摘要：簡單分析了現有箱式變電站中存在的技術問題，介紹了ZigBee技術的特點和優(yōu)勢。將ZigBee技術應用于箱式變電站，給出了無線通訊技術的硬件電路和軟件方案，設計了基于ZigBee技術的智能箱式變電站。根據所設計的變電站配電運行表明，將無線ZigBee技術應用于箱式變電站，可以實現箱式變電站的智能化，同時該變電站還具有低成本、低功耗、實時性及可靠性高等特點。
關鍵詞：智能化；箱式變電站；ZigBee技術；無線通訊

0 引言
隨著我國智能配電網建設的不斷發(fā)展，智能箱式變電站作為高壓受電、低壓配電的載體越來越多地被業(yè)內所關注。箱式變電站將高壓受電、變壓器降壓、低壓配電等功能有機地組合在一起，具有集成化程度高、工廠預安裝、操作方便、節(jié)能、節(jié)地、安全、美觀等優(yōu)點而被廣泛應用。如何實現箱式變電站的智能化，確保箱式變電站與主站之間通信的實時性和可靠性是其關鍵問題。但是，智能箱式變電站一般安裝在負荷密集的工礦企業(yè)、港口、機場、城市公共建筑、高速公路、地下設施和居民住宅小區(qū)等場所，要對智能箱式變電站進行遠程監(jiān)控、系統組網，其布線施工比較困難，一般的現場總線組網方式很難實現。本文采用工作于國際免費頻段，并具有網絡自組織功能的無線ZigBee技術，設計了箱式變電站的無線網絡通訊系統，從而實現了箱式變電站的智能化功能，解決了現有箱式變電站所存在的問題。

1 智能箱式變電站中ZigBee技術與傳統通訊的比較
智能箱式變電站采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，可自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協同互動等高級功能。智能變電站與智能電網密切相關，是智能電網的一個最重要和最關鍵的“終端”，承擔著為智能電網提供數據和控制對象的功能。
智能變電站可實現一系列高級應用功能，因而對站內設備提出了更高的要求，比如一次設備需要智能化、一體化系統平臺等。同時，大量信息需要交換，因此，智能變電站需要數字化的通信平臺。數字化的通信平臺，首先需要有穩(wěn)定可靠的數據鏈路的傳輸技術來保證各點測試數據的獲取和控制信息的可靠到達?，F有箱式變電站采用有線和無線兩種通訊方式。有線通訊包括光纖、電話線、RS485總線和低壓電力線載波傳輸。有線通訊增加了箱式變電站綜合布線的費用和難度，降低了系統的應用靈活性，限制了有線箱式變電站的推廣和應用。無線通訊系統采用先進的無線通信技術，相對于有線通訊系統有著先天的優(yōu)勢。采用GSM／GPRS技術的通訊屬于無線通訊系統。該系統使用電信服務商無線通信網絡，覆蓋范圍廣能同時滿足農村和城市的集中抄表，但GSM／GPRS系統的實時性及可靠性較差，可能發(fā)生信息擁塞或丟失現象，不適合在業(yè)務量大的系統中應用，同時，該技術需要支付網絡接入費。另外，GSM／GPRS系統的硬件成本較高，使GSM／GPRS無線自動抄表系統費用過高，不能被市場廣泛接受。ZigBee技術，因其具有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本等特點，故而在智能電網中的應用越來越廣泛。

2 ZigBee技術主要特點
ZigBee是一組基于IEEE批準通過802．15．4無線標準研制開發(fā)的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。完整的ZigBee協議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE80-2．15．4負責物理層和鏈路層標準。
ZigBee的特點突出，主要有以下幾個方面：
(1)可靠。采用了碰撞免機制，同時為需要固定帶寬通信業(yè)務預留了專用時隙，因而避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突；節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網的功能，信息在整個ZigBee網絡中可通過自動路由的方式進行傳輸，從而保{正了信息傳輸的可靠性。
(2)時延短。由于針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活時延都非常短，通常時延在15～30 ms。
(3)網絡容量大?？芍С值墓?jié)點達65 000個。
(4)安全。ZigBee提供有數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用通用的AES-128，具有高保密性，有64位出廠編號并支持AES-128加密。
(5)數據傳輸速率低。速率只有10～250 kb／s，專注于低傳輸應用。
(6)低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個ZigBee節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee相比于其他通信方式的突出優(yōu)勢。
(7)成本低。ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本，且ZigBee協議免收專利費。
(8)具有優(yōu)良的網絡拓撲能力。ZigBee設備具有無線網路自愈能力，ZigBee具有星狀、樹狀和網狀網絡結構的能力。
因此，通過ZigBee無線網絡拓撲能簡單地覆蓋廣闊的范圍。
(9)有效范圍大。有效覆蓋范圍在10～75 m之間(通過功效可在低功耗條件下實現1 000 m以上通信距離)，具體可依據實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通家庭或辦公室環(huán)境。
(10)工作頻段靈活。使用的頻段分別為2．4 GHz(全球)、868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。
ZigBee典型的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據。它的應用目標主要是工業(yè)控制(如無線通訊系統、自動控制設備、無線傳感器網絡)，醫(yī)護(如監(jiān)視和傳感)，家庭智能控制(如照明、水電氣計量及報警)，消費類電子設備的遙控裝置以及PC外設的無線連接等。

3 ZigBee技術在智能箱式變電站中的應用總體設計
3．1 智能箱式變電站中ZigBee通訊網絡平臺的設計原理和體系結構
ZigBee通訊平臺設計原理構架圖如圖1所示?；赯igBee的通訊網絡平臺以智能箱式變電站為核心，并依托變電站的10kV配電線路向外輻射，采用逐步推進的方式建立起較為完整的ZigBee無線通訊網絡。利用ZigBee通訊技術的網絡具有自組網、大容量、無限制路由的特點，可彌補現有的公共無線網絡、光纖、電力載波等通訊方式的不足。

圖2所示是智能箱式變電站ZigBee通訊網絡體系結構圖。
本系統的管理主站存放在各電力公司。通過光纖分布與各個變電站的ZigBee智能網關相連接。ZigBee終端節(jié)點(ZigBee終端裝置)與配變終端(如配變監(jiān)測儀、故障指示器等)相連，并通過ZigBee路由(智能中繼器)逐級把數據傳遞給ZigBee智能網關。系統自上至下由ZigBee通信平臺管理系統主站、ZigBee智能網關、ZigBee智能中繼器、ZigBee終端組成，通過ZigBee網關進行協議解析，可實現全程鏈路的構建。