基于ZigBee的變電站設(shè)備災(zāi)害期水位監(jiān)測報警裝置

林天佑，葉旭燦，黃建波，章偉偉(．國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 33；．浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 3003)

基于ZigBee的變電站設(shè)備災(zāi)害期水位監(jiān)測報警裝置

林天佑1，葉旭燦1，黃建波1，章偉偉2
(1．國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 311232；2．浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

傳統(tǒng)水位監(jiān)測只關(guān)注變電所整體水位，實際上各配電裝置安裝位置地勢各不相同，且設(shè)備構(gòu)架、大小尺寸也不盡相同，因此在災(zāi)害期間受災(zāi)情況、采取的應(yīng)對措施也不同。關(guān)注具體設(shè)備間隔的進(jìn)水情況，設(shè)計了一個安裝于每個端子箱內(nèi)的水位監(jiān)測報警裝置。采用壓力硅傳感器采集水位信息，激光測距傳感器獲得報警水位高度，CC2530具有的8051微控制器采集和處理數(shù)據(jù)，選用TI/Chipcon公司的CC2530硬件解決方案和Z-Stack協(xié)議棧來實現(xiàn)一種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將水位信息發(fā)送給監(jiān)控中心。

無線傳感；ZigBee；變電所；水位監(jiān)測；激光測距

0 引 言

每年臺風(fēng)期間，多個地區(qū)的變電所均會遭受洪澇災(zāi)害。如果水位到達(dá)安裝位置最低的開關(guān)端子箱端子排處，則必須立即拉停相關(guān)線路間隔及該間隔的全部交、直流電源，否則將造成配電裝置失控、二次回路短路、所用交直流電流短路接地等嚴(yán)重后果，甚至導(dǎo)致全所失電。但由于水位較深，人身安全受威脅，運行人員無法實時到現(xiàn)場巡視，也就無法掌握設(shè)備受災(zāi)情況。即使運行人員到現(xiàn)場開箱檢查，也可能造成檢查時雨水進(jìn)箱，加重災(zāi)情。

因此調(diào)度在災(zāi)害期間無法實時掌握是否需要停電、何時停電，對電網(wǎng)運行存在巨大的安全隱患。

針對上述分析，基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計了一種適用于變電設(shè)備受災(zāi)期間的水位監(jiān)測報警裝置，在設(shè)備受災(zāi)時代替人工實時監(jiān)測設(shè)備進(jìn)水情況。當(dāng)水位逼近設(shè)備一、二次帶電部位安全距離時，能及時報警并提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而為調(diào)度運行的決策提供相關(guān)信息與預(yù)警，保證電網(wǎng)安全。

1 水位監(jiān)測報警系統(tǒng)總體設(shè)計

傳統(tǒng)水位監(jiān)測只關(guān)注變電所整體水位，實際上各配電裝置安裝位置地勢各不相同，且設(shè)備構(gòu)架、大小尺寸也不盡相同，因此在災(zāi)害期間受災(zāi)情況、采取的應(yīng)對措施也不同。關(guān)注具體設(shè)備間隔的進(jìn)水情況，準(zhǔn)備研制安裝于設(shè)備內(nèi)的水位監(jiān)測報警裝置，對每個受災(zāi)裝置提供獨立的警報與監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由于變電所單個間隔內(nèi)端子箱安裝位置最低，因此目標(biāo)為研制能夠通用于各類端子箱的水位監(jiān)測報警裝置。對于各種類型的端子箱，以及端子排不同的安裝高度，該裝置作簡單調(diào)整后均能適用。

為減少由此裝置增加的維護(hù)工作，本裝置設(shè)計自帶工作電源，且可移動安裝。當(dāng)公司發(fā)布災(zāi)害預(yù)警響應(yīng)時，才將本裝置安裝到間隔的端子箱內(nèi)，響應(yīng)結(jié)束后即可拆除。日常無需維護(hù)，安裝時不涉及運行設(shè)備。

裝置帶通訊模塊，在水位報警啟動后能實時將水位數(shù)據(jù)傳送至設(shè)立在主控室的通訊主機，讓運行人員對各設(shè)備受淹情況實時掌握，從而為調(diào)度決策提供有力支撐，將災(zāi)害對電網(wǎng)的影響降到最小。

