大中型電廠應(yīng)用ZigBee技術(shù)的必要性和可行性研究

隨著科技的發(fā)展，電廠運(yùn)行維護(hù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出更高要求。目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)信息量和測(cè)試點(diǎn)安裝問題已經(jīng)出現(xiàn)不能滿足電廠安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行要求的勢(shì)頭。當(dāng)前，電廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本上是在有線的基礎(chǔ)實(shí)施監(jiān)測(cè)的功能。有線方式受布線、供電電源、安裝場(chǎng)所和維修等的限制，如旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)部分的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、高電壓和大電流設(shè)備的狀態(tài)(溫度、絕緣)監(jiān)測(cè)等采用有線方式是無法完成的，更不可能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性和完整性，也將限制對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估、判斷和決策。

現(xiàn)代監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，傳感器網(wǎng)絡(luò)是有線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，他是用大量的具有多功能多信息信號(hào)獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網(wǎng)絡(luò)，與傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)是專門針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的，利用ZigBee技術(shù)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是電廠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 ZigBee技術(shù)

(1)概論

ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，工作在2.4 GHz和868／915 MHz的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，他是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，是一種雙向傳輸(two-way)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，主要用于中短距離無線系統(tǒng)連接，提供傳感器或二次儀表無線雙功網(wǎng)絡(luò)接入，能夠滿足對(duì)各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制命令和信息的需求使現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、無線化。ZigBee技術(shù)采用一般IEEE 802.15.4收發(fā)器技術(shù)與嵌入ZigBee技術(shù)協(xié)議棧的組合；他依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器設(shè)計(jì)成只需要很少的能量的裝置，并以接力的方式將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器無線傳到另一個(gè)傳感器，依次傳遞，以構(gòu)成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)的主要特征如表1所示。

(2)ZigBee技術(shù)與其他無線通信技術(shù)的比較

無線通信技術(shù)的特性比較如表2所示。

3 ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電廠的可行性論證

電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先為電廠監(jiān)控系統(tǒng)提供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種參數(shù)、數(shù)據(jù)、圖表、曲線、開關(guān)量和模擬量等信息，根據(jù)這些信息分析設(shè)備狀態(tài)、執(zhí)行開環(huán)、閉環(huán)控制與調(diào)節(jié)，對(duì)設(shè)備故障和事故進(jìn)行報(bào)警和相應(yīng)處理，保證設(shè)備最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)；為設(shè)備狀態(tài)檢修提供分析長(zhǎng)期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便形成狀態(tài)檢修決策；為遙測(cè)、搖訊、遙控、搖調(diào)等提供遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)等。

ZigBee技術(shù)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身具有以下特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性：實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；低功耗：采用鈕扣電池可運(yùn)行2年以上；先進(jìn)性：技術(shù)、器件、軟件先進(jìn)，為系統(tǒng)的可靠性、先進(jìn)性奠定了基礎(chǔ)；準(zhǔn)確性：溫度測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃；靈活性：用戶可根據(jù)自己的需求，靈活、方便地設(shè)置參數(shù)；系統(tǒng)性：可與電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等融為功能更加強(qiáng)大的綜合系統(tǒng)，可與局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、系統(tǒng)方便連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，便捷管理；真實(shí)性：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄、分析，為運(yùn)行、管理、檢修、調(diào)度等部門提供真實(shí)數(shù)據(jù)；安全性：ZigBee技術(shù)系統(tǒng)不論是產(chǎn)品、還是工程及其維護(hù)，都具有安全性。ZigBee技術(shù)提供數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法，使數(shù)據(jù)安全得到保障；效益性：電力系統(tǒng)故障多以溫度升高而引起，有了這一套系統(tǒng)，可以節(jié)約購(gòu)置其他測(cè)溫儀器等設(shè)備支出(如紅外成像儀、點(diǎn)式測(cè)穩(wěn)儀等)；可以節(jié)省巡檢人員，提高數(shù)據(jù)獲取的工作效率；達(dá)到有的放矢地開展設(shè)備維修的目的，將減少設(shè)備維護(hù)工作量；減少事故，提高供電可靠性；實(shí)踐性：ZigBee技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車電器中的測(cè)量高速轉(zhuǎn)動(dòng)的輪胎氣壓和溫度，ZigBee技術(shù)無線測(cè)溫系統(tǒng)用于大港油剛的110 kV的變電站。

3.1 ZigBee技術(shù)通信可靠性保證

ZigBee技術(shù)通信可靠性保證：通信可靠機(jī)制；網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)；在低信噪比的環(huán)境下ZigBee技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾性能；在低信噪比的環(huán)境下ZigBee技術(shù)的性能超群(藍(lán)牙、FSK和WiFi B)。

