ZigBee電力系統(tǒng)ZigBee技術

1999年，藍牙熱潮席卷全球，然而發(fā)展數(shù)年，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。

IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的 IEEE802.15.4技術標準是 ZigBee技術的基礎。 IEEE802.15.4滿足國際標準組織（ ISO）開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模式。它定義了單一的 MAC層和多樣的物理層.

802.15.4標準旨在為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在 10-75米的低速連接， IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是 2.4GHz物理層和 868/915GHz物理層[2]。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的 ISM頻段，有助于 ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。 2.4GHz的物理層通過采用高階調制技術能夠提供 250kbps的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)向著高電壓、大機組、大容量的迅速發(fā)展，對供電可靠性的要求也越來越高。發(fā)電廠、變電站的高壓開關柜是重要的電氣設備。在設備長期運行過程中，開關柜中的母線接點、高壓電纜接頭等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，甚至擊穿而造成事故。據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)發(fā)生事故原因中有相當一部分與發(fā)熱問題有關。因此，電氣設備溫度在線監(jiān)測問題己經成為電力系統(tǒng)中電氣設備安全運行所急需解決的實際問題，是提高電氣設備可靠性的迫切需要，對保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有十分重要的意義，必須采取有效措施監(jiān)控母線溫度。當溫升超過允許值時，必須發(fā)出報警信號及時提醒有關人員采取措施，避免事故的發(fā)生。

由于開關柜中的母線處于高壓電位，每相對地和不同相之間都存在很高的電壓，且結構狹小，無法進行人工巡查測溫，所以直接檢測高壓母線溫度一直是電力系統(tǒng)檢測中的一個難題。現(xiàn)有的測溫系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式有三類：普通電纜，光纖和無線傳輸。對于電力母線接點、高壓電纜接頭等，網(wǎng)點數(shù)多，電壓高，電磁干擾強。普通電纜顯然是不行的。光纖式溫度在線監(jiān)測裝置，一般是采用光纖傳導信號，不受高壓和環(huán)境的干擾。缺點是光纖具有易折、易斷、不耐高溫的特點，并且布線難度較大，比較昂貴。

基于這些可以使用無線傳輸，高壓電會產生很強的電磁場，對無線電波干擾很大，需要選擇適當頻率的無線網(wǎng)絡，另外測溫設備要用電池供電，測溫設備必須低功耗，工作時間長。體積小，易安裝。盡管國內外已經研究了多種方案來監(jiān)測母線溫度，但均有一定的局限性和不足。Zigbee無線網(wǎng)絡的低成本、短時延、免執(zhí)照頻段、高安全、近距離、低復雜度，低功耗等優(yōu)點，滿足高壓母線測溫的條件，是解決的良好途徑。

ZigBee電力系統(tǒng)3.1 系統(tǒng)框架

本文提出一種比較理想的母線測溫方案：以 Zigbee為無線傳感器網(wǎng)絡，以太網(wǎng)（或高速 RS-485）為骨干網(wǎng)， CC2430低功耗單片機為傳感器控制核心，采用一線式數(shù)字溫度傳感器 DS18B20為溫度采集裝置的高壓母線溫度測量方案。

無線溫度測量系統(tǒng)由三部分組成：

(1) 無線傳感器節(jié)點：負責采集監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過 ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送。

(2) ZigBee網(wǎng)絡管理器（區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸中心）：負責收集無線傳感器節(jié)點發(fā)出的溫度數(shù)據(jù)，并把所收集的數(shù)據(jù)上傳到測溫主機。

(3) 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：負責對數(shù)據(jù)接收終端進行工作參數(shù)設定，接收從系統(tǒng)中各個 ZigBee網(wǎng)關終端上傳的測溫數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)保存，分析和管理等；測溫數(shù)據(jù)可在系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫中作長期存儲記錄，供隨時查詢顯示。

無線溫度采集器直接安裝在母線上，一個 ZigBee網(wǎng)絡管理器能管理多個無線傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡管理器通過高速骨干網(wǎng)絡傳輸?shù)较到y(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫服務器，由監(jiān)控終端實時顯示數(shù)據(jù)，溫度變化曲線圖，能打印相關報表，當母線溫度異常時，管理終端通過多種報警方式提醒相關人員采取措施。

ZigBee電力系統(tǒng)3.2 無線傳感器節(jié)點

無線溫度傳感器節(jié)點是該網(wǎng)絡的基本單元，它負責獲取溫度數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的預處理，并將之傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡管理器。無線溫度傳感器節(jié)點組成部分：內部集成符合 IEEE802.15.4標準的2.4GHz的射頻(RF)收發(fā)器的CC2430無線單片機 [3]；創(chuàng)羿科技推出的CY-TAT-200溫度傳感器等。CY-TAT-200直接通過單線與CC2430單片機I/O口連接，不必另外增加專門的總線控制器，減少硬件成本。減小了無線溫度傳感器節(jié)點的體積。

