基于ZigBee的變電站智能巡更系統

任 敏

（山西大同大學 機電工程學院，山西 大同 037009）

1 研究背景及意義

隨著電力系統自動化程度的不斷完善和提高，在生產運行的過程中，人們對變電站的智能化也提出了越來越高的要求。傳統的以人為主的變電站巡查制度在巡查過程中經常會漏掉真空區或盲區，從而導致發生設備故障等[1]。

在傳統的巡更方式里，檢查記錄是通過紙質記錄的方式來實現的，然而設備在運行過程中缺陷檢驗周期較長，同時由于核查員知識水平不均衡，僅憑經驗判斷，沒有一個統一的標準，使得描述的報告內容不夠全面細致，導致出現各種各樣的問題。因此急需一種現代化和智能化的巡更系統來代替傳統的巡更方式，這樣既能提高工作效率也能大大減少工作人員的工作量。

2 ZigBee

ZigBee是近些年來發展十分迅速的一種無線通信技術，更多地適用于傳輸距離短和數據傳輸速度慢的設備。它主要是通過多個小型傳感器來構建無線通信網絡，利用相關的通信協議實現設備間的信息交換，以此來達到無線通信的目的。與傳統的有線通信相比，利用ZigBee技術可以大大節約電纜成本，有效降低系統的投入成本，實現多設備之間的無線通信，同時具有小型化和便攜式等優勢[2]。

作為一種無線通信技術，ZigBee的通信方式與另一種無線傳輸方式藍牙有很多相似之處。它們都能夠滿足小范圍內的無線傳輸需求。但是ZigBee在很多方面又比藍牙有著更加突出的優點，如價格更便宜、體積更小、傳輸的穩定性更好以及傳輸范圍相對更大等[3]。

在正常的工作模式下，ZigBee傳感器電源只需要兩節5號電池即可支持一個節點6～24個月以上運行。而在相同的工作環境下，藍牙大約能夠運行幾周，而WiFi則僅僅只能運行幾小時。這充分說明了ZigBee的功耗小，運行周期長[4]。相比于其他的無線傳輸設備，ZigBee因為沒有相應的專利費用，所以價格要低的多，一個芯片的價格大約是12元左右，投入的運行成本相對較小。另外由于ZigBee在20～250 kb/s的區間運轉，所以在正常的傳輸范圍內可以滿足對傳輸速率的需求。一般情況下的傳輸范圍為10～100 m，通過中繼節點后可以增加到1～3 km。同時ZigBee的讀寫速度相對較快，所以延時較短，通常以節電模式轉換為啟動狀態需15 ms，在網絡連接節電節點時僅用30 ms，更加節約電力。此外，對ZigBee的安全設置中，數據為防止非法存取和訪問控制列表，使用保安屬性及高級加密標準進行對稱加密，并提供了3種安全模式。

3 ZigBee的協議體系結構

根據ZigBee傳輸的方法和理論，其協議體系可分為3層，詳細的體系結構如圖1所示[4]。

圖1 ZigBee體系結構圖

在介紹ZigBee協議時，首先要明確概念，即ZigBee協議的架構由各層組成，每個層上分別有它們自己要執行的特定內容，也就是服務對象。每個服務對象是通過相應的點向上層提供接口，每個點又支持一些服務程序，從而完成必要的功能。服務原語是一個抽象的概念，它只指定所提供的服務，而不指定誰提供這些服務。原始的概念用于描述兩個相鄰層之間的服務，層間信息的傳達可以用原始語來表達[5]。

4 智能巡更手持設備原理及設計

利用ZigBee無線網絡技術，同時采用UHFRFID射頻識別器，共同組成智能化巡檢設備。它由巡檢手持儀表、計算機數據庫系統、RFID射頻標簽、無線通信網絡以及數據收發器等共同組成[6]。如圖2所示。

圖2 基于 ZigBee 的變電站智能巡更系統

系統中RFID射頻標簽采用了ISO1800-6C協議中的無源標簽，里面有射頻設備的名稱、使用手冊、工作編號、設備維修記錄單、設備保養記錄表以及保管方法等設備信息。其工作頻率為860～1 000 MHz，讀寫距離可達為1～9 m[7]。

