大中型電廠應用ZigBee技術的必要性和可行性研究

1 引 言

　　隨著科技的發(fā)展，電廠運行維護對設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提出更高要求。目前的監(jiān)測系統(tǒng)的檢測信息量和測試點安裝問題已經出現(xiàn)不能滿足電廠安全、可靠、經濟的運行要求的勢頭。當前，電廠狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)基本上是在有線的基礎實施監(jiān)測的功能。有線方式受布線、供電電源、安裝場所和維修等的限制，如旋轉機械的轉動部分的狀態(tài)監(jiān)測、高電壓和大電流設備的狀態(tài)(溫度、絕緣)監(jiān)測等采用有線方式是無法完成的，更不可能保證數(shù)據的實時性、可靠性和完整性，也將限制對設備運行狀態(tài)的評估、判斷和決策。

　　現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器網絡組成，傳感器網絡是有線傳感器網絡和無線傳感器網絡的集合。無線傳感器網絡是基于IEEE 802.15.4技術標準和ZigBee網絡協(xié)議而設計的無線數(shù)據傳輸網絡，他是用大量的具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網絡，與傳感器網絡控制器連接，構成無線傳感器網絡。ZigBee技術是專門針對無線傳感器網絡而開發(fā)的，利用ZigBee技術組成無線傳感器網絡是電廠監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

2 ZigBee技術

　　(1)概論

　　ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據速率、低成本，工作在2.4 GHz和868／915 MHz的無線網絡技術，他是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案，是一種雙向傳輸(two-way)的無線通信標準，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絡接入，能夠滿足對各種傳感器的數(shù)據輸出和輸入控制命令和信息的需求使現(xiàn)有系統(tǒng)網絡化、無線化。ZigBee技術采用一般IEEE 802.15.4收發(fā)器技術與嵌入ZigBee技術協(xié)議棧的組合；他依據IEEE 802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器設計成只需要很少的能量的裝置，并以接力的方式將數(shù)據從一個傳感器無線傳到另一個傳感器，依次傳遞，以構成一個無線傳感器網絡。ZigBee技術的主要特征如表1所示。

　　(2)ZigBee技術與其他無線通信技術的比較

　　無線通信技術的特性比較如表2所示。

3 ZigBee技術應用于電廠的可行性論證

　　電廠設備監(jiān)測系統(tǒng)首先為電廠監(jiān)控系統(tǒng)提供現(xiàn)場設備的各種參數(shù)、數(shù)據、圖表、曲線、開關量和模擬量等信息，根據這些信息分析設備狀態(tài)、執(zhí)行開環(huán)、閉環(huán)控制與調節(jié)，對設備故障和事故進行報警和相應處理，保證設備最優(yōu)運行狀態(tài)；為設備狀態(tài)檢修提供分析長期的運行數(shù)據，以便形成狀態(tài)檢修決策；為遙測、搖訊、遙控、搖調等提供遠動數(shù)據等。

　　ZigBee技術組成傳感器網絡系統(tǒng)本身具有以下特點：實時性：實時在線監(jiān)測；低功耗：采用鈕扣電池可運行2年以上；先進性：技術、器件、軟件先進，為系統(tǒng)的可靠性、先進性奠定了基礎；準確性：溫度測量精度可達±0.1℃；靈活性：用戶可根據自己的需求，靈活、方便地設置參數(shù)；系統(tǒng)性：可與電力系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等融為功能更加強大的綜合系統(tǒng)，可與局域網、廣域網、系統(tǒng)方便連接，實現(xiàn)數(shù)據共享，便捷管理；真實性：實時數(shù)據記錄、分析，為運行、管理、檢修、調度等部門提供真實數(shù)據；安全性：ZigBee技術系統(tǒng)不論是產品、還是工程及其維護，都具有安全性。ZigBee技術提供數(shù)據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法，使數(shù)據安全得到保障；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)約購置其他測溫儀器等設備支出(如紅外成像儀、點式測穩(wěn)儀等)；可以節(jié)省巡檢人員，提高數(shù)據獲取的工作效率；達到有的放矢地開展設備維修的目的，將減少設備維護工作量；減少事故，提高供電可靠性；實踐性：ZigBee技術已經成功應用于汽車電器中的測量高速轉動的輪胎氣壓和溫度，ZigBee技術無線測溫系統(tǒng)用于大港油剛的110 kV的變電站。

