ZigBee技術在變電站監測系統中的研究與應用

王上

【摘 要】 現有的變電站通信多是采用有線網絡進行信號的采集、傳輸和發送，且變電站設備繁多，信號復雜，存在綜合布線難、成本高、維護困難等弊端。針對現有變電站在線檢測方式的不足，提出了在變電站監測系統中應用ZigBee技術，論證了ZigBee技術在變電站自動化通信中應用的可行性，設計了適用于變電站數據通信的終端ZigBee模塊，該設計提高了變電站監測系統的安全性和可靠性，對于實現變電站監測系統無人化及無線化，保障人民安全和財產安全具有重要意義，具有較好的應用前景。

【關鍵詞】 ZigBee 無線網絡 監測系統

1 ZigBee技術簡介

隨著無線技術的高速發展，特別是無線傳感器網絡技術的發展給變電站復雜的線路布線提供了很好的解決辦法。變電站電氣設備監測的無線化已經成為變電站設備監測發展趨勢[1]。本文提出的監測系統就是基于ZigBee無線傳感器網絡技術，通過無線網絡將各設備監測點的溫度、電流、電壓、頻率等參數信息發送到監控中心， 既可以實現變電站內各電氣設備監測節點的輸出傳輸，又可以實現高壓和低壓的隔離，并且成本也不是很高。Zigbee是一種高可靠的無線數傳網絡，它依據IEEES02.15.4.IEEES02.15.4是IEEE無線個人區域網（PAN，Persona Area Network）工組的一項標準，ZigBee聯盟提供了上層協議棧，包括網絡層、安全層和應用層，其結構如圖1所示。

ZigBee協議定義了3種拓撲結構：星型結構、樹形結構、網狀結構，如圖2所示，在網絡中依照處理能力大小分為精簡功能設備，ZigBee協調器，ZigBee路由器和ZigBee終端設備。

2 ZigBee技術應用于變電站監測系統的可行性

2.1 通信可靠性

采用碰撞避免機制，避免了發送數據時的競爭和沖突，網絡具有自組織性和自愈能力.采用AES-128加密法，保證數據不會被“盜聽”或“誤判”，因此通信可靠”。

2.2 實時性

ZigBee從休眠狀態喚醒的時延很短。從休眠狀態喚醒的時延為15ms，進行搜索的時延為30ms，活動裝置接入網絡時延為15ms。通過不工作時休眠，需要工作前快速喚醒的方式降低了模塊的能耗，可應用于對時延要求較高的無線組網數據的傳輸。

2.3 抗干擾性

采用2.4GHz的無線收發器，利用直接序列擴頻技術，通過正交相移鍵控調制方法來實現.這樣不僅隱蔽性好，抗干擾性強，而且工作頻段靈活，可以調高通信速率。

2.4 網絡容量大

ZigBee在進行多節點組網時，可以采用星狀、網狀等結構進行組網，ZigBee最大組網能夠達到65000個，在整個ZigBee網絡范圍內，單個ZigBee模塊之間可以互相通信。

由上分析知，ZigBee通信技術符合變電站監測系統對通信技術的要求，具有可行性。

3 系統設計

整個系統由若干無線傳感器網絡終端節點、路由器節點和網絡協調器、無線數傳終端、監控機和報警裝置組成.終端節點部署在變電站要檢測的設備處，路由器負責將數據路由轉發至網絡協調器.網絡協調器得到匯總數據，對數據進行壓縮并通過無線數傳終端發送至智能電子裝置（IED，Intelligent Electronic Device）。IED通過以太網傳至監控主機，監控主機實時接收采集到的各種數據，保存至后臺數據庫，前臺監控系統實時檢測采集到的數據。

3.1 網絡協調器

網絡協調器是全功能設備（FFD），包含所有的網絡消息，存儲容量最大，計算能力最強[3]。系統采用Chipcon公司的CC2430芯片作為無線收發模塊。CC2430芯片延用了CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器，使用1個8位具有增強型MCU（8051）微控制器，具有32/64/128kb可編程閃存和8kb的RAM，還包含模擬數字轉換器、AES一128安全協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/0，特別適合以ZigBee為基礎的2.4GHZ波段對低成本、低功耗的應用要求。

