ZigBee技术在智能箱式变电站中的应用

摘要：简单分析了现有箱式变电站中存在的技术问题，介绍了ZigBee技术的特点和优势。将ZigBee技术应用于箱式变电站，给出了无线通讯技术的硬件电路和软件方案，设计了基于ZigBee技术的智能箱式变电站。根据所设计的变电站配电运行表明，将无线ZigBee技术应用于箱式变电站，可以实现箱式变电站的智能化，同时该变电站还具有低成本、低功耗、实时性及可靠性高等特点。
关键词：智能化；箱式变电站；ZigBee技术；无线通讯

0 引言
    随着我国智能配电网建设的不断发展，智能箱式变电站作为高压受电、低压配电的载体越来越多地被业内所关注。箱式变电站将高压受电、变压器降压、低压配电等功能有机地组合在一起，具有集成化程度高、工厂预安装、操作方便、节能、节地、安全、美观等优点而被广泛应用。如何实现箱式变电站的智能化，确保箱式变电站与主站之间通信的实时性和可靠性是其关键问题。但是，智能箱式变电站一般安装在负荷密集的工矿企业、港口、机场、城市公共建筑、高速公路、地下设施和居民住宅小区等场所，要对智能箱式变电站进行远程监控、系统组网，其布线施工比较困难，一般的现场总线组网方式很难实现。本文采用工作于国际免费频段，并具有网络自组织功能的无线ZigBee技术，设计了箱式变电站的无线网络通讯系统，从而实现了箱式变电站的智能化功能，解决了现有箱式变电站所存在的问题。

1 智能箱式变电站中ZigBee技术与传统通讯的比较
    智能箱式变电站采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，可自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能。智能变电站与智能电网密切相关，是智能电网的一个最重要和最关键的“终端”，承担着为智能电网提供数据和控制对象的功能。
    智能变电站可实现一系列高级应用功能，因而对站内设备提出了更高的要求，比如一次设备需要智能化、一体化系统平台等。同时，大量信息需要交换，因此，智能变电站需要数字化的通信平台。数字化的通信平台，首先需要有稳定可靠的数据链路的传输技术来保证各点测试数据的获取和控制信息的可靠到达。现有箱式变电站采用有线和无线两种通讯方式。有线通讯包括光纤、电话线、RS485总线和低压电力线载波传输。有线通讯增加了箱式变电站综合布线的费用和难度，降低了系统的应用灵活性，限制了有线箱式变电站的推广和应用。无线通讯系统采用先进的无线通信技术，相对于有线通讯系统有着先天的优势。采用GSM／GPRS技术的通讯属于无线通讯系统。该系统使用电信服务商无线通信网络，覆盖范围广能同时满足农村和城市的集中抄表，但GSM／GPRS系统的实时性及可靠性较差，可能发生信息拥塞或丢失现象，不适合在业务量大的系统中应用，同时，该技术需要支付网络接入费。另外，GSM／GPRS系统的硬件成本较高，使GSM／GPRS无线自动抄表系统费用过高，不能被市场广泛接受。ZigBee技术，因其具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等特点，故而在智能电网中的应用越来越广泛。

2 ZigBee技术主要特点
    ZigBee是一组基于IEEE批准通过802．15．4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE80-2．15．4负责物理层和链路层标准。
    ZigBee的特点突出，主要有以下几个方面：
    (1)可靠。采用了碰撞免机制，同时为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙，因而避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中可通过自动路由的方式进行传输，从而保{正了信息传输的可靠性。
    (2)时延短。由于针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活时延都非常短，通常时延在15～30 ms。
    (3)网络容量大。可支持的节点达65 000个。
    (4)安全。ZigBee提供有数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128，具有高保密性，有64位出厂编号并支持AES-128加密。
    (5)数据传输速率低。速率只有10～250 kb／s，专注于低传输应用。
    (6)低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个ZigBee节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee相比于其他通信方式的突出优势。
    (7)成本低。ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，且ZigBee协议免收专利费。
    (8)具有优良的网络拓扑能力。ZigBee设备具有无线网路自愈能力，ZigBee具有星状、树状和网状网络结构的能力。
因此，通过ZigBee无线网络拓扑能简单地覆盖广阔的范围。
    (9)有效范围大。有效覆盖范围在10～75 m之间(通过功效可在低功耗条件下实现1 000 m以上通信距离)，具体可依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室环境。
    (10)工作频段灵活。使用的频段分别为2．4 GHz(全球)、868 MHz(欧洲)及915 MHz(美国)，均为免执照频段。
    ZigBee典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。它的应用目标主要是工业控制(如无线通讯系统、自动控制设备、无线传感器网络)，医护(如监视和传感)，家庭智能控制(如照明、水电气计量及报警)，消费类电子设备的遥控装置以及PC外设的无线连接等。

