張永伍1,，黃  毅1,，王  洋1，王政國2,，王秋英2

　?。?.國網(wǎng)天津市電力公司電力調(diào)度控制中心，天津 300010,；2.東方電子集團(tuán),，山東 煙臺 264000）

　　摘  要： 電力行業(yè)二次設(shè)備運維通常使用手工記錄操作記錄和攜帶紙質(zhì)圖紙資料的方式進(jìn)行二次設(shè)備資產(chǎn)管理和運維管理，存在數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性差,、資料攜帶困難,、設(shè)備和人工成本高,、設(shè)備工作惡劣環(huán)境檢測困難等問題,。針對上述問題，本文結(jié)合無線傳感網(wǎng)WSN和RFID兩者的技術(shù)優(yōu)勢,，在RFID電子標(biāo)簽和溫度傳感器的基礎(chǔ)上,，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于RFID技術(shù)與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)相融合的分布式設(shè)備管理和環(huán)境檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)備帳,、卡,、物的一致，運維工作可靠管理和設(shè)備運行環(huán)境實時檢測的功能,。

　　關(guān)鍵詞： RFID; ZigBee; WSN; 傳感器; 二次設(shè)備

0  引言

　　繼電保護(hù)是保證電力系統(tǒng)安全的重要環(huán)節(jié),，其對保障系統(tǒng)安全之重要、設(shè)備數(shù)量之繁多,、種類之龐雜,、邏輯之嚴(yán)密、信息之海量都充分表明繼電保護(hù)專業(yè)的管理是一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程。隨著電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和各項技術(shù)的飛速發(fā)展,，國家電網(wǎng)公司對繼電保護(hù)專業(yè)管理工作的要求也越來越高,，明確地提出了“規(guī)程系統(tǒng)化、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化,、管理規(guī)范化,、分析精益化”的四化原則。為了滿足管理的需要,，必須不斷加強(qiáng)對規(guī)劃,、設(shè)計、設(shè)備選型,、施工調(diào)試,、運行維護(hù)、人員管理等全過程的管理,。

　　電網(wǎng)繼電保護(hù)專業(yè)的管理者需要進(jìn)行二次設(shè)備全壽命周期跟蹤管理,，并全面掌控二次設(shè)備在購置、建設(shè),、運維,、大修、退運,、報廢等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的相關(guān)信息,，并實現(xiàn)各個管理環(huán)節(jié)的有效銜接和信息及時更新，對二次設(shè)備的實物進(jìn)行快捷,、高效,、準(zhǔn)確的管理。因此,，需要建設(shè)基于RFID身份識別及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的二次設(shè)備全壽命周期管理軟硬件平臺,，實現(xiàn)對二次設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一集中管理，促進(jìn)設(shè)備資產(chǎn)管理的標(biāo)準(zhǔn)化,、精益化,，有效提高設(shè)備資產(chǎn)利用率。

　　對于上述管理方面的困難,，本文提出了基于WSN和RFID技術(shù)的變電站二次設(shè)備全生命周期運維管理系統(tǒng),。基于WSN和RFID技術(shù)的變電站二次設(shè)備全生命周期運維管理系統(tǒng),，應(yīng)用RFID技術(shù),，采用超高頻RFID標(biāo)簽，其存儲保護(hù)設(shè)備的唯一身份標(biāo)識信息和出廠信息,，與保護(hù)設(shè)備相關(guān)聯(lián),，實現(xiàn)對保護(hù)設(shè)備的唯一標(biāo)識,，實現(xiàn)保護(hù)設(shè)備資產(chǎn)信息快速、高效,、準(zhǔn)確采集,，提供保護(hù)設(shè)備信息及保護(hù)插件信息的查詢，實現(xiàn)設(shè)備操作前校驗功能,，防止錯誤操作的發(fā)生,，提供設(shè)備巡檢、設(shè)備檢驗功能管理,，為設(shè)備的巡檢和校驗提供標(biāo)準(zhǔn)化模板和規(guī)范,。基于RFID技術(shù)的二次設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)對保護(hù)設(shè)備的資產(chǎn)管理和運行管理有著重要的意義,。

