基于ZigBee的变电站智能巡更系统

任 敏

（山西大同大学 机电工程学院，山西 大同 037009）

1 研究背景及意义

随着电力系统自动化程度的不断完善和提高，在生产运行的过程中，人们对变电站的智能化也提出了越来越高的要求。传统的以人为主的变电站巡查制度在巡查过程中经常会漏掉真空区或盲区，从而导致发生设备故障等[1]。

在传统的巡更方式里，检查记录是通过纸质记录的方式来实现的，然而设备在运行过程中缺陷检验周期较长，同时由于核查员知识水平不均衡，仅凭经验判断，没有一个统一的标准，使得描述的报告内容不够全面细致，导致出现各种各样的问题。因此急需一种现代化和智能化的巡更系统来代替传统的巡更方式，这样既能提高工作效率也能大大减少工作人员的工作量。

2 ZigBee

ZigBee是近些年来发展十分迅速的一种无线通信技术，更多地适用于传输距离短和数据传输速度慢的设备。它主要是通过多个小型传感器来构建无线通信网络，利用相关的通信协议实现设备间的信息交换，以此来达到无线通信的目的。与传统的有线通信相比，利用ZigBee技术可以大大节约电缆成本，有效降低系统的投入成本，实现多设备之间的无线通信，同时具有小型化和便携式等优势[2]。

作为一种无线通信技术，ZigBee的通信方式与另一种无线传输方式蓝牙有很多相似之处。它们都能够满足小范围内的无线传输需求。但是ZigBee在很多方面又比蓝牙有着更加突出的优点，如价格更便宜、体积更小、传输的稳定性更好以及传输范围相对更大等[3]。

在正常的工作模式下，ZigBee传感器电源只需要两节5号电池即可支持一个节点6～24个月以上运行。而在相同的工作环境下，蓝牙大约能够运行几周，而WiFi则仅仅只能运行几小时。这充分说明了ZigBee的功耗小，运行周期长[4]。相比于其他的无线传输设备，ZigBee因为没有相应的专利费用，所以价格要低的多，一个芯片的价格大约是12元左右，投入的运行成本相对较小。另外由于ZigBee在20～250 kb/s的区间运转，所以在正常的传输范围内可以满足对传输速率的需求。一般情况下的传输范围为10～100 m，通过中继节点后可以增加到1～3 km。同时ZigBee的读写速度相对较快，所以延时较短，通常以节电模式转换为启动状态需15 ms，在网络连接节电节点时仅用30 ms，更加节约电力。此外，对ZigBee的安全设置中，数据为防止非法存取和访问控制列表，使用保安属性及高级加密标准进行对称加密，并提供了3种安全模式。

3 ZigBee的协议体系结构

根据ZigBee传输的方法和理论，其协议体系可分为3层，详细的体系结构如图1所示[4]。

图1 ZigBee体系结构图

在介绍ZigBee协议时，首先要明确概念，即ZigBee协议的架构由各层组成，每个层上分别有它们自己要执行的特定内容，也就是服务对象。每个服务对象是通过相应的点向上层提供接口，每个点又支持一些服务程序，从而完成必要的功能。服务原语是一个抽象的概念，它只指定所提供的服务，而不指定谁提供这些服务。原始的概念用于描述两个相邻层之间的服务，层间信息的传达可以用原始语来表达[5]。

4 智能巡更手持设备原理及设计

利用ZigBee无线网络技术，同时采用UHFRFID射频识别器，共同组成智能化巡检设备。它由巡检手持仪表、计算机数据库系统、RFID射频标签、无线通信网络以及数据收发器等共同组成[6]。如图2所示。

图2 基于 ZigBee 的变电站智能巡更系统

系统中RFID射频标签采用了ISO1800-6C协议中的无源标签，里面有射频设备的名称、使用手册、工作编号、设备维修记录单、设备保养记录表以及保管方法等设备信息。其工作频率为860～1 000 MHz，读写距离可达为1～9 m[7]。

