張永伍1，黃  毅1，王  洋1，王政國2，王秋英2

　　（1.國網天津市電力公司電力調度控制中心，天津 300010；2.東方電子集團，山東 煙臺 264000）

　　摘  要： 電力行業二次設備運維通常使用手工記錄操作記錄和攜帶紙質圖紙資料的方式進行二次設備資產管理和運維管理，存在數據采集和傳輸實時性差、資料攜帶困難、設備和人工成本高、設備工作惡劣環境檢測困難等問題。針對上述問題，本文結合無線傳感網WSN和RFID兩者的技術優勢，在RFID電子標簽和溫度傳感器的基礎上，設計并實現了一種基于RFID技術與ZigBee無線網絡相融合的分布式設備管理和環境檢測系統，實現了設備帳、卡、物的一致，運維工作可靠管理和設備運行環境實時檢測的功能。

　　關鍵詞： RFID; ZigBee; WSN; 傳感器; 二次設備

0  引言

　　繼電保護是保證電力系統安全的重要環節，其對保障系統安全之重要、設備數量之繁多、種類之龐雜、邏輯之嚴密、信息之海量都充分表明繼電保護專業的管理是一個復雜而龐大的系統工程。隨著電網規模的迅速擴大和各項技術的飛速發展，國家電網公司對繼電保護專業管理工作的要求也越來越高，明確地提出了“規程系統化、設備標準化、管理規范化、分析精益化”的四化原則。為了滿足管理的需要，必須不斷加強對規劃、設計、設備選型、施工調試、運行維護、人員管理等全過程的管理。

　　電網繼電保護專業的管理者需要進行二次設備全壽命周期跟蹤管理，并全面掌控二次設備在購置、建設、運維、大修、退運、報廢等關鍵環節的相關信息，并實現各個管理環節的有效銜接和信息及時更新，對二次設備的實物進行快捷、高效、準確的管理。因此，需要建設基于RFID身份識別及物聯網技術的二次設備全壽命周期管理軟硬件平臺，實現對二次設備進行統一集中管理，促進設備資產管理的標準化、精益化，有效提高設備資產利用率。

　　對于上述管理方面的困難，本文提出了基于WSN和RFID技術的變電站二次設備全生命周期運維管理系統。基于WSN和RFID技術的變電站二次設備全生命周期運維管理系統，應用RFID技術，采用超高頻RFID標簽，其存儲保護設備的唯一身份標識信息和出廠信息，與保護設備相關聯，實現對保護設備的唯一標識，實現保護設備資產信息快速、高效、準確采集，提供保護設備信息及保護插件信息的查詢，實現設備操作前校驗功能，防止錯誤操作的發生，提供設備巡檢、設備檢驗功能管理，為設備的巡檢和校驗提供標準化模板和規范。基于RFID技術的二次設備全壽命周期管理系統對保護設備的資產管理和運行管理有著重要的意義。

　　變電站內運行的二次設備，均是高精密電子產品，對運行環境要求嚴格，基于ZigBee技術的無線傳感網溫濕度檢測系統，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，調整方便，并且能夠和空調系統聯動，自動調節空調溫度，保證二次設備運行在一個恒定的溫度環境中，保證二次設備可靠運行[1-4]。

1 技術背景

　　射頻識別技術（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動識別技術，讀寫器通過接收電子標簽發出的無線電波接收讀取數據。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簽，是物聯網最重要的終端之一[4]。

　　最常見的射頻系統是被動射頻系統，讀寫器將加密數據載波信號經發射天線向外發送，在其周圍形成電磁場；電子標簽進入發射天線工作區域后從電磁場中獲得能量激活標簽中的芯片電路，芯片將電磁波進行轉換，然后發送給讀寫器，讀寫器把它轉換成相關數據。計算器應用系統就可以處理這些數據從而進行管理控制。

　　使用物聯網身份識別等技術完成二次設備全壽命周期管理軟硬件平臺的建設，統一集中管理二次設備，建立起一套科學完整的二次設備全壽命周期管理流程規范。系統應用物聯網技術，存儲二次設備的唯一身份標識和運行信息，實現對二次設備的唯一標示、快速、高效、準確采集，提供二次設備信息及保護插件管理，進行設備工作校驗、防止走錯間隔，提供設備全壽命周期管理功能，實現二次設備全壽命周期管理全程任意環節可追溯。

　　無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，這些傳感器節點能夠實時采集網絡分布區域內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絡系統，將這些信息發送到網關節點和觀察者，以實現復雜的指定范圍內目標檢測與管理。互聯網（Internet）構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，而無線傳感器網絡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]。

