改進型ZigBee協(xié)議在避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究

徐林，黃勝，朱璠

（國網四川省電力公司資陽供電公司，四川資陽，641300）

改進型ZigBee協(xié)議在避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究

徐林，黃勝，朱璠

（國網四川省電力公司資陽供電公司，四川資陽，641300）

本文介紹了一種金屬氧化物避雷器（MOA）在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構，包括MOA檢測終端、電壓匯集采樣裝置和同步通信控制器。在此基礎上設計了基于ZigBee無線通信協(xié)議的避雷器監(jiān)測系統(tǒng)。采用星型網絡結構，以同步通信控制器為協(xié)調器，以MOA檢測終端、電壓匯集裝置為終端節(jié)點，詳細分析了協(xié)調器和節(jié)點的工作流程和組網方式。

MOA；ZigBee；星型網絡；在線檢測系統(tǒng)

0 引言

在電力系統(tǒng)中，過電壓不可避免，為了使電網中各種電器設備免受過電壓損壞，通常需要安裝無間隙金屬氧化物避雷器(MOA)，通過MOA的非線性伏安特性，泄放瞬態(tài)高壓。MOA性能好壞直接影響電網的安全運行，因此需要實時監(jiān)測其運行狀態(tài)，及早發(fā)現并處理潛在的安全隱患[1-4]。早期的MOA檢測需要依靠運維人員現場抄錄，人力成本高、時效性差，不容易發(fā)現潛在的安全隱患。近年來，MOA在線自動檢測設備層出不窮，相對早期的方式有了很大的改進，但大多采用有線的方式接入監(jiān)控中心，這將需要鋪設通信電纜，布線繁瑣、維護困難，系統(tǒng)的成本高、靈活性差。當前，隨著無線通信技術的發(fā)展，使用無線通信方式進行數據的采集和傳輸是比較理想的，無線傳輸也成了MOA在線監(jiān)測的主流發(fā)展方向[5,6]。

MOA主要應用在高壓變電站，變電站內通信距離較短，大多在一千米左右。ZigBee作為一種新興的無線網絡通信協(xié)議，廣泛用于各種中短距離通信場合，目前，也有很多研究者將其用于MOA監(jiān)測設備的通信中[7,8]。ZigBee無線網絡通信協(xié)議符合IEEE 802.15.4標準，它具有低功耗、射頻傳輸低成本、2.4 GHz免費頻段、短時延、高容量的特點；可實現一點對多點、兩點間對等通信；任意兩個傳感器之間可相互協(xié)調實現數據通信。其協(xié)議簡潔，對通信控制器要求較低，相鄰節(jié)點之間傳輸范圍可增加到1～3 km，非常適合用于變電站內通信[9,10]。

本文針對避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信，在充分分析ZigBee協(xié)議的基礎上，提出了一種適合于變電站內無線通信的改進型ZigBee協(xié)議，并對此開展了應用研究，研究結果表明，這種ZigBee通信協(xié)議有效地提高了避雷器在線檢測的可靠性、科學性和時效性。

1 硬件系統(tǒng)

變電型MOA在線監(jiān)測系統(tǒng)按功能分為四大模塊：MOA檢測終端、電壓匯集裝置、同步控制通信機、主控制臺。主控制臺的硬件部分包括服務器、顯示器及網絡交換機等；軟件部分負責將所有數據整理成表格的形式，包括實時數據、歷史數據，可與打印機聯(lián)機。軟件的組態(tài)系統(tǒng)包括當地地圖、主接線、設備工況、實時檢測數據、歷史數據曲線、越限分析、報警等，直觀地描述現場環(huán)境及MOA運行狀態(tài)。

1.1 MOA檢測終端

硬件系統(tǒng)第一部分為安裝于MOA根部的監(jiān)測終端，如圖1所示。圖中繞線電阻、整流橋、動作儲能電容、觸發(fā)電路、電流表、機械式計數器為傳統(tǒng)機電式避雷器電路單元。在不改變傳統(tǒng)避雷器電路結構的基礎上，本系統(tǒng)新增了能源儲能電容、能源管理模塊、低功耗CPU、LCD、ZigBee通信模塊。

1.2 電壓檢測

MOA阻性電流的計算不僅需要其全電流值，同時還需要與電流同相的電壓作參考，因此需對每相MOA對應的電壓進行同步采樣。本系統(tǒng)第二部分即為安裝于變電站繼保室的電壓匯集裝置，其原理框圖如圖2所示。各參考電壓通過隔離電壓傳感器傳送至低通濾波器，然后經過信號放大器處理后接入模數轉換器，CPU接收各路參考電壓對應的數字信號，處理后通過ZigBee無線通信模塊向外發(fā)送。該裝置采用站用電作為電源，可同時采集若干路參考電壓信號。

圖1 避雷器在線檢測終端原理圖

圖2 電壓匯集裝置原理圖

1.3 同步通信控制器

由于需要同步采集MOA漏電流和電壓，因此需要進行同步通信。系統(tǒng)第三部分是安裝于繼保室屋頂的同步控制通信機。如圖3所示，同步控制通信機由CPU控制器、存儲器EEPROM、GPS模塊和無線通信模塊組成。它的主要作用是每隔一段時間發(fā)出一條采樣通知信號，電壓匯集裝置和終端塔上的監(jiān)測終端收到此采樣通知信號后，便開始采集各路的電壓和電流信號，同步控制通信機在接收到電流和電壓信號后，計算出每只MOA的阻性電流值，通過以太網接口傳送至控制后臺。

