ZigBee組網(wǎng)技術(shù)在電力SCADA中有怎樣的應(yīng)用

相對于電力微波通信網(wǎng)、電力DDN數(shù)字數(shù)據(jù)和公網(wǎng)等遠程通訊技術(shù)相比，電網(wǎng)數(shù)字化需要“就地”獲取信息，并快速作出反應(yīng)，同時需要和遠程通訊技術(shù)配合。ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)針對電力系統(tǒng)監(jiān)測、控制的需求，在通信容量、通信時延、通信可靠性、能量損耗上正是這樣一項滿足電力SCADA需求的技術(shù)。ZigBee技術(shù)首先被應(yīng)用在數(shù)字化變電站和電網(wǎng)監(jiān)控上。本文僅就配網(wǎng)和變電站數(shù)字化為例介紹ZigBee組網(wǎng)技術(shù)在電力SCADA中的應(yīng)用，電網(wǎng)監(jiān)控請參見筆者其他論文。

ZigBee技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用得益于近年來配網(wǎng)和變電站本身技術(shù)的發(fā)展提供的有利條件：

■ 數(shù)據(jù)采集數(shù)字化：光電互感器的應(yīng)用改變了監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

■ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散化：從集中控制、功能分散逐步向戶外型、分散型網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

■ 系統(tǒng)建模標準化：IEC 61850確立了電力系統(tǒng)的建模標準。

■ 系統(tǒng)分層分布化：通信技術(shù)分層獨立，為采用新興通信技術(shù)提供方便。

IEC 61850明確地將變電站系統(tǒng)分成3層：變電站層、間隔層和過程層。介于變電站層與過程層之間的間隔層智能電子設(shè)備（IED），圍繞保護、測量、計量、參數(shù)設(shè)置等功能與上下層設(shè)備交換信息，向上主動傳送報告記錄、故障啟動/動作、變位、模擬信號量、錄波數(shù)據(jù)等報文，接收上層發(fā)出的各種控制塊的參數(shù)設(shè)置（例如日志控制、報告控制、GOOSE、GSSE等設(shè)置）、開斷開關(guān)或斷路器的控制指令、查詢記錄（或召喚）、對時等操作請求;向同一個間隔單元或者不同間隔單元的IED發(fā)出互鎖、報警、故障等信號，進行分布式功能的服務(wù)調(diào)用;向下接收過程層合并單元傳來的周期性實時模擬信號，將主站控制操作斷路器的命令下傳給智能斷路器控制器，能對合并單元的采樣值控制塊設(shè)置采樣值周期、傳輸方式等參數(shù)，以改變傳輸質(zhì)量（見圖1）。

1：間隔層IED功能模型

2：微機閉鎖示意圖

數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備（IED）應(yīng)用ZigBee技術(shù)是電力SCADA發(fā)展趨勢之一，其中五防閉鎖裝置是電力安全生產(chǎn)的重要設(shè)備（IED）。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，技術(shù)的不斷更新，防誤裝置得到不斷改進和完善。防誤裝置的設(shè)計原則是：凡有可能引起誤操作的高壓電氣設(shè)備，均應(yīng)裝設(shè)防誤裝置和相應(yīng)的防誤電氣閉鎖回路。

電網(wǎng)中的五防是指：

■ 防止誤分、合斷路器。

■ 防止帶負荷分、合隔離開關(guān)。

■ 防止帶電掛（合）接地線（接地開關(guān)）

■ 防止帶接地線（接地開關(guān)）合斷路器（隔離開關(guān)）

■ 防止誤入帶電間隔。

80年代中期，計算機技術(shù)進入了防誤閉鎖領(lǐng)域，其裝置統(tǒng)稱為“微機閉鎖裝置”，二十年來，經(jīng)過了幾代技術(shù)的發(fā)展變遷，已成為既成熟又實用的一個技術(shù)分支。就微機五防產(chǎn)品而言，雖然各廠家的產(chǎn)品各有其特色，但基本原理和采用的技術(shù)手段大致相同，裝置主要由PC機、智能模擬屏、工控機、電腦鑰匙和各種鎖具組成。 通過在PC機或智能模擬屏上模擬預(yù)演，由系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先存儲的邏輯規(guī)則和狀態(tài)對每步預(yù)演進行判斷，并通過串行接口通訊將操作步驟輸入電腦鑰匙中，然后用電腦鑰匙打開裝于現(xiàn)場相應(yīng)設(shè)備上的編碼鎖，然后進行倒閘操作。

