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1、无线自组传感器网络在变电站综合安全监控系统中的应用 吕 剑，杨俊杰，魏春娟（上海电力学院，电力与自动化工程学院，上海，200090）摘 要：介绍了当今无线局域网中具有广阔应用前景的无线传感自组网的主要特点，分析了变电站无线自组网的性能，提出了一种基于无线自组网络技术的变电站综合安全监控系统设计方案，论述了变电站综合安全监控系统无线传感自组网体系结构和实验方案。最后展望了无线传感器网络的发展前景。关键词：无线传感网络；综合安全监控；ZigBee 技术 0 引言 近年来，随着电网自动化和信息化水平的不断提高，变电站大多采用无人值守的方式，这对变电站的安全问题提出了很高的要求。变电站的安全问题主要包
2、括两大类，一类是变电站电气设备的安全运行问题，另一类是变电站设备的安全防范问题。目前，由变电站这两类安全问题所引发的电网事故时有发生。首先是由于变电站电气设备的安全运行问题引发的电网事故。随着现代电力系统向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，对供电可靠性的要求也越来越高。变电站的高压开关柜、变压器、蓄电池等是重要的电气设备。在设备长期运行过程中，开关柜的母线接点、高压电缆接头等部位因老化或接触电阻过大而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化，甚至击穿而造成事故。据统计，电力系统发生事故原因中有相当一部分与发热问题有关。另一类安全问题是变电站设备的安全防范问题。无人值守变电站的实施提高了电网的管理水平，
3、同时也给变电站带来了安全隐患，致使电力设备、电力线路的安全防盗无法有效地执行。涉电犯罪呈恶性发展之势，危害程度日趋严重。犯罪分子翻入变电站的围墙盗窃铜芯电缆、设备配件等，导致变电站大小停电事故不断，给国民经济和人民生活带来了重大损失和影响。由以上分析可以看出，变电站电气设备的运行安全和电气设备的安全防范问题已成为变电站安全的主要隐患，对这两类安全问题不仅需要采取必要的安全监控措施，而且必须把它们作为统一体加以综合监控。然而，现有的变电站综合自动化系统都是通过有线的网络进行信号的采集、传输和发送，而且变电站设备杂多、信号繁多，这个给综合布线及检查维修带来不便，工程量大，维护费用高。随着无线通信技
4、术的发展和无线设备的成熟，可以采用无线传感器网络进行相关信息的快速采集和高效传输来解决上述安全问题1。本文详细介绍了无线自组传感器网络的特点及其性能分析，结合无人值守变电站的特点，提出将无线自组传感器网络应用到变电站安全监控中的方案，开发了一套变电站综合安全监控系统，并就相关应用问题进行了讨论。1 无线自组传感网络介绍 1.1 无线传感器网络特点 无线传感器网络是集数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络，由在一定区域范围内的多个具有无线通信、传感、数据处理功能的网络节点组成2。无线自组传感器网络综合了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信等多种技术，能够相互协作地实时检测、感知
5、和采集各种对象信息，并对其数据进行处理3。无线自组传感器网络具有如下特点4-6：1）自组织性。传感器节点的位置通常都不能预先设定，节点之间的相互邻居关系也不确定，例如通过飞机播撒的大量传感器节点或者随意放置到危险区域的传感器节点。因此，要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑机制和网络协议自动形成多跳无线网络系统，网络的自组织性要求能够适应网络拓扑结构的动态变化。2）大规模网络。体现在 2 个方面：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内；另一方面是传感器节点的部署很密集。无线传感自组网络的大规模性可以使通过不同空间视角获取的信号具有更大的信噪比，提高监测的精确度，同时能
