1 Zigbee技術
在配電線路安全監(jiān)測系統(tǒng)中，由于電磁環(huán)境干擾嚴重、監(jiān)測點多、布線復雜等原因，建立一個可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡是配電線路安全監(jiān)測所迫切需求的。工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無線網(wǎng)絡技術成為近年來研究熱點之一，基于Wi-Fi、Bluetooth和Zigbee等技術的無線網(wǎng)絡相繼問世。其中Zigbee短距離無線網(wǎng)技術以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、設備成本低、組網(wǎng)簡易靈活、電池使用壽命長等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領域中呈現(xiàn)出深厚的發(fā)展?jié)摿?。Zigbee技術在配電線路安全監(jiān)測中也有著廣泛的應用前景。
Zigbee具有低耗電、低成本、雙向傳輸、感應網(wǎng)絡功能等特點，主要適用于自動控制和遠程控制領域。IEEE將Zigbee接納為IEEE 802.15.4標準。
Zigbee技術[2-3]的主要特點如下：
(1)低功耗。在低耗電待機模式下,2節(jié)5號干電池可支持一個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢；
(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議,降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點需要32 KB代碼,子功能節(jié)點只需4 KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費。隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，Zigbee通信模塊的價格預計能降到1.5～2.5美元；
(3)低速率。Zigbee工作在20 kb/s～250 kb/s的較低速率,分別提供250 kb/s(2.4 GHz)、40 kb/s(915 MHz)和20 kb/s(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求；
(4)近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1 km～3 km(相鄰節(jié)點間的距離)。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠；
(5)短時延。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30 ms，進一步節(jié)省了電能；
(6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，一個主節(jié)點最多可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。一個區(qū)域內(nèi)最多可以同時存在100個Zigbee網(wǎng)絡。每個Zigbee網(wǎng)絡可以支持31個傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備可以有8種不同的接口方式，可以采集并傳輸數(shù)字量和模擬量；
(7)高安全。Zigbee提供了三級安全模式：無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性；
(8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
2 Zigbee在配電線路安全監(jiān)測中的應用
目前，國外對于變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測主要采用有線與無線相結合的方法，其優(yōu)點是測量準確、實時性好、能夠?qū)φ麄€檢測面進行檢測，但是需要大量的現(xiàn)場布線、設置電源等，對于某些現(xiàn)場條件不具備的場合（如不允許布線、供電不便等），其應用范圍受到了極大的限制；對于傳統(tǒng)的無線應用，由于標準不統(tǒng)一，需要在各種通信協(xié)議之間進行大量轉換工作，限制了設備的有效應用，且需大量的維護人員和成本。在國內(nèi)，大多數(shù)變電站延用有線傳感監(jiān)測方式，少數(shù)變電站采用部分無線傳感技術，但通信協(xié)議不統(tǒng)一，也沒有有效的集成，監(jiān)控參數(shù)少，測量范圍窄，甚至需工作人員將儀器帶到現(xiàn)場才能對相關參數(shù)進行測量，增加了工作人員的勞動強度?？傊?，目前變電站配電參數(shù)的在線監(jiān)測都離不開有線的束縛和工作人員定期的現(xiàn)場巡查、維護，還沒有實現(xiàn)真正意義上的自動化，人為因素影響嚴重，不利于異常情況的及時發(fā)現(xiàn)與處理。
