Zigbee无线网络及其配电自动化的应用

通信系统是建设配电自动化系统的关键，借助可靠的通信手段，配电自动化将控制中心的指令下传到远方智能终端和各执行机构，同时，把智能终端（FTU/TTU）采集到的数据信息上传到控制中心。近年出现的ZigBee短距离无线通信技术，已被制造厂家采用，在配网自动化领域开始使用，本文就该技术在配网自动化的应用，提出一种结合光纤或其他通信方式，实现数据采集的应用解决方案。

一、ZigBee简介

ZigBee是一组基于IEEE 批准通过的 802.15.4 无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee无线模块以250Kbps 的最大传输速率承载有限的数据流量。

在标准规范的制订方面，主要是IEEE 802.15.4 小组与ZigBee Alliance 两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。ZigBee建立在 802.15.4 标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。

在MAC 层上，主要沿用 WLAN 中 802.11 系列标准的 CSMA/CA 方式，以提高系统兼容。

在网络层方面，根据节点的不同角色，可分为精简功能设备（RFD）和全功能设备（FFD）。RFD 的电路较为简单、容量较小。FFD 的节点能够提供数据交换，具备控制器的功能， RFD 只能从FFD 传送或接收数据。

图1 ZigBee无线网络的拓扑结构

二、ZigBee技术特点

ZigBee的突出优点是： 低功耗、低成本、低速率，ZigBee工作在20--250 kbps 的较低速率， 分别提供250kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz) 和20 kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

ZigBee数传网络在配网自动化领域应用方案相对于电力微波通信网、电力DDN 数字数据和公网等远程通讯技术相比，ZigBee无线模块技术通信距离较短，数据传输速率较低，不适合长距离大容量的数据传输应用。在配网自动化领域，配电终端设备如FTU、DTU、TTU 等，信息量比较小，在几十K传输速率情况下，也能够达到性能要求；这些终端设备安装位置分布于配电网络各种设备处，比较分散，有线网络覆盖比较困难，有时为了某一个终端通信接入需消耗较多的资金投入。若采用在一个区域内设置一个或几个ZigBee数传模块设备，与主站系统采用有线或无线公网通信，其它邻近区域的设备，采用近距离的ZigBee无线模块组成网络，通过该网络互联，实现ZigBee数据采集传输到主站的目的，可以省去很多麻烦。因此，ZigBee数传无线网络技术与其它通信方式结合，可以发挥ZigBee技术在通信容量、通信时延、通信可靠性、能量损耗上的优势，应用于配网自动化通信。

下面提出的无线ZigBee数据采集通信网络，是基于ZigBee数传模块并采用光纤网络进行数据通信无线网络，它是由大量的无线应用节点、中继节点和路由节点（光传输数据传输网关）组成的分布式系统。无线应用节点即配电网控制终端设备（FTU 等），中继节点也可以单独设置，也可由某个控制终端分担，路由节点是一个无线ZigBee和光端机的结合体，起到一个路由作用。每个应用节点成员都把数据传给路由节点，传输途径根据距离和网络状况，可能会通过中继节点转发；数据在路由节点融合后传给光传输设备。主站系统通过光纤网络与多个路由节点连接，路由节点和无线应用节点之间通过ZigBee无线模块技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线应用节点负责把数据传送给路由节点；主站系统通过光纤网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。

分布在通信网络中的路由节点主要用于接收无线应用节点的数据上报，并将其进行融合处理，传给光纤网络再传递给主站系统。ZigBee路由节点在此网络中充当的是无线应用节点和光纤网络之间的路由。

图2 ZigBee无线网络通信

对于无线应用节点，内置的ZigBee无线模块能够根据网络检测状况，自动调整设备的发射功率，既能保证通信链路质量，又能做到消耗能量最小，在网络安全方面，对所传输的数据信息采用了密钥长度为128 位的加密处理。在配网自动化领域，许多场合采用基于GPRS/CDMA 数字蜂窝网络，从应用角度而言，存在使用成本较高、数据传输需要付费、系统的运行成本高、网络的自管理能力不高等缺点。   

ZigBee无线网络是无使用费、采用免费频段、设备功耗低等特点，可以作为有线光纤通信的补充，尤其是配网大量设备组成无线通信网络，在资金占用、运行维护方面具有较大优势。

三、结语

ZigBee数据采集无线组网通信是当今工业控制、计算机应用等方面技术发展的一个热点，在电力配网自动化方面，也是各厂家和电力用户关注的热点，如何构建一个可维护性较高、具有高度安全性和成本低廉的通信网络，是配网自动化领域技术人员一直在寻求解决的课题。低功耗、低成本的无线网络ZigBee数传模块出现，以其高度集成化的软、硬件架构和产品特点，使电力设备厂家和电力局应用人员更快、更方便地进行最终产品设计和应用，相信会在电力配网通信方面发挥更大的作用