 Zigbee在配电线路安全监测中的应用
目前，国外对于变电站配电参数的在线监测主要采用有线与无线相结合的方法，其优点是测量准确、实时性好、能够对整个检测面进行检测，但是需要大量的现场布线、设置电源等，对于某些现场条件不具备的场合（如不允许布线、供电不便等），其应用范围受到了极大的限制；对于传统的无线应用，由于标准不统一，需要在各种通信协议之间进行大量转换工作，限制了设备的有效应用，且需大量的维护人员和成本。在国内，大多数变电站延用有线传感监测方式，少数变电站采用部分无线传感技术，但通信协议不统一，也没有有效的集成，监控参数少，测量范围窄，甚至需工作人员将仪器带到现场才能对相关参数进行测量，增加了工作人员的劳动强度。总之，目前变电站配电参数的在线监测都离不开有线的束缚和工作人员定期的现场巡查、维护，还没有实现真正意义上的自动化，人为因素影响严重，不利于异常情况的及时发现与处理。
针对目前国内外变电站配电参数监测的缺点，现提出一种将无线无源温度传感器装置应用于配电线路的方案。
该装置既无需外供电源，也无内置电池，以太阳能为能源，以双电层超级电容器为储能装置，通过超低功耗无线微处理器结合微功耗传感器实现参数检测和信号无线传输。该装置可在各种复杂电磁干扰、强电场、高温、高压、高湿度等恶劣环境中长期稳定地工作。
该装置设有太阳能发电装置、电能存储装置、数据采集传送装置，如图1所示。图中器件的型号与参数分别为：太阳能电池板―300 mA 3 V；超级电容―30 F 2.5 V的双电层电容器；负载―带温度检测传感器TC77的无线单片机CC2430[4]。