大中型电厂应用ZigBee技术的必要性和可行性研究

1 引 言

随着科技的发展，电厂运行维护对设备状态监测系统提出更高要求。目前的监测系统的检测信息量和测试点安装问题已经出现不能满足电厂安全、可靠、经济的运行要求的势头。当前，电厂状态监测系统基本上是在有线的基础实施监测的功能。有线方式受布线、供电电源、安装场所和维修等的限制，如旋转机械的转动部分的状态监测、高电压和大电流设备的状态(温度、绝缘)监测等采用有线方式是无法完成的，更不可能保证数据的实时性、可靠性和完整性，也将限制对设备运行状态的评估、判断和决策。

现代监测系统由传感器网络组成，传感器网络是有线传感器网络和无线传感器网络的集合。无线传感器网络是基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络，他是用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。ZigBee技术是专门针对无线传感器网络而开发的，利用ZigBee技术组成无线传感器网络是电厂监测系统发展的必然趋势。

2 ZigBee技术

(1)概论

ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本，工作在2.4 GHz和868／915 MHz的无线网络技术，他是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，是一种双向传输(two-way)的无线通信标准，主要用于中短距离无线系统连接，提供传感器或二次仪表无线双功网络接入，能够满足对各种传感器的数据输出和输入控制命令和信息的需求使现有系统网络化、无线化。ZigBee技术采用一般IEEE 802.15.4收发器技术与嵌入ZigBee技术协议栈的组合；他依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器设计成只需要很少的能量的装置，并以接力的方式将数据从一个传感器无线传到另一个传感器，依次传递，以构成一个无线传感器网络。ZigBee技术的主要特征如表1所示。

(2)ZigBee技术与其他无线通信技术的比较

无线通信技术的特性比较如表2所示。

3 ZigBee技术应用于电厂的可行性论证

电厂设备监测系统首先为电厂监控系统提供现场设备的各种参数、数据、图表、曲线、开关量和模拟量等信息，根据这些信息分析设备状态、执行开环、闭环控制与调节，对设备故障和事故进行报警和相应处理，保证设备最优运行状态；为设备状态检修提供分析长期的运行数据，以便形成状态检修决策；为遥测、摇讯、遥控、摇调等提供远动数据等。

ZigBee技术组成传感器网络系统本身具有以下特点：实时性：实时在线监测；低功耗：采用钮扣电池可运行2年以上；先进性：技术、器件、软件先进，为系统的可靠性、先进性奠定了基础；准确性：温度测量精度可达±0.1℃；灵活性：用户可根据自己的需求，灵活、方便地设置参数；系统性：可与电力系统综合自动化系统、消防系统等融为功能更加强大的综合系统，可与局域网、广域网、系统方便连接，实现数据共享，便捷管理；真实性：实时数据记录、分析，为运行、管理、检修、调度等部门提供真实数据；安全性：ZigBee技术系统不论是产品、还是工程及其维护，都具有安全性。ZigBee技术提供数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，使数据安全得到保障；效益性：电力系统故障多以温度升高而引起，有了这一套系统，可以节约购置其他测温仪器等设备支出(如红外成像仪、点式测稳仪等)；可以节省巡检人员，提高数据获取的工作效率；达到有的放矢地开展设备维修的目的，将减少设备维护工作量；减少事故，提高供电可靠性；实践性：ZigBee技术已经成功应用于汽车电器中的测量高速转动的轮胎气压和温度，ZigBee技术无线测温系统用于大港油刚的110 kV的变电站。

3.1 ZigBee技术通信可靠性保证

ZigBee技术通信可靠性保证：通信可靠机制；网络的自组织、自愈能力强；在低信噪比的环境下ZigBee技术具有很强的抗干扰性能；在低信噪比的环境下ZigBee技术的性能超群(蓝牙、FSK和WiFi B)。

3.2 ZigBee技术安全性论证：

3.2.1 ZigBee技术射频信号对电气一次设备的影响

ZigBee技术射频信号，即高频谐波影响电气设备安全运行和电能质量的性质，因此，高频谐波必须在允许的范围内。现行数字蜂窝移动通信网的频率范围：9～3.53 GHz，而ZigBee技术的频段868／915 MHz和2.4 GHz，即ZigBee技术射频信号在移动通信网的频率范围内，也就是说，无沦是否有ZigBee技术设备在场，其ZigBee技术的射频已经侵入电厂设备，而产生谐波。因此有必要测试电厂运行设备的谐波分量，即设备的高频谐波电流、电压分量，根据测试结果进行评估，只需设计测试数字蜂窝移动通信网的射频信号对电气设备的影响就可以。

