王　瑋， 呂　攀， 梁　棟

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255049；2. 國(guó)家電網(wǎng)山東桓臺(tái)縣供電公司， 山東 淄博 256400)

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一種基于ZigBee技術(shù)的故障傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法

王瑋1， 呂攀2， 梁棟1

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255049；2. 國(guó)家電網(wǎng)山東桓臺(tái)縣供電公司， 山東 淄博 256400)

根據(jù)以架空線為主的中壓配電網(wǎng)分支眾多的特點(diǎn)，提出了一種利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行故障傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法.針對(duì)配電網(wǎng)的特點(diǎn)，對(duì)使用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)的可行性進(jìn)行了分析，給出了故障傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法.利用ZigBee模塊組建傳感網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、誤碼率及通信時(shí)延進(jìn)行了測(cè)試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性.

故障指示器；ZigBee; 配電網(wǎng)； 故障傳感網(wǎng)絡(luò)

電網(wǎng)的自愈能力是衡量其安全及可靠性的重要指標(biāo)，對(duì)故障點(diǎn)的快速、可靠定位則是其實(shí)現(xiàn)自愈的前提.對(duì)分支眾多的配電網(wǎng)來說，利用故障指示器(FaultIndicator，F(xiàn)I)組建故障傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位是一個(gè)可行且經(jīng)濟(jì)的手段[1-3].目前，以10kV和35kV為主的中壓配電網(wǎng)主要采用架空線的鋪設(shè)方式，對(duì)線路故障的檢測(cè)主要使用安裝在架空線路上的FI分層組網(wǎng)的方式[4-5]，即將一特定區(qū)域的各個(gè)FI組成一個(gè)微功率的無線網(wǎng)絡(luò)，利用集中器對(duì)該區(qū)域內(nèi)的各FI節(jié)點(diǎn)信息集中采集后，再通過GPRS方式利用公網(wǎng)將信息發(fā)送給主站，由主站根據(jù)收集的信息完成故障區(qū)段的判斷[6-7].由于該方式不需要數(shù)量眾多的遠(yuǎn)傳終端，因此成為當(dāng)前使用的主要方式；但是這種分層組網(wǎng)的方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差且成本較高，一旦信息集中器出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致所轄區(qū)域內(nèi)所有FI節(jié)點(diǎn)信息均無法上傳，從而影響主站對(duì)故障區(qū)間的判斷.

1　ZigBee技術(shù)

1.1ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee是一組基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的一種短距離、低功耗、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)在采納IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中的物理層和MAC層的基礎(chǔ)上，增加了網(wǎng)絡(luò)/安全層、支持/應(yīng)用層從而構(gòu)成了ZigBee協(xié)議棧，在該協(xié)議棧的基礎(chǔ)上只需要進(jìn)行應(yīng)用層開發(fā)即可完成ZigBee節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)設(shè)計(jì)。

該技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)使其非常適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無線數(shù)據(jù)傳輸：(1)采用直序擴(kuò)頻通信方式以增強(qiáng)信道間的抗串?dāng)_能力；(2)采取CSMA-CA的碰撞避免、對(duì)物理層完全確認(rèn)的傳輸機(jī)制保證了通信的可靠性；(3)各ZigBee節(jié)點(diǎn)能夠通過信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)感知其他節(jié)點(diǎn)，并自動(dòng)選擇最優(yōu)路徑組網(wǎng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)增加、刪除或位置改變時(shí)，能自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲匦陆M網(wǎng)或?qū)崿F(xiàn)自愈；(4)該網(wǎng)絡(luò)還具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)路由、保密性高、成本低等優(yōu)勢(shì).

1.2ZigBee組網(wǎng)原理

ZigBee將網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為協(xié)調(diào)器、路由器及終端.協(xié)調(diào)器用于網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和控制，并存儲(chǔ)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息，且對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有且只能有一個(gè)，協(xié)調(diào)器還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收及路由；路由器是網(wǎng)絡(luò)信息傳送的接力節(jié)點(diǎn)，可在信號(hào)傳輸遇障礙時(shí)通過動(dòng)態(tài)路由完成數(shù)據(jù)傳輸，并提供備份路由以防止網(wǎng)絡(luò)擁擠，路由器可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收；終端只能用于發(fā)送或接收，不具有路由功能.