6、够增大监测区域，减少洞穴或者盲区。3）动态拓扑。网络的拓扑结构会因为以下原因发生变化：环境因素或者电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；新节点的加入；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络中的传感器、感知对象和观察者这 3个要素都可能具有移动性。4）可靠性。传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域。传感器节点可能工作在露天环境，遭受太阳的曝晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。5）以数据为中心。无线自组传感器网络是一种任务型网络，用户使用自组传感网络查询事件
7、时，直接将关心的事件通告给网络，而不是关注某个传感节点。1.2 变电站自组网性能分析 在变电站自动化系统中，数据通信对实时性和可靠性有一定要求。因为高压电会产生很强的电磁场，对无线电波干扰很大，所以需要选择适当频率的无线网络7。表 1 列出了目前几种无线通信网的性能比较。可见ZigBee 无线传感器自组网具有低功耗、低成本、低速率、高容量和高安全性，因此，自组网完全能够满足变电站自动化系统的要求8。变电站自动化系统对通信的可靠性要求很高，在强电磁干扰环境下，通信系统的可靠性问题尤为突出。除了提高无线通信的差错处理能力外，健壮的网络结构对提高数据传输的可靠性也很重要。无线自组传感器网络通过采用
8、IEEE802.15.4 标准可有效降低传输误码率9。更重要的是无线自组传感器网络本身具有健壮性。当无线信道通信质量下降时某些节点将无法与中心节点通信时，数据可通过相邻节点的转发传送，即使网络中某些节点出现故障也不会影响整个网络的正常运行，避免了由于控制中心故障导致的网络整体瘫痪，大大提高了网络的可靠性7。表 1 几种无线网络性能比较 传输方式 ZigBee Bluetooth Wi-Fi IEEE 标准 802.15.4 802.15.1 802.11.x 系统成本 低 较高 高 电池寿命 数年 数天 数小时 网络节点 65000 7 30 网络扩展 自动扩展 无 无 传输范围 100m 1
9、0-100m 300m 传输率 250kbps 1Mbps 11Mbps 频段 2.4GHz/868MHz/916MHz 2.4GHz 2.4GHz 安全性 128 bit AES 64bit，128bit SSID 自组网还可以解决变电站无线通信的安全问题，安全问题包括访问控制和数据保密两方面。由于无线信号易受到干扰和监听，因此无线通信的安全问题尤为突出。在自组网中，数据通过多跳转发的方式传输，网络中每个节点只需与相邻节点通信，不需要很大的发射功率，通信的覆盖范围可通过网络节点的布置自由调整。自组网的这种特点使变电站内的无线传输信号在站外不易被监听，保证了通信的安全性。2 变电站综合安全监控
10、系统概述 2.1 变电站安全监控系统发展现状 近年来，为了保障无人值守数字化变电站的安全，变电站也配备了 MIS、SCADA、DTS、GIS 等一些安全监控系统，发挥了很大的作用。然而，这些系统仍存在着一些不足。首先，现行的监控系统多是按控制功能、对象、范围的不同划分为若干个子系统，如电力监控系统、通信监控系统、安防监控系统、事件管理查询系统等，各子系统之间是独自建设、彼此孤立的，没能形成一体化的安全监控体系，不利于变电站安全的整体综合监控，而且还存在人机交互界面的多样性、不一致性问题，严重影响了信息的充分利用以及综合决策水平；其次，各独立的监控子系统没有统一的通信制式和通信平台，带来通信资源
11、的严重浪费和传输效率低下，造成设备难以共享、实时控制水平低下；最后，目前的变电站安全运行监控系统中，安全监控信息的传输基本上是基于现场总线或工业以太网，有线的通信方式不仅使得系统的构建成本高，而且由于布线的限制，信息网络覆盖范围有限。基于上述问题的存在，本文利用红外与激光技术、信息处理技术、无线传感器技术等新兴技术，设计了具有高级决策支持能力的变电站综合安全监控系统，以实现各子系统的互通互联、信息共享，提高决策支持水平。2.2 变电站综合安全监控系统的涵义 变电站综合安全监控系统是指将彼此孤立的各类设备安全监控系统和安防监控系统通过无线传感器网络有机地连接在一起，在同一个人机界面上监控和协调各