3.2 ZigBee技術(shù)安全性論證：

3.2.1 ZigBee技術(shù)射頻信號(hào)對(duì)電氣一次設(shè)備的影響

ZigBee技術(shù)射頻信號(hào)，即高頻諧波影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行和電能質(zhì)量的性質(zhì)，因此，高頻諧波必須在允許的范圍內(nèi)?，F(xiàn)行數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的頻率范圍：9～3.53 GHz，而ZigBee技術(shù)的頻段868／915 MHz和2.4 GHz，即ZigBee技術(shù)射頻信號(hào)在移動(dòng)通信網(wǎng)的頻率范圍內(nèi)，也就是說，無淪是否有ZigBee技術(shù)設(shè)備在場(chǎng)，其ZigBee技術(shù)的射頻已經(jīng)侵入電廠設(shè)備，而產(chǎn)生諧波。因此有必要測(cè)試電廠運(yùn)行設(shè)備的諧波分量，即設(shè)備的高頻諧波電流、電壓分量，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，只需設(shè)計(jì)測(cè)試數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的射頻信號(hào)對(duì)電氣設(shè)備的影響就可以。

理論上，電廠設(shè)備均處在現(xiàn)行數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)包圍中，發(fā)電機(jī)的出口升壓變壓器高壓側(cè)分500 kV和220 kV兩個(gè)等級(jí)，測(cè)試主接線和測(cè)試點(diǎn)如圖1所示。

圖1中測(cè)點(diǎn)：A為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、電流；B為升壓變壓器高壓側(cè)電壓；C為輸電線電壓、電流。

發(fā)電機(jī)變壓器組的測(cè)試：測(cè)試儀器：DZF-Ⅱ電能質(zhì)量?jī)x2臺(tái)、PP1電力仕1臺(tái)(美國(guó)產(chǎn))；測(cè)試時(shí)間：2006年4月10日，4月21日；測(cè)試工況：發(fā)電機(jī)帶變壓器額定電壓空載(未并網(wǎng))；發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后多種負(fù)荷。

數(shù)據(jù)歸納原則：三相中取諧波含量最嚴(yán)重的一相為代表值；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為2～50次諧波，為突出重點(diǎn)下列有些數(shù)據(jù)表中僅列出諧波含量較大的幾次。

機(jī)端諧波(測(cè)試點(diǎn)A)(見表3)：

從測(cè)試數(shù)據(jù)(見表1)來看各測(cè)試工況諧波數(shù)據(jù)特性差不多，為全面、直觀起見，我們畫出額定負(fù)荷時(shí)的諧波含量(2～50次)柱狀圖(見圖2)，圖2中：橫坐標(biāo)為諧波次數(shù)，縱坐標(biāo)為諧波含有率(％)。

從上面數(shù)據(jù)表可以得出以下幾點(diǎn)：況機(jī)端線電壓諧波總畸變率均<5％，無超標(biāo)情況；電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷后，與空載相比，諧波電壓總畸變率有所減小，主要表現(xiàn)在高次諧波含量有所減小；負(fù)荷情況下機(jī)端諧波電壓總畸變率和各次諧波含有率變化不大并主要諧波成份為5次、3次；空載情況下機(jī)端主要諧波成份為5次、3次，14號(hào)機(jī)機(jī)端諧波電流見表4。

從表4數(shù)據(jù)可以得出：機(jī)端主要諧波電流為5次、3次，5次在90 A左右，3次在50 A左右，并5次、3次諧波電流隨負(fù)荷的增大變化不大。

升壓變壓器高壓側(cè)(500 kV)諧波(測(cè)試點(diǎn)B)(見表5)。

從測(cè)試數(shù)據(jù)來看各測(cè)試工況諧波數(shù)據(jù)特性差不多，為全面、直觀起見，這里畫出額定負(fù)荷時(shí)的諧波含量(2～50次)柱狀圖(見圖3)。圖3中：橫坐標(biāo)為諧波次數(shù)，縱坐標(biāo)為諧波含有率(％)。

從表5數(shù)據(jù)中可以得出：各測(cè)試工況下升壓變壓器500 kV側(cè)諧波電壓總畸變率在2.3～2.5左右，主要諧波成份均為5次、3次。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前后該點(diǎn)諧波變化不大。