3.2 終端節點和路由器節點

ZigBee終端節點結構和功能最簡單，主要由RFD承擔，由以下4部分組成：（1）數據采集模塊，由傳感器和A/D轉換器組成，負責采集數據和模數轉換；（2）數據處理模塊（優化的8051）和存儲器組成，負責節點的處理計算和控制、數據采集及存儲；（3）無線射頻通信模塊，由CC2430組成，負責無線通信數據的發送和接收。

4 ZigBee在變電站中的應用

4.1 變電站的分層結構

目前，變電站綜合自動化系統結構主要分為集中式和分層分布式兩種。由于集中式結構要耗費大量二次電纜，容易產生數據傳輸瓶頸，且具有可擴展性、維護性差等缺點，主要用于小型變電站。變電站綜合自動化系統通常采用分層分布式結構，即將變電站自動化系統內部信息分為3層，即變電站層、間隔層和過程層[3]，如圖3所示。

最上層為變電站層.通過雙極高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷實時刷新和登錄數據庫，接收、傳送調度或控制中心的有關數據，命令并轉向間隔層、過程層執行；對全站操作閉鎖，實現站內當地具有對間隔層、過程層設備在線參數修改、變電站故障分析和操作培訓的功能。

中間層為間隔層、間隔層匯聚本過程層的實時信息，具有一次設備保護控制、本間隔層的操作閉鎖、實施同期操作、防誤閉鎖、數據采集統計運算及控制命令發出優先級別控制的功能.最底層是過程層，是一次設備與二次設備的結合面，包含各種現場電氣設備，具有電氣量檢測、設備狀態參數在線監測與統計、操作控制執行等功能。

4.2 應用分析

ZigBee技術主要應用在間隔層和過程層之間。變電站層和間隔層之間通過以太網把數據送往調度主站，并接收下發的控制命令。在間隔層，各種線路、元件設備，測控、保護單元都是一個智能電子裝置IED，每個IED都有自己的CPU、輸入輸出設備、通訊口外界端子等，具有保護、測控、故障信息管理等功能ZigBee模塊通過RS-232或RS-485接口附屬在間隔層IED上作為中心協調器節點，用來接收和發送數據，供IED對其做出分析和判斷，并向下層發送參數設置和跳閘指令。IED既可以采集過程層的參數和狀態信息，對其進行處理并向變電站層發送相關的報告記錄、故障啟動動作、變位、模擬信號量、錄波數據等報文，又可以接收上層發出的各種控制塊的參數設置、開斷開關或斷路器的控制指令、查詢記錄、對時等操作請求，并把它們發給過程層，還能向同一個間隔單元或者不同間隔單元的IED發出互鎖、報警故障等信號，進行分布式功能的服務調用。在過程層，ZigBee傳感器終端節點附屬在電氣設備上，采集現場數據信號，并將數據通過ZigBee終端DAC數模轉換器進行處理，通過ZigBee無線技術將信號發送至間隔層IED；同時該節點還可以接收來自間隔層的控制信息，距離中心節點遠的終端節點，通過ZigBee路由節點轉發。ZigBee模塊可以附帶溫濕度、光、電壓、電流等傳感器，用來傳輸變電站內設備的運行情況和電力參數情況。

5 結語

本文闡述了ZigBee技術及其特點，及其在變電站監測系統中的應用設計。該設計滿足了變電站監控系統通信的要求，實現了無線化，克服了變電站內綜合布線復雜的缺點，節省了成本，提高了系統的實時性、安全性和靈活性，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]覃金庫.新形勢下變電站綜合自動化系統應用優勢[J].廣西電業，2009（8）：89-92.

[2]楊明，趙楠.對變電站綜合自動化的認識[J].考試周刊，2011（47）：161-162.

