智能变电站在线监测系统设计

党宏社　史笑军

摘要：传统电气设备在线监测采用有线连接方式，造成施工复杂，成本高的问题。该文分析了ZigBee在变电站通讯中的优势，根据智能变电站在线监测的内容，在综合考虑网络结构功耗、运行稳定以及组建成本的前提下，采用ZigBee无线传感器网络来进行构建，设计了变电站在线监测系统的软硬件设计方案与流程。该设计克服了布线麻烦、维护不方便等困难，提高了系统应用的灵活性。

关键词：ZigBee；变电站；监测系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）27-0142-03

Abstract： Traditional electrical equipment on-line monitoring using wired connection， lead to complex construction and high cost problem. This paper analyzes the advantages of ZigBee in substation communication， according to the content of the intelligent substation on-line monitoring， in consideration of the network structure of power consumption， stable operation， and set up cost， use ZigBee wireless sensor network （WSN） to build and design the software and hardware design scheme of on-line monitoring system for substation and process. This design overcome the wiring trouble， it is not convenient to maintenance difficulties， improve the flexibility of the system application.

Key words： ZigBee； substation； monitoring system

近年来，智能电网与物联网研究已被广泛关注和应用。国家对物联网技术提出了研究规划，以“感、传、知”为特征，力争在3年内实现物联网技术在电力系统应用[1]。国家电网公司针对物联网在电力系统中的应用也规划了三个阶段，现处（2012年-2015年）第二阶段，即全面建设阶段。此阶段主要任务为研发多种传感器，并在新能源并网、输配电自动化、输电线路巡检等关键领域能有所重大突破，使物联网技术在智能电网建设中可以得到广泛的应用。智能变电站作为智能电网建设的重要组成部分，其主要表现是实现一次设备的智能化和二次系统的网络化。一次设备智能化主要是指对一次设备实行广泛的在线监测，将一次设备的监测策略定位到“在线监测”[2]。在智能电网建设中，智能变电站起着对电力系统变配电作用[3]，可以及时对电路网络各运行参数进行监测与输出，是非常重要的结构[4]。

变电站对一次电气设备的监测大多都采用有线网络，其存在的弊端有布线难、成本高、维护困难等[5]。因此，而低成本、低功耗的ZigBee无线自组网技术将成為解决这些问题的可行方案。ZigBee技术采用2.4GHz的无线收发器，利用直接序列扩频技术，通过正交相移键控调制方法来实现。这样不仅隐蔽性好，抗干扰性强，而且工作频段灵活，可以调高通信速率。同时，采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突，网络具有自组织性和自愈能力[6]。采用AES-128加密法，确保数据不会被“盗听”或“误判”，增强通信可靠性[7]。由此，ZigBee通信技术符合变电站自动化对通信技术的要求，具有可行性。

本文设计采用了ZigBee无线网络通信技术，通过ZigBee网络协调器和监测终端，以GPRS作为远程技术，来解决变电站监测系统存在的有线设计的弊端。

1 智能变电站在线监测系统的目的及组成结构

1.1 智能变电站在线监测系统的目的

变电站一次设备数量很多，结构复杂，采用有线的数据传输方式，其布线繁琐，成本高昂，也容易遭受雷击及老化。设备的可靠性受到了影响，并且监测设备的位置不能随意移动，灵活性差[8]。无线传感网络给有线传输的不足提供了很好的解决方案，利用它的高灵活性，将无线传感网络的各个节点合理地布置在监测区域，便可对一次设备的运行状态进行监测，不必考虑布线的问题，从而可以降低投入成本和工作复杂度。

1.2 系统组成结构

电力物联网，其目的是将各个变电站的现场数据实现联网监测，通过各个变电站配置的监控子系统，将现场数据，诸如运行参数、环境参数、设备参数等，通过网络传输到监控中心，以实现统一的监控和管理。电力物联网从结构上可以分为管理层、网络层和现场层，如图1所示。其中，管理层是将物联网技术引入至智能电网中，以完成电力网络的智能化运行。管理层包括监控中心。网络层的作用是完成信息数据在管理层与现场层之间的相互传递。现场层由各个功能的监控子系统组成。现场监控层分为四个子检测系统，包括高压柜子监测系统，变压器子监测系统，低压柜子监测系统以及避雷子监测系统。

在需要检测的电气设备上安装各种传感器，包括压力传感器，温度传感器，湿度传感器，行程传感器等。将Zigbee终端节点与各精密传感器或者智能仪表相结合，构成检测层网络，负责变电站运行时参数的采集。在每个子监测系统中分配一个路由器，路由器将每个终端节点采集到的数据汇集，并一起发送到协调器节点。协调器节点对所发送到的数据进行存储并处理，最后通过GPRS网络发送至监控中心。

2 系统硬件设计

2.1 协调器节点硬件设计

协调器节点要负责接收终端节点的数据，并对数据进行处理和储存，同时还要负责无线局域网的建立以及与GPRS协议之间的转换。因此，LM3S9B96作为无线芯片CC2520的微控制器单元构成协调器节点，节点的硬件设计还包括电源供电模块、JTAG和GPRS无线通讯模块电路。协调器节点硬件模块框图如图2所示。通过节点配置，实现了ZigBee协议下的终端数据采集和无线组网通信功能，以及超低功耗，能够满足系统设计需要。

