ZigBee技術(shù)在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

張建忠

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司樂(lè)陵市供電公司，山東德州，253600）

0 引言

對(duì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)時(shí)，通信系統(tǒng)是重要的一環(huán)，應(yīng)以高新技術(shù)手段為依托，配電自動(dòng)化把控制中心發(fā)出的指令傳給各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與遠(yuǎn)方的智能終端，并且，將智能終端所采集的數(shù)據(jù)傳輸給控制中心，近年來(lái)，新興的ZigBee技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，在我國(guó)電力行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。得到了人們的一致認(rèn)可。

1 ZigBee技術(shù)的概況

ZigBee技術(shù)是低速率、短距離的一種新興無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其介于藍(lán)牙技術(shù)與無(wú)線標(biāo)記技術(shù)之間。該技術(shù)具有功耗低、時(shí)延小、速率低、距離適中等諸多優(yōu)點(diǎn)，充分對(duì)無(wú)線通信技術(shù)缺點(diǎn)進(jìn)行了彌補(bǔ)，也符合了自組織網(wǎng)絡(luò)與傳感器等無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)需要。配電自動(dòng)化的通信網(wǎng)絡(luò)不會(huì)對(duì)帶寬有過(guò)高要求，如果對(duì)功耗和時(shí)延要求較低，ZigBee技術(shù)就是不錯(cuò)的選擇。該技術(shù)由最多六萬(wàn)五千個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)的模塊共同組成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，與當(dāng)前的GSM網(wǎng)和CDMA網(wǎng)十分相似，各個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)模塊和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站十分類似，他們可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)間互相通信。各個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)资畟€(gè)受控的設(shè)備與傳感器進(jìn)行支持，各個(gè)受控設(shè)備與傳感器的終端能夠有八種不相同接口方法，能夠?qū)δM量與數(shù)字量進(jìn)行傳輸與采集。配電自動(dòng)化是通過(guò)采集各種配電的終端信息，完成控制和監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)的工作，并用有關(guān)系統(tǒng)信息的集成與計(jì)算分析采集的數(shù)據(jù)來(lái)科學(xué)地管理配電網(wǎng)。配變監(jiān)測(cè)為10kV配電變壓器監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)與采集的配變，并遠(yuǎn)程傳輸與管理采集到的數(shù)據(jù)，從而使配變管理的水平得到提高，使配電線路損耗降低，配電站TTU與DTU設(shè)備信息參數(shù)如表1所示。

表1 典型的配電自動(dòng)化數(shù)據(jù)表

2 配電自動(dòng)化系統(tǒng)中ZigBee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

2.1 引入ZigBee技術(shù)

根據(jù)相關(guān)配電自動(dòng)化的試點(diǎn)工程方案，某供電公司的試點(diǎn)區(qū)會(huì)建立由各種通信方式混合而成的一個(gè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)。從組網(wǎng)方式來(lái)看，ZigBee技術(shù)適合配電站里面末端通信使用，不會(huì)需要過(guò)高的通信可靠性，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也相對(duì)單一，不會(huì)出現(xiàn)線纜難以施工的情況。該技術(shù)處于2.4G的頻段時(shí)，其傳輸?shù)乃俾首罡吣軌蜻_(dá)到250kb/s,ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)σ粋€(gè)主設(shè)備、252個(gè)從設(shè)備進(jìn)行容納，在一個(gè)區(qū)域中能夠共同存在一百個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，能夠完全達(dá)到配電自動(dòng)化在通信流量方面的需求。很多配電站的供電沒(méi)有AC220V，只能由電操機(jī)構(gòu)、載波設(shè)備、終端設(shè)備來(lái)供電。而該技術(shù)使用休眠模式，具有收發(fā)信息的功耗低、工作的周期短等特點(diǎn)，與超級(jí)電容相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，其供電問(wèn)題能夠得到解決。該技術(shù)還使用碰撞避免的機(jī)制，給對(duì)固定寬帶有需求的業(yè)務(wù)留下了一定的時(shí)隙，防止在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中出現(xiàn)沖突與競(jìng)爭(zhēng)[1]。優(yōu)化了時(shí)延敏感應(yīng)用，以休眠狀態(tài)進(jìn)行激活的時(shí)延與通信的時(shí)延都比較短。針對(duì)數(shù)據(jù)有完整性的加權(quán)與檢查功能，使用了AES128的加密算法，能夠靈活地對(duì)每個(gè)應(yīng)用自身的安全屬性進(jìn)行靈活確定，充分達(dá)到了配電自動(dòng)化在實(shí)時(shí)性與安全性方面的要求。