[3]田國政.變電站自動化系統的通信網絡及傳輸規約選擇[J].電網技術，2003，27（9）：66-68.endprint

【摘 要】 現有的變電站通信多是采用有線網絡進行信號的采集、傳輸和發送，且變電站設備繁多，信號復雜，存在綜合布線難、成本高、維護困難等弊端。針對現有變電站在線檢測方式的不足，提出了在變電站監測系統中應用ZigBee技術，論證了ZigBee技術在變電站自動化通信中應用的可行性，設計了適用于變電站數據通信的終端ZigBee模塊，該設計提高了變電站監測系統的安全性和可靠性，對于實現變電站監測系統無人化及無線化，保障人民安全和財產安全具有重要意義，具有較好的應用前景。

【關鍵詞】 ZigBee 無線網絡 監測系統

1 ZigBee技術簡介

隨著無線技術的高速發展，特別是無線傳感器網絡技術的發展給變電站復雜的線路布線提供了很好的解決辦法。變電站電氣設備監測的無線化已經成為變電站設備監測發展趨勢[1]。本文提出的監測系統就是基于ZigBee無線傳感器網絡技術，通過無線網絡將各設備監測點的溫度、電流、電壓、頻率等參數信息發送到監控中心， 既可以實現變電站內各電氣設備監測節點的輸出傳輸，又可以實現高壓和低壓的隔離，并且成本也不是很高。Zigbee是一種高可靠的無線數傳網絡，它依據IEEES02.15.4.IEEES02.15.4是IEEE無線個人區域網（PAN，Persona Area Network）工組的一項標準，ZigBee聯盟提供了上層協議棧，包括網絡層、安全層和應用層，其結構如圖1所示。

ZigBee協議定義了3種拓撲結構：星型結構、樹形結構、網狀結構，如圖2所示，在網絡中依照處理能力大小分為精簡功能設備，ZigBee協調器，ZigBee路由器和ZigBee終端設備。

2 ZigBee技術應用于變電站監測系統的可行性

2.1 通信可靠性

采用碰撞避免機制，避免了發送數據時的競爭和沖突，網絡具有自組織性和自愈能力.采用AES-128加密法，保證數據不會被“盜聽”或“誤判”，因此通信可靠”。

2.2 實時性

ZigBee從休眠狀態喚醒的時延很短。從休眠狀態喚醒的時延為15ms，進行搜索的時延為30ms，活動裝置接入網絡時延為15ms。通過不工作時休眠，需要工作前快速喚醒的方式降低了模塊的能耗，可應用于對時延要求較高的無線組網數據的傳輸。

2.3 抗干擾性

采用2.4GHz的無線收發器，利用直接序列擴頻技術，通過正交相移鍵控調制方法來實現.這樣不僅隱蔽性好，抗干擾性強，而且工作頻段靈活，可以調高通信速率。

2.4 網絡容量大

ZigBee在進行多節點組網時，可以采用星狀、網狀等結構進行組網，ZigBee最大組網能夠達到65000個，在整個ZigBee網絡范圍內，單個ZigBee模塊之間可以互相通信。

由上分析知，ZigBee通信技術符合變電站監測系統對通信技術的要求，具有可行性。

3 系統設計

整個系統由若干無線傳感器網絡終端節點、路由器節點和網絡協調器、無線數傳終端、監控機和報警裝置組成.終端節點部署在變電站要檢測的設備處，路由器負責將數據路由轉發至網絡協調器.網絡協調器得到匯總數據，對數據進行壓縮并通過無線數傳終端發送至智能電子裝置（IED，Intelligent Electronic Device）。IED通過以太網傳至監控主機，監控主機實時接收采集到的各種數據，保存至后臺數據庫，前臺監控系統實時檢測采集到的數據。

3.1 網絡協調器

網絡協調器是全功能設備（FFD），包含所有的網絡消息，存儲容量最大，計算能力最強[3]。系統采用Chipcon公司的CC2430芯片作為無線收發模塊。CC2430芯片延用了CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器，使用1個8位具有增強型MCU（8051）微控制器，具有32/64/128kb可編程閃存和8kb的RAM，還包含模擬數字轉換器、AES一128安全協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/0，特別適合以ZigBee為基礎的2.4GHZ波段對低成本、低功耗的應用要求。