3.1 ZigBee技術通信可靠性保證

　　ZigBee技術通信可靠性保證：通信可靠機制；網絡的自組織、自愈能力強；在低信噪比的環(huán)境下ZigBee技術具有很強的抗干擾性能；在低信噪比的環(huán)境下ZigBee技術的性能超群(藍牙、FSK和WiFi B)。

3.2 ZigBee技術安全性論證：

3.2.1 ZigBee技術射頻信號對電氣一次設備的影響

　　ZigBee技術射頻信號，即高頻諧波影響電氣設備安全運行和電能質量的性質，因此，高頻諧波必須在允許的范圍內?，F(xiàn)行數(shù)字蜂窩移動通信網的頻率范圍：9～3.53 GHz，而ZigBee技術的頻段868／915 MHz和2.4 GHz，即ZigBee技術射頻信號在移動通信網的頻率范圍內，也就是說，無淪是否有ZigBee技術設備在場，其ZigBee技術的射頻已經侵入電廠設備，而產生諧波。因此有必要測試電廠運行設備的諧波分量，即設備的高頻諧波電流、電壓分量，根據測試結果進行評估，只需設計測試數(shù)字蜂窩移動通信網的射頻信號對電氣設備的影響就可以。

　　理論上，電廠設備均處在現(xiàn)行數(shù)字蜂窩移動通信網包圍中，發(fā)電機的出口升壓變壓器高壓側分500 kV和220 kV兩個等級，測試主接線和測試點如圖1所示。

　　圖1中測點：A為發(fā)電機機端電壓、電流；B為升壓變壓器高壓側電壓；C為輸電線電壓、電流。

　　發(fā)電機變壓器組的測試：測試儀器：DZF-Ⅱ電能質量儀2臺、PP1電力仕1臺(美國產)；測試時間：2006年4月10日，4月21日；測試工況：發(fā)電機帶變壓器額定電壓空載(未并網)；發(fā)電機并網后多種負荷。

　　數(shù)據歸納原則：三相中取諧波含量最嚴重的一相為代表值；現(xiàn)場測試為2～50次諧波，為突出重點下列有些數(shù)據表中僅列出諧波含量較大的幾次。

　　機端諧波(測試點A)(見表3)：

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

　　從上面數(shù)據表可以得出以下幾點：況機端線電壓諧波總畸變率均<5％，無超標情況；電機并網帶負荷后，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??；負荷情況下機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；空載情況下機端主要諧波成份為5次、3次，14號機機端諧波電流見表4。

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

　　升壓變壓器高壓側(500 kV)諧波(測試點B)(見表5)。

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

　　從表5數(shù)據中可以得出：各測試工況下升壓變壓器500 kV側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)電機并網前后該點諧波變化不大。

　　升壓變壓器高壓側(220 kV)諧波(測試點B)(見表6)：

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

　　從以上測試結果(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：被移動通信信號包圍的發(fā)電機變壓器組，在各測試工況下發(fā)電機變壓器組諧波電壓和諧波電流均在標準范圍內，諧波電壓總畸變率也未超標，同時測試過程中發(fā)電機變壓器組運行正常。也就是說移動通信信號，即ZigBee技術射頻信號沒有引起電網電能質量惡化，沒有威脅發(fā)電機變壓器組安全運行。證明ZigBee技術應用于發(fā)電機變壓器組的監(jiān)測系統(tǒng)中是可行的。

　　輸電線(220 kV)諧波(測試點C)：220 kV GIS站葛鋁I回線電壓、電流諧波檢測結果；測量時間：2007年1月15日；測量工具：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趨向零；葛鋁I回線負荷電流測量1次值為600 A，3次諧波電流最大一次值為3 A；葛鋁I回線電壓測量一次值為220 kV，5次諧波相電壓最大一次值為677 V；經比較表5，6，7可知：開關站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)據分析出：ZigBee技術射頻信號沒有對輸電線路產生影響，說明ZigBee技術應用在電廠輸電系統(tǒng)中也是可行的。

　　測試數(shù)據分析：

　　發(fā)電機空載額定電壓時線電壓諧波總畸變率為2.01％<5％，發(fā)電機帶負荷后機端線電壓諧波總畸變率有所下降(見數(shù)據表3)，各負荷下機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。機端諧波電流以5次、3次為主(見數(shù)據表4)，各測試工況變化不大；

　　(2)該發(fā)電機并網前后及并網后各負荷下，升壓變壓器高壓側諧波電壓總畸變率變化不大(見數(shù)據表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)據表5～7)。

