电力系统电力设备在线监测技术的相关研究

周丽筠　杨洋

摘 要：电力设备监测技术，在全面实现现代化的时代背景下，由过去的有线监测方式逐渐转变成如今的无线监测。在电力设备有线监测中，线路铺设复杂，多重施工困难，不易面面俱到，安装和检修成本较高，如此多种低效率、高消耗的监测技术，在辐射范围更广，区域面积更大，供电质量需求越来越高的现代社会中，文章主要讲述的是电力设备在线监测，即实时无线监测以及无线传输相关技术的介绍。

关键词：电力系统；在线监测；无线传输；Zigbee通信

中图分类号：TM507 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0139-02

Abstract： Power equipment monitoring technology， in the context of the overall modernization of the times， from the past cable monitoring mode gradually changed into today's wireless monitoring. In the wired monitoring of electric power equipment， the wiring laying is complex， the construction of many layers is difficult， and it is not easy to cover all aspects. The cost of installation and maintenance is high. So many kinds of low efficiency and high consumption monitoring techniques are more extensive in radiation range and larger in area in the modern society where the demand of power supply quality is more and more high. This chapter mainly describes the on-line monitoring of power equipment， that is， real-time wireless monitoring and the introduction of wireless transmission related technology.

Keywords： power system； online monitoring； wireless transmission； Zigbee communication

1 无线传输技术的介绍

1.1 无线传输

无线传输主要是通过波长在可见光之上的光波，或者电磁波来进行的非物理接触性通信。波长由小到大分别为：红外光，微波和无线电。而下面的是根据传播媒介分类的几种无线传输方式：红外线，蓝牙，Wi-Fi，GSM，GPRS，CDMA等。

1.2 红外技术

1993年，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA），统一了红外通讯的标准，这就是目前被广泛使用的IrDA红外数据通讯协议及规范。红外技术支持点对点的工作模式，传输信号时，要求设备之间必须是无障碍的直线信道。红外技术通信距离最长为3m，接收角度为30°。IrDA1.0可支持最高115.2kbps的通信速率，而IrDA1.1可以支持的通信速率达到4Mbps。该技术工作原理简单、功耗小、成本低，主要用于电脑、手机、打印机等多种可移动的电子设备。

1.3 蓝牙技术

蓝牙（Bluetooth）技术是一种支持点对点或点对多点的话音、数据业务的短距离无线通信技术。蓝牙技术工作在2.4GHz的ISM（Industry Science Medical）频段上，速度可以达到1Mbps。蓝牙通信距离比较短，一般只在10m以内。蓝牙技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，易于安装和设置。蓝牙技术主要支持短距离的语音业务和高数据量的业务，如移动电话、PDA联网、无线耳机等。

1.4 Wi-Fi技术

Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）与蓝牙一样，都是短距離的无线通信技术，它也是工作在2.4GHz的ISM频段上。Wi-Fi技术的速度比较高，最高能达到11Mbps，而且电波的覆盖范围也比蓝牙要大，可达50m左右。Wi-Fi技术适合移动办公用户的应用，具有广阔市场前景。

2 Zigbee无线通信介绍

电力设备监测系统自出现以来，就受到电力行业的广泛关注，为使其可以达到高效低耗少人工的基本条件，在不断地做着努力与创新。过去设想的有线布控的方式，在供电范围越来越广，供电密集度越来越高，供电质量要求不断提升的今天，逐渐被无线监测的方式所取代。后者的添加设备工序简单，耗材相对低廉，精度更高，实时性能更好，检修和更换更加方便等诸多优点，使其成为时下电力设备监测系统中广泛应用的一种手段。而本文中所阐述的电力设备监测系统是采用Zigbee这种无线通信方式建立起来的。

3 移动通信与Zigbee

3.1 三种无线通信手段的比较

无线通信覆盖整个路口是实现智能交叉口的重要基础，蓝牙、Zigbee和Wi-Fi是现在应用较广的三种短距离无线通信技术。蓝牙是蓝牙技术联盟在 IEEE802.15.1上制定的标准，Zigbee是Zigbee联盟在IEEE802.15.4上制定的标准，Wi-Fi是Wi-Fi技术联盟在IEEE802.11上制定的标准。蓝牙标准和Zigbee标准属于无线个人局域网标准（WPAN），Wi-Fi属于无线局域网技术标准（WLAN）。

蓝牙的优点在于成本低、功耗低、传播速率高、抗干扰能力强，缺点在于传播距离短、网络容量小，所以它一般用于高速且节点较少的无线个人局域网中；Wi-Fi技术的优点在于网络容量大、传播速率最高、传播距离远，缺点在于成本高、抗干扰能力一般、功耗较大；Zigbee的优点在于网络容量大、功耗低、成本低、带控制功能，缺点在于传输速度较慢。考虑到智能交叉口处的无线通信手段的传输距离至少覆盖整个路口，抗干扰能力要强，成本低，综合以上因素，选取Zigbee技术作为智能交叉口的无线通信手段是较为合适的。