　　變電站內(nèi)運行的二次設(shè)備,，均是高精密電子產(chǎn)品，對運行環(huán)境要求嚴(yán)格,，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng),，能夠無線分布式地自由安裝在所需檢測點上，不受布線條件限制,，自由靈活,，調(diào)整方便，并且能夠和空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動,，自動調(diào)節(jié)空調(diào)溫度,，保證二次設(shè)備運行在一個恒定的溫度環(huán)境中，保證二次設(shè)備可靠運行[1-4],。

1 技術(shù)背景

　　射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動識別技術(shù),，讀寫器通過接收電子標(biāo)簽發(fā)出的無線電波接收讀取數(shù)據(jù)。其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性,，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別,。RFID讀卡器可識別高速物體并可同時識別多個標(biāo)簽，是物聯(lián)網(wǎng)最重要的終端之一[4],。

　　最常見的射頻系統(tǒng)是被動射頻系統(tǒng),，讀寫器將加密數(shù)據(jù)載波信號經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)送,，在其周圍形成電磁場,；電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域后從電磁場中獲得能量激活標(biāo)簽中的芯片電路，芯片將電磁波進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，然后發(fā)送給讀寫器,，讀寫器把它轉(zhuǎn)換成相關(guān)數(shù)據(jù)。計算器應(yīng)用系統(tǒng)就可以處理這些數(shù)據(jù)從而進(jìn)行管理控制,。

　　使用物聯(lián)網(wǎng)身份識別等技術(shù)完成二次設(shè)備全壽命周期管理軟硬件平臺的建設(shè),，統(tǒng)一集中管理二次設(shè)備，建立起一套科學(xué)完整的二次設(shè)備全壽命周期管理流程規(guī)范。系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，存儲二次設(shè)備的唯一身份標(biāo)識和運行信息,，實現(xiàn)對二次設(shè)備的唯一標(biāo)示、快速,、高效,、準(zhǔn)確采集，提供二次設(shè)備信息及保護(hù)插件管理,，進(jìn)行設(shè)備工作校驗,、防止走錯間隔，提供設(shè)備全壽命周期管理功能,，實現(xiàn)二次設(shè)備全壽命周期管理全程任意環(huán)節(jié)可追溯,。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成,，這些傳感器節(jié)點能夠?qū)崟r采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息,，并通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點和觀察者,，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與管理,。互聯(lián)網(wǎng)（Internet）構(gòu)成了邏輯上的信息世界,，改變了人與人之間的溝通方式,，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變了人類與自然界的交互方式,，是一種全新的信息獲取平臺[3],。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境探測、天氣預(yù)報,、安全監(jiān)控等領(lǐng)域,，發(fā)展應(yīng)用前景非常廣闊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集采集,、傳輸,、融合分析于一體，對于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜龐大的測控系統(tǒng),，如果線路連接過多會使系統(tǒng)成本較高而且維護(hù)困難,，尤其對于現(xiàn)場監(jiān)控點多且復(fù)雜的情況下，采用無線傳感器技術(shù)可非常容易解決,。

　　ZigBee技術(shù)是一種新興的無線通信技術(shù),，常用于構(gòu)建能夠自組網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），它適合于功耗要求低,、實時性要求不高,、需要節(jié)點較多,、不方便布線、需支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊蟍2],。

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用于無線監(jiān)測與控制應(yīng)用的全球性無線通信標(biāo)準(zhǔn),，在ZigBee 聯(lián)盟推動下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化[5]。ZigBee技術(shù)的核心是運行于微控制器內(nèi)部的一套軟件,，也稱之為軟件協(xié)議棧,。

　　在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，按網(wǎng)絡(luò)角色可以分為中心節(jié)點（協(xié)調(diào)器）,、路由節(jié)點（中繼器）和終端節(jié)點（采集器）,。這幾種類型的節(jié)點可以組成不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，分別是星型結(jié)構(gòu),、樹型結(jié)構(gòu)與網(wǎng)型結(jié)構(gòu),，如圖1所示。

