ZigBee路由協議在電力配網應用的研究

張文哲

【摘要】電力配網設備由于位置分布復雜，有線通信線路難以敷設。ZigBee無線標準作為一種新穎的短程無線標準，具有自愈性、成本低等優點，在電力配網有較強的適用性。但由于ZigBee的路由協議是按較大動態變化的移動無線網絡設計，必須予以改進以滿足電力配網通信業務的特點。為此，本文分析了ZigBee的路由協議，并針對電力配網的特點提出了3點改進。改進后的ZigBee路由協議能充分滿足配網通信的需要。

【關鍵詞】電力配網ZigBee路由

一、引言

電力配網是指電網以10kV電壓等級向用戶供電的網絡，其一次設備和供電線路較為簡單。目前，配網的通信業務主要有自動化遠動和集中抄表兩種，均有低速業務。但由于配網設備的分布位置復雜，有相當部分分布在高層建筑或地下室中，有線通信線路的敷設相當困難。為減低配網通信網絡的建設成本，并使其具有一定的自愈功能，Zigbee無線標準是一種具有競爭力的候選技術。本文首先對ZigBee的路由協議進行了分析，然后在ZigBee路由協議的基礎上針對配網的特點提出了3點改進。改進后的ZigBee路由協議能充分滿足配網通信的需要。

二、ZigBee現有的路由協議

ZigBee標準是ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4的物理層基礎上定義的網絡層標準，分別有zigbee2004、2006和2007三個版本。作為一個完整的網絡層標準，Zigbee的路由協議是其中的核心部分。Zigbee的路由協議具有從簡單到復雜的三種算法，AODV、Cluster-Tree和AODV加Cluster-Tree的混合算法。

1、AODV算法

AODV算法是一種“按需建立”的路由算法，當終端需要發送數據時，向就近的路由器發送請求。路由器通過廣播，找到目的網絡的所在位置，再更新路由表，從而建立起所需的路由。當終端某次數據發送而建立的路由超過規定的生存時間時，該條路由將被釋放。

2、Cluster-Tree算法

Cluster-Tree算法是由Zigbee協調器展開的簇-樹形路由算法，協調器負責從根節點開始向下遍歷各個分支節點，使整個網絡建立一個樹形拓撲。作為一種靜態的路由協議，路由器不需要存儲路由表。這種算法只適用于靜態網絡拓撲，而且根節點和分支節點轉發的數量流量較大而形成網絡性能的瓶頸，并不是最優的路由算法。

3、AODV加Cluster-Tree混合算法

Zigbee標準使用較廣的是AODV加Cluster-Tree混合算法，由于結合了動態和靜態路由的特點，在網絡拓撲靜止或變化不大的情況下，主要使用Cluster-Tree。在終端運動或網絡拓撲較大范圍變化的情況下，使用AODV協議。其綜合性能較佳。

三、針對配網特點的路由改進

電力配網的一次設備以DTU、FTU和TTU為主，再加上少量的集中抄表裝置。配網的通信業務的特點是低速和固定，ZigBee原有路由協議可以針對配網通信業務的特點進行改進以提高效率。第一、由于配網通信裝置的固定性，優先采用靜態路由。原有路由協議中的動態路由只在網絡的主用路由節點失效后，才啟動備用路由，以實現自愈功能。由于配網設備對通信通道的切換功能要求不高，實際上10分鐘量級的切換時間是可以承受的，所以動態路由應該采用定時10分鐘左右一次的更新。定時器計時到10分鐘時，各Zigbee終端向路由器發送hello包以檢測鏈路是否暢通。若發現某一鏈路失效，則由終端嘗試連接可能的路由器并建立鏈路，新的鏈路建立后路由器更新路由表。第二、由于配網裝置的分布位置不規則，ZigBee的動態路由協議應支持網狀網，所以只能采用AODV協議。第三、ZigBee路由協議中，每個路由器所帶的下級路由、終端的數量，需根據電力配網的實際情況調整。例如，在110kV變電站安裝的ZigBee匯聚路由器，由于天線豎高足夠，可以覆蓋50至70個終端，原有協議中覆蓋20個終端的數量顯然不夠。

四、結論

對Zigbee的路由協議進行改進后，處于較佳位置的匯聚路由器可覆蓋50至70個終端。對于超過覆蓋范圍的終端，通過其他路由器，通過多跳中繼的方法回傳。在主用路由器工作正常的情況下，整個Zigbee網絡使用靜態路由，其效果與LTE的純蜂窩的覆蓋方式差別不大。在主用路由器失效的情況下，動態路由協議生效，數據通過網狀網的其他路由器回傳，能充分發揮每一個路由器的中繼性能。所以，改進后的Zigbee協議能滿足電力配網的需求。