系統(tǒng)總體拓?fù)淙鐖D1所示，水位監(jiān)測報警終端采集處理數(shù)據(jù)，當(dāng)水位達(dá)到一定位置的時候，報警電路啟動，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)方監(jiān)控中心發(fā)送實時水位信息。

圖1 系統(tǒng)總體拓?fù)?/p>

2 通信系統(tǒng)

水位監(jiān)測終端和遠(yuǎn)方監(jiān)控中心通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[1]。它適用于變電所內(nèi)的短距離通信，而傳輸水位信息所需要的實時性不是很高(1 min采集一次數(shù)據(jù)足夠)，并且ZigBee的低功耗使得可以采用電池實現(xiàn)供電。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種類型的節(jié)點：協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)、終端(EndDevice)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有自組織能力，由協(xié)調(diào)器自動管理網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，路由器和終端加入?yún)f(xié)調(diào)器組織的網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器為每個加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分配一個地址，并對整個網(wǎng)絡(luò)的地址進(jìn)行管理；網(wǎng)絡(luò)中的終端和路由器節(jié)點可通過路由器節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)路由，延長通信距離或通過鏈路迂回提高通信可靠性[2]。

ZigBee通信的有效距離一般考慮不大于1 km，對于應(yīng)用在變電所中，考慮到電磁干擾、遮擋、設(shè)備功耗以及通信可靠性等因素，其有效距離可按100 m考慮。因此，必須合理安排安裝該設(shè)備到變電所的端子箱內(nèi)。

選用TI/Chipcon公司的CC2530硬件解決方案和Z-Stack協(xié)議棧來實現(xiàn)所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。CC2530是一款完全支持ZigBee 2007協(xié)議的高性能SOC(片上系統(tǒng))芯片，整合了ZigBee射頻(RF)、收發(fā)器、增強型8051微控制器和存儲器，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的理想單芯片解決方案。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中樞，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，工作量大，為防止數(shù)據(jù)溢出，對存儲器進(jìn)行了擴展。LED指示燈用于指示設(shè)備工作狀態(tài)。串口組件用于與系統(tǒng)服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，如此，可在服務(wù)器的可視窗口中查看各設(shè)備的拓?fù)淝闆r、工作狀態(tài)及歷史記錄等，方便人機交互。

3 水位監(jiān)測終端設(shè)計

水位監(jiān)控終端主要由水位傳感器、激光測距傳感器、微控制器和ZigBee無線通信模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。液位傳感器選用投入式壓力硅傳感器[3，4]，輸出4～20 mA電流；選用TI/Chipcon公司的CC2530硬件解決方案和Z-Stack協(xié)議棧來實現(xiàn)所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而 CC2530具有優(yōu)良的性能和具有代碼預(yù)取功能的低功耗8051微控制器內(nèi)核可以用來采集和處理數(shù)據(jù)；測距采用激光測距傳感器。

圖3 監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)圖

水位傳感器采集水位高度a，激光測距傳感器測量端子箱內(nèi)排線到箱底的距離b作為報警水位，當(dāng)水位高度達(dá)到報警水位的時候向遠(yuǎn)方監(jiān)控中心發(fā)送報警信息。水位測量示意如圖4所示。

圖4 水位監(jiān)測示意圖

3.1 投入式壓力液位傳感器

投入式液位傳感器的原理[5](如圖5所示)：當(dāng)液位傳感器投入到被測液體中時，傳感器迎液面受到的壓力公式為

P=ρgh+P0

式中，P為傳感器迎液面所受壓力；ρ為被測液體密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籔0為液面上大氣壓；h為傳感器投入液體的深度。

同時，通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓P0與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的P0，使傳感器測得壓力為ρgh，顯然 ，通過測取壓力P，可以得到液位深度。

圖5 壓力式水位監(jiān)測原理

投入式壓力傳感器具有穩(wěn)定性好、固態(tài)結(jié)構(gòu)可靠性高、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟耐用等特點。考慮到變電所有較大的電磁干擾，這就要求壓力傳感器不僅要過壓能力強，而且要求機械密封可靠、防松動，傳感器自身的引線、引腳以及外導(dǎo)線都應(yīng)加以電磁屏蔽，并將屏蔽良好接地。

3.2 激光測距傳感器

考慮到變電所內(nèi)端子箱的大小不同以及箱內(nèi)排線到箱底的距離也不一定，無法統(tǒng)一設(shè)定報警水位。因此采用激光測距傳感器來獲得最低的排線到端子箱底的距離作為報警水位。

