ZigBee路由協(xié)議在電力配網(wǎng)應(yīng)用的研究

張文哲

【摘要】電力配網(wǎng)設(shè)備由于位置分布復(fù)雜，有線通信線路難以敷設(shè)。ZigBee無線標(biāo)準(zhǔn)作為一種新穎的短程無線標(biāo)準(zhǔn)，具有自愈性、成本低等優(yōu)點，在電力配網(wǎng)有較強(qiáng)的適用性。但由于ZigBee的路由協(xié)議是按較大動態(tài)變化的移動無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，必須予以改進(jìn)以滿足電力配網(wǎng)通信業(yè)務(wù)的特點。為此，本文分析了ZigBee的路由協(xié)議，并針對電力配網(wǎng)的特點提出了3點改進(jìn)。改進(jìn)后的ZigBee路由協(xié)議能充分滿足配網(wǎng)通信的需要。

【關(guān)鍵詞】電力配網(wǎng)ZigBee路由

一、引言

電力配網(wǎng)是指電網(wǎng)以10kV電壓等級向用戶供電的網(wǎng)絡(luò)，其一次設(shè)備和供電線路較為簡單。目前，配網(wǎng)的通信業(yè)務(wù)主要有自動化遠(yuǎn)動和集中抄表兩種，均有低速業(yè)務(wù)。但由于配網(wǎng)設(shè)備的分布位置復(fù)雜，有相當(dāng)部分分布在高層建筑或地下室中，有線通信線路的敷設(shè)相當(dāng)困難。為減低配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，并使其具有一定的自愈功能，Zigbee無線標(biāo)準(zhǔn)是一種具有競爭力的候選技術(shù)。本文首先對ZigBee的路由協(xié)議進(jìn)行了分析，然后在ZigBee路由協(xié)議的基礎(chǔ)上針對配網(wǎng)的特點提出了3點改進(jìn)。改進(jìn)后的ZigBee路由協(xié)議能充分滿足配網(wǎng)通信的需要。

二、ZigBee現(xiàn)有的路由協(xié)議

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4的物理層基礎(chǔ)上定義的網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)，分別有zigbee2004、2006和2007三個版本。作為一個完整的網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee的路由協(xié)議是其中的核心部分。Zigbee的路由協(xié)議具有從簡單到復(fù)雜的三種算法，AODV、Cluster-Tree和AODV加Cluster-Tree的混合算法。

1、AODV算法

AODV算法是一種“按需建立”的路由算法，當(dāng)終端需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，向就近的路由器發(fā)送請求。路由器通過廣播，找到目的網(wǎng)絡(luò)的所在位置，再更新路由表，從而建立起所需的路由。當(dāng)終端某次數(shù)據(jù)發(fā)送而建立的路由超過規(guī)定的生存時間時，該條路由將被釋放。

2、Cluster-Tree算法

Cluster-Tree算法是由Zigbee協(xié)調(diào)器展開的簇-樹形路由算法，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)從根節(jié)點開始向下遍歷各個分支節(jié)點，使整個網(wǎng)絡(luò)建立一個樹形拓?fù)?。作為一種靜態(tài)的路由協(xié)議，路由器不需要存儲路由表。這種算法只適用于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而且根?jié)點和分支節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)量流量較大而形成網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸，并不是最優(yōu)的路由算法。

3、AODV加Cluster-Tree混合算法

Zigbee標(biāo)準(zhǔn)使用較廣的是AODV加Cluster-Tree混合算法，由于結(jié)合了動態(tài)和靜態(tài)路由的特點，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇o止或變化不大的情況下，主要使用Cluster-Tree。在終端運(yùn)動或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^大范圍變化的情況下，使用AODV協(xié)議。其綜合性能較佳。

三、針對配網(wǎng)特點的路由改進(jìn)

電力配網(wǎng)的一次設(shè)備以DTU、FTU和TTU為主，再加上少量的集中抄表裝置。配網(wǎng)的通信業(yè)務(wù)的特點是低速和固定，ZigBee原有路由協(xié)議可以針對配網(wǎng)通信業(yè)務(wù)的特點進(jìn)行改進(jìn)以提高效率。第一、由于配網(wǎng)通信裝置的固定性，優(yōu)先采用靜態(tài)路由。原有路由協(xié)議中的動態(tài)路由只在網(wǎng)絡(luò)的主用路由節(jié)點失效后，才啟動備用路由，以實現(xiàn)自愈功能。由于配網(wǎng)設(shè)備對通信通道的切換功能要求不高，實際上10分鐘量級的切換時間是可以承受的，所以動態(tài)路由應(yīng)該采用定時10分鐘左右一次的更新。定時器計時到10分鐘時，各Zigbee終端向路由器發(fā)送hello包以檢測鏈路是否暢通。若發(fā)現(xiàn)某一鏈路失效，則由終端嘗試連接可能的路由器并建立鏈路，新的鏈路建立后路由器更新路由表。第二、由于配網(wǎng)裝置的分布位置不規(guī)則，ZigBee的動態(tài)路由協(xié)議應(yīng)支持網(wǎng)狀網(wǎng)，所以只能采用AODV協(xié)議。第三、ZigBee路由協(xié)議中，每個路由器所帶的下級路由、終端的數(shù)量，需根據(jù)電力配網(wǎng)的實際情況調(diào)整。例如，在110kV變電站安裝的ZigBee匯聚路由器，由于天線豎高足夠，可以覆蓋50至70個終端，原有協(xié)議中覆蓋20個終端的數(shù)量顯然不夠。

四、結(jié)論

對Zigbee的路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)后，處于較佳位置的匯聚路由器可覆蓋50至70個終端。對于超過覆蓋范圍的終端，通過其他路由器，通過多跳中繼的方法回傳。在主用路由器工作正常的情況下，整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)使用靜態(tài)路由，其效果與LTE的純蜂窩的覆蓋方式差別不大。在主用路由器失效的情況下，動態(tài)路由協(xié)議生效，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)狀網(wǎng)的其他路由器回傳，能充分發(fā)揮每一個路由器的中繼性能。所以，改進(jìn)后的Zigbee協(xié)議能滿足電力配網(wǎng)的需求。