基于ZigBee的變電站智能巡更系統(tǒng)

任 敏

（山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037009）

1 研究背景及意義

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的不斷完善和提高，在生產(chǎn)運(yùn)行的過程中，人們對(duì)變電站的智能化也提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的以人為主的變電站巡查制度在巡查過程中經(jīng)常會(huì)漏掉真空區(qū)或盲區(qū)，從而導(dǎo)致發(fā)生設(shè)備故障等[1]。

在傳統(tǒng)的巡更方式里，檢查記錄是通過紙質(zhì)記錄的方式來實(shí)現(xiàn)的，然而設(shè)備在運(yùn)行過程中缺陷檢驗(yàn)周期較長，同時(shí)由于核查員知識(shí)水平不均衡，僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得描述的報(bào)告內(nèi)容不夠全面細(xì)致，導(dǎo)致出現(xiàn)各種各樣的問題。因此急需一種現(xiàn)代化和智能化的巡更系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的巡更方式，這樣既能提高工作效率也能大大減少工作人員的工作量。

2 ZigBee

ZigBee是近些年來發(fā)展十分迅速的一種無線通信技術(shù)，更多地適用于傳輸距離短和數(shù)據(jù)傳輸速度慢的設(shè)備。它主要是通過多個(gè)小型傳感器來構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，利用相關(guān)的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息交換，以此來達(dá)到無線通信的目的。與傳統(tǒng)的有線通信相比，利用ZigBee技術(shù)可以大大節(jié)約電纜成本，有效降低系統(tǒng)的投入成本，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備之間的無線通信，同時(shí)具有小型化和便攜式等優(yōu)勢[2]。

作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee的通信方式與另一種無線傳輸方式藍(lán)牙有很多相似之處。它們都能夠滿足小范圍內(nèi)的無線傳輸需求。但是ZigBee在很多方面又比藍(lán)牙有著更加突出的優(yōu)點(diǎn)，如價(jià)格更便宜、體積更小、傳輸?shù)姆€(wěn)定性更好以及傳輸范圍相對(duì)更大等[3]。

在正常的工作模式下，ZigBee傳感器電源只需要兩節(jié)5號(hào)電池即可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)6～24個(gè)月以上運(yùn)行。而在相同的工作環(huán)境下，藍(lán)牙大約能夠運(yùn)行幾周，而WiFi則僅僅只能運(yùn)行幾小時(shí)。這充分說明了ZigBee的功耗小，運(yùn)行周期長[4]。相比于其他的無線傳輸設(shè)備，ZigBee因?yàn)闆]有相應(yīng)的專利費(fèi)用，所以價(jià)格要低的多，一個(gè)芯片的價(jià)格大約是12元左右，投入的運(yùn)行成本相對(duì)較小。另外由于ZigBee在20～250 kb/s的區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在正常的傳輸范圍內(nèi)可以滿足對(duì)傳輸速率的需求。一般情況下的傳輸范圍為10～100 m，通過中繼節(jié)點(diǎn)后可以增加到1～3 km。同時(shí)ZigBee的讀寫速度相對(duì)較快，所以延時(shí)較短，通常以節(jié)電模式轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)狀態(tài)需15 ms，在網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)電節(jié)點(diǎn)時(shí)僅用30 ms，更加節(jié)約電力。此外，對(duì)ZigBee的安全設(shè)置中，數(shù)據(jù)為防止非法存取和訪問控制列表，使用保安屬性及高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)稱加密，并提供了3種安全模式。

3 ZigBee的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)ZigBee傳輸?shù)姆椒ê屠碚?，其協(xié)議體系可分為3層，詳細(xì)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 ZigBee體系結(jié)構(gòu)圖

在介紹ZigBee協(xié)議時(shí)，首先要明確概念，即ZigBee協(xié)議的架構(gòu)由各層組成，每個(gè)層上分別有它們自己要執(zhí)行的特定內(nèi)容，也就是服務(wù)對(duì)象。每個(gè)服務(wù)對(duì)象是通過相應(yīng)的點(diǎn)向上層提供接口，每個(gè)點(diǎn)又支持一些服務(wù)程序，從而完成必要的功能。服務(wù)原語是一個(gè)抽象的概念，它只指定所提供的服務(wù)，而不指定誰提供這些服務(wù)。原始的概念用于描述兩個(gè)相鄰層之間的服務(wù)，層間信息的傳達(dá)可以用原始語來表達(dá)[5]。

4 智能巡更手持設(shè)備原理及設(shè)計(jì)

利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)采用UHFRFID射頻識(shí)別器，共同組成智能化巡檢設(shè)備。它由巡檢手持儀表、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、RFID射頻標(biāo)簽、無線通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)收發(fā)器等共同組成[6]。如圖2所示。

圖2 基于 ZigBee 的變電站智能巡更系統(tǒng)

系統(tǒng)中RFID射頻標(biāo)簽采用了ISO1800-6C協(xié)議中的無源標(biāo)簽，里面有射頻設(shè)備的名稱、使用手冊(cè)、工作編號(hào)、設(shè)備維修記錄單、設(shè)備保養(yǎng)記錄表以及保管方法等設(shè)備信息。其工作頻率為860～1 000 MHz，讀寫距離可達(dá)為1～9 m[7]。

