淺析短距離無線通信在變電站中的應用與發展趨勢

許繼昌南通信設備有限公司　馬躍軍華北電力大學　翟偉杰許繼昌南通信設備有限公司　翟文博許繼電氣股份有限公司　馮帥軍　王首萌

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淺析短距離無線通信在變電站中的應用與發展趨勢

許繼昌南通信設備有限公司馬躍軍
華北電力大學翟偉杰
許繼昌南通信設備有限公司翟文博
許繼電氣股份有限公司馮帥軍王首萌

為實現變電站的智能化建設，變電站現場需要部署大量的無線溫度傳感器、無線濕度傳感器、無線水侵傳感器和無線開關傳感器以及對應的短距離無線通信技術。本文介紹了短距離無線通信在變電站中的應用現狀，指出了現有應用中存在的問題與挑戰，并展望了未來的發展趨勢。

短距離；無線通信；變電站

1.引言

智能電網是電網的智能化，它建立在集成、高速、雙向的通信網絡基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統，實現電網可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的發展目標［1］。智能電網的發展要求采用高效適用的信息通信技術對電網各環節的物理信息進行廣泛采集，為電網廣域范圍的態勢感知提供信息。最近幾年，電網公司針對變電環節開展了包括變電設備狀態監測系統、智能變電站和新一代智能變電站等在內的智能化建設，這些工作均需要在現場部署大量的無線溫度傳感器、無線濕度傳感器、無線水侵傳感器和無線開關傳感器以及對應的短距離無線通信技術。本文圍繞短距離無線通信在變電站中的應用與發展趨勢展開論述。

2.短距離無線通信簡介

短距離無線通信泛指在較小的區域內提供無線通信的技術。短距離無線通信的通信距離較短，通常在幾米到兩百米范圍內，覆蓋范圍小。同時，短距離無線通信的發射功率較低，通常小于100mW，且通常不使用授權頻段（國家無線電管理委員會分配給某個通信系統的專用頻段），無需設置短距離無線通信系統運營管理機構，運營維護成本低，用戶可靈活地部署、拆除通信系統［2］。上述特性促進了短距離無線通信技術的發展，使其不僅廣泛應用在便攜式電子設備、計算機外設、各種家用電器、傳感器設備等的互聯中，實現了信息共享和多業務的無線傳輸，還廣泛應用在了高速無線接入中，成為互聯網的擴展，實現移動互聯。

圖1　短距離無線通信技術的發展歷程

短距離無線通信技術起源于二十世紀九十年代末，如在寬帶移動化背景下產生的無線局域網（WLAN）技術和超寬帶無線通信（UWB）技術、面向移動設備互聯應用的藍牙（Bluetooth）技術、面向傳感控制應用的紫蜂（Zigbee）技術。此外，隨著高清數字技術的發展，人們對家庭、辦公室場景中超高速（吉比特級數據速率）、短距離通信的需求日益增加，在此背景下，毫米波（60GHz）通信技術得到了越來越多的關注。與此同時，隨著移動互聯網及移動支付的發展，頻率為13.56MHz，通信距離不超過20cm的近距離無線通信技術（NFC）也得到了快速發展［3-5］。圖1給出了短距離無線通信技術的發展歷程。

3.短距離無線通信在變電站中的應用現狀

短距離無線通信技術發展的日新月異，也加速了其在智能電網“最后幾百米”接入中的應用。目前，短距離無線通信在變電站中的應用，主要集中在無線防誤系統、地線管理、在線監測、工區作業安全、智能巡檢、視頻監控以及智能變電站新應用等環節。

3.1無線防誤系統

無線防誤系統主要由無線電腦鑰匙、無線傳輸適配器、防誤主機、無線基站等一系列無線通信產品組成，防誤主機與電腦鑰匙實時連接，電腦鑰匙可在線獲取現場一次設備的狀態，為電腦鑰匙智能解鎖提供有力保證。操作人員在現場操作，當遇到斷路器或隔離開關就地操作時，此設備操作完畢后，電腦鑰匙主動通過現場的無線基站向主控室的防誤主機詢問此設備是否變位，如果此設備已變位，電腦鑰匙提示繼續下一步操作，否則，繼續等待，直到此設備變位。此功能的增加，有效地解決了“空程序”的問題。操作人員在現場操作，當遇到電動設備要在主控室監控后臺上操作時，電腦鑰匙可通過現場的無線基站與主控室的防誤主機交換信息，向防誤主機上報要操作的設備名稱，由防誤主機對監控系統解除閉鎖，然后在監控系統上對此設備遠方遙控操作，這樣就減少了操作人員在傳統防誤操作過程中可能需多次往返于主控室與現場的煩瑣過程，同時也確保了操作能夠嚴格按照預定順序進行。