12、相关子系统设备的工作，充分提高各类设备的效率、降低投资成本、提高变电站综合决策水平。针对变电站设备的运行安全问题，本文采用点面结合的红外测温技术对变电站设备的运行状态进行在线监控；针对变电站设备的安全防范问题，本文采用激光防盗技术实现变电站周界入侵的智能报警。为了实现运行设备状态信息与入侵报警信息的实时传送，系统采用 ZigBee 无线传感器自组网构建安全监控信息传输网络。该系统由 4 部分组成，系统结构如图 1所示：(1)红外测温子系统：对变电站内电气设备安全运行进行实时监测，负责采集监测点的温度数据，并把数据通过 ZigBee 网络发送。(2)周界激光安防监控子系统：实时监测变电站周界安全
13、情况，当有人入侵时产生报警吓阻入侵者，从而有效地保障变电站设备的安全。(3)安全监控信息传输子系统：通过2.4G 的公共频段，实现变电站电力设备状态信息与入侵报警信息的实时传输。(4)安全监控信息管理子系统：负责对数据接收终端进行工作参数设定，接收从系统中各个 ZigBee 网络终端上传的设备状态数据，并对数据保存，分析和管理等；测温数据和激光围栏工作状态可在系统实时数据库中作长期存储记录，供随时查询显示。电气设备电气设备数据数据中心中心ZigbeeZigbee终端节点终端节点ZigBeeZigBee中心中心节点节点ZigbeeZigbee终端节点终端节点ZigbeeZigbee终端节点终端节
14、点变电站监控中心变电站监控中心2 2.4 4G G免费频段免费频段周界激光安防监控子系统周界激光安防监控子系统ZigbeeZigbee终端节点终端节点安全监控信息安全监控信息管理子系统管理子系统安全监控信息传输子系统安全监控信息传输子系统红外测温子系统红外测温子系统电气设备电气设备温度采集点温度采集点ZigBeeZigBee中心中心节点节点2 2.4 4G G免费频段免费频段激光围栏激光围栏串口串口图 1变电站综合安全监控系统结构图 3 变电站综合安全监控系统应用方案 3.1 周界智能安全监控终端和测温终端 红外测温子系统和周界激光安防监控子系统都作为无线温度传感器自组网的终端节点，是网络组成
15、的基本单元，节点进行数据采集和发送、响应中心节点的指令等任务。下面就这两个子系统的终端节点进行分别介绍。3.1.1 红外测温子系统 红外测温子系统的主要设备是红外测温探头，本文采用北京博达昌正科技发展有限公司生产的 IRTP-300L 系列红外线测温传感器来采集温度，它是一种非接触式的红外测温探头，集成了专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的多用途红外温度测量系统，完全由工厂进行校准，因此它是一种紧凑的、高精度红外测温系统。它具有高效，不受环境影响等特点，例如污染，潮湿以及电磁干扰环境等，因此将其应用到电气设备如电缆接头、开关柜、变压器和电气面板等的故障监测中。它的测温范围是-20300 C，
16、带有 1 米电缆，利用 RS485 总线进行信号输出，产品如图 2 所示。图 2IRTP-300L 红外测温传感器 基于红外辐射的非接触式传感器接收被测目标发出的红外辐射来确定其温度，因此可以测量高温的、有腐蚀性的、高压带电的物体10-11。由于电力设备需要监测的位置和形态各不相同，本文采用薄膜热电堆和红外焦平面等红外温度探测器件相结合，以实现对点、面等不同测量形状的温度测量。以高压开关柜为例，在高压开关柜内放置 6 个测温探头，分别采集柜内 6 个三相隔离开关触头的温度。通过 RS485 总线将温度数据上送至数据采集单元，数据采集单元负责将温度就地显示，设置报警参数，并在温度超限时报警，同时
17、将温度数据和报警信号通过ZigBee 通信模块上送至变电站监控中心。3.1.2 周界激光安防监控子系统 激光光束发散角小，能耗低，方向性好，光束集中，功率密度大，光线穿透力强，不受太阳光、灯光、雨、雾、雪、沙尘、电磁、电波等干扰，所以采用激光作为传输媒体12。在变电站周界上安装一定数量的激光发射器和接收器，通过发射器发射出多道平行的不可见激光射线，与接收器形成一个光回路，从而组成一个环形围栏。围栏的每个单元相距 10-100m（具体长度由实际安装位置确定），沿竖杆方向包含 4 对平行的激光器和激光接收器（相距 20cm），即每个单元包含 4 束平行的激光。激光束形成警戒区域示意图如图 3 所示
