ZigBee通信技术及其在电力系统中的应用

ZigBee通信技术及其在电力系统中的应用ZigBee简述ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。

根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

ZigBee起源在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。

对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。

因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。

ZigBee所基于的协议IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。

它是ZigBee协议的基础。

ZigBee是一种新兴的近距、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。

主要用于近距离无线连接。

ZigBee名称的由来•Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。

根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术ZigBee发展历史Zigbee, 在中国被译为"紫蜂",它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术.用于传感控制应用(sensor and control).此想法在IEEE 802.15工作组中提出,于是成立了TG4工作组,并制定规范IEEE 802.15.4.2002年,zigbee Alliance(联盟)成立.2004年,zigbee V1.0诞生.它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促,存在一些错误.2006年,推出zigbee 2006,比较完善.2007年底,zigbee PRO推出ZigBee、蓝牙、Wi-Fi技术比较•ZigBee无线数据传输网络描述ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。

ZigBee模块类似于移动网络基站。

通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信。

ZigBee网络在ZigBee网络结构中一般包括三种设备: 协调器节点路由器节点和末端节点。

协调器也称为全功能设备，相当于蜂群结构中的蜂后，是唯一的，协调器是ZigBee 网络启动或建立网络的设备，负责网络的发起和维护，对网络的各个参数进行设定。

路由器相当于雄蜂，数目不多，路由器需要一直处于工作状态，由支路供电，在树型拓扑网络模式中功能主要包括作为普通设备加入网络，实现多跳路由，辅助其它的子节点完成通信。

末端节点则精简功能设备，只能传相当于数量最多的工蜂，它可以传送数据给协调器节点，或从协调器节接收数据。

该设备需要的内存较少( 特别是内部RAM) 为了维持网络最基本的运行，末端节点没有指定的责任，没有必不可缺少性，可以根据自己功能需要休眠或唤醒，一般由可由电池供电。

ZigBee网络ZigBee采用的自组织网通信方式ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。

而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。

因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。

这就是自组织网。

ZigBee技术使用自组织网来通信网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。

而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

自组织网采用动态路由的方式所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。

在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。

在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。

动态路由结合网络拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。

ZigBee特点：①低功耗。

在低耗电待机模式下，2节5 号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。

相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

②低成本。

通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，而且ZigBee免协议专利费。

每块芯片的价格大约为2 美元。

③低速率。

ZigBee工作在20～250 kbps 的较低速率，分别提供250 kbps(2.4GHz）、40kbps (915 MHz）和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

④近距离。

传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF 发射功率后，亦可增加到1～3 km。

这指的是相邻节点间的距离。

如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

⑤短时延。

ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。

相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。

⑥高容量。

ZigBee可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。

⑦高安全。

ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES 128) 的对称密码，以灵活确定其安全属性。

⑧免执照频段。

采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM) 频段，2. 4 GHz （全球）、915 MHz（美国）和868 MHz（欧洲）。

ZigBee在生活中应用ZigBee并不是用来与蓝牙或者其他已经存在的标准竞争，它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的市场，它有着广阔的应用前景。

其应用领域主要包括：•工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制•商业：智慧型标签等•公共场所：烟雾探测器等•农业控制：收集各种土壤信息和气候信息•医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。

•家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等。

Zigbee模块示例Zigbee模块示例ZigBee在电力系统中的应用一.电厂设备检测•例如开关柜发电厂、变电站的高压开关柜是重要的电气设备。

在设备长期运行过程中，开关柜中的母线接点、高压电缆接头等部位因老化或接触电阻过大而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化，甚至击穿而造成事故。

由于开关柜中的母线处于高压电位，每相对地和不同相之间都存在很高的电压，且结构狭小，无法进行人工巡查测温，所以直接检测高压母线温度一直是电力系统检测中的一个难题。

ZigBee无线网络的低成本、短时延、免执照频段、高安全、近距离、低复杂度，低功耗等优点，满足高压母线测温的条件，是解决的良好途径。

二. 基于ZigBee技术的无线抄表•这个无线抄表系统最上层为用电管理中心主站，然后主站下来通过GPRS网络接入各个小区的集中器，采用一对多的连接形式。

这样用电管理中心主站通过GPRS无线网络对各个小区的用电进行控制并采集数据。

•通信系统的下层由电表，ZigBee无线抄表终端，ZigBee无线网络组成，共同完成对电表数据的采集，保存和转发，同时执行管理中心总站传来的命令，实现对电表的控制。

三. ZigBee技术在电力SCADA应用相对于电力微波通信网、电力DDN数字数据和公网等远程通讯技术相比，电网数字化需要“就地”获取信息，并快速作出反应，同时需要和远程通讯技术配合。

ZigBee 无线自组网技术针对电力系统监测、控制的需求，在通信容量、通信时延、通信可靠性、能量损耗上正是这样一项满足电力SCADA需求的技术。

ZigBee技术首先被应用在数字化变电站和电网监控上。

•IEC 61850明确地将变电站系统分成3层：变电站层、间隔层和过程层。

•介于变电站层与过程层之间的间隔层智能电子设备(IED)，围绕保护、测量、计量、参数设置等功能与上下层设备交换信息，数字化变电站智能电子设备(IED)应用ZigBee技术是电力SCADA发展趋势之一，其中五防闭锁装置是电力安全生产的重要设备(IED)。

•采用ZigBee无线自组织网络技术，实现了微机防误闭锁系统的电脑钥匙与主控设备之间的无线信息同步，同时运用网络中心拓扑技术，成功解决强电磁干扰环境中无线信息发送及接收的稳定性和成功率等关键问题，并成功降低了发射功率，确保产品在变电站干扰敏感区的安全使用。

此外，ZigBee通信技术在电力安全领域上的应用——变电站刀闸、地线锁态控制系统为了提高电力系统的安全性,实现自动化控制,在变电站现行的安全规章的基础上,将锁态控制思想引入到倒闸操作的流程当中可应用基于ZigBee无线通信技术的变电站刀闸、地线锁态控制系统。

这种基于ZigBee无线通信技术的变电站刀闸、地线锁态控制系统,有效提高了电力系统的自动化程度,提高了电力系统的安全性。

四. ZigBee技术在电力物联网应用物联网技术可以实现电力设备状态检测、电力生产管理、电力资产全寿命周期管理、智能用电。

利用物联网技术将有助于实现智能用电双向交互服务、用电信息采集、家庭能效管理以及电动汽车充放电，为实现用户与电网的双向互动、提高供电可靠性与用电效率以及节能减排提供技术保障。

无线传感器网络是物联网的重点之一，而ZigBee 技术则是无线传感器网络的热门技术，ZigBee技术作为一种短距离、低速率无线传感器网络技术，可以广泛应用在电力物联网领域。