可靠的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)在電力SCADA中的應(yīng)用

　　相對(duì)于電力微波通信網(wǎng)、電力DDN數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和公網(wǎng)等遠(yuǎn)程通訊技術(shù)相比，電網(wǎng)數(shù)字化需要“就地”獲取信息，并快速作出反應(yīng)，同時(shí)需要和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)配合。ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)針對(duì)電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、控制的需求，在通信容量、通信時(shí)延、通信可靠性、能量損耗上正是這樣一項(xiàng)滿(mǎn)足電力SCADA需求的技術(shù)。ZigBee技術(shù)首先被應(yīng)用在數(shù)字化變電站和電網(wǎng)監(jiān)控上。本文僅就配網(wǎng)和變電站數(shù)字化為例介紹ZigBee組網(wǎng)技術(shù)在電力SCADA中的應(yīng)用，電網(wǎng)監(jiān)控請(qǐng)參見(jiàn)筆者其他論文。

　　ZigBee技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用得益于近年來(lái)配網(wǎng)和變電站本身技術(shù)的發(fā)展提供的有利條件：

　　■ 數(shù)據(jù)采集數(shù)字化：光電互感器的應(yīng)用改變了監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

　　■ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散化：從集中控制、功能分散逐步向戶(hù)外型、分散型網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

　　■ 系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化：IEC 61850確立了電力系統(tǒng)的建模標(biāo)準(zhǔn)。

　　■ 系統(tǒng)分層分布化：通信技術(shù)分層獨(dú)立，為采用新興通信技術(shù)提供方便。

　　IEC 61850明確地將變電站系統(tǒng)分成3層：變電站層、間隔層和過(guò)程層。介于變電站層與過(guò)程層之間的間隔層智能電子設(shè)備(IED)，圍繞保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量、參數(shù)設(shè)置等功能與上下層設(shè)備交換信息，向上主動(dòng)傳送報(bào)告記錄、故障啟動(dòng)/動(dòng)作、變位、模擬信號(hào)量、錄波數(shù)據(jù)等報(bào)文，接收上層發(fā)出的各種控制塊的參數(shù)設(shè)置(例如日志控制、報(bào)告控制、GOOSE、GSSE等設(shè)置)、開(kāi)斷開(kāi)關(guān)或斷路器的控制指令、查詢(xún)記錄(或召喚)、對(duì)時(shí)等操作請(qǐng)求;向同一個(gè)間隔單元或者不同間隔單元的IED發(fā)出互鎖、報(bào)警、故障等信號(hào)，進(jìn)行分布式功能的服務(wù)調(diào)用;向下接收過(guò)程層合并單元傳來(lái)的周期性實(shí)時(shí)模擬信號(hào)，將主站控制操作斷路器的命令下傳給智能斷路器控制器，能對(duì)合并單元的采樣值控制塊設(shè)置采樣值周期、傳輸方式等參數(shù)，以改變傳輸質(zhì)量(見(jiàn)圖1)。

　　1：間隔層IED功能模型

　　2：微機(jī)閉鎖示意圖

　　數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備(IED)應(yīng)用ZigBee技術(shù)是電力SCADA發(fā)展趨勢(shì)之一，其中五防閉鎖裝置是電力安全生產(chǎn)的重要設(shè)備(IED)。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，技術(shù)的不斷更新，防誤裝置得到不斷改進(jìn)和完善。防誤裝置的設(shè)計(jì)原則是：凡有可能引起誤操作的高壓電氣設(shè)備，均應(yīng)裝設(shè)防誤裝置和相應(yīng)的防誤電氣閉鎖回路。

　　電網(wǎng)中的五防是指：

　　■ 防止誤分、合斷路器。

　　■ 防止帶負(fù)荷分、合隔離開(kāi)關(guān)。

　　■ 防止帶電掛(合)接地線(接地開(kāi)關(guān))

　　■ 防止帶接地線(接地開(kāi)關(guān))合斷路器(隔離開(kāi)關(guān))

　　■ 防止誤入帶電間隔。

　　80年代中期，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入了防誤閉鎖領(lǐng)域，其裝置統(tǒng)稱(chēng)為“微機(jī)閉鎖裝置”，二十年來(lái)，經(jīng)過(guò)了幾代技術(shù)的發(fā)展變遷，已成為既成熟又實(shí)用的一個(gè)技術(shù)分支。就微機(jī)五防產(chǎn)品而言，雖然各廠家的產(chǎn)品各有其特色，但基本原理和采用的技術(shù)手段大致相同，裝置主要由PC機(jī)、智能模擬屏、工控機(jī)、電腦鑰匙和各種鎖具組成。 通過(guò)在PC機(jī)或智能模擬屏上模擬預(yù)演，由系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先存儲(chǔ)的邏輯規(guī)則和狀態(tài)對(duì)每步預(yù)演進(jìn)行判斷，并通過(guò)串行接口通訊將操作步驟輸入電腦鑰匙中，然后用電腦鑰匙打開(kāi)裝于現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)設(shè)備上的編碼鎖，然后進(jìn)行倒閘操作。

　　微機(jī)閉鎖經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)不斷的完善和發(fā)展，已開(kāi)始在電力系統(tǒng)大面積推廣應(yīng)用，其綜合指標(biāo)相比其它防誤閉鎖裝置具有不可比擬的優(yōu)越性。特別是閉鎖全面、操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、性能可靠、造價(jià)相對(duì)較低受到電力系統(tǒng)的肯定。但是：實(shí)際上其自身還有很多不足，比如：