3 ZigBee技术在智能箱式变电站中的应用总体设计
3．1 智能箱式变电站中ZigBee通讯网络平台的设计原理和体系结构
    ZigBee通讯平台设计原理构架图如图1所示。基于ZigBee的通讯网络平台以智能箱式变电站为核心，并依托变电站的10kV配电线路向外辐射，采用逐步推进的方式建立起较为完整的ZigBee无线通讯网络。利用ZigBee通讯技术的网络具有自组网、大容量、无限制路由的特点，可弥补现有的公共无线网络、光纤、电力载波等通讯方式的不足。

    图2所示是智能箱式变电站ZigBee通讯网络体系结构图。
    本系统的管理主站存放在各电力公司。通过光纤分布与各个变电站的ZigBee智能网关相连接。ZigBee终端节点(ZigBee终端装置)与配变终端(如配变监测仪、故障指示器等)相连，并通过ZigBee路由(智能中继器)逐级把数据传递给ZigBee智能网关。系统自上至下由ZigBee通信平台管理系统主站、ZigBee智能网关、ZigBee智能中继器、ZigBee终端组成，通过ZigBee网关进行协议解析，可实现全程链路的构建。
3．2 ZigBee节点的硬件电路实现方案
    ZigBee节点的硬件设计主要有两种方案可供选择：第一种可选的方案是MCU+RF收发器，第二种可选的方案是应用SOC片上系统。本文的硬件采用第一种方案，系统的MCU选择MSP430F149单片机，RF收发器为CC2420射频芯片。用MSP430F149单片机与CC2420射频芯片进行通信，可控制CC2420射频芯片做好数据的无线传输操作。系统硬件模块框图如图3所示。

    本系统的硬件包括MSP430F149微处理器模块、CC2420无线数据收发模块、电源管理模块等。这些器件的选择要尽量符合ZigBee技术的低成本、低耗电、小体积等特性。分步完成好每一个模块的调试工作，最终完成整体的硬件设计。系统的MSP430微处理器负责整个节点的控制操作，包括数据管理以及任务管理，与CC2420通信可控制CC2420进行无线通信等任务，CC2420通过SPI接口与MCU进行通信，负责数据的收发等无线通信任务。存储器模块是为防止MCU内部存储器不够，用于存储需要保护的数据。
3．3 软件设计
    IAR软件是MSP430单片机的开发工具，在硬件上用一根并口线将单片机与PC机相连就可以了，系统所需要的C语言代码都是在这个环境下编译的，其主程序设计流程图如图4所示。主程序可调用多个子程序模块，以用来处理相应的功能。初始化模块用于初始化系统及ZigBee模块；查询模块用来查询附近通信节点的信息；通信链路模块用来建立监测区域内节点间的数据链路；数据通信模块用来接收并分析无线传感器网络节点发来的数据信息，处理后将数据信息发送出去。

3．4 无线ZigBee技术应用于箱式变电站的配电方案
    将ZigBee技术应用于箱式变电站的配电系统分为高压、变压器、低压三部分，图5所示是其智能变电站配电方案图。图中的高压部分采用中压负荷开关(或真空断路器)；变压器部分为立体卷铁心S13型油变或者S(C)B13型干变；低压部分包含低压进线、重要馈电回路、一般馈电回路和无功补偿。智能化系统的配置及功能要求如表1所列。

4 结语
    ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，是无线网络不可缺少的组成部分，其成功的关键在于大量丰富而便捷的应用，而不是技术本身。通过实际设计的智能箱式变电站运行情况表明，把低成本、低功耗的无线zigBee技术应用到箱式变电站，不但能够实现变电站遥控、遥调、遥测、遥信等智能化功能，很好地解决有线通信方式布线难度大、成本高、不易维护和升级等问题，而且组网灵活性很高，在智能箱式变电站中应用前景非常广泛。由此可见，无线ZigBee技术在智能箱式变电站中与智能电网领域内有着广泛的应用前景。