智能化巡检设备手持终端主要是利用RFID射频电气标签将现场的设备运行参数和故障类型采集后再通过架构好的ZigBee无线通信网络，将采集到的设备运行参数进行模数转换后上传到调度室的计算机中进行数据处理，方便运行值班人员根据设备运行参数调整运行方式并对故障进行紧急处理。智能化巡检设备主要由调度室内的计算机、RFID射频识别电子标签、含ZigBee模块的无线通信网络、数据收发器以及A/D、D/A转换器等组成。其工作原理是通过射频识别器采集数据信息，然后将数据信息传输到CPU中，利用计算机对数据进行分析处理，最后将处理后的数据通过ZigBee无线传输网络传送到主机，同时接收主机的命令，完成相应的操作[8]。

智能巡更系统的上位机是利用LabVIEW设计的智能化综合管理平台，功能是将智能巡检设备在就地采集到的设备运行参数和故障类型通过ZigBee无线通信网络传送至调度室的计算机中，通过计算机的数据处理功能，方便运行值班人员实现对就地设备的监控和操作。同时利用组态软件可以对所有系统实现实时全覆盖监控和操作，使系统运行更加平稳安全。

计算机系统中ZigBee协调器模块及智能巡更手持终端构成了智能巡更系统硬件的重要部分。智能巡检手持设备由RFID射频读写器、ZigBee无线通信网络、处理器、存储器以及总线等组成。由ZigBee节点组成的无线通信网络模块主要由ZigBee终端节点和ZigBee协调器节点两部分组成[9]。

5 RFID射频读写电气标签的设计

RFID读写器电子标签由RFID射频收发器和STM32数字信号处理器共同构成。射频读写收发器使用专用的处理器芯片AS3922，该处理器芯片由功率检测器、锁相环、功率放大器、低通滤波器、混频器、增益滤波器以及相应的协议处理器芯片等共同组成，可实现由ISO1800-6C协议支持设备组成的发送和接收电路。同时，外部控制芯片能够通过SPI实现对ZigBee无线通信网络的调配和控制。该系统主要利用无线射频收发器实现对设备数据的采集，将采集得到的数据信息通过发送电路送至上位机中，再由上位机系统进行处理和操作[10]。

6 ZigBee无线通信网络的架构

由ZigBee节点组成的无线通信网络的主要任务是为了保证将所采集到的设备运行参数准确无误地传送到计算机中，同时还能接收来自计算机系统的各项指令。该无线通信网络主要由ZigBee终端节点和ZigBee协调收发器模块两部分组成。无线通信网络中所采用的ZigBee芯片是CC2531，该芯片内部含有一个大功率收发器和一个增强型的数据信息处理模块，同时还具有可编程的程序存储器64KB数据的存储模块。智能化巡检系统的系统软件主要由ZigBee无线通信协议、ZigBee无线网络收发程序及调度室内计算机组态软件组成。

7 ZigBee无线传输模块软件设计

ZigBee网络的Z-Stack协议栈被用作ZigBee无线传输模块利用软件设计无线通信系统时的手段，在应用层主要是进行程序的研发，利用现有的系统架构出基于ZigBee节点的无线通信网络，并且利用架构好的无线通信网络实现巡检人员和调度室值班人员的信息交互。利用智能巡检设备大大提高了巡检的效率，为设备的安全稳定运行提供了可靠的保证。

首先初始化系统，其次将ZigBee终端节点信息全部初始化，最后各节点开始申请加入系统中并实现组网，组网成功后系统进入休眠模式等待运行。若有中断产生，则STM32处理器负责对RFID射频模块读取范围内的设备数据信息信息再次刷新。

待系统通电后，对协议栈进行初始化，然后开始进行ZigBee节点组网。待组网成功后，如有其他终端节点申请加入网络，则系统将产生相应的中断请求，同时为新加入的终端节点分配相应的网络地址。计算机通过ZigBee协调器向智能巡检手持设备发送相应的指令，智能手持终端设备将设备运行参数采集好后，将采集到的所有数据信息通过ZigBee节点组成的无线通信网发送至调度室的计算机进行相应的数据处理。

8 结 论

基于ZigBee无线通信技术的智能化巡检手持设设备的设计，利用上位机架构的组态软件，能够实现对就地设备运行的实时监控和全覆盖操作，同时还能完成信息的储存和管理。实验结果表明，智能化巡检手持设备能够实现高精度和远距离的信息采集与监控，在现代巡检系统里有着非常值得推广的价值，同时还需要不断强化和完善现有系统的功能，争取早日投入生产实践中。