電力系統(tǒng)電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)研究

周麗筠　楊洋

摘 要：電力設(shè)備監(jiān)測技術(shù)，在全面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的時(shí)代背景下，由過去的有線監(jiān)測方式逐漸轉(zhuǎn)變成如今的無線監(jiān)測。在電力設(shè)備有線監(jiān)測中，線路鋪設(shè)復(fù)雜，多重施工困難，不易面面俱到，安裝和檢修成本較高，如此多種低效率、高消耗的監(jiān)測技術(shù)，在輻射范圍更廣，區(qū)域面積更大，供電質(zhì)量需求越來越高的現(xiàn)代社會(huì)中，文章主要講述的是電力設(shè)備在線監(jiān)測，即實(shí)時(shí)無線監(jiān)測以及無線傳輸相關(guān)技術(shù)的介紹。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；在線監(jiān)測；無線傳輸；Zigbee通信

中圖分類號(hào)：TM507 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）16-0139-02

Abstract： Power equipment monitoring technology， in the context of the overall modernization of the times， from the past cable monitoring mode gradually changed into today's wireless monitoring. In the wired monitoring of electric power equipment， the wiring laying is complex， the construction of many layers is difficult， and it is not easy to cover all aspects. The cost of installation and maintenance is high. So many kinds of low efficiency and high consumption monitoring techniques are more extensive in radiation range and larger in area in the modern society where the demand of power supply quality is more and more high. This chapter mainly describes the on-line monitoring of power equipment， that is， real-time wireless monitoring and the introduction of wireless transmission related technology.

Keywords： power system； online monitoring； wireless transmission； Zigbee communication

1 無線傳輸技術(shù)的介紹

1.1 無線傳輸

無線傳輸主要是通過波長在可見光之上的光波，或者電磁波來進(jìn)行的非物理接觸性通信。波長由小到大分別為：紅外光，微波和無線電。而下面的是根據(jù)傳播媒介分類的幾種無線傳輸方式：紅外線，藍(lán)牙，Wi-Fi，GSM，GPRS，CDMA等。

1.2 紅外技術(shù)

1993年，由二十多個(gè)大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA），統(tǒng)一了紅外通訊的標(biāo)準(zhǔn)，這就是目前被廣泛使用的IrDA紅外數(shù)據(jù)通訊協(xié)議及規(guī)范。紅外技術(shù)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的工作模式，傳輸信號(hào)時(shí)，要求設(shè)備之間必須是無障礙的直線信道。紅外技術(shù)通信距離最長為3m，接收角度為30°。IrDA1.0可支持最高115.2kbps的通信速率，而IrDA1.1可以支持的通信速率達(dá)到4Mbps。該技術(shù)工作原理簡單、功耗小、成本低，主要用于電腦、手機(jī)、打印機(jī)等多種可移動(dòng)的電子設(shè)備。

1.3 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)是一種支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的短距離無線通信技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)工作在2.4GHz的ISM（Industry Science Medical）頻段上，速度可以達(dá)到1Mbps。藍(lán)牙通信距離比較短，一般只在10m以內(nèi)。藍(lán)牙技術(shù)是一項(xiàng)即時(shí)技術(shù)，它不要求固定的基礎(chǔ)設(shè)施，易于安裝和設(shè)置。藍(lán)牙技術(shù)主要支持短距離的語音業(yè)務(wù)和高數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)，如移動(dòng)電話、PDA聯(lián)網(wǎng)、無線耳機(jī)等。

1.4 Wi-Fi技術(shù)

Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線高保真）與藍(lán)牙一樣，都是短距離的無線通信技術(shù)，它也是工作在2.4GHz的ISM頻段上。Wi-Fi技術(shù)的速度比較高，最高能達(dá)到11Mbps，而且電波的覆蓋范圍也比藍(lán)牙要大，可達(dá)50m左右。Wi-Fi技術(shù)適合移動(dòng)辦公用戶的應(yīng)用，具有廣闊市場前景。

2 Zigbee無線通信介紹

電力設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)自出現(xiàn)以來，就受到電力行業(yè)的廣泛關(guān)注，為使其可以達(dá)到高效低耗少人工的基本條件，在不斷地做著努力與創(chuàng)新。過去設(shè)想的有線布控的方式，在供電范圍越來越廣，供電密集度越來越高，供電質(zhì)量要求不斷提升的今天，逐漸被無線監(jiān)測的方式所取代。后者的添加設(shè)備工序簡單，耗材相對(duì)低廉，精度更高，實(shí)時(shí)性能更好，檢修和更換更加方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為時(shí)下電力設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種手段。而本文中所闡述的電力設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)是采用Zigbee這種無線通信方式建立起來的。

3 移動(dòng)通信與Zigbee

3.1 三種無線通信手段的比較

無線通信覆蓋整個(gè)路口是實(shí)現(xiàn)智能交叉口的重要基礎(chǔ)，藍(lán)牙、Zigbee和Wi-Fi是現(xiàn)在應(yīng)用較廣的三種短距離無線通信技術(shù)。藍(lán)牙是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟在 IEEE802.15.1上制定的標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee是Zigbee聯(lián)盟在IEEE802.15.4上制定的標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi是Wi-Fi技術(shù)聯(lián)盟在IEEE802.11上制定的標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)和Zigbee標(biāo)準(zhǔn)屬于無線個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（WPAN），Wi-Fi屬于無線局域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（WLAN）。

