基于Zigbee+GPRS的輸配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陳彥 楊國(guó)鑄

摘 要：本文介紹了利用一種復(fù)雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術(shù)-Zigbee，與長(zhǎng)距離、低功耗的無線接入技術(shù)-GPRS相結(jié)合的配電線路在線監(jiān)測(cè)方案。

關(guān)鍵詞：Zigbee；GPRS；通信；在線監(jiān)測(cè)；

引言：

目前電力系統(tǒng)主要的通信方式有：光纖通信、載波通信、GPRS（CDMA）無線通信等方式，上述通信方式或需要鋪設(shè)專門線路或通信費(fèi)用較高。配網(wǎng)線路由于分布很廣、環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)點(diǎn)眾多，鋪設(shè)光纖線路造價(jià)太昂貴，全部采用GPRS通信則通信費(fèi)用太高，因此尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的通信方式勢(shì)在必行。本文介紹了利用一種復(fù)雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術(shù)-Zigbee，與長(zhǎng)距離、低功耗的無線接入技術(shù)-GPRS相結(jié)合的輸配電線路在線監(jiān)測(cè)方案。

1 Zigbee技術(shù)及協(xié)議的概述

1.1 Zigbee技術(shù)

Zigbee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反義應(yīng)時(shí)間傳輸?shù)膽?yīng)用。

1.2 Zigbee協(xié)議的概述

Zigbee堆棧是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。Zigbee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE 802.15.4（該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF視頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信）的MAC和PHY層，以及Zigbee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。

1.3 Zigbee的主要特征

與其他無線通信協(xié)議相比，Zigbee無線協(xié)議復(fù)雜性低、對(duì)資源要求少，主要有以下特點(diǎn)：

低功耗：這是Zigbee的一個(gè)顯著特點(diǎn)。由于工作周期短、收發(fā)信息功耗較低、以及采用了休眠機(jī)制，Zigbee終端僅需要兩節(jié)普通五號(hào)干電池就可以工作6個(gè)月到兩年，如果采用高效鋰電池，則同體積下，工作時(shí)間可達(dá)8年。

低成本：協(xié)議簡(jiǎn)單且所需的存儲(chǔ)空間小，這極大降低了Zigbee的成本，而且Zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的。

時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。

傳輸范圍小：在不使用功率放大器的前提下，Zigbee節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍一般為10-75m，能覆蓋普通的家庭和辦公場(chǎng)所。

數(shù)據(jù)傳輸速率靈活：2.4GHz頻段為250kb/s，915MHz頻段為40kb/s，868MHz頻段為20kb/s。

數(shù)據(jù)傳輸可靠：由于Zigbee采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，從而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，保證了節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息的高可靠性。

1.4 Zigbee的主要應(yīng)用范圍

由于Zigbee的優(yōu)越特性，基于Zigbee技術(shù)的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實(shí)現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，尤其適用于一些布線困難的能耗管理系統(tǒng)中。本方案將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS上行信道結(jié)合，與后臺(tái)監(jiān)測(cè)主站組成一個(gè)完整的配電線路在線監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)，為遠(yuǎn)程管理提供了一個(gè)有效的解決方案。Zigbee與其他最后一公里通訊技術(shù)比較見下表：

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

輸配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分組成，系統(tǒng)框架圖如下圖所示：

（1）指示器：負(fù)責(zé)采集線路數(shù)據(jù)以及故障信息，并把數(shù)據(jù)通過Zigbee發(fā)送到采集終端。

（2）監(jiān)測(cè)終端：負(fù)責(zé)收集指示器發(fā)出的信息數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給臨時(shí)主站；接收臨時(shí)主站發(fā)來的命令。

（3）臨時(shí)主站：負(fù)責(zé)接收監(jiān)測(cè)終端發(fā)來的信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行研判，向監(jiān)測(cè)終端下發(fā)命令。

2.2系統(tǒng)運(yùn)行

指示器安裝在配網(wǎng)線纜上，通過傳感器采集線路運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將所采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測(cè)終端；監(jiān)測(cè)終端安裝在靠近指示器的桿塔上，內(nèi)置Zigbee及GPRS通訊模塊，接收到指示器發(fā)送的數(shù)據(jù)后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到設(shè)在遠(yuǎn)方的主站；主站通過對(duì)監(jiān)測(cè)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)研判后，發(fā)送命令給監(jiān)測(cè)終端，監(jiān)測(cè)終端下發(fā)指令給指示器，指示器根據(jù)指令進(jìn)行動(dòng)作（翻牌、閃燈、復(fù)歸）。

3結(jié)束語：

該輸配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合了Zigbee的無線、短距離、低功耗與GPRS的長(zhǎng)距離、無線通信技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。指示器與監(jiān)測(cè)終端均做到了低功耗：指示器靜態(tài)功耗20μA、監(jiān)測(cè)終端靜態(tài)功耗70mA，功耗遠(yuǎn)低于采用其他通信技術(shù)的方案。

本系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)，無需另行鋪設(shè)通信線路，很好的解決了造價(jià)昂貴的問題，采用Zigbee結(jié)合GPRS，相較于全部采用GPRS，有效的節(jié)省了2/3的通信費(fèi)用。

通過近一年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備在線率、通信完整率均保持在99.8%以上，實(shí)際運(yùn)行狀況非常良好。

參考文獻(xiàn)：

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