3.2 終端節點和路由器節點

ZigBee終端節點結構和功能最簡單，主要由RFD承擔，由以下4部分組成：（1）數據采集模塊，由傳感器和A/D轉換器組成，負責采集數據和模數轉換；（2）數據處理模塊（優化的8051）和存儲器組成，負責節點的處理計算和控制、數據采集及存儲；（3）無線射頻通信模塊，由CC2430組成，負責無線通信數據的發送和接收。

4 ZigBee在變電站中的應用

4.1 變電站的分層結構

目前，變電站綜合自動化系統結構主要分為集中式和分層分布式兩種。由于集中式結構要耗費大量二次電纜，容易產生數據傳輸瓶頸，且具有可擴展性、維護性差等缺點，主要用于小型變電站。變電站綜合自動化系統通常采用分層分布式結構，即將變電站自動化系統內部信息分為3層，即變電站層、間隔層和過程層[3]，如圖3所示。

最上層為變電站層.通過雙極高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷實時刷新和登錄數據庫，接收、傳送調度或控制中心的有關數據，命令并轉向間隔層、過程層執行；對全站操作閉鎖，實現站內當地具有對間隔層、過程層設備在線參數修改、變電站故障分析和操作培訓的功能。

中間層為間隔層、間隔層匯聚本過程層的實時信息，具有一次設備保護控制、本間隔層的操作閉鎖、實施同期操作、防誤閉鎖、數據采集統計運算及控制命令發出優先級別控制的功能.最底層是過程層，是一次設備與二次設備的結合面，包含各種現場電氣設備，具有電氣量檢測、設備狀態參數在線監測與統計、操作控制執行等功能。

4.2 應用分析

ZigBee技術主要應用在間隔層和過程層之間。變電站層和間隔層之間通過以太網把數據送往調度主站，并接收下發的控制命令。在間隔層，各種線路、元件設備，測控、保護單元都是一個智能電子裝置IED，每個IED都有自己的CPU、輸入輸出設備、通訊口外界端子等，具有保護、測控、故障信息管理等功能ZigBee模塊通過RS-232或RS-485接口附屬在間隔層IED上作為中心協調器節點，用來接收和發送數據，供IED對其做出分析和判斷，并向下層發送參數設置和跳閘指令。IED既可以采集過程層的參數和狀態信息，對其進行處理并向變電站層發送相關的報告記錄、故障啟動動作、變位、模擬信號量、錄波數據等報文，又可以接收上層發出的各種控制塊的參數設置、開斷開關或斷路器的控制指令、查詢記錄、對時等操作請求，并把它們發給過程層，還能向同一個間隔單元或者不同間隔單元的IED發出互鎖、報警故障等信號，進行分布式功能的服務調用。在過程層，ZigBee傳感器終端節點附屬在電氣設備上，采集現場數據信號，并將數據通過ZigBee終端DAC數模轉換器進行處理，通過ZigBee無線技術將信號發送至間隔層IED；同時該節點還可以接收來自間隔層的控制信息，距離中心節點遠的終端節點，通過ZigBee路由節點轉發。ZigBee模塊可以附帶溫濕度、光、電壓、電流等傳感器，用來傳輸變電站內設備的運行情況和電力參數情況。

5 結語

本文闡述了ZigBee技術及其特點，及其在變電站監測系統中的應用設計。該設計滿足了變電站監控系統通信的要求，實現了無線化，克服了變電站內綜合布線復雜的缺點，節省了成本，提高了系統的實時性、安全性和靈活性，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]覃金庫.新形勢下變電站綜合自動化系統應用優勢[J].廣西電業，2009（8）：89-92.

[2]楊明，趙楠.對變電站綜合自動化的認識[J].考試周刊，2011（47）：161-162.

