一种基于ZigBee技术的故障传感网络设计方法

王　玮， 吕　攀， 梁　栋

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255049；2. 国家电网山东桓台县供电公司， 山东 淄博 256400)



一种基于ZigBee技术的故障传感网络设计方法

王玮1， 吕攀2， 梁栋1

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255049；2. 国家电网山东桓台县供电公司， 山东 淄博 256400)

根据以架空线为主的中压配电网分支众多的特点，提出了一种利用ZigBee技术进行故障传感网络的组网方法.针对配电网的特点，对使用ZigBee技术组网的可行性进行了分析，给出了故障传感网络的设计方法.利用ZigBee模块组建传感网络，并对网络的可靠性、误码率及通信时延进行了测试.实验结果验证了方法的有效性.

故障指示器；ZigBee; 配电网； 故障传感网络

电网的自愈能力是衡量其安全及可靠性的重要指标，对故障点的快速、可靠定位则是其实现自愈的前提.对分支众多的配电网来说，利用故障指示器(FaultIndicator，FI)组建故障传感网络实现故障区段定位是一个可行且经济的手段[1-3].目前，以10kV和35kV为主的中压配电网主要采用架空线的铺设方式，对线路故障的检测主要使用安装在架空线路上的FI分层组网的方式[4-5]，即将一特定区域的各个FI组成一个微功率的无线网络，利用集中器对该区域内的各FI节点信息集中采集后，再通过GPRS方式利用公网将信息发送给主站，由主站根据收集的信息完成故障区段的判断[6-7].由于该方式不需要数量众多的远传终端，因此成为当前使用的主要方式；但是这种分层组网的方式结构复杂、可靠性差且成本较高，一旦信息集中器出现故障，将导致所辖区域内所有FI节点信息均无法上传，从而影响主站对故障区间的判断.

1　ZigBee技术

1.1ZigBee技术介绍

ZigBee是一组基于IEEE802.15.4协议标准研发的一种短距离、低功耗、低速率的无线网络技术，该技术在采纳IEEE802.15.4标准中的物理层和MAC层的基础上，增加了网络/安全层、支持/应用层从而构成了ZigBee协议栈，在该协议栈的基础上只需要进行应用层开发即可完成ZigBee节点及组网设计。

该技术具有如下优势使其非常适合工业现场的无线数据传输：(1)采用直序扩频通信方式以增强信道间的抗串扰能力；(2)采取CSMA-CA的碰撞避免、对物理层完全确认的传输机制保证了通信的可靠性；(3)各ZigBee节点能够通过信号强度自动感知其他节点，并自动选择最优路径组网，当节点增加、删除或位置改变时，能自动调整网络拓扑重新组网或实现自愈；(4)该网络还具有功耗低、抗干扰能力强、动态路由、保密性高、成本低等优势.

1.2ZigBee组网原理

ZigBee将网络中的设备分为协调器、路由器及终端.协调器用于网络的启动和控制，并存储相关网络信息，且对每个网络有且只能有一个，协调器还可实现数据的发送、接收及路由；路由器是网络信息传送的接力节点，可在信号传输遇障碍时通过动态路由完成数据传输，并提供备份路由以防止网络拥挤，路由器可对数据进行发送和接收；终端只能用于发送或接收，不具有路由功能.

ZigBee组网主要包括星型、树型和网状网(Mesh)，其中星型和树型网适合点到多点、距离相对较近的应用，网状网则非常适合点到点的远距离应用.

图1　基于ZigBee的Mesh网络结构

图1为Mesh网络的典型结构，该结构是由互联的路由器和终端设备组成的一个网状网络，各节点之间使用接力方式传输，即通过“多跳通讯”使数据从一个设备跳跃至另一个设备，并自动选择最可靠、最经济的路径直至目的地.通过冗余设计，使每个路由器至少通过两个路径连接，并且可以为它的邻居转发信息.该结构网络有以下优点：①用中间设备转发数据明显增加了网络范围及通信距离.②该结构具有高可靠性和稳定性，任何独立路由器一旦不可用，替换路由器可立即被发现和使用.③简单的通过添加更多路由器到网络中即可达到消除弱信号和死区的目的，方便了网络的使用和维护.

