基于WSN和RFID技术的变电站二次 设备全生命周期运维管理系统设计

　　0 引言

　　继电保护是保证电力系统安全的重要环节，其对保障系统安全之重要、设备数量之繁多、种类之庞杂、逻辑之严密、信息之海量都充分表明继电保护专业的管理是一个复杂而庞大的系统工程。随着电网规模的迅速扩大和各项技术的飞速发展，国家电网公司对继电保护专业管理工作的要求也越来越高，明确地提出了“规程系统化、设备标准化、管理规范化、分析精益化”的四化原则。为了满足管理的需要，必须不断加强对规划、设计、设备选型、施工调试、运行维护、人员管理等全过程的管理。

　　电网继电保护专业的管理者需要进行二次设备全寿命周期跟踪管理，并全面掌控二次设备在购置、建设、运维、大修、退运、报废等关键环节的相关信息，并实现各个管理环节的有效衔接和信息及时更新，对二次设备的实物进行快捷、高效、准确的管理。因此，需要建设基于RFID身份识别及物联网技术的二次设备全寿命周期管理软硬件平台，实现对二次设备进行统一集中管理，促进设备资产管理的标准化、精益化，有效提高设备资产利用率。

　　对于上述管理方面的困难，本文提出了基于WSN和RFID技术的变电站二次设备全生命周期运维管理系统。基于WSN和RFID技术的变电站二次设备全生命周期运维管理系统，应用RFID技术，采用超高频RFID标签，其存储保护设备的唯一身份标识信息和出厂信息，与保护设备相关联，实现对保护设备的唯一标识，实现保护设备资产信息快速、高效、准确采集，提供保护设备信息及保护插件信息的查询，实现设备操作前校验功能，防止错误操作的发生，提供设备巡检、设备检验功能管理，为设备的巡检和校验提供标准化模板和规范。基于RFID技术的二次设备全寿命周期管理系统对保护设备的资产管理和运行管理有着重要的意义。

　　变电站内运行的二次设备，均是高精密电子产品，对运行环境要求严格，基于ZigBee技术的无线传感网温湿度检测系统，能够无线分布式地自由安装在所需检测点上，不受布线条件限制，自由灵活，调整方便，并且能够和空调系统联动，自动调节空调温度，保证二次设备运行在一个恒定的温度环境中，保证二次设备可靠运行[1-4]。

　　1 技术背景

　　射频识别技术(Radio Frequency Identification)是一种非接触的自动识别技术，读写器通过接收电子标签发出的无线电波接收读取数据。其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID读卡器可识别高速物体并可同时识别多个标签，是物联网最重要的终端之一[4]。

　　最常见的射频系统是被动射频系统，读写器将加密数据载波信号经发射天线向外发送，在其周围形成电磁场;电子标签进入发射天线工作区域后从电磁场中获得能量激活标签中的芯片电路，芯片将电磁波进行转换，然后发送给读写器，读写器把它转换成相关数据。计算器应用系统就可以处理这些数据从而进行管理控制。

　　使用物联网身份识别等技术完成二次设备全寿命周期管理软硬件平台的建设，统一集中管理二次设备，建立起一套科学完整的二次设备全寿命周期管理流程规范。系统应用物联网技术，存储二次设备的唯一身份标识和运行信息，实现对二次设备的唯一标示、快速、高效、准确采集，提供二次设备信息及保护插件管理，进行设备工作校验、防止走错间隔，提供设备全寿命周期管理功能，实现二次设备全寿命周期管理全程任意环节可追溯。

　　无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，这些传感器节点能够实时采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，将这些信息发送到网关节点和观察者，以实现复杂的指定范围内目标检测与管理。互联网(Internet)构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，而无线传感器网络则将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式，是一种全新的信息获取平台[3]。

　　无线传感器网络被广泛应用于环境探测、天气预报、安全监控等领域，发展应用前景非常广阔。无线传感器网络系统集采集、传输、融合分析于一体，对于网络复杂庞大的测控系统，如果线路连接过多会使系统成本较高而且维护困难，尤其对于现场监控点多且复杂的情况下，采用无线传感器技术可非常容易解决。

　　ZigBee技术是一种新兴的无线通信技术，常用于构建能够自组网的传感器网络(WSN)，它适合于功耗要求低、实时性要求不高、需要节点较多、不方便布线、需支持网状网络拓扑数据传输的场合[2]。

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的应用于无线监测与控制应用的全球性无线通信标准，在ZigBee 联盟推动下进行网络层和应用层的标准化[5]。ZigBee技术的核心是运行于微控制器内部的一套软件，也称之为软件协议栈。

