改进型ZigBee协议在避雷器在线监测系统中的应用研究

徐林，黄胜，朱璠

（国网四川省电力公司资阳供电公司，四川资阳，641300）

改进型ZigBee协议在避雷器在线监测系统中的应用研究

徐林，黄胜，朱璠

（国网四川省电力公司资阳供电公司，四川资阳，641300）

本文介绍了一种金属氧化物避雷器（MOA）在线监测系统硬件结构，包括MOA检测终端、电压汇集采样装置和同步通信控制器。在此基础上设计了基于ZigBee无线通信协议的避雷器监测系统。采用星型网络结构，以同步通信控制器为协调器，以MOA检测终端、电压汇集装置为终端节点，详细分析了协调器和节点的工作流程和组网方式。

MOA；ZigBee；星型网络；在线检测系统

0 引言

在电力系统中，过电压不可避免，为了使电网中各种电器设备免受过电压损坏，通常需要安装无间隙金属氧化物避雷器(MOA)，通过MOA的非线性伏安特性，泄放瞬态高压。MOA性能好坏直接影响电网的安全运行，因此需要实时监测其运行状态，及早发现并处理潜在的安全隐患[1-4]。早期的MOA检测需要依靠运维人员现场抄录，人力成本高、时效性差，不容易发现潜在的安全隐患。近年来，MOA在线自动检测设备层出不穷，相对早期的方式有了很大的改进，但大多采用有线的方式接入监控中心，这将需要铺设通信电缆，布线繁琐、维护困难，系统的成本高、灵活性差。当前，随着无线通信技术的发展，使用无线通信方式进行数据的采集和传输是比较理想的，无线传输也成了MOA在线监测的主流发展方向[5,6]。

MOA主要应用在高压变电站，变电站内通信距离较短，大多在一千米左右。ZigBee作为一种新兴的无线网络通信协议，广泛用于各种中短距离通信场合，目前，也有很多研究者将其用于MOA监测设备的通信中[7,8]。ZigBee无线网络通信协议符合IEEE 802.15.4标准，它具有低功耗、射频传输低成本、2.4 GHz免费频段、短时延、高容量的特点；可实现一点对多点、两点间对等通信；任意两个传感器之间可相互协调实现数据通信。其协议简洁，对通信控制器要求较低，相邻节点之间传输范围可增加到1～3 km，非常适合用于变电站内通信[9,10]。

本文针对避雷器在线监测系统的无线通信，在充分分析ZigBee协议的基础上，提出了一种适合于变电站内无线通信的改进型ZigBee协议，并对此开展了应用研究，研究结果表明，这种ZigBee通信协议有效地提高了避雷器在线检测的可靠性、科学性和时效性。

1 硬件系统

变电型MOA在线监测系统按功能分为四大模块：MOA检测终端、电压汇集装置、同步控制通信机、主控制台。主控制台的硬件部分包括服务器、显示器及网络交换机等；软件部分负责将所有数据整理成表格的形式，包括实时数据、历史数据，可与打印机联机。软件的组态系统包括当地地图、主接线、设备工况、实时检测数据、历史数据曲线、越限分析、报警等，直观地描述现场环境及MOA运行状态。

1.1 MOA检测终端

硬件系统第一部分为安装于MOA根部的监测终端，如图1所示。图中绕线电阻、整流桥、动作储能电容、触发电路、电流表、机械式计数器为传统机电式避雷器电路单元。在不改变传统避雷器电路结构的基础上，本系统新增了能源储能电容、能源管理模块、低功耗CPU、LCD、ZigBee通信模块。

1.2 电压检测

MOA阻性电流的计算不仅需要其全电流值，同时还需要与电流同相的电压作参考，因此需对每相MOA对应的电压进行同步采样。本系统第二部分即为安装于变电站继保室的电压汇集装置，其原理框图如图2所示。各参考电压通过隔离电压传感器传送至低通滤波器，然后经过信号放大器处理后接入模数转换器，CPU接收各路参考电压对应的数字信号，处理后通过ZigBee无线通信模块向外发送。该装置采用站用电作为电源，可同时采集若干路参考电压信号。

图1 避雷器在线检测终端原理图

图2 电压汇集装置原理图

1.3 同步通信控制器

由于需要同步采集MOA漏电流和电压，因此需要进行同步通信。系统第三部分是安装于继保室屋顶的同步控制通信机。如图3所示，同步控制通信机由CPU控制器、存储器EEPROM、GPS模块和无线通信模块组成。它的主要作用是每隔一段时间发出一条采样通知信号，电压汇集装置和终端塔上的监测终端收到此采样通知信号后，便开始采集各路的电压和电流信号，同步控制通信机在接收到电流和电压信号后，计算出每只MOA的阻性电流值，通过以太网接口传送至控制后台。