2　故障传感网络组网可行性分析

将基于ZigBee技术的Mesh网络用于配电网的故障传感网络组网，必须保证各ZigBee网络节点能够适应配电网网络的特点，这包括节点设备的安装位置、节点间的通信、节点的功耗及供能解决.

图2　故障定位结构图

2.1节点设备的安装位置

对一个配电网络来说，故障传感网络的最终目的是将各FI节点监视的线路运行电流及故障信息上传至主站，由主站对各线路的负荷进行监视并在线路故障时根据各FI上传的故障信息对故障区段进行判定.如图2所示，可将ZigBee网络中的协调器作为整个传感网络的信息集中器，将线路上的各FI作为路由器和终端.路由器和终端分布于变电站出线、分段开关处、配电变压器端、架空线与电缆连接处以及线路分支处；同时，对各组FI节点间距离超出500m的，可在中间位置冗余安装一组FI以提高网络的可靠性.路由器和终端利用Mesh网络将信息传给位于变电站内的集中器，集中器再利用变电站内已铺设的光纤将收集的大量数据传至主站的服务器.

2.2节点间的通信

根据节点位置的安装原则，各FI节点间的最大距离不超过500m.目前，使用2.4G频段的ZigBee模块在20mW发射功率时的数据传输距离可达2km，节点的通信距离、节点安装及冗余设计保证Mesh网络的可靠性.

2.3节点的功耗及供能解决

ZigBee节点在设计时本身就基于低功耗原则.其中，协调器和路由器需要一直处于供电状态，终端节点则可以定时休眠.位于变电站内的协调器可以很容易的保证可靠供电；位于配电变压器端的路由和终端节点也能够保证可靠供电；位于线路上的路由器和终端节点则必须使用双电源设计，即线路正常时利用CT从母线取能的供电方式，同时为备用电源充电，当线路发生故障时则利用备用电源供电，以保证故障后也能实现故障信息的发送.目前，2.4G频段上传输距离最远的XBee-PRO射频模块在3.3V电压下发送数据传输1km需要的工作电流及瞬时电流约为40mA，其接收数据的灵敏度为-102dbm，接收数据需要的瞬时电流及工作电流则不足40mA.该功耗指标对用作备用电源的充电电容来说是容易实现的.

3　故障传感网络组网设计

3.1组网原理介绍

图3是双电源供电的配电网故障传感网络的组网设计示意图，其中，集中器(协调器)位于变电站内，各FI节点分别安装在变电站出线、分段开关及配电变压器对应的线路末端.对各FI节点进行身份设置时，变电站内的集中器必须设置为协调器；线路末端的节点原则上设置为终端，由于路由器节点除具有终端的功能外还可对数据进行路由，因此对有稳定电源供应的线路末端节点也可设置为路由器以增加数据可传输的通道；其它节点均设置为路由器用以自身数据的发送及其它节点数据的转发路由.

图3　故障传感网络组网设计

3.2传感网络工作原理

图3所示的故障传感网络中，右侧电源作为备用电源，其对应的变电站出线开关处于断开状态.当线路正常工作时，图中所示各FI节点定时上报监测的电流值，其数据传输方向如图中的箭头所示.若点f处发生短路故障，根据从故障点到电源侧方向，其分支和主干上的所有FI节点均动作，其它FI节点不动作的原则，F1、F2、F7会监测到故障电流而发生动作，除在现场进行翻盘指示外，还要将故障信息上传至集中器.

对图3所示的双电源网络，每个电源侧(变电站)都要设置一个集中器(协调器)，因此网络中共有两个协调器，两个协调器与线路上的所有路由及终端节点具有相同的PANID，保证上述设备属于同一个ZigBee网络.网络中的两个协调器在任意时刻只能有一个工作，由于ZigBee网络的协调器会定时对自身身份进行广播发送并对各网络节点回复的身份信息进行存储，因此任意时刻只会有一个协调器对网络进行启动及控制，相应的对网络中的路由器和终端设置时要使用双协调器的设置方法.图中备用电源中的集中器在正常情况下不工作，相应变电站出线上的FI节点F4由于所在线路无电流也不工作.因此图中各FI节点的信息只会流向主电源中的集中器，而不会流向备用电源中的备用集中器.