圖3 通信同步控制機

2 改進型ZigBee網絡

2.1 網絡結構

根據變電站物理范圍，設計通信距離為1km。根據應用場景通信特點，系統(tǒng)采用星型結構組網，如圖4所示。ZigBee網絡的終端節(jié)點由MOA檢測終端1、2、……N和電壓匯集檢測裝置組成，同步通信控制器充當協(xié)調器節(jié)點，同一網絡中，所有終端節(jié)點都與協(xié)調器節(jié)點通信，終端節(jié)點之間的通信通過協(xié)調器的轉發(fā)來實現。網絡終端節(jié)點要么是數據傳輸的起點，要么是數據傳輸的終點，協(xié)調器同時可以將終端節(jié)點的數據通過以太網傳送至主控制臺。協(xié)調器在網絡建立之前先對網絡的屬性初始化并建立協(xié)調器的描述符表，然后等待終端設備入網。在工作模式下，網絡節(jié)點的傳輸數據量很小，因此信號的收/發(fā)時間極短；而在非工作模式時，網絡節(jié)點處于休眠模式。設備的搜索、休眠激活和信道接入時延都很短，實現了終端節(jié)點的低功耗要求。

圖4 ZigBee無線通信系統(tǒng)結構圖

2.2 組網過程

本MOA在線監(jiān)測系統(tǒng)的ZigBee網絡有且只有一個協(xié)調器，即同步通信控制器。網絡的建立是由協(xié)調器發(fā)起的，在ZigBee協(xié)議棧中，網絡的初始化是有序的，每一個節(jié)點都有唯一的MAC地址，這是通過預編程設定的。如圖 5中協(xié)調器控制流程所示，協(xié)調器上電后首先進行系統(tǒng)初始化設置，然后確定節(jié)點是否為協(xié)調器。協(xié)調器在創(chuàng)建網絡的信道后，先要初始化網絡的各種屬性，建立協(xié)調器的信息數據庫，分配網絡地址，初始化設備近鄰表，設定允許設備入網機制。上述過程結束后，協(xié)調器主動掃描，將信標請求命令以信標幀的形式在網絡中廣播，然后進入接收等待狀態(tài)。協(xié)調器收到數據后將進入接收中斷程序，接收到的信號先進行CRC校驗，然后進入協(xié)議棧。MAC層將對PHY層數據服務接收到的所有幀分類處理，收到帶有入網請求的信標幀代表找到了合適的信道。找到合適的信道后，協(xié)調器將其加入本網，并為網絡選定一個地址標識符，這個標識符在所有使用的信道中是唯一的，同時協(xié)調器更新本地存儲的近鄰表。

圖5 ZigBee無線通信控制流程圖

當ZigBee協(xié)調器確定之后，終端節(jié)點（MOA檢測終端和電壓匯集裝置）首先需要和協(xié)調器建立連接并加入網絡，如圖5中終端節(jié)點流程所示。終端節(jié)點在初始化完成后，首先會以廣播方式主動發(fā)送連接請求信號，掃描查找周圍網絡的協(xié)調器。如果沒有查找到信標，節(jié)點將在一定時間間隔后重新發(fā)起掃描并等待信標。如果在掃描期限內檢測到信標，則將獲取協(xié)調器的有關信息，同時向協(xié)調器發(fā)出連接請求。在選擇合適的網絡后，上層將請求MAC層對物理層和MAC層的相關屬性寫入本節(jié)點的信息數據庫。成功入網后，終端網絡節(jié)點即可向協(xié)調器發(fā)送并從協(xié)調器接收信息。網絡節(jié)點在空閑狀態(tài)時進入休眠狀態(tài)。

3 結論

針對變電站用避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用改進型ZigBee協(xié)議，在軟件上實現了ZigBee星形網絡的組建。該網絡實現了多個節(jié)點的自動入網、可靠通信，并且成功在多個110KV、220KV變電站內試用。本系統(tǒng)在硬件上兼容傳統(tǒng)機電式MOA終端，具有低功耗、安裝維護方便的特點，可推廣到其它需要升級改造的變電站內。

[1]段長君，閆軍，霍峰，等.500kV金屬氧化物避雷器的運行狀態(tài)帶電診斷[J].電力科學與技術學報，2014, 29(4)：106-108.

[2]李順堯，金屬氧化鋅避雷器測試方法對比與分析[J].高壓電器，2010, 46(3)：94-98.

[3]熊少義，鐘洪聲.ZigBee無線自組網的LED節(jié)能燈控制系統(tǒng)[J].新器件新技術, 2011, 7: 46-48.

[4]嚴崢暉.基于MSP430和CC2520無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子世界, 2012,117-118.

Research on the application of improved ZigBee protocol in the on line monitoring system of arrester

Xu Lin,Huang Sheng,Zhu Fan
(Sichuan power company, Ziyang power supply company,Ziyang Sichuan,641300)

MOA;ZigBee;star network;online detection system

徐林，男，漢族，高級工程師，研究生，研究方向電力系統(tǒng)自動化。

Abstrac:In this paper, the hardware structure of a metal oxide arrester (MOA) on-line monitoring system is introduced, which includes MOA detection terminal, voltage sampling device and synchronous communication controller. Based on this, a lightning arrester monitoring system based on ZigBee wireless communication protocol is designed. This paper uses the star network structure, the synchronous communication controller as the coordinator, the MOA detection terminal and the voltage collection device as the terminal node.