3.2地線管理

臨時接地線（簡稱地線）是電力操作過程中用來保護人身安全、防止因意外來電而造成事故的一種常用的安全工器具。目前大多數用戶都使用地線柜存放臨時接地線，但都只具備地線存放的功能，而沒有地線管理功能，當然，也有一部分產品可簡單提示地線是否存放在柜內，但卻無法閉鎖地線和對其使用狀態進行實時跟蹤，與微機防誤閉鎖裝置的實時配合使用更是無從談起。短距離無線技術應用于智能地線管理可以實現地線狀態實時跟蹤，以及和微機防誤系統相結合對接地線強制閉鎖和授權解鎖，為接地線的操作帶來安全保障。

3.3在線監測

短距離無線技術在變電站在線監測方面也具有廣泛的應用，比如利用無線網絡結合無線溫度傳感器，可以實時監測母線接點、高壓電纜接頭、高壓開關觸點等處的溫度，可有效防止因相關觸點或接頭溫度過高而導致高壓輸、變電故障的發生。另外，除溫度外，電力設備的絕緣、壓力、振動等各種設備狀態都可以通過相應的無線傳感器和無線網絡傳送到后臺軟件進行實時監視、分析和處理，為實現狀態檢修提供有效的狀態及預警信息。

3.4工區作業安全

變電工區是典型的高危工作區域，如果管理不到位，稍不注意就可能發生事故。變電站安全作業導航就是主動對靠近危險作業區域、誤入非作業區域的工作人員進行及時警示、提示的實時監測系統，系統主要由感應終端、傳輸終端、移動終端、控制臺、中心服務器等硬件部分以及相關管理軟件組成。傳輸終端類似于手機的基站，沿著巡檢路線部署于目標區域及其附近危險點的監測區域。傳輸終端、感應終端以及控制臺能夠自動組網，形成自組織的網絡系統，采集信息并接收其覆蓋范圍內的信號。感應終端可以定時向傳輸終端發送信號，信號包括工作人員移動中不斷變化的區域范圍。當傳輸終端構成的網絡系統采集到數據或接收到這些信號，即通過無線方式自動上傳到控制臺以及中心服務器。通過一定的定位算法或跟蹤收到信號的感應終端的位置，即可跟蹤工作人員的當前位置，并將環境信息和人員位置信息通過前臺展示給管理人員。當工作人員誤入不合法區域或發生其他不允許的情況時，系統將自動向監控后臺報警，管理部門可以選擇對其發出警報或采取其它應急處理措施。

3.5智能巡檢

變電站智能巡檢系統整合機器人、模式識別、導航定位等技術，顯著提高了變電站巡檢工作的安全性和效率。變電站智能巡檢機器人會用到短距離無線通信技術獲取現場設備信息，并回傳給控制臺提供人工分析，是短距離無線通信在變電站中的重要應用。

3.6視頻監控

與輸電環節一樣，在變電站部分場合要求采用視頻監控的手段，利用攝像機獲取現場的視頻再傳送到主站，視頻監控要求遠程遙控和連續數據，并且要求較高的清晰度，因此要求通信具備寬帶、低時延和連續數據流的傳輸能力，要求數據速率達到1-3Mbps。此外，在一些變電工區巡檢的應用中，會有部分到達現場的移動終端（巡檢終端、移動計算機、監測儀器）和臨時安裝的視頻監測點加入監測網絡，這部分通信要求比較隨機，可能是單向接受數據或者主動召喚數據，也可能要求與主站通信。

3.7智能變電站新應用

隨著智能變電站建設工作的不斷展開，提出在變電站建設智能輔助控制系統，包括圖像監視安全警衛子系統、環境監測子系統、火災報警子系統等，這些應用系統的建設為短距離無線通信技術提出了新的應用場景。此外，在目前電網公司新一代智能變電站的建設過程中，開始探討各種無線通信技術尤其是短距離無線通信技術在在變電站應用的安全性和可行性問題，以及用于繼電保護的冗余通信通道。總體上看，新一代智能變電站要求部署更多的傳感器，對短距離無線通信提出了更多應用需求。智能變電站應用通信技術時，更多強調基于IEC61850標準的信息模型和通信協議，對通信傳輸速率提出了額外的要求。