智能化巡檢設(shè)備手持終端主要是利用RFID射頻電氣標(biāo)簽將現(xiàn)場的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和故障類型采集后再通過架構(gòu)好的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，將采集到的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后上傳到調(diào)度室的計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，方便運(yùn)行值班人員根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)調(diào)整運(yùn)行方式并對(duì)故障進(jìn)行緊急處理。智能化巡檢設(shè)備主要由調(diào)度室內(nèi)的計(jì)算機(jī)、RFID射頻識(shí)別電子標(biāo)簽、含ZigBee模塊的無線通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)收發(fā)器以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等組成。其工作原理是通過射頻識(shí)別器采集數(shù)據(jù)信息，然后將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)紺PU中，利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后將處理后的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到主機(jī)，同時(shí)接收主機(jī)的命令，完成相應(yīng)的操作[8]。

智能巡更系統(tǒng)的上位機(jī)是利用LabVIEW設(shè)計(jì)的智能化綜合管理平臺(tái)，功能是將智能巡檢設(shè)備在就地采集到的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和故障類型通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送至調(diào)度室的計(jì)算機(jī)中，通過計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，方便運(yùn)行值班人員實(shí)現(xiàn)對(duì)就地設(shè)備的監(jiān)控和操作。同時(shí)利用組態(tài)軟件可以對(duì)所有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全覆蓋監(jiān)控和操作，使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)安全。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中ZigBee協(xié)調(diào)器模塊及智能巡更手持終端構(gòu)成了智能巡更系統(tǒng)硬件的重要部分。智能巡檢手持設(shè)備由RFID射頻讀寫器、ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、處理器、存儲(chǔ)器以及總線等組成。由ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊主要由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)兩部分組成[9]。

5 RFID射頻讀寫電氣標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

RFID讀寫器電子標(biāo)簽由RFID射頻收發(fā)器和STM32數(shù)字信號(hào)處理器共同構(gòu)成。射頻讀寫收發(fā)器使用專用的處理器芯片AS3922，該處理器芯片由功率檢測器、鎖相環(huán)、功率放大器、低通濾波器、混頻器、增益濾波器以及相應(yīng)的協(xié)議處理器芯片等共同組成，可實(shí)現(xiàn)由ISO1800-6C協(xié)議支持設(shè)備組成的發(fā)送和接收電路。同時(shí)，外部控制芯片能夠通過SPI實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)配和控制。該系統(tǒng)主要利用無線射頻收發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，將采集得到的數(shù)據(jù)信息通過發(fā)送電路送至上位機(jī)中，再由上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理和操作[10]。

6 ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

由ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是為了保證將所采集到的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)準(zhǔn)確無誤地傳送到計(jì)算機(jī)中，同時(shí)還能接收來自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)指令。該無線通信網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)收發(fā)器模塊兩部分組成。無線通信網(wǎng)絡(luò)中所采用的ZigBee芯片是CC2531，該芯片內(nèi)部含有一個(gè)大功率收發(fā)器和一個(gè)增強(qiáng)型的數(shù)據(jù)信息處理模塊，同時(shí)還具有可編程的程序存儲(chǔ)器64KB數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模塊。智能化巡檢系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件主要由ZigBee無線通信協(xié)議、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)程序及調(diào)度室內(nèi)計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件組成。

7 ZigBee無線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的Z-Stack協(xié)議棧被用作ZigBee無線傳輸模塊利用軟件設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)時(shí)的手段，在應(yīng)用層主要是進(jìn)行程序的研發(fā)，利用現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)出基于ZigBee節(jié)點(diǎn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，并且利用架構(gòu)好的無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)巡檢人員和調(diào)度室值班人員的信息交互。利用智能巡檢設(shè)備大大提高了巡檢的效率，為設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保證。

首先初始化系統(tǒng)，其次將ZigBee終端節(jié)點(diǎn)信息全部初始化，最后各節(jié)點(diǎn)開始申請(qǐng)加入系統(tǒng)中并實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式等待運(yùn)行。若有中斷產(chǎn)生，則STM32處理器負(fù)責(zé)對(duì)RFID射頻模塊讀取范圍內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)信息信息再次刷新。

待系統(tǒng)通電后，對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行初始化，然后開始進(jìn)行ZigBee節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。待組網(wǎng)成功后，如有其他終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，則系統(tǒng)將產(chǎn)生相應(yīng)的中斷請(qǐng)求，同時(shí)為新加入的終端節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址。計(jì)算機(jī)通過ZigBee協(xié)調(diào)器向智能巡檢手持設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的指令，智能手持終端設(shè)備將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)采集好后，將采集到的所有數(shù)據(jù)信息通過ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的無線通信網(wǎng)發(fā)送至調(diào)度室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

8 結(jié) 論

基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能化巡檢手持設(shè)設(shè)備的設(shè)計(jì)，利用上位機(jī)架構(gòu)的組態(tài)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)就地設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控和全覆蓋操作，同時(shí)還能完成信息的儲(chǔ)存和管理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，智能化巡檢手持設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和遠(yuǎn)距離的信息采集與監(jiān)控，在現(xiàn)代巡檢系統(tǒng)里有著非常值得推廣的價(jià)值，同時(shí)還需要不斷強(qiáng)化和完善現(xiàn)有系統(tǒng)的功能，爭取早日投入生產(chǎn)實(shí)踐中。