4　系统实验

4.1实验原理介绍

使用集成了ZigBee协议栈的无线模块对传感网络进行组网测试。模块使用Digi公司的XBeePRQS2B，该模块在室外的传输距离可达3.2km，接收灵敏度为-102dBm，低功耗模式下工作电流仅为3.5uA，非常适合本应用.编程设置每个模块具体的工作身份，其中协调器只能设置一个，其余设置为路由器，每个无线模块配合一个FI终端工作.在本应用中，协调器作为整个网络信息的集中器，对其硬件设计时除使用高增益的全向天线，还要使用高速CPU以提高数据处理速度，因此使用TI公司的DSP处理器TMS320F2812对集中器收集的数据进行处理，并使用高增益的10dB天线；路由器设计时，使用2.1dB全向天线，CPU使用超低功耗单片机MSP430F149. 利用多个ZigBee模块模拟组建一个辐射状的配电网故障传感网络，如图4所示。

图4　传感网络测试结构图

4.2关键参数测试

利用图4所示的网络对系统的主要参数进行测试。各ZigBee模块的距离控制在300m以上，设置路由器使用10mW的发射功率，天线高度为5m.通过向ZigBee模块自带的串口输入数据控制ZigBee模块发送“动作”及“不动作”信息.对网络的可靠性及传输时延进行测试.

表1说明了该网络的通信可靠性，通过组建具有足够冗余度的Mesh网络，在网络中部分路由节点掉电时依然能够保证网络的可靠性.

表1通信可靠性测试

各FI状态其他设备能否正常通信正确率F1～F10均工作正常100%F1掉电正常100%F2、F3掉电正常100%F4、F7、F9掉电正常100%

使网络中的各FI均正常工作，设置ZibBee工作于API(ApplicationProgrammingInterface)传输模式，控制被测试的FI节点向协调器发送100个字节的数据，得到其传输时延见表2.

表2传输时延测试

被测试FI时延/msF1105F2115F8135F10136

由表2可知，被测试FI节点的传输时延与节点和协调器的距离有关.考虑到信号在空气中的传输速率，因此导致该现象的根本原因是不同位置的FI信号在传输中经历了不同的路由跳数，跳数越多，时延越大.对具备二遥功能的FI来说，该时延是满足要求的.

5　结束语

本文提出了一种基于ZigBee技术的故障传感网络的设计方法.该方法利用ZigBee技术，对架空线上的故障指示器直接以Mesh结构组网，因此有效避免了目前分层组网存在的不足.该组网方法结构简单，成本大幅降低，使系统通信的可靠性得以保证.本方法可用于配电网架空线路的广域监测及传感网络组网设计.

[1]刘莉, 陈学锋, 翟登辉.智能配电网故障恢复的现状与展望[J].电力系统保护与控制, 2011, 39(13):148-154.

[2]岳仁超, 孙建东. 新型配电网故障指示器的设计[J]. 电子器件, 2015, 38(4):845-848.

[3]冯小明, 吴国平, 周献飞，等. 基于非接触式电流互感器取电的故障指示器设计[J].电测与仪表, 2014, 51(12):98-102.

[4]齐昕, 刘蒙, 王刚，等．ZigBee技术在配电自动化系统中的应用[J]．电力系统通信, 2011，226(32):46-49.

[5]黄宪东, 关宏, 严军，等. 故障指示器在架空线上的应用[J]. 华东电力, 2009, 37(7): 1 179-1 181.

[6]张阳, 徐丙垠, 王玮，等.ZigBee在故障指示器组网中的应用研究[J]. 自动化仪表, 2014, 35(11):48-51.

[7]罗梅, 杨洪耕. 配电网故障定位的一种改进通用矩阵算法[J]. 电力系统保护与控制, 2012,40(5):64-68.

(编辑：刘宝江)

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

王玮，男，wwsdut@163.com

1672-6197(2016)06-0070-04

TM726

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