　　本系統(tǒng)采用（C）網(wǎng)型結(jié)構(gòu)(即MESH網(wǎng))進(jìn)行變電站內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,。系統(tǒng)的每個終端節(jié)點都有RFID讀寫設(shè)備,、溫度傳感器、ZigBee終端節(jié)點組成[6],，RFID讀寫器將讀取的設(shè)備信息以及溫度傳感器采集的設(shè)備環(huán)境溫度通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點逐級傳輸,，最終到達(dá)設(shè)備管理工作站。

　　2 系統(tǒng)架構(gòu)

　　本文所設(shè)計的基于WSN和RFID技術(shù)的變電站二次設(shè)備全生命周期運維管理系統(tǒng)應(yīng)用ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù),、RFID技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備全壽命周期管理過程中的唯一身份識別,、設(shè)備信息實時獲取、溫度在線運行監(jiān)測功能,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　系統(tǒng)按功能可分二次設(shè)備運維管理功能和二次設(shè)備環(huán)境檢測功能,，按網(wǎng)絡(luò)區(qū)分則由無線傳感網(wǎng)和變電站綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)以及管理系統(tǒng)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成?；赪SN和RFID技術(shù)的變電站二次設(shè)備全生命周期運維管理系統(tǒng)方案設(shè)備主要包括：二次設(shè)備標(biāo)識電子標(biāo)簽,、RFID手持管理終端、ZigBee溫濕度標(biāo)簽,、ZigBee無線路由器,、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、應(yīng)用服務(wù),、管理工作站等設(shè)備,。RFID手持機(jī)讀取RFID標(biāo)簽ID信息，將相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)庫,，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享,。無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過協(xié)調(diào)器接入基于WSN和RFID技術(shù)的變電站二次設(shè)備全生命周期運維管理系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和管理工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能,。

　　（1）基于電子標(biāo)簽技術(shù)的二次設(shè)備信息數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng),，通過對設(shè)備資產(chǎn)全壽命周期內(nèi)身份識別,，建立設(shè)備實時管理信息。

　?。?）對二次設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一集中管理,，實現(xiàn)設(shè)備資產(chǎn)管理的標(biāo)準(zhǔn)化、精益化,。

　?。?）與繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行信息互動，達(dá)到設(shè)備資產(chǎn)信息管理與實物管理統(tǒng)一,，與變電站保護(hù)運行系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,。

　　（4）實現(xiàn)設(shè)備操作前校驗功能,，對設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行快速,、準(zhǔn)確的操作管理，防止錯誤操作的發(fā)生,，確保工作人員到場工作,，監(jiān)督工作人員。

　?。?）建立資產(chǎn)管理系統(tǒng),，可進(jìn)行臺賬管理，可記錄,、可追溯資產(chǎn)事件,。

　　（6）實時監(jiān)測二次設(shè)備運行環(huán)境的溫度變化情況,，實時調(diào)節(jié)空調(diào)溫度,，確保設(shè)備運行環(huán)境溫度恒定。

3 變電站二次設(shè)備全生命周期運維管理

　　變電站二次設(shè)備全生命周期運維管理系統(tǒng),，首次通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)對電網(wǎng)二次設(shè)備建立起“電子卡片”,，為二次設(shè)備資產(chǎn)管理提供有效的唯一身份識別碼，實現(xiàn)對設(shè)備全生命周期管理過程中的唯一身份識別,，提高信息維護(hù)的方便性,，實現(xiàn)設(shè)備信息全生命過程中可查詢、可追溯,。在設(shè)備資產(chǎn)管理過程中,，制定規(guī)范的信息規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過標(biāo)準(zhǔn)接口直接導(dǎo)入,、導(dǎo)出數(shù)據(jù),，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,，減少信息人工維護(hù)工作量，并減少人為數(shù)據(jù)維護(hù)出錯量,，提高信息的準(zhǔn)確性,、實時性、完整性,。