图3 通信同步控制机

2 改进型ZigBee网络

2.1 网络结构

根据变电站物理范围，设计通信距离为1km。根据应用场景通信特点，系统采用星型结构组网，如图4所示。ZigBee网络的终端节点由MOA检测终端1、2、……N和电压汇集检测装置组成，同步通信控制器充当协调器节点，同一网络中，所有终端节点都与协调器节点通信，终端节点之间的通信通过协调器的转发来实现。网络终端节点要么是数据传输的起点，要么是数据传输的终点，协调器同时可以将终端节点的数据通过以太网传送至主控制台。协调器在网络建立之前先对网络的属性初始化并建立协调器的描述符表，然后等待终端设备入网。在工作模式下，网络节点的传输数据量很小，因此信号的收/发时间极短；而在非工作模式时，网络节点处于休眠模式。设备的搜索、休眠激活和信道接入时延都很短，实现了终端节点的低功耗要求。

图4 ZigBee无线通信系统结构图

2.2 组网过程

本MOA在线监测系统的ZigBee网络有且只有一个协调器，即同步通信控制器。网络的建立是由协调器发起的，在ZigBee协议栈中，网络的初始化是有序的，每一个节点都有唯一的MAC地址，这是通过预编程设定的。如图 5中协调器控制流程所示，协调器上电后首先进行系统初始化设置，然后确定节点是否为协调器。协调器在创建网络的信道后，先要初始化网络的各种属性，建立协调器的信息数据库，分配网络地址，初始化设备近邻表，设定允许设备入网机制。上述过程结束后，协调器主动扫描，将信标请求命令以信标帧的形式在网络中广播，然后进入接收等待状态。协调器收到数据后将进入接收中断程序，接收到的信号先进行CRC校验，然后进入协议栈。MAC层将对PHY层数据服务接收到的所有帧分类处理，收到带有入网请求的信标帧代表找到了合适的信道。找到合适的信道后，协调器将其加入本网，并为网络选定一个地址标识符，这个标识符在所有使用的信道中是唯一的，同时协调器更新本地存储的近邻表。

图5 ZigBee无线通信控制流程图

当ZigBee协调器确定之后，终端节点（MOA检测终端和电压汇集装置）首先需要和协调器建立连接并加入网络，如图5中终端节点流程所示。终端节点在初始化完成后，首先会以广播方式主动发送连接请求信号，扫描查找周围网络的协调器。如果没有查找到信标，节点将在一定时间间隔后重新发起扫描并等待信标。如果在扫描期限内检测到信标，则将获取协调器的有关信息，同时向协调器发出连接请求。在选择合适的网络后，上层将请求MAC层对物理层和MAC层的相关属性写入本节点的信息数据库。成功入网后，终端网络节点即可向协调器发送并从协调器接收信息。网络节点在空闲状态时进入休眠状态。

3 结论

针对变电站用避雷器在线监测系统，采用改进型ZigBee协议，在软件上实现了ZigBee星形网络的组建。该网络实现了多个节点的自动入网、可靠通信，并且成功在多个110KV、220KV变电站内试用。本系统在硬件上兼容传统机电式MOA终端，具有低功耗、安装维护方便的特点，可推广到其它需要升级改造的变电站内。

[1]段长君，闫军，霍峰，等.500kV金属氧化物避雷器的运行状态带电诊断[J].电力科学与技术学报，2014, 29(4)：106-108.

[2]李顺尧，金属氧化锌避雷器测试方法对比与分析[J].高压电器，2010, 46(3)：94-98.

[3]熊少义，钟洪声.ZigBee无线自组网的LED节能灯控制系统[J].新器件新技术, 2011, 7: 46-48.

[4]严峥晖.基于MSP430和CC2520无线温湿度监测系统设计[J].电子世界, 2012,117-118.

Research on the application of improved ZigBee protocol in the on line monitoring system of arrester

Xu Lin,Huang Sheng,Zhu Fan
(Sichuan power company, Ziyang power supply company,Ziyang Sichuan,641300)

MOA;ZigBee;star network;online detection system

徐林，男，汉族，高级工程师，研究生，研究方向电力系统自动化。

Abstrac:In this paper, the hardware structure of a metal oxide arrester (MOA) on-line monitoring system is introduced, which includes MOA detection terminal, voltage sampling device and synchronous communication controller. Based on this, a lightning arrester monitoring system based on ZigBee wireless communication protocol is designed. This paper uses the star network structure, the synchronous communication controller as the coordinator, the MOA detection terminal and the voltage collection device as the terminal node.