ZigBee電力系統(tǒng)3.3ZigBee網(wǎng)絡管理器

在該系統(tǒng)中的ZigBee網(wǎng)絡管理器集成了 ZigBee網(wǎng)絡中的網(wǎng)關和協(xié)調器的功能，具備至關重要的作用，一方面采用 ZigBee無線網(wǎng)絡方式與無線溫度傳感器節(jié)點連接，并且以固定的時間間隔對無線溫度傳感器節(jié)點進行測溫以及讀取它的工作參數(shù)，同時存入內存，這就需要每個終端為所管理的無線溫度傳感器節(jié)點設置編號表，以免發(fā)生錯亂；另一方面采用或以太網(wǎng)（或RS-485總線）與測溫主機連接，受控于測溫主機的命令而做出一系列的反映。具體功能有：接收并存儲傳感器數(shù)據(jù)；管理所管轄的 ZigBee子網(wǎng)；報警功能；傳輸數(shù)據(jù)給測溫主機；設定和修改終端工作參數(shù)；工作狀態(tài)指示；時鐘和看門狗功能。

無線溫度傳感器節(jié)點的工作參數(shù)（發(fā)射頻率、發(fā)射功率、采樣間隔）事先通過撥碼開關，在安裝前設定好，使用過程中無法通過無線方式修改參數(shù)。無線溫度傳感器節(jié)點與 ZigBee網(wǎng)絡管理器間的通信，無線溫度傳感器節(jié)點發(fā)送的無線數(shù)據(jù)包格式：開始標志 STX(AAH)；傳感器編號 ID（4Byte）；溫度數(shù)據(jù)：溫度數(shù)據(jù) Temp占 2個字節(jié)，其最高位（ D15）表示正負（0-正，1-負）；狀態(tài)字節(jié)：從采集器發(fā)往接收終端的狀態(tài)字節(jié)的含義（D7–故障標志： D7=1表示有故障，這時 D6~D0為故障碼（ >1）；D7=0表示無故障，這時： D4~D3–采樣間隔，00-1秒，01--30秒，10-2分鐘， 11-10分鐘； D2–發(fā)射功率， 0-低，1-高；D1D0–電池電量，00-無，01-低，10-中，11-高。校驗碼 CRC8（1Byte）；結束標志 ETX（55H）

ZigBee電力系統(tǒng)4.1系統(tǒng)網(wǎng)絡設計

ZigBee網(wǎng)絡有三種網(wǎng)絡拓樸結構 [4]：星型、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理 254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成 65000個節(jié)點的大網(wǎng)。

發(fā)電廠、變電站的高壓開關柜中的母線眾多。網(wǎng)絡傳感器需要大量分布，監(jiān)控數(shù)據(jù)量大以及實時性要好等特點。ZigBee網(wǎng)絡采用片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，最多可組成 65000個節(jié)點的大網(wǎng)，可以滿足網(wǎng)絡傳感器節(jié)點的需求，但在 ZigBee協(xié)調器（主節(jié)點）與 ZigBee路由， ZigBee網(wǎng)關之間的線路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，而速率最高僅為250kbps，滿足不了該系統(tǒng)要求。并且 ZigBee網(wǎng)絡采用CSMA/CA的媒質訪問控制機制、確認幀的應答方式和 CRC-16 ITU的校驗機制。所有節(jié)點在一個網(wǎng)絡中，那么沖突域很大，影響傳輸效果。

為提高骨干網(wǎng)的傳輸效率，減小無線網(wǎng)絡傳輸信號碰撞，縮短延時時間，更有利于提高數(shù)據(jù)傳輸效率，方便系統(tǒng)管理與維護。在設計該系統(tǒng)時對網(wǎng)絡做了兩點改進：

一、把整個無線傳感器網(wǎng)絡分成多個子網(wǎng)，把蜂窩網(wǎng)絡結構引入到 Zigbee網(wǎng)絡中，每一個六邊型區(qū)域構建一個 ZigBee網(wǎng)絡,蜂窩網(wǎng)絡結構（小區(qū)制），相鄰區(qū)域使用不同的頻率，不相鄰區(qū)域可以使用相同的頻率。根據(jù) IEEE 802.15.4-2003協(xié)議（共規(guī)定了 27個通信信道： 868MHz有 1個，速率為 20kbps；915MHz有 lO個，速率為40kbps； 2.45GHz有16個，速率為 250kbps。[1]），ZigBee網(wǎng)絡頻率采用 2.45GHz， 16個通信信道足夠，這樣滿足了系統(tǒng)的需求，也不浪費無線頻率資源。并根據(jù)系統(tǒng)安裝的情況和用戶的配置，由 ZigBee網(wǎng)絡管理器負責進行管理。

