电厂应用ZigBee技术的必要性和可行性研究

　　输电线(220 kV)谐波(测试点C)：220 kV GIS站葛铝I回线电压、电流谐波检测结果；测量时间：2007年1月15日；测量工具：中元华电ZH-2故障录波装置；CT变比：1000／1 PT变比：220 kV／100 V；

　　在表7中：

　　(1)14次以上的谐波成分已经趋向零；葛铝I回线负荷电流测量1次值为600 A，3次谐波电流最大一次值为3 A；葛铝I回线电压测量一次值为220 kV，5次谐波相电压最大一次值为677 V；经比较表5，6，7可知：开关站500 kV和220 kV系统电压、电流谐波与葛铝I回线在同一水平。由上面数据分析出：ZigBee技术射频信号没有对输电线路产生影响，说明ZigBee技术应用在电厂输电系统中也是可行的。

　　测试数据分析：

　　发电机空载额定电压时线电压谐波总畸变率为2.01％5％，发电机带负荷后机端线电压谐波总畸变率有所下降(见数据表3)，各负荷下机端线电压谐波总畸变率变化不大，主要谐波成份为5次、3次。机端谐波电流以5次、3次为主(见数据表4)，各测试工况变化不大；

　　(2)该发电机并网前后及并网后各负荷下，升压变压器高压侧谐波电压总畸变率变化不大(见数据表5、表6)，最大值为2.57％，主要谐波成份为5次、3次；

　　(3)输电线的主要谐波成份为5次、3次、14次以上的谐波电流、电压趋向零。开关站500 kV和220 kV系统电压、电流谐波与葛铝I回线在同一水平(见数据表5～7)。

　　综上所述：移动通信信号，即ZigBee技术射频信号侵入电厂一次设备中不会恶化电能质量。ZigBee技术射频在设备中含量很低。ZigBee技术的射频信号最大输出功率：≤1 mW，如果单个网240个传感器，其最大发射功率：≤240×1 mW，对十几万千瓦或几十万千瓦的大中型发电机的定、转子的温升几乎没有影响，而且240个点的射频信号并非同时刻工作，采样时间可以优化设置，另外，利用电机转子轮毂(轮毂本身具有屏蔽作用)，采用屏蔽技术对射频距离和方向可以根据需要调整设置，保证尽量减少射频信号侵入电机。上述试验表明电机内部的谐波主要成分是1次、2次、3次和5次谐波，且电机带负荷后机端线电压谐波总畸变率有所下降。这些成分没有也不会与ZigBee技术的射频信号重叠。

　　总之，ZigBee技术网络不会恶化电网电能质量，也不会引起旋转电机设备的温升越限，对电厂一次设备和电力系统运行是安全的。

3.1.2 对电厂二次设备的影响分析

　　ZigBee技术的频率范围为868 MHz，915 MHz和2.4～2.483 5 GHz的3种高频信号，而一般电机微机保护采集的是基波量、2次谐波量和3次谐波量。而且不论电流互感器，还是电压互感器其本身就是电感元件，电感具有对高频信号抑制的性质，另外微机保护输入还采用了光电隔离技术，加上一次设备中还装有开关电容器(见图1)等都对高频谐波有滤波和导通作用。因此，ZigBee技术的射频信号对保护没有影响，不会引起保护的误动。对保护装置运行而言是安全的。

3.2 论证结果

　　在ZigBee技术通信可靠性保证的基础上，ZigBee技术无论应用在电厂一次设备，还是二次设备中都是安全可行的，同时也不会影响电网的安全运行和电能质量。

4 ZigBee技术可应用对象(application object)及数据特性研究

4.1 通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术

　　(1)设备成本很低，传输的数据量很小；

　　(2)设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；

　　(3)没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；

　　(4)频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；

　　(5)需要支持大型网络接点的数量级，需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅用于监测或控制；

　　(6)对通信服务质量QoS要求不高(甚至无QoS)；

　　(7)需要可选择的安全等级(采用AES-128)：加密、发送鉴别、报文的完整性；

　　(8)需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用；

　　(9)要求高的网络自组织、自恢复能力。

4.2 电厂设备监测ZigBee技术符合以上条件之一的对象

　　(1)电机内部绕组温升、绝缘在线监测，如转子、定子、变压器温升和绝缘，特别是电机端部、汇流排等的接头的温升、绝缘监测；

　　(2)开关触头、母线接头、导线接头、电缆接头状态和温升在线监测；

　　(3)电厂发、配、输电设备的绝缘和过电压保护设备的在线监测；

　　(4)油库、电缆廊道等温度在线监测与报警，即火灾报警；

　　(5)各类大量的开关位置，二次设备连片(压板)状态等开关量的在线监测；

　　(6)电厂水流域水文气象监测；

　　(7)大坝安全监测；

　　(8)环境监测。

4.3 在ZigBee技术网络中传输的数据可分为3类

　　(1)周期性模拟量数据的传输：电厂油、水、风系统数据，各类电气量(电流、电压、电量有功和无功等)数据，机电各类设备的温度、绝缘等数据，水文气象数据，等；

　　(2)间断性开关量数据的传输：大量各类开关量(接点、开关、压板／连片和伐门状态等)数据，电气设备的动作记数和运行时间的累计等；

　　(3)还有反复性的低反应时间的数据传输。

5 结语

　　随着科技的发展，电厂设备监测系统没有无线传感器网络的参人将是不完善的。ZigBee技术是专门针对无线传感器网络而开发的，ZigBee技术通信具有可靠性保证，利用ZigBee技术组成无线传感器网络是电厂设备监测系统发展的必然趋势，是十分必要的。ZigBee技术射频信号会侵入电厂设备产生高频谐波，谐波超标会影响电厂的安全运行。本文给出了谐波测试方法和测试结果，并把测试结果和ZigBee设备的技术特性相结合进行分析和总结，并进一步给出ZigBee技术应用于电厂设备监测系统中的基础和符合的技术条件、ZigBee技术适用对象和检测的数据的特性，证明ZigBee技术应用于电厂是安全的、可行的和经济的。总之，ZigBee技术应用于电厂设备监测是必要的、是可行的。