ZigBee技術(shù)在智能箱式變電站中的應(yīng)用

摘要：簡單分析了現(xiàn)有箱式變電站中存在的技術(shù)問題，介紹了ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于箱式變電站，給出了無線通訊技術(shù)的硬件電路和軟件方案，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的智能箱式變電站。根據(jù)所設(shè)計(jì)的變電站配電運(yùn)行表明，將無線ZigBee技術(shù)應(yīng)用于箱式變電站，可以實(shí)現(xiàn)箱式變電站的智能化，同時(shí)該變電站還具有低成本、低功耗、實(shí)時(shí)性及可靠性高等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：智能化；箱式變電站；ZigBee技術(shù)；無線通訊

0 引言
    隨著我國智能配電網(wǎng)建設(shè)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(guān)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(jī)地組合在一起，具有集成化程度高、工廠預(yù)安裝、操作方便、節(jié)能、節(jié)地、安全、美觀等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。如何實(shí)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(shí)時(shí)性和可靠性是其關(guān)鍵問題。但是，智能箱式變電站一般安裝在負(fù)荷密集的工礦企業(yè)、港口、機(jī)場、城市公共建筑、高速公路、地下設(shè)施和居民住宅小區(qū)等場所，要對智能箱式變電站進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)。本文采用工作于國際免費(fèi)頻段，并具有網(wǎng)絡(luò)自組織功能的無線ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了箱式變電站的無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，從而實(shí)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(shù)與傳統(tǒng)通訊的比較
    智能箱式變電站采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，可自動(dòng)完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級功能。智能變電站與智能電網(wǎng)密切相關(guān)，是智能電網(wǎng)的一個(gè)最重要和最關(guān)鍵的“終端”，承擔(dān)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(shí)現(xiàn)一系列高級應(yīng)用功能，因而對站內(nèi)設(shè)備提出了更高的要求，比如一次設(shè)備需要智能化、一體化系統(tǒng)平臺(tái)等。同時(shí)，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(tái)。數(shù)字化的通信平臺(tái)，首先需要有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路的傳輸技術(shù)來保證各點(diǎn)測試數(shù)據(jù)的獲取和控制信息的可靠到達(dá)?，F(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(fèi)用和難度，降低了系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性，限制了有線箱式變電站的推廣和應(yīng)用。無線通訊系統(tǒng)采用先進(jìn)的無線通信技術(shù)，相對于有線通訊系統(tǒng)有著先天的優(yōu)勢。采用GSM／GPRS技術(shù)的通訊屬于無線通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用電信服務(wù)商無線通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍廣能同時(shí)滿足農(nóng)村和城市的集中抄表，但GSM／GPRS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(wù)量大的系統(tǒng)中應(yīng)用，同時(shí)，該技術(shù)需要支付網(wǎng)絡(luò)接入費(fèi)。另外，GSM／GPRS系統(tǒng)的硬件成本較高，使GSM／GPRS無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)費(fèi)用過高，不能被市場廣泛接受。ZigBee技術(shù)，因其具有近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點(diǎn)，故而在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛。

2 ZigBee技術(shù)主要特點(diǎn)
    ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE80-2．15．4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。
    ZigBee的特點(diǎn)突出，主要有以下幾個(gè)方面：
    (1)可靠。采用了碰撞免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，因而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可通過自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保{正了信息傳輸?shù)目煽啃浴?br />     (2)時(shí)延短。由于針對時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活時(shí)延都非常短，通常時(shí)延在15～30 ms。
    (3)網(wǎng)絡(luò)容量大。可支持的節(jié)點(diǎn)達(dá)65 000個(gè)。
    (4)安全。ZigBee提供有數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)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(yīng)用。
    (6)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)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(fèi)。
    (8)具有優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?。ZigBee設(shè)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(luò)結(jié)構(gòu)的能力。
因此，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芎唵蔚馗采w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(shí)現(xiàn)1 000 m以上通信距離)，具體可依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)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(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。它的應(yīng)用目標(biāo)主要是工業(yè)控制(如無線通訊系統(tǒng)、自動(dòng)控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò))，醫(yī)護(hù)(如監(jiān)視和傳感)，家庭智能控制(如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警)，消費(fèi)類電子設(shè)備的遙控裝置以及PC外設(shè)的無線連接等。