2.2 測(cè)試無(wú)線覆蓋

為了對(duì)ZigBee技術(shù)在具體配電自動(dòng)化的站點(diǎn)之間覆蓋信號(hào)情況，對(duì)ZigBee設(shè)備接收與發(fā)送情況進(jìn)行測(cè)試，該供電公司讓技術(shù)人員測(cè)試ZigBee技術(shù)的無(wú)線覆蓋情況。以該供電公司輻射范圍里某線路作為測(cè)試環(huán)境，信息匯集點(diǎn)與通信設(shè)備有網(wǎng)狀分布、星型、簇狀型分布三種，如圖1所示。主要的測(cè)試方法為用ZigBee的通信軟件對(duì)相同大小數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送，利用ZigBee通信設(shè)備組網(wǎng)把數(shù)據(jù)輸送到信息的匯集點(diǎn)，當(dāng)匯集點(diǎn)的設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收后，對(duì)兩段數(shù)據(jù)與時(shí)間的內(nèi)容差異進(jìn)行分析。

圖1 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 測(cè)試的結(jié)果和相關(guān)分析

檢測(cè)的項(xiàng)目包括場(chǎng)強(qiáng)、誤包率、多路徑檢測(cè)。首先，場(chǎng)強(qiáng)是一個(gè)基本的測(cè)試指標(biāo)，能夠?qū)@一測(cè)試點(diǎn)是否接受到ZigBee信號(hào)進(jìn)行顯示。其次，誤包率是對(duì)信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)基本評(píng)價(jià)，可以顯示出這一測(cè)試點(diǎn)信號(hào)出現(xiàn)的誤包率，如果測(cè)試誤包比能夠接受的范圍大，就能判斷出這一測(cè)試點(diǎn)的接收情況不好，可按照其余測(cè)試的指標(biāo)對(duì)ZigBee設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而使ZigBee覆蓋的網(wǎng)絡(luò)效果得以改善[2]。最后，多路徑檢測(cè)是一個(gè)參考指標(biāo)，這一檢測(cè)能夠?qū)邮招Ч欠袷芙ㄖ铩h(huán)境的繞射和回波反射影響而效果不良進(jìn)行判斷。這次測(cè)試主要將住宅小區(qū)作為測(cè)試的環(huán)境，里面的住宅樓一般都小于8層，各個(gè)通信設(shè)備的終端距離小于300米，統(tǒng)一的接入點(diǎn)還沒(méi)有確定，多路徑的檢測(cè)也沒(méi)有進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的最終結(jié)果顯示測(cè)試線路中全部終端點(diǎn)都能夠互聯(lián)。