二、子網(wǎng)與監(jiān)控管理子系統(tǒng)之間的骨干網(wǎng)，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的條件采用以太網(wǎng)或高速 RS-485網(wǎng)絡傳輸。采用各種網(wǎng)絡的長處在實際應用中得到了良好的效果。

ZigBee電力系統(tǒng)4.2可靠性設計

在該系統(tǒng)中溫度傳感器節(jié)點與ZigBee網(wǎng)絡管理器之間的數(shù)據(jù)通信是基于ZigBee無線網(wǎng)絡的。在無線傳輸過程中，由于受傳輸距離、現(xiàn)場狀況等許多可能出現(xiàn)的因素的影響，傳感器節(jié)點與ZigBee網(wǎng)絡管理器之間通信常會發(fā)生無法預測的錯誤。為了使系統(tǒng)能夠可靠地通信，在設計ZigBee通信協(xié)議棧時需考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?

1.在物理層對發(fā)送數(shù)據(jù)進行CRC校驗以保證傳輸?shù)恼_性。

2. MAC層數(shù)據(jù)通信采用GTS模式，保證ZigBee無線網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)通信的可靠性。

3.傳輸層提供可靠傳輸服務，要求接收方響應確認幀。

4.傳感器節(jié)點調用ZigBee協(xié)議棧應用層數(shù)據(jù)服務接口，便可將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡管理器。 5. ZigBee網(wǎng)絡管理器和監(jiān)視中心主機之間數(shù)據(jù)通信是基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡（或RS-485）的， ZigBee網(wǎng)絡管理器采用 AX88796以太網(wǎng)控制器（或工業(yè)級 MAX485）芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，它們的各種機制和算法保證了數(shù)據(jù)可靠傳輸。

無線溫度傳感器節(jié)點和ZigBee網(wǎng)絡管理器都有看門狗，硬件電路進行了抗干擾設計。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用穩(wěn)定可靠的實時數(shù)據(jù)庫Infoplus，管理終端與服務器分開，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

ZigBee電力系統(tǒng)4.3節(jié)點低功耗設計

在電力母線測溫系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點安裝后，需要持續(xù)工作很長時間，高能量電池的選擇是必要的，但節(jié)點的節(jié)能是一個更加重要的問題。降低溫度采集器的能耗，主要通過選擇低功耗芯片，減少芯片工作時間：采用內部集成符合 IEEE802.15.4標準的 2.4GHz的射頻 (RF)收發(fā)器的CC2430無線單片機和數(shù)字溫度傳感器 CY-TAT-200芯片，可滿足傳感器網(wǎng)絡對低功耗的要求；CPU以最快的速度執(zhí)行任務，然后進入休眠模式，通過中斷喚醒單片機和射頻收發(fā)器。

設計 ZigBee通信協(xié)議棧，各層均實現(xiàn)節(jié)能機制，降低節(jié)點的能耗，盡量降低信號的發(fā)射功率。信號發(fā)射功率的降低會導致發(fā)送節(jié)點的功耗下降。MAC層數(shù)據(jù)通信采用GTS模式，在保證時隙內發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時隙可以進入休眠模式。芯片還采用了CSMA-CA技術來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時的競爭和沖突[5]，也減少了不必要的能量消耗。經過測算，選用高能量的電池，該無線溫度傳感器可以工作十年左右。

該無線溫度傳感器網(wǎng)絡以ZigBee網(wǎng)絡通信為核心，結合蜂窩網(wǎng)絡結構和高速局域網(wǎng)的優(yōu)點,減少信號碰撞，增強系統(tǒng)骨干網(wǎng)的傳輸能力。采用低成本、低功耗無線單片機 CC2430、數(shù)字溫度傳感器獲取數(shù)據(jù)，理想地實現(xiàn)了高壓測溫一次設備和二次監(jiān)測設備的電隔離、保證系統(tǒng)的安全可靠性。實現(xiàn)了高壓母線溫度數(shù)據(jù)的自動化測量，很好的解決了高壓環(huán)境下，母線溫度檢測的問題。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、檢測精度高，速度快，且具有無線數(shù)據(jù)通信靈活方便等特點。隨著 ZigBee網(wǎng)絡的快速發(fā)展，將更加適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、監(jiān)測封閉空間和其它需要多點監(jiān)測的特殊場合。2100433B