[3]田國政.變電站自動化系統的通信網絡及傳輸規約選擇[J].電網技術，2003，27（9）：66-68.endprint

【摘 要】 現有的變電站通信多是采用有線網絡進行信號的采集、傳輸和發送，且變電站設備繁多，信號復雜，存在綜合布線難、成本高、維護困難等弊端。針對現有變電站在線檢測方式的不足，提出了在變電站監測系統中應用ZigBee技術，論證了ZigBee技術在變電站自動化通信中應用的可行性，設計了適用于變電站數據通信的終端ZigBee模塊，該設計提高了變電站監測系統的安全性和可靠性，對于實現變電站監測系統無人化及無線化，保障人民安全和財產安全具有重要意義，具有較好的應用前景。

【關鍵詞】 ZigBee 無線網絡 監測系統

1 ZigBee技術簡介

隨著無線技術的高速發展，特別是無線傳感器網絡技術的發展給變電站復雜的線路布線提供了很好的解決辦法。變電站電氣設備監測的無線化已經成為變電站設備監測發展趨勢[1]。本文提出的監測系統就是基于ZigBee無線傳感器網絡技術，通過無線網絡將各設備監測點的溫度、電流、電壓、頻率等參數信息發送到監控中心， 既可以實現變電站內各電氣設備監測節點的輸出傳輸，又可以實現高壓和低壓的隔離，并且成本也不是很高。Zigbee是一種高可靠的無線數傳網絡，它依據IEEES02.15.4.IEEES02.15.4是IEEE無線個人區域網（PAN，Persona Area Network）工組的一項標準，ZigBee聯盟提供了上層協議棧，包括網絡層、安全層和應用層，其結構如圖1所示。

ZigBee協議定義了3種拓撲結構：星型結構、樹形結構、網狀結構，如圖2所示，在網絡中依照處理能力大小分為精簡功能設備，ZigBee協調器，ZigBee路由器和ZigBee終端設備。

2 ZigBee技術應用于變電站監測系統的可行性

2.1 通信可靠性

采用碰撞避免機制，避免了發送數據時的競爭和沖突，網絡具有自組織性和自愈能力.采用AES-128加密法，保證數據不會被“盜聽”或“誤判”，因此通信可靠”。

2.2 實時性

ZigBee從休眠狀態喚醒的時延很短。從休眠狀態喚醒的時延為15ms，進行搜索的時延為30ms，活動裝置接入網絡時延為15ms。通過不工作時休眠，需要工作前快速喚醒的方式降低了模塊的能耗，可應用于對時延要求較高的無線組網數據的傳輸。

2.3 抗干擾性

采用2.4GHz的無線收發器，利用直接序列擴頻技術，通過正交相移鍵控調制方法來實現.這樣不僅隱蔽性好，抗干擾性強，而且工作頻段靈活，可以調高通信速率。

2.4 網絡容量大

ZigBee在進行多節點組網時，可以采用星狀、網狀等結構進行組網，ZigBee最大組網能夠達到65000個，在整個ZigBee網絡范圍內，單個ZigBee模塊之間可以互相通信。

由上分析知，ZigBee通信技術符合變電站監測系統對通信技術的要求，具有可行性。

3 系統設計

整個系統由若干無線傳感器網絡終端節點、路由器節點和網絡協調器、無線數傳終端、監控機和報警裝置組成.終端節點部署在變電站要檢測的設備處，路由器負責將數據路由轉發至網絡協調器.網絡協調器得到匯總數據，對數據進行壓縮并通過無線數傳終端發送至智能電子裝置（IED，Intelligent Electronic Device）。IED通過以太網傳至監控主機，監控主機實時接收采集到的各種數據，保存至后臺數據庫，前臺監控系統實時檢測采集到的數據。

3.1 網絡協調器

網絡協調器是全功能設備（FFD），包含所有的網絡消息，存儲容量最大，計算能力最強[3]。系統采用Chipcon公司的CC2430芯片作為無線收發模塊。CC2430芯片延用了CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器，使用1個8位具有增強型MCU（8051）微控制器，具有32/64/128kb可編程閃存和8kb的RAM，還包含模擬數字轉換器、AES一128安全協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/0，特別適合以ZigBee為基礎的2.4GHZ波段對低成本、低功耗的應用要求。

