基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)及其配電自動(dòng)化應(yīng)用

亓富軍+孫成才+張建成

【摘要】ZigBee短距離無線通信技術(shù)近年在電力配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域得到應(yīng)用，許多電力用戶比較認(rèn)可這種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、功耗低的無線通信技術(shù)。本文就該技術(shù)在電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域的使用，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合光纖等通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集功能，探討該技術(shù)在配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】配電自動(dòng)化 通信技術(shù) ZigBee 應(yīng)用

通信系統(tǒng)是建設(shè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵，借助可靠的通信手段，配電自動(dòng)化將控制中心的指令下傳到遠(yuǎn)方智能終端和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)，把智能終端（ FTU/TTU）采集到的數(shù)據(jù)信息上傳到控制中心。近年出現(xiàn)的ZigBee短距離無線通信技術(shù)，已被制造廠家采用，在配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域開始使用，本文就該技術(shù)在配網(wǎng)自動(dòng)化的應(yīng)用，提出一種結(jié)合光纖或其他通信方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用解決方案。

一、ZigBee簡(jiǎn)介

Zigbee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee和802.15.4以250Kbps的最大傳輸速率承載有限的數(shù)據(jù)流量。

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee建立在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。

在MAC層上，主要沿用WLAN中802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA方式，以提高系統(tǒng)兼容。

在網(wǎng)絡(luò)層方面，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同角色，可分為精簡(jiǎn)功能設(shè)備（ RFD）和全功能設(shè)備（FFD）。RFD的電路較為簡(jiǎn)單、容量較小。FFD的節(jié)點(diǎn)能夠提供數(shù)據(jù)交換，具備控制器的功能，RFD只能從FFD傳送或接收數(shù)據(jù)。

二、Zigbee技術(shù)特點(diǎn)

Zigbee的突出優(yōu)點(diǎn)是：低功耗、低成本、低速率，Zigbee工作在20～250 kbps的較低速率，分別提供250kbps（2.4 GHz）、40 kbps（915 MHz）和20 kbps（868 MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)在配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用方案

相對(duì)于電力微波通信網(wǎng)、電力DDN數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和公網(wǎng)等遠(yuǎn)程通訊技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)通信距離較短，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，不適合長(zhǎng)距離大容量的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。在配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域，配電終端設(shè)備如FTU、DTU、TTU等，信息量比較小，在幾十K傳輸速率情況下，也能夠達(dá)到性能要求;這些終端設(shè)備安裝位置分布于配電網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備處，比較分散，有線或無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋比較困難，有時(shí)為了某一個(gè)終端通信接人需消耗較多的資金投入。若采用在一個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)設(shè)備，與主站系統(tǒng)采用有線或無線公網(wǎng)通信，其它鄰近區(qū)域的設(shè)備，采用近距離的無線ZigBee技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡镜哪康模梢允∪ズ芏嗦闊?。因此，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與其它通信方式結(jié)合，可以發(fā)揮ZigBee技術(shù)在通信容量、通信時(shí)延、通信可靠性、能量損耗上的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于配網(wǎng)自動(dòng)化通信。

下面提出的無線Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)，是基于Zigbee并采用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信無線網(wǎng)絡(luò)，它是由大量的無線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)（光傳輸數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)）組成的分布式系統(tǒng)。無線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)即配電網(wǎng)控制終端設(shè)備（FTU等），中繼節(jié)點(diǎn)也可以單獨(dú)設(shè)置，也可由某個(gè)控制終端分擔(dān)，路由節(jié)點(diǎn)是一個(gè)無線Zigbee和光端機(jī)的結(jié)合體，起到一個(gè)路由作用。每個(gè)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)成員都把數(shù)據(jù)傳給路由節(jié)點(diǎn)，傳輸途徑根據(jù)距離和網(wǎng)絡(luò)狀況，可能會(huì)通過中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā);數(shù)據(jù)在路由節(jié)點(diǎn)融合后傳給光傳輸設(shè)備。主站系統(tǒng)通過光纖網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)連接，路由節(jié)點(diǎn)和無線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)之間通過Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)傳送給路由節(jié)點(diǎn);主站系統(tǒng)通過光纖網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效控制和管理。

分布在通信網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)主要用于接收無線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)，并將其進(jìn)行融合處理，傳給光纖網(wǎng)絡(luò)再傳遞給主站系統(tǒng)。Zigbee路由節(jié)點(diǎn)在此網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖菬o線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)和光纖網(wǎng)絡(luò)之間的路由。

對(duì)于無線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)，內(nèi)置的Zigbee模塊能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)狀況，自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的發(fā)射功率，既能保證通信鏈路質(zhì)量，又能做到消耗能量最小，在網(wǎng)絡(luò)安全方面，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息采用了密鑰長(zhǎng)度為128位的加密處理。

在配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域，許多場(chǎng)合采用基于GPRS/CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)，從應(yīng)用角度而言，存在使用成本較高、數(shù)據(jù)傳輸需要付費(fèi)、系統(tǒng)的運(yùn)行成本高、網(wǎng)絡(luò)的自管理能力不高等缺點(diǎn)。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)是無使用費(fèi)、采用免費(fèi)頻段、設(shè)備功耗低等特點(diǎn)，可以作為有線光纖通信的補(bǔ)充，尤其是配網(wǎng)大量設(shè)備組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，在資金占用、運(yùn)行維護(hù)方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

三、結(jié)語

無線組網(wǎng)通信是當(dāng)今工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等方面技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，在電力配網(wǎng)自動(dòng)化方面，也是各廠家和電力用戶關(guān)注的熱點(diǎn)，如何構(gòu)建一個(gè)可維護(hù)性較高、具有高度安全性和成本低廉的通信網(wǎng)絡(luò)，是配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)人員一直在尋求解決的課題。低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)Zigbee出線，以其高度集成化的軟、硬件架構(gòu)和產(chǎn)品特點(diǎn)，使電力設(shè)備廠家和電力局應(yīng)用人員更快、更方便地進(jìn)行最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用，相信會(huì)在電力配網(wǎng)通信方面發(fā)揮更大的作用。

參 考 文 獻(xiàn)[1]李皓等，《給予Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用》，《信息技術(shù)》，2008（1）[2]博強(qiáng).《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仰賴Zigbee》.《計(jì)算機(jī)世界報(bào)》，第34期D7[3]王興念，趙奕，蘇宏勛，陳勇，海濤.《配電自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用設(shè)計(jì)》.《電工技術(shù)》，2004endprint