杨晓辉
湖北工业大学 电气与电子工程学院 430068
摘要：本文旨在改进现阶段中变电站监测系统中存在的缺陷与不足之处，对变电站的监测系统进行了研究，并基于ZigBee技术开发了智能变电站的监测系统，完成了智能变电站监测的无线化，从而节省了费用，简化了施工过程，有很大的现实意义。
关键词：变电站；监测系统；ZigBee
引言
变电站智能监测系统是结合了通讯技术和计算机技术的自动化系统，有着监察、自控和保护这三大功能，能够收集模拟量、数字量，实时判断出变电站的工作状态，从而进行开关控制，如果有需要时就能够实现断路器等的自控，完成变电站监测的状态调整和参数调节。
1.ZigBee技术简介
ZigBee是一类新型的近距离、速率小的无线控制技术，这是一种类似于无线射频识别和蓝牙传输之间的无线技术。如此命名的缘由是蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知其他同伴有关花粉位置等信息，以达到彼此互通消息的目的，受此自然界的动物间传递信息的启发，故以此作为全新一代的无线通讯技术的命名。ZigBee技术有着独特的通讯标准，在数千个细小的传感器之间起着共同配合实现传达信息的作用，不过，这数千个传感器只消耗很少的功率，就能使用结合而成的网状结构的方式通过无线电波将信息从某一个传感器传递到另一个传感器，故此这些传感器的通信效率非常地高。然后，这些被传递过来的信息就能够被输进计算机中，用来分析或者被另外一种无线技术（如GPRS、CDMA、WiMax等）收集。在标准规范的制订方面，由 IEEE802.15.4 小组负责制订媒体存取控制层（MAC）与物理层（PHY）规范，ZigBee 联盟负责制订网络层（NWL）应用层（APL）软体标准。
然而，现行的变电站监测系统通常以有线的方式进行信息传达。就变电站的监测系统的底层的控制网络而言，一般来说，采用现场总线方式（如RS485）进行数据的收集和现场的控制。长距离的通信方式有光纤、电力载波、有线电缆、公网等这样几种方式。但是，变电站设备数量庞大，结构复杂，这就会给线路的铺设和设备的检修等工作带来极大的不便，从而导致建设的成本和工程量居高不下。无线传感器网络的出现可以很好地解决有线网络存在的各种问题，无线传感器网络具有很大的灵活性，只需在监测点合理放置无线传感器节点就可以监测变电站的运行状态，这样就省去了布线的环节，可以大量节约成本和精力。我们能够这样说，无线传感器网络将会给包括变电站综合自动化系统在内的各种监控系统带来极大便利。本文正是把ZigBee这种新型的无线传感器网络技术与已经日趋成熟的 GPRS 技术结合起来，开发了变电站监控系统，用于变电站的监测、控制与故障报警。
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2.ZigBee的技术特点
ZigBee有以下几个技术特点：一是无线电的传输速率为250 kbps，适用于报文吞吐量不大的通信应用场合，完全符合变电站综合自动化系统传输速率要求；二是功率损耗极低，在低耗电待机模式下，两节普通的5号干电池足够使用6个月到2年的时间不等，是ZigBee技术的巨大优势；三是网络容量大，每个ZigBee网络完全能够提供对65000多个节点的技术支持，可以满足变电站设备众多、结构复杂、监测信息数量庞大等特点；四是安全性高，加密算法采用 AES-128，提供了数据完整性检查和鉴权功能；五是ZigBee 技术针对环境如汽车、手机、发电机配电房、变压器等对于无线通信的干扰有着很好的防范技术。综合以上特点可以得出结论，ZigBee技术适合应用于变电站综合自动化系统，并将给变电站综合 自动化系统带来革命性的变革。ZigBee支持多种网络拓扑结构，最简单的一种是星型网，只有一个网络协调器，连接多个从设备。为了降低系统成本，IEEE 定义了两种物理设备：完全功能设备（FFD）和部分功能设备（RFD）。FFD 支持各种拓扑结构，可以作为网络协调器，可以与任何其它设备对话，RFD不能作为网络协调器，只能与网络协调器对话，但实现非常简单。在星型网中只有网络协调器是FFD，其它均为 RFD。另一种网络结构是互联的星型网，可以扩展单个星型网或互联多个星型网络。第三种类型是网状网，网状网的覆盖范围很大，有65000个节点。网络中的每一个FFD也可作为路由器，路由协议来优化短和可靠的路径，同时路由协议还可根据情况动态变化。
3.变电站监测系统的工作原理与设计方案
ZigBee协调器节点必须是全功能设备。在工作时，它通过扫描一个空通道来创建一个新的网络，一旦找到了空的信道，ZigBee协调器会选择并开始侦听一个信道。一旦合适的信道，网络管理实体将选择0x0000作为十六位短地址，并告知MAC层。除此之外，ZigBee 协调器还具有维护一个目前连接设备的列表，支持独立扫描程序来确保以前的连接设备能够 重新加入网络等功能。数据终端节点上电后试图寻找一个临近的ZigBee协调器节点，它会扫描所有的可用通道来找到ZigBee协调器节点，并申请加入网络。成功后终端节点会使用看门狗时钟、停止接收并休眠控制器。当有控制信号或数据需传输时，终端节点会使用 PORTB中断来唤醒自己，接受ZigBee协调器命令或向ZigBee协调器发出信息。
硬件部分使用CC2430协调器芯片，存储器和CC2430之间通过SPI为枢纽进行联结，在协调器上装设1602LCD字符液晶显示和字母键盘用来进行现场数据的查看。数据终端节点均采用CC2430作为芯片，根据物理信号以及开关量的不同特点，在外围电路的设计上有所不同；软件部分，调用aplFormNetwork来建立网络。
4.结束语
本文所开发的基于ZigBee的变电站监测系统可靠性较高、建设费用低、系统结构简单且便于维护，弥补了现行的变电站监测系统中所存在的缺陷和不足之处，具有极大的优势和广阔的前景。
参考文献：
[1]梁宝强.基于ZigBee的箱式变电站设备与环境参数检测系统的设计与实现[D].沈阳：辽宁大学，2015.
[2]郭耀华．基于Zig Bee的变电站节点温度无线监测系统设计[J]．唐山学院学报，2013，26（6）：54-57.
[3]吴超.变电站设备状态监测无线传感器网络节点的关键技术研究[D].南京理工大学，2013.
论文作者:杨晓辉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/23
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