　　在ZigBee网络中，按网络角色可以分为中心节点(协调器)、路由节点(中继器)和终端节点(采集器)。这几种类型的节点可以组成不同拓扑结构的网络，分别是星型结构、树型结构与网型结构，如图1所示。

　　本系统采用(C)网型结构(即MESH网)进行变电站内传感器网络的构建。系统的每个终端节点都有RFID读写设备、温度传感器、ZigBee终端节点组成[6]，RFID读写器将读取的设备信息以及温度传感器采集的设备环境温度通过ZigBee无线网络节点逐级传输，最终到达设备管理工作站。

　　2 系统架构

　　本文所设计的基于WSN和RFID技术的变电站二次设备全生命周期运维管理系统应用ZigBee无线传感网技术、RFID技术实现对设备全寿命周期管理过程中的唯一身份识别、设备信息实时获取、温度在线运行监测功能,系统结构如图2所示。

　　系统按功能可分二次设备运维管理功能和二次设备环境检测功能，按网络区分则由无线传感网和变电站综合数据网以及管理系统服务网络构成。基于WSN和RFID技术的变电站二次设备全生命周期运维管理系统方案设备主要包括：二次设备标识电子标签、RFID手持管理终端、ZigBee温湿度标签、ZigBee无线路由器、ZigBee无线网络协调器、应用服务、管理工作站等设备。RFID手持机读取RFID标签ID信息，将相关联的数据信息通过网络传输到后台数据库，实现信息数据共享。无线传感网络通过协调器接入基于WSN和RFID技术的变电站二次设备全生命周期运维管理系统，与数据库服务器和管理工作站进行数据交互。本系统主要实现以下功能。

　　(1)基于电子标签技术的二次设备信息数据采集管理系统，通过对设备资产全寿命周期内身份识别，建立设备实时管理信息。

　　(2)对二次设备进行统一集中管理，实现设备资产管理的标准化、精益化。

　　(3)与继电保护系统进行信息互动，达到设备资产信息管理与实物管理统一，与变电站保护运行系统实现数据共享。

　　(4)实现设备操作前校验功能，对设备资产进行快速、准确的操作管理，防止错误操作的发生，确保工作人员到场工作，监督工作人员。

　　(5)建立资产管理系统，可进行台账管理，可记录、可追溯资产事件。

　　(6)实时监测二次设备运行环境的温度变化情况，实时调节空调温度，确保设备运行环境温度恒定。

　　3 变电站二次设备全生命周期运维管理

　　变电站二次设备全生命周期运维管理系统，首次通过应用物联网RFID技术对电网二次设备建立起“电子卡片”，为二次设备资产管理提供有效的唯一身份识别码，实现对设备全生命周期管理过程中的唯一身份识别，提高信息维护的方便性，实现设备信息全生命过程中可查询、可追溯。在设备资产管理过程中，制定规范的信息规范标准，通过标准接口直接导入、导出数据，实现数据的共享，减少信息人工维护工作量，并减少人为数据维护出错量，提高信息的准确性、实时性、完整性。

　　实现设备精细化管理，首次将二次设备信息管理深入到设备板卡级别，对设备板卡信息进行全寿命过程跟踪，如图3所示。记录设备板卡更换信息，可实现对板卡缺陷及更换的统计分析功能，为企业决策提供数据依据。另外，还可查询退运设备中可重复利用的未达到使用年限的板卡信息，作为二次利用，节约了设备投入成本，具有巨大的经济效益和社会效益。

　　实现设备智能巡检和校验管理，制定电力系统二次设备的标准的巡视和校验作业指导书，由二次设备全寿命周期管理系统制定巡视或校验任务，通过USB离线方式将巡视任务、巡视作业指导书下载至移动终端，由移动终端完成巡视或校验工作。具体巡视工作时，以移动终端为载体，工作人员扫描安装在设备上的RFID电子标签读取识别设备，系统自动弹出巡视作业指导书，并提示所巡视设备的巡视内容项，工作人员依据提示完成设备的巡检工作和校验工作，完成巡视工作后，将巡视结果或校验结果上传至客户端系统。巡视任务作业展示图如图4所示。

