基于ZigBee技術(shù)的變電站無(wú)線監(jiān)控
一、 前言
變電站綜合自控是利用微機(jī)技術(shù)，將變電站的二次設(shè)備（包括測(cè)量?jī)x表、信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和遠(yuǎn)動(dòng)裝置等）進(jìn)行功能組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的主 要設(shè)備和輸配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、自動(dòng)控制和微機(jī)保護(hù)，以及調(diào)度通信等綜合性的自動(dòng)化功能。目前我國(guó)每天投入電網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)百座新建電站均采用了綜合自 動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)，每年還有一定數(shù)量的老變電站的技術(shù)改造也以綜合自動(dòng)化系統(tǒng)模式為主。
傳統(tǒng)的變電站綜合自動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)有線的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)的采集、傳輸和發(fā)送。變電站設(shè)備雜多、信號(hào)繁多，這給綜合布線及檢查維修帶來(lái)了不便，工程量大，維護(hù)費(fèi)用高。無(wú)線ZigBee的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不僅可提供更大的靈活性、活動(dòng)性，還可以省去花在綜合布線上的費(fèi)用和精力，這無(wú)疑更符合未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。
二、項(xiàng)目架構(gòu)實(shí)施方案
2．1 系統(tǒng)組成
整個(gè)變電站監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是前端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備、ZigBee傳輸設(shè)備、中心監(jiān)控系統(tǒng)。
2.1.1 前端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備
整個(gè)變電站的正常運(yùn)行需要實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)參數(shù)的運(yùn)行狀況，數(shù)據(jù)采集設(shè)備就是用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的參數(shù)采集，并將采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給ZigBee傳輸設(shè)備。
2.1.2 ZigBee傳輸設(shè)備
ZigBee傳輸設(shè)備在整個(gè)系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)傳輸通道的建立，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)功能，最大可支持65000個(gè)點(diǎn)。當(dāng)ZigBee設(shè)備從采集終端接收到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后，通過(guò)自組建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)送到監(jiān)控中心，同時(shí)，監(jiān)控中心也可通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信以達(dá)到遙測(cè)、遙控的目的。
這個(gè)方案中我們所采用的ZigBee傳輸設(shè)備有兩種，一種是只有ZigBee的F8914，還有一種是帶ZigBee+GPRS的F8114，兩者的區(qū)別在于前者完全用ZigBee無(wú)線網(wǎng)來(lái)傳輸，而后者可先通過(guò)ZigBee無(wú)線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)（由F8114擔(dān)當(dāng)），然后再通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。
2.1.3 中心監(jiān)控系統(tǒng)
中心監(jiān)控系統(tǒng)主要由服務(wù)器機(jī)組和平臺(tái)軟件主組成，當(dāng)中心監(jiān)控系統(tǒng)接收到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析，并據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行各種控制操作，如發(fā)出告警信息、向終端監(jiān)控設(shè)備發(fā)出控制指令等等。
2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
根據(jù)監(jiān)控中心與實(shí)際變電站的距離，我們提出兩種網(wǎng)絡(luò)實(shí)施架構(gòu)，當(dāng)監(jiān)控中心就布設(shè)在變電站時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee無(wú)線直接進(jìn)行短距離傳輸接入，整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用F8914進(jìn)行組建，如下圖
當(dāng)中心監(jiān)控與變電站的距離較遠(yuǎn)時(shí)，終端數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，然后中心節(jié)點(diǎn)再通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行谋O(jiān)控室，中心節(jié)點(diǎn)采用帶有GPRS的設(shè)備F8114。組網(wǎng)如下圖
當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心時(shí)，中心網(wǎng)絡(luò)有多種網(wǎng)絡(luò)接入方式： 1）中心采用APN專線， 所有終端都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP，客戶中心通過(guò)一條APN專線接入移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，在GGSN與移動(dòng)公司互聯(lián)路由器之間建立GRE隧道。為客戶分配專用的APN，其他的用戶不得申請(qǐng)?jiān)揂PN。只有該專網(wǎng)內(nèi)的SIM卡才能進(jìn)入該APN，防止其他非法用戶的進(jìn)入。用戶可以內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，以保證用戶內(nèi)部安全。用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過(guò)認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。
此種方案無(wú)論實(shí)時(shí)性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點(diǎn)比較多、實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下的最佳組網(wǎng)方式。
2）控制中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的?？蛻粝扰cDNS服務(wù)商聯(lián)系開通動(dòng)態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費(fèi)用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
3）控制中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INTERNET運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運(yùn)行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
四、方案特點(diǎn)
Zigbee以其靈活、可靠、易于布置等特點(diǎn)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。將其應(yīng)用于變電站監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：
1、無(wú)線化，減少變電站的連線的復(fù)雜度。
2、成本低，Zigbee協(xié)議簡(jiǎn)單且免收專利費(fèi)。
3、智能化，各Zigbee節(jié)點(diǎn)自動(dòng)搜索建立連接。
4、支持星型，樹型，網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大網(wǎng)絡(luò)連接能力強(qiáng)，可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。
5、傳輸模塊采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，金屬外殼，外接電源DC 12V/500mA；通信電流：<250mA (12V)；工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC；儲(chǔ)存溫度 -40~+85ºC；相對(duì)濕度 95%(無(wú)凝結(jié))；多重軟硬件看門狗設(shè)計(jì)，適用于油井野外工作。
6、ZigBee終端空曠視距離環(huán)境無(wú)線通信距離800米。
7、Zigbee通訊不需要任何費(fèi)，為整個(gè)項(xiàng)目節(jié)省大量的費(fèi)用支出
8、設(shè)備配置操作簡(jiǎn)單，易懂 ，集成化程度高，技術(shù)成熟，安裝方便。
隨著需求的增長(zhǎng)和技術(shù)的進(jìn)一步成熟，Zigbee在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。
五、方案總結(jié)
Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采集穩(wěn)定、可靠、方便、實(shí)用。安裝費(fèi)用低廉，維護(hù)簡(jiǎn)單，無(wú)優(yōu)升級(jí)，不需要租用公網(wǎng)，也無(wú)須巨額運(yùn)行費(fèi)用。這是現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的最優(yōu)解決方案！
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