基于可靠ZigBee组网技术的电力SCADA应用

技术分类:网络与通讯 作者：秦毅，深圳市天智系统技术有限公司 发表时间：2007-11-10

 

　　SCADA系统概述
　　SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、铁道交通系统、水利环保系统、石油化工系统等领域的数据采集、监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统、电气化铁道上又称远动系统。
　　SCADA系统是以计算机、电子、通信技术为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
　　SCADA在北美和世界上的其他地方的定义有所不同：
　　在北美，SCADA是指大规模分布式测量和控制系统；在北美以外，SCADA是指执行数据采集与监控的系统，而不限制规模和地域分布。
　　由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为智能电网能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统（见图1），有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速

诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电网运营不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，有着不可替代的作用。

　　图1：智能电网的信息流图

　　电力SCADA系统
　　电网的运行控制要求各种发电、输电、变电、配电、用电设备，在同一瞬间、按照同一节奏，遵循着统一的规律，有条不紊地运行。各个环节环环相扣，严密和谐，不能有半点差错。对于一个大型的电网控制点多达数百万个，对其中每一点的调控都将会牵一发而动全身，必须预先经过精密计算，相互协调配合，才能达到最优的控制效果。现代电网的运行控制的目标是：保持电网安全经济的运行；发生偶然事故时，迅速排除事故，防止事故扩大，尽早恢复电网正常运行；同时为客户提供合乎质量的电能。
　　电力SCADA按照IEEE的定义，是指一种可以使电网公司实时地监视、协调和操作各种电网设备的系统。其功能分为三类：
　　■ 监视：采集模拟量和开关量，判断电网的实时状态
　　■ 控制：必要时可以自动控制断路器等配电设备，改变当前电网的运行工况
　　■ 保护：可以自动识别电网系统的故障点，并进行故障隔离
　　电力SCADA是综合了电子技术、通信技术、计算机技术、网络技术和电网运行控制技术，与各种电网设备相结合，将电网在正常和事故情况下监测、控制、保护和电网公司运营有机的融合在一起的一种综合自动化系统。因此，电力SCADA的实施是基于可靠通信技术的发展，其中电力线载波和无线短距离通信被公认为是可能的解决方案。但是，电力线载波受电力线长度和多次谐波干扰，短距离无线通信受到空间距离和物理屏蔽的限制，直到智能网状网技术的逐渐发展成熟而开始被使用。相对于电力线载波技术各厂家的各自为政而造成的设备不能互联互通；无线短距离网络技术发展之初由20多个主流的工业控制产商成立了ZigBee联盟、共同制定了国际标准。ZigBee标准是第一个也是当前唯一的开放的、低成本，低功耗、无线互联的网状网络国际标准。ZigBee联盟当前已经发展为220多个成员，包括美国爱迪生电力公司、太平洋气电公司、加拿大安大略水电公司、等全球十五家电网公司。在中国，由国家标准委牵头，浙江、江苏、湖北、广西、湖南电网公司和深圳市天智系统技术有限公司等公司发起，成立了《ZigBee无线网络与控制系统》国家标准工作组，起草标准相关文件。
　　ZigBee技术简介
　　2000年美国的MIT，美国的UC伯克利大学，加拿大 McGill大学开始了Wireless Sensor　Network的研究。国家安全和防控恐怖主义的袭击是该研究主要课题，无线微尘项目是该研究第一个启动的项目，致力于研究在有限的区域里，撒布上成千上万无线传感器件，来实时的采集数据，动态分析环境变化，及时做出预警和报警。IEEE于2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订媒体存取控制层(MAC)与物理层(PHY)规范，在2003年5月通过802.15.4标准。　2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将成立“ZigBee 联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。
　　ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于RFID（无线射频识别）和蓝牙之间的技术。这个字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花粉位置等资讯，以达到彼此沟通讯息之目的，故以此作为新一代无线通讯技术之命名。ZigBee先前亦被称为‘HomeRF Lite’、‘RF-EasyLink’或‘FireFly’无线电技术，主要用于近距离无线连接，目前统一称为ZigBee 。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要 很少的能量，以组成网状网络的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如GPRS、CDMA、WiMax收集。
　　在标准规范之制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，两者分别制订负责制订媒体存取控制层(MAC)与物理层(PHY)规范与网络层（NWL）、应用层（APL）和安全层（SEC）软体标准，两者之角色与分工就如同IEEE 802.11小组与Wi-Fi之关系（见图2）。

 

　　图2：ZigBee标准分层示意图

 图3：ZigBee网络架构

　　在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，，在2003年5月通过802.15.4标准，2006年802.15.4任务小组制订了802.15.4b标准，此标准主要是加

