引言
變電站作為片區的供電樞紐，其穩定性和安全性與該片區的日常生活緊密相關?，F有變電站均配置一套視頻及環境監控系統，系統由監控工作站、通信控制器、攝像機、環境量采集設備、報警控制設備、交換機、存儲設備等組成，實現對變電站現場視頻及環境信息采集、處理、監控等功能，出現異常及時反饋，迅速通知救援，確保變電站安全、穩定運行。該系統意義重大，有著不可替代的作用，然而現有系統普遍采用有線方式進行供電及通信，由于變電站本身線纜繁多，走線錯綜復雜，而環境監控點數量多且分散，導致施工布線復雜、維護困難，另外還由于線纜過長，易損，造成壓降過大，影響數據的采集。ZigBee模塊無線傳感器網絡的出現，一方面省去了布線環節，從而提高監控布點靈活性，避免了由于線路原因造成的故障。另一方面，由于其使用的是智能化終端節點，可便捷增減監控點，具有極強的可拓展性。
1 ZigBee模塊無線傳感器網絡技術介紹
1.1 功能特點
ZigBee無線模塊無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量廉價且低功耗的微型傳感器節點組成，通過無線通信構造一個多跳自組織網絡。ZigBee 是現今流行的無線傳感網絡技術之一，作為基于IEEE 802.15.4 協議的雙向無線傳輸技術，其具有眾多特點，見表1。
表1
1.2 ZigBee 傳感系統的組成
在ZigBee網絡中，包含三種設備：⑴協調器，也稱作網關，完成對網絡的初始化和配置；⑵路由器設備，負責將子網連接起來，同時也起到擴展通信距離的作用；⑶終端設備，終端設備上面可集成各類傳感器，如溫濕度傳感器、水浸傳感器、煙霧傳感器等，負責對所在點傳感信息進行ZigBee數據采集，并上傳至協調器，由協調器再上傳至服務器主機進行處理。
節點之間連接組網組方式如圖1。
圖1 組網方式
完整的傳感系統還應包含安裝有數據處理軟件的服務器主機，負責接收、保存和處理接收到的傳感信息，整體系統圖2。
圖2 系統連接圖
2 ZigBee模塊在變電站環境監控系統的應用
2.1 可行性分析
目前一般變電站根據電壓等級分為500kV 變電站、220kV 變電站、110kV 變電站以及35kV 變電站，其中500kV 變電站一般為300m 長、300m 寬的矩形建筑，220kV 及以下變電站一般在100m 長、100m 寬以內，ZigBee 網絡可輕易實現站內全范圍覆蓋。
在整個變電站的視頻及環境監控系統中，視頻監控能耗及速率要求高，紅外對射能耗高，兩者不宜使用無線傳感器網絡，而對于數據流量、速率及能耗低要求低的環境監控設備，可以采用無線傳感器網絡，見表2。
表2
2.2 功耗控制
以目前市場上供貨最多的基于CC2530 片上系統的ZigBee模塊為例，其芯片具有計時器喚醒和外部中斷喚醒的休眠模式，休眠下電流小于1滋A，CPU 運行下電流約0.2mA，發射電流約29mA，接收電流約24mA。其中溫度、濕度、風速傳感器采用智能定時采集模式，初始設置間隔10秒喚醒采集終端進行數據采集，其他時間進入低功耗休眠模式，若采集數據有變化，則發送至協調器并縮短采集時間，若采集數據無變化，則不發送數據，并延長喚醒時間，從而達到功耗控制。對于水浸傳感、煙霧傳感，則采用外部中斷喚醒模式，正常情況處于超低功耗的休眠模式，若觸發水浸、煙霧報警，則喚醒采集模塊并告知協調器。如圖3~5所示。
圖3 協調器流程圖圖 4 模擬量采集流程圖圖 5 開關量采集流程圖
以溫度采集為例，考慮其他功耗，按最大電流為40mA 計算，發送持續0.01s，采集過程電流3mA，時間持續0.4s，平均每10s采集并選擇性發送數據，使用2 節1.5V 五號電池供電，電池按2000mAh 的電量計算，則使用時間為：T=2000mAh／[（0.01s×40mA+3mA×0.4s）/10s]=12500h，約520d。
其他開關量信號ZigBee無線數據采集終端節點，在正常情況下由于不做采集和發送，耗電更低。另外，在終端節點電池即將耗盡，出現供電電壓不足時，及時上報至主機，通知維護人員進行更換。
2.3 ZigBee模塊變電站視頻監控系統設計
以220kV 變電站為例，一般220kV 變電站根據功能劃分為220kV 場地、110kV場地、低壓配電場地以及主控樓區域。需要在戶外電纜溝安裝水浸傳感器，在主控樓頂安裝風速傳感器，在室內安裝溫度、濕度傳感器、煙霧傳感器。如圖6 所示。
圖6 變電站ZigBee 環境傳感器布置圖
系統采用串狀網絡方式，服務器主機及ZigBee 協調器安裝在主控樓內，在主控樓靠近220kV 場地和110kV場地各配置1 臺ZigBee 路由節點，用于中轉該區域傳感信息，協調器和路由節點采用有線供電，長期工作不休眠。
2.4 方案評價
本方案優點在于采用ZigBee模塊無線網絡，施工簡單、維護方便、成本低，可快速增減監控點，智能化程度高。缺點在于僅能傳輸低速率數據，要求傳感器能耗低，并且在經過1~2年后，需要及時更換終端節點供電電池。隨著技術的升級和更新，能耗問題將得到解決，本方案將具備更廣闊的應用價值。
3 結語
本文結合ZigBee無線模塊通信技術和ZigBee數據采集傳感器技術，對變電站環境監控系統的建設需求進行分析，重點介紹了ZigBee 技術并設計出一套基于無線ZigBee模塊傳感網絡的環境監控系統，為智能變電站的建設提供參考。