智能化巡檢設備手持終端主要是利用RFID射頻電氣標簽將現場的設備運行參數和故障類型采集后再通過架構好的ZigBee無線通信網絡，將采集到的設備運行參數進行模數轉換后上傳到調度室的計算機中進行數據處理，方便運行值班人員根據設備運行參數調整運行方式并對故障進行緊急處理。智能化巡檢設備主要由調度室內的計算機、RFID射頻識別電子標簽、含ZigBee模塊的無線通信網絡、數據收發器以及A/D、D/A轉換器等組成。其工作原理是通過射頻識別器采集數據信息，然后將數據信息傳輸到CPU中，利用計算機對數據進行分析處理，最后將處理后的數據通過ZigBee無線傳輸網絡傳送到主機，同時接收主機的命令，完成相應的操作[8]。

智能巡更系統的上位機是利用LabVIEW設計的智能化綜合管理平臺，功能是將智能巡檢設備在就地采集到的設備運行參數和故障類型通過ZigBee無線通信網絡傳送至調度室的計算機中，通過計算機的數據處理功能，方便運行值班人員實現對就地設備的監控和操作。同時利用組態軟件可以對所有系統實現實時全覆蓋監控和操作，使系統運行更加平穩安全。

計算機系統中ZigBee協調器模塊及智能巡更手持終端構成了智能巡更系統硬件的重要部分。智能巡檢手持設備由RFID射頻讀寫器、ZigBee無線通信網絡、處理器、存儲器以及總線等組成。由ZigBee節點組成的無線通信網絡模塊主要由ZigBee終端節點和ZigBee協調器節點兩部分組成[9]。

5 RFID射頻讀寫電氣標簽的設計

RFID讀寫器電子標簽由RFID射頻收發器和STM32數字信號處理器共同構成。射頻讀寫收發器使用專用的處理器芯片AS3922，該處理器芯片由功率檢測器、鎖相環、功率放大器、低通濾波器、混頻器、增益濾波器以及相應的協議處理器芯片等共同組成，可實現由ISO1800-6C協議支持設備組成的發送和接收電路。同時，外部控制芯片能夠通過SPI實現對ZigBee無線通信網絡的調配和控制。該系統主要利用無線射頻收發器實現對設備數據的采集，將采集得到的數據信息通過發送電路送至上位機中，再由上位機系統進行處理和操作[10]。

6 ZigBee無線通信網絡的架構

由ZigBee節點組成的無線通信網絡的主要任務是為了保證將所采集到的設備運行參數準確無誤地傳送到計算機中，同時還能接收來自計算機系統的各項指令。該無線通信網絡主要由ZigBee終端節點和ZigBee協調收發器模塊兩部分組成。無線通信網絡中所采用的ZigBee芯片是CC2531，該芯片內部含有一個大功率收發器和一個增強型的數據信息處理模塊，同時還具有可編程的程序存儲器64KB數據的存儲模塊。智能化巡檢系統的系統軟件主要由ZigBee無線通信協議、ZigBee無線網絡收發程序及調度室內計算機組態軟件組成。

7 ZigBee無線傳輸模塊軟件設計

ZigBee網絡的Z-Stack協議棧被用作ZigBee無線傳輸模塊利用軟件設計無線通信系統時的手段，在應用層主要是進行程序的研發，利用現有的系統架構出基于ZigBee節點的無線通信網絡，并且利用架構好的無線通信網絡實現巡檢人員和調度室值班人員的信息交互。利用智能巡檢設備大大提高了巡檢的效率，為設備的安全穩定運行提供了可靠的保證。

首先初始化系統，其次將ZigBee終端節點信息全部初始化，最后各節點開始申請加入系統中并實現組網，組網成功后系統進入休眠模式等待運行。若有中斷產生，則STM32處理器負責對RFID射頻模塊讀取范圍內的設備數據信息信息再次刷新。

待系統通電后，對協議棧進行初始化，然后開始進行ZigBee節點組網。待組網成功后，如有其他終端節點申請加入網絡，則系統將產生相應的中斷請求，同時為新加入的終端節點分配相應的網絡地址。計算機通過ZigBee協調器向智能巡檢手持設備發送相應的指令，智能手持終端設備將設備運行參數采集好后，將采集到的所有數據信息通過ZigBee節點組成的無線通信網發送至調度室的計算機進行相應的數據處理。

8 結 論

基于ZigBee無線通信技術的智能化巡檢手持設設備的設計，利用上位機架構的組態軟件，能夠實現對就地設備運行的實時監控和全覆蓋操作，同時還能完成信息的儲存和管理。實驗結果表明，智能化巡檢手持設備能夠實現高精度和遠距離的信息采集與監控，在現代巡檢系統里有著非常值得推廣的價值，同時還需要不斷強化和完善現有系統的功能，爭取早日投入生產實踐中。