3.2 Zigbee技术

IEEE802.15.4 工作组最先提出类似于蜂群使用的通信方式：蜜蜂（bee）通过“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来分享发现的食物的位置、距离和方向等信息，这项技术后来被称为Zigbee。IEEE802.15.4工作组制定的协议仅定义了它的底层技术，即物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）的数据传输规范，为了实现产品的生产和应用，2002年8月成立的非盈利组织Zigbee Alliance扩展了IEEE802.15.4协议，对Zigbee技术的网络层协议和API进行了标准化。

Zigbee是一种基于IEEE802.15.4 标准研发的新兴的无线网络标准，定义了一种短距离、低数据传输速率的无线网络通信所需的通信协议。Zigbee具有以下特点：（1）低功耗，终端节点工作所需的电流很小，两节5号电池就可以供终端节点使用6个月到2年左右；（2）低成本，Zigbee的通信协议的复杂度较低，对控制器要求不高，每片Zigbee芯片的价格大约在15～30元，除此之外，Zigbee的协议对外开放，不收专利费；（3）低速率，Zigbee的数据传输速率在20～250kbps之间，属于低速率范围，不能传送视频、声音等文件，但能够满足一般的控制系统的需求；（4）近距离，从属性上来讲，Zigbee属于短距离的无线通信方式，但从功能上，在传输范围高达10～100m的环境中，传输要求同样也能被满足，随着发射功率的加强，Zigbee的传输距离可以达到1～3km距离的级别；（5）短时延，即Zigbee的快速响应时间，一般情况下由休眠状态跳转到工作状态只需15ms左右；（6）高容量，满负荷状态时，一个主节点管理的子节点数量能达到254个，整个网络能组成一个覆盖65000个节点的大网；（7）高安全，Zigbee的安全模式由三级构成，由低到高依次是：第一级，无安全设定级别，第二级，使用访问控制清单防止非法获取数据，第三级，采用高级加密标准（AES 128）的对称密码级别；（8）免执照频段，目前可以使用的频段有：全球医疗（ISM）频段，美国全境通用的915MHz频段，欧洲通用的868MHz频段和全球通用的2. 4GHz频段。

3.3 Zigbee节点类型及拓扑结构

Zigbee网络中，很据通信能力的不同，装置可分为全功能（FFD）装置、精简功能（RFD）装置两种，FFD可以和FFD及RFD相互通信，在网络中一般拥有网络控制及管理功能；RFD只能和FFD通信，不能跟RFD通信，在网络结构中一般用作通信终端。根据设备在网络中承担的角色的不同，又可分为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End Device）。

每个Zigbee网络有且仅有一个协调器（Coordinator），相当于有线网络中的服务器，负责建立和维护网络。协调器需要在写程序时进行网络及相关参数的配置，当其上电后，先搜索附近的网络，若没有搜索到，就选择合适的信道建立网络并且用16位网络地址标识，网络建立后允许其他设备加入；路由器（Router）只在树状网络和网状网络中存在，作为网络的中继节点，路由器的作用是进行路由选择并转发数据，扩大网络，允许更多节点加入；终端设备（End Device）和实际监控对象相连，只与其父节点主动通信，上电后先加入或者重新加入网络，正常状态时，只发送和接收数据，信息的传输由其父节点和网络中具有路由功能的协调器或路由器實现。

4 结束语

电力设备在线监测就是利用传感、电子、计算机等技术，通过对运行中高压设备的信号采集和传输、数据处理、逻辑判断，来实现对电力设备运行状态的带电测试或不间断的实时监测和诊断。如何进行有效的通信，保证电力系统各种保护及控制方式顺利实现，一直以来是比较难以解决的课题。

参考文献：

[1]庄兴元.电力设备在线监测技术现状及实际开发应用前景[J].电工技术杂志，2003（5）：19-21+33.

[2]郭碧红，杨晓洪.我国电力设备在线监测技术的开发应用状况分析[J].电网技术，1999，23（8）.

[3]唐小军.IEEE 802.15.4无线传感器网络的研究和实现[D].重庆大学，2007.

[4]李忱，杜军，金芳.无线传感器网络及其应用[J].仪器仪表用户，2006，13（3）：1-3.

[5]孟未来.基于无线传感器网络技术的温湿度数据采集系统的研制[D].沈阳工业大学，2007.

[6]邱明.变电设备在线监测技术及故障分析[J].科技创新与应用，2014（33）：145-146.

[7]陶涛.针对变电站设备在线监测的应用研究[J].科技创新与应用，2014（26）：182.