　　4 变电站二次设备工作环境监测

　　系统实现了二次设备环境温湿度监控报警功能，首次利用ZigBee无线自组网技术实现二次设备室内环境的无线监控，并提供超限的温湿度信息报警和空调实时调节功能。利用有源温湿度标签实现区域环境的温湿度信息进行检测，将检测信息转发至ZigBee路由器，然后再统一上传至二次设备全寿命周期管理系统。利用ZigBee无线自组网技术实现二次设备环境温湿度监控报警功能，实现温湿度上下限信息设置功能，如图5所示，并提供超限预警功能以及空调自动调节功能。减少了系统投入成本和现场环境布线的复杂性，使现场更加整洁美观。

　　5 温度采集终端节点

　　温度采集终端节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、电源模块、外围电路模块组成，用于对待测点的温度进行采集，并通过无线通信网络将采集到的温度数据发送到网络协调器。处理器模块是温度采集终端节点的核心模块，用于进行数据存取、数据处理、执行通信协议和节点调度管理等工作;传感器模块用于感知温度数据和执行A/D转换;无线通信模块由无线射频电路和天线组成，用于完成无线通信任务;电源模块为节点内的其他模块提供电能，是所有电子系统的基础，电源模块的设计直接关系到节点的寿命[7];外围电路包括电源电量检测、低电量本地报警等功能。温度采集终端节点的框图如图6所示。

　　(1)传感器模块

　　系统中使用的温度传感器采用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器，可编程分辨率为9～12位，对应的测温分辨率为0.5、0.25、0.125、0.062 5℃。具有全数字温度转换与输出、抗干扰能力强、功耗低、精度高等特点[8]。它的测量范围为-55～+125 ℃，精度可达0.1℃，适用于精确测温场合。DS18B20采用单总线的工作方式，通过一条单线接口对数据进行发送或接收，与微处理器连接时仅需要一根信号线就可实现通信。由于数据线本身可以为器件提供寄生电源，所以DSl8B20不需要外部电源。每一个DSl8B20在出厂时已经给定了独有的64位序列号，因此可以实现多个器件的连接。

　　(2)处理器与无线通信模块

　　处理器模块的作用主要是读出温度传感器采集的温度数据并且进行处理，然后按照一定的时序发送给无线通信模块,然后无线通信模块把温度和地址数据通过无线的方式发送。在处理器与无线通信模块中使用TI公司的CC2430芯片，它结合一个高性能2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器，是一款真正的系统芯片(SOC)CMOS解决方案[9]，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用，及对低成本、低功耗的要求。

　　(3)电源模块

　　获取电能有两种方案:一种是电力线电流通过电流互感器和整流滤波电路获得电能，另一种是使用电池供电。

　　考虑到以下两点，采用锂电池供电。

　　(1)电源的稳定性和持久性是温度采集终端节点稳定工作的重要因素，如果从电力线获取则该电源获取能量的大小随电力线负荷的变化而改变，其变化幅度较大，因此时常会出现供电不足的现象。

　　(2)芯片采用0.18 μ CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别小于27 mA和25 mA;在休眠模式时仅0.9 μA的电流特性，外部的中断或者RTC能唤醒系统;在待机模式时小于0.6 μA的电流损耗，外部的中断能唤醒系统。系统的休眠模式和转换到主动模式是超短时间的特征，特别适合采用电池供电[10]。

　　6 设备管理工作站

　　网络终端节点将读取到的设备信息以及温度传感器采集的设备环境温度，通过网络传输给服务器系统，运行在工作站的设备管理软件将服务处理过的数据显示给变电站的管理人员，并提供相应的查询和管理操作，系统的运行流程如图7所示[11]。

　　系统采用B/S结构，变电站管理人员通过IE等浏览器就可以根据设定的时间段、RFID读写器编号、传感器编号进行历史数据的查询。温度超过设定值时发出报警信息，并提供报警设备的位置信息。

　　本系统方案已在220 kV变电站进行了系统的建设和测试运行，对系统的某一终端节点采集的温度曲线图如图8所示。

　　7 结论

　　本文提出的基于WSN和RFID技术搭建的一套变电站二次设备全生命周期运维管理系统，系统利用物联网无线传感和自组网技术，实现变电站设备运行环境的多目标、多路径、自组织、高可靠的在线采集监测，利用RFID(无线射频识别，俗称电子标签)具有的全球唯一编码、多目标、远距离快速识别、信息存储、环境适应性好等突出优点，通过RFID技术实现变电站二次设备全寿命周期运维的电子化管理和信息实时更新，使二次设备管理更加精细，可及时监测二次设备资源的使用和流动情况，进行设备全生命周期跟踪管理，保障二次设备在采购新增、建设投运、设备升级、运行管理、检修维护、技改大修、报废处置等关键环节的有效衔接和信息及时更新，能够对二次设备的实物进行快捷、高效、准确的管理。