　　■ 離線操作模式的安全隱患問(wèn)題;

　　■ 系統(tǒng)造價(jià)偏高，使微機(jī)防誤閉鎖無(wú)法向廣度發(fā)展的問(wèn)題;

　　所謂“離線” 操作模式，是指在操作過(guò)程中電腦鑰匙與主控系統(tǒng)之間沒(méi)有通訊聯(lián)系，此種模式下電腦鑰匙只能順序執(zhí)行預(yù)存的操作票。由于離線模式而導(dǎo)致微機(jī)防誤裝置失去防護(hù)效果，發(fā)生誤操作事故的例子很多，比如某電廠對(duì)一條熱備用線路轉(zhuǎn)停電檢修操作時(shí)，在運(yùn)行人員前往現(xiàn)場(chǎng)操作的過(guò)程中由于二次的原因斷路器重合，而運(yùn)行人員未能及時(shí)接到通知，仍然用電腦鑰匙按預(yù)存的操作票打開(kāi)線路側(cè)刀閘的防誤鎖具，然后拉開(kāi)刀閘，造成一起帶負(fù)荷拉刀閘事故。某變電站執(zhí)行某線路停電檢修操作時(shí)，運(yùn)行人員持電腦鑰匙接通電氣鎖回路并斷開(kāi)斷路器，然后用電腦鑰匙打開(kāi)線路側(cè)刀閘的防誤鎖具，拉開(kāi)刀閘，卻造成一起帶負(fù)荷拉刀閘事故，事后分析原因是由于斷路器的觸頭沒(méi)有完全脫開(kāi)造成的。此外，在綜自站遇到代路、導(dǎo)母等操作時(shí)，運(yùn)行人員遇到監(jiān)控操作則必須返回主控室才能確認(rèn)操作步驟，導(dǎo)致操作人員多次往返奔波于主控室和現(xiàn)場(chǎng)之間，增加了人員的負(fù)擔(dān)，也降低了操作效率。以上種種問(wèn)題，在“離線”模式的微機(jī)防誤閉鎖裝置中是無(wú)法解決的。

　　采用ZigBee無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)的電腦鑰匙與主控設(shè)備之間的無(wú)線信息同步，同時(shí)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)中心拓?fù)浼夹g(shù)，成功解決強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中無(wú)線信息發(fā)送及接收的穩(wěn)定性和成功率等關(guān)鍵問(wèn)題，并成功降低了發(fā)射功率，確保產(chǎn)品在變電站干擾敏感區(qū)的安全使用。

　　特色和創(chuàng)新之處在于：

　　■ 在不大幅提高產(chǎn)品造價(jià)的前提下,徹底解決了現(xiàn)有微機(jī)防誤閉鎖裝置中普遍存在的離線操作存在安全隱患的問(wèn)題;

　　■ 填補(bǔ)了“多組同一任務(wù)并行操作”的空白，使系統(tǒng)具有了真正意義上的并行操作功能。

　　■ 無(wú)線電腦鑰匙在變電站無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何區(qū)域都可以輕松完成自學(xué)、接票、操作和回傳等，無(wú)需像以往的五防模式運(yùn)行人員來(lái)回跑上跑下進(jìn)行操作。

　　■ 實(shí)時(shí)在線，實(shí)時(shí)防誤：五防主機(jī)顯示的一次設(shè)備狀態(tài)是實(shí)時(shí)的，和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)保持一致。在操作的過(guò)程中，五防主機(jī)始終進(jìn)行實(shí)時(shí)邏輯判斷，判斷在操作過(guò)程中的任何時(shí)刻操作是否還滿(mǎn)足五防邏輯，起到了真正實(shí)時(shí)有效的防誤目的。

　　綜述

　　基于可靠ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的電力SCADA的應(yīng)用具有如下特點(diǎn)：

　　■ 擁有無(wú)線組網(wǎng)的核心技術(shù)專(zhuān)利;

　　■ 符合國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn);

　　■ 批量使用后，比現(xiàn)有系統(tǒng)更高的性?xún)r(jià)比;

　　■ 安裝維護(hù)極其方便，可以和現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接。

　　在電力SCADA從微機(jī)控制向綜合智能化控制發(fā)展過(guò)程中，主要表現(xiàn)為電氣設(shè)備的小型化、機(jī)電一體化，以及控制與保護(hù)的整體化，將控制、保護(hù)系統(tǒng)與一次設(shè)備就近安裝在一起，向著智能型裝置發(fā)展。高度綜合化和智能化的應(yīng)用將日益加快，優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，如緊湊的設(shè)計(jì)降低了空間要求;標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的技術(shù)使保護(hù)、控制易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)協(xié)調(diào);功能自由的設(shè)置使之更具靈活性;優(yōu)化測(cè)點(diǎn)可以降低成本和盡可能消除數(shù)據(jù)的不一致性;增強(qiáng)了的抗干擾能力，提高了SCADA(數(shù)據(jù)采集和控制)的準(zhǔn)確性。把低成本、低功耗的無(wú)線ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電力SCADA，不但滿(mǎn)足了數(shù)字化電網(wǎng)就地獲取信息、快速作出反應(yīng)、和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)配合的要求，同時(shí)還提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。