ZigBee技術在配電自動化系統中的應用分析

張建忠

（國網山東省電力公司樂陵市供電公司，山東德州，253600）

0 引言

對配電自動化系統進行建設時，通信系統是重要的一環，應以高新技術手段為依托，配電自動化把控制中心發出的指令傳給各個執行機構與遠方的智能終端，并且，將智能終端所采集的數據傳輸給控制中心，近年來，新興的ZigBee技術已經開始應用于配網自動化系統中，在我國電力行業得到了廣泛應用。得到了人們的一致認可。

1 ZigBee技術的概況

ZigBee技術是低速率、短距離的一種新興無線通信網絡技術，其介于藍牙技術與無線標記技術之間。該技術具有功耗低、時延小、速率低、距離適中等諸多優點，充分對無線通信技術缺點進行了彌補，也符合了自組織網絡與傳感器等無線傳感器的網絡需要。配電自動化的通信網絡不會對帶寬有過高要求，如果對功耗和時延要求較低，ZigBee技術就是不錯的選擇。該技術由最多六萬五千個無線數據的模塊共同組成無線數據傳輸平臺，與當前的GSM網和CDMA網十分相似，各個ZigBee網絡的數據模塊和移動網絡基站十分類似，他們可以在整個網絡間互相通信。各個ZigBee網絡的節點能夠對幾十個受控的設備與傳感器進行支持，各個受控設備與傳感器的終端能夠有八種不相同接口方法，能夠對模擬量與數字量進行傳輸與采集。配電自動化是通過采集各種配電的終端信息，完成控制和監測配電網的工作，并用有關系統信息的集成與計算分析采集的數據來科學地管理配電網。配變監測為10kV配電變壓器監測，經過電能質量的監測、開關運行狀態與采集的配變，并遠程傳輸與管理采集到的數據，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設備信息參數如表1所示。

表1 典型的配電自動化數據表

2 配電自動化系統中ZigBee技術的實際應用

2.1 引入ZigBee技術

根據相關配電自動化的試點工程方案，某供電公司的試點區會建立由各種通信方式混合而成的一個配電自動化系統。從組網方式來看，ZigBee技術適合配電站里面末端通信使用，不會需要過高的通信可靠性，傳輸的數據也相對單一，不會出現線纜難以施工的情況。該技術處于2.4G的頻段時，其傳輸的速率最高能夠達到250kb/s,ZigBee網絡能夠對一個主設備、252個從設備進行容納，在一個區域中能夠共同存在一百個ZigBee網絡，能夠完全達到配電自動化在通信流量方面的需求。很多配電站的供電沒有AC220V，只能由電操機構、載波設備、終端設備來供電。而該技術使用休眠模式，具有收發信息的功耗低、工作的周期短等特點，與超級電容相關技術相結合，其供電問題能夠得到解決。該技術還使用碰撞避免的機制，給對固定寬帶有需求的業務留下了一定的時隙，防止在發送數據過程中出現沖突與競爭[1]。優化了時延敏感應用，以休眠狀態進行激活的時延與通信的時延都比較短。針對數據有完整性的加權與檢查功能，使用了AES128的加密算法，能夠靈活地對每個應用自身的安全屬性進行靈活確定，充分達到了配電自動化在實時性與安全性方面的要求。

2.2 測試無線覆蓋

為了對ZigBee技術在具體配電自動化的站點之間覆蓋信號情況，對ZigBee設備接收與發送情況進行測試，該供電公司讓技術人員測試ZigBee技術的無線覆蓋情況。以該供電公司輻射范圍里某線路作為測試環境，信息匯集點與通信設備有網狀分布、星型、簇狀型分布三種，如圖1所示。主要的測試方法為用ZigBee的通信軟件對相同大小數據包進行發送，利用ZigBee通信設備組網把數據輸送到信息的匯集點，當匯集點的設備對數據進行接收后，對兩段數據與時間的內容差異進行分析。