强802.15.4标准，包括有解决标准疑义之处、降低复杂度、提高弹性并思考新的频段分配等。
　　ZigBee联盟负责制订网路层、安全管理、应用介面规范，其次亦肩负互通测试，在2004年第四季推出第1.0版规范(Version 1.0)。2006年底发布了ZigBee规范(Version 1.0)的修订版，对组设备、设备维护、目标组播、无线编程等四个方面做了增修，同时定于2007年发布新一版的规范。
　　在网络层方面，ZigBee联盟制订ZigBee可具备支持Star、Cluster Tree与Mesh三种网路架构（见图3）。在各个节点之角色方面，可分为全功能设备（Full-Function Device；FFD）与精简功能设备（Reduced-Function Device；RFD）。相较于FFD，RFD之电路较为简单且占用Flash较小。FFD之节点具备控制器（Controller）之功能提供资料交换，而RFD则是只能传送资料给予FFD或是从FFD接受资料。　　
　　ZigBee技术针对环境如汽车，手机，发电机，配电房，变压器等对于无线通信的干扰有着很好的防范技术。自然界对于无线信号的干扰分为两类：
　　■ 移动物体的干扰，也就是物理学中的“多普勒效应”其原理是外界物体移动引起电磁波环境发生变化，从而影响无线通讯效果。ZigBee组网技术采用的是密集组网技术，也就是说电磁环境变化使得某些链接的效果变差，却使得另一些链接效果变好。因为通讯的过程通常有多条路径，所以整体来看没有影响。
　　■ 电磁波的干扰：ZigBee技术工作在2.4GHz频段，与上述雷电、工业、交通、生活（包括手机）中使用的电力、电子设备产生的电磁波和不在同一频道，因此没有干扰。同时2.4GHz工作还有天线体积小，节省能源使用的优点。
　　可靠的ZigBee组网技术在电力SCADA中的应用
　　相对于电力微波通信网、电力DDN数字数据和公网等远程通讯技术相比，电网数字化需要“就地”获取信息，并快速作出反应，同时需要和远程通讯技术配合。ZigBee无线自组网技术针对电力系统监测、控制的需求，在通信容量、通信时延、通信可靠性、能量损耗上正是这样一项满足电力SCADA需求的技术。ZigBee技术首先被应用在数字化变电站和电网监控上。本文仅就配网和变电站数字化为例介绍ZigBee组网技术在电力SCADA中的应用，电网监控请参见笔者其他论文。
　　ZigBee技术在智能电网中的应用得益于近年来配网和变电站本身技术的发展提供的有利条件：
　　■ 数据采集数字化：光电互感器的应用改变了监控系统的结构。
　　■ 系统结构分散化：从集中控制、功能分散逐步向户外型、分散型网络发展。
　　■ 系统建模标准化：IEC 61850确立了电力系统的建模标准。
　　■ 系统分层分布化：通信技术分层独立，为采用新兴通信技术提供方便。
　　IEC 61850明确地将变电站系统分成3层：变电站层、间隔层和过程层。介于变电站层与过程层之间的间隔层智能电子设备（IED），围绕保护、测量、计量、参数设置等功能与上下层设备交换信息，向上主动传送报告记录、故障启动／动作、变位、模拟信号量、录波数据等报文，接收上层发出的各种控制块的参数设置(例如日志控制、报告控制、GOOSE、GSSE等设置)、开断开关或断路器的控制指令、查询记录(或召唤)、对时等操作请求；向同一个间隔单元或者不同间隔单元的IED发出互锁、报警、故障等信号，进行分布式功能的服务调用；向下接收过程层合并单元传来的周期性实时模拟信号，将主站控制操作断路器的命令下传给智能断路器控制器，能对合并单元的采样值控制块设置采样值周期、传输方式等参数，以改变传输质量（见图4）。

 

　　图4：间隔层IED功能模型

　　图5：微机闭锁示意图

　　数字化变电站智能电子设备（IED）应用ZigBee技术是电力SCADA发展趋势之一，其中五防闭锁装置是电力安全生产的重要设备（IED）。随着电网的不断发展，技术的不断更新，防误装置得到不断改进和完善。防误装置的设计原则是：凡有可能引起误操作的高压电气设备，均应装设防误装置和相应的防误电气闭锁回路。
　　电网中的五防是指：
　　■ 防止误分、合断路器。
　　■ 防止带负荷分、合隔离开关。
　　■ 防止带电挂（合）接地线（接地开关）
　　■ 防止带接地线（接地开关）合断路器（隔离开关）
　　■ 防止误入带电间隔。
　　80年代中期，计算机技术进入了防误闭锁领域，其装置统称为“微机闭锁装置”，二十年来，经过了几代技术的发展变迁，已成为既成熟又实用的一个技术分支。就微机五防产品而言，虽然各厂家的产品各有其特色，但基本原理和采用的技术手段大致相同，装置主要由PC机、智能模拟屏、工控机、电脑钥匙和各种锁具组成。 通过在PC机或智能模拟屏上模拟预演，由系统内预先存储的