理论上，电厂设备均处在现行数字蜂窝移动通信网包围中，发电机的出口升压变压器高压侧分500 kV和220 kV两个等级，测试主接线和测试点如图1所示。

图1中测点：A为发电机机端电压、电流；B为升压变压器高压侧电压；C为输电线电压、电流。

发电机变压器组的测试：测试仪器：DZF-Ⅱ电能质量仪2台、PP1电力仕1台(美国产)；测试时间：2006年4月10日，4月21日；测试工况：发电机带变压器额定电压空载(未并网)；发电机并网后多种负荷。

数据归纳原则：三相中取谐波含量最严重的一相为代表值；现场测试为2～50次谐波，为突出重点下列有些数据表中仅列出谐波含量较大的几次。

机端谐波(测试点A)(见表3)：

从测试数据(见表1)来看各测试工况谐波数据特性差不多，为全面、直观起见，我们画出额定负荷时的谐波含量(2～50次)柱状图(见图2)，图2中：横坐标为谐波次数，纵坐标为谐波含有率(％)。

从上面数据表可以得出以下几点：况机端线电压谐波总畸变率均<5％，无超标情况；电机并网带负荷后，与空载相比，谐波电压总畸变率有所减小，主要表现在高次谐波含量有所减小；负荷情况下机端谐波电压总畸变率和各次谐波含有率变化不大并主要谐波成份为5次、3次；空载情况下机端主要谐波成份为5次、3次，14号机机端谐波电流见表4。

从表4数据可以得出：机端主要谐波电流为5次、3次，5次在90 A左右，3次在50 A左右，并5次、3次谐波电流随负荷的增大变化不大。

升压变压器高压侧(500 kV)谐波(测试点B)(见表5)。

从测试数据来看各测试工况谐波数据特性差不多，为全面、直观起见，这里画出额定负荷时的谐波含量(2～50次)柱状图(见图3)。图3中：横坐标为谐波次数，纵坐标为谐波含有率(％)。

从表5数据中可以得出：各测试工况下升压变压器500 kV侧谐波电压总畸变率在2.3～2.5左右，主要谐波成份均为5次、3次。发电机并网前后该点谐波变化不大。

升压变压器高压侧(220 kV)谐波(测试点B)(见表6)：

从上表数据中可以得出鼎各测试工况下升压变压器220 kV侧谐波电压总畸变率和各次谐波电压含有率均未超标，主要谐波成份为3次，发电机并网前后谐波变化不大。

从以上测试结果(见表3～6)看，13次以上的谐波成分很少，且随着次数的增加谐波含量趋向于零，表明：被移动通信信号包围的发电机变压器组，在各测试工况下发电机变压器组谐波电压和谐波电流均在标准范围内，谐波电压总畸变率也未超标，同时测试过程中发电机变压器组运行正常。也就是说移动通信信号，即ZigBee技术射频信号没有引起电网电能质量恶化，没有威胁发电机变压器组安全运行。证明ZigBee技术应用于发电机变压器组的监测系统中是可行的。

输电线(220 kV)谐波(测试点C)：220 kV GIS站葛铝I回线电压、电流谐波检测结果；测量时间：2007年1月15日；测量工具：中元华电ZH-2故障录波装置；CT变比：1000／1 PT变比：220 kV／100 V；

在表7中：

(1)14次以上的谐波成分已经趋向零；葛铝I回线负荷电流测量1次值为600 A，3次谐波电流最大一次值为3 A；葛铝I回线电压测量一次值为220 kV，5次谐波相电压最大一次值为677 V；经比较表5，6，7可知：开关站500 kV和220 kV系统电压、电流谐波与葛铝I回线在同一水平。由上面数据分析出：ZigBee技术射频信号没有对输电线路产生影响，说明ZigBee技术应用在电厂输电系统中也是可行的。

测试数据分析：

发电机空载额定电压时线电压谐波总畸变率为2.01％<5％，发电机带负荷后机端线电压谐波总畸变率有所下降(见数据表3)，各负荷下机端线电压谐波总畸变率变化不大，主要谐波成份为5次、3次。机端谐波电流以5次、3次为主(见数据表4)，各测试工况变化不大；

(2)该发电机并网前后及并网后各负荷下，升压变压器高压侧谐波电压总畸变率变化不大(见数据表5、表6)，最大值为2.57％，主要谐波成份为5次、3次；

(3)输电线的主要谐波成份为5次、3次、14次以上的谐波电流、电压趋向零。开关站500 kV和220 kV系统电压、电流谐波与葛铝I回线在同一水平(见数据表5～7)。