圖1 ZigBee的網絡拓撲結構

2.3 測試的結果和相關分析

檢測的項目包括場強、誤包率、多路徑檢測。首先，場強是一個基本的測試指標，能夠對這一測試點是否接受到ZigBee信號進行顯示。其次，誤包率是對信號質量的一個基本評價，可以顯示出這一測試點信號出現的誤包率，如果測試誤包比能夠接受的范圍大，就能判斷出這一測試點的接收情況不好，可按照其余測試的指標對ZigBee設備相關參數進行調整，從而使ZigBee覆蓋的網絡效果得以改善[2]。最后，多路徑檢測是一個參考指標，這一檢測能夠對接收效果是否受建筑物、環境的繞射和回波反射影響而效果不良進行判斷。這次測試主要將住宅小區作為測試的環境，里面的住宅樓一般都小于8層，各個通信設備的終端距離小于300米，統一的接入點還沒有確定，多路徑的檢測也沒有進行測試。測試的最終結果顯示測試線路中全部終端點都能夠互聯。

2.4 主站和配電子站通信

在該供電分公司管轄區域里配備七個通信匯集型的配電子站，將這些配電子站分別放到七個變電站里，然后在這些變電站中都安放嵌入式配電子站的系統，從而實現區域附近TTU與DTU等數據轉發、處理、收集等功能。配電子站主要在DTU和配電主站處理、交換信息的一個中間站。總體結構參照配電自動化的系統來設計，為三層結構，這次設計的配電自動化方案用到的是通行匯集型的配電子站，它具有規約與轉發為一體、信息的優先級篩選、數據集中等能力，沒有恢復非故障區域的供電與自動判斷故障區域的功能。配電子站和主站系統通信主要利用SDH光設備的2M接口進行。經過勘探路由，發現部分不具有敷設光纜的條件，同時配電網絡相對比較復雜，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化項目中，土建站以就近匯聚為原則構建了ZigBee的通信網，各個子網都由電力載波網絡或是中心設備對光纖網絡進行接入，通過電力線載波、光纖、ZigBee的有機結合，使設備的多種控制信息與狀態信息來雙向傳輸。因此，將多個路由的節點和一個網絡的協調器設置于通信子網里，各個路由的節點都對相應的檢測區域負責，并和各個終端的節點共同組成子網，子網之間彼此對立，TTU/FTU/RTU和終端設備進行連接，以標識符來對所屬路由節點進行確定。路由節點及其從屬終端的節點一起形成一個星形網絡，控制與采集配電自動化數據[3]。網絡協調器和各個路由的節點通過多跳的方法進行通信，也就是說，路由的節點用多跳鏈路把終端節點的采集數據輸送至網絡協調器，且TTU/FTU/RTU設備和終端設備、終端節點相連，對電流與電壓等信息進行采集，用無線網絡將所采集信息發送至路由的節點。

網絡協調器主要和各路由的節點進行通信，以對全部路由節點進行管理的方式完成網絡化控制配電自動化的通信，通信主站不但是網絡集群控制臺，還是網絡檢測數據中心，對系統管理進行負責。通過路由節點和網絡協調器的串聯，延伸了面積，做到了分區化與大型化管理。按照配電站里采集數據的方式和傳感器分布情況，應傳輸風機狀態、水泵狀態、電纜頭溫度、室內溫濕度、變壓器溫度等綜合信息，檢測傳感器要分布在不相同的房間里。在配電自動化的末端通信網中，組網的方式都遵循就近匯集原則，共同組建ZigBee的通信網，把數據全部匯集至ZigBee的中心節點，通過該節點把采集的遙測信息輸送至配電站里的TTU或RTU，讓多種控制信號與狀態信息做到雙向傳輸，提供給配電網自動化系統安全、可靠、高速的通信支撐。

3 結語

在配電自動化系統中應用ZigBee技術具有十分重要的意義。ZigBee技術以其低成本、低功耗的特點及高度集成的硬件架構、軟件架構，讓電力企業工作人員能夠更加方便快捷地設計與應用最終的產品，未來在電力行業將會發揮更大的作用。