ZigBee組網(wǎng)主要包括星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)，其中星型和樹型網(wǎng)適合點(diǎn)到多點(diǎn)、距離相對(duì)較近的應(yīng)用，網(wǎng)狀網(wǎng)則非常適合點(diǎn)到點(diǎn)的遠(yuǎn)距離應(yīng)用.

圖1　基于ZigBee的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1為Mesh網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由互聯(lián)的路由器和終端設(shè)備組成的一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)之間使用接力方式傳輸，即通過“多跳通訊”使數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備跳躍至另一個(gè)設(shè)備，并自動(dòng)選擇最可靠、最經(jīng)濟(jì)的路徑直至目的地.通過冗余設(shè)計(jì)，使每個(gè)路由器至少通過兩個(gè)路徑連接，并且可以為它的鄰居轉(zhuǎn)發(fā)信息.該結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有以下優(yōu)點(diǎn)：①用中間設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)明顯增加了網(wǎng)絡(luò)范圍及通信距離.②該結(jié)構(gòu)具有高可靠性和穩(wěn)定性，任何獨(dú)立路由器一旦不可用，替換路由器可立即被發(fā)現(xiàn)和使用.③簡(jiǎn)單的通過添加更多路由器到網(wǎng)絡(luò)中即可達(dá)到消除弱信號(hào)和死區(qū)的目的，方便了網(wǎng)絡(luò)的使用和維護(hù).

2　故障傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)可行性分析

將基于ZigBee技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)用于配電網(wǎng)的故障傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，必須保證各ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠適應(yīng)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，這包括節(jié)點(diǎn)設(shè)備的安裝位置、節(jié)點(diǎn)間的通信、節(jié)點(diǎn)的功耗及供能解決.

圖2　故障定位結(jié)構(gòu)圖

2.1節(jié)點(diǎn)設(shè)備的安裝位置

對(duì)一個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)來說，故障傳感網(wǎng)絡(luò)的最終目的是將各FI節(jié)點(diǎn)監(jiān)視的線路運(yùn)行電流及故障信息上傳至主站，由主站對(duì)各線路的負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)視并在線路故障時(shí)根據(jù)各FI上傳的故障信息對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行判定.如圖2所示，可將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器作為整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的信息集中器，將線路上的各FI作為路由器和終端.路由器和終端分布于變電站出線、分段開關(guān)處、配電變壓器端、架空線與電纜連接處以及線路分支處；同時(shí)，對(duì)各組FI節(jié)點(diǎn)間距離超出500m的，可在中間位置冗余安裝一組FI以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性.路由器和終端利用Mesh網(wǎng)絡(luò)將信息傳給位于變電站內(nèi)的集中器，集中器再利用變電站內(nèi)已鋪設(shè)的光纖將收集的大量數(shù)據(jù)傳至主站的服務(wù)器.

2.2節(jié)點(diǎn)間的通信

根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置的安裝原則，各FI節(jié)點(diǎn)間的最大距離不超過500m.目前，使用2.4G頻段的ZigBee模塊在20mW發(fā)射功率時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)2km，節(jié)點(diǎn)的通信距離、節(jié)點(diǎn)安裝及冗余設(shè)計(jì)保證Mesh網(wǎng)絡(luò)的可靠性.

