基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

虞佳佳

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

隨著國家電網(wǎng)的發(fā)展，高效精密的傳感器技術(shù)、信息數(shù)字化平臺技術(shù)、在線系統(tǒng)決策技術(shù)、通訊技術(shù)成為電網(wǎng)信息化、智能化的主要支持[1-2]。

根據(jù)《BP Statistical Review of World Energy June 2019》[3]，2018年中國的發(fā)電量為7 111.8 TW·h，是世界上發(fā)電量最多且增幅最大的電力生產(chǎn)國家，比2017年增加了7.7%，占世界總量的26.7%。電網(wǎng)中各供配電系統(tǒng)的規(guī)模更加巨大、分布更加復(fù)雜，其穩(wěn)定性、實(shí)時性、易用性等性能也面臨更高的要求[4-5]。同時終端需求的激增，也使得電網(wǎng)負(fù)荷增加，穩(wěn)定性能要求提升，因此建立一套有效穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠的電力監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。筆者從電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)入手，以無線傳輸技術(shù)為重點(diǎn)，研究基于ZigBee技術(shù)的電力監(jiān)控?zé)o線通訊系統(tǒng)。

1 電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

電力監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控兩部分作用，在電力的生產(chǎn)過程中，電力監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，并用于對電力生產(chǎn)過程進(jìn)行控制、調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)的自動化,又被稱為PSCADA系統(tǒng)[6]。它包括對電力系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)、系統(tǒng)報(bào)警等,使中控系統(tǒng)能實(shí)時了解和掌握供配電系統(tǒng)中各個設(shè)備的運(yùn)行情況,并直接對設(shè)備進(jìn)行操控[7]。

電力監(jiān)控系統(tǒng)可以通過遠(yuǎn)程方法進(jìn)行電力設(shè)備操作，包括通過電力監(jiān)控系統(tǒng)獲取線路設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)；同時為了避免操作過程中的誤操作或未發(fā)送指令等錯誤，需要在電力監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置多層確認(rèn)操作，以保障運(yùn)行的安全性。

電力電網(wǎng)運(yùn)行和管理需要及時有效的在線運(yùn)行參數(shù)，以便及時了解設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備管理的智能化。但是，電力設(shè)備監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，分布分散，單靠人工抄表和負(fù)荷監(jiān)控進(jìn)行，會大幅提高企業(yè)監(jiān)控成本。同時，高配電站的環(huán)境惡劣，工作人員難以在現(xiàn)場進(jìn)行檢測，這就給電力設(shè)備檢測帶來了盲區(qū)。因此，急需要一種有效的電力監(jiān)控系統(tǒng)來解決現(xiàn)有的弊端，加速電力設(shè)備的智能化管理。

2 無線通信技術(shù)在電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著電力設(shè)備監(jiān)控的需求越來越大，無線通信技術(shù)作為一種遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，可以通過電磁波信號實(shí)現(xiàn)信息傳播。隨著無線通信技術(shù)的需求越來越大，WLAN技術(shù)、NB技術(shù)、Bluetooth傳輸技術(shù)、Loar技術(shù)、GSM技術(shù)、GPRS技術(shù)、WIFI技術(shù)、5G技術(shù)、ZigBee技術(shù)越來越多的傳輸模式被應(yīng)用到信息傳輸中來[8]。

電力監(jiān)控系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，通過信息管理云平臺系統(tǒng)對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示和數(shù)字化存檔，能為電力系統(tǒng)排除故障提高效率，并對遠(yuǎn)程抄表、系統(tǒng)運(yùn)行提供技術(shù)支持。因此，筆者提出了利用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)監(jiān)控。

利用無線通信可以把電力系統(tǒng)中的用戶、運(yùn)行設(shè)備、傳輸線路等數(shù)據(jù)和控制指令通過電力監(jiān)控系統(tǒng)鏈接起來，如在用戶端，通過遠(yuǎn)程抄表終端，定時將電力用戶的電表信息抄回，并存儲在數(shù)據(jù)庫中；同時實(shí)時采集電路設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，有效判定用戶端設(shè)備是否出現(xiàn)故障，并以故障表單的形式傳送到中控，自動給用戶發(fā)出警告，并上報(bào)保修需求，在無人參與和采集數(shù)據(jù)的數(shù)字化呈現(xiàn)上，有效避免了人為因素，提高了工作效率和自動化水平[9-10]。

ZigBee技術(shù)是一種采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層的低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議。由于ZigBee模塊可靠的雙向無線通信能力，其傳輸距離從幾十米到幾千米，因此可將ZigBee模塊作為小區(qū)域范圍的基站AP，擴(kuò)展電力監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)端拓?fù)?。ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、傳輸效率高、信息容量大、安全可靠等特點(diǎn)，可以通過ZigBee無線通訊技術(shù)作為通訊方式來進(jìn)行電力設(shè)備監(jiān)控。