針對目前國內(nèi)外變電站配電參數(shù)監(jiān)測的缺點，現(xiàn)提出一種將無線無源溫度傳感器裝置應用于配電線路的方案。
該裝置既無需外供電源，也無內(nèi)置電池，以太陽能為能源，以雙電層超級電容器為儲能裝置，通過超低功耗無線微處理器結合微功耗傳感器實現(xiàn)參數(shù)檢測和信號無線傳輸。該裝置可在各種復雜電磁干擾、強電場、高溫、高壓、高濕度等惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。
該裝置設有太陽能發(fā)電裝置、電能存儲裝置、數(shù)據(jù)采集傳送裝置，如圖1所示。圖中器件的型號與參數(shù)分別為：太陽能電池板—300 mA 3 V；超級電容—30 F 2.5 V的雙電層電容器；負載—帶溫度檢測傳感器TC77的無線單片機CC2430[4]。
該裝置工作原理如下：位于裝置頂部的太陽能電池在光照作用下，將產(chǎn)生約3 V的開路電壓和300 mA的短路電流；太陽能電池產(chǎn)生的電能在對雙電層電容器充電的同時，也對無線單片機CC2430供電；溫度傳感器通過SPI/UART與CC2430連接，在CC2430控制下進行信號的采集，并將采集到的信號通過CC2430內(nèi)部集成的射頻收發(fā)電路通過2.4 GHz/SIM頻段進行轉發(fā)；CC2430一方面控制傳感器工作，另一方面可接受上位機的指令，設置自身或傳感器的工作狀態(tài)，并可進入低功耗休眠狀態(tài)；整個裝置在無光照、太陽能電池不發(fā)電時，轉由雙電層電容器供電。數(shù)據(jù)采集傳送裝置中各芯片引腳接線如圖2所示。
該裝置在配電線路安全監(jiān)測應用時，只需將其溫度傳感器置于需監(jiān)測的環(huán)境中，而將太陽能電池板置于陽光可直接照射處。例如需要監(jiān)測某導線溫升情況時，只需把溫度傳感器緊挨導線。在CC2430內(nèi)寫入程序，可以通過軟件設置數(shù)據(jù)發(fā)送的周期，或當溫升超過某值時發(fā)送數(shù)據(jù)等。
圖1中的設備型號及參數(shù)選擇基于以下幾個方面的原因：
(1)選用CC2430可實現(xiàn)多個參數(shù)的無線傳輸，且其功耗低，它可通過軟件設置多種工作狀態(tài)（發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)、接受數(shù)據(jù)狀態(tài)、信息采集狀態(tài)、休眠狀態(tài)），且方便地實現(xiàn)與傳感器不同的連接方式，以及可與不同類型傳感器連接。
(2)太陽能電池板的使用使本裝置無需外供電源。
(3)超級電容的使用使本裝置的維修量大大減少，與一般電池相比有以下優(yōu)點：
①幾乎可以永無止境地充放電(100 000次)，但是電池卻很難達到1 000次充放電；
②可提供很高的放電電流，根據(jù)經(jīng)驗，電池的電流卻會因為多次的電流脈沖而不斷減少；
③可快速充電，但如果是電池快速充電，容易發(fā)生危險；
④不需維護，可在極端的惡裂的環(huán)境中(即便是-40 ℃的溫度中)使用。
(4)300 mA 3 V的太陽能電池板對30 F 2.5 V的超級電容充電速度快，實驗結果如圖3所示。該結果表明，在一般光照強度下(約15 000 LUX)，電容起始電壓為0 V，經(jīng)4～5 min就可啟動CC2430，20 min就能將電容充到2.95 V左右。
(5)30 F 2.5 V超級電容的存儲電能的能力對于本裝置已足夠，圖4為圖1中超級電容放電實驗電路圖。實驗結果表明，30 F 2.5 V的超級電容從2.95 V開始放電(CC2430節(jié)點每10 s發(fā)送1次數(shù)據(jù))：共放電4 275次，約12 h，至1.75 V截止。
(6)本裝置選用的設備數(shù)目少、成本低、維修量也小。
由于Zigbee通信技術的低功耗、低成本、低速率、近距離、短延時、高容量、高安全、協(xié)議統(tǒng)一的眾多特點，Zigbee裝置適用于配電線路的安全監(jiān)測，提高了配電線路安全監(jiān)控的自動化水平和電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟運行。
參考文獻
[1] 王士政，馮金光．發(fā)電廠電氣部分[M]．北京：中國水利水電出版社，2002．
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[4] 李文仲，段朝玉．Zigbee無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007．
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