1.胡常胜 2.张丽
（1.国网新疆电力公司经济技术研究院 新疆 830026; 2.国网新疆电力公司电力调度控制中心 新疆 830000;）
摘要：在变电站辅助控制系统中，使用动环主机或者是总线方式对各传感器和控制器进行接入存在诸多的弊端。本文是论述如何使用无线网络来对变电站辅助控制系统进行重新构建。较传统的方式，无线网络方式在成本、效率和可维护性上都具备明显优势。
关键词：无线网络，Zigbee，变电站，辅助控制系统
引言
随着变电站的无人化和智能化发展，变电站辅助控制系统作为一种新的远程监控手段被应用到变电站。变电站辅助控制系统包括动力环境、安防等系统的整合，使这些子系统协同有效的工作，为远程监控提供自动化管理的手段。但变电站辅助控制系统因接入点多、布点分散等特点，在实际的工程应用中对设计和施工是一个不小的挑战。通过总线方式接入分散的采集节点、控制节点相比以往基于动环主机的方式已大量降低了系统的复杂性，但对于如750千伏变电站等高电压等级、规模较大的变电站还是显得复杂，且没有较高的扩展性。
无线数据网络可以有效的解决上述方案中线路布置的问题。本文通过对比不同类型的无线数据网络的特点分析了无线数据网络在辅助控制系统中的应用。
1 变电站辅助控制系统的现状
变电站辅助控制系统包括以下几个方面：
(1)安防：视频监控、消防告警、门禁、电子围栏、红外双鉴、红外对射等；
(2)环境监测：温度、湿度、水位、SF6、O2等；
(3)设备控制：灯光、风机、空调、水泵等。
1.1总线通讯方式
在实践当中，为了解决设计与施工的复杂性，产生了相应的改进方案。通过采用现场总线的方式对传感器与控制器进行接入，从端点来减少综合布线的复杂度。
如图1所示，在改进方式中使用总线方式对传感器与控制器进行接入，在一定程度上减少了端点综合布线的复杂度。
图 1 现场总线的改进方案
2 现有无线方案的对比
如果采用无线网络来构建整个变电站辅助控制系统可以有效的提高整个系统设计、施工、调试和维护的效率。
目前，可以应用于传感、控制网络的无线方案主要有：1）wifi、2）433数传、3）Zigbee。
2.1 wifi 局域网络
Wifi 是最常见的无线网络，其数据传输有带宽高、组网方便、成本低、产品线丰富等特点，使其有着广泛的应用范围。但是wifi网络存在以下局限：
1、一般来说作为最后终端的接入方案，其有效接入点有一定的限制（一般一个wifi的AP连接几十个设备后可靠性就比较差了）。而一个变电站内的传感控制节点很容易就达到100个。
2、传输距离比较短，一般室内50米左右，空旷区域150米左右。而变电站情况复杂，实际通讯距离更短，如果要做到变电站的全覆盖，一般须采取有线结合wifi的方式进行布置。
3、wifi一般建议使用星形组网，而不建议使用网状（MESH）组网。虽然说可以使用WDS的中继模式来实现增距，但该方式并不可靠，一旦一个中继失效，很难提供恢复机制，导致部分网络失效。
2.2 RF无线数传
严格意义上，RF无线数传不能称为数据网络，而只是点到点的传输。成本低廉是其主要的特点，但该方式具有以下局限：
1、通讯速率低。一般RF 数传的通讯速率不超过115kbps。
2、点到点通讯，很难做到组网。因为其一般采用固定频点通讯，如需跳频或者是组网需要实现比较复杂的协议。简单的组网方式可以通过类似485的查询通讯方式实现。
3、安全性不高。跳频、加密需要再开发，且没有通用的标准实现。
2.3 Zigbee
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。ZigBee网络共可形成星型、网状和簇状型三种网络拓扑结构。星型和簇状型网络适合单点对多点、距离较近的应用；网状(MESH网)结构（如图2所示）适用于复杂的网络。网状结构的网络具有自愈、自组织等强大的功能，且可以实现“多级跳”通信。
图2 Zigbee 网状（MESH网）结构
ZigBee技术的广泛应用主要是因为其网络特征，它体现在以下几个方面：
(1)可靠的通信机制。ZigBee在通信中采用预留专用时隙的碰撞避免机制，可以有效避免因通信冲突造成的数据包丢失现象。采用 AES - 128加密法,保证数据不会被“盗听”或“误判”，因此通信可靠[1]。