综上所述：移动通信信号，即ZigBee技术射频信号侵入电厂一次设备中不会恶化电能质量。ZigBee技术射频在设备中含量很低。ZigBee技术的射频信号最大输出功率：≤1 mW，如果单个网240个传感器，其最大发射功率：≤240×1 mW，对十几万千瓦或几十万千瓦的大中型发电机的定、转子的温升几乎没有影响，而且240个点的射频信号并非同时刻工作，采样时间可以优化设置，另外，利用电机转子轮毂(轮毂本身具有屏蔽作用)，采用屏蔽技术对射频距离和方向可以根据需要调整设置，保证尽量减少射频信号侵入电机。上述试验表明电机内部的谐波主要成分是1次、2次、3次和5次谐波，且电机带负荷后机端线电压谐波总畸变率有所下降。这些成分没有也不会与ZigBee技术的射频信号重叠。

总之，ZigBee技术网络不会恶化电网电能质量，也不会引起旋转电机设备的温升越限，对电厂一次设备和电力系统运行是安全的。

3.1.2 对电厂二次设备的影响分析

ZigBee技术的频率范围为868 MHz，915 MHz和2.4～2.483 5 GHz的3种高频信号，而一般电机微机保护采集的是基波量、2次谐波量和3次谐波量。而且不论电流互感器，还是电压互感器其本身就是电感元件，电感具有对高频信号抑制的性质，另外微机保护输入还采用了光电隔离技术，加上一次设备中还装有开关电容器(见图1)等都对高频谐波有滤波和导通作用。因此，ZigBee技术的射频信号对保护没有影响，不会引起保护的误动。对保护装置运行而言是安全的。

3.2 论证结果

在ZigBee技术通信可靠性保证的基础上，ZigBee技术无论应用在电厂一次设备，还是二次设备中都是安全可行的，同时也不会影响电网的安全运行和电能质量。

4 ZigBee技术可应用对象(application object)及数据特性研究

4.1 通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术

(1)设备成本很低，传输的数据量很小；

(2)设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；

(3)没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；

(4)频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；

(5)需要支持大型网络接点的数量级，需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅用于监测或控制；

(6)对通信服务质量QoS要求不高(甚至无QoS)；

(7)需要可选择的安全等级(采用AES-128)：加密、发送鉴别、报文的完整性；

(8)需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用；

(9)要求高的网络自组织、自恢复能力。

4.2 电厂设备监测ZigBee技术符合以上条件之一的对象

(1)电机内部绕组温升、绝缘在线监测，如转子、定子、变压器温升和绝缘，特别是电机端部、汇流排等的接头的温升、绝缘监测；

(2)开关触头、母线接头、导线接头、电缆接头状态和温升在线监测；

(3)电厂发、配、输电设备的绝缘和过电压保护设备的在线监测；

(4)油库、电缆廊道等温度在线监测与报警，即火灾报警；

(5)各类大量的开关位置，二次设备连片(压板)状态等开关量的在线监测；

(6)电厂水流域水文气象监测；

(7)大坝安全监测；

(8)环境监测。

4.3 在ZigBee技术网络中传输的数据可分为3类

(1)周期性模拟量数据的传输：电厂油、水、风系统数据，各类电气量(电流、电压、电量有功和无功等)数据，机电各类设备的温度、绝缘等数据，水文气象数据，等；

(2)间断性开关量数据的传输：大量各类开关量(接点、开关、压板／连片和伐门状态等)数据，电气设备的动作记数和运行时间的累计等；

(3)还有反复性的低反应时间的数据传输。

5 结语

随着科技的发展，电厂设备监测系统没有无线传感器网络的参人将是不完善的。ZigBee技术是专门针对无线传感器网络而开发的，ZigBee技术通信具有可靠性保证，利用ZigBee技术组成无线传感器网络是电厂设备监测系统发展的必然趋势，是十分必要的。ZigBee技术射频信号会侵入电厂设备产生高频谐波，谐波超标会影响电厂的安全运行。本文给出了谐波测试方法和测试结果，并把测试结果和ZigBee设备的技术特性相结合进行分析和总结，并进一步给出ZigBee技术应用于电厂设备监测系统中的基础和符合的技术条件、ZigBee技术适用对象和检测的数据的特性，证明ZigBee技术应用于电厂是安全的、可行的和经济的。总之，ZigBee技术应用于电厂设备监测是必要的、是可行的。