藍(lán)牙的優(yōu)點(diǎn)在于成本低、功耗低、傳播速率高、抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)在于傳播距離短、網(wǎng)絡(luò)容量小，所以它一般用于高速且節(jié)點(diǎn)較少的無線個(gè)人局域網(wǎng)中；Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)容量大、傳播速率最高、傳播距離遠(yuǎn)，缺點(diǎn)在于成本高、抗干擾能力一般、功耗較大；Zigbee的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低、成本低、帶控制功能，缺點(diǎn)在于傳輸速度較慢。考慮到智能交叉口處的無線通信手段的傳輸距離至少覆蓋整個(gè)路口，抗干擾能力要強(qiáng)，成本低，綜合以上因素，選取Zigbee技術(shù)作為智能交叉口的無線通信手段是較為合適的。

3.2 Zigbee技術(shù)

IEEE802.15.4 工作組最先提出類似于蜂群使用的通信方式：蜜蜂（bee）通過“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來分享發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，這項(xiàng)技術(shù)后來被稱為Zigbee。IEEE802.15.4工作組制定的協(xié)議僅定義了它的底層技術(shù)，即物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制層（MAC）的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用，2002年8月成立的非盈利組織Zigbee Alliance擴(kuò)展了IEEE802.15.4協(xié)議，對(duì)Zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

Zigbee是一種基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的新興的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，定義了一種短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線網(wǎng)絡(luò)通信所需的通信協(xié)議。Zigbee具有以下特點(diǎn)：（1）低功耗，終端節(jié)點(diǎn)工作所需的電流很小，兩節(jié)5號(hào)電池就可以供終端節(jié)點(diǎn)使用6個(gè)月到2年左右；（2）低成本，Zigbee的通信協(xié)議的復(fù)雜度較低，對(duì)控制器要求不高，每片Zigbee芯片的價(jià)格大約在15～30元，除此之外，Zigbee的協(xié)議對(duì)外開放，不收專利費(fèi)；（3）低速率，Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸速率在20～250kbps之間，屬于低速率范圍，不能傳送視頻、聲音等文件，但能夠滿足一般的控制系統(tǒng)的需求；（4）近距離，從屬性上來講，Zigbee屬于短距離的無線通信方式，但從功能上，在傳輸范圍高達(dá)10～100m的環(huán)境中，傳輸要求同樣也能被滿足，隨著發(fā)射功率的加強(qiáng)，Zigbee的傳輸距離可以達(dá)到1～3km距離的級(jí)別；（5）短時(shí)延，即Zigbee的快速響應(yīng)時(shí)間，一般情況下由休眠狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)只需15ms左右；（6）高容量，滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量能達(dá)到254個(gè)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能組成一個(gè)覆蓋65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)；（7）高安全，Zigbee的安全模式由三級(jí)構(gòu)成，由低到高依次是：第一級(jí)，無安全設(shè)定級(jí)別，第二級(jí)，使用訪問控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)，第三級(jí)，采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES 128）的對(duì)稱密碼級(jí)別；（8）免執(zhí)照頻段，目前可以使用的頻段有：全球醫(yī)療（ISM）頻段，美國全境通用的915MHz頻段，歐洲通用的868MHz頻段和全球通用的2. 4GHz頻段。

3.3 Zigbee節(jié)點(diǎn)類型及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，很據(jù)通信能力的不同，裝置可分為全功能（FFD）裝置、精簡功能（RFD）裝置兩種，F(xiàn)FD可以和FFD及RFD相互通信，在網(wǎng)絡(luò)中一般擁有網(wǎng)絡(luò)控制及管理功能；RFD只能和FFD通信，不能跟RFD通信，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中一般用作通信終端。根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)的角色的不同，又可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（End Device）。

每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器（Coordinator），相當(dāng)于有線網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器需要在寫程序時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)參數(shù)的配置，當(dāng)其上電后，先搜索附近的網(wǎng)絡(luò)，若沒有搜索到，就選擇合適的信道建立網(wǎng)絡(luò)并且用16位網(wǎng)絡(luò)地址標(biāo)識(shí)，網(wǎng)絡(luò)建立后允許其他設(shè)備加入；路由器（Router）只在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在，作為網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)，路由器的作用是進(jìn)行路由選擇并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)，允許更多節(jié)點(diǎn)加入；終端設(shè)備（End Device）和實(shí)際監(jiān)控對(duì)象相連，只與其父節(jié)點(diǎn)主動(dòng)通信，上電后先加入或者重新加入網(wǎng)絡(luò)，正常狀態(tài)時(shí)，只發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，信息的傳輸由其父節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器或路由器實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語

電力設(shè)備在線監(jiān)測就是利用傳感、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，通過對(duì)運(yùn)行中高壓設(shè)備的信號(hào)采集和傳輸、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的帶電測試或不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷。如何進(jìn)行有效的通信，保證電力系統(tǒng)各種保護(hù)及控制方式順利實(shí)現(xiàn)，一直以來是比較難以解決的課題。

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