　　實現(xiàn)設(shè)備精細(xì)化管理,，首次將二次設(shè)備信息管理深入到設(shè)備板卡級別，對設(shè)備板卡信息進(jìn)行全壽命過程跟蹤,，如圖3所示,。記錄設(shè)備板卡更換信息，可實現(xiàn)對板卡缺陷及更換的統(tǒng)計分析功能,，為企業(yè)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù),。另外，還可查詢退運設(shè)備中可重復(fù)利用的未達(dá)到使用年限的板卡信息,，作為二次利用,，節(jié)約了設(shè)備投入成本，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,。

　　實現(xiàn)設(shè)備智能巡檢和校驗管理,，制定電力系統(tǒng)二次設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)的巡視和校驗作業(yè)指導(dǎo)書，由二次設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)制定巡視或校驗任務(wù),，通過USB離線方式將巡視任務(wù),、巡視作業(yè)指導(dǎo)書下載至移動終端，由移動終端完成巡視或校驗工作,。具體巡視工作時,，以移動終端為載體，工作人員掃描安裝在設(shè)備上的RFID電子標(biāo)簽讀取識別設(shè)備,，系統(tǒng)自動彈出巡視作業(yè)指導(dǎo)書,，并提示所巡視設(shè)備的巡視內(nèi)容項，工作人員依據(jù)提示完成設(shè)備的巡檢工作和校驗工作,，完成巡視工作后,，將巡視結(jié)果或校驗結(jié)果上傳至客戶端系統(tǒng)。巡視任務(wù)作業(yè)展示圖如圖4所示,。

4 變電站二次設(shè)備工作環(huán)境監(jiān)測

　　系統(tǒng)實現(xiàn)了二次設(shè)備環(huán)境溫濕度監(jiān)控報警功能,，首次利用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)二次設(shè)備室內(nèi)環(huán)境的無線監(jiān)控，并提供超限的溫濕度信息報警和空調(diào)實時調(diào)節(jié)功能,。利用有源溫濕度標(biāo)簽實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境的溫濕度信息進(jìn)行檢測,，將檢測信息轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee路由器，然后再統(tǒng)一上傳至二次設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)。利用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)二次設(shè)備環(huán)境溫濕度監(jiān)控報警功能,，實現(xiàn)溫濕度上下限信息設(shè)置功能,，如圖5所示，并提供超限預(yù)警功能以及空調(diào)自動調(diào)節(jié)功能,。減少了系統(tǒng)投入成本和現(xiàn)場環(huán)境布線的復(fù)雜性,，使現(xiàn)場更加整潔美觀,。

5 溫度采集終端節(jié)點

　　溫度采集終端節(jié)點主要由傳感器模塊,、處理器模塊、無線通信模塊,、電源模塊,、外圍電路模塊組成，用于對待測點的溫度進(jìn)行采集,，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,。處理器模塊是溫度采集終端節(jié)點的核心模塊，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)存取,、數(shù)據(jù)處理,、執(zhí)行通信協(xié)議和節(jié)點調(diào)度管理等工作；傳感器模塊用于感知溫度數(shù)據(jù)和執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換,；無線通信模塊由無線射頻電路和天線組成，用于完成無線通信任務(wù),；電源模塊為節(jié)點內(nèi)的其他模塊提供電能,，是所有電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電源模塊的設(shè)計直接關(guān)系到節(jié)點的壽命[7],；外圍電路包括電源電量檢測,、低電量本地報警等功能。溫度采集終端節(jié)點的框圖如圖6所示,。

　?。?)傳感器模塊

　　系統(tǒng)中使用的溫度傳感器采用DALLAS公司的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，可編程分辨率為9～12位,，對應(yīng)的測溫分辨率為0.5,、0.25、0.125,、0.062 5℃,。具有全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換與輸出、抗干擾能力強(qiáng),、功耗低,、精度高等特點[8]。它的測量范圍為-55～+125 ℃,，精度可達(dá)0.1℃,，適用于精確測溫場合,。DS18B20采用單總線的工作方式，通過一條單線接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送或接收,，與微處理器連接時僅需要一根信號線就可實現(xiàn)通信,。由于數(shù)據(jù)線本身可以為器件提供寄生電源，所以DSl8B20不需要外部電源,。每一個DSl8B20在出廠時已經(jīng)給定了獨有的64位序列號,，因此可以實現(xiàn)多個器件的連接。