18、。每个单元由激光器、激光接收器和检测电路组成，检测电路通过检测激光接收器的输出信号变化便可以判断是否有报警信号。这种设计可以实现电气隔离，提高检测电路的抗干扰能力和传输效率。激光围栏N组墙体激光器激光接收终端墙体20cm100m11NN激光接收器 图 3激光束形成警戒区域 当入侵者穿过警戒区域试图进入变电站时，会隔断激光射线回路，接收电路检测到异常情况，产生中断启动报警单元进行声光报警，并编码通过 ZigBee 无线传感器网络发送到变电站监控中心，然后由监控中心的服务器上运行的安全监控管理软件指示准确的入侵方位。此外，系统在第一时间以短信的形式把入侵信号报告给值班人员的手机上，同时值班人员可以
19、通过手机短信控制中心控制主机。3.2 变电站安全监控系统的无线传感器自组网结构 要构建无人值守变电站综合安全监控体系，信息通信平台是其核心和基础。由于变电站安防和设备状态检测的分散性，需要采用灵活高效的无线通信技术构建监控信息传输网络。本系统采用 ZigBee 无线自组传感器网络来实现变电站的安全监控。ZigBee 有 3 种拓扑结构和 2 种物理设备：星形结构(Star)、簇状结构(Cluster tree)和网状结构(Mesh)；2 种物理设备包括具有完全功能的设备(FFD)、仅具有简单功能的设备(RFD)。ZigBee 网络有由一个中心节点（协调器）管理若干子节点，最多一个中心节点可管理
20、 254 个子节点；同时中心节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000个节点的大网13。由于 ZigBee 协调器（中心节点）与ZigBee 路由，ZigBee 终端节点之间的线路传输的数据量大，而速率最高仅为 250kbps，如果所有节点在一个网络中，那么冲突域很大，影响传输效果。所以，针对不同设备的运行场合和分布情况，采用由两个中心节点组建的不同的自组网模型。由于变电站的电气设备众多，而且相对比较集中设备，网络传感器需要大量分布，监控数据量大以及实时性要好等特点，宜采用星型网和 Mesh 网组成的混合网，其模型见图 414。至于周界激光安防监控网络则比较简单，采用星型拓扑结构构建
21、一个由若干终端节点和一个中心节点组成的简单无线传感器网络。图 4ZigBee 网络拓扑模型 基于 IEEE802.15.4 标准的 ZigBee 无线通信采用免费的 2.4GHz 信道，将多个节点信息集中于个域网的中心协调器，通过协调器节点远程传输所有监测数据。ZigBee 有空模式、接收模式、发送模式、睡眠模式和命令模式等 5 种操作模式。在不需要通信的时候，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态的千分之一。ZigBee 从休眠状态转换到活跃状态一般只需要十几毫秒，而且由于使用直接扩频而不是跳频技术，重新接入信道的时间也很快。ZigBee 网络最初是由协调器起动并建立的
22、。协调器首先进行信道扫描，采用一个其他网络没有使用的空闲信道，同时规定网络拓扑参数，如最大的 RFD 数、路由算法等。协调器起动后，其他普通子节点加入网络时，只要将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络。网络建成后，协调器处于休眠状态，如果有报警信息，则被唤醒开始数据的收发工作及各种操作指令的执行。各个子节点上电自动加入网络后处于休眠状态，当采集到报警信息时候自动苏醒，与协调器节点进行通信并进行入侵信息的上报。ZigBee 传感器节点的低功耗运行方式能降低接入协调器节点时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。在变电站安全监控系统的无线自组传感