电源供电模块：因为协调器节点所需用电量大并一直处于供电状态，所以节点的供电模块采用交流互感器自给供电。在母线上安装电流互感器，经过整流、滤波、稳压等处理后，提供各节点所需要的电源。模块自给供电，解决了“电池供电”需要定期更换电池的问题。

2.2 终端节点硬件设计

终端节点是精简功能设备，主要由传感器模块、JTAG、ZigBee无线通信模块CC253以及电源模块组成。终端节点硬件框图如图3所示。终端节点主要是实现数据采集，远程遥控，监控报警等功能。无线通信模块是传感器的通信接口，负责与传感器交换信息和收发数据，将数据打包传送至网络中协调器节点。电源模块通常采用微型电池。

路由器节点的任务是完成数据的采集和融合，主要由处理器CC2530模块、时钟模块、天线模块、电源模块等部分组成。

3 软件设计

3.1 ZigBee组网

ZigBee无线局域网包括信标和非信标两种工作模式。本设计采用非信标的模式，允许终端设备进行周期性休眠，而协调器和路由器设备则处于长期工作状态。终端设备大多数时间都处于休眠模式，周期性醒来与路由器一并把数据传送给协调器，最大限度地节约终端节点的功耗。

ZigBee网络的组建主要包括两个基本步骤：先是协调器初始化，然后是路由器节点或者终端节点加入网络。利用LM3S9B96网关微处理器和CC2520协调器进行ZigBee组网的流程如下图4所示。

在组网实现的过程中，ZigBee协调器、路由器和终端子设备之间采用相同的ZigBee2007/PRO协议栈，一致的PAN ID号，以及相同的信道。

3.2 ZigBee数据收发

基于已经搭建的ZigBee网络的变电站在线监测系统网络結构，进行ZigBee组网和设备加入网络以后，作为实质的网络通信平台就可以用来进行变电站现场监测数据的收发。

1）数据发送

只有加入了网络的设备（即对应多个监控子系统的所在ZigBee子节点）才可以发送数据。先在应用层打包好一帧数据，调用网络层的原语，然后按照网络层协议配置配置帧头，进行发送和传输。如果考虑安全机制，还应做加密处理。

2）数据接收和再发送

在非信标的网络中，设备只要不发送数据，就处于接收的状态，若在接收使能的情况下，收到一帧数据，将把该帧数据帧头的传输半径减一。如果帧头的传输半径为零，将不会再传输到下一个设备，该帧数据将被送到应用层，或在网络层做具体的处理。

对于一个数据帧，如果目的地址是该接收设备或者是广播数据帧，将会发送到应用层，并且还会继续传播到其他设备。如果正在接收的设备是协调器或者路由器，但接收到的数据目的地址不是该设备，将中断该帧数据到其他设备，若有其他情况，将舍弃该帧数据。如果接收到的数据是路由器，且目的地址是该设备，将按照路由器的方式处理，否则，将舍弃该帧数据，并且将发送错误帧。

4）监测系统的测试

为验证系统的可行性，在南山变电站进行现场测试。本系统在监测终端安装分析系统，以图形和报表的形式对监测到的数据进行显示分析。图5为截取的对变压器油中溶解气体的实时监测，可以看出此刻绝缘油中各溶解气体的含量。

通过实际运行测试，本传感器网络系统可以实时准确采集到变电站内气体含量，温度等运行参数，并且采集数据与实际运行数据误差小，ZigBee无线局域网的传输速率可达250kb/s，满足变电站数据传输以及控制的实时性和可靠性需求。表明变电站运行的参数可以被该系统及时监测到，作出及时处理。

5 结束语

文章将物联网技术引入变电站在线监测系统，为了确保网络结构的低功耗、高稳定性以及组建的低成本性，采用ZigBee无线传感器网络来进行构建，对其软硬件设计方案与流程进行了分析。所研究的内容有助于实现变电站监测的无线化和智能化，方便值班人员可以及时地了解变电站的运行状态，在智能电网的建设中有很高的应用价值。

参考文献：

[1] 王春新， 杨洪， 王焕娟， 等.物联网技术在输变电设备管理中的应用[J]. 电力系统通信， 2011， 32（5）： 116-122.

[2] 鲁东海， 孙纯军， 王晓虎，等. 智能变电站中在线监测系统设计[J]. 电力自动化设备， 2011， 31（1）： 134-137.

[3] 彭刚， 吴广宇， 王韬. 基于ZigBee的变电站无线在线监测系统[J]. 长春理工大学学报， 2011， 11（2）： 82， 85.

[4] 崔逊学， 赵湛， 王成. 无线传感器网络的领域应用与设计技术[M]. 北京： 国防工业出版社， 2009： 158-160.

[5] 王春新， 杨洪， 王焕娟 等. 物联网技术在输变电设备管理中的应用[J]. 电力系统通信， 20ll， 32（223）： 116-122.

[6] 翠平， 柏逢明. 基于Zig-Bee技术的CC2530粮库温湿度监测系统研究[J]. 长春理工大学学报， 2011， 34（4）： 53-57.

[7] 黄玉立， 童玲， 田雨. 基于CC2530和CC2591的WSN节点通信模块设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2011， 32（1）： 71-73.

[8] 何方， 郑浩， 张永江，等. 基于物联网技术的智能变电站在线监测系统的设计[J]. 仪表技术与传感器， 2013（12）： 61-63.