　?。?）處理器與無線通信模塊

　　處理器模塊的作用主要是讀出溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)并且進(jìn)行處理,，然后按照一定的時序發(fā)送給無線通信模塊,然后無線通信模塊把溫度和地址數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送。在處理器與無線通信模塊中使用TI公司的CC2430芯片,，它結(jié)合一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器,，是一款真正的系統(tǒng)芯片(SOC)CMOS解決方案[9]，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用,，及對低成本,、低功耗的要求。

　?。?）電源模塊

　　獲取電能有兩種方案:一種是電力線電流通過電流互感器和整流濾波電路獲得電能,，另一種是使用電池供電。

　　考慮到以下兩點,，采用鋰電池供電,。

　　（1）電源的穩(wěn)定性和持久性是溫度采集終端節(jié)點穩(wěn)定工作的重要因素,，如果從電力線獲取則該電源獲取能量的大小隨電力線負(fù)荷的變化而改變,，其變化幅度較大，因此時常會出現(xiàn)供電不足的現(xiàn)象,。

　?。?）芯片采用0.18 μ CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA,；在接收和發(fā)射模式下,，電流損耗分別小于27 mA和25 mA；在休眠模式時僅0.9 μA的電流特性,，外部的中斷或者RTC能喚醒系統(tǒng),；在待機(jī)模式時小于0.6 μA的電流損耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng),。系統(tǒng)的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式是超短時間的特征,，特別適合采用電池供電[10]。

6 設(shè)備管理工作站

　　網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點將讀取到的設(shè)備信息以及溫度傳感器采集的設(shè)備環(huán)境溫度，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器系統(tǒng),，運行在工作站的設(shè)備管理軟件將服務(wù)處理過的數(shù)據(jù)顯示給變電站的管理人員,，并提供相應(yīng)的查詢和管理操作，系統(tǒng)的運行流程如圖7所示[11],。

　　系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu),，變電站管理人員通過IE等瀏覽器就可以根據(jù)設(shè)定的時間段、RFID讀寫器編號,、傳感器編號進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢,。溫度超過設(shè)定值時發(fā)出報警信息，并提供報警設(shè)備的位置信息,。

　　本系統(tǒng)方案已在220 kV變電站進(jìn)行了系統(tǒng)的建設(shè)和測試運行,，對系統(tǒng)的某一終端節(jié)點采集的溫度曲線圖如圖8所示,。

7 結(jié)論

　　本文提出的基于WSN和RFID技術(shù)搭建的一套變電站二次設(shè)備全生命周期運維管理系統(tǒng),，系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)無線傳感和自組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)變電站設(shè)備運行環(huán)境的多目標(biāo),、多路徑,、自組織、高可靠的在線采集監(jiān)測,，利用RFID（無線射頻識別,，俗稱電子標(biāo)簽）具有的全球唯一編碼、多目標(biāo),、遠(yuǎn)距離快速識別,、信息存儲、環(huán)境適應(yīng)性好等突出優(yōu)點,，通過RFID技術(shù)實現(xiàn)變電站二次設(shè)備全壽命周期運維的電子化管理和信息實時更新,，使二次設(shè)備管理更加精細(xì)，可及時監(jiān)測二次設(shè)備資源的使用和流動情況,，進(jìn)行設(shè)備全生命周期跟蹤管理,，保障二次設(shè)備在采購新增、建設(shè)投運,、設(shè)備升級,、運行管理、檢修維護(hù),、技改大修,、報廢處置等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的有效銜接和信息及時更新，能夠?qū)Χ卧O(shè)備的實物進(jìn)行快捷,、高效,、準(zhǔn)確的管理。

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