4.存在的問題與挑戰

4.1短距離無線通信規模應用導致的電磁兼容問題尚未解決

電力二次設備是對電力系統內一次設備進行測量、控制、保護、調節的輔助設備，包括測量表計，如電壓表、電流表、功率表、電能表，用于測量電路中的電氣參數；絕緣監察裝置；繼電保護及自動裝置，如繼電器、自動裝置等，用于監視一次系統的運行狀況，迅速反應異常和事故，然后作用于斷路器，進行保護控制等。它們的運行電壓常見的有DC220/110V、DC48V、AC380/ 220V，相對一次設備的500kV、220kV、110kV的電壓，相差3-4個數量級，其內部微處理器的工作電壓更低，一般為幾伏，極易受電磁信號干擾，產生功能故障，對變電站的正常運行帶來極大的危害。過去電力系統從運行安全角度出發，考慮到無線通信設備對二次設備具有潛在的干擾，禁止在變電站使用無線通信設備，客觀上阻礙了短距離無線技術的應用推廣，也造成了現有變電站對短距離無線技術大規模應用帶來潛在干擾的估計不足。隨著變電站智能化建設的開展，妥善解決短距離無線通信規模應用導致的電磁兼容問題需求十分迫切。

4.2變電站復雜電磁環境下短距離無線技術尚無整體解決方案

變電站電磁環境復雜，在正常運行和故障的條件下，變電站中電氣裝置主要的騷擾源有：雷電和靜電放電、電網中的開關和隔離刀閘操作、電網中的接地和短路故障、運行的一次設備、二次回路、局部放電、通信設備等。電磁干擾不僅強度大，例如雷電電磁騷擾可以達到幾十千伏，而且頻率范圍寬，從工頻、低頻到高頻振蕩，此外，還有傳導、感應、輻射等耦合途徑，可能造成無線網絡的短暫中斷。另外，短距離無線通信應用的功耗問題、電源獲取問題均需要具體情況具體分析才能提高其應用的可靠性。目前，變電站復雜電磁環境下短距離無線技術尚無整體解決方案。最近幾年，工業無線技術在工廠過程層、工廠自動化、工廠資產管理等方面具有大量的研究成果，可為變電站復雜電磁環境下短距離無線通信技術的研究和應用提供參考。

5.發展趨勢

5.1建立電磁兼容性能良好的短距離無線通信平臺

變電站作為電網的核心環節，設備集中，運行復雜，短距離無線技術具有較好的應用前景。總的來說，短距離無線通信技術在變電站的應用已經越來越廣泛了，下一步，預期將在變電站內建立具有良好電磁兼容性能的短距離無線通信平臺，實現對變電站內各種復雜電磁干擾的兼容，并且自身的工作不會對變電站內的電力一、二次設備造成干擾，此外還應支持各種應用，具備低功耗、安全可靠等性能。該平臺的建立，無疑將為變電站的信息采集帶來極大便利，可有效地彌補有線通信的局限性，實現變電站設備信息、環境信息的全面監測和管理。

5.2應用通用化、標準化的短距離工業無線技術

IEEE 802.11和IEEE 802.15.4標準在短距離無線通信方面應用較廣。IEEE 802.11標準是國際電子與電氣工程師學會（IEEE）為無線局域網絡制定的標準，規定了2.4GHz和5.8GHz兩個工作頻段，其中2.4GHz的ISM頻段為世界上絕大多數國家所采用，5.8GHz的ISM 頻段在一些國家和地區的使用情況比較復雜。IEEE 802.15.4是ZigBee、WirelessHART等規范的基礎，描述了低速率無線個人局域網的物理層和媒體接入控制協議，屬于IEEE 802.15工作組。在2.4GHz的ISM頻段上，數據傳輸速率最高可達250kbps，其低功耗、低成本的優點使它在很多領域獲得了廣泛的應用。目前的短距離工業無線技術標準主要在這兩套標準基礎上再定義網絡層和應用層規范。變電站應用短距離工業無線技術時，采用這兩個標準有利于實現系統的互聯互通、降低技術實現成本、方便系統后期的維護和升級，是短距離無線技術在變電站中應用的發展方向。

6.結束語

智能電網作為新一代的電網是未來發展的必然趨勢，而變電站是電網變電、接受和分配電能、控制電力流向和調整電壓的重要電力生產場所，其智能化建設首當其沖。短距離無線通信技術以其獨有的特點，必將在未來變電站的智能化建設中發揮重要作用，具有迫切的應用需求和良好的應用前景。

［1］陳樹勇，宋書芳，李蘭欣等.智能電網技術綜述［J］.電網技術，2009，33（8）:1-7.

［2］蔡型，張思全.短距離無線通信技術綜述［J］.現代電子技術，2004，27（3）:65-65.

［3］張方奎，張春業.短距離無線通信技術及其融合發展研究［J］.電測與儀表，2007，44（10）:48-52.

［4］王英洲，方旭明.短距離無線通信主要技術與應用［J］.數據通信，2004，53-56.

［5］徐林.短距離無線通信技術的研究與實現［D］.南京理工大學，2003.

國家電網公司科技項目“電力復雜電磁環境下高可靠短距離無線通信關鍵技術研究”資助。