23、器网络中，所有网络节点处于平等地位，不存在任何的等级和层次差别，所以也被称为对等式结构，每个节点都可充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。这种结构比较简单，无需进行任何结构维护工作，网络节点的地位平等，不产生瓶颈效应，因此具有较好的健壮性。无线传感器节点和 ZigBee 中心节点都有看门狗，硬件电路进行了抗干扰设计，保证系统稳定可靠运行。3.3 变电站综合安全监控管理软件 变电站综合安全监控管理软件安装在变电站监控中心主机上，是整个变电站综合安全监控系统的核心。它负责对数据接收终端进行工作参数设定，接收从系统中各个 ZigBee 终端上传的测温数据和周界激光围栏状
24、态信息，并对数据保存，分析和管理等；数据可在系统实时数据库中作长期存储记录，供随时查询显示，从而对变电站的综合安全监控信息进行管理。软件主要包括操作员管理、运行数据管理、遥控操作和系统设置四个模块，如图 5 所示。变电站综合安全监控系统操作员管理运行数据管理用户密码数据实时显示和报警提示历史数据查询与统计电气设备温度查询与统计温度报警信息查询与统计激光围栏报警查询与统计短信收发实时操作开声光报警关声光报警遥控操作温度报警上下限设置系统设置激光围栏报警参数设置图 5变电站综合安全监控系统软件模块 从图中可以看出，站内实现了统一信息平台综合信息采集和实时处理状态监控数据，将现场数据采集、远程通信和
25、实时数据/历史数据服务器合并成为统一的系统。同时，可以及时了解设备的工作状态，为设备缺陷的早期发现、故障诊断和变电站安防提高重要的信息支撑。4 结语 本文介绍了无线自组传感器网络技术，结合其在电力系统中的应用前景，提出了变电站无线自组传感器网络的体系结构，设计了一种基于无线自组网传感器网络的变电站综合安全监控系统。该系统可对变电站内电气设备安全运行和变电站周界安全情况进行实时监测，迅速而准确地获得变电站运行的实时信息，完整地掌握变电站的实时运行状态，及时发现变电站运行的故障并做出相应的决策和处理，同时能通过声音、手机短信等多种方式发出报警信息，及时告知维护管理责任人，提高了事故处理的主动性，减
26、少和避免操作、误判断，缩短事故停电时间，实现对变电站的现代化运行管理。系统工作稳定可靠、检测精度高，速度快，且具有无线数据通信灵活方便等特点。随着 ZigBee 网络的快速发展，将更加适用于工业现场环境、监测封闭空间和其它需要多点监测的特殊场合。致谢 感 谢 上 海 市 重 点 科 技 攻 关 计 划(08160510600,09160501700)和上海市教育委员会科研创新项目(09ZZ185,09YZ337)的资助。参考文献 1 辛颖，谢光忠，蒋亚东基于 ZigBee 协议的温度湿度无线传感器网络J传感器与微系统，20O6，25(7)：82-88 2 张瑞华，袁东风嵌入式无线传感器网络节点
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30、0条)本文读者也读过(10条)1.顾秀芳.周志霞.王红坡.韩如月 基于相分量的辐射形配电网短路电流计算通用算法的研究会议论文-20102.狄建锴 蓝牙和wiFi在手机电路中的应用期刊论文-数字通信世界2011(9)3.孙毅臻.吴黎黎.余健庆.廖志伟 基于CIM/SVG图模数据一体化电力平台开发技术的对比研究会议论文-20104.刘耀年.张伟民.刘鹏飞.刘翠平.李艳英 潮流跟踪的一种新算法会议论文-20105.白忠彬.温步瀛.文福栓 基于节能发电的燃煤机组初始排污权免费分配模型会议论文-20106.YING Yi-rong.HUA Qing.TONG Yu-yuan The Study of Non-performing Loans of Banks with Capital Account Liberalization会议论文-20107.方健.李自品.彭辉.舒乃秋 Gauss小波基的小波网络在气敏传感器阵列检测法中的应用会议论文-20108.张历.张尧 并行计算环境下基于十进制编码的配网重构遗传算法研究会议论文-20109.荆朝霞.杨莹 基于EWA学习算法的电力市场仿真研究会议论文-201010.王巨丰.周锦宏.陆俊杰.唐捷.梁小峰 基于双级检测对雷击类型鉴别装置的优化仿真会议论文-2010 本文链接：http:/