微機閉鎖經(jīng)過十幾年來不斷的完善和發(fā)展，已開始在電力系統(tǒng)大面積推廣應(yīng)用，其綜合指標相比其它防誤閉鎖裝置具有不可比擬的優(yōu)越性。特別是閉鎖全面、操作方便、維護簡單、性能可靠、造價相對較低受到電力系統(tǒng)的肯定。但是：實際上其自身還有很多不足，比如：

■ 離線操作模式的安全隱患問題;

■ 系統(tǒng)造價偏高，使微機防誤閉鎖無法向廣度發(fā)展的問題;

所謂“離線” 操作模式，是指在操作過程中電腦鑰匙與主控系統(tǒng)之間沒有通訊聯(lián)系，此種模式下電腦鑰匙只能順序執(zhí)行預(yù)存的操作票。由于離線模式而導(dǎo)致微機防誤裝置失去防護效果，發(fā)生誤操作事故的例子很多，比如某電廠對一條熱備用線路轉(zhuǎn)停電檢修操作時，在運行人員前往現(xiàn)場操作的過程中由于二次的原因斷路器重合，而運行人員未能及時接到通知，仍然用電腦鑰匙按預(yù)存的操作票打開線路側(cè)刀閘的防誤鎖具，然后拉開刀閘，造成一起帶負荷拉刀閘事故。某變電站執(zhí)行某線路停電檢修操作時，運行人員持電腦鑰匙接通電氣鎖回路并斷開斷路器，然后用電腦鑰匙打開線路側(cè)刀閘的防誤鎖具，拉開刀閘，卻造成一起帶負荷拉刀閘事故，事后分析原因是由于斷路器的觸頭沒有完全脫開造成的。此外，在綜自站遇到代路、導(dǎo)母等操作時，運行人員遇到監(jiān)控操作則必須返回主控室才能確認操作步驟，導(dǎo)致操作人員多次往返奔波于主控室和現(xiàn)場之間，增加了人員的負擔(dān)，也降低了操作效率。以上種種問題，在“離線”模式的微機防誤閉鎖裝置中是無法解決的。

采用ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了微機防誤閉鎖系統(tǒng)的電腦鑰匙與主控設(shè)備之間的無線信息同步，同時運用網(wǎng)絡(luò)中心拓撲技術(shù)，成功解決強電磁干擾環(huán)境中無線信息發(fā)送及接收的穩(wěn)定性和成功率等關(guān)鍵問題，并成功降低了發(fā)射功率，確保產(chǎn)品在變電站干擾敏感區(qū)的安全使用。

特色和創(chuàng)新之處在于：

■ 在不大幅提高產(chǎn)品造價的前提下，徹底解決了現(xiàn)有微機防誤閉鎖裝置中普遍存在的離線操作存在安全隱患的問題;

■ 填補了“多組同一任務(wù)并行操作”的空白，使系統(tǒng)具有了真正意義上的并行操作功能。

■ 無線電腦鑰匙在變電站無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何區(qū)域都可以輕松完成自學(xué)、接票、操作和回傳等，無需像以往的五防模式運行人員來回跑上跑下進行操作。

■ 實時在線，實時防誤：五防主機顯示的一次設(shè)備狀態(tài)是實時的，和現(xiàn)場設(shè)備的實際狀態(tài)保持一致。在操作的過程中，五防主機始終進行實時邏輯判斷，判斷在操作過程中的任何時刻操作是否還滿足五防邏輯，起到了真正實時有效的防誤目的。

綜述

基于可靠ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的電力SCADA的應(yīng)用具有如下特點：

■ 擁有無線組網(wǎng)的核心技術(shù)專利;

■ 符合國際和國內(nèi)標準;

■ 批量使用后，比現(xiàn)有系統(tǒng)更高的性價比;

■ 安裝維護極其方便，可以和現(xiàn)有系統(tǒng)無縫對接。

在電力SCADA從微機控制向綜合智能化控制發(fā)展過程中，主要表現(xiàn)為電氣設(shè)備的小型化、機電一體化，以及控制與保護的整體化，將控制、保護系統(tǒng)與一次設(shè)備就近安裝在一起，向著智能型裝置發(fā)展。高度綜合化和智能化的應(yīng)用將日益加快，優(yōu)點顯而易見，如緊湊的設(shè)計降低了空間要求;標準化、模塊化的技術(shù)使保護、控制易于實現(xiàn)最優(yōu)協(xié)調(diào);功能自由的設(shè)置使之更具靈活性;優(yōu)化測點可以降低成本和盡可能消除數(shù)據(jù)的不一致性;增強了的抗干擾能力，提高了SCADA（數(shù)據(jù)采集和控制）的準確性。把低成本、低功耗的無線ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電力SCADA，不但滿足了數(shù)字化電網(wǎng)就地獲取信息、快速作出反應(yīng)、和遠程通訊技術(shù)配合的要求，同時還提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。