排線到箱底的距離一般只有幾十厘米，測量的距離比較短，要求的精度相對較高，故選擇高精度短距離測量[6]的激光測距傳感器。

利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是通過測量激光往返目標(biāo)所需時間來確定目標(biāo)距離。

3.3 微控制器

CC2530[7，8]是用于2.4 GHz IEEE 802.15.5/ZigBee/RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051CPUC，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM和許多其他強大的功能。CC2530有2個支持多種串行通信協(xié)議的強大USART，可以用來分別和水位傳感器和激光測距傳感器通信。而CC2530具有的8051微控制器內(nèi)核可以用來采集和處理數(shù)據(jù)。

3.4 電源

為減少由此裝置增加的維護(hù)工作，本裝置設(shè)計自帶工作電源，且可移動安裝。設(shè)計中的CC2530具有低功耗的特點，且本裝置只在災(zāi)害來臨時安裝于變電所端子箱內(nèi)，災(zāi)害過后即拆除，蓄電池的供電完全可以滿足工作需求。

3.5 軟件設(shè)計

激光測距傳感器將測量的報警水位傳輸給CC2530，水位傳感器將采集的水位信息傳輸給CC2530，通過CC2530處理數(shù)據(jù)，當(dāng)水位達(dá)到報警水位的時候，發(fā)送報警信息給監(jiān)控中心，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序程序框圖

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)的水位監(jiān)測只能監(jiān)測變電所整體的水位，而不能關(guān)注具體的設(shè)備進(jìn)水情況，所提出的水位監(jiān)測報警終端對安裝位置最低的端子箱進(jìn)行實時水位監(jiān)測。同時，在監(jiān)控終端增加一個激光測距模塊解決了不同端子箱中排線最低位置不同造成的報警水位不同的問題。采用ZigBee技術(shù)將水位信息實時傳輸?shù)竭h(yuǎn)方監(jiān)控中心，有效保護(hù)災(zāi)害期電網(wǎng)安全。

[1] 任秀麗. ZigBee無線通信協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)的研究[J]. 計算機工程與應(yīng)用, 2007, 43(6)：143-145.

[2] 丁國興, 高琴. ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的端子箱環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代建筑電氣, 2013, 4(9)：45-51.

[3] 安全, 范瑞琪. 常用水位傳感器的比較和選擇[J]. 水利信息化, 2014(3)：52-54,60.

[4] 劉亮, 鄧世建, 胡媛媛. 給排水系統(tǒng)中水位檢測技術(shù)的研究[J]. 工礦自動化, 2011, 37(12)：21-24.

[5] 張文昭, 洪添勝, 劉志壯，等. 一種壓力式液位儀的設(shè)計[J]. 微計算機信息, 2007, 23(10)：207-208,41.

[6] 常鳳筠, 崔旭東. 基于激光測距傳感器的鐵軌測距系統(tǒng)[J]. 應(yīng)用激光, 2005, 25(6)：374-376.

[7] 章偉聰, 俞新武, 李忠誠. 基于CC2530和ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點[J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用, 2011, 20(7)：184-187.

[8] 李俊斌, 胡永忠. 基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程, 2011, 19(16)：108-111.

林天佑(1984)，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化等；

葉旭燦(1986)，主要研究方向為電力系統(tǒng)檢修及運行等；

黃建波(1982)，主要研究方向為電力系統(tǒng)檢修及運行等；

章偉偉(1991)，碩士研究生，主要研究方向為微網(wǎng)通信等。

The traditional water level detection only focuses on the whole water level of substation. But actually, the installation position of distribution devices is quite different as well as their architectures and sizes. Focusing on the water circumstance of specific device, one kind of water level detecting and warning equipment which is installed on each terminal box is designed. Pressure silicon sensor is used to collect the information of water level and laser ranging sensor is used to obtain the height of alarm water level. The inner 8051 microcontroller of CC2530 is used to collect and process the data. And ZigBee wireless sensor is proposed to transmit the water level information to the monitoring center, which is based on CC2530 hardware solution and Z-Stack protocol stack of TI/Chipcon Company.

wireless sensor; ZigBee; substation; water level detection; laser ranging

TM763

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1003-6954(2015)02-0059-04

2014-11-14)