基于Zigbee+GPRS的輸配電線路在線監測系統

陳彥 楊國鑄

摘 要：本文介紹了利用一種復雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術-Zigbee，與長距離、低功耗的無線接入技術-GPRS相結合的配電線路在線監測方案。

關鍵詞：Zigbee；GPRS；通信；在線監測；

引言：

目前電力系統主要的通信方式有：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專門線路或通信費用較高。配網線路由于分布很廣、環境復雜、監測點眾多，鋪設光纖線路造價太昂貴，全部采用GPRS通信則通信費用太高，因此尋找一種經濟有效的通信方式勢在必行。本文介紹了利用一種復雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術-Zigbee，與長距離、低功耗的無線接入技術-GPRS相結合的輸配電線路在線監測方案。

1 Zigbee技術及協議的概述

1.1 Zigbee技術

Zigbee技術是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反義應時間傳輸的應用。

1.2 Zigbee協議的概述

Zigbee堆棧是在IEEE 802.15.4標準基礎上建立的，定義了協議的MAC和PHY層。Zigbee設備應該包括IEEE 802.15.4（該標準定義了RF視頻以及與相鄰設備之間的通信）的MAC和PHY層，以及Zigbee堆棧層：網絡層（NWK）、應用層和安全服務提供層。

1.3 Zigbee的主要特征

與其他無線通信協議相比，Zigbee無線協議復雜性低、對資源要求少，主要有以下特點：

低功耗：這是Zigbee的一個顯著特點。由于工作周期短、收發信息功耗較低、以及采用了休眠機制，Zigbee終端僅需要兩節普通五號干電池就可以工作6個月到兩年，如果采用高效鋰電池，則同體積下，工作時間可達8年。

低成本：協議簡單且所需的存儲空間小，這極大降低了Zigbee的成本，而且Zigbee協議是免專利費的。

時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。

傳輸范圍?。涸诓皇褂霉β史糯笃鞯那疤嵯拢琙igbee節點的有效傳輸范圍一般為10-75m，能覆蓋普通的家庭和辦公場所。

數據傳輸速率靈活：2.4GHz頻段為250kb/s，915MHz頻段為40kb/s，868MHz頻段為20kb/s。

數據傳輸可靠：由于Zigbee采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，從而避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，保證了節點之間傳輸信息的高可靠性。

1.4 Zigbee的主要應用范圍

由于Zigbee的優越特性，基于Zigbee技術的無線組網是一種比較合適的下行信道的實現手段。適合應用于一些短距離的無線網絡的組網，尤其適用于一些布線困難的能耗管理系統中。本方案將其與成熟的工業以太網和GPRS上行信道結合，與后臺監測主站組成一個完整的配電線路在線監測及故障定位系統，為遠程管理提供了一個有效的解決方案。Zigbee與其他最后一公里通訊技術比較見下表：

2系統設計

2.1 系統框架

輸配電線路在線監測系統由三部分組成，系統框架圖如下圖所示：

（1）指示器：負責采集線路數據以及故障信息，并把數據通過Zigbee發送到采集終端。

（2）監測終端：負責收集指示器發出的信息數據，并把數據通過GPRS網絡發送給臨時主站；接收臨時主站發來的命令。

（3）臨時主站：負責接收監測終端發來的信息數據并進行研判，向監測終端下發命令。

2.2系統運行

指示器安裝在配網線纜上，通過傳感器采集線路運行數據，并將所采集的數據通過Zigbee網絡發送到監測終端；監測終端安裝在靠近指示器的桿塔上，內置Zigbee及GPRS通訊模塊，接收到指示器發送的數據后通過GPRS網絡發送到設在遠方的主站；主站通過對監測終端發送的數據研判后，發送命令給監測終端，監測終端下發指令給指示器，指示器根據指令進行動作（翻牌、閃燈、復歸）。

3結束語：

該輸配電線路在線監測系統結合了Zigbee的無線、短距離、低功耗與GPRS的長距離、無線通信技術優點。指示器與監測終端均做到了低功耗：指示器靜態功耗20μA、監測終端靜態功耗70mA，功耗遠低于采用其他通信技術的方案。

本系統采用無線通信技術，無需另行鋪設通信線路，很好的解決了造價昂貴的問題，采用Zigbee結合GPRS，相較于全部采用GPRS，有效的節省了2/3的通信費用。

通過近一年的數據統計，在線監測系統的設備在線率、通信完整率均保持在99.8%以上，實際運行狀況非常良好。

參考文獻：

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