3 ZigBee技術(shù)在智能箱式變電站中的應(yīng)用總體設(shè)計(jì)
3．1 智能箱式變電站中ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理和體系結(jié)構(gòu)
    ZigBee通訊平臺(tái)設(shè)計(jì)原理構(gòu)架圖如圖1所示?；赯igBee的通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)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(jìn)的方式建立起較為完整的ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)。利用ZigBee通訊技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)、大容量、無限制路由的特點(diǎn)，可彌補(bǔ)現(xiàn)有的公共無線網(wǎng)絡(luò)、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(luò)體系結(jié)構(gòu)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(gè)變電站的ZigBee智能網(wǎng)關(guān)相連接。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)(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(guān)。系統(tǒng)自上至下由ZigBee通信平臺(tái)管理系統(tǒng)主站、ZigBee智能網(wǎng)關(guān)、ZigBee智能中繼器、ZigBee終端組成，通過ZigBee網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議解析，可實(shí)現(xiàn)全程鏈路的構(gòu)建。
3．2 ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件電路實(shí)現(xiàn)方案
    ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要有兩種方案可供選擇：第一種可選的方案是MCU+RF收發(fā)器，第二種可選的方案是應(yīng)用SOC片上系統(tǒng)。本文的硬件采用第一種方案，系統(tǒng)的MCU選擇MSP430F149單片機(jī)，RF收發(fā)器為CC2420射頻芯片。用MSP430F149單片機(jī)與CC2420射頻芯片進(jìn)行通信，可控制CC2420射頻芯片做好數(shù)據(jù)的無線傳輸操作。系統(tǒng)硬件模塊框圖如圖3所示。

    本系統(tǒng)的硬件包括MSP430F149微處理器模塊、CC2420無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、電源管理模塊等。這些器件的選擇要盡量符合ZigBee技術(shù)的低成本、低耗電、小體積等特性。分步完成好每一個(gè)模塊的調(diào)試工作，最終完成整體的硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的MSP430微處理器負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制操作，包括數(shù)據(jù)管理以及任務(wù)管理，與CC2420通信可控制CC2420進(jìn)行無線通信等任務(wù)，CC2420通過SPI接口與MCU進(jìn)行通信，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)等無線通信任務(wù)。存儲(chǔ)器模塊是為防止MCU內(nèi)部存儲(chǔ)器不夠，用于存儲(chǔ)需要保護(hù)的數(shù)據(jù)。
3．3 軟件設(shè)計(jì)
    IAR軟件是MSP430單片機(jī)的開發(fā)工具，在硬件上用一根并口線將單片機(jī)與PC機(jī)相連就可以了，系統(tǒng)所需要的C語言代碼都是在這個(gè)環(huán)境下編譯的，其主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。主程序可調(diào)用多個(gè)子程序模塊，以用來處理相應(yīng)的功能。初始化模塊用于初始化系統(tǒng)及ZigBee模塊；查詢模塊用來查詢附近通信節(jié)點(diǎn)的信息；通信鏈路模塊用來建立監(jiān)測區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)鏈路；數(shù)據(jù)通信模塊用來接收并分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，處理后將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。

3．4 無線ZigBee技術(shù)應(yīng)用于箱式變電站的配電方案
    將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于箱式變電站的配電系統(tǒng)分為高壓、變壓器、低壓三部分，圖5所示是其智能變電站配電方案圖。圖中的高壓部分采用中壓負(fù)荷開關(guān)(或真空斷路器)；變壓器部分為立體卷鐵心S13型油變或者S(C)B13型干變；低壓部分包含低壓進(jìn)線、重要饋電回路、一般饋電回路和無功補(bǔ)償。智能化系統(tǒng)的配置及功能要求如表1所列。

4 結(jié)語
    ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，是無線網(wǎng)絡(luò)不可缺少的組成部分，其成功的關(guān)鍵在于大量豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。通過實(shí)際設(shè)計(jì)的智能箱式變電站運(yùn)行情況表明，把低成本、低功耗的無線zigBee技術(shù)應(yīng)用到箱式變電站，不但能夠?qū)崿F(xiàn)變電站遙控、遙調(diào)、遙測、遙信等智能化功能，很好地解決有線通信方式布線難度大、成本高、不易維護(hù)和升級等問題，而且組網(wǎng)靈活性很高，在智能箱式變電站中應(yīng)用前景非常廣泛。由此可見，無線ZigBee技術(shù)在智能箱式變電站中與智能電網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用前景。