升壓變壓器高壓側(cè)(220 kV)諧波(測(cè)試點(diǎn)B)(見表6)：

從上表數(shù)據(jù)中可以得出鼎各測(cè)試工況下升壓變壓器220 kV側(cè)諧波電壓總畸變率和各次諧波電壓含有率均未超標(biāo)，主要諧波成份為3次，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前后諧波變化不大。

從以上測(cè)試結(jié)果(見表3～6)看，13次以上的諧波成分很少，且隨著次數(shù)的增加諧波含量趨向于零，表明：被移動(dòng)通信信號(hào)包圍的發(fā)電機(jī)變壓器組，在各測(cè)試工況下發(fā)電機(jī)變壓器組諧波電壓和諧波電流均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，諧波電壓總畸變率也未超標(biāo)，同時(shí)測(cè)試過程中發(fā)電機(jī)變壓器組運(yùn)行正常。也就是說移動(dòng)通信信號(hào)，即ZigBee技術(shù)射頻信號(hào)沒有引起電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化，沒有威脅發(fā)電機(jī)變壓器組安全運(yùn)行。證明ZigBee技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)變壓器組的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是可行的。

輸電線(220 kV)諧波(測(cè)試點(diǎn)C)：220 kV GIS站葛鋁I回線電壓、電流諧波檢測(cè)結(jié)果；測(cè)量時(shí)間：2007年1月15日；測(cè)量工具：中元華電ZH-2故障錄波裝置；CT變比：1000／1 PT變比：220 kV／100 V；

在表7中：

(1)14次以上的諧波成分已經(jīng)趨向零；葛鋁I回線負(fù)荷電流測(cè)量1次值為600 A，3次諧波電流最大一次值為3 A；葛鋁I回線電壓測(cè)量一次值為220 kV，5次諧波相電壓最大一次值為677 V；經(jīng)比較表5，6，7可知：開關(guān)站500 kV和220 kV系統(tǒng)電壓、電流諧波與葛鋁I回線在同一水平。由上面數(shù)據(jù)分析出：ZigBee技術(shù)射頻信號(hào)沒有對(duì)輸電線路產(chǎn)生影響，說明ZigBee技術(shù)應(yīng)用在電廠輸電系統(tǒng)中也是可行的。

測(cè)試數(shù)據(jù)分析：

發(fā)電機(jī)空載額定電壓時(shí)線電壓諧波總畸變率為2.01％<5％，發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷后機(jī)端線電壓諧波總畸變率有所下降(見數(shù)據(jù)表3)，各負(fù)荷下機(jī)端線電壓諧波總畸變率變化不大，主要諧波成份為5次、3次。機(jī)端諧波電流以5次、3次為主(見數(shù)據(jù)表4)，各測(cè)試工況變化不大；

(2)該發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前后及并網(wǎng)后各負(fù)荷下，升壓變壓器高壓側(cè)諧波電壓總畸變率變化不大(見數(shù)據(jù)表5、表6)，最大值為2.57％，主要諧波成份為5次、3次；

(3)輸電線的主要諧波成份為5次、3次、14次以上的諧波電流、電壓趨向零。開關(guān)站500 kV和220 kV系統(tǒng)電壓、電流諧波與葛鋁I回線在同一水平(見數(shù)據(jù)表5～7)。

綜上所述：移動(dòng)通信信號(hào)，即ZigBee技術(shù)射頻信號(hào)侵入電廠一次設(shè)備中不會(huì)惡化電能質(zhì)量。ZigBee技術(shù)射頻在設(shè)備中含量很低。ZigBee技術(shù)的射頻信號(hào)最大輸出功率：≤1 mW，如果單個(gè)網(wǎng)240個(gè)傳感器，其最大發(fā)射功率：≤240×1 mW，對(duì)十幾萬千瓦或幾十萬千瓦的大中型發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子的溫升幾乎沒有影響，而且240個(gè)點(diǎn)的射頻信號(hào)并非同時(shí)刻工作，采樣時(shí)間可以優(yōu)化設(shè)置，另外，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子輪轂(輪轂本身具有屏蔽作用)，采用屏蔽技術(shù)對(duì)射頻距離和方向可以根據(jù)需要調(diào)整設(shè)置，保證盡量減少射頻信號(hào)侵入電機(jī)。上述試驗(yàn)表明電機(jī)內(nèi)部的諧波主要成分是1次、2次、3次和5次諧波，且電機(jī)帶負(fù)荷后機(jī)端線電壓諧波總畸變率有所下降。這些成分沒有也不會(huì)與ZigBee技術(shù)的射頻信號(hào)重疊。

總之，ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量，也不會(huì)引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)備的溫升越限，對(duì)電廠一次設(shè)備和電力系統(tǒng)運(yùn)行是安全的。