　　無線傳感器網絡被廣泛應用于環境探測、天氣預報、安全監控等領域，發展應用前景非常廣闊。無線傳感器網絡系統集采集、傳輸、融合分析于一體，對于網絡復雜龐大的測控系統，如果線路連接過多會使系統成本較高而且維護困難，尤其對于現場監控點多且復雜的情況下，采用無線傳感器技術可非常容易解決。

　　ZigBee技術是一種新興的無線通信技術，常用于構建能夠自組網的傳感器網絡（WSN），它適合于功耗要求低、實時性要求不高、需要節點較多、不方便布線、需支持網狀網絡拓撲數據傳輸的場合[2]。

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的應用于無線監測與控制應用的全球性無線通信標準，在ZigBee 聯盟推動下進行網絡層和應用層的標準化[5]。ZigBee技術的核心是運行于微控制器內部的一套軟件，也稱之為軟件協議棧。

　　在ZigBee網絡中，按網絡角色可以分為中心節點（協調器）、路由節點（中繼器）和終端節點（采集器）。這幾種類型的節點可以組成不同拓撲結構的網絡，分別是星型結構、樹型結構與網型結構，如圖1所示。

　　本系統采用（C）網型結構(即MESH網)進行變電站內傳感器網絡的構建。系統的每個終端節點都有RFID讀寫設備、溫度傳感器、ZigBee終端節點組成[6]，RFID讀寫器將讀取的設備信息以及溫度傳感器采集的設備環境溫度通過ZigBee無線網絡節點逐級傳輸，最終到達設備管理工作站。

　　2 系統架構

　　本文所設計的基于WSN和RFID技術的變電站二次設備全生命周期運維管理系統應用ZigBee無線傳感網技術、RFID技術實現對設備全壽命周期管理過程中的唯一身份識別、設備信息實時獲取、溫度在線運行監測功能,系統結構如圖2所示。

　　系統按功能可分二次設備運維管理功能和二次設備環境檢測功能，按網絡區分則由無線傳感網和變電站綜合數據網以及管理系統服務網絡構成。基于WSN和RFID技術的變電站二次設備全生命周期運維管理系統方案設備主要包括：二次設備標識電子標簽、RFID手持管理終端、ZigBee溫濕度標簽、ZigBee無線路由器、ZigBee無線網絡協調器、應用服務、管理工作站等設備。RFID手持機讀取RFID標簽ID信息，將相關聯的數據信息通過網絡傳輸到后臺數據庫，實現信息數據共享。無線傳感網絡通過協調器接入基于WSN和RFID技術的變電站二次設備全生命周期運維管理系統，與數據庫服務器和管理工作站進行數據交互。本系統主要實現以下功能。

　　（1）基于電子標簽技術的二次設備信息數據采集管理系統，通過對設備資產全壽命周期內身份識別，建立設備實時管理信息。

　　（2）對二次設備進行統一集中管理，實現設備資產管理的標準化、精益化。

　　（3）與繼電保護系統進行信息互動，達到設備資產信息管理與實物管理統一，與變電站保護運行系統實現數據共享。

　　（4）實現設備操作前校驗功能，對設備資產進行快速、準確的操作管理，防止錯誤操作的發生，確保工作人員到場工作，監督工作人員。

　　（5）建立資產管理系統，可進行臺賬管理，可記錄、可追溯資產事件。

　　（6）實時監測二次設備運行環境的溫度變化情況，實時調節空調溫度，確保設備運行環境溫度恒定。

3 變電站二次設備全生命周期運維管理

　　變電站二次設備全生命周期運維管理系統，首次通過應用物聯網RFID技術對電網二次設備建立起“電子卡片”，為二次設備資產管理提供有效的唯一身份識別碼，實現對設備全生命周期管理過程中的唯一身份識別，提高信息維護的方便性，實現設備信息全生命過程中可查詢、可追溯。在設備資產管理過程中，制定規范的信息規范標準，通過標準接口直接導入、導出數據，實現數據的共享，減少信息人工維護工作量，并減少人為數據維護出錯量，提高信息的準確性、實時性、完整性。

　　實現設備精細化管理，首次將二次設備信息管理深入到設備板卡級別，對設備板卡信息進行全壽命過程跟蹤，如圖3所示。記錄設備板卡更換信息，可實現對板卡缺陷及更換的統計分析功能，為企業決策提供數據依據。另外，還可查詢退運設備中可重復利用的未達到使用年限的板卡信息，作為二次利用，節約了設備投入成本，具有巨大的經濟效益和社會效益。

