ZigBee技術在智能箱式變電站中的應用

摘要：簡單分析了現(xiàn)有箱式變電站中存在的技術問題，介紹了ZigBee技術的特點和優(yōu)勢。將ZigBee技術應用于箱式變電站，給出了無線通訊技術的硬件電路和軟件方案，設計了基于ZigBee技術的智能箱式變電站。根據(jù)所設計的變電站配電運行表明，將無線ZigBee技術應用于箱式變電站，可以實現(xiàn)箱式變電站的智能化，同時該變電站還具有低成本、低功耗、實時性及可靠性高等特點。
關鍵詞：智能化；箱式變電站；ZigBee技術；無線通訊

0 引言
隨著我國智能配電網(wǎng)建設的不斷發(fā)展，智能箱式變電站作為高壓受電、低壓配電的載體越來越多地被業(yè)內(nèi)所關注。箱式變電站將高壓受電、變壓器降壓、低壓配電等功能有機地組合在一起，具有集成化程度高、工廠預安裝、操作方便、節(jié)能、節(jié)地、安全、美觀等優(yōu)點而被廣泛應用。如何實現(xiàn)箱式變電站的智能化，確保箱式變電站與主站之間通信的實時性和可靠性是其關鍵問題。但是，智能箱式變電站一般安裝在負荷密集的工礦企業(yè)、港口、機場、城市公共建筑、高速公路、地下設施和居民住宅小區(qū)等場所，要對智能箱式變電站進行遠程監(jiān)控、系統(tǒng)組網(wǎng)，其布線施工比較困難，一般的現(xiàn)場總線組網(wǎng)方式很難實現(xiàn)。本文采用工作于國際免費頻段，并具有網(wǎng)絡自組織功能的無線ZigBee技術，設計了箱式變電站的無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了箱式變電站的智能化功能，解決了現(xiàn)有箱式變電站所存在的問題。

1 智能箱式變電站中ZigBee技術與傳統(tǒng)通訊的比較
智能箱式變電站采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化為基本要求，可自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能。智能變電站與智能電網(wǎng)密切相關，是智能電網(wǎng)的一個最重要和最關鍵的“終端”，承擔著為智能電網(wǎng)提供數(shù)據(jù)和控制對象的功能。
智能變電站可實現(xiàn)一系列高級應用功能，因而對站內(nèi)設備提出了更高的要求，比如一次設備需要智能化、一體化系統(tǒng)平臺等。同時，大量信息需要交換，因此，智能變電站需要數(shù)字化的通信平臺。數(shù)字化的通信平臺，首先需要有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路的傳輸技術來保證各點測試數(shù)據(jù)的獲取和控制信息的可靠到達。現(xiàn)有箱式變電站采用有線和無線兩種通訊方式。有線通訊包括光纖、電話線、RS485總線和低壓電力線載波傳輸。有線通訊增加了箱式變電站綜合布線的費用和難度，降低了系統(tǒng)的應用靈活性，限制了有線箱式變電站的推廣和應用。無線通訊系統(tǒng)采用先進的無線通信技術，相對于有線通訊系統(tǒng)有著先天的優(yōu)勢。采用GSM／GPRS技術的通訊屬于無線通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用電信服務商無線通信網(wǎng)絡，覆蓋范圍廣能同時滿足農(nóng)村和城市的集中抄表，但GSM／GPRS系統(tǒng)的實時性及可靠性較差，可能發(fā)生信息擁塞或丟失現(xiàn)象，不適合在業(yè)務量大的系統(tǒng)中應用，同時，該技術需要支付網(wǎng)絡接入費。另外，GSM／GPRS系統(tǒng)的硬件成本較高，使GSM／GPRS無線自動抄表系統(tǒng)費用過高，不能被市場廣泛接受。ZigBee技術，因其具有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點，故而在智能電網(wǎng)中的應用越來越廣泛。

2 ZigBee技術主要特點
ZigBee是一組基于IEEE批準通過802．15．4無線標準研制開發(fā)的，有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE80-2．15．4負責物理層和鏈路層標準。
ZigBee的特點突出，主要有以下幾個方面：
(1)可靠。采用了碰撞免機制，同時為需要固定帶寬通信業(yè)務預留了專用時隙，因而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個ZigBee網(wǎng)絡中可通過自動路由的方式進行傳輸，從而保{正了信息傳輸?shù)目煽啃浴?br /> (2)時延短。由于針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活時延都非常短，通常時延在15～30 ms。
(3)網(wǎng)絡容量大?？芍С值墓?jié)點達65 000個。
(4)安全。ZigBee提供有數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用通用的AES-128，具有高保密性，有64位出廠編號并支持AES-128加密。
(5)數(shù)據(jù)傳輸速率低。速率只有10～250 kb／s，專注于低傳輸應用。
(6)低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個ZigBee節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee相比于其他通信方式的突出優(yōu)勢。
(7)成本低。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本，且ZigBee協(xié)議免收專利費。
(8)具有優(yōu)良的網(wǎng)絡拓撲能力。ZigBee設備具有無線網(wǎng)路自愈能力，ZigBee具有星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構的能力。
因此，通過ZigBee無線網(wǎng)絡拓撲能簡單地覆蓋廣闊的范圍。
(9)有效范圍大。有效覆蓋范圍在10～75 m之間(通過功效可在低功耗條件下實現(xiàn)1 000 m以上通信距離)，具體可依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通家庭或辦公室環(huán)境。
(10)工作頻段靈活。使用的頻段分別為2．4 GHz(全球)、868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。
ZigBee典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)。它的應用目標主要是工業(yè)控制(如無線通訊系統(tǒng)、自動控制設備、無線傳感器網(wǎng)絡)，醫(yī)護(如監(jiān)視和傳感)，家庭智能控制(如照明、水電氣計量及報警)，消費類電子設備的遙控裝置以及PC外設的無線連接等。

3 ZigBee技術在智能箱式變電站中的應用總體設計
3．1 智能箱式變電站中ZigBee通訊網(wǎng)絡平臺的設計原理和體系結構
ZigBee通訊平臺設計原理構架圖如圖1所示?；赯igBee的通訊網(wǎng)絡平臺以智能箱式變電站為核心，并依托變電站的10kV配電線路向外輻射，采用逐步推進的方式建立起較為完整的ZigBee無線通訊網(wǎng)絡。利用ZigBee通訊技術的網(wǎng)絡具有自組網(wǎng)、大容量、無限制路由的特點，可彌補現(xiàn)有的公共無線網(wǎng)絡、光纖、電力載波等通訊方式的不足。

圖2所示是智能箱式變電站ZigBee通訊網(wǎng)絡體系結構圖。
本系統(tǒng)的管理主站存放在各電力公司。通過光纖分布與各個變電站的ZigBee智能網(wǎng)關相連接。ZigBee終端節(jié)點(ZigBee終端裝置)與配變終端(如配變監(jiān)測儀、故障指示器等)相連，并通過ZigBee路由(智能中繼器)逐級把數(shù)據(jù)傳遞給ZigBee智能網(wǎng)關。系統(tǒng)自上至下由ZigBee通信平臺管理系統(tǒng)主站、ZigBee智能網(wǎng)關、ZigBee智能中繼器、ZigBee終端組成，通過ZigBee網(wǎng)關進行協(xié)議解析，可實現(xiàn)全程鏈路的構建。