3.1.2 對(duì)電廠二次設(shè)備的影響分析

ZigBee技術(shù)的頻率范圍為868 MHz，915 MHz和2.4～2.483 5 GHz的3種高頻信號(hào)，而一般電機(jī)微機(jī)保護(hù)采集的是基波量、2次諧波量和3次諧波量。而且不論電流互感器，還是電壓互感器其本身就是電感元件，電感具有對(duì)高頻信號(hào)抑制的性質(zhì)，另外微機(jī)保護(hù)輸入還采用了光電隔離技術(shù)，加上一次設(shè)備中還裝有開關(guān)電容器(見圖1)等都對(duì)高頻諧波有濾波和導(dǎo)通作用。因此，ZigBee技術(shù)的射頻信號(hào)對(duì)保護(hù)沒有影響，不會(huì)引起保護(hù)的誤動(dòng)。對(duì)保護(hù)裝置運(yùn)行而言是安全的。

3.2 論證結(jié)果

在ZigBee技術(shù)通信可靠性保證的基礎(chǔ)上，ZigBee技術(shù)無論應(yīng)用在電廠一次設(shè)備，還是二次設(shè)備中都是安全可行的，同時(shí)也不會(huì)影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行和電能質(zhì)量。

4 ZigBee技術(shù)可應(yīng)用對(duì)象(application object)及數(shù)據(jù)特性研究

4.1 通常符合以下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)

(1)設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很?。?/p>

(2)設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；

(3)沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池；

(4)頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難；

(5)需要支持大型網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)的數(shù)量級(jí)，需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅用于監(jiān)測(cè)或控制；

(6)對(duì)通信服務(wù)質(zhì)量QoS要求不高(甚至無QoS)；

(7)需要可選擇的安全等級(jí)(采用AES-128)：加密、發(fā)送鑒別、報(bào)文的完整性；

(8)需要多方面的較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用；

(9)要求高的網(wǎng)絡(luò)自組織、自恢復(fù)能力。

4.2 電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)ZigBee技術(shù)符合以上條件之一的對(duì)象

(1)電機(jī)內(nèi)部繞組溫升、絕緣在線監(jiān)測(cè)，如轉(zhuǎn)子、定子、變壓器溫升和絕緣，特別是電機(jī)端部、匯流排等的接頭的溫升、絕緣監(jiān)測(cè)；

(2)開關(guān)觸頭、母線接頭、導(dǎo)線接頭、電纜接頭狀態(tài)和溫升在線監(jiān)測(cè)；

(3)電廠發(fā)、配、輸電設(shè)備的絕緣和過電壓保護(hù)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)；

(4)油庫(kù)、電纜廊道等溫度在線監(jiān)測(cè)與報(bào)警，即火災(zāi)報(bào)警；

(5)各類大量的開關(guān)位置，二次設(shè)備連片(壓板)狀態(tài)等開關(guān)量的在線監(jiān)測(cè)；

(6)電廠水流域水文氣象監(jiān)測(cè)；

(7)大壩安全監(jiān)測(cè)；

(8)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

4.3 在ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分為3類

(1)周期性模擬量數(shù)據(jù)的傳輸：電廠油、水、風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，各類電氣量(電流、電壓、電量有功和無功等)數(shù)據(jù)，機(jī)電各類設(shè)備的溫度、絕緣等數(shù)據(jù)，水文氣象數(shù)據(jù)，等；

(2)間斷性開關(guān)量數(shù)據(jù)的傳輸：大量各類開關(guān)量(接點(diǎn)、開關(guān)、壓板／連片和伐門狀態(tài)等)數(shù)據(jù)，電氣設(shè)備的動(dòng)作記數(shù)和運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)等；

(3)還有反復(fù)性的低反應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的參人將是不完善的。ZigBee技術(shù)是專門針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的，ZigBee技術(shù)通信具有可靠性保證，利用ZigBee技術(shù)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是十分必要的。ZigBee技術(shù)射頻信號(hào)會(huì)侵入電廠設(shè)備產(chǎn)生高頻諧波，諧波超標(biāo)會(huì)影響電廠的安全運(yùn)行。本文給出了諧波測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果，并把測(cè)試結(jié)果和ZigBee設(shè)備的技術(shù)特性相結(jié)合進(jìn)行分析和總結(jié)，并進(jìn)一步給出ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)和符合的技術(shù)條件、ZigBee技術(shù)適用對(duì)象和檢測(cè)的數(shù)據(jù)的特性，證明ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電廠是安全的、可行的和經(jīng)濟(jì)的。總之，ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)是必要的、是可行的。