3.2 終端節點和路由器節點

ZigBee終端節點結構和功能最簡單，主要由RFD承擔，由以下4部分組成：（1）數據采集模塊，由傳感器和A/D轉換器組成，負責采集數據和模數轉換；（2）數據處理模塊（優化的8051）和存儲器組成，負責節點的處理計算和控制、數據采集及存儲；（3）無線射頻通信模塊，由CC2430組成，負責無線通信數據的發送和接收。

4 ZigBee在變電站中的應用

4.1 變電站的分層結構

目前，變電站綜合自動化系統結構主要分為集中式和分層分布式兩種。由于集中式結構要耗費大量二次電纜，容易產生數據傳輸瓶頸，且具有可擴展性、維護性差等缺點，主要用于小型變電站。變電站綜合自動化系統通常采用分層分布式結構，即將變電站自動化系統內部信息分為3層，即變電站層、間隔層和過程層[3]，如圖3所示。

最上層為變電站層.通過雙極高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷實時刷新和登錄數據庫，接收、傳送調度或控制中心的有關數據，命令并轉向間隔層、過程層執行；對全站操作閉鎖，實現站內當地具有對間隔層、過程層設備在線參數修改、變電站故障分析和操作培訓的功能。

中間層為間隔層、間隔層匯聚本過程層的實時信息，具有一次設備保護控制、本間隔層的操作閉鎖、實施同期操作、防誤閉鎖、數據采集統計運算及控制命令發出優先級別控制的功能.最底層是過程層，是一次設備與二次設備的結合面，包含各種現場電氣設備，具有電氣量檢測、設備狀態參數在線監測與統計、操作控制執行等功能。

4.2 應用分析

ZigBee技術主要應用在間隔層和過程層之間。變電站層和間隔層之間通過以太網把數據送往調度主站，并接收下發的控制命令。在間隔層，各種線路、元件設備，測控、保護單元都是一個智能電子裝置IED，每個IED都有自己的CPU、輸入輸出設備、通訊口外界端子等，具有保護、測控、故障信息管理等功能ZigBee模塊通過RS-232或RS-485接口附屬在間隔層IED上作為中心協調器節點，用來接收和發送數據，供IED對其做出分析和判斷，并向下層發送參數設置和跳閘指令。IED既可以采集過程層的參數和狀態信息，對其進行處理并向變電站層發送相關的報告記錄、故障啟動動作、變位、模擬信號量、錄波數據等報文，又可以接收上層發出的各種控制塊的參數設置、開斷開關或斷路器的控制指令、查詢記錄、對時等操作請求，并把它們發給過程層，還能向同一個間隔單元或者不同間隔單元的IED發出互鎖、報警故障等信號，進行分布式功能的服務調用。在過程層，ZigBee傳感器終端節點附屬在電氣設備上，采集現場數據信號，并將數據通過ZigBee終端DAC數模轉換器進行處理，通過ZigBee無線技術將信號發送至間隔層IED；同時該節點還可以接收來自間隔層的控制信息，距離中心節點遠的終端節點，通過ZigBee路由節點轉發。ZigBee模塊可以附帶溫濕度、光、電壓、電流等傳感器，用來傳輸變電站內設備的運行情況和電力參數情況。

5 結語

本文闡述了ZigBee技術及其特點，及其在變電站監測系統中的應用設計。該設計滿足了變電站監控系統通信的要求，實現了無線化，克服了變電站內綜合布線復雜的缺點，節省了成本，提高了系統的實時性、安全性和靈活性，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]覃金庫.新形勢下變電站綜合自動化系統應用優勢[J].廣西電業，2009（8）：89-92.

[2]楊明，趙楠.對變電站綜合自動化的認識[J].考試周刊，2011（47）：161-162.

[3]田國政.變電站自動化系統的通信網絡及傳輸規約選擇[J].電網技術，2003，27（9）：66-68.endprint