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基于ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電表集抄系統(tǒng)

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當(dāng)前，范圍內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)正逐步展開(kāi)，供電公司在構(gòu)建新一代AMI（*計(jì)量體系）系統(tǒng)時(shí)，都會(huì)考慮采用多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)的方式，以克服現(xiàn)有技術(shù)固有的一些不足，從而達(dá)到滿足系統(tǒng)性能和投資回報(bào)的要求。這些AMI系統(tǒng)要求包括：直接與每個(gè)表計(jì)通訊的高可靠性雙向信道、*的單次抄讀成功率、實(shí)時(shí)快速的系統(tǒng)響應(yīng)、足夠的數(shù)據(jù)帶寬遠(yuǎn)程斷/送電、無(wú)卡遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)、未來(lái)費(fèi)率的遠(yuǎn)程調(diào)整等。當(dāng)然，Z重要的是可以通過(guò)降低線損

詳細(xì)介紹

1.1 概述
當(dāng)前，范圍內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)正逐步展開(kāi)，供電公司在構(gòu)建新一代AMI（*計(jì)量體系）系統(tǒng)時(shí)，都會(huì)考慮采用多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)的方式，以克服現(xiàn)有技術(shù)固有的一些不足，從而達(dá)到滿足系統(tǒng)性能和投資回報(bào)的要求。這些AMI系統(tǒng)要求包括：直接與每個(gè)表計(jì)通訊的高可靠性雙向信道、*的單次抄讀成功率、實(shí)時(shí)快速的系統(tǒng)響應(yīng)、足夠的數(shù)據(jù)帶寬遠(yuǎn)程斷/送電、無(wú)卡遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)、未來(lái)費(fèi)率的遠(yuǎn)程調(diào)整等。當(dāng)然，zui重要的是可以通過(guò)降低線損、提高效率而獲得很高的投資回報(bào)。
盡管目前國(guó)內(nèi)涉及自動(dòng)抄表領(lǐng)域的廠家很多，并且產(chǎn)品復(fù)雜多樣，但通過(guò)綜合比較發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)抄表系統(tǒng)的基本構(gòu)架如圖。

其中，上位機(jī)是放置在管理部門或監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；集中器是區(qū)域集中數(shù)據(jù)的裝置；采集器是分區(qū)采集電表數(shù)據(jù)的裝置。這個(gè)系統(tǒng)組網(wǎng)方案中，上段信道可以采用有線市話、無(wú)線通信(包括GPRS/CDMA)、光纖通信等等，這些信道的可靠性勿庸置疑。然而現(xiàn)在自動(dòng)抄表系統(tǒng)的通信問(wèn)題多出在下段信道，也就是從集中器到電表這一段。這一段信道用量大，爭(zhēng)論也zui激烈。
現(xiàn)有的一些所謂的“zui后一公里”技術(shù)，例如：低壓電力線載波（PLC），RS485有線通訊都存在各種各樣的弊端。（見(jiàn)表1）
隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱之為ZIGBEE，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。
由于ZIGBEE的*特性，基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實(shí)現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無(wú)線抄表網(wǎng)絡(luò)，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統(tǒng)中。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結(jié)合，與后臺(tái)管理主站組成一個(gè)完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠(yuǎn)程管理提供一個(gè)有效的解決方案。

表1. ZIGBEE與其他“zui后一公里”技術(shù)的比較

1.2 ZIGBEE技術(shù)特點(diǎn)
ZIGBEE協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從2004年發(fā)布ZIGBEE V1．0到的增加了ZIGBEE-PRO擴(kuò)展指令集的ZIGBEE2006版本，ZIGBEE功能不斷強(qiáng)大。ZIGBEE具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見(jiàn)圖2)，它支持3種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹(shù)型結(jié)構(gòu)(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應(yīng)用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無(wú)線通訊技術(shù)相比較，ZIGBEE的特點(diǎn)主要有：

圖2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?/span>

(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡(jiǎn)化功能器件)采用了休眠模式，不工作時(shí)都可以進(jìn)入睡眠模式。
(2)低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時(shí)。ZIGBEE的zui大通信速率達(dá)到250 kb／s(工作在2．4 GHz時(shí))，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。ZIGBEE的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，若通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，擴(kuò)展后達(dá)到幾百米甚至幾公里。ZIGBEE可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，zui多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。
(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz()、915 MHz(美國(guó))和868 MHz(歐洲)。

1.3 ZIGBEE無(wú)線通信抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
圖3為無(wú)線通信抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要由四部分組成：計(jì)量?jī)x表、本地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)方通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)交換設(shè)備。ZIGBEE無(wú)線通信抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也繼承了無(wú)線通信抄表系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)與無(wú)線抄表系統(tǒng)大致一樣，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也由計(jì)量?jī)x表、ZIGBEE采集器（負(fù)責(zé)與計(jì)量?jī)x表之間的通信）、ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端（負(fù)責(zé)與上層通訊網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接，譬如工業(yè)太網(wǎng)等）、上層通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)設(shè)備。ZIGBEE無(wú)線通信抄表系統(tǒng)一般采用的組網(wǎng)方式是MESH的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，MESH網(wǎng)絡(luò)能更好得保證通信質(zhì)量，保證單一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不影響其他節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)。

圖3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.4 ZIGBEE無(wú)線抄表的解決方案
不管是有線還是無(wú)線，抄表系統(tǒng)總會(huì)受到環(huán)境、距離和場(chǎng)合等因素的影響而各有其不同的解決方案?；赯IGBEE抄表系統(tǒng)也不會(huì)脫離這個(gè)約束，它也會(huì)由環(huán)境、距離和場(chǎng)合等因素的影響而異，有不同的解決方案。由于ZIGBEE的定位是短距離的通信，應(yīng)用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無(wú)線抄表網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它所考慮的因素相對(duì)要少。
圖4為ZIGBEE無(wú)線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖，整個(gè)系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的組成一樣，主要由上行網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡(luò)ZIGBEE無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)組成。整個(gè)子網(wǎng)主要由電表、ZIGBEE采集器以及ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網(wǎng)絡(luò)電力儀表等，它們與ZIGBEE采集器之間采用RS485通訊，采用MODBUS通信協(xié)議；ZIGBEE采集器下面zui多可以連接32個(gè)表；由于MODBUS地址有限，整個(gè)ZIGBEE子網(wǎng)中zui多能連接255個(gè)表；為了保障通信連接的可靠性，有的時(shí)候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個(gè)路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（ZIGBEE采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的通信正常；另外考慮到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實(shí)時(shí)性傳輸，建議整個(gè)子網(wǎng)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)（即ZIGBEE采集器）的個(gè)數(shù)不應(yīng)大于60個(gè)，這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個(gè)ZIGBEE子網(wǎng)都有各自的ID識(shí)別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴(kuò)充更多的表計(jì)數(shù)。