3 基于ZigBee無線通訊技術(shù)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee無線通訊技術(shù)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)傳感、數(shù)據(jù)采集、無線通訊、邊緣計(jì)算、設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)，其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。本系統(tǒng)使用于變電所，將變電所運(yùn)行關(guān)心的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，選擇溫度、電流電壓、濕度、SF6氣體濃度作為數(shù)據(jù)采集的對象。通過ZigBee無線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘売?jì)算節(jié)點(diǎn)，并組網(wǎng)傳輸?shù)皆O(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)，由監(jiān)控管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)再次分析，展示設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控圖以及作為故障診斷分析的參考參數(shù)。

圖1 基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.2 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

Modbus通訊協(xié)議是一種主從式的通訊協(xié)議，在小型變電所的組網(wǎng)系統(tǒng)中非常實(shí)用。Modbus通訊協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，由于電力設(shè)備監(jiān)控參數(shù)相對單一，筆者采用了Modbus RTU的通訊協(xié)議來作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，其通訊協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Modbus RTU 通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

命令號為其功能碼。在Modbus RTU協(xié)議中預(yù)設(shè)了255個功能碼，其中已經(jīng)約定了21種功能碼作用，在研究中采用了功能碼(表1)來實(shí)現(xiàn)參數(shù)的獲取和設(shè)置。

表1 項(xiàng)目所用的Modbus協(xié)議功能碼

3.3 數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)要求，將系統(tǒng)要求的運(yùn)行電壓、電流、線路溫度、變壓器溫度、環(huán)境濕度以及SF6氣體濃度(圖3)的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中基于參數(shù)的特性，設(shè)置了相應(yīng)的寄存器地址和參數(shù)類型(表2)。

圖3 基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參數(shù)

表2 基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定義表

3.4 通訊模塊設(shè)計(jì)

由于所用傳感器均支持485通訊協(xié)議，因此在選擇ZigBee無線通訊模塊時，筆者選取DRF2659C 的RS485轉(zhuǎn)ZigBee的無線模塊,其模塊如圖4所示。關(guān)鍵參數(shù)如表3所示，DRF2659C的無線頻率為2.4 GHz，包括4種串口速率，并支持3種串口格式，在空曠環(huán)境下最大傳輸距離為1 600 m，可配置為不同的節(jié)點(diǎn)方式，滿足我們對電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的無線通訊要求。

表3 DRF2659C 關(guān)鍵參數(shù)

在DRF2659C模塊中，包括一個基于DRF1609H的ZigBee模塊電路,一個基于MAX3485的RS485通訊模塊電路以及一個基于AMS1117的電壓轉(zhuǎn)換電路。通過其自帶的ZigBee模塊配置軟件ZigBee Confiuration,可以將模塊隨意設(shè)置成Coordinator(網(wǎng)關(guān))，Router(路由)，并可設(shè)置其他相關(guān)通訊參數(shù)，具體界面如圖5所示。

圖5 DRF2659C自帶的ZigBee模塊配置軟件界面

3.5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用圖6的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過中繼節(jié)點(diǎn)的方式來提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和組網(wǎng)安全性。這種方式也能更好地減少網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載，提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

圖6 基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了更好地實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)，筆者對不同級別的節(jié)點(diǎn)設(shè)置了相同的組網(wǎng)權(quán)限。設(shè)置組網(wǎng)權(quán)限可以有效地緩解相同網(wǎng)絡(luò)通訊壓力，同時對節(jié)點(diǎn)模塊化提供很好的保障。在具體實(shí)施過程中，將信號采集節(jié)點(diǎn)設(shè)置為最低權(quán)限，網(wǎng)絡(luò)只可應(yīng)答上一級節(jié)點(diǎn)命令，使其能更好地在低功耗模式下工作。中繼節(jié)點(diǎn)具有上傳下達(dá)的作用，在各關(guān)鍵檢測區(qū)域，起到提高組網(wǎng)范圍的作用。

4 結(jié) 語

筆者從無線通訊系統(tǒng)出發(fā)，圍繞著如何將ZigBee無線傳輸技術(shù)融入到電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了無線通信技術(shù)在電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并完成了基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。從系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)、數(shù)據(jù)接口、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞热胧郑趥鞲衅鲾?shù)據(jù)接口RS485，系統(tǒng)選取了DRF2659C模塊作為ZigBee通訊模塊，由此設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線通訊系統(tǒng)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能很好地滿足電力設(shè)備監(jiān)控的需求，值得在實(shí)際應(yīng)用中加以推廣。