2.3節(jié)點(diǎn)的功耗及供能解決

ZigBee節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)本身就基于低功耗原則.其中，協(xié)調(diào)器和路由器需要一直處于供電狀態(tài)，終端節(jié)點(diǎn)則可以定時(shí)休眠.位于變電站內(nèi)的協(xié)調(diào)器可以很容易的保證可靠供電；位于配電變壓器端的路由和終端節(jié)點(diǎn)也能夠保證可靠供電；位于線路上的路由器和終端節(jié)點(diǎn)則必須使用雙電源設(shè)計(jì)，即線路正常時(shí)利用CT從母線取能的供電方式，同時(shí)為備用電源充電，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)則利用備用電源供電，以保證故障后也能實(shí)現(xiàn)故障信息的發(fā)送.目前，2.4G頻段上傳輸距離最遠(yuǎn)的XBee-PRO射頻模塊在3.3V電壓下發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸1km需要的工作電流及瞬時(shí)電流約為40mA，其接收數(shù)據(jù)的靈敏度為-102dbm，接收數(shù)據(jù)需要的瞬時(shí)電流及工作電流則不足40mA.該功耗指標(biāo)對(duì)用作備用電源的充電電容來說是容易實(shí)現(xiàn)的.

3　故障傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1組網(wǎng)原理介紹

圖3是雙電源供電的配電網(wǎng)故障傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)示意圖，其中，集中器(協(xié)調(diào)器)位于變電站內(nèi)，各FI節(jié)點(diǎn)分別安裝在變電站出線、分段開關(guān)及配電變壓器對(duì)應(yīng)的線路末端.對(duì)各FI節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份設(shè)置時(shí)，變電站內(nèi)的集中器必須設(shè)置為協(xié)調(diào)器；線路末端的節(jié)點(diǎn)原則上設(shè)置為終端，由于路由器節(jié)點(diǎn)除具有終端的功能外還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行路由，因此對(duì)有穩(wěn)定電源供應(yīng)的線路末端節(jié)點(diǎn)也可設(shè)置為路由器以增加數(shù)據(jù)可傳輸?shù)耐ǖ溃黄渌?jié)點(diǎn)均設(shè)置為路由器用以自身數(shù)據(jù)的發(fā)送及其它節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路由.

圖3　故障傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.2傳感網(wǎng)絡(luò)工作原理

圖3所示的故障傳感網(wǎng)絡(luò)中，右側(cè)電源作為備用電源，其對(duì)應(yīng)的變電站出線開關(guān)處于斷開狀態(tài).當(dāng)線路正常工作時(shí)，圖中所示各FI節(jié)點(diǎn)定時(shí)上報(bào)監(jiān)測(cè)的電流值，其數(shù)據(jù)傳輸方向如圖中的箭頭所示.若點(diǎn)f處發(fā)生短路故障，根據(jù)從故障點(diǎn)到電源側(cè)方向，其分支和主干上的所有FI節(jié)點(diǎn)均動(dòng)作，其它FI節(jié)點(diǎn)不動(dòng)作的原則，F(xiàn)1、F2、F7會(huì)監(jiān)測(cè)到故障電流而發(fā)生動(dòng)作，除在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行翻盤指示外，還要將故障信息上傳至集中器.

對(duì)圖3所示的雙電源網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)電源側(cè)(變電站)都要設(shè)置一個(gè)集中器(協(xié)調(diào)器)，因此網(wǎng)絡(luò)中共有兩個(gè)協(xié)調(diào)器，兩個(gè)協(xié)調(diào)器與線路上的所有路由及終端節(jié)點(diǎn)具有相同的PANID，保證上述設(shè)備屬于同一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)協(xié)調(diào)器在任意時(shí)刻只能有一個(gè)工作，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器會(huì)定時(shí)對(duì)自身身份進(jìn)行廣播發(fā)送并對(duì)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)回復(fù)的身份信息進(jìn)行存儲(chǔ)，因此任意時(shí)刻只會(huì)有一個(gè)協(xié)調(diào)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行啟動(dòng)及控制，相應(yīng)的對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的路由器和終端設(shè)置時(shí)要使用雙協(xié)調(diào)器的設(shè)置方法.圖中備用電源中的集中器在正常情況下不工作，相應(yīng)變電站出線上的FI節(jié)點(diǎn)F4由于所在線路無電流也不工作.因此圖中各FI節(jié)點(diǎn)的信息只會(huì)流向主電源中的集中器，而不會(huì)流向備用電源中的備用集中器.