　　實現設備智能巡檢和校驗管理，制定電力系統二次設備的標準的巡視和校驗作業指導書，由二次設備全壽命周期管理系統制定巡視或校驗任務，通過USB離線方式將巡視任務、巡視作業指導書下載至移動終端，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備上的RFID電子標簽讀取識別設備，系統自動彈出巡視作業指導書，并提示所巡視設備的巡視內容項，工作人員依據提示完成設備的巡檢工作和校驗工作，完成巡視工作后，將巡視結果或校驗結果上傳至客戶端系統。巡視任務作業展示圖如圖4所示。

4 變電站二次設備工作環境監測

　　系統實現了二次設備環境溫濕度監控報警功能，首次利用ZigBee無線自組網技術實現二次設備室內環境的無線監控，并提供超限的溫濕度信息報警和空調實時調節功能。利用有源溫濕度標簽實現區域環境的溫濕度信息進行檢測，將檢測信息轉發至ZigBee路由器，然后再統一上傳至二次設備全壽命周期管理系統。利用ZigBee無線自組網技術實現二次設備環境溫濕度監控報警功能，實現溫濕度上下限信息設置功能，如圖5所示，并提供超限預警功能以及空調自動調節功能。減少了系統投入成本和現場環境布線的復雜性，使現場更加整潔美觀。

5 溫度采集終端節點

　　溫度采集終端節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行采集，并通過無線通信網絡將采集到的溫度數據發送到網絡協調器。處理器模塊是溫度采集終端節點的核心模塊，用于進行數據存取、數據處理、執行通信協議和節點調度管理等工作；傳感器模塊用于感知溫度數據和執行A/D轉換；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；電源模塊為節點內的其他模塊提供電能，是所有電子系統的基礎，電源模塊的設計直接關系到節點的壽命[7]；外圍電路包括電源電量檢測、低電量本地報警等功能。溫度采集終端節點的框圖如圖6所示。

　　（1)傳感器模塊

　　系統中使用的溫度傳感器采用DALLAS公司的DS18B20數字式溫度傳感器，可編程分辨率為9～12位，對應的測溫分辨率為0.5、0.25、0.125、0.062 5℃。具有全數字溫度轉換與輸出、抗干擾能力強、功耗低、精度高等特點[8]。它的測量范圍為-55～+125 ℃，精度可達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據進行發送或接收，與微處理器連接時僅需要一根信號線就可實現通信。由于數據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在出廠時已經給定了獨有的64位序列號，因此可以實現多個器件的連接。

　　（2）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據并且進行處理，然后按照一定的時序發送給無線通信模塊,然后無線通信模塊把溫度和地址數據通過無線的方式發送。在處理器與無線通信模塊中使用TI公司的CC2430芯片，它結合一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器，是一款真正的系統芯片(SOC)CMOS解決方案[9]，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，及對低成本、低功耗的要求。

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

　　（2）芯片采用0.18 μ CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發射模式下，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；在待機模式時小于0.6 μA的電流損耗，外部的中斷能喚醒系統。系統的休眠模式和轉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 設備管理工作站

　　網絡終端節點將讀取到的設備信息以及溫度傳感器采集的設備環境溫度，通過網絡傳輸給服務器系統，運行在工作站的設備管理軟件將服務處理過的數據顯示給變電站的管理人員，并提供相應的查詢和管理操作，系統的運行流程如圖7所示[11]。

　　系統采用B/S結構，變電站管理人員通過IE等瀏覽器就可以根據設定的時間段、RFID讀寫器編號、傳感器編號進行歷史數據的查詢。溫度超過設定值時發出報警信息，并提供報警設備的位置信息。

　　本系統方案已在220 kV變電站進行了系統的建設和測試運行，對系統的某一終端節點采集的溫度曲線圖如圖8所示。

7 結論

　　本文提出的基于WSN和RFID技術搭建的一套變電站二次設備全生命周期運維管理系統，系統利用物聯網無線傳感和自組網技術，實現變電站設備運行環境的多目標、多路徑、自組織、高可靠的在線采集監測，利用RFID（無線射頻識別，俗稱電子標簽）具有的全球唯一編碼、多目標、遠距離快速識別、信息存儲、環境適應性好等突出優點，通過RFID技術實現變電站二次設備全壽命周期運維的電子化管理和信息實時更新，使二次設備管理更加精細，可及時監測二次設備資源的使用和流動情況，進行設備全生命周期跟蹤管理，保障二次設備在采購新增、建設投運、設備升級、運行管理、檢修維護、技改大修、報廢處置等關鍵環節的有效銜接和信息及時更新，能夠對二次設備的實物進行快捷、高效、準確的管理。

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