(2)网络的自组织和自愈能力。ZigBee网络的形成无需人工干预，网络节点可以清楚地感受到其他节点的存在并确定连接关系，自动组成结构化的网络。ZigBee的自愈功能体现在当网络中有节点的增加、删除、位置变动或者节点发生故障等情况时，网络都能够自我修复，自动对网络的拓扑结构进行相应的调整，保证整个系统的正常运行[2]。
(3)实时性。Zig Bee无线通信网络新增节点的典型网络参与时间为 30 ms，节点从休眠状态激活进入工作状态的典型时延为 15 ms，处于工作状态的节点的典型存取时间 15 ms，对于最长等待时间在10 ms量级以上的控制环境，Zig Bee技术完全可以满足实时性的要求[3]。
(4)抗干扰性。采用 2.4 GHz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[4]。
2.4 各种无线网络对比
以下就上述三种无线方案进行一个综合的比较。
根据上述比较分析，Zigbee的Mesh网络方式十分适合变电站的传感控制网络。虽然通讯速率不高，但是传感控制网络对速率要求不高，一般一个Zigbee网络可以承担200个传感、控制节点的接入。
3 Zigbee在变电站辅助控制系统中的应用
Zigbee技术在变电站监控系统中已经有相关的研究与应用[5-6]。利用Zigbee无线网络的优势在变电站辅助控制系统中对传感器与控制器的接入，可以有效降低设计复杂度、施工复杂度，便于后期的升级与维护。
改进后的系统架构如下图3所示。
图3 Zigbee 方式下的系统结构
该方案对比传统方案的主要改进是以下几个方面：
(1)方案中去除了局部总线的桥接装置，使用Zigbee网桥进行替代；Zigbee网桥是一个Zigbee网络到以太网络的一个桥接装置，把无线Zigbee网络和以太网络进行联通。Zigbee部分通常是一个协调器节点。
(2)对传感器、控制器进行相应的改造，加入Zigbee的通讯模块。因为考虑到节点间需要路由，传感器/控制器的Zigbee工作在路由器模式下。
通过上述的技术改造后，新方案具备以下优势：
(1)成本优势。虽然加入Zigbee模块，对传感器和控制器的成本有所增加，但现有的Zigbee芯片价格已经非常低廉，相对于布线成本和施工成本，Zigbee节点硬件成本几乎可以忽略。
(2)效率优势。Zigbee网络简化了端点布线的复杂度，使得设计、施工、安装、调试的工作量和复杂度得到显著降低。
(3)可维护性优势。Zigbee网络的组网特性使得维护十分方便。在维护过程中不需要过多考虑网络通讯问题，使得可维护性进一步提高。
4 结语
Zigbee网络在数据传感与控制领域具备先天的技术优势。应用于变电站辅助控制系统中可以显著的降低设计和安装调、试复杂度，并能进一步降低后期的维护成本。
本文以网络通讯的角度去分析Zigbee技术在变电站辅助控制系统中应用的可行性，并未对相应的传感器、控制器的具体设计进行更深入的研究。在后续的工作当中还需要对相关的终端装置进行更细致的研究来满足现场的应用。
参考文献
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[3]黄双华, 赵志勇. Zigbee无线传感器网络路由研究与实现[J]. 电子测量技术, 2007, 30 (2): 59 -62.
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[5]郭耀华. 基于Zigbee的变电站节点温度无线监测系统的设计 [J]. 唐山学院学报, 2013,26(6) :54 – 57.
[6]童惠彬，高伟. 基于ZigBee和以太网的变电站环境监控系统[J]. 计算机技术及应用, 2014, 36(2): 30-32.
论文作者:1.胡常胜,2.张丽
论文发表刊物:《电力设备》2015年7期供稿
论文发表时间:2016/2/15
标签：变电站论文; 网络论文; 节点论文; 方式论文; 控制系统论文; 复杂度论文; 传感器论文; 《电力设备》2015年7期供稿论文;