2.4 主站和配電子站通信

在該供電分公司管轄區(qū)域里配備七個(gè)通信匯集型的配電子站，將這些配電子站分別放到七個(gè)變電站里，然后在這些變電站中都安放嵌入式配電子站的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域附近TTU與DTU等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、處理、收集等功能。配電子站主要在DTU和配電主站處理、交換信息的一個(gè)中間站。總體結(jié)構(gòu)參照配電自動(dòng)化的系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，為三層結(jié)構(gòu)，這次設(shè)計(jì)的配電自動(dòng)化方案用到的是通行匯集型的配電子站，它具有規(guī)約與轉(zhuǎn)發(fā)為一體、信息的優(yōu)先級(jí)篩選、數(shù)據(jù)集中等能力，沒(méi)有恢復(fù)非故障區(qū)域的供電與自動(dòng)判斷故障區(qū)域的功能。配電子站和主站系統(tǒng)通信主要利用SDH光設(shè)備的2M接口進(jìn)行。經(jīng)過(guò)勘探路由，發(fā)現(xiàn)部分不具有敷設(shè)光纜的條件，同時(shí)配電網(wǎng)絡(luò)相對(duì)比較復(fù)雜，適合使用ZigBee的通信方法。

2.5 ZigBee的終端通信

在該供電公司配電自動(dòng)化項(xiàng)目中，土建站以就近匯聚為原則構(gòu)建了ZigBee的通信網(wǎng)，各個(gè)子網(wǎng)都由電力載波網(wǎng)絡(luò)或是中心設(shè)備對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入，通過(guò)電力線載波、光纖、ZigBee的有機(jī)結(jié)合，使設(shè)備的多種控制信息與狀態(tài)信息來(lái)雙向傳輸。因此，將多個(gè)路由的節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器設(shè)置于通信子網(wǎng)里，各個(gè)路由的節(jié)點(diǎn)都對(duì)相應(yīng)的檢測(cè)區(qū)域負(fù)責(zé)，并和各個(gè)終端的節(jié)點(diǎn)共同組成子網(wǎng)，子網(wǎng)之間彼此對(duì)立，TTU/FTU/RTU和終端設(shè)備進(jìn)行連接，以標(biāo)識(shí)符來(lái)對(duì)所屬路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確定。路由節(jié)點(diǎn)及其從屬終端的節(jié)點(diǎn)一起形成一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)，控制與采集配電自動(dòng)化數(shù)據(jù)[3]。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和各個(gè)路由的節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳的方法進(jìn)行通信，也就是說(shuō)，路由的節(jié)點(diǎn)用多跳鏈路把終端節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)輸送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，且TTU/FTU/RTU設(shè)備和終端設(shè)備、終端節(jié)點(diǎn)相連，對(duì)電流與電壓等信息進(jìn)行采集，用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將所采集信息發(fā)送至路由的節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要和各路由的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，以對(duì)全部路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理的方式完成網(wǎng)絡(luò)化控制配電自動(dòng)化的通信，通信主站不但是網(wǎng)絡(luò)集群控制臺(tái)，還是網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)數(shù)據(jù)中心，對(duì)系統(tǒng)管理進(jìn)行負(fù)責(zé)。通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的串聯(lián)，延伸了面積，做到了分區(qū)化與大型化管理。按照配電站里采集數(shù)據(jù)的方式和傳感器分布情況，應(yīng)傳輸風(fēng)機(jī)狀態(tài)、水泵狀態(tài)、電纜頭溫度、室內(nèi)溫濕度、變壓器溫度等綜合信息，檢測(cè)傳感器要分布在不相同的房間里。在配電自動(dòng)化的末端通信網(wǎng)中，組網(wǎng)的方式都遵循就近匯集原則，共同組建ZigBee的通信網(wǎng)，把數(shù)據(jù)全部匯集至ZigBee的中心節(jié)點(diǎn)，通過(guò)該節(jié)點(diǎn)把采集的遙測(cè)信息輸送至配電站里的TTU或RTU，讓多種控制信號(hào)與狀態(tài)信息做到雙向傳輸，提供給配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)安全、可靠、高速的通信支撐。

3 結(jié)語(yǔ)

在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用ZigBee技術(shù)具有十分重要的意義。ZigBee技術(shù)以其低成本、低功耗的特點(diǎn)及高度集成的硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)，讓電力企業(yè)工作人員能夠更加方便快捷地設(shè)計(jì)與應(yīng)用最終的產(chǎn)品，未來(lái)在電力行業(yè)將會(huì)發(fā)揮更大的作用。