4　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)原理介紹

使用集成了ZigBee協(xié)議棧的無線模塊對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試。模塊使用Digi公司的XBeePRQS2B，該模塊在室外的傳輸距離可達(dá)3.2km，接收靈敏度為-102dBm，低功耗模式下工作電流僅為3.5uA，非常適合本應(yīng)用.編程設(shè)置每個(gè)模塊具體的工作身份，其中協(xié)調(diào)器只能設(shè)置一個(gè)，其余設(shè)置為路由器，每個(gè)無線模塊配合一個(gè)FI終端工作.在本應(yīng)用中，協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息的集中器，對(duì)其硬件設(shè)計(jì)時(shí)除使用高增益的全向天線，還要使用高速CPU以提高數(shù)據(jù)處理速度，因此使用TI公司的DSP處理器TMS320F2812對(duì)集中器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并使用高增益的10dB天線；路由器設(shè)計(jì)時(shí)，使用2.1dB全向天線，CPU使用超低功耗單片機(jī)MSP430F149. 利用多個(gè)ZigBee模塊模擬組建一個(gè)輻射狀的配電網(wǎng)故障傳感網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4　傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

4.2關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試

利用圖4所示的網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。各ZigBee模塊的距離控制在300m以上，設(shè)置路由器使用10mW的發(fā)射功率，天線高度為5m.通過向ZigBee模塊自帶的串口輸入數(shù)據(jù)控制ZigBee模塊發(fā)送“動(dòng)作”及“不動(dòng)作”信息.對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性及傳輸時(shí)延進(jìn)行測(cè)試.

表1說明了該網(wǎng)絡(luò)的通信可靠性，通過組建具有足夠冗余度的Mesh網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中部分路由節(jié)點(diǎn)掉電時(shí)依然能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性.

表1通信可靠性測(cè)試

各FI狀態(tài)其他設(shè)備能否正常通信正確率F1～F10均工作正常100%F1掉電正常100%F2、F3掉電正常100%F4、F7、F9掉電正常100%

使網(wǎng)絡(luò)中的各FI均正常工作，設(shè)置ZibBee工作于API(ApplicationProgrammingInterface)傳輸模式，控制被測(cè)試的FI節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，得到其傳輸時(shí)延見表2.

表2傳輸時(shí)延測(cè)試

被測(cè)試FI時(shí)延/msF1105F2115F8135F10136

由表2可知，被測(cè)試FI節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延與節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的距離有關(guān).考慮到信號(hào)在空氣中的傳輸速率，因此導(dǎo)致該現(xiàn)象的根本原因是不同位置的FI信號(hào)在傳輸中經(jīng)歷了不同的路由跳數(shù)，跳數(shù)越多，時(shí)延越大.對(duì)具備二遙功能的FI來說，該時(shí)延是滿足要求的.

5　結(jié)束語

本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的故障傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法.該方法利用ZigBee技術(shù)，對(duì)架空線上的故障指示器直接以Mesh結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，因此有效避免了目前分層組網(wǎng)存在的不足.該組網(wǎng)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本大幅降低，使系統(tǒng)通信的可靠性得以保證.本方法可用于配電網(wǎng)架空線路的廣域監(jiān)測(cè)及傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì).

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(編輯：劉寶江)

AdesignmethodoffaultsensornetworksbasedonZigBeetechnology

WANGWei1,LYUPan2,LIANGDong1

(1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;2.StateGridShandongHuantaiCountyElectricPowerCooperation,Zibo256400,China)

Accordingtothecharacteristicofoverheadlinesofmediumvoltagedistributionnetworkwhichhavelotsofbranches,afaultsensornetworksnetworkingschemewithZigBeetechnologyisproposed.ThenetworkingfeasibilityoftheZigBeetechnologyisanalyzed,andthedesignmethodoffaultsensornetworkisgiven.Atlast,thereliability,errorrateandcommunicationtime-delayaretestedbasedonthenetworkcomposedofZigBeemodules.Theexperimentresultsverifytheeffectivenessofthismethod.

faultindicator;ZigBee;distributionnetwork;faultsensornetworks

2015-10-30

王瑋，男，wwsdut@163.com

1672-6197(2016)06-0070-04

TM726

A