ZigBee变电站无线环境监控系统

引言

变电站作为片区的供电枢纽，其稳定性和安全性与该片区的日常生活紧密相关。现有变电站均配置一套视频及环境监控系统，系统由监控工作站、通信控制器、摄像机、环境量采集设备、报警控制设备、交换机、存储设备等组成，实现对变电站现场视频及环境信息采集、处理、监控等功能，出现异常及时反馈，迅速通知救援，确保变电站安全、稳定运行。该系统意义重大，有着不可替代的作用，然而现有系统普遍采用有线方式进行供电及通信，由于变电站本身线缆繁多，走线错综复杂，而环境监控点数量多且分散，导致施工布线复杂、维护困难，另外还由于线缆过长，易损，造成压降过大，影响数据的采集。ZigBee模块无线传感器网络的出现，一方面省去了布线环节，从而提高监控布点灵活性，避免了由于线路原因造成的故障。另一方面，由于其使用的是智能化终端节点，可便捷增减监控点，具有极强的可拓展性。

1  ZigBee模块无线传感器网络技术介绍

1.1  功能特点

ZigBee无线模块无线传感器网络是由部署在监测区域内大量廉价且低功耗的微型传感器节点组成，通过无线通信构造一个多跳自组织网络。ZigBee 是现今流行的无线传感网络技术之一，作为基于IEEE 802.15.4 协议的双向无线传输技术，其具有众多特点，见表1。

表1

1.2  ZigBee 传感系统的组成

在ZigBee网络中，包含三种设备：⑴协调器，也称作网关，完成对网络的初始化和配置；⑵路由器设备，负责将子网连接起来，同时也起到扩展通信距离的作用；⑶终端设备，终端设备上面可集成各类传感器，如温湿度传感器、水浸传感器、烟雾传感器等，负责对所在点传感信息进行ZigBee数据采集，并上传至协调器，由协调器再上传至服务器主机进行处理。

节点之间连接组网组方式如图1。

图1 组网方式

完整的传感系统还应包含安装有数据处理软件的服务器主机，负责接收、保存和处理接收到的传感信息，整体系统图2。

图2 系统连接图

2  ZigBee模块在变电站环境监控系统的应用

2.1 可行性分析

目前一般变电站根据电压等级分为500kV 变电站、220kV 变电站、110kV 变电站以及35kV 变电站，其中500kV 变电站一般为300m 长、300m 宽的矩形建筑，220kV 及以下变电站一般在100m 长、100m 宽以内，ZigBee 网络可轻易实现站内全范围覆盖。

在整个变电站的视频及环境监控系统中，视频监控能耗及速率要求高，红外对射能耗高，两者不宜使用无线传感器网络，而对于数据流量、速率及能耗低要求低的环境监控设备，可以采用无线传感器网络，见表2。

表2

2.2 功耗控制

以目前市场上供货最多的基于CC2530 片上系统的ZigBee模块为例，其芯片具有计时器唤醒和外部中断唤醒的休眠模式，休眠下电流小于1滋A，CPU 运行下电流约0.2mA，发射电流约29mA，接收电流约24mA。其中温度、湿度、风速传感器采用智能定时采集模式，初始设置间隔10秒唤醒采集终端进行数据采集，其他时间进入低功耗休眠模式，若采集数据有变化，则发送至协调器并缩短采集时间，若采集数据无变化，则不发送数据，并延长唤醒时间，从而达到功耗控制。对于水浸传感、烟雾传感，则采用外部中断唤醒模式，正常情况处于超低功耗的休眠模式，若触发水浸、烟雾报警，则唤醒采集模块并告知协调器。如图3~5所示。

图3 协调器流程图图  4 模拟量采集流程图图  5 开关量采集流程图

以温度采集为例，考虑其他功耗，按最大电流为40mA 计算，发送持续0.01s，采集过程电流3mA，时间持续0.4s，平均每10s采集并选择性发送数据，使用2 节1.5V 五号电池供电，电池按2000mAh 的电量计算，则使用时间为：T=2000mAh／[（0.01s×40mA+3mA×0.4s）/10s]=12500h，约520d。

    其他开关量信号ZigBee无线数据采集终端节点，在正常情况下由于不做采集和发送，耗电更低。另外，在终端节点电池即将耗尽，出现供电电压不足时，及时上报至主机，通知维护人员进行更换。

2.3 ZigBee模块变电站视频监控系统设计

以220kV 变电站为例，一般220kV 变电站根据功能划分为220kV 场地、110kV场地、低压配电场地以及主控楼区域。需要在户外电缆沟安装水浸传感器，在主控楼顶安装风速传感器，在室内安装温度、湿度传感器、烟雾传感器。如图6 所示。

图6 变电站ZigBee 环境传感器布置图

系统采用串状网络方式，服务器主机及ZigBee 协调器安装在主控楼内，在主控楼靠近220kV 场地和110kV场地各配置1 台ZigBee 路由节点，用于中转该区域传感信息，协调器和路由节点采用有线供电，长期工作不休眠。

2.4 方案评价

本方案优点在于采用ZigBee模块无线网络，施工简单、维护方便、成本低，可快速增减监控点，智能化程度高。缺点在于仅能传输低速率数据，要求传感器能耗低，并且在经过1~2年后，需要及时更换终端节点供电电池。随着技术的升级和更新，能耗问题将得到解决，本方案将具备更广阔的应用价值。

3   结语

本文结合ZigBee无线模块通信技术和ZigBee数据采集传感器技术，对变电站环境监控系统的建设需求进行分析，重点介绍了ZigBee 技术并设计出一套基于无线ZigBee模块传感网络的环境监控系统，为智能变电站的建设提供参考。