　　綜上所述：移動通信信號，即ZigBee技術射頻信號侵入電廠一次設備中不會惡化電能質量。ZigBee技術射頻在設備中含量很低。ZigBee技術的射頻信號最大輸出功率：≤1 mW，如果單個網240個傳感器，其最大發(fā)射功率：≤240×1 mW，對十幾萬千瓦或幾十萬千瓦的大中型發(fā)電機的定、轉子的溫升幾乎沒有影響，而且240個點的射頻信號并非同時刻工作，采樣時間可以優(yōu)化設置，另外，利用電機轉子輪轂(輪轂本身具有屏蔽作用)，采用屏蔽技術對射頻距離和方向可以根據需要調整設置，保證盡量減少射頻信號侵入電機。上述試驗表明電機內部的諧波主要成分是1次、2次、3次和5次諧波，且電機帶負荷后機端線電壓諧波總畸變率有所下降。這些成分沒有也不會與ZigBee技術的射頻信號重疊。

　　總之，ZigBee技術網絡不會惡化電網電能質量，也不會引起旋轉電機設備的溫升越限，對電廠一次設備和電力系統(tǒng)運行是安全的。

3.1.2 對電廠二次設備的影響分析

　　ZigBee技術的頻率范圍為868 MHz，915 MHz和2.4～2.483 5 GHz的3種高頻信號，而一般電機微機保護采集的是基波量、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，電感具有對高頻信號抑制的性質，另外微機保護輸入還采用了光電隔離技術，加上一次設備中還裝有開關電容器(見圖1)等都對高頻諧波有濾波和導通作用。因此，ZigBee技術的射頻信號對保護沒有影響，不會引起保護的誤動。對保護裝置運行而言是安全的。

3.2 論證結果

　　在ZigBee技術通信可靠性保證的基礎上，ZigBee技術無論應用在電廠一次設備，還是二次設備中都是安全可行的，同時也不會影響電網的安全運行和電能質量。

4 ZigBee技術可應用對象(application object)及數(shù)據特性研究

4.1 通常符合以下條件之一的應用，就可以考慮采用ZigBee技術

　　(1)設備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據量很?。?/p>

　　(2)設備體積很小，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地充電無法做到或者很困難；

　　(5)需要支持大型網絡接點的數(shù)量級，需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備非常多，但僅用于監(jiān)測或控制；

　　(6)對通信服務質量QoS要求不高(甚至無QoS)；

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

　　(8)需要多方面的較復雜的網絡拓撲結構應用；

　　(9)要求高的網絡自組織、自恢復能力。

4.2 電廠設備監(jiān)測ZigBee技術符合以上條件之一的對象

　　(1)電機內部繞組溫升、絕緣在線監(jiān)測，如轉子、定子、變壓器溫升和絕緣，特別是電機端部、匯流排等的接頭的溫升、絕緣監(jiān)測；

　　(2)開關觸頭、母線接頭、導線接頭、電纜接頭狀態(tài)和溫升在線監(jiān)測；

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

　　(4)油庫、電纜廊道等溫度在線監(jiān)測與報警，即火災報警；

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

　　(6)電廠水流域水文氣象監(jiān)測；

　　(7)大壩安全監(jiān)測；

　　(8)環(huán)境監(jiān)測。

4.3 在ZigBee技術網絡中傳輸?shù)臄?shù)據可分為3類

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

　　(2)間斷性開關量數(shù)據的傳輸：大量各類開關量(接點、開關、壓板／連片和伐門狀態(tài)等)數(shù)據，電氣設備的動作記數(shù)和運行時間的累計等；

　　(3)還有反復性的低反應時間的數(shù)據傳輸。

5 結語

　　隨著科技的發(fā)展，電廠設備監(jiān)測系統(tǒng)沒有無線傳感器網絡的參人將是不完善的。ZigBee技術是專門針對無線傳感器網絡而開發(fā)的，ZigBee技術通信具有可靠性保證，利用ZigBee技術組成無線傳感器網絡是電廠設備監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，是十分必要的。ZigBee技術射頻信號會侵入電廠設備產生高頻諧波，諧波超標會影響電廠的安全運行。本文給出了諧波測試方法和測試結果，并把測試結果和ZigBee設備的技術特性相結合進行分析和總結，并進一步給出ZigBee技術應用于電廠設備監(jiān)測系統(tǒng)中的基礎和符合的技術條件、ZigBee技術適用對象和檢測的數(shù)據的特性，證明ZigBee技術應用于電廠是安全的、可行的和經濟的?？傊?，ZigBee技術應用于電廠設備監(jiān)測是必要的、是可行的。