逻辑规则和状态对每步预演进行判断，并通过串行接口通讯将操作步骤输入电脑钥匙中，然后用电脑钥匙打开装于现场相应设备上的编码锁，然后进行倒闸操作。
　　微机闭锁经过十几年来不断的完善和发展，已开始在电力系统大面积推广应用，其综合指标相比其它防误闭锁装置具有不可比拟的优越性。特别是闭锁全面、操作方便、维护简单、性能可靠、造价相对较低受到电力系统的肯定。但是：实际上其自身还有很多不足，比如：
　　■ 离线操作模式的安全隐患问题；
　　■ 系统造价偏高，使微机防误闭锁无法向广度发展的问题；
　　所谓“离线” 操作模式，是指在操作过程中电脑钥匙与主控系统之间没有通讯联系，此种模式下电脑钥匙只能顺序执行预存的操作票。由于离线模式而导致微机防误装置失去防护效果，发生误操作事故的例子很多，比如某电厂对一条热备用线路转停电检修操作时，在运行人员前往现场操作的过程中由于二次的原因断路器重合，而运行人员未能及时接到通知，仍然用电脑钥匙按预存的操作票打开线路侧刀闸的防误锁具，然后拉开刀闸，造成一起带负荷拉刀闸事故。某变电站执行某线路停电检修操作时，运行人员持电脑钥匙接通电气锁回路并断开断路器，然后用电脑钥匙打开线路侧刀闸的防误锁具，拉开刀闸，却造成一起带负荷拉刀闸事故，事后分析原因是由于断路器的触头没有完全脱开造成的。此外，在综自站遇到代路、导母等操作时，运行人员遇到监控操作则必须返回主控室才能确认操作步骤，导致操作人员多次往返奔波于主控室和现场之间，增加了人员的负担，也降低了操作效率。以上种种问题，在“离线”模式的微机防误闭锁装置中是无法解决的。
　　采用ZigBee无线自组织网络技术，实现了微机防误闭锁系统的电脑钥匙与主控设备之间的无线信息同步，同时运用网络中心拓扑技术，成功解决强电磁干扰环境中无线信息发送及接收的稳定性和成功率等关键问题，并成功降低了发射功率，确保产品在变电站干扰敏感区的安全使用。
　　特色和创新之处在于：
　　■ 在不大幅提高产品造价的前提下,彻底解决了现有微机防误闭锁装置中普遍存在的离线操作存在安全隐患的问题；
　　■ 填补了“多组同一任务并行操作”的空白，使系统具有了真正意义上的并行操作功能。
　　■ 无线电脑钥匙在变电站无线网络覆盖的任何区域都可以轻松完成自学、接票、操作和回传等，无需像以往的五防模式运行人员来回跑上跑下进行操作。
　　■ 实时在线，实时防误：五防主机显示的一次设备状态是实时的，和现场设备的实际状态保持一致。在操作的过程中，五防主机始终进行实时逻辑判断，判断在操作过程中的任何时刻操作是否还满足五防逻辑，起到了真正实时有效的防误目的。
　　综述
　　基于可靠ZigBee组网技术的电力SCADA的应用具有如下特点：
　　■ 拥有无线组网的核心技术专利；
　　■ 符合国际和国内标准；
　　■  批量使用后，比现有系统更高的性价比；
　　■ 安装维护极其方便，可以和现有系统无缝对接。
　　在电力SCADA从微机控制向综合智能化控制发展过程中，主要表现为电气设备的小型化、机电一体化，以及控制与保护的整体化，将控制、保护系统与一次设备就近安装在一起，向着智能型装置发展。高度综合化和智能化的应用将日益加快，优点显而易见，如紧凑的设计降低了空间要求；标准化、模块化的技术使保护、控制易于实现最优协调；功能自由的设置使之更具灵活性；优化测点可以降低成本和尽可能消除数据的不一致性；增强了的抗干扰能力，提高了SCADA（数据采集和控制）的准确性。把低成本、低功耗的无线ZigBee技术应用于电力SCADA，不但满足了数字化电网就地获取信息、快速作出反应、和远程通讯技术配合的要求，同时还提高了系统应用的灵活性。